張光榮

（寧夏機械研究院，寧夏銀川，750001）

摘要：磁粉離合器和磁粉制動器輸出的轉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節元件，它們和相應的控制系統配套，可以完成有別于其它同類產品的特殊用途。本文通過分析其結構、性能，并進行計算，達到正確選用的目的。

關鍵詞：磁粉離合器；磁粉制動器；結構性能

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、結構和用途，一般的教科書和設計手冊中較少介紹，但在文獻0%1中，把磁粉離合器歸類到電磁離合器類別中進行了較詳細的介紹，雖然所介紹的和電磁離合器同類，但筆者認為，它和概念中的電磁離合器有著本質的區別。盡管兩者都有勵磁后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矩，勵磁電流恒定，傳遞的轉矩也基本恒定；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矩，改變勵磁電流可以改變磁粉的磁狀態進而能調節傳遞的轉矩，輸出的轉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構差異較大、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構和特性，將輸出端加以固定就可以完成離合器和制動器的相互轉化。這種獨特的性能和結構，決定了磁粉離合器、制動器有別于其它同類產品的特殊用途：（%）快速離合與制動；（!）載荷控制與過載保護；（$）載荷測試和測試加載；（#）無級調速；（'）張力控制；（2）換向和伺服驅動等等。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節元件，和相應的控制系統配套，越來越廣泛的用于各個工業領域。

!磁粉離合器、制動器的分類及結構

按勵磁線圈的供電方式，磁粉離合器、制動器有兩大類產品：線圈旋轉式和線圈靜止式。線圈旋轉式旋轉線圈的供電是經過安裝在軸上的滑環進行的，由于接電方式的不可靠和線圈在高速旋轉過程中有可能發生的不平衡引起震動，這種類型的產品已經很少應用，目前市場上的絕大部分產品都采用線圈靜止型的。

線圈靜止型產品又有外殼靜止和外殼旋轉二種類型。對于外殼靜止的產品，靜止線圈位于轉子的外部，對于外殼旋轉的產品，靜止線圈位于轉子的內部。根據輸出轉子工作面的形狀不同，常用的產品有圓柱形轉子、杯形轉子和盤形轉子之分。圓柱形轉子一般用于大中型產品，結構比較簡單；杯形轉子一般用于外殼旋轉型產品，散熱好，滑差功率較大；而盤形轉子一般用于微型產品，適用于精密控制場合。

按規格可分為大型（%"""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、強迫風冷卻式和水冷卻式，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型和外殼靜止型（線圈靜止），按安裝形式還有臥式和立式等等。各種形式可以根據使用的需要進行組合設計，完成相應的功能，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（以柱形轉子、外殼靜止、伸出軸、自然冷卻型產品為例）如圖%。嵌裝著線圈的部分為磁軛，主動轉子和被動轉子之間用軸承隔離，在主動轉子的內外之間形成了兩個同心的圓柱形空隙，外面為空氣隙，內面為工作隙。在工作隙中，加入導磁率高、耐熱性好的磁粉。當主動構件回轉而線圈選用的目的。

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子的內壁上，主、從動轉子之間沒有力的相互作用，也就沒有轉矩的傳遞，被動轉子與主動構件處于脫離狀態，即"離"。當勵磁線圈通電時，沿著磁軛---

主動轉子---磁粉---從動轉子---磁粉---主動轉子---磁軛產生工作磁通，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生摩擦力，磁粉與磁粉之間產生抗剪力，磁粉鏈把兩個回轉體連接在一起傳遞轉矩，即"合"。磁粉鏈的接合力的大小由磁軛勵磁后的磁場強度所決定。由此可見，磁粉離合器具有三種工作狀態：!當磁粉離合器勵磁電流足夠大時，從動轉子與主動轉子的接合力足夠大而連成一體，處于"同步"工作狀態；"當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，但接合力減小而出現滑轉，從動件轉速低于主動件轉速，磁粉離合器處于"滑差"工作狀態；#當磁粉離合器勵磁電流小于某一數值時，磁粉離合器所能傳遞的轉矩小于負載力矩，從動件轉速為零，磁粉離合器處于全滑差工作狀態。

需要著重指出的是，無論是在同步工作狀態或滑差工作狀態，由于磁粉鏈的接合是非剛性連接，當負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，主從動轉子之間出現打滑或處于滑轉工作狀態，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，負載控制等都是這一性能的運用。對于磁粉制動器來說，制動轉子固定，制動轉矩全部轉化為負載轉矩，即制動器始終在滑差狀態下工作。處于滑轉狀態的磁粉離合器、制動器會將由滑差轉矩與轉速所消耗的功率全部轉化為熱量，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良特性：!輸出轉矩大致和勵磁電流成正比，在額定電流和額定轉矩范圍內有較好的線性關系。轉矩控制的范圍廣，控制的精度高，能用簡單方法來實現轉矩的大范圍調整和精密微調，通過調節控制電流就能十分方便的調節輸出轉矩，控制功率小（約為輸出功率的%左右），輸出轉矩大（可達數萬'(），為簡化控制方式提供了方便。因此，同樣的使用功能下，具有較簡單的結構和較低的成本。

"在某一特定勵磁電流下，輸出轉矩與轉速無關，大體上是一恒定值，不受同步或滑差等使用條件的影響，即使滑差轉速改變較大，所傳遞的轉矩基本保持不變。這一特性是磁粉離合器和磁粉制動器有別于其它種類產品的獨特性能之一，在載荷控制和過載保護、載荷試驗與加載、張力控制及伺服驅動等應用場合，就充分利用了這一特點。 #結構不同，散熱狀況差異較大。散熱狀況決定著使用功率的大小，尤其是在滑差狀態下工作，幾乎是的選擇條件。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。對于某些種類的產品， 如水冷、強制風冷及外殼加有鋁散熱翅的產品，散熱條件要優于一般產品，相對滑差功率要大的多，可以滿足一些特殊使用的場合的要求。 $接合平穩，動作迅速，響應快，無接合沖擊，無控制和運行噪音。磁粉離合器、制動器勵磁線圈通電后，磁粉由松散狀態到在工作間隙形成磁粉鏈時有一個延時過程，這一過程在馴化時較明顯，正常連續工作時很短，這使磁粉離合器還略帶有滯后的特性。斷開激磁電流時剩余轉矩非常小，略等于空載轉矩，因此在斷開時不會發生延遲回轉現象。 %磁粉離臺器、制動器的靜特性)!*（見圖!）：電流---轉矩曲線典型應用簡介 （%）啟動、制動控制 這種應用包括普通的啟動（離合器）和制動（制動器），由于電機為空載啟動，在負載啟動時，可以充分利用電動機的轉矩，所以即使負載的或啟動阻力很大，也很容易的將其啟動起來，并且啟動過程平穩，沖擊和噪聲小。由于電動機空載啟動，可降低電機功率起到節能效果，改善電動機的工作條件、延長使用壽命。另外，根據轉矩特性，只要控制激磁電流的大小，就可以按一定的程序加、減速起動或制動負載，達到控制啟動、制動時間，或改變啟動、制動過程曲線的目的。當負載轉矩過大時，主、從動轉子在磁粉層之間打滑，可起到過載保護防止機構損壞的作用。在大型傳輸設備、行走起重機械、水泥窯、造紙機械、大型軋機、大型球磨機及沖擊碾壓機械等領域都有成功應用。 （!）張力控制 張力控制在各種收卷和放卷的操作中都有重要的運用價值，是任何以卷材為原料的機器上最重要的控制系統之一。不論是紙張、塑料薄膜、紡織原料或制品、薄鋼板、銅箔、鋁箔、線纜、帶材等，它們都是在一定的張力控制下被送到機器，又在一定的張力控制下被卷取。磁粉離合器、制動器作為執行元件，在張力控制系統中有著不可替代的作用。 在卷繞恒張力控制中，若要求張力保持恒定，則要求卷繞轉矩隨卷繞半徑正比變化，即要求磁粉離臺器的勵磁電流隨半徑正比變化。為此，采用張力檢測裝置或半徑反饋裝置或長度計量裝置來檢測張力或卷材半徑的實時變化值，經控制裝置為磁粉離合器提供勵磁電流，通過控制磁粉離合器輸出扭矩來使張力保持恒定。以磁粉離合器、制動器為執行器件加手動電控或計算機自動的張力控制系統已經在很多機械設備上發揮著不可替代的重要作用，如包裝印刷機械中的分切機、印刷機、涂布機、復合機、復膜機、瓦楞紙箱機械等，紡織機械中有整經機、印染機、復卷機、經緯織機、玻纖織機等，其它領域有纏繞機、絞股機、收線機、電火花機床、板、箔材軋機、膠片機械等等。 （$）負載與轉矩控制 利用磁粉制動器力矩與勵磁電流基本成正比關系，調節勵磁電流大小，可達到輸出轉矩的無級控制，與轉矩傳感器配套作桓轉矩負載加載器，已經在交流、直流電動機、汽、柴油發動機、航空發動機檢修、電梯、珩齒機床、攻絲機、拉拔絲機械等領域都有成功的應用。各種應用資料表明，它具有系統簡單，造價低，調整方便準確的優點。可替代各種假負載如液壓系統、直流發電機組、水電阻等傳統的龐大系統，作為試驗臺的負載，使試驗臺體積小、無噪音、控制靈活、操作方便。 此外，磁粉離合器和制動器配合，還可以完成調速、伺服控制、速度控制等功能。 "

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