CN101902117B - 电磁耦合励磁调速器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁耦合励磁调速器，该调速器连接设于电动机与负载之间，包括外壳、外部旋转体、内部旋转体以及励磁绕组，外部旋转体整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体一端与电动机的输出轴相连接，并且外部旋转体的内表面设有用于产生感应电流的导电体。当励磁绕组通电后，内部旋转体外表面产生N、S相间的多对磁极，而外部旋转体的导电体与内部旋转体通过电磁耦合在一起转动，并通过改变励磁电流实现调速目的。该调速器能够减少励磁损耗，提高传输效率，并且结构及装配简单、对电网无谐波污染，不但提高了使用寿命，而且还降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及电动机的调速技术，更具体地说，涉及一种电磁耦合励磁调速器，该调速器能够减少能耗，提高传输效率。
背景技术
自交流异步电动机问世以来，不少科技工作者为实现简单经济、可靠高效的调速技术，作出了不懈的努力。早在20世纪60年代就出现了滑差离合器，后来发展成电磁调速电动机。从当时来说，主要是解决了调速范围广的问题，而未能兼顾到能耗及效率问题。参阅图1、图2所示，电磁调速电动机10包括电磁滑差离合器11和鼠笼异步电动机1，电磁滑差离合器11包括外部旋转体111、内部旋转体112以及励磁绕组113，外部旋转体111为一个铁质的圆筒，一端与鼠笼异步电动机1的输出轴2相连，内部旋转体112包括转轴1121以及分布在转轴1121外围的多对N、S磁极1122，转轴1121一端与磁极1122相连接，另一端与负载的从动轴3连接。励磁绕组113套装在转轴1121上，并固定在一端静止的端盖114上。当励磁绕组113通以直流电流产生磁场后，磁力线穿过气隙4a才能形成到达内部旋转体112上，当鼠笼异步电动机1带动铁质圆筒转动时，铁质圆筒中产生涡流，切割磁力线而产生电磁力，从而形成转矩，使得内部旋转体112跟随旋转并带动从动轴3旋转。N磁极上的磁力线需要穿过气隙4a到达转动的铁质圆筒后，再穿过气隙4a返回到相对应的S磁极上(见图2中的虚线箭头)，而整个磁力线回路中需要穿过的气隙4a较多(见图1，除磁极与铁质圆筒之间的气隙，还包括转轴1121与端盖114以及N磁极与端盖114之间的气隙)，致使励磁损耗大，并且铁质圆筒中产生涡流而损耗较大，由于这两个原因，导致电磁调速电动机10存在能耗大、效率低(只有80％)的缺点。
近十年来，随着变频技术的出现，已逐渐被变频调速器所取代。但是，变频调速器会对电网产生谐波污染，谐波分量除了对自身三相交流异步电动机产生附加损耗和发热外，还会引起电网中其它电动机产生附加损耗和发热，所以谐波分量超过一定标准后，就必须按电网管理部门规定加装消谐装置，另外，其电子变频部分易于损坏，从而引起运行可靠性降低，特别是高压变频器故障率高，需专业人员维护，成本高。
请参阅图3所示，随着永磁材料的研究突破，近年来还出现了永磁耦合调速器20，其主要通过调节永磁体21和铜导体22之间的气隙4b大小来控制传动力矩，从而实现对负载转速的调节。但是，由于调节永磁体21和铜导体22之间的气隙4b比较复杂，随着负载不定的变化，调节机构23也在不定的运动，造成机械磨损和能量损耗。并且随着时间的推移，永磁体21的性能会发生变化，会影响调速效率。另外，装配时对环境条件要求较高，必须要在带有强磁场的情况下进行机构装配。
因此，迫切需要一种新的电动机调速器来克服现有技术存在的能耗大、效率低、易对电网造成谐波污染、结构复杂、故障率以及装配条件要求高等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述的缺点，本发明的目的是提供一种电磁耦合励磁调速器，该调速器能够减少励磁损耗，提高传输效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
该电磁耦合励磁调速器连接设于电动机与负载之间，包括外壳、设于外壳内的外部旋转体、设于外部旋转体内的内部旋转体以及绕置于内部旋转体上的励磁绕组，所述的外部旋转体整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体一端与电动机的输出轴相连接，并且外部旋转体的内表面设有用于产生感应电流的导电体；
所述的外部旋转体采用硅钢片叠置而成，并且外部旋转体的内表面轴向均匀开有数个导条凹槽；所述的导电体包括数个鼠笼导条和设于两侧的端环，鼠笼导条分别设于相应的导条凹槽内，并且所有鼠笼导条的端部通过端环相连接并呈一鼠笼状结构。
所述的导条凹槽的形状与鼠笼导条相适配。
所述的外部旋转体为纯铁质圆筒；所述的导电体为一与外部旋转体相适配的铜质圆环，并通过螺栓紧密固定在外部旋转体的内表面上。
所述的铜质圆环的厚度为2～3mm。
所述的内部旋转体采用磁性材料制作，内部旋转体一端与负载的从动轴相连接，并且内部旋转体的外表面均匀开设有数个绕组凹槽，所述的励磁绕组绕置于相应的绕组凹槽内，而位于绕组凹槽两侧凸起的内部旋转体外表面形成数对N、S极相间的磁极。
所述的外部旋转体与输出轴相连接的一端以及内部旋转体与从动轴相连接的一端均设有滚珠轴承。
所述的导电体与内部旋转体之间的间隙小至以能够相对旋转为限。
在上述技术方案中，本发明的电磁耦合励磁调速器连接设于电动机与负载之间，包括外壳、外部旋转体、内部旋转体以及励磁绕组，外部旋转体整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体一端与电动机的输出轴相连接，并且外部旋转体的内表面设有用于产生感应电流并减小与内部旋转体之间气隙的导电体。当励磁绕组通电后，内部旋转体外表面产生N、S相间的多对磁极，而外部旋转体的导电体与内部旋转体通过电磁耦合在一起转动，并通过改变励磁电流实现调速目的。该调速器能够减少励磁损耗，提高传输效率，并且结构及装配简单、对电网无谐波污染，不但提高了使用寿命，而且还降低了成本。
附图说明
图1是现有技术的电磁调速电动机的结构剖视图；
图2是沿图1中A-A线的剖视图；
图3是现有技术的永磁耦合调速器的结构示意图；
图4是本发明的电磁耦合励磁调速器一实施例的结构剖视示意图；
图5是沿图4中B-B线的剖视图；
图6是图5中外部旋转体的结构示意图；
图7是图5中内部旋转体的结构示意图；
图8是图5中的C部放大示意图；
图9是本发明的电磁耦合励磁调速器另一实施例的结构剖视示意图；
图10是沿图9中D-D线的剖视图；
图11是图10中的E部放大示意图。
图12是本发明的调速器与三相异步电动机构成一整体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
请参阅图4∽图7所示，本发明的电磁耦合励磁调速器30与现有技术的电磁滑差离合器10基本相同，同样也连接设于电动机1与负载之间，包括外壳31、设于外壳31内的外部旋转体32、设于外部旋转体32内的内部旋转体33以及绕置于内部旋转体33上的励磁绕组34。请结合图5∽图7所示，不同之处在于，外部旋转体32整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体32一端与电动机1的输出轴相连接，并且外部旋转体32的内表面设有用于产生感应电流的导电体。所述的外部旋转体32采用硅钢片叠置而成，并且外部旋转体32的内表面轴向均匀开有数个导条凹槽321；而所述的导电体包括数个鼠笼导条322和设于两侧的端环，鼠笼导条322的形状与导条凹槽321相适配，并分别设于相应的导条凹槽321内，并且所有鼠笼导条322的端部通过端环相连接并呈一类似鼠笼状结构的导电闭环回路(即通常所说的导电鼠笼)。并且鼠笼导条322采用的材料为铜或铝质。外部旋转体32一端与电动机1的输出轴2之间通过联轴器35相连接。内部旋转体33采用磁性材料制作，如铁等，内部旋转体33一端与负载的从动轴3相连接，并且内部旋转体33的外表面均匀开设有数个绕组凹槽331，励磁绕组34分别绕置于相应的绕组凹槽331内，当励磁绕组34通电后，绕组凹槽331两侧凸起的内部旋转体33外表面即可形成N、S相间的数对磁极。外部旋转体32与输出轴2相连接的一端以及内部旋转体33与从动轴3相连接的一端均设有滚珠轴承36，当电动机1转动时，可带动外部旋转体32旋转，而内部旋转体33旋转时，可通过从动轴3带动负载旋转。为了减少励磁功率，将外部旋转体32与内部旋转体33之间的间隙4c设计的越小越好，以外部旋转体32与内部旋转体33之间能够相对旋转为限。在此需要说明的是，外部旋转体32当然也可以与负载的从动轴3相连接， 而内部旋转体33则与电动机1的输出轴2相连接，这样，内部旋转体33随电动机进行主动，而外部旋转体32则进行从动。
下面对该调速器30的工作原理进行介绍：
请结合图8所示，在励磁绕组34通电励磁情况下，内部旋转体33上产生多对N、S磁极，请再结合图8所示，以其中一对为例，N磁极的磁力线穿过气隙4c到达外部旋转体32再通过气隙4c到达S磁极形成磁回路(见图8中的虚线箭头)。而当电动机1运行时，带动外部旋转体32进行旋转，鼠笼导条322切割磁力线而产生感应电流，该感应电流在磁场力的作用下，将阻止外部旋转体32与内部旋转体33发生相对运动，也就是说外部旋转体32的力矩能通过电磁力的作用传输到内部旋转体33上，使得内部旋转体33转动，从而带动负载的从动轴3旋转。根据电磁感应定律和安培定律，由鼠笼导条322所构成的导电鼠笼的传输力矩M的大小具有如下关系：
M＝F·R(式1)；F＝B·L·I (式2)；
在式1、式2中，M为传输力矩(牛顿·米)；F为导电体上的电磁力(牛顿)；B为导电鼠笼所处的磁通密度(韦伯/米2)；L为导电鼠笼的轴向长度(米)；I为导电鼠笼中的感应电流(安培)；R为导电鼠笼的半径(米)。
由于，E＝B·L·V (式3)；I＝E/Z (式4)；
在式3、式4中，E为导电鼠笼所产生的感应电势(伏)；V为导电鼠笼产生相对运动的线速度(米/秒)；Z为导电鼠笼回路的阻抗(欧姆)；
若，设主动轴的转速为n1(转/分)；
从动轴的转速为n2(转/分)；
则，导电鼠笼相对于机械的圆周线速度V(米/秒)
V＝2πR(n1-n2)/60(式5)
将式2、式3、式4和式5代入式1整理后得：
M＝π(n1-n2)B2L2R2/60Z (式6)，
由于式6中：L、R、Z均为常数，B与(n1-n2)为变数，
因此，M＝kB2(n1-n2)(式7)
由式7可得，传输力矩M与磁通密度B的平方以及主、从动轴间转差(n1-n2)的乘积成正比，k为比例常数。
我们知道磁通密度B是随着励磁电流的大小而变化的，而改变励磁电流的大小是很简单易行的。所以磁通密度B可以很方便地从零变化到最大值。当输出力矩M不变时，改变磁通密度B可使从动转轴的转速n2由0∽n1间变化。若要维持负载转速n2不变，则改变磁通密度B可使传输力矩M随负载的阻力矩变化而变化，也就是说输出功率不断变化时，改变B可使负载保持恒定的转速运转。
在此，对该调速器30中的鼠笼导条322与普通的三相异步电动机的鼠笼导条所产生的传输力矩M作一对比和分析：假设调速器30与电动机的鼠笼导条尺寸相同，采用的磁通密度B相等，三相异步电动机的鼠笼导条在磁场中变换一周相当于在调速器30磁场中变换p/2周，即鼠笼导条对于磁场的相对切割速度要增加p/2倍，也就是说同样的鼠笼导条在调速器30中产生的传输力矩M，要比三相异步电动机中大p/2倍，因此，磁极数p(偶数)应愈多愈好。在合理布置磁路结构的条件下，磁极数p(偶数)一般可在20个以上。为了合理利用鼠笼导条322上产生的传输力矩，将鼠笼导条322布置在磁场的外侧，即外部旋转体32的内表面上，以增加鼠笼导条322的受力半径。
请结合图9所示，在此需要说明的是，该调速器30可以单独自成一体，当然也可以设置于三相异步电动机1的外壳5内，与电动机1构成一整体。
采用该结构的调速器30的最大优点是励磁损耗低、传输效率高，由于其磁力线仅需穿过外部旋转体32与内部旋转体33之间的气隙4c，而无需再穿过其它气隙，并且通过材质为硅钢片的外部旋转体32能够进行有效导磁，从而防止产生涡流，因此效率远高于现有技术的滑差离合器。
而与变频调速器以及永磁调速器相比，其在全速运转时，消耗的励磁功率不大于传输功率的2％，与变频调速器、永磁调速器的效率相近；但其在半速运转时，由于传输力矩M为1/2，磁通密度B的平方为1/4，而励磁损耗为励磁电流I的平方，因此励磁损耗只有全速运转时的1/16，比上述两种调速技术的效率要高得多，在全速运转时效率可达到95％以上， 所以具有很大的节能意义。
另外，该调速器30与变频调速器以及永磁调速器相比，还具有以下优点：
1，使用寿命是变频调速的两倍以上；
2，运行可靠性高，每年损坏和维修的几率很小；
3，对电网无谐波污染，无需加装消谐装置；
4，采用该调速器30的电动机与负载之间没有刚性连接，故机械震动要远低于变频调速器；
5，结构简单、装配方便，无仍何环境条件要求；
6，成本低，经济效益好。
实施例2
请参阅图10～图12所示，本发明的电磁耦合励磁调速器40与实施例1的调速器30基本相同，同样也连接设于电动机与负载之间，包括外壳41、设于外壳41内的外部旋转体42、设于外部旋转体42内的内部旋转体43以及绕置于内部旋转体43上的励磁绕组44。并且外部旋转体42整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体42一端与电动机的输出轴相连接，并且外部旋转体42的内表面设有用于产生感应电流的导电体。不同的是，该调速器40的外部旋转体42为纯铁质圆筒，或者也可以是其它导磁材料的圆筒；而导电体则为一与外部旋转体42相适配的铜质圆环421，并通过螺栓422紧密固定在外部旋转体42的内表面上，铜质圆环421的厚度为2～3mm，该铜质圆环421的功能和作用与实施例1中的鼠笼导条322相同，并且该调速器40的工作原理与实施例1相同，在此不再赘述。需要强调的是，该调速器40除了具有实施例1的调速器30的功能以及优点之外，与实施例1的调速器30相比，其结构更为简单，加工更为方便，并可相应减少内部旋转体43外表面上的磁极数，从而能够节省材料，降低成本。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种电磁耦合励磁调速器，该调速器连接设于电动机与负载之间，包括外壳、设于外壳内的外部旋转体、设于外部旋转体内的内部旋转体以及绕置于内部旋转体上的励磁绕组，其特征在于：
所述的外部旋转体整体呈圆筒型结构的导磁体，外部旋转体一端与电动机的输出轴相连接，并且外部旋转体的内表面设有用于产生感应电流的导电体；
所述的外部旋转体采用硅钢片叠置而成，并且外部旋转体的内表面轴向均匀开有数个导条凹槽；所述的导电体包括数个鼠笼导条和设于两侧的端环，鼠笼导条分别设于相应的导条凹槽内，并且所有鼠笼导条的端部通过端环相连接并呈一鼠笼状结构。
2.如权利要求1所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的导条凹槽的形状与鼠笼导条相适配。
3.如权利要求1所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的外部旋转体为纯铁质圆筒；所述的导电体为一与外部旋转体相适配的铜质圆环，并通过螺栓紧密固定在外部旋转体的内表面上。
4.如权利要求3所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的铜质圆环的厚度为2～3mm。
5.如权利要求1所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的内部旋转体采用磁性材料制作，内部旋转体一端与负载的从动轴相连接，并且内部旋转体的外表面均匀开设有数个绕组凹槽，所述的励磁绕组绕置于相应的绕组凹槽内，而位于绕组凹槽两侧凸起的内部旋转体外表面形成数对N、S极相间的磁极。
6.如权利要求1所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的外部旋转体与输出轴相连接的一端以及内部旋转体与从动轴相连接的一端均设有滚珠轴承。
7.如权利要求1所述的电磁耦合励磁调速器，其特征在于：
所述的导电体与内部旋转体之间的间隙小至以能够相对旋转为限。
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