干货分享|一文了解磁力传动真空动密封的典型应用

磁力传动密封装置在各种真空设备上的应用已经十分广泛。它不但可以将动密封转化为静密封，而且还可以作为机械手，通过手动或机动等方式实现向真空容器中传递各种不同运动，其安装的结构形式多为卧式。传递的力或转矩以及直线运动的位移，可根据各种要求进行磁路的结构设计。
目前在各种不同用途的真空设备中，传递的力矩最大已达到1300N·m，转矩为110N·m，直线或螺旋线运动的最大位移量为1.8m。现在就几种真空设备上采用的磁力传动密封装置介绍如下。
1.在真空获得设备及容积式真空泵上的应用
国内生产的旋片式、滑阀式、余摆线式等容积式真空泵，其转轴多采用O形橡胶圈进行密封，泵在工作中由于机械摩擦和振动等原因，不但易于漏气和污染真空环境，而且使用寿命短，需经常更换橡胶密封件。
采用磁力传动密封装置后的容积式真空泵，不但在结构上取代了传递精度低、振动大、轴与轴承受力不均的皮带轮传递，而且在减小泵体积的同时，也实现了电机与泵的直连。
图10旋片式机械真空泵两种不同密封结构比较
图10、图11分别给出了旋片式机械真空泵、滑阀式机械真空泵两种不同密封结构比较。
1.轴承组件；2.内磁转子；3.外磁转子；4.隔离密封套；5.支撑架；6.皮带轮；7.端面密封圈；8.气体通道
图11滑阀式机械真空泵两种不同密封结构比较
1.轴承组件；2.内磁转子；3.外磁转子；4.隔离密封套；5.支撑架；6.皮带轮；7.橡胶密封组件
2.在超高真空设备上的应用
（1）超高真空设备用磁力驱动器的特点
在磁力传动技术中，各种磁力传动器的基本工作原理是相同的。但由于应用领域的不同，用于不同场合的磁力传动器又各有其自身的特点。所以对特定环境下使用的磁力传动器进行专门的研究是必要的。
与普通的磁力传动器相比较，用于超高真空设备上的磁力传动器的最大差别，就是内磁转子上的磁体不使用永磁性材料，而是用软铁材料所取代。
这是因为：超高真空设备为了获得超高真空，在抽气过程中，必须对设备的真空室进行烘烤去气，如果内磁转子采用永磁性材料，会因烧烤温度超过永磁体的居里温度而使永磁体退磁失效。因此不得不采用不怕烧烤的软磁材料。而外磁转子在烘烤去气时，又可从设备上拆下或采取一些保护措施，因此不会受到影响。内磁体通常可采用软磁性材料来代替。这种材料的更替导致了工作原理有所不同，致使其工作特性曲线发生变化，为此对超高真空设备上所使用的磁力传动器进行专门的研究是必要的。
（2）超高真空设备用磁力传动器的原理及结构
超高真空设备用磁力传动器的基本原理，是基于软磁材料在靠近永磁体的磁场时会被感应磁化，并受到吸引力作用的这一现象而实现的。
它的具体结构通常是在要求运动传递的部位，设置一个筒形静密封隔离套，将真空内外隔离，当按照适宜磁路结构合理排列的永磁体，在筒外作旋转或直线往复运动时，筒内对应位置的软磁材料受其吸引力作用也随之运动，并带动与之相关联的部件，从而实现向真空室内传递运动的作用。
筒内的软磁材料通常采用磁导率和饱和磁感应强度均较大的纯铁，外磁筒中的永磁体，一般选用矫顽力高的永磁材料。如钕铁硼材料。
为了充分地利用磁能提高传递转矩、减小元件体积和降低成本，永磁体的形状和排列方式都应进行精心的设计，并用导磁材料组成闭合回路。超高真空设备中常采用的磁力传动装置有旋转运动式、往复直线运动式等磁力传动器，其结构如图12、图13所示。
图中虚线表示磁通环路。由于超高真空用磁力传动器手动式较多，因此图12、图13中没有给出内磁套及支撑元件，而是将其直接放入到隔离套内。当要求推进器同时传递旋转运动时，只需将磁力转轴的结构简单地串联在一起即可。
图12超高真空设备常用旋转运动式磁力传动器的结构示意
图13超高真空设备常用往复直线运动式磁力传动器的结构示意图14物理模型示意图
（3）超高真空设备用磁力传动器结构参数的优化
为了使超高真空设备用磁力传动器，达到结构性能参数的要求，对传动器进行结构参数的优化是十分必要的。
①物理模型
由于磁力传动器的径向气隙尺寸远小于轴向尺寸，故将磁场分布简化成二维平面磁场问题。基于磁路结构的对称性、周期性，同时为了更准确地反映出磁力传动器内部磁场相互作用的实际情况，可以半个圆周为研究对象。建立起图14所示的物理模型，具体结构参数见表3。
②数学模型
采用矢量磁位A作为求解对象，利用有限元法求解场的拉普拉斯方程的边值问题，就是把该边值问题等价为一个相应的条件变分问题，通过引入近似函数，把条件变分问题离散为方程组，最后求解方程组，求得磁场的分布后，再用麦克斯韦应力法求得最大转矩。
表3物理模型结构参数
③结构参数优化
利用有限元法对磁力传动器的极间角α，齿长L，永磁体厚度hm，极数m等参数进行一系列计算，从中算出了最佳参数。计算中选取外转子轭铁外径为100mm的传动器作为结构基本模型，外转子的轭铁及内转子的材质为纯铁，外转子的永磁材料为NeFeB37MGO。
a.极间角α的优化如表4所示，对于m=6的传动器，永磁块的弧度角β=60°，当内磁转子轭铁的极间角α=48°时，转矩最大；对于m=12的传动器，永磁块的弧度角β=30°，当内磁转子轭铁的极间角α=24°时，转矩最大；对于m=16的传动器，永磁块的弧度角β=22.5°时，当内磁转子的轭铁的极间角α=18°时，转矩最大。由此可见，传动器的最优极间角与永磁块的弧度角有关。表４的三组数据表明，α=0.8β时为最优极间角。
表4极间角α与转矩T的关系
b.齿长L的优化齿的长短对转矩的大小有影响，而齿长对转矩的影响与永磁体的厚度有直接关系，从表５可以看出：齿长的最优值为略大于永磁体的厚度。
c.外磁转子轭铁厚度hi的优化沿径向磁化的磁体组成的磁力传动器，外轭铁的使用能明显地提高磁力传动器的性能，轭铁的厚度对转矩的传递也有影响。如果轭铁的厚度太薄，在轭铁处将出现如图15所示的磁饱和使磁阻增加，气隙磁密减小，传递的转矩降低，磁力传动器的性能下降；如轭铁的厚度太厚，对传动转矩的增加并无太大贡献，但却使旋转部件的转动惯量增大，从而增加了传动器的启动转矩，降低了磁性材料的利用率，使运动部件的不稳定性增加。
两组反映轭铁厚度hi与传递转矩T的关系的计算数据见表6。由表6可知：轭铁的厚度取永磁体厚度的1~2倍为好。而Δr（Δr=r1-r2）值对转矩的影响不大。
表5齿长L与转矩T的关系
表6轭铁厚度hi与传递转矩T的关系
d.永磁体厚度hm的优化在保证轭铁不饱和的情况下，进行了多组不同永磁体厚度的转矩计算数据见表7。在一定范围内（3mm~7mm），随永磁体厚度的增加，转矩增加得较快，超过此范围，转矩增加得较慢。这是因为磁体随厚度的增加，磁势增加，而磁阻、漏磁也随着增加，当厚度增加到一定值后，所增加的磁势几乎全部消耗在增加的磁阻、漏磁上，而对外磁路的贡献很小，所以出现了永磁体厚度增加很多，而转矩增加很小的情况。基于上面的分析，为了提高永磁体的利用率，永磁体的厚度不宜太厚。
表7永磁体厚度hm与转矩T的关系
e.永磁极数m的优化不同极数下的转矩值见表8，从表8中可以看出极数太少或太多对转矩的传递不利，由静磁能的表达式：
EH=-HJcos（m/2）φ
式中EH——静磁能；H——磁场强度；J—磁体的磁耦极矩；m—磁极数；φ—内、外磁转子的角度差。
表8永磁体的极数m与转矩T的关系
可以看出极数多有利于静磁能的储存，静磁能最终被转化为动能而被释放，所以说极数多，有利于转矩的传递，但极数太多，从图16中可以看出磁块之间漏磁太多，不利于转矩的传递。所以极数的选取应适中，本计算所用磁力传动器12极为最佳。
图15轭铁处磁饱和磁场分布图16多极数时磁场分布
3.在真空应用设备上的应用实例
①在各种真空镀膜设备上用来传递镀膜工件及保证膜厚均匀，而要求旋转的工件架、轴的动力输入等许多方面都采用磁力传动密封装置，不但消除了O形密封圈易泄漏、磨损和污染真空等弊病，而且也提高了镀膜层的质量和生产效率。
②我国的重离子加速器上采用了磁力传动装置，在真空室中传送试验靶，安全可靠，保证了试验效果，提高了试验质量和效率。
③在一些高真空及超高真空的设备上广泛采用了磁力传动技术。比如航天技术地面模拟试验的各种真空容器与装置上所采用的磁力传动装置，操作简单可靠，而且也保证了高真空或超高真空状态下的各种环境试验。
④在一些真空工艺设备上采用了磁力传动装置。作为机械手在真空室中传递工件、旋转工件等。如真空熔炼炉中用磁力驱动装置取代了送料机构的取料机构；真空热处理炉中用磁力传动装置取代了送样机构和取样机构；真空焊接炉中用磁力传动装置准确地传送构件和取送焊接件等。
⑤一些专用的真空试验设备中也均采用了磁力传动技术。比如航空、航天技术设备中用精密轴承、微型轴承在高真空状态下的寿命试验；一些重要仪器、仪表在高真空状态下的测试实验等。这类专用真空设备要求连续运动的时间长，保证高真空状态下工作。因此传送机构及机械手均采用了磁力传动装置，运动安全可靠，满足了技术要求。
⑥磁力传动装置在一些特殊真空设备上的应用。我国第一台分子束外延设备上采用了旋转与直线运动的复合运动式磁力传动装置，作为机械手在真空室中传送样品，操作简便、结构合理、紧凑、运动安全可靠。设备采用真空无油机组，极限真空度达到6×10-7Pa，工作真空度达到5×10-6Pa，样品可进行150℃烘烤。
我国生产的独立束源，快速换片型分子束外延设备上采用了旋转与直线运动的复合运动磁力驱动装置。磁力传动装置与全金属直通阀，组成一套超高真空室，同样从高真空室中取出样品或工件，并且在运作的过程中完成装卡工件的动作。整个过程中运行安全可靠，提高工作效率近10倍。工作室的真空度为10-6Pa~10-7Pa。真空室内样品的烘烤温度为150℃。
这里仅举几个应用实例，实际上无泄漏磁力传动真空动密封的应用前景还会更加广阔。
本文首发于《真空》杂志2014年第1期
原文标题：无泄漏的磁力传动真空动密封
文章作者》王德喜１，谢元华2，赵克中3，徐成海2
作者单位：1.沈阳工业大学化工装备学院；2.东北大学机械工程与自动化学院；3.甘肃省科学院磁性器件研究所