# 磁耦合無桿氣缸脫離力的力學原理

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/the-mechanics-of-magnetic-coupling-break-away-force-in-rodless-cylinders/
> Language: zh-Hant

## Summary

從磁鐵保持力、軸向需求力、負載偏距、導向阻力、壓力、速度與停止能量，建立磁耦合無桿氣缸的選型與重新耦合檢查。

## Page Content

# 磁耦合無桿氣缸脫離力的力學原理

磁耦合脫離力，是指磁耦合無桿氣缸內部活塞與外部滑台無法繼續同步時的軸向作用力。Parker 將此數值稱為磁性拉脫力，並為五種 P1Z 缸徑列出 157 至 942 N。SMC 使用磁鐵保持力一詞，為九種 CY3B/CY3R 缸徑公布 19.6 至 2,256 N。

這些數值來自製造商的產品資料（[Parker](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Operating_Instructions_P-A7P020GB.pdf)；[SMC](https://ca01.smcworld.com/catalog/New-products-en/mpv/ES20-277-CY3B/data/ES20-277-CY3B.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

這兩個範圍先說明了第一條選型規則：脫離力是產品額定值，不是所有磁耦合氣缸都通用的特性。計算還必須涵蓋負載的軸向阻力、加速度、安裝方向、導向摩擦、負載偏距、運轉壓力、速度與停止能量。即使某個缸徑能產生足夠的氣動推力，磁耦合或導向配置仍可能不適用。

> 重點摘要 磁鐵保持力限制軸向力傳遞；它不是滑台的側向負載或力矩額定值。 先計算需求軸向力，再套用確切製造商的允許驅動力與偏距限制。 分別檢查壓力、速度、停止能量、導向與重新耦合安全性。

![由外部導桿支撐負載滑台的磁耦合無桿氣缸](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/the-mechanics-of-magnetic-coupling-break-away-force-in-rodless-cylinders/wp-magnetically-coupled-rodless-cylinders.jpg)

> Figure: 封閉的非磁性壓力管讓內部活塞透過磁吸力驅動外部滑台。但側向力與力矩如何承受，仍取決於導向配置。

## 磁耦合脫離力實際上在額定什麼？

Parker 同時公布 P1Z 在 6 bar 下的理論作用力與最大磁耦合力。以 32 mm 型號為例，兩者分別是 483 N 與 703 N。因此，型錄將氣動推力與磁性軸向力傳遞視為分開的工程限制（[Parker P1Z 型錄](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Rodless_Pneumatic_Cylinders_PDE2522SLUK.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

活塞面積產生氣動推力。磁性總成限制這個軸向力有多少能穿過封閉管壁。只要耦合仍能傳遞滑台的需求力，活塞與滑台就會保持對齊；如果阻力超過該限制，活塞可能繼續移動，而滑台停止或落後。

這個含義不同於傳統有桿氣缸的起動脫離力。在傳統有桿氣缸中，這個詞通常指克服密封件與軸承靜摩擦卡滯、使動作開始所需的力。對磁耦合無桿氣缸而言，磁性拉脫或分離是另一種失效模式。因此，採購文件應使用製造商的確切術語與單位。

磁鐵保持力 是製造商為內外磁鐵組定義的軸向分離閾值。 允許驅動力 是根據所選型號的作用力與負載偏距資料讀取的應用限制。 導向承載能力 是滑台或外部導軌允許的側向力與力矩。這些數值不能互相替代。

這項額定值也不能證明滑台可以承受側向負載。磁力傳遞的是軸向運動。即使磁鐵保持力相同，基本滑台、整合式滑動軸承、滾珠導軌與採用獨立導向的負載，都可能有不同的允許力與力矩。請參考[無桿氣缸負載機構指南](/zh-hant/blog/how-do-advanced-load-carrying-mechanisms-maximize-rodless-cylinder-performance/)，了解這項獨立的導向檢查。

## 磁力是型錄限制，不是反平方捷徑

SMC 目前的 CY3R 資料列出九種型號專屬的保持力，從 6 mm 缸徑的 19.6 N 到 63 mm 的 2,256 N。其選型流程接著依軸向阻力與負載作用力偏距套用允許驅動力曲線（[SMC CY3B/CY3R 型錄](https://ca01.smcworld.com/catalog/BEST-5-2-en/pdf/2-p1443-1468-cy3b_en.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

簡單的反平方方程式無法重現這種產品行為。磁路包含多個磁鐵、極片、非磁性管壁、徑向間隙，以及兩組磁鐵開始分離時不斷變化的軸向偏距。磁鐵等級與溫度也會影響結果，但其影響屬於所選總成，不能套用成整個技術類別的固定百分比。

> Figure: 磁鐵保持力只是中間那項限制。氣動推力與導向承載能力必須獨立檢查。

污染說明了這項區分為何重要。外露管件上的碎屑可能增加滑動阻力、干擾導向運動或損傷表面。含鐵碎屑還可能被吸向滑台。這些現象都不足以支持把磁力損失估成通用的 10%、20% 或 50%。應量測產生的實際阻力並檢查總成。

## 如何建立軸向力預算？

SMC 的 CY3B/CY3R 型號選擇輸入包含負載質量、連接支架質量、導向摩擦係數、運轉壓力、速度、行程、安裝方向與負載作用距離。其水平、傾斜與垂直工作流程使用不同的阻力計算，因此只知道負載質量並不足夠（[SMC 選型型錄](https://ca01.smcworld.com/catalog/BEST-5-2-en/pdf/2-p1443-1468-cy3b_en.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

進行機台層級的初步檢查時，將需求軸向力定義為：

F d = F p r o c e s s + F g u i d e + m a + m g sin ⁡ θ F_{\mathrm{d}} = F_{\mathrm{process}} + F_{\mathrm{guide}} + m a + m g \sin\theta

其中， F d F_{\mathrm{d}} 為以牛頓表示的需求軸向力， F p r o c e s s F_{\mathrm{process}} 為反向製程力， F g u i d e F_{\mathrm{guide}} 為量得或保守估算的導向阻力， m m 為以公斤表示的移動總質量， a a 為以公尺每平方秒表示的軸向加速度， g g 為重力加速度，而 θ \theta 為相對水平面量測的行進角度。

對於簡單滑動導向，初步摩擦項可寫成：

F g u i d e = μ m g cos ⁡ θ F_{\mathrm{guide}} = \mu m g \cos\theta

係數 μ \mu 必須代表已安裝導向件及其狀態。當預壓、密封件、拖鏈、偏心或製程接觸會明顯改變阻力時，不要借用通用數值。將導向負載與氣缸分開，以測力計或電動拉力測試量測，通常比猜測係數更有用。

初步驗收關係式為：

F d ≤ F a l l o w , m o d e l F_{\mathrm{d}} \leq F_{\mathrm{allow,model}}

右側數值不會自動等於型錄標題所列的保持力。首先，應依所選型號、負載偏距、安裝方式與工作條件，使用製造商的確切允許驅動力曲線或表格。接著分別檢查直接施加在滑台上的質量、力與力矩額定值、運轉壓力、活塞速度與停止能量。

## 計算範例：水平導向負載

假設一個 8.8 kg 的總成以 3.0 m/s² 加速，導向摩擦為 0.08、製程力為 10 N，則初步軸向需求力為 43.3 N。在核准 CY3B 或 CY3R 的缸徑之前，SMC 的方法仍要求檢查負載偏距與型號的允許驅動力曲線（[SMC](https://ca01.smcworld.com/catalog/BEST-5-2-en/pdf/2-p1443-1468-cy3b_en.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

假設：

- 負載與連接硬體：8.8 kg

- 水平行程： θ = 0 ∘ \theta = 0^\circ

- 軸向加速度：3.0 m/s²

- 範例導向摩擦係數：0.08

- 反向製程力：10 N

估算的導向阻力為：

F g u i d e = 0.08 × 8.8 × 9.81 = 6.9   N F_{\mathrm{guide}} = 0.08 \times 8.8 \times 9.81 = 6.9\ \mathrm{N}

需求軸向力為：

F d = 10 + 6.9 + ( 8.8 × 3.0 ) = 43.3   N F_{\mathrm{d}} = 10 + 6.9 + (8.8 \times 3.0) = 43.3\ \mathrm{N}

這個結果是負載側要求，不是已選定的氣缸。下一步是在實際負載偏距下，將 F d F_{\mathrm{d}} 與型號允許驅動力繪圖比較。如果負載直接安裝在基本 CY3R 滑台上，SMC 也會依缸徑限制直接負載質量。如果由外部導向承載負載，連接處必須容許氣缸撓曲而不發生卡滯。

氣動推力又如何？在運動期間，氣缸實際可用的壓力必須使氣動推力超過相同的負載需求。當背壓明顯時，請使用兩個接口的壓力。[氣缸作用力損失指南](/zh-hant/blog/how-to-calculate-cylinder-force-loss-due-to-friction-and-back-pressure/)涵蓋壓力側檢查，而[氣缸作用力計算器](/zh-hant/online-tools/cylinder-force-calculator/)可提供初步理論作用力估算。

型錄保持力與計算軸向需求之間存在很大差距，不會自動形成等量的安全餘量。負載偏距可能降低允許驅動力，直接施加在滑台上的質量可能超限，或擋塊事件可能超過允許的動能。請分別報告各項使用率，不要把不同性質的限制壓縮成一個百分比。

## 動態停止、壓力與速度是分開的限制

SMC 為不同 CY3B 尺寸列出的允許中途停止能量為 0.007 至 5.07 J，並同時列出壓力限制。Parker 表示動態作用力必須低於 P1Z 的磁耦合力。因此，靜態保持力比較不能核准高速軸線或硬停止（[SMC](https://ca01.smcworld.com/catalog/New-products-en/mpv/ES20-277-CY3B/data/ES20-277-CY3B.pdf)；[Parker](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/General-Catalogues/PDE2600PNUK_Parker_Pneumatic_Catalogue.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

減速前的移動動能為：

E k = 1 2 m v 2 E_{\mathrm{k}} = \frac{1}{2} m v^2

其中， E k E_{\mathrm{k}} 為以焦耳表示的動能，而 v v 為以公尺每秒表示的滑台速度。請將該能量與確切的緩衝器、彈性墊、吸震器或中途停止限制比較。如果活塞仍處於加壓狀態時負載撞上外部擋塊，活塞力可能作用於靜止滑台，使磁鐵分離。

壓力不會增強永久磁鐵耦合力，只會改變施加在耦合上的活塞力。因此，即使氣缸的一般最高運轉壓力更高，有些製造商仍會限制垂直運轉或外部中途停止時的壓力。為了排除停滯而提高調壓器壓力，可能反而增加因卡滯而分離的機率。

速度也會造成類似陷阱。加速負載所需的力取決於運動曲線，但行程末端能量會隨速度平方增加。請降低加速度、延長減速距離、調整緩衝，或使用尺寸合適的外部吸震器，不要把磁力當成唯一限制。能源計算流程請參考[外部吸震器尺寸選定指南](/zh-hant/blog/a-guide-to-sizing-external-shock-absorbers-for-cylinder-applications/)。

## 為什麼原本可靠的氣缸可能發生解耦？

Parker 列出五種 P1Z 的拉脫力，範圍為 157 至 942 N，並要求使用者不得超過這些數值。如果沒有改變負載卻開始分離，應先調查新增阻力、對心、導向磨耗、擋塊接觸、壓力以及滑台與活塞同步狀態，再假設磁鐵已變弱（[Parker P1Z 說明](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Operating_Instructions_P-A7P020GB.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

| 觀察現象 | 可能代表的原因 | 檢查項目 |
| --- | --- | --- |
| 在某一行程位置分離 | 管件損傷、碎屑、導向偏心、局部干涉或拖鏈阻力 | 安全斷開驅動器，量測整個行程上的負載阻力 |
| 只在加速期間分離 | 加速力或壓力斜坡過於激進 | 記錄運動曲線與兩個接口的壓力 |
| 在擋塊處分離 | 停止能量、殘餘活塞力或錯誤的行程調整 | 將速度、質量、壓力與擋塊方式和型錄比較 |
| 阻力逐漸增加 | 導向磨耗、污染、潤滑問題、密封阻力或安裝位置偏移 | 檢查導向間隙、表面、支架與氣缸撓曲 |
| 分離後垂直負載移動 | 磁耦合沒有約束重力 | 隔離危害，並增加經工程設計的負載保持措施 |

側向負載應納入這項調查，因為它可能提高導向阻力或改變滑台對心。但仍不應把它換算成猜測的磁力降幅。請畫出負載中心、偏距、俯仰、翻滾與偏航力矩，再與所選導向件的額定值比較。

溫度也必須依完整致動器規格檢查。目前 SMC CY3R 的額定範圍為 -10 至 60°C、且不得結冰；Parker 的 P1Z 說明則規定 0 至 60°C。這些是產品運轉限制，不是通用的釹鐵硼與鐵氧體降額表。

## 現場診斷與受控重新耦合

Parker 的 P1Z 說明涵蓋五種缸徑，並警告活塞與滑台可能在超過磁鐵保持力時分離。文件也指出強磁場、夾傷運動，以及排氣後的殘餘壓力。因此，重新耦合是受控的維護工作，不是對著運轉中的機台推回去（[Parker](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Operating_Instructions_P-A7P020GB.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

使用以下診斷流程：

- 停止機台，隔離所有能量來源，固定懸吊負載，並依機台與氣缸說明確認氣動狀態。

- 確認內部活塞與外部滑台確實失去同步。受損導向件或鬆動的負載支架也可能造成類似症狀。

- 依核准的連接方式移除製程負載或斷開驅動器。量測外部導向件在整個行程上的阻力。

- 檢查管件、滑台、導向件、支架、拖鏈、感測器、行程末端擋塊與周圍含鐵碎屑。

- 依所選製造商的程序，將活塞與滑台移至指定的重新耦合位置。雙手應留在夾傷區域之外。

- 從受控壓力與低速開始。在恢復自動運轉前，確認位置感測、全行程運動、緩衝與負載阻力。

手持式測力計可能有用，但只能搭配明確的治具與測試狀態使用。拉動未加壓組裝氣缸的滑台，可能連同活塞一起移動，因此讀值可能包含活塞密封摩擦，而不是磁性分離閾值。請使用製造商的測試方法，或在相同條件下將完整總成與有文件記錄的基準比較。

根據我們的經驗，完整行程的阻力曲線通常比再次比較型錄更快釐清問題。我們會記錄移動已斷開負載所需的力，標記阻力發生變化的位置，再將曲線與壓力及運動資料對齊。這樣可以把耦合問題與導向件、支架、拖鏈或擋塊問題分開。

## 選型與詢價單檢查表

SMC 提供九種 CY3B/CY3R 缸徑，但其選型流程要求的資料不只缸徑與行程。一份可供工程判斷的詢價單應包含作用力、負載偏距、導向配置、安裝方向、壓力、速度、停止方式、環境與故障反應。這些輸入讓供應商能套用正確的作用力與能量資料（[SMC](https://ca01.smcworld.com/catalog/BEST-5-2-en/pdf/2-p1443-1468-cy3b_en.pdf)，查閱日期：2026-07-23）。

| 詢價單輸入 | 重要原因 |
| --- | --- |
| 目前製造商、系列、缸徑、行程與保持力選項 | 識別適用的磁性與尺寸資料 |
| 包含治具與連接硬體的移動總質量 | 設定重力與慣性項 |
| 負載中心與作用力偏距 | 決定導向力矩與允許驅動力 |
| 外部導向類型與量得或估算的阻力 | 將軸向耦合需求與負載支撐分開 |
| 安裝方向與行進角度 | 增加或移除軸向重力分量 |
| 運動期間氣缸兩個接口的壓力 | 顯示可用淨活塞力與排氣背壓 |
| 目標速度、加速度、減速度與循環率 | 定義動態作用力、流量、熱量與停止能量 |
| 緩衝、吸震器、擋塊與中途停止方式 | 決定動能如何耗散 |
| 溫度、沖洗、粉塵與含鐵顆粒暴露 | 檢查環境相容性與維護可達性 |
| 失去氣源或磁性分離後的行為 | 定義防護、感測與負載保持要求 |

若是技術選擇而非作用力計算，請比較[磁性與機械式無桿耦合指南](/zh-hant/blog/which-rodless-cylinder-coupling-technology-delivers-better-performance-for-your-application/)中的失效模式。磁性設計可以提供封閉壓力管與非破壞性分離模式，但前提是機台將分離視為可偵測、受控的事件。

## 磁耦合脫離力常見問題

SMC 公布 CY3R 磁鐵保持力為 19.6 至 2,256 N，Parker 公布 P1Z 拉脫力為 157 至 942 N。這些範圍回答了最常見的問題：不存在通用的磁耦合脫離力。確切系列、缸徑、導向件、負載偏距、壓力、速度與停止方式，才決定應用是否可接受。

### 磁鐵保持力等於氣動氣缸推力嗎？

不等於。氣動推力來自壓力作用於活塞面積。磁鐵保持力限制內部活塞能傳給外部滑台的軸向力大小。Parker 同時公布 P1Z 的兩個數值，正好說明兩者必須分開檢查。導向力與力矩還需要第三項檢查。

### 提高氣壓會增加磁耦合強度嗎？

不會。較高壓力會增加活塞推力，但不會增加永久磁鐵的保持力。在卡滯或外部中途停止期間，增加的活塞力可能推向靜止滑台，使耦合分離。請依型號專屬的垂直運轉與停止條件壓力限制操作，不要只使用一般壓力額定值。

### 側向負載會讓磁耦合分離嗎？

側向負載不能換算成通用的磁力損失百分比。它可能增加導向摩擦、使滑台傾斜、改變運轉間隙或使導向件超載。任何一項影響都可能提高軸向需求，直到耦合分離。請檢查所選導向件的力與力矩額定值，並量測安裝後的阻力。

### 分離的活塞與滑台應如何重新連接？

隔離壓力與機台能量，固定負載，確認活塞與滑台位置，並遵循製造商的確切重新耦合程序。Parker 指示使用者依照明確的活塞－滑台連接流程操作，並警告夾傷運動、強磁場與殘餘壓力。絕不要在運轉中的機台上強行把滑台推回位置。

### 可以用手持式測力計量測脫離力嗎？

只有在受控治具與明確測試狀態下才可以。拉動已組裝、未加壓的滑台，可能也會帶動內部活塞，使密封件與軸承摩擦加入讀值。請使用製造商的測試方法，固定正確的元件、控制殘餘壓力，並在可重複的溫度與對心條件下比較結果。

### 來源與技術參考資料

- [SMC CY3B 磁耦合無桿氣缸型錄](https://ca01.smcworld.com/catalog/New-products-en/mpv/ES20-277-CY3B/data/ES20-277-CY3B.pdf)，規格、保持力、垂直負載限制、壓力限制與中途停止能量。查閱日期：2026-07-23。

- [SMC CY3B/CY3R 型號選擇型錄](https://ca01.smcworld.com/catalog/BEST-5-2-en/pdf/2-p1443-1468-cy3b_en.pdf)，運轉輸入、允許驅動力曲線、負載偏距、撓曲、直接負載與安裝指南。查閱日期：2026-07-23。

- [Parker P1Z 操作說明](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Operating_Instructions_P-A7P020GB.pdf)，磁性拉脫力、分離警告、試運轉、重新耦合、殘餘壓力與磁場安全。查閱日期：2026-07-23。

- [Parker P1Z 產品型錄](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_P1Z_Rodless_Pneumatic_Cylinders_PDE2522SLUK.pdf)，理論作用力、磁耦合力、行程、壓力、速度、導向與緩衝資料。查閱日期：2026-07-23。