磁粉制动器的特性及应用

磁粉制动器的特性及应用

曹帅辉

中国船舶重工集团公司第七一〇研究所湖北宜昌443003

摘要：磁粉制动器是一种以高导磁性的磁粉为工作媒介，以激励电流为控制手段的性能优越的新型自动控制元件，可达到控制制动或传递转矩的目的。该文详细介绍了磁粉制动器的工作原理、特性、选型及应用范围。

关键词高导磁性磁粉选型

0引言

磁粉制动器又称电磁粉离合器、磁粉式离合器，是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，其传达之扭矩与激励电流基本成线性关系。因此，只要改变激励电流之大小，便可轻易地控制转矩之大小。正常情况下，在5%至100%的额定转矩范围内，激励电流与其传达之转矩成正比例线性关系。

1工作原理

磁粉制动器是采用磁粉做介质，在通电情况下形成磁粉链来传递扭矩的新型传动元件，主要由内转子、外转子、激励线圈及磁粉组成。当线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转子空转；当线圈通电时产生电磁场，，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，把内转子、外转子联起来，从而达到传递，制动扭矩的目的。

2特性

2.1稳定的滑差力矩

当磁粉制动器内部磁粉量不变、激励电流保持不变时，其传递之扭矩不受传动件与从动件之间差速（滑差转速）之影响，即静力矩与动力矩无差别。因此可以稳定地传达恒定之转矩。

2.2快速响应特性

磁粉制动器因其固有的结构特点，确定了该种产品的无响应时间、转矩上升时间及转矩下降时间都极短，以5kgm的磁粉制动器为例，其无响应时间，其转矩上升下降时间分别为270ms和350ms。此特性决定了它可以应用于需频繁启停、换向的应用场合。

2.3激磁电流与转矩成线性关系

磁粉制动器的转矩跟激励电流的大小基本成线性关系，通过改变激励电流的大小可以任意调节控制转矩的大小，以5kgm的磁粉制动器测试数据为例，如图1所示。

图1典型的滑差力矩测试图

2.4磁粉特性

磁粉制动器内部灌装的磁粉为铁钴镍磁粉，颗粒80目~400目。其基本性能表现为磁性能、磁粉粒径及其配比、流动性、耐久性。磁性能包括磁感应强度、磁导率、矫顽力和剩磁，这都与磁粉制动器工作特性密切相关。磁粉粒径及其配比对制动力矩传递有较大的关系，磁粉松装密度愈大，其颗粒间空气间隙愈小，磁感应强度和磁导率就愈大。受运转离心力影响，磁粉粒径过大，会削弱磁粉制动器转矩传递能力；磁粉粒径过小，磁粉制动器工作间隙中连接的磁粉颗粒就会过多，使磁粉制动器转矩传递性能不稳定，磁粉的平均粒径一般按其工作间隙的1/16来确定。磁粉流动性越好，磁粉制动器转矩传递响应越快，转矩传递稳定性也越好。磁粉球形度高，磁粉流动性就好，有利于提高制动的快速性和减小磁粉与工作面间的摩擦，形成稳定“磁粉链”。磁粉耐久性是指磁粉在磁粉制动器台架试验中磁粉制动器力矩降至初始值70%所用时间。一般的磁粉在额定电流下工作寿命在5000小时～8000小时。在滑差运行工况下，磁粉间产生滑动摩擦损耗，要求磁粉耐磨性、耐热性要好，其磁性能在温度变化范围内必须不改变，以保证磁粉制动器在长时间的滑差工作状态下稳定运行。

磁粉制动器的制动力矩与磁粉充填率成正比关系，以磁粉充填率为参变数时，制动力矩与激磁电流的特性曲线如图2所示。

图2不同磁粉填充率下激磁电流与制动力矩曲线

3选型

磁粉制动器的选型一般以所需传达最大转矩为依据来选，并同时注意保证实际滑差功率小于磁粉制动器的允许滑差功率。

计算公式：实际滑差功率P=2×3.14×M×n/60=F·V

式中：M----实际工作转矩（N·m）

F----张力（N）

n----滑差转速（r/min）

V----线速度（m/s）

磁粉制动器在散热条件一定时，其滑差功率是一定值，因此其实际工作转矩与转速可以相互补偿，即滑差转速提高时，则许用转矩将相应下降，但最高转速不得高于其许可转速。

额定转速n=9550×P/M

式中：P----滑差功率（KW）

9550----常数系数

此外，磁粉制动器的选择还与其位置有关系，在滑差功率匹配的前提下，把磁粉制动器放在高速级，则可以选择较小规格的离合器，其体积、成本也相应下降；当小规格磁粉制动器不能匹配，而需较大磁粉离合器时，应将其置于传动机构的中部或候补，以增大工作转矩降低滑差转速。

4注意事项

4.1正规的安装方法

尽量以正规的安装方法（将高速旋转侧当作输入侧）来使用磁粉制动器。如果机械的结构非得要输出入轴反安装的话，请务必以1000R/min以下来使用。输入轴与输出轴反过来安装的话会使机器长时间空转，磁粉收到搅拌，会大大缩短磁粉制动器的使用寿命。

4.2磁粉防潮

一定要注意磁粉制动器使用环境的湿气，避免磁粉受潮。如果受潮的话，性能会变得不稳定，所以要特别小心，不要让油或水分侵入内部。特别是安装于齿轮箱时，油分会透过轴部浸入内部，所以要用薄膜完全封住。

4.3注意控制表面温度

注意磁粉制动器的表面温度，连续运转所造成的表面最高温度为90度，超过该数值时，耐久性会大为降低。使用时务必以上述界限温度为标准，使用时务必保持在所容许的滑差工作率之内。

4.4激磁处理

由于在运输过程中或放置时间过长会导致在两组单元之间填有的磁粉散落一边，直接开机会造成卡死现象，所以开机前应做激磁处理。先在无激磁状态下，驱动尽可能高速（1800rpm以下）回转约1分钟后，设定激磁电流在额定的1/4~1/5，一方面回转驱动侧，一方面5秒间开，10秒间关，间歇激磁约20次，这样才能保证磁粉制动器产生平滑的转矩。

5结束语

由于磁粉制动器具有以上特点，现在已被广泛的应用于造纸、印刷、塑料、橡胶、纺织、印染、电线电缆、冶金以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收卷张力控制，还经常被用于传动机械的测功加载和制动等。

参考文献:

[1]DavidJiles.磁学及磁性材料导论[M].肖春涛译.兰州：兰州大学出版社，2003.

[2]肖昌汉.铁磁学[M].北京：海潮出版社，1999.

[3]袁宇凤，任芳，杨兆建，磁粉制动器数学建模与控制方法研究.机械设计与制造，2018年07期.