懸臂型永磁同步耦合器設計理念分析

牟旭東

(江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212009)

0 引言

懸臂型永磁同步耦合器是一種改進型產品，其亮點在于主動永磁轉子與從動永磁轉子之間通過一對軸承連接，使兩者成為一個整體，永磁體完全被包裹在內部，形成了一個具有封閉環境的防爆結構。主動永磁轉子與從動永磁轉子之間依然為柔性(磁力)連接，軸承僅作為連接與承載元件，不傳遞力矩且無軸向力。由于該結構的整體性，設備約85%的質量都集中在本體中，本體安裝在主動軸上(電機軸)，既減輕了負載軸(減速機軸)上的負擔，又提高了整個傳動鏈的穩定性。該結構還具備安裝方便、結構緊湊、過載自動打滑保護等優點。懸臂型永磁同步耦合器為實用新型專利設備[1]。

1 懸臂型永磁同步耦合器結構分析

懸臂型永磁同步耦合器由軸承、軸承端蓋、從動端連接接口、從動永磁轉子、從動永磁轉子磁鋼、主動永磁轉子磁鋼、主動永磁轉子共7部分組成，如圖1所示。一對軸承1對稱安裝在主動永磁轉子7左右兩端，同時承載從動永磁轉子4；一對軸承端蓋2將一對軸承1外露部分蓋住，可有效隔離灰塵；從動永磁轉子磁鋼5安裝在從動永磁轉子4上，主動永磁轉子磁鋼6安裝在主動永磁轉子7上，從動永磁轉子磁鋼5與主動永磁轉子磁鋼6之間設置有氣隙，從動永磁轉子4通過從動端連接接口3與負載端連接；主動永磁轉子7直接套裝在主動端上，從而實現主動端與負載端之間的柔性(磁力)連接。

圖1 懸臂型永磁同步耦合器結構示意圖

該結構在設計過程中有幾個主要設計要點：永磁轉子磁鋼優化尺寸以及轉矩的確定；主動永磁轉子的最大孔徑的確定；軸承型號的確定；各個連接處螺栓直徑以及數量的確定。其中，永磁轉子磁鋼的確定可由Ansys仿真計算，且計算步驟已有相關論文表述，故下文僅針對后面幾個設計要點舉例說明。

假設永磁轉子磁鋼的轉矩為1 600 Nm，即懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩Tn=1 600 Nm。由聯軸器的選擇計算公式可得[2]

其中：Tc為實際最大轉矩，Nm；T為電機公稱轉矩，Nm；K為電機載荷系數，K=2.2；P為電機功率，kW；n為電機轉速，r·min-1。

通過該公式可以反向推算出1 600 Nm轉矩對應的4極電機功率：

該功率數值為最大計算功率，需向下取值，最接近的一檔功率為110 kW，查出電機的型號為Y315S-4P，該電機的輸出軸尺寸為φ80×170 mm，鍵槽寬20 mm。

由此可得出圖1中主動永磁轉子7在計算轉矩1 600 Nm內，其最大的設計孔徑為φ80 mm。

依據最大孔徑，推算出軸承的最小內徑為φ100 mm。以尺寸大小、額定載荷、實際工作中可能出現的沖擊與振動等條件為基準，查詢機械設計手冊，確定軸承型號為61920-2Z。

確定好軸承型號后，需要對軸承的使用壽命進行校核，滾動軸承基本額定壽命公式如下：

表1 61920-2Z的基本尺寸與數據

由于該結構在實際運行中沒有軸向力，故當量動載荷即為懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩，P=Tn=1 600 Nm，則

若設備24 h不停機，則理論使用年限為

證明該軸承滿足使用要求。

軸承在使用過程中，潤滑是必須考慮的因素。滾動軸承通常采用潤滑脂潤滑，其目的是避免元件表面金屬直接接觸，降低摩擦和減輕磨損，同時也有吸振、冷卻、密封等作用，提高性能、延長使用壽命[3]。

依據軸承溫度175 ℃，建議選用表2中鋰基潤滑脂ZL-2。軸承的實際工作溫度應低于潤滑脂滴點10～20 ℃，其填充量一般應以軸承和軸承殼體空間的1/3～1/2為宜。潤滑脂的不足或過多，都會導致軸承工作中溫升增大，磨損加快，故潤滑脂的填充量要適度[4]。

表2 鋰基潤滑脂的特性和用途

如圖1所示，軸類設備中零件的裝配一般采用法蘭連接，連接處螺栓的大小、數量、強度需要計算并校核。設計過程中，可以先擬定一組螺栓的大小與數量，而后校核其強度，根據實際需要以及成本要求，調整并優化該數據。

假設圖1設備中有一零件，其安裝螺孔的中心圓D=200 mm，螺絲數量Z=8顆，材料為45鋼，等級為常用的8.8級。已知上文中，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩Tn=1 600 Nm，則螺栓直徑的計算公式如下：

作用在螺栓中心圓D上的圓周力為

螺栓的預緊力為

其中f為摩擦系數，取0.2。

螺栓直徑d的計算公式[5]為

又[σ]=(0.25～0.33)·σS，則

(9.7～11.14)。

其中σS為屈服強度，見表3。

表3 常用螺栓、螺釘、螺柱的屈服強度 單位：MPa

故選擇M12螺釘8顆，等級8.8級。

2 與梅花形彈性聯軸器配合使用

梅花形彈性聯軸器具有補償兩軸相對偏移、減震、緩沖的性能，同時具有結構簡單、不用潤滑、承載能力較高等優點。缺點是更換彈性元件時需要軸向移動電機。適用于連接兩同軸線、起動頻繁、需要正反轉、中速、要求工作可靠性較高的場合。

如圖2所示，該配合使用的結構由梅花形彈性聯軸器1、懸臂型永磁同步耦合器3通過螺栓連接與從動端連接接口2組合而成。其中梅花形彈性聯軸器1由梅花左半聯軸器、梅花右半聯軸器以及中間的梅花彈性件組成。梅花彈性墊結構示意圖如圖3所示。

圖2 與梅花形彈性聯軸器配合結構示意圖

圖3 梅花彈性墊結構示意圖

選型時，依據懸臂型永磁同步耦合器的最大轉矩，確定梅花彈性墊的型號，再根據選擇的型號來設計梅花左、右半聯軸器。已知懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩Tn=1 600 Nm，則梅花彈性墊的實際公稱轉矩T=1.8·Tn=2 880 Nm。因市場中材料的品質參差不齊，建議最小按1.8倍選擇，再根據表4中LM型聯軸器的參考公稱轉矩向上取值，故選擇型號MT9，其公稱轉矩為3 150 Nm。

表4 梅花彈性墊數據參數

表4中，LM型聯軸器的參考轉矩，其前提條件為梅花彈性墊的硬度達到標準值94±2(Shore A)[6]。

3 與彈性套柱銷聯軸器配合使用

彈性套柱銷聯軸器具有一定補償兩軸相對偏移的能力，較低的減震、緩沖性能，結構簡單，容易制造；不需要潤滑，維修方便，徑向尺寸較大。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減震要求不高的軸系傳動場合，不適用于高速、低速重載場合[7]。

如圖4所示，該配合使用的結構由軸套1、彈性套柱銷2、懸臂型永磁同步耦合器3組成，其中彈性套柱銷2安裝的位置為原從動端連接接口處。

圖4 與彈性套柱銷聯軸器配合結構示意圖

彈性套柱銷的規格決定該結構的使用性能。依上文數據，假設彈性套柱銷安裝孔的中心圓D=200 mm，數量Z=8顆，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩Tn=1 600 Nm，則彈性套柱銷直徑的計算公式如下[8]：

其中fb為安全系數，取0.5。

則選擇的彈性套柱銷最小規格為直徑6 mm，8顆。此時，若依照該數據設計，則總體結構會呈現外徑大、彈性套柱銷小的現象。解決方案為減少彈性套柱銷的數量，如4顆，則其最小直徑為11 mm，或者直接加大直徑，達到外觀比例協調即可。彈性套柱銷的長度比例建議為1∶1，即彈性套柱銷左端緊固的總長(包括伸出部分)與右端彈性套的長度一致，或略大，故只需計算軸套1彈性套柱銷安裝位置處壁厚的強度即可。

彈性套的材料建議選用尼龍1010，該材料表面硬度大、質量輕、耐腐蝕，具有較高的抗張性、抗彎曲強度、抗沖擊強度和較高的延性，是目前國內用量最大的聚酰胺工程塑料。

4 與彈性柱銷聯軸器配合使用

彈性柱銷聯軸器具有微量補償性能，結構簡單，容易制造，更換彈性柱銷方便，適用于有少量軸向竄動、起動較頻繁、有正反轉的軸系傳動場合，不適用于高速重載、有強烈沖擊震動、工作可靠性要求較高的場合[9]。

與彈性柱銷聯軸器配合結構如圖5所示，其中彈性柱銷2安裝的位置為原從動端連接接口處，軸套1上需安裝可拆卸的彈性柱銷蓋板。總體結構與彈性套柱銷聯軸器配合使用的結構相同。

1—軸套；2—彈性柱銷；3—懸臂型永磁同步耦合器。圖5 與彈性柱銷聯軸器配合結構示意圖

同樣，彈性柱銷的規格決定該結構的使用性能，其材料也建議選用尼龍1010。彈性柱銷直徑的計算公式同上文彈性套柱銷，不同的是fb安全系數為0.1。依上文數據，假設彈性套柱銷安裝孔的中心圓D=200 mm，數量Z=8顆，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉矩Tn=1 600 Nm，通過計算公式可得出彈性柱銷的最小規格為直徑26 mm。

5 結語

綜上所述，懸臂型永磁同步耦合器結構簡單、易分析、易設計、易加工，有很高的適用性，除文中的3種配合使用結構外，還適合其他多種結構。在設計過程中，有些情況下適當地放大取值，能更好地保護設備，同時也能增加美觀性，且所提高的成本微乎其微。除文中介紹的懸臂型永磁同步耦合器外，同類型的軸類設備在設計過程中，如有相同的結構，其設計理念與計算方式均可依據文中所述。