磁力耦合器在真空設(shè)備上的應(yīng)用和設(shè)計(jì)
介紹了一種磁力耦合器在超高真空實(shí)驗(yàn)設(shè)備—滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)上的具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)；并結(jié)合應(yīng)用扼要介紹了磁力耦合器的工作理、主要功能、磁力傳動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、磁路的排列形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，以及在制造中需要注意的工藝問題。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對有關(guān)物理量測定設(shè)備的性能要求越來越高，對測試結(jié)果要求更加精確和準(zhǔn)確；從而得出的數(shù)據(jù)更加真實(shí)和有效，這極大地促進(jìn)了科研事業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)也為工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的騰飛發(fā)揮著巨大推動作用，充分體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力；我們設(shè)計(jì)制造的磁力耦合器應(yīng)用到超高真空設(shè)備—滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)上。由于磁力耦合器在傳動負(fù)載轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，能夠徹底解決設(shè)備的全密封問題；滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)在分子泵連續(xù)抽真空48h 后，測量室的真空度達(dá)到10-6 Pa 以上，滿足了實(shí)驗(yàn)室測試要求；足見其全密封的有效性和可靠性；這為科學(xué)研究提供了設(shè)備保障，為科研事業(yè)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。
1、磁力耦合器的工作原理和主要功能
1.1、工作原理
根據(jù)磁體磁極的異性相吸、同性相斥原理及其磁力線能夠穿過非鐵磁性物質(zhì)的特性；當(dāng)電動機(jī)拖動外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過磁力作用，外磁轉(zhuǎn)子帶動密封套內(nèi)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的非直接接觸傳動；同時(shí)，通過密封套實(shí)現(xiàn)了傳動轉(zhuǎn)矩時(shí)軸端的靜態(tài)全密封，把傳統(tǒng)軸端的動態(tài)密封變?yōu)榘踩⒖煽康撵o態(tài)密封，從根本上解決了動態(tài)軸封“跑、冒、滴、漏”的技術(shù)難題。其原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
1.2、主要功能
磁力耦合器的主要功能是傳動轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，把軸端傳統(tǒng)的機(jī)械動密封變?yōu)榘踩⒖煽康?a target="_blank" href="http://genius-power.com/seal/static/">靜密封；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過磁力耦合器的最大傳動轉(zhuǎn)矩時(shí)，磁力耦合器內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子會自動脫開耦合狀態(tài)，起到過載保護(hù)的作用；由于磁力耦合傳動屬于非直接接觸的軟連接，隔振、減振作用明顯。
圖1 磁力耦合器原理結(jié)構(gòu)
1. 法蘭 2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子 3. 外磁轉(zhuǎn)子 4. 隔離套 5. 電機(jī)軸 6. 負(fù)載軸
2、磁力耦合器的設(shè)計(jì)
2.1、滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)工作參數(shù)
工作轉(zhuǎn)矩：2 ～ 60Nm；使用溫度< 120℃；轉(zhuǎn)速：200 ～ 6000r /min；工作環(huán)境：真空( 真空度10 -6 Pa 以上) ；連接法蘭國家標(biāo)準(zhǔn)的真空法蘭；外形尺寸范圍：在φ150mm × 200mm 的空間范圍。
2.2、磁力傳動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
根據(jù)用戶提出的工作參數(shù)要求和多年應(yīng)用設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，確定磁力耦合器的基本結(jié)構(gòu)及其幾何尺寸，并計(jì)算出滿足用戶工作要求的磁力傳動轉(zhuǎn)矩，這是磁力耦合器設(shè)計(jì)的核心所在。由磁力計(jì)算公式：
F = (B/4965) 2S ( 1)
式中：F———磁吸引力，kg；B———氣隙磁密，Gs；S———氣隙面積，cm2。
根據(jù)力學(xué)中轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩公式T = F × R( T 為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn) 為切向力，R 為作用半徑) ，同時(shí)結(jié)合靜磁能理論和多年設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行磁力耦合器磁力傳動轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)，其磁力傳動轉(zhuǎn)矩計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式是：
式中：T———磁力傳動轉(zhuǎn)矩，Nm；M———磁化強(qiáng)度，A/m；g———重力加速度， 9. 8N/m2 ；h———磁體厚度，m；n———磁極數(shù)；S———磁極面積，m2 ；R———力的作用半徑，m；a———位移角( 弧度) ；Lg———磁隙，m； b———磁極寬度，m；η———磁極厚度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)( 通常取值0. 7 ～0. 95) ；N———磁極形狀系數(shù)( 通常取值1. 05) ；k———磁路類型系數(shù)( 對拉推磁路k =4 ～6. 4) 。
在式(2) 中，當(dāng)sin( na /2) = 1 時(shí)，磁力傳動轉(zhuǎn)矩T 有最大值，稱之為最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩Tm；所以，最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩：
為了使磁力耦合器設(shè)計(jì)的最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩滿足滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)的最大工作轉(zhuǎn)矩要求；最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩計(jì)算的準(zhǔn)確程度直接影響著磁力耦合器能否正常運(yùn)行。因此，希望最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算值與實(shí)測值的偏差越小越好。本磁力耦合器采用式(3)計(jì)算得到的最大磁力傳動轉(zhuǎn)矩值為72Nm；實(shí)測值為65. 5Nm；計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差僅為9%左右。實(shí)測值比設(shè)備的工作轉(zhuǎn)矩要求的最大值多出5. 5Nm，這為滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)在最大工作轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上預(yù)留了10% 以上的轉(zhuǎn)矩余量，增加了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，完全滿足使用要求。
2.3、磁路結(jié)構(gòu)形式和對磁體磁性能的基本要求
2.3.1、磁路結(jié)構(gòu)形式
磁力耦合器磁路結(jié)構(gòu)采用同軸型，磁路采用圓筒形周向組合拉推磁路，其拉推磁路結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2 所示。
這種磁路的特點(diǎn)是：傳動轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，傳動效率高，使用壽命長，減振和過載保護(hù)作用顯著。
2.3.2、永磁體性能要求
永磁體材料采用第三代稀土永磁—釹鐵硼( Nd- Fe - B) 合金，該永磁材料磁性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，性價(jià)比高；針對在磁力耦合器上的使用要求，對磁性能提出具體要求如下：
圖2 磁路結(jié)構(gòu)剖視
1. 外磁轉(zhuǎn)子基體，2. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子基體，3. 隔離套，4. 外磁轉(zhuǎn)子永磁體，5. 內(nèi)磁轉(zhuǎn)子永磁體
最大磁能積(BH) max≥263kJ /m3 ( 33MGsoe) ，內(nèi)稟矯頑力jHc≥1592kA/m( 20000oe) ，剩磁Br≥1. 17T( 11700Gs) ，使用溫度≥120℃；采用的永磁體產(chǎn)品牌號N35SH；永磁體表面進(jìn)行防銹蝕等的鍍鋅防腐處理。
3、制造中的工藝要求
先進(jìn)的設(shè)計(jì)在制造產(chǎn)品時(shí)，必須要有嚴(yán)格、合理的工藝保障措施；本磁力耦合器制造時(shí)，主要遵循的工藝要求如下。
3.1、檢測與安裝
在安裝永磁體時(shí)，要求逐一進(jìn)行磁性能和幾何尺寸的檢測，避免不合品混入被使用，影響磁力耦合器的性能和質(zhì)量。各零部件在安裝前應(yīng)檢測和核對裝配尺寸，準(zhǔn)確無誤后，將其全部用煤油清洗干凈，晾干，再用丙酮等擦拭干凈，在烘箱中烘干；永磁體與其基體的固定采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘接，并在烘箱中進(jìn)行加溫( 溫度保持在60℃ 以內(nèi)，6 ～ 10h) 固化，達(dá)到粘接強(qiáng)度。
3.2、軸承的選型和潤滑
根據(jù)長期設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，軸承選用滾動軸承，并大膽使用了固體潤滑材料進(jìn)行潤滑，滿足了高轉(zhuǎn)速、長壽命的使用特點(diǎn)，同時(shí)，避免了因軸承潤滑材料使用不當(dāng)給滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)真空室抽真空帶來的不利影響；由于油、脂等潤滑劑在抽真空時(shí)易出氣，真空室中的真空度在實(shí)驗(yàn)要求的時(shí)間內(nèi)難已達(dá)到10 -6 Pa 以上。所以，采用固體潤滑材料潤滑軸承是合理的。
3.3、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的焊接
內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的焊接通常采用氬弧焊接，由于焊接溫度高達(dá)1500℃，極易導(dǎo)致永磁體在焊接時(shí)退磁；所以，在焊接時(shí)要采取嚴(yán)格的保護(hù)措施；具體保護(hù)措施是對焊接點(diǎn)進(jìn)行磁屏蔽，然后，為便于焊接時(shí)焊點(diǎn)處的散熱，從而降低內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的整體溫度，避免內(nèi)磁轉(zhuǎn)子在焊接時(shí)永磁體退磁，可將內(nèi)磁轉(zhuǎn)子浸置在清涼水槽中，只須焊接的位置露出水面，便于焊接即可。
3.4、探傷檢查
內(nèi)磁轉(zhuǎn)子焊接完成后，進(jìn)行探傷檢查，如發(fā)現(xiàn)有漏焊的砂眼點(diǎn)，應(yīng)補(bǔ)焊完好；再次探傷，直到未發(fā)現(xiàn)任何砂眼點(diǎn)為止。這樣，可避免在抽真空過程中內(nèi)磁轉(zhuǎn)子中的永磁體嚴(yán)重出氣，從而降低內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩傳動能力，同時(shí)也避免了由此而引起的給滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)真空室抽真空帶來的不利影響。當(dāng)用分子泵抽真空時(shí)，僅用了24h，真空室的真空度就達(dá)到了10-6 Pa 以上，達(dá)到了工作要求；節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間，降低了實(shí)驗(yàn)電力成本。
4、應(yīng)用實(shí)例
根據(jù)上述原理、方法、工藝設(shè)計(jì)制造的磁力耦合器，應(yīng)用在中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)上，用以研究有關(guān)材料的摩擦特性，其研究成果可推廣應(yīng)用到真空、航空航天、化工、制藥、機(jī)電等行業(yè)和產(chǎn)品領(lǐng)域，市場前景廣闊。
對實(shí)驗(yàn)條件的要求是：真空度10 -6 Pa 以上，傳動轉(zhuǎn)矩2 ～ 60Nm，轉(zhuǎn)速200 ～ 6000r /min；通過改變變頻器的頻率來控制滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變工作轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩滿足實(shí)驗(yàn)要求；再通過磁力耦合器帶動摩擦負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試工作，然后，通過傳感器將摩擦測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，對研究有關(guān)材料的摩擦等特性提供了實(shí)驗(yàn)條件和方法；在這種超高真空狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)，空氣阻力影響可以忽略不計(jì)；所以超高真空度能否保證就成了實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵；如何解決既要轉(zhuǎn)動又要全密封的問題，就成了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的難題；由于應(yīng)用了磁力耦合器技術(shù)產(chǎn)品，成功地將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩傳遞給滑動摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，又保證了系統(tǒng)的全密封，滿足了實(shí)驗(yàn)要求；因此，磁力耦合器成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；既保證了實(shí)驗(yàn)工作的順利進(jìn)行，又確保了測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
5、結(jié)束語
由于磁力耦合器有著“得天獨(dú)厚”的傳動轉(zhuǎn)矩和全密封的作用效果，被成功地應(yīng)用到石油、化工、真空、制藥、航空、航天、科研、實(shí)驗(yàn)等行業(yè)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益；通過對磁力耦合器的廣泛應(yīng)用，使得磁力耦合器設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝更加成熟，更加實(shí)用；為徹底解決有關(guān)轉(zhuǎn)動設(shè)備的全密封、不泄漏問題提供了技術(shù)和設(shè)備保障；對保護(hù)環(huán)境，防止污染，維護(hù)人們的身心健康發(fā)揮重要作用。
