磁粉離合器和磁粉制動器的結(jié)構(gòu)、性能及選用

1、磁粉離合器和磁粉制動器的結(jié)構(gòu)性能及選用摘要：磁粉離合器和磁粉制動器輸出的轉(zhuǎn)矩可控并且隨著勵磁電流的改變而基本成比例變化。作為自動控制和自動調(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)行計算，達(dá)到正確選用的目的。關(guān)鍵詞：磁粉離合器；磁粉制動器；結(jié)構(gòu)性能前言與各種形式的離合器、制動器比較，磁粉離合器、制動器具有獨特的性能、結(jié)構(gòu)和用途，一般的教科書和設(shè)計手冊中較少介紹，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，勵磁電流恒定，傳遞的轉(zhuǎn)矩也基本恒定； 而磁粉離合器勵磁后， 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)矩可控并且隨著勵磁電流的改變而基本成線性變化。一般的離合器和制動器結(jié)構(gòu)差異較大、功能各異，而磁粉離合器和磁粉制動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器的相互轉(zhuǎn)化。這種獨特的性能和結(jié)構(gòu)，決定了磁粉離合器、制動器有別于其它同類產(chǎn)品的特殊用途：（%）快速離合與制動；（!）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)動等等。因此，磁粉離 合器和磁粉制動器更多的是做為自動控制和自動調(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工業(yè)領(lǐng)域。!磁粉離合器、制動器的分類及結(jié)構(gòu)按勵磁線圈的供電方式， 磁粉離合器、制動器有兩大類產(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，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，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，主動轉(zhuǎn)子和被動轉(zhuǎn)子之間用軸承隔離，在主動轉(zhuǎn)子的內(nèi)外之間形成了兩個同心的圓柱形空隙，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)主動構(gòu)件回轉(zhuǎn)而線圈選用的目的。選用不通電勵磁時， 工作隙中的磁粉由于離心力作用被壓附在主動轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁上，主、從動轉(zhuǎn)子之間沒有力的相互作用，也就沒有轉(zhuǎn)矩的傳遞，被動轉(zhuǎn)子與主動構(gòu)件處于完全脫離狀態(tài)，即

6、"離"。當(dāng)勵磁線圈通電時，沿著磁軛 -主動轉(zhuǎn)子-磁粉-從動轉(zhuǎn)子-磁粉-主動轉(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)磁粉離合器勵磁電流足夠大時，從動轉(zhuǎn)子與主動轉(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)磁粉離合器勵磁電流逐漸減小到一定值時，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)，從動件轉(zhuǎn)速低于主動件轉(zhuǎn)速，磁粉離合器處于"滑差"工作狀態(tài)；#當(dāng)磁粉離合器勵磁電流小于某一數(shù)值時，磁粉離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載力矩，從動件轉(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，磁粉鏈的抗剪力不足以抵抗外力的作用， 主從動轉(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之 一，張力控制，限載啟動，過載保護(hù)，負(fù)載控制等都是這一性能的運用。對于磁粉制動器來 說，制動轉(zhuǎn)子固定，制動轉(zhuǎn)矩全部轉(zhuǎn)化為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即制動器始終在

8、滑差狀態(tài)下工作。處于 滑轉(zhuǎn)狀態(tài)的磁粉離合器、制動器會將由滑差轉(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、制動器必須在允許溫升的條件下工作。（!）磁粉離合器、磁粉制動器主要具有以下優(yōu)良特性：！輸出轉(zhuǎn)矩大致和勵磁電流成正比， 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，控制功率小（約為輸出功率的%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器有別于其它種類產(chǎn)品的獨特性能之一，在載荷控制和過載保護(hù)、載荷試驗與加載、張力控制及伺服驅(qū)動等應(yīng)用場合，就充分利用了這一特點。#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、制動器的相對體積較大，相對熱容量較大，一般不會影響使用。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、，動作迅速，響應(yīng)快，無接合沖擊，無控制和運行噪音。磁粉離合器、制動器勵磁線圈通電后，磁粉 由松散狀態(tài)到在工作間隙形成磁粉鏈時有一個延時過程，這一過程在馴化時較明顯， 正常連續(xù)工作時很短，這使磁粉離合器還略帶有滯后的特性。斷開激磁電流時剩余轉(zhuǎn)矩非常小，略等于空載轉(zhuǎn)矩，因此在斷開時不會發(fā)生延遲回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。%磁粉離臺器、制動器的靜特性 ）!*（見圖!）:電流-轉(zhuǎn)矩曲線典型應(yīng)用簡介 （%）啟動、制動控制這種應(yīng)用包括普通的啟動（離合器）和制動（制動器），由于電機(jī)為空載啟動，在負(fù)載啟動時，可以充分利用電動機(jī)的最 大轉(zhuǎn)矩，所以即使負(fù)載的或啟動阻力很大，也很容易的將其啟動起來，并且啟動過程平穩(wěn)， 沖擊和噪聲小。

11、由于電動機(jī)完全空載啟動，可降低電機(jī)功率起到節(jié)能效果，改善電動機(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、減速起動或制動負(fù)載，達(dá)到控制啟動、制動時間，或改變啟動、制動過程曲線的目 的。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時，主、從動轉(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用價值， 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量裝置來檢測張力或卷材半徑的實時變化值， 經(jīng)控制裝置為磁粉 離合器提供勵磁電流，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 動器為執(zhí)行器件加手動電控或計算機(jī)自動的張力控制系統(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器力矩與勵磁電流基本成正比關(guān)系， 調(diào)節(jié)勵磁電流大小， 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