永磁磁力传动原理、应用及前景

陈汉涛

永磁传动以现代磁学为基础理论，结合永磁材料的磁力作用，实现的力或转矩非接触式传递技术。这种技术早在20世纪30年代被提出，并经由几十年发展，直到20世纪70年代，工业资源型到技术型转变的发展，同时人类环保意识逐渐提高，人们重拾永磁学的理论研究。特别是NdFeB稀土这种永磁材料的出现，永磁材料性能应用上取得了显著的提高，使得永磁理论研究得以发展。永磁磁力传动理论的这次突飞式发展，使得永磁传动技术在各个领域中得以应用，并逐渐以该技术为基础诞生了很多先进的磁力科学新技术。

一、永磁传动技术原理、分类及优缺点

1.原理及分类。永磁传动技术是利用磁性材料间异性相吸、同性相斥的原理，通过磁耦合将磁能转化成机械能的过程。目前的永磁磁力传动分为转子式永磁传动、永磁离合式传动、涡流式永磁驱动和永磁悬浮式装置等四种传动模式。1）转子式，特点：通常由主、被动磁组件外加隔离套三部分共同组成，三组件构成同心圆环体。开发产品：磁力传动阀门、磁力传动泵、磁力调速器等，部分入市场应用，部分尚在研发。2）涡流式，特点：由永磁转子、铜转子和控制器组成，永磁转子与铜转子构成圆盘模式。开发产品：有限矩型磁力耦合器，延时型和调速型的磁力耦合器等，已投入市场应用。3）离合式，特点：由主、被动磁盘和控制器联合构成，主动磁盘同被动磁盘呈现圆盘模式。开发产品：永磁制动器和永磁离合器。部分产品已投入市场使用。4）磁悬浮式，特点：分为圆周磁悬浮和直线导轨类磁悬浮两种。开发产品：无轴承电动机、磁力轴承以及磁悬浮导轨等，部分形成产品，部分正在研发。

2.磁力传动优缺点。优点：1）结构简单，组成构件少，发生故障点很少，功能可靠性较高。2）功能相对较全，能够实现过载保护、轻载起动、离合制动和调速等众多功能。3）能够基本实现结构间无摩擦传动，从而使用寿命相对较长。4）能够实现无泄漏传动功能，适合在核电、化工及航天等领域使用。5）永磁磁力装置的重量与体积相对很小。6）永磁磁力传动装置不会对环境造成污染。7）永磁磁力传动装置的安装调试十分便捷。缺点：1）永磁传动技术尚处于研发阶段，除磁力阀门和磁力泵等比较成熟的产品之外，都处于待推广和开发阶段，指导这种技术的用户比较少，对该技术类产品不敢轻易采用。2）对永磁材料的整体性能要求较高，当材料受到温度高于临界程度时，材料出出现不同程度的退磁现象。所以磁力传动装置在高温下工作不适宜。永磁调速过程中存在涡流损失，同时也存在滑差损失，这就导致永磁装置散热较大，这就要求这种传动装置的散热性良好，否则无法解决高能热量，就会引起轻微退磁现象。这成为永磁磁力传动装置的一项重大缺陷。3）永磁材料通常是脆性较高的材料，如果转速达到一定程度，在受离心力的影响下，脆性较高的永磁材料就会损坏，造成设备故障，这无疑限制了永磁装置的使用范围。4）为了保质保量，转子式的永磁传动装置通常都采用高级永磁材料制造，这种材料性能相对提高，但造价成本高昂。涡流式的永磁传动装置则在使用永磁材料外，同时使用一定其他贵金属材料制作而成，成本相对较高。很难参与到普通传动装置的竞争当中。5）对于永磁材料的处理，加工过程和装配过程都显得比较困难。6）永磁材料会随着时间的推移而出现磁衰现象。

二、常见永磁传动装置

1.磁力联轴器。在输送危险性介质时，化工泵存在泄漏可能。危险介质泄漏将会造成环境严重污染，同时损失了流失的工作介质。如果在工作介质当中存在毒素或者其他有害物质，则很可能造成重大安全事故。而解决介质泄漏的关键技术就是对于密封性问题的解决方案。密封部件间存在相对运动的密封成为动密封，反之为静密封。静密封通常密封效果理想，而动密封效果则比较差，目前的动密封设施都存在一定的磨损和泄漏危险。而磁力联轴器传动过程是通过永磁体的磁力性质完成的，属于无接触式传动。在主动轴与从动轴之间，不存在柔性或刚性连接。这就使得磁力联轴器的密封共组相对容易，并且密封效果相对突出。

2.永磁带轮式传动。在普通的带传动模式中，带与带轮间存在弹性滑动，同时常会出现过载打滑现象。相对来说传动不稳定且效率低下。由于带与带轮间靠摩擦传动，很容易磨损带，并且降低使用寿命。而永磁带传动是基于磁學理论和摩擦传动学理论形成的新模式带传动。这种方式利用永磁体产生的磁力闭合回路实现金属带的动能传递。这种新型带传动方式传动比范围广，弹性滑动小、精准度和传动效率高，并且使用寿命长久耐用。

3.永磁轴承。传统的滚动轴承和滑动轴承应用在各种领域，但在高速旋转的工作环境下，很容易造成轴承磨损。而永磁轴承的诞生解决了这一问题。永磁轴承是基于磁感应原理制成的无接触式传动轴承。这种轴承通常只承受径向力和轴向力，但不会增加磨损，所以使用寿命相对较高。同时由于无摩擦，所以无需使用润滑油，同时可作为高速旋转轴承使用。

4.永磁齿轮传动与凸轮机构。基于磁力理论基础研发的永磁非接触式齿轮传动解决了机械齿轮的噪声和振动等不良因素，同时提高了齿轮传动的可靠性。永磁齿轮没有轮齿，而是由多个扇形永磁体成圆环状排列组成。通过磁场的耦合来传递转矩和力，实现齿轮动力传导。永磁齿轮传动缺点是转矩较低，同时易腐蚀。而基于相似原理产生的永磁凸轮结构则在凸轮机构领域取得了良好的效果。它具备无磨损、无噪声和无振动的优点，同时易于加工，得到广泛发展应用。

三、永磁磁力传动的发展前景

永磁传动技术的发展起步较晚，同时发展时间相对较短，该技术在应用过程中还存在一定的问题。比如：永磁传动技术的发展较晚，很多性能不够完善；永磁传动装置制造相对困难，同时成本相对较高，性价比很低；永磁传动的很多设计目前仍处于理论研究程度，无法实现；永磁传动装置设计缺乏有效的完善的设计方式，需要不断实践总结；磁路设计方面，永磁装置中多体渐变技术尚未充分应用；永磁磁场计算精度有待提高。随着时代的发展，世界环境保护、能源节约备受关注。能够有效提升能源利用率，开发新能源，并且保护环境成为当代科学研究的重点方向。永磁传动技术在节约能源和危险介质防泄漏、减少污染方面具有突出表现，必然适应时代发展，取得更多的研究成果，广泛应用到各行各业。新型磁性材料的不断涌现，高性能材料将大大提升永磁性能，在很多基于永磁原理而产生的科技中，必然成为一项光明前景的新科研内容。

总结

永磁磁力传动技术这种耦合传动技术在经过短短几十年的发展之后，取得了十分可惜的成就，比如磁力联轴器在防止磁力泵泄漏中的很重要作用。虽然目前永磁磁力传动技术仍然存在大量缺陷，但不妨碍磁力传动技术的发光点。永磁磁力传动技术的各项优点在各个领域已经取得了一定的成果，未来的发展过程中，该技术必然随着科学技术的飞速提升而取得更大的研究成果。永磁磁力传动技术前景一片坦途。

（作者单位：浙江巨化汉正新材料有限公司）