電磁離合器承載能力分析

徐奎利

牡丹江富通汽車空調有限公司技術部，黑龍江 牡丹江 157003

1 電磁離合器的結構原理

壓縮機使用兩種電磁離合器：4極和6極，除極數不同外其結構相似，都由線圈、皮帶輪、驅動盤組成。線圈壓裝在前蓋軸徑上，皮帶輪通過雙列角接觸球軸承坐在前蓋上，驅動盤壓裝在主軸上。線圈通電后產生電磁力將驅動盤與皮帶輪吸合并帶動主軸旋轉，壓縮機工作，線圈斷電后驅動盤與皮帶輪脫開，皮帶輪空轉，壓縮機不工作。

1.1 磁極

電磁鐵有南（S）北（N）兩極，同極相斥異極相吸，相吸的兩個磁極產生一個吸力，叫一對磁極。壓縮機使用兩種離合器---4極、6極離合器，4極有4對磁極，6極 有6對磁極。根據電磁理論，線圈通電后產生磁通，我們用磁力線表示，磁力線在磁路材料中沿最小磁阻路線形成封閉回路。皮帶輪端面和驅動盤端面有環形隔磁環，所以6極皮帶輪磁力線有6次進入驅動盤和6次由驅動盤進入皮帶輪，4極皮帶輪磁力線有4次進入驅動盤和4次 由驅動盤進入皮帶輪。

1.2 氣隙

離合器有3種氣隙：吸合氣隙Δ0----皮帶輪與驅動盤端面之間的氣隙，Δ0=0.3---0.7，其功用是防止皮帶輪與驅動盤摩擦，值大，吸合時克服彈簧力較大，降低驅動扭距，值小，則要提高加工精度。外環隙Δ1----線圈外徑與皮帶輪內壁之間的徑向（單邊）間隙。內環隙Δ2----皮帶輪孔座與線圈殼間的間隙。理論分析和計算結果證明，80%的磁壓降消耗在內外環隙中，所以要降低內外環隙，通常取Δ1、Δ2≤0.5。

2 影響離合器乘載能力的關鍵因素——皮帶輪、驅動盤端面的平面度

電磁離合器是摩擦力傳遞扭距的，因而皮帶輪端面與驅動盤端面是否貼合良好，對離合器乘載能力影響重大。筆者做了4組不同組合平面的對比試驗，試驗條件雖然簡單，但平面狀況的影響是明響的，一組皮帶輪端面中凸0.04與驅動盤端面中凹0.045，乘載能力最高。因為皮帶輪端面與驅動盤端面構成一對良好的貼合面，二組正好相反，是中凸對中凸，形成小面積接觸，乘載能力最小，三與四組為中凸0.01對中凸凹0.02乘載能力一般。在設計上，要求皮帶輪和驅動盤工作端面的平面度小于0.05，對皮帶輪一般為凹0.01～0.03。問題較多的是驅動盤，它剛性差，有鉚接應力，鉚合后有變形，鉚釘處低，兩鉚釘連線的中點處凸起，整個平面形成3個突起的復雜曲面，這對傳遞扭距是很不利的。

為提高平面度，采取如下措施：

1）增加驅動盤厚度：如果厚度增為4.9±0.1則驅動盤剛度可增加6級40%、4級17%。

2）控制彈黃片、驅動盤和傳動盤孔距和孔徑精度，減少鉚合變形。

3）減少裝配、搬運、安裝、維修過程中因外力引起的驅動盤變形，變形對乘載能力影響重大，常見變形有兩種：

（1）驅動盤扭曲，驅動盤與皮帶輪端面只有個別點或小面積接觸，不能傳遞扭距。

（2）偏擺或縮入，驅動盤與皮帶輪端面空轉時接觸，驅動盤被磨去一角，通電后驅動盤與皮帶輪接觸不良，無法工作。

3 安匝數的影響

線圈匝數n與電流A的乘積叫安匝數，在相同條件下，離合器乘載能力與安匝數的平方成正比，通常電壓是給定的，要增加安匝數只能增加漆包線直徑，如果漆包線直徑不增加，只增加匝數是不能增加安匝數的，因為匝數增加，線圈電阻也同比例增加，安匝數不變。

4 驅動盤大小的影響

驅動盤大，則磁極面積大，力臂也大，因而能傳遞很大扭距。

5 氣隙大小的影響

前面定性地分析氣隙大小對承載能力的影響，如何計算這種影響呢，下面舉電工學中實例。已知磁通φ=3×10-3Wb，鐵心材

料D21，銜鐵材料鑄鐵，求安匝數及吸力。這是已知磁通求安匝數和吸力，是順解，解法為。吸力：F=0.5B2S/μ0 N

式中：B為磁感應強度（Wb/m2） ；S為磁極面積（m2）；μ0為空氣磁導率μ0=4π×10-7。

將試驗數據代入得2F=0.8B2S×106=0.8×12×3×10-3×106=2400 N

綜上述，可以寫出離合器乘載能力公式；M=0.4B2SnfR×106 N.m

式中：n為離合器極對數，4極n=4，6極n=6；f為摩擦系數，f=0.3 見‘機械設計手冊’上冊第一分冊 化學工業出版社；R為驅動盤平均半徑（m）。氣隙中磁壓降很大，磁感應強度降低，因而乘載能力迅速下降，計算結果證明了這一點：內外氣隙均為0.45mm時，扭距為44N.m，內外氣隙均為0.55mm時，扭距為32N.m，下降27%，內外氣隙均為0.65mm，扭距為25N.m，下降43%。

6 低電壓、高溫的影響

在正常況下，離合器的設計能力可以滿足要求，但下列清況可能例外。

1）電壓不足，假設線圈額定電壓12V，實際電壓為10V，根據歐姆定律，線圈電流下降為10/12=0.83，磁感應強度下降為0.832=0.69，設額定扭距M0=40N.m，電壓10V時M=0.69M0=27.6N.m；

2）高溫，若室溫電阻3.06Ω，1150C時為4.24Ω，假定線圈實際工作溫度1000C，則電阻為3.06+（4.24—3.06）×100/115=4.09Ω，由于電阻增加，電流減少至3.06/4.09=75%，可以近似地認為扭距降為0.752M0=22.4N.m。