永磁传动与真空密封技术研究现状与发展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:邓文娟

  永磁传动技术可实现“零泄漏”的绝对密封,利于这一特点,可广泛应用在真空设备中以获得高洁净度、高真空度的作业环境。本文首先阐述了永磁传动原理,针对永磁驱动技术在真空设备动密封的应用,综述了关键技术的研究现状,介绍磁力驱动技术在真空获得设备、真空工程技术、真空机器人领域的应用,最后就真空磁力驱动动密封技术今后的研究与发展方向进行了探讨。

  现代科学实验和工业生产中的真空设备涉及到需要在真空室外驱动真空室内器件的运动。真空设备的密封具有一定的特殊性,比带压设备的密封困难。真空密封要求具有两种功能,一种阻止轴承润滑油漏入真空空间和外部空间;另一种是密封件把真空内腔与外腔分割开,保持要求的真空度。目前采用较多的是标准的机械密封和带加强环的骨架真空橡胶密封。运行一段时间后,由于密封副的磨损,泄漏现象普遍存在。漏油浪费资源、污染环境,进气影响真空获得率,这是用户普遍反映的问题。磁流体密封是一种密封效果较好,使用寿命长的动密封型式,功耗小,但应用场合受到某些条件限制。磁力驱动技术将动密封转化为静密封,可以实现向真空容器中传递各种不同运动并避免外界气体侵入,保持容器内的真空度,保证产品的质量。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为磁力传动技术在真空密封领域具有广阔的发展前景。

1、永磁传动装置工作原理

  图1 为一永磁传动( PMD) 机械简图,由真空室1、内磁转子2、隔离套3、外磁转子4 和原动机5组成,2、4 构成永磁联轴器。工作机装在内磁转子轴上,外磁转子装在原动机轴上。内、外转子是靠磁力线联系起来。内磁转子外缘、外磁转子内缘分别装有m 个偶数磁块,N、S 磁极交替排列,其磁路排列见图2。

  将磁路展开成平面模型如图3。当主动磁转子A 以速度u 运动时,根据同性相斥,异性相吸的原理,A 对B 的拉力为F1、推力为F2,二力的合力F =F1 + F2,在运动方向的分量即牵引力,而在垂直于运动的方向的分量相互抵消。当P < F、c < b /2 时,A以速度u 运动,B 也以同样的速度v = u 运动,所以磁力传动器又称为同步磁力偶合器。

永磁传动与真空密封技术研究现状与发展

图1 PMD 机械简图 图2 磁路排列 图3 PMD 平面模型

4、发展趋势与展望

  PMD 技术并非简单的同性相斥,异性相吸,它是集磁学、机械学、材料学、精良制造与精心使用于一体。世界一流的专业生产厂,他们的产品在世界享有盛誉,以至于我们无法仿制,其原因就在如此。

  目前,磁力驱动装置相对传统机械驱动装置存在的主要问题是磁转矩小效率低,满足不了大功率磁驱动器的设计与制造要求,需要进一步研究大功率、高性能的真空磁力驱动器。永磁材料的性能、磁路的设计、金属隔离套的涡流损耗等影响磁力耦合器的磁转矩。因此,应根据工作条件和要求合理选择性能优越磁性材料,优化磁路设计,开展聚磁技术研究,选用高电阻率材料的金属隔离套,或发展新型隔离套,如复合型双层隔离套,来减小涡流损耗以提高转矩,向大型化耐高温方向发展。

  大量实践证明,磁力驱动器的不成功或不可靠主要原因来自轴承,在真空环境中的轴承要求无润滑,否则将会对真空环境增加污染物,降低真空清洁度。因此对真空环境的支承研究尤为重要。真空环境下工作,常常对工况不能直接观察,需要借助监控仪器,并能自动控制操作。集电机监控、轴承磨损监控、过强振动监控、隔离套温度监控、工况监控、冷却循环系统监控于一体的自动控制技术势在必行。

  随着环境法案、产品责任法规的逐渐完善与普及,也伴随着技术革新,轴承材料和磁场强度等技术改进,在高洁净度、超高真空等工况的真空领域里,磁力传动为解决动密封问题,其应用具有很大的发展空间。为此,需要做的工作是:

  (1) 提高解析法计算的精度,运用优化算法,对永磁机械进行优化设计研究;

  (2) 运用有限元分析软件对永磁机械进行三维磁场更精确的数值计算;

  (3) 磁性联轴器方型磁体、瓦型磁体,径向、切向、轴向充磁对传动性能影响研究;

  (4) 不同材料隔离套、不同介质对磁场的影响;

  (5) 运用有限元分析软件,结合机械动力学仿真软件,如ADAMS,进行虚拟样机模拟研究;

  (6) 探索新型磁路的聚磁效应来增加磁力传动机构气隙处的磁场强度;

  (7) 研究包封、基体层材料、轭铁的影响; 磁阻、漏磁、涡流、温度和有关动态问题的效应;

  (8) 自动一体化实验测试平台的研制;

  (9) 真空设备以PMD 替代机械密封的应用与推广。

5、结束语

  大气环境与真空环境之间的动力传递与密封隔离一直是密封界的追求。传统的传动和密封方式很难保证密封室的高真空度与洁净度。随着现代磁学的研究,发明了PMD 技术。磁力传动是应用永磁材料所产生的磁场,来实现力或转矩( 功率) 的无接触传递的一种新技术。磁力泵、磁力釜、磁力阀等已成功地解决流体的绝对密封。毫不例外,该技术应用于真空机械设备的动密封,将转动轴的动密封转化为静密封,实现外界环境的气体、尘埃粒子向真空环境的零泄漏—高洁净度; 真空环境的负压获得—高真空度。为此,要着重解决磁传动的耐高温、效率与成本问题。

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