介紹了一種磁力耦合器在超高真空實驗設備—滑動摩擦系數測定實驗機上的具體應用和設計；并結合應用扼要介紹了磁力耦合器的工作理、主要功能、磁力傳動轉矩的計算、磁路的排列形式、結構特點等，以及在制造中需要注意的工藝問題。

　　隨著科學技術的不斷進步和發展，對有關物理量測定設備的性能要求越來越高，對測試結果要求更加精確和準確；從而得出的數據更加真實和有效，這極大地促進了科研事業的迅速發展，同時也為工業技術經濟的騰飛發揮著巨大推動作用，充分體現了科學技術是第一生產力；我們設計制造的磁力耦合器應用到超高真空設備—滑動摩擦系數測定實驗機上。由于磁力耦合器在傳動負載轉矩的同時，能夠徹底解決設備的全密封問題；滑動摩擦系數測定實驗機在分子泵連續抽真空48h 后，測量室的真空度達到10^-6 Pa 以上，滿足了實驗室測試要求；足見其全密封的有效性和可靠性；這為科學研究提供了設備保障，為科研事業的發展起到了促進作用。

1、磁力耦合器的工作原理和主要功能

1.1、工作原理

　　根據磁體磁極的異性相吸、同性相斥原理及其磁力線能夠穿過非鐵磁性物質的特性；當電動機拖動外磁轉子旋轉時，通過磁力作用，外磁轉子帶動密封套內的內磁轉子同步旋轉，從而實現轉矩的非直接接觸傳動；同時，通過密封套實現了傳動轉矩時軸端的靜態全密封，把傳統軸端的動態密封變為安全、可靠的靜態密封，從根本上解決了動態軸封“跑、冒、滴、漏”的技術難題。其原理結構如圖1 所示。

1.2、主要功能

　　磁力耦合器的主要功能是傳動轉矩，同時，把軸端傳統的機械動密封變為安全、可靠的靜密封；當負載轉矩超過磁力耦合器的最大傳動轉矩時，磁力耦合器內、外磁轉子會自動脫開耦合狀態，起到過載保護的作用；由于磁力耦合傳動屬于非直接接觸的軟連接，隔振、減振作用明顯。

圖1 磁力耦合器原理結構

1. 法蘭　2. 內磁轉子　3. 外磁轉子　4. 隔離套　5. 電機軸　6. 負載軸

2、磁力耦合器的設計

2.1、滑動摩擦系數測定實驗機工作參數

　　工作轉矩：2 ～ 60Nm；使用溫度< 120℃；轉速：200 ～ 6000r /min；工作環境：真空( 真空度10 ^-6 Pa 以上) ；連接法蘭國家標準的真空法蘭；外形尺寸范圍：在φ150mm × 200mm 的空間范圍。

2.2、磁力傳動轉矩的計算

　　根據用戶提出的工作參數要求和多年應用設計的經驗，確定磁力耦合器的基本結構及其幾何尺寸，并計算出滿足用戶工作要求的磁力傳動轉矩，這是磁力耦合器設計的核心所在。由磁力計算公式：

F = (B/4965) 2S ( 1)

　　式中：F———磁吸引力，kg；B———氣隙磁密，Gs；S———氣隙面積，cm²。

　　根據力學中轉動轉矩公式T = F × R( T 為轉矩，F 為切向力，R 為作用半徑) ，同時結合靜磁能理論和多年設計應用的實踐經驗，進行磁力耦合器磁力傳動轉矩的設計，其磁力傳動轉矩計算的經驗公式是：

　　式中：T———磁力傳動轉矩，Nm；M———磁化強度，A/m；g———重力加速度， 9. 8N/m2 ；h———磁體厚度，m；n———磁極數；S———磁極面積，m2 ；R———力的作用半徑，m；a———位移角( 弧度) ；Lg———磁隙，m；　b———磁極寬度，m；η———磁極厚度經驗系數( 通常取值0. 7 ～0. 95) ；N———磁極形狀系數( 通常取值1. 05) ；k———磁路類型系數( 對拉推磁路k =4 ～6. 4) 。

　　在式(2) 中，當sin( na /2) = 1 時，磁力傳動轉矩T 有最大值，稱之為最大磁力傳動轉矩Tm；所以，最大磁力傳動轉矩：

　　為了使磁力耦合器設計的最大磁力傳動轉矩滿足滑動摩擦系數測定實驗機的最大工作轉矩要求；最大磁力傳動轉矩計算的準確程度直接影響著磁力耦合器能否正常運行。因此，希望最大磁力傳動轉矩的理論計算值與實測值的偏差越小越好。本磁力耦合器采用式(3)計算得到的最大磁力傳動轉矩值為72Nm；實測值為65. 5Nm；計算值與實測值之間的誤差僅為9%左右。實測值比設備的工作轉矩要求的最大值多出5. 5Nm，這為滑動摩擦系數測定實驗機在最大工作轉矩的基礎上預留了10% 以上的轉矩余量，增加了設備運行的可靠性，完全滿足使用要求。

2.3、磁路結構形式和對磁體磁性能的基本要求

2.3.1、磁路結構形式

　　磁力耦合器磁路結構采用同軸型，磁路采用圓筒形周向組合拉推磁路，其拉推磁路結構剖視圖如圖2 所示。

　　這種磁路的特點是：傳動轉矩大，結構緊湊，體積小，傳動效率高，使用壽命長，減振和過載保護作用顯著。

2.3.2、永磁體性能要求

　　永磁體材料采用第三代稀土永磁—釹鐵硼( Nd- Fe - B) 合金，該永磁材料磁性能穩定，價格便宜，性價比高；針對在磁力耦合器上的使用要求，對磁性能提出具體要求如下：

圖2 磁路結構剖視

1. 外磁轉子基體，2. 內磁轉子基體，3. 隔離套，4. 外磁轉子永磁體，5. 內磁轉子永磁體

　　最大磁能積(BH) max≥263kJ /m³ ( 33MGsoe) ，內稟矯頑力jHc≥1592kA/m( 20000oe) ，剩磁Br≥1. 17T( 11700Gs) ，使用溫度≥120℃；采用的永磁體產品牌號N35SH；永磁體表面進行防銹蝕等的鍍鋅防腐處理。

3、制造中的工藝要求

　　先進的設計在制造產品時，必須要有嚴格、合理的工藝保障措施；本磁力耦合器制造時，主要遵循的工藝要求如下。

3.1、檢測與安裝

　　在安裝永磁體時，要求逐一進行磁性能和幾何尺寸的檢測，避免不合品混入被使用，影響磁力耦合器的性能和質量。各零部件在安裝前應檢測和核對裝配尺寸，準確無誤后，將其全部用煤油清洗干凈，晾干，再用丙酮等擦拭干凈，在烘箱中烘干；永磁體與其基體的固定采用環氧樹脂膠進行粘接，并在烘箱中進行加溫( 溫度保持在60℃ 以內，6 ～ 10h) 固化，達到粘接強度。

3.2、軸承的選型和潤滑

　　根據長期設計制造經驗，軸承選用滾動軸承，并大膽使用了固體潤滑材料進行潤滑，滿足了高轉速、長壽命的使用特點，同時，避免了因軸承潤滑材料使用不當給滑動摩擦系數測定實驗機真空室抽真空帶來的不利影響；由于油、脂等潤滑劑在抽真空時易出氣，真空室中的真空度在實驗要求的時間內難已達到10 ^-6 Pa 以上。所以，采用固體潤滑材料潤滑軸承是合理的。

3.3、內磁轉子的焊接

　　內磁轉子的焊接通常采用氬弧焊接，由于焊接溫度高達1500℃，極易導致永磁體在焊接時退磁；所以，在焊接時要采取嚴格的保護措施；具體保護措施是對焊接點進行磁屏蔽，然后，為便于焊接時焊點處的散熱，從而降低內磁轉子的整體溫度，避免內磁轉子在焊接時永磁體退磁，可將內磁轉子浸置在清涼水槽中，只須焊接的位置露出水面，便于焊接即可。

3.4、探傷檢查

　　內磁轉子焊接完成后，進行探傷檢查，如發現有漏焊的砂眼點，應補焊完好；再次探傷，直到未發現任何砂眼點為止。這樣，可避免在抽真空過程中內磁轉子中的永磁體嚴重出氣，從而降低內磁轉子的轉矩傳動能力，同時也避免了由此而引起的給滑動摩擦系數測定實驗機真空室抽真空帶來的不利影響。當用分子泵抽真空時，僅用了24h，真空室的真空度就達到了10^-6 Pa 以上，達到了工作要求；節省了運行時間，降低了實驗電力成本。

4、應用實例

　　根據上述原理、方法、工藝設計制造的磁力耦合器，應用在中國科學院蘭州化學物理研究所重點實驗室的滑動摩擦系數測定實驗機上，用以研究有關材料的摩擦特性，其研究成果可推廣應用到真空、航空航天、化工、制藥、機電等行業和產品領域，市場前景廣闊。

　　對實驗條件的要求是：真空度10 ^-6 Pa 以上，傳動轉矩2 ～ 60Nm，轉速200 ～ 6000r /min；通過改變變頻器的頻率來控制滑動摩擦系數測定實驗機的工作轉速，進而改變工作轉矩，使電機的轉速和輸出轉矩滿足實驗要求；再通過磁力耦合器帶動摩擦負載進行實驗測試工作，然后，通過傳感器將摩擦測試數據傳輸到計算機中進行數據處理和分析。

　　該實驗系統的建立，對研究有關材料的摩擦等特性提供了實驗條件和方法；在這種超高真空狀態下實驗，空氣阻力影響可以忽略不計；所以超高真空度能否保證就成了實驗成敗的關鍵；如何解決既要轉動又要全密封的問題，就成了實驗設備的難題；由于應用了磁力耦合器技術產品，成功地將轉動轉矩傳遞給滑動摩擦系數測定實驗機系統，又保證了系統的全密封，滿足了實驗要求；因此，磁力耦合器成為整個實驗系統的關鍵設備，發揮著至關重要的作用；既保證了實驗工作的順利進行，又確保了測試數據的真實性和有效性，為科學實驗做出了應有的貢獻。

5、結束語

　　由于磁力耦合器有著“得天獨厚”的傳動轉矩和全密封的作用效果，被成功地應用到石油、化工、真空、制藥、航空、航天、科研、實驗等行業中，取得了良好的經濟和環保效益；通過對磁力耦合器的廣泛應用，使得磁力耦合器設計技術、制造工藝更加成熟，更加實用；為徹底解決有關轉動設備的全密封、不泄漏問題提供了技術和設備保障；對保護環境，防止污染，維護人們的身心健康發揮重要作用。