磁力耦合器在真空设备上的应用和设计
介绍了一种磁力耦合器在超高真空实验设备—滑动摩擦系数测定实验机上的具体应用和设计；并结合应用扼要介绍了磁力耦合器的工作理、主要功能、磁力传动转矩的计算、磁路的排列形式、结构特点等，以及在制造中需要注意的工艺问题。
随着科学技术的不断进步和发展，对有关物理量测定设备的性能要求越来越高，对测试结果要求更加精确和准确；从而得出的数据更加真实和有效，这极大地促进了科研事业的迅速发展，同时也为工业技术经济的腾飞发挥着巨大推动作用，充分体现了科学技术是第一生产力；我们设计制造的磁力耦合器应用到超高真空设备—滑动摩擦系数测定实验机上。由于磁力耦合器在传动负载转矩的同时，能够彻底解决设备的全密封问题；滑动摩擦系数测定实验机在分子泵连续抽真空48h 后，测量室的真空度达到10-6 Pa 以上，满足了实验室测试要求；足见其全密封的有效性和可靠性；这为科学研究提供了设备保障，为科研事业的发展起到了促进作用。
1、磁力耦合器的工作原理和主要功能
1.1、工作原理
根据磁体磁极的异性相吸、同性相斥原理及其磁力线能够穿过非铁磁性物质的特性；当电动机拖动外磁转子旋转时，通过磁力作用，外磁转子带动密封套内的内磁转子同步旋转，从而实现转矩的非直接接触传动；同时，通过密封套实现了传动转矩时轴端的静态全密封，把传统轴端的动态密封变为安全、可靠的静态密封，从根本上解决了动态轴封“跑、冒、滴、漏”的技术难题。其原理结构如图1 所示。
1.2、主要功能
磁力耦合器的主要功能是传动转矩，同时，把轴端传统的机械动密封变为安全、可靠的静密封；当负载转矩超过磁力耦合器的最大传动转矩时，磁力耦合器内、外磁转子会自动脱开耦合状态，起到过载保护的作用；由于磁力耦合传动属于非直接接触的软连接，隔振、减振作用明显。
图1 磁力耦合器原理结构
1. 法兰 2. 内磁转子 3. 外磁转子 4. 隔离套 5. 电机轴 6. 负载轴
2、磁力耦合器的设计
2.1、滑动摩擦系数测定实验机工作参数
工作转矩：2 ～ 60Nm；使用温度< 120℃；转速：200 ～ 6000r /min；工作环境：真空( 真空度10 -6 Pa 以上) ；连接法兰国家标准的真空法兰；外形尺寸范围：在φ150mm × 200mm 的空间范围。
2.2、磁力传动转矩的计算
根据用户提出的工作参数要求和多年应用设计的经验，确定磁力耦合器的基本结构及其几何尺寸，并计算出满足用户工作要求的磁力传动转矩，这是磁力耦合器设计的核心所在。由磁力计算公式：
F = (B/4965) 2S ( 1)
式中：F———磁吸引力，kg；B———气隙磁密，Gs；S———气隙面积，cm2。
根据力学中转动转矩公式T = F × R( T 为转矩，F 为切向力，R 为作用半径) ，同时结合静磁能理论和多年设计应用的实践经验，进行磁力耦合器磁力传动转矩的设计，其磁力传动转矩计算的经验公式是：
式中：T———磁力传动转矩，Nm；M———磁化强度，A/m；g———重力加速度， 9. 8N/m2 ；h———磁体厚度，m；n———磁极数；S———磁极面积，m2 ；R———力的作用半径，m；a———位移角( 弧度) ；Lg———磁隙，m； b———磁极宽度，m；η———磁极厚度经验系数( 通常取值0. 7 ～0. 95) ；N———磁极形状系数( 通常取值1. 05) ；k———磁路类型系数( 对拉推磁路k =4 ～6. 4) 。
在式(2) 中，当sin( na /2) = 1 时，磁力传动转矩T 有最大值，称之为最大磁力传动转矩Tm；所以，最大磁力传动转矩：
为了使磁力耦合器设计的最大磁力传动转矩满足滑动摩擦系数测定实验机的最大工作转矩要求；最大磁力传动转矩计算的准确程度直接影响着磁力耦合器能否正常运行。因此，希望最大磁力传动转矩的理论计算值与实测值的偏差越小越好。本磁力耦合器采用式(3)计算得到的最大磁力传动转矩值为72Nm；实测值为65. 5Nm；计算值与实测值之间的误差仅为9%左右。实测值比设备的工作转矩要求的最大值多出5. 5Nm，这为滑动摩擦系数测定实验机在最大工作转矩的基础上预留了10% 以上的转矩余量，增加了设备运行的可靠性，完全满足使用要求。
2.3、磁路结构形式和对磁体磁性能的基本要求
2.3.1、磁路结构形式
磁力耦合器磁路结构采用同轴型，磁路采用圆筒形周向组合拉推磁路，其拉推磁路结构剖视图如图2 所示。
这种磁路的特点是：传动转矩大，结构紧凑，体积小，传动效率高，使用寿命长，减振和过载保护作用显著。
2.3.2、永磁体性能要求
永磁体材料采用第三代稀土永磁—钕铁硼( Nd- Fe - B) 合金，该永磁材料磁性能稳定，价格便宜，性价比高；针对在磁力耦合器上的使用要求，对磁性能提出具体要求如下：
图2 磁路结构剖视
1. 外磁转子基体，2. 内磁转子基体，3. 隔离套，4. 外磁转子永磁体，5. 内磁转子永磁体
最大磁能积(BH) max≥263kJ /m3 ( 33MGsoe) ，内禀矫顽力jHc≥1592kA/m( 20000oe) ，剩磁Br≥1. 17T( 11700Gs) ，使用温度≥120℃；采用的永磁体产品牌号N35SH；永磁体表面进行防锈蚀等的镀锌防腐处理。
3、制造中的工艺要求
先进的设计在制造产品时，必须要有严格、合理的工艺保障措施；本磁力耦合器制造时，主要遵循的工艺要求如下。
3.1、检测与安装
在安装永磁体时，要求逐一进行磁性能和几何尺寸的检测，避免不合品混入被使用，影响磁力耦合器的性能和质量。各零部件在安装前应检测和核对装配尺寸，准确无误后，将其全部用煤油清洗干净，晾干，再用丙酮等擦拭干净，在烘箱中烘干；永磁体与其基体的固定采用环氧树脂胶进行粘接，并在烘箱中进行加温( 温度保持在60℃ 以内，6 ～ 10h) 固化，达到粘接强度。
3.2、轴承的选型和润滑
根据长期设计制造经验，轴承选用滚动轴承，并大胆使用了固体润滑材料进行润滑，满足了高转速、长寿命的使用特点，同时，避免了因轴承润滑材料使用不当给滑动摩擦系数测定实验机真空室抽真空带来的不利影响；由于油、脂等润滑剂在抽真空时易出气，真空室中的真空度在实验要求的时间内难已达到10 -6 Pa 以上。所以，采用固体润滑材料润滑轴承是合理的。
3.3、内磁转子的焊接
内磁转子的焊接通常采用氩弧焊接，由于焊接温度高达1500℃，极易导致永磁体在焊接时退磁；所以，在焊接时要采取严格的保护措施；具体保护措施是对焊接点进行磁屏蔽，然后，为便于焊接时焊点处的散热，从而降低内磁转子的整体温度，避免内磁转子在焊接时永磁体退磁，可将内磁转子浸置在清凉水槽中，只须焊接的位置露出水面，便于焊接即可。
3.4、探伤检查
内磁转子焊接完成后，进行探伤检查，如发现有漏焊的砂眼点，应补焊完好；再次探伤，直到未发现任何砂眼点为止。这样，可避免在抽真空过程中内磁转子中的永磁体严重出气，从而降低内磁转子的转矩传动能力，同时也避免了由此而引起的给滑动摩擦系数测定实验机真空室抽真空带来的不利影响。当用分子泵抽真空时，仅用了24h，真空室的真空度就达到了10-6 Pa 以上，达到了工作要求；节省了运行时间，降低了实验电力成本。
4、应用实例
根据上述原理、方法、工艺设计制造的磁力耦合器，应用在中国科学院兰州化学物理研究所重点实验室的滑动摩擦系数测定实验机上，用以研究有关材料的摩擦特性，其研究成果可推广应用到真空、航空航天、化工、制药、机电等行业和产品领域，市场前景广阔。
对实验条件的要求是：真空度10 -6 Pa 以上，传动转矩2 ～ 60Nm，转速200 ～ 6000r /min；通过改变变频器的频率来控制滑动摩擦系数测定实验机的工作转速，进而改变工作转矩，使电机的转速和输出转矩满足实验要求；再通过磁力耦合器带动摩擦负载进行实验测试工作，然后，通过传感器将摩擦测试数据传输到计算机中进行数据处理和分析。
该实验系统的建立，对研究有关材料的摩擦等特性提供了实验条件和方法；在这种超高真空状态下实验，空气阻力影响可以忽略不计；所以超高真空度能否保证就成了实验成败的关键；如何解决既要转动又要全密封的问题，就成了实验设备的难题；由于应用了磁力耦合器技术产品，成功地将转动转矩传递给滑动摩擦系数测定实验机系统，又保证了系统的全密封，满足了实验要求；因此，磁力耦合器成为整个实验系统的关键设备，发挥着至关重要的作用；既保证了实验工作的顺利进行，又确保了测试数据的真实性和有效性，为科学实验做出了应有的贡献。
5、结束语
由于磁力耦合器有着“得天独厚”的传动转矩和全密封的作用效果，被成功地应用到石油、化工、真空、制药、航空、航天、科研、实验等行业中，取得了良好的经济和环保效益；通过对磁力耦合器的广泛应用，使得磁力耦合器设计技术、制造工艺更加成熟，更加实用；为彻底解决有关转动设备的全密封、不泄漏问题提供了技术和设备保障；对保护环境，防止污染，维护人们的身心健康发挥重要作用。
