17.6.4 磁粉制动器结构和张力控制
磁粉制动器是通过改变线圈电流大小，控制内定子和转子之间的磁粉链拉力大小，来控制内定子和转子之间的制动力，达到调整纸卷制动力的目的。
图17-28 磁粉制动器结构
1—轴 2—转子支承盘 3—磁粉 4—端盖 5—转子 6—接线盒 7—外定子 8—线圈 9—后盖 10—风扇 11—内定子 12—进水管 13—出水管
1.磁粉制动器的结构
磁粉制动器的结构如图17-28所示，主要有外定子7、线圈8、内定子11、转子5、磁粉3和冷却系统组成。磁粉填充在内定子11和转子5之间。为了减少制动器工作时的温升，在内定子11中加入水冷系统。通过循环冷却水，使磁粉制动器温度降低。此外，还设有风扇10，边工作边进行风冷。水冷和风冷使磁粉制动器保持适当的温度，这对于保证磁粉制动器正常工作，延长磁粉的寿命十分重要。
2.磁粉制动器的工作原理
由图17-28磁粉制动器的结构可以看出，转子5和内定子11之间填充着磁粉3。当电流通过线圈8时，便在内外定子11、7之间形成磁场，磁粉3、转子5被磁化。磁粉磁化后，相互吸引而形成链条状排列，并产生拉力。纸卷通过轴1与转子5相连，纸卷展开带动磁粉制动器转子5转动。转子5转动必须克服已经磁化的磁粉链拉力形成的切向力。转子半径和这个切向力的乘积，便是阻碍纸卷展开的制动力矩。
线圈8的电流越大，磁通密度越大，磁粉链的连接拉力越大，因此制动力矩也就越大；反之亦然。因此要控制磁粉制动器制动力矩的大小，只要改变磁粉制动器线圈电流大小就行了。
3.磁粉制动器的类型
磁粉制动器分为磁饱和型和非磁饱和型两种类型。两者的主要区别在转子上。磁饱和型磁粉制动器的转子5全部采用纯铁或10钢，线圈通电以后，转子中首先要达到磁饱和，然后才通过磁粉和内定子。这样要达到一定的制动力矩，线圈就需要有较大的电流。非磁饱和型磁粉制动器，在转子5中间加了一个不锈钢的钢环（见图17-28中转子5的涂黑部分），把转子分隔开。因为不锈钢不导磁，所以磁力线只好通过转子的一侧和磁粉及内定子，而从另一侧返回。这样就可以用较小的电流达到同样大的力矩。国内常用的磁粉制动器大部分为非磁饱和型磁粉制动器。
4.磁粉制动器的工作特性
（1）磁粉制动器的力矩特性 磁粉制动器装好磁粉以后需要至少跑合10h，才能进入稳定工作状态。磁粉制动器进入稳定工作状态后，可以测定其力矩M和电流I之间的关系。经过测定，磁粉制动器的力矩特性如图17-29a所示。M0为没有通电时，因摩擦力产生的力矩。把M-I力矩关系图划分为三个区域。Ⅰ区为小电流磁化状态的非线性区，这一区域因为电流很小（I<0.5A），产生的制动力矩也很小，和摩擦力产生的力矩Mc合成的M-I曲线为非线性。Ⅱ区为线性区，这时电流逐步加大，所产生的力矩M相应增大，M-I曲线接近于直线，称为线性区，即M和I成比例关系。实际应用中仅仅采用磁粉制动器的M-I曲线中的这一个线性区为工作区域。Ⅲ区为饱和磁化状态的非线性区，这一区域电流相当大，磁通趋于饱和，磁通量变化和电流I的变化不成正比，因此M-I曲线也就不是线性关系了。
不同成分、不同牌号的磁粉，对磁粉制动器的制动力矩有一定的影响。图17-29b是在
图17-29 磁粉制动器的力矩特性
a）力矩特性和磁滞回路 b）不同牌号磁粉的力矩特性
1、2、3—三种不同牌号的磁粉
某专门试验台上，对三种不同成分、不同牌号的磁粉，测出磁粉制动器的M-I力矩特性曲线。
（2）磁粉制动器力矩特性的磁滞回线 由图17-29a可以看出，磁粉制动器也和其他磁性元件一样，具有磁滞回线。当电流达到额定电流时，制动力矩M也就达到Mmax。当电流减小时，由于磁性体（如导磁体和磁粉）的磁滞，造成磁粉及填料重新分布的机械滞后，制动力矩并不能马上减小，从而形成滞后力矩ΔM。ΔM的存在，对于张力控制是不利的。为了减少磁滞回线的宽度，可以对导磁体和磁粉进行氢气处理，或真空氩气处理。目前常用的磁粉制动器的ΔM，一般控制在额定力矩的5%，这个精度越高（即ΔM越小），张力控制就越精确。
（3）磁粉制动器的机械特性 当线圈内的电流一定时，磁粉制动器的制动力矩M和转子的转速n的关系M=f（n）就是磁粉制动器的机械特性。经过测定，其机械特性如图17-30所示。
在磁粉制动器结构和磁粉确定后，电流I一定，磁通量一定，磁粉的连接力也一样，内定子和转子的静摩擦力也是不变的，因此制动力矩M和转速n几乎无关。图17-30所示的测定结果证明了这一点。
磁粉制动器的这一特性，为在不同转速下将张力控制在一定的范围内提供了方便。首先，可以只用张力差值信号，直接通过线圈的电流去调节张力，而不需要再另加一个转速测量通道去补偿控制张力。其次，由于是电流单一量的控制，所以在单一通道闭口回路中，可以比较简单地附加微分积分校正环节，提高张力控制的精度和动态品质。
实际上，磁粉制动器的机械特性与其结构和磁粉的质量有关。结构、磁粉不同，不同速度时磁粉的摩擦发热所产生的热粘滞和涡流运动等，会造成一个附加力矩。这种附加力矩经常随速度不同而变化。较好的磁粉和结构良好的磁粉制动器，这种附加力矩小，因而“转速阻尼”也就小。
图17-30 磁粉制动器的机械特性
（4）磁粉制动器的快速性 所谓快速性，是指改变电流后，实现制动力矩变化的过程时间较短。时间越短快速性越好。磁粉制动器的快速性与控制线圈电感、控制线圈回路电阻、磁粉发热、线圈通电发热有关。
5.张力控制系统
国内常用的磁粉制动器组成的给纸张力控制系统如图17-31所示。根据产品使用说明书的规定或经验，给定磁粉制动器的初始给定信号U1，便形成初始的张力控制制动力。
随着纸卷的展开，纸卷直径逐渐变小，张力不断增加。张力增加超过规定允差值时，张力迫使张力传感辊向上移动，传感器即发出负反馈电压信号U2；反馈信号U2与给定信号U1在信号综合放大器内叠加，形成新的、较小的控制磁粉制动器的电压U；再通过电压放大器、功率放大器，使控制磁粉制动器的励磁电流减小，从而减小磁粉制动器的制动力矩，使纸带张力恢复到正常值。
只有张力加大到一定程度，传感辊才能克服弹簧拉力向上移动，传感器才能发出反馈信号，张力才能得以调整。因此，这个张力控制系统是有差调节系统。传感辊弹簧力的大小，决定了张力的控制精度。
图17-31 磁粉制动器组成的给纸张力控制系统