CN102290964A - 一种楔形圆盘可调速磁力联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械传动技术领域，特指一种楔形盘式可调速磁力联轴器。本发明的联轴器包含主动盘装置、从动盘装置及调速机构。其中主从动盘皆采用了楔形盘式结构，其目的在于能同时改变永磁体与导体之间的正对面积和气隙大小，迅速调整气隙磁场的磁通量，更好更快地控制输出转速及转矩的大小。同时通过调速机构控制驱动齿条(21)的轴向左右移动，可使方形轴承底座(18)也随之运动，然后通过双向推力球轴承(19)推动下齿条(14)和右侧楔形从动盘运动，此时再通过齿轮(12)将运动传递给上齿条(10)，使上下齿条带动相应的左右楔形圆盘做相向或相背运动。即在联轴器运行过程中可随时改变主从盘之间的间距，从而改变从动轴的转矩和转速，达到了无级调速的目的。

Description

一种楔形圆盘可调速磁力联轴器

技术领域

本发明涉及机械工程中的传动技术领域，尤其是涉及一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，它可广泛应用于发电、冶金、石化、采矿及暖通空调等行业中的动力传递系统中。

背景技术

联轴器是机械系统动力传输过程中经常使用的部件，用以传递扭矩和运动；随着科学技术的不断发展，联轴器应用领域不断扩大，技术也在不断发展，传统联轴器均为接触式联轴器，根据其内部是否具有弹性元件，可分为弹性联轴器与刚性联轴器：刚性联轴器要求被联接的两轴中线严格对中，最多只允许少量的位移和偏斜，否则在运行过程中会产生装配应力，使设备产生振动，并发出很大的噪音；弹性联轴器内装有弹性元件，虽然具有缓冲和减振功能，但弹性元件强度和承载能力较低，寿命短，拆卸不方便，在实际工作中，无论怎样保证严格保证两轴的对中性，随着两轴相对扭转角的增加，扭转变形增大而产生附加轴向载荷，从而轻则使轴承等零件负载加大而降低寿命，重则使设备受到冲击、振动、磨损，影响工作性能，因而寻求无磨损、无振动，能传递平稳转矩、提高传动效率的装置已成当务之急。

另一方面，电动机在规定的交流电源供电时，能较好地满足各项性能指标，但是，当电源电压低于额定电压时，电动机的定子电流和转子电流都将比正常时大。尤其在重载启动和频繁启动的使用场合下，电源电压低时，起动转矩会成比地下降，致使起动时间延长，严重时甚至不能启动而烧坏电机定子绕组；在生产过程中，当负载过大、设备发生堵塞或卡死现象时，若电机保护器失灵，也时常会造成电机的烧毁，因而对电机的拖动技术和过载保护技术的研究也已成为工业生产运用中的重要研究方向。

随着磁力机械产品研究的不断深入，磁力联轴器已经成为了一种新型的机械传动装置，磁力联轴器的突出特点有：(1)可避免振动传递，实现工作的平稳运行，可靠性高；(2)传动效率高，安装维护方便、使用寿命长；(3)可实现动力的零泄漏传递，节能环保，净化环境；磁力联轴器按永磁体充磁方向可分为盘式磁力联轴器和筒式磁力联轴器，通过检索可以查找到已有为数不多的关于盘式磁力联轴器方面的专利技术报道，例如公开号为CN200910263064.X的专利中，公开了一种手动可调速式盘式磁力联轴器，主要是通过螺纹传动副将手柄的转动变为了直线移动，然后通过压缩弹簧和滑竿等构件实现了主从动盘之间的距离调节，但是此种手动调节方式的操作繁琐，而且精度难以准确保证；同时专利CN201010228656.0也报导了一种远程自动控制可调速式盘式磁力联轴器，通过远程控制器调控轴上的微型电机，从而通过锥齿轮换向后把运动传递给螺纹丝杠，由于丝杠两端方向相反，从而实现了两盘之间的间距调节。此种传动装置中电机安置在高速轴上，其与丝杠间的减速机构设计比较繁琐，同时电机旋转过程中的线路布置也较复杂；此外，目前报道的盘式磁力联轴器都是仅通过调节主从动盘之间的间距来改变负载转矩的，不利于气隙磁场磁通密度的迅速调整，具有一定的滞后性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种楔形圆盘可调速磁力联轴器装置，本发明通过对主从动盘形状的改变、调速机构的设计等方式，实现了永磁体和铜块之间的正对面积和气隙大小的同时改变，从而提供了一种大功率、平稳传递转矩、传动效率高的装置，同时解决了电机因负载启动、频繁启动、负载过大等造成的电机发热乃至失效的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：楔形圆盘可调速磁力联轴器，包括主动盘装置、从动盘装置和调速机构，其特征在于：主动盘装置包括主动轴、轴套、楔形主动圆盘和永磁体，主动轴与电动机的输出轴相连，轴套与楔形主动圆盘通过螺栓固连在一起，永磁体黏贴于楔形主动圆盘的表面；从动盘装置包括从动轴和楔形实心导体转子或内嵌V形导体的复合式圆盘转子，楔形实心导体转子采用钢材料制成，内嵌V形导体的复合式圆盘转子由楔形从动圆盘和V形导块构成，楔形从动圆盘采用钢材料制成，并在其表面开V形槽，槽内放置V形导块，通过调速机构调节楔形主动圆盘和楔形从动圆盘或楔形实心导体转子之间的轴向距离，从而同时改变了永磁体与V形导体之间的正对面积和气隙大小，从而控制输出转速及转矩的大小。

所述调速机构，其由减速机构、驱动齿轮、驱动齿条、方形轴承底座、双向推力球轴承、套筒、下齿条、齿轮、支撑架、上齿条构成，驱动齿轮一端与减速机构与相连，另一端与驱动齿条进行啮合并促使驱动齿条运动，驱动齿条固定于方形轴承底座的底部，双向推力球轴承的外圈内嵌于方形轴承底座的内部，内圈固定于套筒上，套筒固定在从动轴上，能够相对从动轴轴向移动，下齿条的支撑板的右侧通过螺栓与套筒固定为一体，下齿条的支撑板的下侧焊接于右侧楔形从动圆盘或右侧楔形实心导体转子的内部并随之一起沿轴向运动，齿轮安装在支撑架上，相对支撑架可转动，同时齿轮的上下部分分别与下齿条、上齿条形成啮合，使上下齿条之间能形成沿轴向相向或相背的移动，上齿条被焊接固定于左侧楔形从动圆盘或左侧楔形实心导体转子上并随之一起运动，支撑架与从动轴之间轴向固定。

所述的下齿条、齿轮、上齿条和支撑架形成的轴向位移调节机构共有三个，沿楔形从动圆盘或楔形实心导体转子的的圆周方向按每隔120°的方式均匀分布。

所述的支撑架与从动轴之间的轴向固定方式采用Z1型胀套的胀紧连接或圆柱销、圆锥销连接。

所述的套筒与从动轴之间通过导向键或滑键连接，以在轴上作相对轴向移动。

所述的永磁体被分割成多个扇形块，并且在圆周方向通过紧密连接围成圆环，各个扇形块的磁化方向可采用N、S极交错轴向磁化；或halbach排列方式(halbach45°、halbach60°、halbach90°)轴向磁化，这四种排列方式中的一种或多种同时进行。

所述的V形导体的材料采用铜、铝或两者的混合物中的一种，其结构采用单一型铜导体、单一型铝导体、内层为铜且外层为铝的复合结构或内外层为铝、中间层为铜的复合结构方式中的一种。

所述方形轴承底座由齿轮齿条机构、曲柄滑块机构或螺纹丝杠机构驱动，产生轴向位移。

所述的减速机构由电机驱动，其传动方式为多级齿轮传动、蜗轮蜗杆传动中的一种。

本发明的优点如下：

（1）本发明通过调节主从轴之间的轴向距离，从而可同时改变了永磁体和铜块之间的

正对面积和气隙大小，即能快速改变气隙磁场的磁通密度，更好的控制输出转速及转矩的大小, 导块在切割磁力线的过程中，交变磁场会在导体内部产生感应电流。由于趋肤效应的影响，导块截面上的感应电流分布不均匀，并且愈接近导体表面，感应电流密度越大；而由于导块的底层部分（如图4所示与钢材料接触的部位）几乎没有电流通过，把矩形或扇形的导块换为V形导块，其目的有以下几点：削弱趋肤效应，减少导块的涡流损耗，从而保证更多的能量可转化为楔形从动圆盘的动能，减少了能量的损失，可使传动效率有所提高；V形导块不但可以使转矩和转速得到有效地提高，而且可以合理有效地节省导体的材料，降低生产成本。

（2）本发明的调速机构是通过齿轮齿条之间的啮合运动实现，不仅操作方便，而且能

平稳、准确的实现主从动盘之间所需调节的距离，从而精确控制传递转矩的大小。

（3）本发明由于是通过磁场作用实现转矩的传递，并且装置中设有调速机构，可实现

电机的软启动、无级调速、过载保护等功能，从而保护了电机。

（4）本装置实现了主从动轴之间的无接触传动，消除了机械振动的传递，减少了设备

的磨损，从而有效的延长了设备和零部件等的使用寿命。

（5）本装置省却了普通联轴器同心对中调整的麻烦，使设备安装、调试、拆卸方便，

误差传递小，精度高。

附图说明

图1是楔形盘式可调速磁力联轴器装置示意图；

图2是楔形主从动圆盘的结构分布局部放大图；

图3是永磁体磁化方向的排列方式侧视示意图；

图4是V形导体不同结构组合示意图；

图5是驱动机构为连杆机构时的结构简图；

图中，1-双向推力球轴承，2-轴套，3-主动轴，4-轴套，5-楔形主动圆盘，6-楔形从动圆盘，7-永磁体，8-螺栓，9-主动盘连接架，10-上齿条，11-支撑架，12-齿轮，13-V形导体，14-下齿条，15-双向推力球轴承，16-轴套，17-套筒，18-方形轴承底座，19-双向推力球轴承，20-从动轴，21-驱动齿条，22-减速齿轮，23-驱动齿轮，24-气隙，25-曲柄，26-支撑板。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的实施例1结构进行详细说明。实现本发明的装置包含：主动盘装置、从动盘装置，图2显示了本发明的楔形主从动圆盘的结构分布局部放大图，也给出了主从动盘之间的位置关系。

楔形圆盘可调速磁力联轴器，包括主动盘装置、从动盘装置和调速机构，其特征在于：主动盘装置包括主动轴3、轴套4、楔形主动圆盘5和永磁体7构成，主动轴3与电动机的输出轴相连，轴套4与楔形主动圆盘5通过螺栓固连在一起，永磁体7黏贴于楔形主动圆盘5的表面；从动盘装置包括从动轴20和楔形实心导体转子或内嵌V形导体的复合式圆盘转子，楔形实心导体转子采用钢材料制成，内嵌V形导体的复合式圆盘转子由楔形从动圆盘6和V形导块13构成，楔形从动圆盘6采用钢材料制成，并在其表面开V形槽，槽内放置V形导块13，通过调速机构调节楔形主动圆盘5和楔形从动圆盘6或楔形实心导体转子之间的轴向距离，从而同时改变了永磁体7与V形导体13之间的正对面积和气隙大小，从而控制输出转速及转矩的大小。

所述调速机构，其由减速机构、驱动齿轮23、驱动齿条21、方形轴承底座18、双向推力球轴承19、套筒17、下齿条14、齿轮12、支撑架11、上齿条10构成，驱动齿轮23一端与减速机构与相连，另一端与驱动齿条21进行啮合并促使驱动齿条21运动，驱动齿条21固定于方形轴承底座18的底部，双向推力球轴承19的外圈内嵌于方形轴承底座18的内部，内圈固定于套筒17上，套筒17固定在从动轴20上，能够相对从动轴20轴向移动，下齿条14的支撑板26的右侧通过螺栓与套筒17固定为一体，下齿条14的支撑板26的下侧焊接于右侧楔形从动圆盘6或右侧楔形实心导体转子的内部并随之一起沿轴向运动，齿轮12安装在支撑架11上，相对支撑架11可转动，同时齿轮12的上下部分分别与下齿条14、上齿条10形成啮合，使上下齿条之间能形成沿轴向相向或相背的移动，上齿条10被焊接固定于左侧楔形从动圆盘6或左侧楔形实心导体转子上并随之一起运动，支撑架11与从动轴20之间轴向固定。

在安装运行楔形圆盘可调速磁力联轴器的过程中，支撑架11与从动轴20之间的轴向固定方式可采用Z1型胀套的胀紧连接或是圆柱销、圆锥销连接；套筒17、轴套2、轴套16需在轴上作轴向移动，其与从动轴20之间通过导向键或滑键连接；如图3所示，永磁体7被分割成多个扇形块，并且在圆周方向通过紧密连接围成圆环，各个扇形块的磁化方向可采用N、S极交错轴向磁化(图3(a))；halbach45°(图3(d))轴向磁化；halbach60°轴向磁化(图3(c))；或halbach90°((a))轴向磁化，这四种排列方式中的一种或多种同时进行；V形导体13的材料采用铜、铝或两者的混合物中的一种，其结构采用如图4中所示的结构，单一型铜导体结构(图3(c))、单一型铝导体(图3(d))、内层为铜且外层为铝的复合结构(图3(b))或内外层为铝、中间层为铜的复合结构(图3(a))，这四种结构方式中的一种；驱使减速齿轮22运动的减速机构的传动方式可选择为多级齿轮传动、蜗轮蜗杆传动中的一种。

联轴器的工作原理：通过永磁体和导体之间气隙磁场的相互作用，达到主从动轴之间转矩传输的目的。电动机的输出轴与主动轴3相连并驱使其做旋转运动，而楔形主动圆盘(5)此时也会相对楔形从动圆盘6做旋转运动，其上的永磁体7也就会产生旋转变化的磁场，楔形从动圆盘6上的V形导体13切割磁力线从而在其表面上会产生感应电流，根据法拉第电磁感应原理，感应电流又将感生一个感应磁场并与永磁体磁场相互作用，阻止楔形从动圆盘(6)与楔形主动圆盘5的相对运动，从而实现了电机与负载之间的扭矩传输。在联轴器运动的过程中，通过控制电机的正反转，可以实现驱动齿条21沿轴向左右移动；当驱动齿条21沿轴向向左移动时，使方形轴承底座18也会随之向左运动，然后通过双向推力球轴承19推动套筒17、下齿条14和右侧楔形从动盘向左运动，此时会带动齿轮12做顺时针运动，由于上齿条10和齿轮12的啮合传动也会带动上齿条10向右移动，左侧楔形从动圆盘也会随之向右运动，实现了左右楔形圆盘的相向运动；反之，当驱动齿条21沿轴向向右移动时，也可实现左右楔形圆盘的相背运动，因此，在联轴器运行过程中可随时改变主从动盘之间的距离，从而改变从动轴转矩和转速，达到了无级调速的目的。

电机的软启动和过载保护原理：电机启动时，与电机连接的楔形主动圆盘5很快达到电机的额定转速，此时与楔形从动圆盘6之间产生相对速度差，其将推动两盘之间的间隙最大化，这样电机可在轻载下达到其额定转速；随着不断调节调速机构来改变主从动盘之间的气隙，同时楔形从动圆盘6转速也逐渐加快，最后也达到预期转速；当突然出现过载或卡死情况时，与楔形从动圆盘6的转速很快下降到零，而楔形主动圆盘5则继续按照电机的速度转动，两者之间产生的相对速度差，能迅速将两盘之间的间隙拉至最大，从而消除了主从动盘之间的扭矩传递，达到保护电机的目的。

实施例2：在实施例1的基础上，使方形轴承底座18产生轴向位移的机构可换为曲柄滑块机构或螺纹丝杠机构中的一种；其中图5给出了曲柄滑块机构的运动简图，通过步进电机精确控制曲柄25的转角，从而曲柄通过两个连杆构件将转动副转换为移动副，从而方形轴承底座18也就会受到滑块对其作用的水平力而产生水平位移，达到了提供动力源的目的。

Claims (9)

1.一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，包括主动盘装置、从动盘装置和调速机构，其特征在于：主动盘装置包括主动轴（3）、轴套（4）、楔形主动圆盘（5）和永磁体（7）构成，主动轴(3)与电动机的输出轴相连，轴套(4)与楔形主动圆盘(5)通过螺栓固连在一起，永磁体(7)黏贴于楔形主动圆盘(5)的表面；从动盘装置包括从动轴(20)和楔形实心导体转子或内嵌V形导体的复合式圆盘转子，楔形实心导体转子采用钢材料制成，内嵌V形导体的复合式圆盘转子由楔形从动圆盘(6)和V形导块(13)构成，楔形从动圆盘(6)采用钢材料制成，并在其表面开V形槽，槽内放置V形导块(13)，通过调速机构调节楔形主动圆盘(5)和楔形从动圆盘(6)或楔形实心导体转子之间的轴向距离，同时改变了永磁体(7)与V形导体(13)之间的正对面积和气隙大小，从而控制输出转速及转矩的大小。

2.如权利要求1所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述调速机构由减速机构、驱动齿轮(23)、驱动齿条(21)、方形轴承底座(18)、双向推力球轴承(19)、套筒(17)、下齿条(14)、齿轮(12)、支撑架(11)、上齿条(10)构成，驱动齿轮(23)一端与减速机构与相连，另一端与驱动齿条(21)进行啮合并促使驱动齿条(21)运动，驱动齿条(21)固定于方形轴承底座(18)的底部，双向推力球轴承(19)的外圈内嵌于方形轴承底座(18)的内部，内圈固定于套筒(17)上，套筒(17)固定在从动轴(20)上，能够相对从动轴(20)轴向移动，下齿条(14)的支撑板（26）的右侧通过螺栓与套筒(17)固定为一体，下齿条(14)的支撑板（26）的下侧焊接于右侧楔形从动圆盘(6)或右侧楔形实心导体转子的内部并随之一起沿轴向运动，齿轮(12)安装在支撑架(11)上，相对支撑架(11)可转动，同时齿轮(12)的上下部分分别与下齿条(14)、上齿条(10)形成啮合，使上下齿条之间能形成沿轴向相向或相背的移动，上齿条(10)被焊接固定于左侧楔形从动圆盘(6) 或左侧楔形实心导体转子上并随之一起运动，支撑架(11)与从动轴(20)之间轴向固定。

3.如权利要求2所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的下齿条(14)、齿轮(12)、上齿条(10)和支撑架(11)形成的轴向位移调节机构共有三个，沿楔形从动圆盘(6)或楔形实心导体转子的圆周方向按每隔120°的方式均匀分布。

4.如权利要求2所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的支撑架(11)与从动轴(20)之间的轴向固定方式采用Z1型胀套的胀紧连接或圆柱销、圆锥销连接。

5.如权利要求2所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的套筒(17)与从动轴(20)之间通过导向键或滑键连接，以在轴上作相对轴向移动。

6.如权利要求1所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的永磁体(7)被分割成多个扇形块，并且在圆周方向通过紧密连接围成圆环，各个扇形块的磁化方向采用N、S极交错轴向磁化、halbach45°轴向磁化、halbach60°轴向磁化、halbach90°轴向磁化或halbach排列方式多种同时进行。

7.如权利要求1所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的V形导体(13)的材料采用铜、铝或两者的混合物中的一种，其结构采用单一型铜导体、单一型铝导体、内层为铜且外层为铝的复合结构或内外层为铝和中间层为铜的复合结构方式中的一种。

8.如权利要求2所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述方形轴承底座(18)由齿轮齿条机构、曲柄滑块机构或螺纹丝杠机构驱动，产生轴向位移。

9.如权利要求2所述的一种楔形圆盘可调速磁力联轴器，其特征在于：所述的减速机构由电机驱动，其传动方式为多级齿轮传动和蜗轮蜗杆传动中的一种。

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