CN101719715B - 一种放卷用无源永磁力矩电机 - Google Patents

Abstract

一种放卷用无源永磁力矩电机，其特征在于所述的永磁力矩电机的转子为多片同轴无磁性的金属圆片(5)，定子为同轴圆周排列的多组永磁块(4)，永磁块(4)与定子外壳(2)之间安装有弹簧，永磁块与金属圆片(5)间的距离由弹簧自动调节。本发明利用电磁感应定律，通过电机转子和定子间的相互运动，永磁块在金属圆片之中感应出涡流，涡流和永磁块相互作用产生阻力而提供转子的反向力矩。同时利用转子和定子之间的推力，通过弹簧调节永磁块和金属片之间的距离，保证恒转矩输出。本发明可应用于各种放卷场合的工业驱动用电机，无需能源，节能降耗，且结构简单，容易维护。

Description

一种放卷用无源永磁力矩电机

技术领域

本发明涉及一种放卷用无源永磁力矩电机。

背景技术

力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。这种电机的轴不是以恒转速或者功率而是以恒力矩输出反向动力，当负载转速变化时，其输出功率也随之变化，能够承受堵转(即电机转子转速为零)运行。传统力矩电机由于电枢电阻高，损耗大，所产生的热量也大，特别是在放卷(既在外力的作用下被动转动，电机转动方向与自身的驱动力矩方向相反)或堵转时更为严重，电机虽然消耗了大量励磁用电能，但对外功率输出却是负值或者是零，所有能量消耗在电机绕组中都转换为热，使电机温度急剧升高，因此，传统力矩电机的后端盖上都装有独立的离心式风机，强迫通风冷却。力矩电机适用于卷绕、开卷、堵转和调速等场合。

图4为美国专利US6998757B2，可以看出其转子和定子电枢都为通电绕组，任何工作状态下转子和定子绕组中的电流耦合产生驱动力矩，在放卷状态下，也就是转子被动转动时，电能仍在消耗，但电机却在做负功，能量全部被消耗为热能。这是目前所有力矩电机的特性之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种永磁无源力矩电机，利用永磁块与金属导体之间的相对运动在金属体中感应出涡流，产生反向力矩，并通过弹簧调节永磁块和金属板之间的间距来改变反向力矩的大小，保证电机的近似恒力矩输出特性。无需电源，不消耗电能。

本发明采用的技术方案如下：

本发明电机由定子、转子和外壳组成，转子通过轴承安装在外壳内，定子直接安装在外壳内壁上，转子相对于定子可以互相转动。本发明电机的转子为多片同轴无磁性的金属圆片，定子为同轴圆周排列的多组永磁块，永磁块与定子外壳之间安装有弹簧，弹簧一端固定在外壳上，一端与永磁块连接，永磁块与金属圆片间的距离由弹簧自动调节。当金属圆片相对永磁块转动时，永磁块的磁场在金属片中感应出涡流，涡流与永磁块相互作用，产生互相的推力和阻力，通过转子的转轴，阻力则表现为反向力矩输出。金属圆片转子与相对转速越大时，推力越大，如果金属圆片和永磁块之间的距离不变，则阻力矩也越大，为了保证电机的恒力矩输出特性，永磁块相对于金属圆片的位置由弹簧控制，利用金属圆片受到的推力压缩弹簧，增大转子金属圆片与永磁块定子间的距离，保持反向力矩输出大小不变。可通过调节弹簧的压紧程度来调节转子恒定输出反向力矩的大小。

本发明提出的永磁无源力矩电机可应用于开卷等被动输出转矩的场合，广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。

附图说明

图1为本发明原理图，图中：a、永磁块，b、金属导体板；

图2为本发明永磁无源力矩电机结构图，图中：1轴，2定子外壳，3弹簧，4永磁块，5金属圆片，6风扇；

图3为本发明永磁无源力矩电机的另一种结构，图中：1轴，2定子外壳，3弹簧，4永磁块，5金属圆片，6风扇；

图4为美国专利US6998757B2的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，永磁块a以速度v相对于金属导体板b水平方向运动时，根据电磁感应定律，磁场的相对变化会在金属导体板b中感应出与永磁块a镜像分布的涡形电流，亦称涡流，涡流和永磁块a相互作用，会使永磁块a受到向上的推力F₁和运动方向相反的向后阻力F_d，这里推力

$F_l=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}_s^2}{\mathrm{\πh}}(2h-\sqrt{l^2+h^2}-\sqrt{w^2+z^2}$

$-\frac{\sqrt{w^2+h^2}-\sqrt{l^2+w^2+h^2}}{\sqrt{w^2+h^2}}{h}^2-\frac{\sqrt{l^2+h^2}-\sqrt{l^2+w^2+h^2}}{\sqrt{l^2+h^2}}{h}^2)$ (1)

其中μ₀为真空磁导率，I_s为永磁块的等效电流，w为其宽度，l为长度，h为永磁块a与金属导体板b之间的距离。而阻力

$F_d=F_l\sqrt{1-e^{\frac{\mathrm{\ζ}}{1+3{(h/2l)}^{5/2}}}}---\left(2\right)$

上式中：

$\mathrm{\ζ}=\sqrt{\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σvh}}}$

这里σ为金属板的导电率，v为二者之间的相对速度。同样，当然，由牛顿第二定律可知，力的作用是相互的，永磁块a受到来自于导体板b的推力和阻力，金属导体板b也受到来自永磁块a大小相等方向相反的推力和阻力。运动是相互的，可以是永磁块a相对运动，也可以是金属导体版b相对运动。

根据这个原理，本发明设计出了如图2所示的永磁无源力矩电机。如图2所示，转轴1上装有一组同轴排列的无磁性的金属圆片5，金属圆片5的尺寸和数量要根据电机需要输出的反向力矩来决定，图2中绘出了两片金属圆片5。在每片金属圆片5的两侧，在所述的金属圆片5的圆周方向各排列了一圈永磁块4。圆周方向排列的永磁块4的个数是偶数，永磁块4的磁化方向与转轴1的方向相同，同一侧相邻两块永磁块的磁化方向相反，两侧相对永磁块的极性是相同的。由于力矩电机在放卷的时候，只是被动地为外界提供阻力矩，也就是说是外力驱动电机的转轴1旋转，而电机只需要提供阻力矩就行了。当电机的转轴1在外力的驱动下转动时，金属圆片5也相对于永磁块4转动，根据前面的原理可知，金属圆片5会受到与运动方向相反的阻力，对转轴1就表现为阻力矩。当相对转速增大时，如果永磁块4和金属圆片5间的相对距离不变，则阻力矩也会增大，为了保持阻力矩恒定，利用永磁块4和金属圆片5之间的推力也随速度增大而增大的特性，在永磁块4与定子外壳2之间安装调节弹簧3，推力增大时弹簧收缩，永磁块和金属圆片之间的距离h增大，维持阻力矩相对不变。如果需要堵转力矩，既在静止时提供反向力矩，可以在永磁块表面粘贴摩擦片，摩擦片和金属圆片转子间的最小间距设置为零，金属圆片采用铁磁性金属，当转子转速为零也就是堵转时，电机转子金属圆片和永磁块定子间因为没有推斥力就会吸在一起，靠摩擦片的摩擦力提供堵转力矩，只要有相对转速，金属圆片5中的涡流就会产生，永磁块就会被涡流的推力推开，摩擦力消失，恢复靠涡流的阻力提供反向力矩。

需要指出的是，金属圆片5中的涡流会产生焦耳损耗，使其温度上升，这是由外界不断对电机做功造成的，可在转轴1上安装风扇6进行强制通风降温，当然电机外壳2上也要开有通风孔。当力矩电机所需转速较低而提供的反向力矩非常大时，可为电机加前置升速齿轮装置，通过齿轮变速提高电机的转速同时提供足够大的反向力矩。

本电机的转子和定子的相对位置可以互换，也就是说转子是永磁块而定子是金属圆筒，如图3所示，其运行原理与前面提到的电机完全相同，只是结构上的差异。在这种情况下，由于离心力的作用，转子上的永磁块4会对弹簧3施加除了涡流推力外额外的离心压力，弹簧3的刚度要求高一些。

本发明利用电磁感应定律，提出了一种放卷用永磁无源式力矩电机，这种电机靠涡流来提供反向力矩，无需消耗电力，大大节省能源，而且输出转矩可保持恒定。本发明可应用于开卷等被动输出转矩的场合，广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。可有效起到节能降耗的作用。可以看出，这种电机的结构非常简单，没有传统电机的铁芯、绕组、开关、调节电路等附件，故障率低，容易维护。

Claims (3)

1.一种无源永磁力矩电机，其特征在于，所述的永磁力矩电机的转子为多片同轴无磁性的金属圆片(5)，定子为同轴圆周排列的多组永磁块，永磁块(4)与定子外壳(2)之间安装有弹簧，弹簧一端固定在定子外壳(2)上，另一端与永磁块(4)连接；永磁块与金属圆片(5)间的距离由弹簧自动调节；当金属圆片(5)相对永磁块(4)转动时，永磁块(4)的磁场在金属片中感应出涡流，涡流与永磁块(4)相互作用，产生互相的推力和阻力；所述的金属圆片(5)同轴排列安装在转子转轴(1)上，在每片金属圆片(5)的两侧，在其圆周方向各排列了一圈永磁块(4)；永磁块(4)的磁化方向与转轴(1)的方向相同，同一侧相邻两块永磁块的磁化方向相反，两侧相对的永磁块的极性相同，永磁块(4)的数量为偶数；在永磁块(4)与定子外壳(2)之间安装调节弹簧(3)，推力增大时弹簧(3)收缩，永磁块(4)和金属圆片(5)之间的距离增大，维持阻力矩相对不变。

2.根据权利要求1所述的无源永磁力矩电机，其特征在于，电机如需要堵转运行，在永磁块(4)表面粘贴摩擦片，永磁块(4)和金属圆片(5)之间的距离设置为零，金属圆片(5)为铁磁性；当转子静止时，转子和定子相吸，靠摩擦片提供静止的反向力矩，转子转动时，转子和定子间的相互推力使二者分开，恢复靠涡流阻力提供反向力矩。

3.根据权利要求1或2所述的无源永磁力矩电机，其特征在于，金属圆片(5)和永磁块(4)间的定子和转子关系互换。

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