商标纸门磁力联轴器的设计

Design of Trademark Paper Door Magnetic Coupling

摘要: 针对商标纸门传动联轴器机械磨损展开研究，采用磁性联轴器替换机械联轴器，利用的是磁性物质同性相斥、异性相吸的原理，通过磁耦合构成一个非接触、无摩擦的传递扭矩机构，有效地解决了由于机械联轴器的磨损导致传动不稳定，出现商标阻塞的问题。本研究主要确定替换商标纸门处的机械式联轴器的磁力联轴器的耦合类型，并通过运用Ansoft工程电磁场有限元分析软件确定了磁力联轴器的磁极对数，输出了端面耦合式磁力联轴器的转矩特性曲线。

Abstract: The mechanical wear of paper door coupling was studied, using Magnetic coupling to replace the mechanical coupling. Based on the principle that magnetic substances repel each other and attract each other, a non-contact and frictionless torque transmission mechanism is formed through magnetic coupling, which effectively solves the problem of transmission instability and trademark blockage caused by the wear of mechanical coupling. This study mainly determines the coupling type of magnetic coupling to replace the mechanical coupling at the trademark paper door, and determines the magnetic pole logarithm of the magnetic coupling by using Ansoft engineering electromagnetic finite element analysis software, and outputs the torque characteristic curve of the end face coupling magnetic coupling.

1. 引言

GDX500包装机稳定运行速度达到500包每分钟，其中商标纸的输送、折叠成型等工艺是烟包小包成型的一个必不可少的环节。商标纸在输送过程中需要经过上胶系统，携带胶点经过商标纸门。在商标纸门的传送环节，纸门经过的商标纸会有少许的胶水残留在商标纸门中，设备长期运行后胶水积累到一定程度会造成商标纸阻塞。在商标纸门中的动力传送是由一组联轴器连接传递进来的，联轴器的选择对于设备的稳定运行十分重要，采用传统的机械联轴器会在商标纸门发生阻塞是由于阻力过大导致联轴器损坏。采用具有过载保护的磁力联轴器比较适合，因此设计了一种较为实用的磁力联轴器。

2. 确定磁力联轴器的耦合类型

磁力耦合器发展至今，具有不同的分类形式，包括耦合方式、运动形式、布局方式等。但是从结构角度来看，永磁磁力耦合器主要可以分成三类：同心轴式、平行轴式以及端面式 [1] ，如表1所示。

Table 1. Static and dynamic schematic diagrams of three kinds of permanent magnet coupling

表1. 三种永磁磁力联轴器的静、动态示意图

表2给出了三种耦合形式的磁力联轴器的优缺点的比较，根据上面对比分析结果，通过对三种耦合形式的磁力联轴器的结构及工作特征的比较，在商标纸门处选用端面耦合式永磁磁力联轴器。

Table 2. Comparison of three types of magnetic couplers

表2. 三种形式的磁力耦合器比较

3. 端面式磁力耦合器结构及其工作原理

盘式磁力耦合器中，把与电机相连的盘称为主动盘，与负载相连的盘称为被动盘。永磁–永磁式磁力联轴器的工作原理如图1所示。主动盘与被动盘皆为永磁盘。此类耦合器利用的是磁性物质同性相斥，异性相吸的原理，通过磁耦合把磁能转变为机械能 [2]。

Figure 1. Principle of permanent magnet transmission in rotating motion

图1. 旋转运动中永磁体传动基本原理

4. 端面耦合式永磁磁力联轴器极对数的确定

对于选用的端面耦合式永磁磁力联轴器具有两种结构形式，即永磁–永磁式磁力联轴器和永磁–铜盘式磁力联轴器。

对磁力联轴器传递扭矩的仿真，采用Ansoft工程电磁场有限元分析软件分别建立永磁体横截面为圆形，磁极对数为2、4、6、8四种情况下的三维瞬态磁场的有限元模型，模拟实际运行情况，分别对四种磁极对数的磁力联轴器模型进行仿真分析。

4.1. 模型的建立及网格划分

在SolidWorks中对四种磁极对数的磁力联轴器进行建模，分别为磁力联轴器的不同部件设置不同的内部最大单元边长，为了保证计算结果的精确性，对磁极设置较精细的网格剖分，如图2所示。磁极及永磁盘结构参数如表3所示。

Table 3. Magnetic pole and permanent magnet disk structure parameters

表3. 磁极及永磁盘结构参数

将模型输出为.stp文件，导入到Ansoft软件中。导入模型如图2所示。

Figure 2. Models and meshing of magnetic couplings with different pole pairs

图2. 不同极对数磁性联轴器模型及网格划分

4.2. 材料选择和激励给定

根据前文对磁力联轴器磁极材料的比较选择磁力材料为汝铁硼(NdFeB)，连接盘的材料为40Cr，两零件的材料属性见表4、表5。40Cr的B-H曲线如图3所示。

Table 4. Material properties of Ferro-boron (NdFeB)

表4. 汝铁硼(NdFeB)材料属性

Table 5. B-H values of 40Cr

表5. 40Cr的B-H数值表

Figure 3. B-H curve of 40Cr

图3. 40Cr的B-H曲线

4.3. 求解及结果后处理

在对不同角度的转矩进行求解时，设置转速为1度/秒，然后设定时间求解不同转差角的转矩 [3]。为了简化计算将不影响计算结果的模型特征压缩，求解后分别得到四种磁极对数的磁场分布及转矩特性曲线 [4]。

1) 四种磁极对数的磁性联轴器的磁场分布(图4)

Figure 4. Magnetic field distribution of magnetic coupling with different polar logarithms

图4. 不同极对数磁性联轴器磁场分布

2) 四种磁极对数的磁性联轴器的扭矩特性曲线(图5~8)

Figure 5. Torque characteristic curve of magnetic coupling (polar logarithm: 2)

图5. 磁性联轴器扭矩特性曲线(极对数：2)

Figure 6. Torque characteristic curve of magnetic coupling (polar logarithm: 4)

图6. 磁性联轴器扭矩特性曲线(极对数：4)

Figure 7. Torque characteristic curve of magnetic coupling (polar logarithm: 6)

图7. 磁性联轴器扭矩特性曲线(极对数：6)

Figure 8. Torque characteristic curve of magnetic coupling (polar logarithm: 8)

图8. 磁性联轴器扭矩特性曲线(极对数：8)

如表6，通过对不同磁极对数的端面耦合磁性联轴器传递转矩的仿真确定磁极对数N = 4为最佳方案，此时磁性联轴器能传递的最大转矩为0.805 N∙m。

Table 6. Maximum output torque of the end-face coupling magnetic coupling with different magnetic pole pairs

表6. 不同磁极对数的端面耦合磁性联轴器最大输出转矩

通过使用扭矩扳手，测得送纸辊能正常输送商标纸的力矩为0.20 N∙m。当商标纸阻塞，机械式联轴器脱开时的扭矩为0.85 N∙m。故磁力联轴器能传递范围T是：0.20 N∙m < T < 0.85 N∙m，而且为了保证联轴器不发生频繁的脱离，以靠近0.85 N∙m为宜。

因此最终确定的磁力联轴器的扭矩输出特性与商标纸门处联轴器传递扭矩的范围0.20 N∙m < T_max < 0.85 N∙m相符，满足使用要求。

根据上面的分析，最终选择磁极截面形状为圆形，极对数N = 4，端面耦合磁性联轴器，如图9所示。

Figure 9. Installation diagram of improved trademark paper door

图9. 改进后商标纸门安装示意图

5. 结论

完成磁力联轴器的安装后，通过扭力扳手测量磁力联轴器能够传递的最大扭矩，扭力扳手使得磁力联轴器推开时的扭矩为0.812 N∙m，与设计时的仿真结果相近，安装完成后的磁力联轴器传递的扭矩满足商标纸门正常工作时所需要扭矩大小的要求，能正常平稳输送商标纸。同时在纸门处一旦有商标纸阻塞，磁力联轴器能迅速脱开，实现过载保护的功能。