電磁離合器的發展

林建軍　林子程　楊景文　袁永鋒　林永漢　李書其　葉偉軍

摘 要：電磁離合器在航空航天、汽車、家用設備等行業有著廣泛應用，本文總結了近年來電磁離合器產業的發展，概括了電磁離合器的分類、理論研究和應用方面的最新進展。

關鍵詞：電磁離合器 分類 理論研究 應用

1 引言

離合器是汽車零部件的重要組成部分，在1820年到1830年才出現了多片盤式、干式單片離合器，并且從這時起，除了汽車行業，其他制造行業也紛紛引入離合器。約在1920年，離合器出現了一種新的形式：干式單片型電磁離合器。并在此基礎上研發出了干式多片型、濕式多片型結構。在自動雕刻機上首先出現了這種技術。再加上磁力傳動技術的興起，電磁離合器也就隨之而來，電磁離合器能夠滿足遠程操控及自動化的要求，且它的響應速度很快，操作簡便，調節靈敏度很高，生產效率得到了有效的提升，人們看到了電磁離合器的重大潛力，電磁離合器也被投入到各個行業之中。

世界第一臺離合器誕生于1889年，現今已經有了百余年發展歷史，也已經積累了無數人的知識經驗。隨著社會經濟的不斷發展，尤其是當下信息時代的快速發展，對于電磁離合器的發展有著極大的幫助。在亞洲區域，日本生產電磁離合器的數量要遠高于其他國家，從1966年到1992年，日本電磁離合器的年產量從十萬臺左右提升至500萬臺，實現了巨大飛躍。在我國，臺灣某公司于1970年后開始生產電磁離合器，目前每年生產量年也超30萬臺。然而內地的電磁離合器技術和相關的機械工藝發展較晚，在1980年之后才開始有相關技術產品的研究，但隨著我國近年來的飛速發展，電磁離合器行業的研發也逐步提升，無論在航空、航天、軍工國防、民用機械等行業都可以見到電磁離合器的身影?？梢钥闯鑫覈姶烹x合器也受到了極大的關注，發展也越來越迅速，在工業飛速發展的當下，研究電磁離合器技術無疑是提升國內工業制造地位的得力助手。

2 電磁離合器的分類

離合器的工作原理是利用機械結構，如齒輪、摩擦片、凸輪等來傳遞轉矩，從而使主動部分與從動部分相互分離，相互接合。而電磁離合器的工作原理是利用磁力傳動來傳遞轉矩，以達到主動部分與從動部分分離、接合的目的，并且在傳動過程中主動部分與從動部分仍可以繼續轉動。

電磁離合器有很多種類，主要有以下四種：

（1）摩擦片式電磁離合器以摩擦片的使用環境可分為濕式和干式，濕式摩擦片需要潤滑油的降溫和潤滑，干式摩擦片直接與空氣接觸;按摩擦片在磁路位置有磁路內、外兩種;按線圈位置有內、外和側置線圈三種。摩擦式電磁離合器的工作原理是通過電磁（彈簧）施加壓力，經過彈簧（電磁）釋放壓力，然后利用摩擦片之間的摩擦力來傳遞轉矩。因為其結構耐打擊性好，價格實惠等優點，摩擦片式電磁離合器型式是目前最常用的一種電磁離合器。同時它也存在著空轉力矩、摩擦發熱、需定期維護和更換易損零件等缺點。常用于車間機床、搬運拆卸機械以及汽車工業。

（2）牙嵌式電磁離合器分為有滑環和無滑環兩種形式。牙嵌式電磁離合器的工作原理是利用磁場線圈內通入電流產生的電磁力使兩個牙嵌半離合器結合。較大的力矩、尺寸小、沒有空轉力矩、摩擦發熱等問題。缺點是兩個牙嵌半離合器有不能用于有轉速差，只適用于相對靜止的連接。適用于特殊機床。

（3）磁粉式電磁離合器分為單隙式和復隙式兩種形式。磁粉離合器在主動部分與被動部分之間加入磁性小粉末，電磁通電時，粉末受到磁力影響磁化，在內部規則排列。磁粉式電磁離合器的工作原理是利用通電磁粉之間的附著力以及磁粉在運動時與工作面間產生摩擦力來傳遞轉矩的。其優點是有過載保護且工作面結合平穩。缺點是性價比低售價高，需要定期更換易磨損零件磁粉。常用于大型機械，起吊設備等。

（4）轉差式電磁離合器分為雙電樞和單電樞兩種形式，其中單電樞又有爪式和感應式的區分。轉差式電磁離合器也經常被人稱為渦流離合器，其工作原理是利用內部磁場產生渦流，并通過電樞切割磁場，產生電磁力矩使從動部分回轉。其優點是速度調節可控、能夠傳遞大轉矩、工作壽命長、且無更換磨損部件。缺點是因部件多整體尺寸大、動作響應時間長、價格比較昂貴。常用于冶金機械、紡織機械等。

3 電磁離合器的理論研究

3.1 磁場建模與動態響應分析

電磁離合器可以通過電磁場理論分析其內部電磁力，理論基礎是麥克斯韋（Maxwell）方程組。目前，常用的電磁場分析方法有兩種，一種是磁路分割法，另一種是電磁有限元法。

磁路分割法：首先分析電磁鐵的各項參數指標能夠得出等效磁路圖，再按照電磁吸力公式以及上述參數可以計算出電磁吸力。但是這種方法忽略了漏磁現象的發生，若材料為非線性，則此測試方法并不適用。且當出現復雜結構或材料不同的磁場計算往往會出現較大的計算誤差。

電磁有限元法：基于Maxwell方程組，利用數值計算方法求解，計算的結果能夠直接反映出電磁場的分布情況。這種方法適用范圍更廣且計算更精準。在建模時更多采用有限元法，解得磁勢和電磁的場分布值，再通過相關的電磁力公式可以計算出電磁場中其他相應參數。

設計一個電磁離合器需要解決諸多問題，其中最關鍵的是得到該電磁離合器電磁場產生的電磁力大小。我們一般使用ANSYS分析軟件模擬電磁場，通過改變電磁場的結構及相關參數，可以得到電磁力的變化過程。ANSYS軟件是一款基于計算機平臺的主流有限元分析軟件。除了電磁場以外，它還是融結構、流體、聲場的有限元分析軟件。其中emag和multiphysics模塊可以用來輔助分析電磁場。

3.2 轉矩分析

轉矩是電磁離合器的一個重要性能參數。值得注意的是，要避免在電磁離合器的啟動過程中啟動力矩過小即小于慣性力矩與負載力矩之和。還要關注負載力矩（M負）和電磁離合器的最大靜力矩（M靜）的數值大小，若負載力矩（M負）大于電磁離合器的最大靜力矩（M靜），電磁離合器的內齒罩和內齒端蓋會失去同步，從而發生跳齒現象。在使用電磁離合器之前可以先進行模擬數值分析，通常用到Maxwell分析軟件。首先計算的數據是電磁離合器的總磁阻，然后通過磁場能量公式等原理計算出電磁離合器的電磁轉矩。研究發現內外齒轉差角能夠影響電磁離合器的電磁性能以及轉矩特性，當轉差角增大時，分析得到電磁轉矩基本呈正弦規律變化。

4 電磁離合器的應用

4.1 汽車空調

汽車空調壓縮機的主要控制部件是電磁離合器。其工作原理是電磁離合器通電在內部產生電磁力，電磁力能夠催動驅動部件與壓縮機的皮帶相結合，使驅動部件吸附到壓縮機的皮帶端面。汽車發動機驅使皮帶輪轉動，從而在驅動部件轉動，并且驅動部件與皮帶端面之間產生了巨大的摩擦力，帶動了壓縮機的工作。汽車空調電磁離合器屬輔助配套產品，由于制造工藝復雜、專業化強，主機廠一般不進行開發生產，國內市場主要有兩種，一種是整車配套，另一種是維修配件。2019年中國汽車累計銷量2577萬輛，全球新車總銷售量約為9030萬輛，加之汽配市場的需求，國內外汽車空調用電磁離合器市場合計近百億規模，市場前景十分廣闊。

4.2 閥門

閥門的電磁離合器由主動側和從動側組成，端面設有傳遞扭矩的傳動齒。主動側和從動側的連接方式不同，主動側與傳動軸用花鍵聯接，從動側與過渡盤用螺釘固定，過渡盤的另一側與傳動裝置連接。其工作原理是主動側離合器類似牙嵌式電磁離合器，內部線圈通電時產生電磁力，電磁力使主動側與從動側吸合并傳遞轉矩。從動側離合器類似摩擦片式電磁離合器，通電時內部彈簧壓縮蓄能，斷電時壓縮彈簧復位，兩個離合器分離以斷開傳遞的扭矩。根據不同場地的不同情況，可以智能控制離合器通電、斷電，以及設備的輸出轉矩，從而可以控制現場閥門的閉合。

4.3 機器人

針對搜救環境下復雜多變的地形環境，目前開發了一種機動性高、越障能力強的輪腿可變搜救機器人。其中，以電磁離合器為主體的位形變換機構，通過電磁離合器的通、斷電，使得搜救機器人的車輪可以在輪式模式與弧腿模式相互自由切換，更好地適應不同的搜救環境，從而完成高速有效的搜救工作。

5 總結

本文簡述了電磁離合器的發展歷程，世界上第一臺電磁離合器誕生于1889年，在當下迅速發展的時代中，電磁離合器在亞洲內的發展近況。并且詳細說明了電磁離合器的分類，四種常見的電磁離合器的工作原理，以及它們的優缺點和常見的工作場景。并簡單概括了電磁場建模和動態響應分析以及矩陣特性研究的最新進展，通常使用有限元分析法分析計算電磁力。概括了電磁離合器在汽車空調、閥門、機器人等領域的不同應用?？梢钥闯鲭姶烹x合器作為一個重要的傳動和控制零件，市場前景廣闊。

參考文獻：

[1]張靜，郁春琳，師曉東，李佳陳，秦金健，姜淋.電磁離合器在閥門行業的應用及嚙合齒的強度計算[J].機械工程師，2021（03）：121-122+125.

[2]趙欣然，蘇衛華，張世月.輪腿可變搜救機器人輪腿綜合與仿真分析[J].醫療衛生裝備，2020，41（06）：15-20.