磁粉离合器和磁粉制动器的结构、性能及选用

1、磁粉离合器和磁粉制动器的结构性能及选用摘要：磁粉离合器和磁粉制动器输出的转矩可控并且随着励磁电流的改变而基本成比例变化。作为自动控制和自动调节元件，它们和相应的控制系统配套，可以完成有别于其它同类产品的特殊用途。本文通过分析其结构、性能，并进行计算，达到正确选用的目的。关键词：磁粉离合器；磁粉制动器；结构性能前言与各种形式的离合器、制动器比较，磁粉离合器、制动器具有独特的性能、结构和用途，一般的教科书和设计手册中较少介绍，但在文献0%1中，把磁粉离合器归类到电磁离合器类别中进行了较详细的介绍， 虽然所介绍的和电磁离合器同类，但笔者认为，它和概念中的电磁离合器有着本质的区别。 尽管两者都有励磁后

2、工作的相同控制特性，但输出特性却有着巨大的差异：电磁离合器励磁后靠被衔铁压紧了的摩擦片间的相互摩擦力传递转矩，励磁电流恒定，传递的转矩也基本恒定； 而磁粉离合器励磁后， 是通过填充于工作间隙的被磁化了的磁 粉链传递转矩，改变励磁电流可以改变磁粉的磁状态进而能调节传递的转矩，输出的转矩可控并且随着励磁电流的改变而基本成线性变化。一般的离合器和制动器结构差异较大、功能各异，而磁粉离合器和磁粉制动器却具有基本相同的结构和特性，将输出端加以固定就可以完成离合器和制动器的相互转化。这种独特的性能和结构，决定了磁粉离合器、制动器有别于其它同类产品的特殊用途：（%）快速离合与制动；（!）载荷控制与过载保护；

3、（$）载荷 测试和测试加载；（#）无级调速；（'）张力控制；（2）换向和伺服驱动等等。因此，磁粉离 合器和磁粉制动器更多的是做为自动控制和自动调节元件，和相应的控制系统配套， 越来越广泛的用于各个工业领域。!磁粉离合器、制动器的分类及结构按励磁线圈的供电方式， 磁粉离合器、制动器有两大类产品：线圈旋转式和线圈静止式。线圈旋转式旋转线圈的供电是经过安装在轴上的滑环进行的，由于接电方式的不可靠和线圈在高速旋转过程中有可能发生的不平衡引起震动，这种类型的产品已经很少应用，目前市场上的绝大部分产品都采用线圈静止型的。线圈静止型产品又有外壳静止和外壳旋转二种类型。对于外壳静止的产品，静止线圈位于

4、转子的外部，对于外壳旋转的产品， 静止线圈位于转子的内部。根据输出转子工作面的形状不同，常用的产品有圆柱形转子、 杯形转子和盘形转子之分。 圆柱形转子一般用于大中型产品， 结构比较简单；杯形转子一般用于外壳旋转型产品，散热好，滑差功率较大；而盘形转子一 般用于微型产品，适用于精密控制场合。按规格可分为大型（%""”34以上）、中小型（2-5""34/和微型.#34以下/,按其冷却方式可分 为自然冷却式、强迫风冷却式和水冷却式，按连接型式还可分为伸出轴型和空心轴型，按主、从动传递路线不同又可分为外壳旋转型和外壳静止型（线圈静止），按安装形式还有卧式和立式等

5、等。各种形式可以根据使用的需要进行组合设计，完成相应的功能，但立式和卧式安装的形式不可以交替使用。$磁粉离合器、制动器的工作原理与特性（% ）磁粉离合器原理图0$1 （以柱形转子、外壳静止、伸出轴、自然冷却型产品为例）如图%。嵌装着线圈的部分为磁轭，主动转子和被动转子之间用轴承隔离，在主动转子的内外之间形成了两个同心的圆柱形空隙，外面为空气隙，内面为工作隙。在工作隙中，加入导磁率高、耐热性好的磁粉。当主动构件回转而线圈选用的目的。选用不通电励磁时， 工作隙中的磁粉由于离心力作用被压附在主动转子的内壁上，主、从动转子之间没有力的相互作用，也就没有转矩的传递，被动转子与主动构件处于完全脱离状态，即

6、"离"。当励磁线圈通电时，沿着磁轭 -主动转子-磁粉-从动转子-磁粉-主动转子-磁轭产生工作磁通， 在磁通的作用下，磁粉 沿磁通方向呈链状连接起来，称磁粉链。此时磁粉链与工作面之间产生摩擦力，磁粉与磁粉之间产生抗剪力，磁粉链把两个回转体连接在一起传递转矩，即"合"。磁粉链的接合力的大小由磁轭励磁后的磁场强度所决定。由此可见，磁粉离合器具有三种工作状态：！当磁粉离合器励磁电流足够大时，从动转子与主动转子的接合力足够大而连成一体，处于"同步"工作状态；"当磁粉离合器励磁电流逐渐减小到一定值时，磁粉离合器虽仍能传递扭矩，但接合 力

7、减小而出现滑转，从动件转速低于主动件转速，磁粉离合器处于"滑差"工作状态；#当磁粉离合器励磁电流小于某一数值时，磁粉离合器所能传递的转矩小于负载力矩，从动件转速为零，磁粉离合器处于全滑差工作状态。需要着重指出的是，无论是在同步工作状态或滑差工作状态，由于磁粉链的接合是非刚性连接，当负载的扭矩超过磁粉离合器的传递力矩时，磁粉链的抗剪力不足以抵抗外力的作用， 主从动转子之间出现打滑或处于滑转工作状态，这一性能是磁粉离合器的最重要的卖点之 一，张力控制，限载启动，过载保护，负载控制等都是这一性能的运用。对于磁粉制动器来 说，制动转子固定，制动转矩全部转化为负载转矩，即制动器始终在

8、滑差状态下工作。处于 滑转状态的磁粉离合器、制动器会将由滑差转矩与转速所消耗的功率全部转化为热量，使工作器件的温度升高。磁粉离合器、制动器必须在允许温升的条件下工作。（!）磁粉离合器、磁粉制动器主要具有以下优良特性：！输出转矩大致和励磁电流成正比， 在额定电流和额定转矩范围内有较好的线性关系。转矩控制的范围广， 控制的精度高，能用简单方法来实现转矩的大范围调整和精密微调，通过调节控制电流就能十分方便的调节输出转矩，控制功率小（约为输出功率的%左右），输出转矩大（可达数万（），为简化控制方式提供了方便。因此，同样的使用功能下，具有较简单的结构和较低的成本。"在某一特定励磁电流下，输出转

9、矩与转速无关，大体上是一恒定值，不受同步或滑差等使用条件的影响，即使滑差转速改变较大，所传递的转矩基本保持不变。这一特性是磁粉离合器和磁粉制动器有别于其它种类产品的独特性能之一，在载荷控制和过载保护、载荷试验与加载、张力控制及伺服驱动等应用场合，就充分利用了这一特点。#结构不同，散热状况差异较大。散热状况决定着使用功率的大小，尤其是在滑差状态下工作，几乎是唯一的选择条件。磁粉离合器、制动器的相对体积较大，相对热容量较大，一般不会影响使用。对于某 些种类的产品，如水冷、强制风冷及外壳加有铝散热翅的产品，散热条件要优于一般产品，相对滑差功率要大的多，完全可以满足一些特殊使用的场合的要求。$接合平稳

10、，动作迅速，响应快，无接合冲击，无控制和运行噪音。磁粉离合器、制动器励磁线圈通电后，磁粉 由松散状态到在工作间隙形成磁粉链时有一个延时过程，这一过程在驯化时较明显， 正常连续工作时很短，这使磁粉离合器还略带有滞后的特性。断开激磁电流时剩余转矩非常小，略等于空载转矩，因此在断开时不会发生延迟回转现象。%磁粉离台器、制动器的静特性 ）!*（见图!）:电流-转矩曲线典型应用简介 （%）启动、制动控制这种应用包括普通的启动（离合器）和制动（制动器），由于电机为空载启动，在负载启动时，可以充分利用电动机的最 大转矩，所以即使负载的或启动阻力很大，也很容易的将其启动起来，并且启动过程平稳， 冲击和噪声小。

11、由于电动机完全空载启动，可降低电机功率起到节能效果，改善电动机的工作条件、延长使用寿命。另外，根据转矩特性，只要控制激磁电流的大小，就可以按一定的 程序加、减速起动或制动负载，达到控制启动、制动时间，或改变启动、制动过程曲线的目 的。当负载转矩过大时，主、从动转子在磁粉层之间打滑，可起到过载保护防止机构损坏的 作用。在大型传输设备、行走起重机械、水泥窑、造纸机械、大型轧机、大型球磨机及冲击 碾压机械等领域都有成功应用。（!）张力控制张力控制在各种收卷和放卷的操作中都有重要的运用价值， 是任何以卷材为原料的机器上最重要的控制系统之一。 不论是纸张、 塑料薄膜、 纺织原料或制品、薄钢板、铜箔、铝箔

12、、线缆、带材等，它们都是在一定的张力控制下被送 到机器，又在一定的张力控制下被卷取。磁粉离合器、制动器作为执行元件，在张力控制系 统中有着不可替代的作用。 在卷绕恒张力控制中， 若要求张力保持恒定， 则要求卷绕转矩随 卷绕半径正比变化， 即要求磁粉离台器的励磁电流随半径正比变化。为此， 采用张力检测装置或半径反馈装置或长度计量装置来检测张力或卷材半径的实时变化值， 经控制装置为磁粉 离合器提供励磁电流，通过控制磁粉离合器输出扭矩来使张力保持恒定。以磁粉离合器、 制 动器为执行器件加手动电控或计算机自动的张力控制系统已经在很多机械设备上发挥着不 可替代的重要作用，如包装印刷机械中的分切机、印刷机、涂布机、复合机、复膜机、瓦楞 纸箱机械等，纺织机械中有整经机、印染机、复卷机、经纬织机、玻纤织机等，其它领域有 缠绕机、绞股机、收线机、电火花机床、板、箔材轧机、胶片机械等等。（ $）负载与转矩控制利用磁粉制动器力矩与励磁电流基本成正比关系， 调节励磁电流大小， 可达到输出转矩 的无级控制，与转矩传感器配套作桓转矩负载加载器，已经在交流