3.3　磁力耦合传动器的磁路设计

在磁力耦合传动器的磁路设计中，结合研制真空度为10-6Pa真空系统的磁传动元件，对稀土钴磁传动的原理进行探讨。根据磁力耦合传动的静磁能模型，采用具有独创性的组合型磁路，可提高磁力耦合传动器组合系数，达到磁力耦合传动器小型化和高传递扭矩的效果。在结构设计上，则是将以瑞伯公司为代表的分散布置的工作磁路改变为紧密排列的工作磁路。之所以能够做出这一重大改进和发展，是由于我国永磁工作者近年来通过大量的研究与试验已掌握了高磁能积、高矫顽力的新型稀土永磁材料的性能以及其在退磁场影响下不易退磁的特性。

3.3.1　静磁能与传动力

当条形磁体处于磁场中，即可受到磁场对它的作用而产生一个力矩，如图3-9所示。图中（a）表示磁场作用在条形磁体上的力；图中（b）表示磁化物体处在磁场中时所受到的力。可见，在磁化方向上，力H1对条形磁体不产生扭矩，只有力H2对条形磁体产生扭矩。其扭矩T可用下式表示：

T=HJsinθ（N·m）　　 （3-1）

式中　H——磁场强度，A/m；

J——磁体的磁偶扭矩，Wb·m；

θ——两作用磁极的相对位移转角，（°）。

要使磁体在磁场中转动就需要反抗力矩做功，并以静磁能的形式储存。将力矩对θ积分，可得到静磁能的一般表达式：

E'H=-HJcosθ（J）　　 （3-2）

当θ=0°时，E'H=-jH，此时静磁能最小；

θ=90°时，E'H=0；

θ=180°时，E'H=jH，此时静磁能最大。

图3-10所示为磁化物体处在外磁场中的静磁能曲线。

当磁力耦合传动器为多级时，外磁场方向改变一次，静磁能即从-jH变为jH，若磁力耦合传动器的转角差为ϕ，磁极对数为m，则式（3-2）中的θ可表示为

　　 （3-3）

对于某一单个磁极产生的作用力，可从静磁能的变化中求得

fdg=-dw　　 （3-4）

式中　f——作用于磁极上的力，N；

dg——位移增量， m；

dw——磁能变化量，J。

依静磁能原理可知，在磁隙中则有

　　 （3-5）

式中　Ag——磁极面积，m2；

Bg——磁隙中的磁感应强度，为dg的函数，T；

tg——磁隙，为dg的函数，m。

从而得

　　 （3-6）

从式（3-6）中可以看出，磁传动力f与磁感应强度Bg和磁极面积Ag成正比，与磁极位移量dg成反比。

3.3.2　磁路形式与选择

根据永磁体排列形式的不同，磁路的形式可分别排列成间隙分散式和组合拉推式两种。前者两永磁体之间按一定间隔距离进行排列，后者两永磁体之间靠紧排列。图3-11（a）与图3-11（b）分别给出了直线型磁力耦合传动器两种不同排列形式的磁路对比，其能量曲线如图所示。

从图中不难看出，在相同体积下的磁力耦合传动器，图3-11（b）的排列形式与图3-11（a）的排列形式相比，能够排列出较多的永磁体，相对来说传递力矩较大或可以减小外形尺寸。可以看出，在图3-11（a）所示磁路中，当位移增量dg=2b时，静磁能从-jH增大到jH，而图3-11（b）的磁路中，当位移增量dg=b时静磁能即可从-jH增大到jH。可见，组合拉推式磁路所传递的扭矩明显大于间隙分散式磁路传递的扭矩。这一结论同样适合于圆筒式磁力耦合传动器。图3-12是旋转圆盘式两种不同磁路形式的对比。

图3-12（a）是采用间隙分散式磁路的轴向磁力耦合传动器，图3-12（b）是采用紧密组合拉推式磁路的轴向磁力耦合传动器。图3-13所示为组合拉推式磁路传递扭矩的原理。

分析表明：当从动磁转子的磁极S位于主动磁转子N、S两个极的中间位置时扭矩最大（此时θ=90°）。根据同性相斥异性相吸的原理，相邻两磁极对从动磁极的作用力在旋转方向上是叠加的，这有助于获得高传动力矩。同时，由图3-13还可见到，通过磁场力的作用，可以减轻甚至抵消轴向作用力，对支撑轴承的寿命有利。分析认为，这种磁路的磁力耦合传动密封装置，在两磁极间有非磁性的金属隔离套，由于靠得很近的两磁极产生的轴向磁场互相抵消，可有效地控制或减小在隔离套壁厚内的涡流损失，也有效地控制或减少了因涡流引起的隔离套发热。所以，这种组合型磁路的磁力耦合传动器具有较好的磁场透过器壁传递能量的效果，不仅适用于力或扭矩的传递器件，还适用于磁力耦合传动密封结构的装置。

3.3.3　组合拉推式磁路的扭矩方程

磁力耦合传动主要应计算出传动扭矩的大小，借以判断所设计的磁力耦合传动器是否能够满足工程应用的要求。计算磁扭矩的有关公式除之前章节已介绍的一些方法外，在工程设计中常采用式（2-13）进行，这里不再介绍。

式（2-13）中磁路系数K取决于不同磁场排布。各种不同磁路的K值及传动扭矩的对比见表3-1。

表3-1中的部分数据是根据各种报道资料中的图形尺寸、性能参数等数据进行选样推算得到的。

在工程设计中，由计算得到式（2-13）中的T值后，还应根据实用功率以及实际应用状态的不同进行功率匹配计算或修正处理。

（1）功率匹配计算或修正处理的基本思路

永磁磁力耦合传动传递力或扭矩的过程是一个恒力或恒扭矩的传递过程，它的最大传递力或扭矩是一恒定值。因此，考虑到工程中可能存在的复杂情况，应根据实际应用情况进行功率匹配计算或修正处理。如在磁力耦合传动应用过程中，存在着启动过程中启动扭矩与额定扭矩的功率匹配或修正；应用于大功率的电动机启动过程和小功率的电动机启动过程中不同启动扭矩系数的功率匹配或修正；启动过程中采用延时启动和正常启动的扭矩匹配或修正等。又如在使用过程中不同负载状态对力或扭矩的匹配或修正问题，分为轻负荷启动过程中力或扭矩的匹配或修正；重负荷启动过程中力或扭矩的匹配或修正；额定扭矩启动过程中力或扭矩的匹配或修正等。由于使用状态不同，需要对T值作具体的匹配或修正。因为T值是恒定的，若在应用中设计选配过大，会造成使用原材料多、成本高，而且还会因大磁场引起或造成一些不必要的麻烦或浪费；设计选配小了，使得设备在使用过程中不正常，影响正常工作。

（2） 匹配计算或修正处理的几个主要因素

通过设计计算、试验测试以及实际应用验证，对使用过程的几个主要因素作了分析归纳。

①在直线运动、螺旋运动以及低转速运动中，采用直接启动，启动过程的启动时间长、加速度较小、运动平稳，启动力或扭矩与额定运动的差值小。

②如果小电动机等空载直接启动，启动过程的时间较短、加速度较大、启动力或扭矩与额定运动的差值较大。

③在轻负荷状态下直接启动，启动时间较短、加速度较大、启动力或扭矩与额定运动的差值较大。

④在重负荷状态下直接启动，启动时间短、加速度大、启动力或扭矩与额定运动的差值大。

因此，在运行启动过程中，根据不同的运动状态和负载状态，采用不同的启动方式，必要时可采用延时启动的方法，控制或减小启动过程的加速度值，有效地控制启动力或扭矩，减小启动力或扭矩与额定运动的差值。

（3）匹配与修正的计算方法

作为运动机构特别是旋转运动机构，它的启动过程力或扭矩的变化大，过程较复杂。磁力耦合传动用于机械运动机构，应适应于运动机构的变化，与运动机械相匹配。因此，在磁力耦合传动的力或扭矩的设计计算中可采用下述几种匹配或修正的计算方法，对启动扭矩加以修正。

①轻载启动（硬启动过程）。在轻载启动过程中，启动扭矩Tq为

Tq=α10T　　 （3-7）

式中　Tq——启动扭矩，kgf·cm；

T——设计扭矩， kgf·cm，参见式（2-13）；

α10——启动系数，与Te/T值有关（Te为额定运转扭矩，kgf·cm）。

当=0.88～0.95时， Te与a10的关系见表3-2。

在实际应用中，扭矩大于1200kgf·cm的旋转机械（如泵等设备），除个别特殊情况外，均采用了延时启动的方法，电网设备简便，运行、操作安全可靠。

②延时启动（软启动过程）。在延时启动过程中，启动扭矩Tq为

Tq=α11T（kgf·cm）　　 （3-8）

当=0.88～0.95时： Te与α11的关系见表3-3。

③载荷启动。在载荷状态下启动时有两种情况：一种情况是软特性启动，虽然是在满载荷情况下启动，启动扭矩高于轻载启动，但启动扭矩并不是远高于轻载启动扭矩，启动惯性相对稳定；另一种情况是硬特性启动，这种情况下启动扭矩很大，惯性大，无特殊情况，一般不采用磁力耦合传动的传递方式。

3.3.4　组合拉推式磁路的应用实例

（1）大磁间隙磁力耦合传动器

图3-14是测试扭矩为200kgf·cm的精密轴承用的磁力耦合传动器。磁极共18极，每极磁体体积为2.4cm3。磁体紧密排列，平均半径为8.6cm。在内外磁体的背部具有软磁回路，而且不饱和。

该磁力耦合传动器连续运转性能良好，运转平稳、振动小、转速稳定、结构简单、体积小，能符合超高真空密封性能的要求，无漏气现象。负载运动一直运转稳定、正常，测量得到的数据可靠。其中的两台还在磁间隙为28～25mm的条件下运转，由此可见，稀土钴磁力耦合传动可以进行高压差系统的密封传动。

（2）高压差扭矩磁力耦合传动器

图3-15所示为磁力耦合传动式氦压缩机，共4个磁极，磁体总重0.36kg（包括软磁回路），带动一台小型氦压缩机，压差为50大气压，分别在630r/min、800r/min下进行试验后，不仅具有良好的保护整机的作用，而且其体积也比封闭电动机小得多。用于灌注氦气，进行密封性检验，其密封性能良好。

（3）直线传动器

图3-16所示为用于真空系统传递直线运动的一种磁力耦合传动器，行程为250mm，ϕ42×20mm2的磁环，由轴向组合拉推磁路组成，可带动1.5kg的样品进行传递。

（4）磁力转动传动复合式传动器

图3-17是采用径向及轴向两种组合时所得到的既能转动又能传动的复合传递磁力耦合传动器，它用于高精度的分子束外延等仪器上的磁力转动和传动。

从上述叙述中可以看出：以高性能、高稳定性的稀土钴永磁材料所组合的拉推磁路研制成功的磁传动密封器件，具有体积小、重量轻、寿命长、间隔板薄、涡流小、密封性能可靠以及转动惯量小、功耗小等优点。虽然在无负载时有轴向力，但在有负载时轴向力摩擦力也会减小，从而能延长轴承使用寿命，还具有传动平稳、漏磁小、受外磁场的影响小等优点。磁力耦合传动不但可以进行任何角度的转动和较长的直线平动以及转动平动等各种运动的传递，而且当负载过大卡住时，磁力耦合传动器能自动滑脱，起到保护电动机和整机的作用。因为电动机的振动传递小，有减振的作用，也可对高压容器进行密封传动，所以，磁力耦合传动器既具有传动密封作用，又具有保护和减振作用，兼有密封装置传动器、保护器、减振器的三大作用。我国稀土资源富有，大力推广应用稀土钴磁力耦合传动技术将使其显示出更多优越性。

3.3.5　大磁隙磁路设计方法的修正

常规的磁路设计主要是依据磁场分布、聚集、离散等理论分析，永磁材料构成的磁路设计虽然有较多的文献报道，但却有一定的局限性，特别是稀土永磁材料的应用，为大磁隙磁路的设计创造了条件。仍然采用常规方法进行磁路设计的计算结果误差较大，因此，对原有的设计公式或公式中相关参数进行适当的修正是必要的。

试验验证和研究分析表明，对磁路设计公式进行修正的方法基本上可分为两种：一种是对公式的设计计算结果用隐函数系数进行修正，即系数修正法；另一种是对设计公式中的相关参数进行修正处理，即参数修正法。在磁路设计中，分析与对比表明，采用第二种方法较为简便，采用这种方法对设计公式中的部分参数进行修正处理后，设计了多种磁路，这些磁路通过多次实验研究、分析以及实用中的考核表明，对大磁隙磁路的设计采用参数修正法是较为适用的。

理想状态的磁路设计是尽可能少地使用永磁材料来获得较高的磁场强度。也就是说在永磁材料性能参数确定后，进行合理的最佳的磁路设计，能够得到较大的磁场力即磁传递力或扭矩。现就修正的几个主要参数分述如下。

（1）磁体厚度h的修正

为确保大磁间隙磁路设计的准确性，在实际磁路设计中，改变磁体厚度h的方法经实验所得如下：

①当磁隙为6mm时，磁体厚度可确立为5.5mm，此6mm磁隙的数值可确认为是设计的特征尺寸参数。

②磁隙在6mm的基础上递增时，磁隙每增加1mm，磁体厚度应在5.5mm的基础上以8.5%的递增率叠加。

③磁隙在6mm的基础上递减时，磁体厚度h可不进行修正，这是因为磁间隙小于6mm时，即可视为小间隙磁路，这时磁体厚度根据技术要求按常规方法设计即可。

通过上述方法给出的磁隙大于6mm 时，磁体厚度h递增的经验计算方法为

h=5.5×（1+8.5%）x=5.5×1.085x　　 （3-9）

式中，x为磁隙增大的距离，mm。

（2）平面运动磁场磁极宽度b的修正

在平面运动磁场的大间隙磁路设计中，在修正磁体厚度h的同时对磁极宽度b也应进行必要的修正，其方法是：

①磁隙为6mm时，磁极宽度b为11mm，磁隙每增加1mm，磁极宽度以13.6%的递增率递增。即b值的递增率为：

b=11×（1+13.6%）x=11×1.136x　　 （3-10）

式中，x为磁隙增大的距离，mm。

②磁隙小于6mm时，视为小间隙磁路，b值可不做修正。

（3）旋转运动磁场磁极角θ的修正

一对耦合磁场做旋转运动时，主、从动磁极相互作用的作用力大小可通过仪器进行监测，也可通过耦合磁极在外力作用下产生的主、从动磁极相对滞后角（转角差）ϕ计算出来。如图3-18所示，图中（a）为耦合磁场无外力作用静止时滞后角ϕ为零，这时瓦形磁极的磁极角θ等于磁力耦合角θ'。图中（b）是外力作用下使耦合磁场的主、从动磁极产生滞后角（转角差）ϕ，当外力增大时，ϕ值也随之增大，当ϕ角增大到最大值ϕmax时，ϕmax==θ'，此时磁场做功最大，但是此点也是磁力耦合态滑脱与耦合的不稳定点。

大磁隙磁路设计中对θ的修正，通过实验验证显得更为重要。通过修正θ角，不仅使磁场扭矩计算差异小，还可以控制磁力耦合传动的耦合极数。

θ'角的修正比较复杂，它与磁力耦合传动系统的启动特性、磁力耦合传动器的运转半径、系统的运转惯性以及磁隙的变化量等有关，不能确切地给出经验验算方法。表3-4给出了一组通过实验整理的不同功率下的经验数据，供设计磁力耦合传动时参考。