同軸型磁性聯軸器最大靜磁力矩影響因素分析

余法松

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 同軸型磁性聯軸器的結構特點

同軸型聯軸器，用靜密封代替傳統動密封，可實現零泄漏，因此，它廣泛應用于醫藥、石油化工、核動力、電鍍等對泄漏有特殊要求的行業。

通常，同軸型聯軸器主要由外磁體、內磁體、隔離套、軸承系統四部分組成。內外轉子之間存在一定的氣隙，用于隔離主動和從動部件。在內轉子的外徑圓和外轉子的內徑圓部分，分別鑲嵌有內外磁體。磁體個數為偶數，磁體以徑向充磁，耦合磁極為徑向排列，按照內磁體的N極（S極）、外磁體的S極（N極）沿圓周方向交叉方式排列。靜止狀態下，當內外磁體的N極、S極的工作面相互對齊時，即為自動耦合。當主動軸的外磁體轉動時，內、外磁體工作面形成角度偏移，外磁體S極對內磁體的N極形成一個拉動力，同時，對內磁體的前一極N極形成一個推動力，使得內磁體有跟著轉動的趨勢，通過內外磁體N極、S極循環的耦合作用，實現運動和扭矩的傳送。隔離套屬于非鐵磁物質，一般采用奧氏體不銹鋼，它可以有效地將內外磁體隔離開，而又不影響或者很少影響磁性的大小，實現無接觸地透過隔離套進行動力傳輸。所以，隔離套和軸承系統主要用于磁性傳動密封的結構中。

同軸型磁性聯軸器的優點包括以下幾個方面：

（1）同軸型聯軸器傳遞磁力扭矩的范圍非常廣泛，一般傳遞扭矩在3～500Nm比較常見，也有高扭矩傳遞，可達2000Nm，最大的在6000Nm。

（2）聯軸器的結構設計合理時，磁力扭矩的傳遞可實現交叉、直角傳遞，與傘齒輪、斜齒齒輪機械傳動等功能相似。磁力傳動不僅可以傳遞轉動，還可以傳遞軸向運動。

（3）同軸型聯軸器扭矩傳動比較穩定，與撓性軸承適配性較好。電動機端和工作機端任何一端軸產生振動，對另一部分的運轉沒有任何影響，該聯軸器聯接可用于振動隔離、撓性聯接，可實現對中軸的傳動。

（4）同軸型聯軸器的額定扭矩約為最大扭矩的60%。當輸出端負載超過聯軸器的最大扭矩時，聯軸器將會出現過載保護——“打滑”，此時，磁體從當前N、S極的耦合狀態，圓周錯動跳轉到下一個耦合狀態。當聯軸器出現打滑時，磁體間隙內的磁場迅速變化，內外磁體同時出現相互沖退磁現象，磁體間產生大量熱量。磁體溫度短時間內迅速上升到100℃以上，磁體因高溫永久退磁，使得聯軸器報廢。因此，磁性聯軸器雖然能起到過載保護的作用，但一般不可作為過載保護裝置使用。

（5）該聯軸器的內外轉子之間，安裝一個隔離套，可以將內轉子或者外轉子封閉起來，將動密封轉變成為靜密封，但仍然可以傳遞扭矩。因此，磁性聯軸器有效地解決了動密封存在的泄漏問題，實現零泄漏，可用于對泄漏有特殊要求的場合。

同軸型磁性聯軸器雖然有很多優點，但仍存在許多不足。例如，由于隔離套由金屬材料制成，在高速交變磁場中工作，隔離套會產生嚴重的“發電”效應，造成渦流損失；材料成本過高，限制了磁性聯軸器的應用；由于所有的磁性材料遇高溫退磁，所以限制磁性聯軸器應用的另一個問題是溫度。

2 同軸型磁性聯軸器最大靜扭矩計算公式

同軸型磁性聯軸器由不同極性的內外瓦形永磁體分別呈偶數緊密排列組成，且hLg＞4，（h耦合磁體軸向長度，hg氣隙長度）。最大靜磁力矩是在常溫下，內永磁體固定時，外永磁體能施加的最大力矩。

由圖2知，和影響和值，影響的效果相反。當選擇恰當的和時可使得為定值，最后得：

圖2 受外力矩作用后的聯軸器

又如圖1，可得，

圖1 同軸型磁力聯軸器

式中，Mjcmax為最大靜磁力矩，N?M；h為耦合磁體軸向長度，m；R內為內永磁體耦合面半徑，m；R外為外永磁體耦合面半徑，m；r內為內轉子耦合面外半徑，m；r外為外轉子耦合面內半徑，m；(BH)max為永磁體最大磁能積，J/m3；C0為常數；C1為工作點系數；C2為氣隙漏磁系數；C3為端面漏磁系數。

3 同軸型磁性聯軸器最大靜磁力矩影響因素分析

由同軸型磁性聯軸器的結構特點及式（1）（2），揭示了最大靜磁力矩和聯軸器各結構參數及永磁體性能的關系，因此，可依據這兩個公式來分析影響該聯軸器最大靜磁力矩的因素。根據所推導出的相關公式，我們提出影響其最大靜磁力矩的影響因素，并對這些影響因素進行分析、總結。為了更直觀、更具體地分析這些因素對該磁性聯軸器最大靜磁力矩的影響，結合某公司磁性聯軸器的相關數據和最大靜磁力矩計算公式，我們假定某一因素為變量，其他因素不變的情況下，對最大靜磁力矩進行MATLAB編程、繪制曲線圖。

由上可知，同軸型磁性聯軸器最大靜磁力矩的影響因素可歸納為以下幾點：

（1）永磁體材質因素。當其他結構參數相同的情況下，永磁體材質的磁體性能越強，磁性聯軸器的最大靜磁力矩越大。

（2）聯軸器磁體間氣隙因素。由式（1）可知，隨著磁體間氣隙減小，磁體磁場的有效利用率也隨之增大，同時隔離也越困難；磁體間氣隙增大，隔離越容易，但是，磁體磁場的有效利用率越低。同軸型磁性聯軸器的工作半徑為氣隙所在的半徑位置。因此，設計聯軸器時，可根據所需聯軸器的扭矩，來調整氣隙的半徑大小。又由式（2）知，可通過調節外轉子耦合面內半徑或內永磁體耦合面半徑，調節氣隙的半徑大小來調節扭矩（參見最大靜磁力矩與內永磁體耦合面半徑、外轉子耦合面內半徑關系圖），氣隙的大小多在2～8mm。

（3）耦合磁體軸向長度的影響。由耦合磁體軸向長度與最大靜磁力矩關系圖分析得知，相同材質的永磁體性能，氣隙不變的情況下，增加磁體的軸向耦合長度（即磁體耦合面積），相當于近似等比增加傳動扭矩。

（4）內永磁體耦合面半徑大小的影響。由內永磁體耦合面半徑和最大靜磁力矩關系圖分析得知，增大內永磁體耦合面半徑，即增大了永磁體磁路長度，又降低了氣隙長度，從而增大了聯軸器的最大靜磁力矩。

（5）外永磁體耦合面半徑的影響。由外永磁體耦合面半徑和最大靜磁力矩關系圖分析得知，增大外永磁體耦合面半徑，從而增大永磁體磁路長度，提高了最大靜磁力矩。

（6）內轉子偶合面外半徑的影響。由內轉子耦合面外半徑和最大靜磁力矩關系圖分析得知，減小內轉子耦合面外半徑，增大永磁體磁路的長度，從而提高磁性聯軸器的最大靜磁力矩。

4 結語

綜上所述，同軸型磁性聯軸器的結構、磁路設計，及其各零部件的材料關系到磁性泵的可靠性，磁傳動效率及壽命。在當今的工業生產過程中，對環境保護的要求越來越高，磁性聯軸器技術及其衍生出的零泄漏技術，必將在工業生產中得到更廣泛的應用。