磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、性能及選用

1、磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)性能及選用摘要：磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器輸出的轉(zhuǎn)矩可控并且隨著勵(lì)磁電流的改變而基本成比例變化。作為自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)元件，它們和相應(yīng)的控制系統(tǒng)配套，可以完成有別于其它同類產(chǎn)品的特殊用途。本文通過分析其結(jié)構(gòu)、性能，并進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到正確選用的目的。關(guān)鍵詞：磁粉離合器；磁粉制動(dòng)器；結(jié)構(gòu)性能前言與各種形式的離合器、制動(dòng)器比較，磁粉離合器、制動(dòng)器具有獨(dú)特的性能、結(jié)構(gòu)和用途，一般的教科書和設(shè)計(jì)手冊中較少介紹，但在文獻(xiàn)0%1中，把磁粉離合器歸類到電磁離合器類別中進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹， 雖然所介紹的和電磁離合器同類，但筆者認(rèn)為，它和概念中的電磁離合器有著本質(zhì)的區(qū)別。 盡管兩者都有勵(lì)磁后

2、工作的相同控制特性，但輸出特性卻有著巨大的差異：電磁離合器勵(lì)磁后靠被銜鐵壓緊了的摩擦片間的相互摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁電流恒定，傳遞的轉(zhuǎn)矩也基本恒定； 而磁粉離合器勵(lì)磁后， 是通過填充于工作間隙的被磁化了的磁 粉鏈傳遞轉(zhuǎn)矩，改變勵(lì)磁電流可以改變磁粉的磁狀態(tài)進(jìn)而能調(diào)節(jié)傳遞的轉(zhuǎn)矩，輸出的轉(zhuǎn)矩可控并且隨著勵(lì)磁電流的改變而基本成線性變化。一般的離合器和制動(dòng)器結(jié)構(gòu)差異較大、功能各異，而磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器卻具有基本相同的結(jié)構(gòu)和特性，將輸出端加以固定就可以完成離合器和制動(dòng)器的相互轉(zhuǎn)化。這種獨(dú)特的性能和結(jié)構(gòu)，決定了磁粉離合器、制動(dòng)器有別于其它同類產(chǎn)品的特殊用途：（%）快速離合與制動(dòng)；（!）載荷控制與過載保護(hù)；

3、（$）載荷 測試和測試加載；（#）無級調(diào)速；（'）張力控制；（2）換向和伺服驅(qū)動(dòng)等等。因此，磁粉離 合器和磁粉制動(dòng)器更多的是做為自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)元件，和相應(yīng)的控制系統(tǒng)配套， 越來越廣泛的用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。!磁粉離合器、制動(dòng)器的分類及結(jié)構(gòu)按勵(lì)磁線圈的供電方式， 磁粉離合器、制動(dòng)器有兩大類產(chǎn)品：線圈旋轉(zhuǎn)式和線圈靜止式。線圈旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)線圈的供電是經(jīng)過安裝在軸上的滑環(huán)進(jìn)行的，由于接電方式的不可靠和線圈在高速旋轉(zhuǎn)過程中有可能發(fā)生的不平衡引起震動(dòng)，這種類型的產(chǎn)品已經(jīng)很少應(yīng)用，目前市場上的絕大部分產(chǎn)品都采用線圈靜止型的。線圈靜止型產(chǎn)品又有外殼靜止和外殼旋轉(zhuǎn)二種類型。對于外殼靜止的產(chǎn)品，靜止線圈位于

4、轉(zhuǎn)子的外部，對于外殼旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)品， 靜止線圈位于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部。根據(jù)輸出轉(zhuǎn)子工作面的形狀不同，常用的產(chǎn)品有圓柱形轉(zhuǎn)子、 杯形轉(zhuǎn)子和盤形轉(zhuǎn)子之分。 圓柱形轉(zhuǎn)子一般用于大中型產(chǎn)品， 結(jié)構(gòu)比較簡單；杯形轉(zhuǎn)子一般用于外殼旋轉(zhuǎn)型產(chǎn)品，散熱好，滑差功率較大；而盤形轉(zhuǎn)子一 般用于微型產(chǎn)品，適用于精密控制場合。按規(guī)格可分為大型（%""”34以上）、中小型（2-5""34/和微型.#34以下/,按其冷卻方式可分 為自然冷卻式、強(qiáng)迫風(fēng)冷卻式和水冷卻式，按連接型式還可分為伸出軸型和空心軸型，按主、從動(dòng)傳遞路線不同又可分為外殼旋轉(zhuǎn)型和外殼靜止型（線圈靜止），按安裝形式還有臥式和立式等

5、等。各種形式可以根據(jù)使用的需要進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，完成相應(yīng)的功能，但立式和臥式安裝的形式不可以交替使用。$磁粉離合器、制動(dòng)器的工作原理與特性（% ）磁粉離合器原理圖0$1 （以柱形轉(zhuǎn)子、外殼靜止、伸出軸、自然冷卻型產(chǎn)品為例）如圖%。嵌裝著線圈的部分為磁軛，主動(dòng)轉(zhuǎn)子和被動(dòng)轉(zhuǎn)子之間用軸承隔離，在主動(dòng)轉(zhuǎn)子的內(nèi)外之間形成了兩個(gè)同心的圓柱形空隙，外面為空氣隙，內(nèi)面為工作隙。在工作隙中，加入導(dǎo)磁率高、耐熱性好的磁粉。當(dāng)主動(dòng)構(gòu)件回轉(zhuǎn)而線圈選用的目的。選用不通電勵(lì)磁時(shí)， 工作隙中的磁粉由于離心力作用被壓附在主動(dòng)轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁上，主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間沒有力的相互作用，也就沒有轉(zhuǎn)矩的傳遞，被動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)構(gòu)件處于完全脫離狀態(tài)，即

6、"離"。當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)，沿著磁軛 -主動(dòng)轉(zhuǎn)子-磁粉-從動(dòng)轉(zhuǎn)子-磁粉-主動(dòng)轉(zhuǎn)子-磁軛產(chǎn)生工作磁通， 在磁通的作用下，磁粉 沿磁通方向呈鏈狀連接起來，稱磁粉鏈。此時(shí)磁粉鏈與工作面之間產(chǎn)生摩擦力，磁粉與磁粉之間產(chǎn)生抗剪力，磁粉鏈把兩個(gè)回轉(zhuǎn)體連接在一起傳遞轉(zhuǎn)矩，即"合"。磁粉鏈的接合力的大小由磁軛勵(lì)磁后的磁場強(qiáng)度所決定。由此可見，磁粉離合器具有三種工作狀態(tài)：！當(dāng)磁粉離合器勵(lì)磁電流足夠大時(shí)，從動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)轉(zhuǎn)子的接合力足夠大而連成一體，處于"同步"工作狀態(tài)；"當(dāng)磁粉離合器勵(lì)磁電流逐漸減小到一定值時(shí)，磁粉離合器雖仍能傳遞扭矩，但接合 力

7、減小而出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，從動(dòng)件轉(zhuǎn)速低于主動(dòng)件轉(zhuǎn)速，磁粉離合器處于"滑差"工作狀態(tài)；#當(dāng)磁粉離合器勵(lì)磁電流小于某一數(shù)值時(shí)，磁粉離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載力矩，從動(dòng)件轉(zhuǎn)速為零，磁粉離合器處于全滑差工作狀態(tài)。需要著重指出的是，無論是在同步工作狀態(tài)或滑差工作狀態(tài)，由于磁粉鏈的接合是非剛性連接，當(dāng)負(fù)載的扭矩超過磁粉離合器的傳遞力矩時(shí)，磁粉鏈的抗剪力不足以抵抗外力的作用， 主從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)打滑或處于滑轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，這一性能是磁粉離合器的最重要的賣點(diǎn)之 一，張力控制，限載啟動(dòng)，過載保護(hù)，負(fù)載控制等都是這一性能的運(yùn)用。對于磁粉制動(dòng)器來 說，制動(dòng)轉(zhuǎn)子固定，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩全部轉(zhuǎn)化為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即制動(dòng)器始終在

8、滑差狀態(tài)下工作。處于 滑轉(zhuǎn)狀態(tài)的磁粉離合器、制動(dòng)器會(huì)將由滑差轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速所消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，使工作器件的溫度升高。磁粉離合器、制動(dòng)器必須在允許溫升的條件下工作。（!）磁粉離合器、磁粉制動(dòng)器主要具有以下優(yōu)良特性：！輸出轉(zhuǎn)矩大致和勵(lì)磁電流成正比， 在額定電流和額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)有較好的線性關(guān)系。轉(zhuǎn)矩控制的范圍廣， 控制的精度高，能用簡單方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的大范圍調(diào)整和精密微調(diào)，通過調(diào)節(jié)控制電流就能十分方便的調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，控制功率?。s為輸出功率的%左右），輸出轉(zhuǎn)矩大（可達(dá)數(shù)萬（），為簡化控制方式提供了方便。因此，同樣的使用功能下，具有較簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本。"在某一特定勵(lì)磁電流下，輸出轉(zhuǎn)

9、矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，大體上是一恒定值，不受同步或滑差等使用條件的影響，即使滑差轉(zhuǎn)速改變較大，所傳遞的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。這一特性是磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器有別于其它種類產(chǎn)品的獨(dú)特性能之一，在載荷控制和過載保護(hù)、載荷試驗(yàn)與加載、張力控制及伺服驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用場合，就充分利用了這一特點(diǎn)。#結(jié)構(gòu)不同，散熱狀況差異較大。散熱狀況決定著使用功率的大小，尤其是在滑差狀態(tài)下工作，幾乎是唯一的選擇條件。磁粉離合器、制動(dòng)器的相對體積較大，相對熱容量較大，一般不會(huì)影響使用。對于某 些種類的產(chǎn)品，如水冷、強(qiáng)制風(fēng)冷及外殼加有鋁散熱翅的產(chǎn)品，散熱條件要優(yōu)于一般產(chǎn)品，相對滑差功率要大的多，完全可以滿足一些特殊使用的場合的要求。$接合平穩(wěn)

10、，動(dòng)作迅速，響應(yīng)快，無接合沖擊，無控制和運(yùn)行噪音。磁粉離合器、制動(dòng)器勵(lì)磁線圈通電后，磁粉 由松散狀態(tài)到在工作間隙形成磁粉鏈時(shí)有一個(gè)延時(shí)過程，這一過程在馴化時(shí)較明顯， 正常連續(xù)工作時(shí)很短，這使磁粉離合器還略帶有滯后的特性。斷開激磁電流時(shí)剩余轉(zhuǎn)矩非常小，略等于空載轉(zhuǎn)矩，因此在斷開時(shí)不會(huì)發(fā)生延遲回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。%磁粉離臺器、制動(dòng)器的靜特性 ）!*（見圖!）:電流-轉(zhuǎn)矩曲線典型應(yīng)用簡介 （%）啟動(dòng)、制動(dòng)控制這種應(yīng)用包括普通的啟動(dòng)（離合器）和制動(dòng)（制動(dòng)器），由于電機(jī)為空載啟動(dòng)，在負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，可以充分利用電動(dòng)機(jī)的最 大轉(zhuǎn)矩，所以即使負(fù)載的或啟動(dòng)阻力很大，也很容易的將其啟動(dòng)起來，并且啟動(dòng)過程平穩(wěn)， 沖擊和噪聲小。

11、由于電動(dòng)機(jī)完全空載啟動(dòng)，可降低電機(jī)功率起到節(jié)能效果，改善電動(dòng)機(jī)的工作條件、延長使用壽命。另外，根據(jù)轉(zhuǎn)矩特性，只要控制激磁電流的大小，就可以按一定的 程序加、減速起動(dòng)或制動(dòng)負(fù)載，達(dá)到控制啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間，或改變啟動(dòng)、制動(dòng)過程曲線的目 的。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時(shí)，主、從動(dòng)轉(zhuǎn)子在磁粉層之間打滑，可起到過載保護(hù)防止機(jī)構(gòu)損壞的 作用。在大型傳輸設(shè)備、行走起重機(jī)械、水泥窯、造紙機(jī)械、大型軋機(jī)、大型球磨機(jī)及沖擊 碾壓機(jī)械等領(lǐng)域都有成功應(yīng)用。（!）張力控制張力控制在各種收卷和放卷的操作中都有重要的運(yùn)用價(jià)值， 是任何以卷材為原料的機(jī)器上最重要的控制系統(tǒng)之一。 不論是紙張、 塑料薄膜、 紡織原料或制品、薄鋼板、銅箔、鋁箔

12、、線纜、帶材等，它們都是在一定的張力控制下被送 到機(jī)器，又在一定的張力控制下被卷取。磁粉離合器、制動(dòng)器作為執(zhí)行元件，在張力控制系 統(tǒng)中有著不可替代的作用。 在卷繞恒張力控制中， 若要求張力保持恒定， 則要求卷繞轉(zhuǎn)矩隨 卷繞半徑正比變化， 即要求磁粉離臺器的勵(lì)磁電流隨半徑正比變化。為此， 采用張力檢測裝置或半徑反饋裝置或長度計(jì)量裝置來檢測張力或卷材半徑的實(shí)時(shí)變化值， 經(jīng)控制裝置為磁粉 離合器提供勵(lì)磁電流，通過控制磁粉離合器輸出扭矩來使張力保持恒定。以磁粉離合器、 制 動(dòng)器為執(zhí)行器件加手動(dòng)電控或計(jì)算機(jī)自動(dòng)的張力控制系統(tǒng)已經(jīng)在很多機(jī)械設(shè)備上發(fā)揮著不 可替代的重要作用，如包裝印刷機(jī)械中的分切機(jī)、印刷機(jī)、涂布機(jī)、復(fù)合機(jī)、復(fù)膜機(jī)、瓦楞 紙箱機(jī)械等，紡織機(jī)械中有整經(jīng)機(jī)、印染機(jī)、復(fù)卷機(jī)、經(jīng)緯織機(jī)、玻纖織機(jī)等，其它領(lǐng)域有 纏繞機(jī)、絞股機(jī)、收線機(jī)、電火花機(jī)床、板、箔材軋機(jī)、膠片機(jī)械等等。（ $）負(fù)載與轉(zhuǎn)矩控制利用磁粉制動(dòng)器力矩與勵(lì)磁電流基本成正比關(guān)系， 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小， 可達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩 的無級控制，與轉(zhuǎn)矩傳感器配套作桓轉(zhuǎn)矩負(fù)載加載器，已經(jīng)在交流