CN102714454A - 永磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于同步传递转矩的永磁耦合器，其包含具有永磁铁(4a、4b)的第一构件(1)并且包含第二构件(2)，所述第一构件和第二构件作为内转子和外转子构造并且通过在这些构件(1、2)之间延伸的气隙(3)分开，这些构件(1、2)通过由永磁铁(4a、4b)与第二构件(2)共同作用产生的力耦合以便能够同步运动，第一构件(1)具有第一组具有平行于气隙(3)延伸的磁化方向的永磁铁(4a)和第二组具有垂直于气隙(3)延伸的磁化方向的永磁铁(4b)，第一构件(1)的第一组和第二组永磁铁(4a、4b)沿圆周方向交替布置，沿圆周方向看第一组的依次相继的各永磁铁(4a)和第二组的依次相继的各永磁铁(4b)分别具有相反的磁化方向。根据本发明，第二组的永磁铁(4b)从气隙(3)出发相对于第一组的永磁铁(4a)退后错开设置，使得在气隙(3)和第二组的永磁铁(4b)之间保留无永磁铁的特别是由软铁构成的空隙(5)，该空隙在侧面被第一组的永磁铁(4a)限定。

Description

永磁耦合器

技术领域

本发明涉及一种用于同步传递转矩的永磁耦合器，其包含具有永磁铁的第一构件并且包含第二构件，所述第一构件和第二构件构造成内转子和外转子并且通过在这些构件之间延伸的气隙分开，这些构件通过由永磁铁与第二构件共同作用产生的力耦合以便能够同步运动，第一构件具有第一组具有平行于气隙延伸的磁化方向的永磁铁和第二组具有垂直于气隙延伸的磁化方向的永磁铁，第一构件的第一组和第二组永磁铁沿圆周方向交替设置，其中沿圆周方向看第一组的依次相继的各永磁铁和第二组的依次相继的各永磁铁分别具有相反的磁化方向。

背景技术

永磁耦合器使得能够无磨损地和无接触地通过气隙传递力和转矩。术语气隙以专业方式一般指沿力传递方向在构件之间形成的间隔，在该间隔中例如也可以使用缝隙罐(Spalttopf)，该缝隙罐使得能够在各构件之间无泄漏地密封。这样具有缝隙罐的永磁耦合器例如能够在泵中使用，通过无泄漏的力或者转矩传递在影响环境的、有毒的或者其他危险的物质的情况下通过空间上的分离也保证提高的安全性。另外的应用领域是需要力或者转矩限制的应用，其中直到一个规定的力或者一个规定的转矩所述构件实施同步的或者至少在很大程度上同步的运动，而在达到该规定的值的情况下永磁耦合器打滑。这样的特性特别在制造机床和加工机床中具有优点，例如当应该避免过载或者在建立螺丝连接时应该保持规定的拧紧转矩时。因为转矩或者力的传递无接触地进行，所以打滑不会导致耦合器的磨损，使得该耦合器适合在强负荷下长期使用。

为在用于传递转矩的永磁耦合器中产生通过气隙起作用的磁场，已知使在构件上使用的永磁铁以其磁化方向要么平行于要么垂直于气隙取向。相应的可选择的设计从FR 2 782 419 A1中已知。在该文献中另外建议，通过磁铁的形状根据角度调制在构件之间作用的力。

从电动驱动装置的领域已知，以所谓的Halbach阵列的形式布置具有不同磁化方向的永磁铁，由此磁通在该布置的一侧减小，而在相对的一侧加强。

具有开始时说明的特征的永磁耦合器从文献GB 2 240 666 A和US2004/0066107 A1得知。为传递转矩而使用的永磁耦合器的内转子和外转子分别由第一组永磁铁和第二组永磁铁构成，它们具有彼此垂直的磁化方向。为在第一构件和第二构件上实现圆柱形的形状，永磁铁具有花费十分大的并且匹配相应的直径尺寸的形状。虽然用所述永磁耦合器能够在总体上得到高的磁通密度，其中也不需强制布置回流元件，但是制造开销非常大而且费用高昂，因为它的形状需要专门匹配的磁铁。

除用于同步传递转矩的同类永磁耦合器外，还已知涡流耦合器，其基于另一种基本的作用原理。一种涡流耦合器例如在JP 2001 327154 A中说明。在涡流耦合器中使用具有永磁铁的第一构件和用导电材料制成的第二构件。在第一构件旋转时磁铁在第二构件的导电材料中感生涡流并从而产生一定的反磁场。在以可旋转的方式支撑第二构件的情况下该第二构件以减小的转速旋转。在该第二构件的导电材料内不再发生保留的磁化。更确切地说，在第二构件内感生的磁场相应于第一和第二构件之间的不同的转速作用。因此涡流耦合器基于异步传递原理。

发明内容

在这种背景下本发明的任务在于，给出一种用于同步传递转矩的永磁耦合器，其使得能够在紧凑的结构中传递大的转矩或者力，并同时能够简单和低成本地制造。

从具有开始时说明的特征的永磁耦合器出发，根据本发明该任务如下解决：第二组的永磁铁从气隙出发这样相对于第一组的永磁铁退后错开布置，使得在气隙和第二组的永磁铁之间保留无永磁铁的空隙，该空隙在侧面被第一组的永磁铁限定。

磁铁的布置符合目的地这样进行：在各单个空隙处相邻的磁铁以同名的磁极指向各有关空隙的方向。与已知的设计相比，由此通过把各单个磁铁围绕空隙设置而放大可供磁通进入的表面。关于与第二构件的相互作用，各单个空隙通过重叠由相邻的磁铁产生的磁场构成具有提高的磁通密度的等效磁极，由此要么提高要实现的保持力矩，或者在规定了保持力矩的情况下能够减小结构尺寸。

通过根据本发明使各空隙借助与其相邻的磁铁构成等效的磁极，为实现本发明的教导不需要各单个磁铁的昂贵的设计。特别能够为第一构件的第一组以及第二组的永磁铁使用简单的长方六面体形状。这样能够特别低成本地并且没有材料损失地制造例如通过烧结制造的、并且必要时被切割成规定大小的永磁铁。也能够复归商业上通用的标准尺寸，由此在小批量或者单个制造时也在总体上实现非常低的制造成本。因为为构成第一构件能够使用简单的长方六面体形的磁铁，所以也能够特别灵活地适应例如不同规定的直径。

在无永磁铁的空隙内以适宜的方式使用填充材料，以便实现磁通的有利的空间分布。特别可以使用具有高导磁率的材料、例如软磁材料。特别适宜的是以涂层的电工钢片的形式存在的软铁。除构成希望的磁场分布外，填充材料还有助于把磁铁保持在第一构件上以及给第一构件在气隙区域内提供均匀的表面结构。

因为在本发明的设计范围内第二组永磁铁退后错开设置，并且第一构件的全部磁铁优选不以花费大的方式倾斜成形，所以在第二组磁铁的与空隙相对置的一侧有不可忽略的磁通流出。为在这种背景下避免磁损失和不希望的漏磁场，优选为永磁铁构造一个支架作为回流元件。该支架例如可以用铁磁材料例如涂层的电工钢片构成。

在本发明的框架内，第二构件也可以具有永磁铁，这些永磁铁通过气隙与第一构件的永磁铁共同作用。如也对于第一构件那样，这些磁铁由通常的磁铁材料例如NdFeB、NeFeBo或者SmCo构成。可以使用简单的长方六面体形的磁铁，这点对于材料选择也极具优点，使得对于各种制造方法不需要提出特殊的要求。通过构件的规定的几何结构，在永磁耦合器的所述的设计中直到打滑都在构件之间进行运动的完全同步的传递。

对于第二构件的永磁铁的布置，可以以常规的方式设定全部磁铁以其磁化方向垂直于或者平行于气隙定向。但是为能够传递特别大的力或者转矩，也可以在第二构件上提供一种布置，其类似于具有第一组和第二组永磁铁的第一构件上的布置，其中第一组和第二组的永磁铁具有不同的磁化方向，并且在这些永磁铁之间保留先前说明的无永磁铁的空隙。

根据本发明的另外一种可选的设计，第二构件具有可磁化的与第一构件的永磁铁共同作用的材料。

该可磁化的材料优选是磁滞材料，在这种磁滞材料中反复磁化仅在存在一定的反向场的情况下才进行。相应的永磁耦合器在实际中也称为磁滞耦合器。在要传递的力或转矩小的情况下，如在先前说明的、在第一构件以及第二构件上有永磁铁的设计的情况一样，进行力或者转矩的同步传递。也就是说在低于最大要传递的力或者低于最大要传递的转矩时，可磁化的材料通过第一构件的永磁铁以规定的方式磁化，使得在那时构件进行同步的运动。在接近规定的边界值时，磁滞材料开始反复磁化并且耦合器相应打滑，使得那时不再存在同步运动。因为在可磁化的材料内磁场分布不持续地给定，所以通常观察到比在如上述第二构件也用永磁铁铺设的永磁耦合器的情况下较弱的滑转特性。通过选择材料能够调整反复磁化损失(磁滞损失)并从而也能够调整通过向热能的转换的制动。在通过向热能的转换制动时，在设计永磁耦合器时还需要使用足够的冷却。作为磁滞材料例如AlNiCo材料是合适的，这样的合金除铝(Al)、镊(Ni)和钴(Co)外，还可以包括铁(Fe)、铜(Cu)以及钛(Ti)。

最后也可能，第二构件既有永磁铁也有可磁化的材料，由此能够根据相应的需求精确地调整耦合器的特性。

附图说明

下面根据仅描述一个实施例的附图说明本发明。示意性附图中：

图1用于传递转矩使用的永磁耦合器的剖面图；

图2图1的局部详细视图；

图3永磁耦合器的部件的透视图；

图4和5用于转矩传递的永磁耦合器的可选的设计。

具体实施方式

图1示出用于传递转矩的永磁耦合器，具有作为内转子构造的第一构件1和作为外转子构造的第二构件2，它们通过气隙3分开。第一构件1具有第一组永磁铁4a以及在这些永磁铁4a之间设置的第二组永磁铁4b。

在图2的详细视图中可以看出，第一组永磁铁4a的磁化方向平行于各沿圆周方向相邻的气隙3定向，第一组的在圆周方向上依次相继设置的永磁铁4a具有交替地相反的磁化方向。

从气隙3出发，第二组永磁铁4b相对于第一组永磁铁4a这样退后错开，使得在气隙3与第二组永磁铁4b之间保留无永磁铁的空隙5，该空隙在侧面被第一组的永磁铁4a限定。第二组的永磁铁4b的磁化方向垂直于气隙3定向，使得在各单个空隙5的相应的三个表面上，相邻的永磁铁4a、4b要么都以北极要么都以南极相邻。通过这种布置，在空隙5处通过相邻的永磁铁4a、4b的磁场的重叠构成一个具有提高了磁通密度的等效磁极。这归因于，通过退后错开布置第二组的永磁铁4b，使用于磁通进入的面积被最大化。为实现大的磁场强度和避免损失，空隙5用软磁材料例如涂层的电工钢片填充。另外永磁铁4a、4b布置在第一构件的支架6上，该支架构成回流元件。

作为第二构件2的外转子用磁滞材料制成的段8覆盖，这里为进一步提高转矩，这些段以两排相叠地布置。

比较观察图2和3可知，永磁耦合器的全部永磁铁4a、4b和磁滞材料8的各段成长方六面体形构造。虽然通过根据本发明设定的永磁铁4a、4b在第一构件上的布置能够实现特别高的磁通密度从而实现特别大的要传递的转矩，但是通过使用商业上通用的棒状磁铁4a、4b或者段应该特别有利于制造永磁耦合器。特别可以通过简单地改变几何结构和永磁铁4a、4b的铺设对于尺寸和/或要实现的转矩进行匹配。

此外从图3可知，在纵向方向上看也可以不受限制地使用永磁铁4a、4b的多个环路，使得通过使用标准结构零件也产生另外的变体的可能性。

在第一构件1和第二构件2之间可以使用形式为缝隙罐7的分开元件，该分开元件使得能够无泄漏地分开构件1、2。未描述的是构件1、2的通常使用的支承，例如借助滚动轴承。

图1到3中描述的永磁耦合器为传递转矩而使用，其中构件1、2之一配置给驱动端，并且另一构件2、1配置给输出端。当例如位于内部的第一构件被旋转驱动时，由于在永磁铁4a、4b和磁滞材料8之间作用的力第二构件2同步运动，直到达到由永磁铁4a、4b与磁滞材料8的相互作用规定的边界转矩。到达该边界转矩时通过气隙3传递的力不再足以能够通过驱动第一构件1带动第二构件2，使得那时永磁耦合器打滑。特别能够有目的地使用这种打滑，以便在规定的安装过程中获得准确规定的转矩或者还在加工机床或者其他驱动装置中避免过载。

在一种具有内转子和外转子的用于传递转矩的永磁耦合器中能够由于旋转运动实现自由的打滑。在此在借助在第二构件2上的磁滞材料8的设计中产生优点：通过反复磁化损失进行制动。这里通过选择磁滞材料8或者改变气隙能够调整制动力。还可以想到这样的设计，其中第二构件2既包括永磁铁4c也包括磁滞材料8。

图4示出永磁耦合器的一种可选的设计，其中外转子作为第二构件2也铺设永磁铁4c。作为第一构件1的内转子如在图1到3中描述的磁滞耦合器构造。与第一构件1的每一个无永磁铁的空隙5对置设置第二构件2的相反极化的永磁铁4c，使得对于内转子和外转子围绕圆周看产生相同的磁极分布。在所示实施例中第二构件的永磁铁4c也构造为长方六面体状，使得这些永磁铁在它们的布置中形成多边形的轮廓。可选地也可以设定，永磁铁4c成梯形设计和/或在永磁铁的朝向气隙3的一侧设有弯曲，以便优化地利用存在的结构空间。

图5表示永磁耦合器的另一种设计，其中作为第一构件1的内转子如关联图1到3中描述的那样构造。当然对于作为第二构件2的外转子使用第一组永磁铁4d和第二组永磁铁4e的布置。永磁铁4d、4e也像第一构件1中这样布置，使得形成无永磁铁的空隙5’，在各单个空隙5’的相应的三个表面上围绕的永磁铁4d、4e要么都以它们的北极要么都以它们的南极相邻。空隙5’用软磁材料例如软铁填充。该软铁可以以涂层的电工钢片的形式存在。

Claims (6)

1.用于同步传递转矩的永磁耦合器，其包含具有永磁铁(4a、4b)的第一构件(1)并且包含第二构件(2)，所述第一构件和第二构件构造成内转子和外转子并且通过在所述构件(1、2)之间延伸的气隙(3)分开，这些构件(1、2)通过由永磁铁(4a、4b)与第二构件(2)共同作用产生的力而耦合以便能够同步运动，第一构件(1)具有第一组具有平行于气隙(3)延伸的磁化方向的永磁铁(4a)和第二组具有垂直于气隙(3)延伸的磁化方向的永磁铁(4b)，第一构件(1)的第一组和第二组永磁铁(4a、4b)沿圆周方向交替布置，并且沿圆周方向看第一组的依次相继的各永磁铁(4a)和第二组的依次相继的各永磁铁(4b)分别具有相反的磁化方向，其特征在于，第二组的永磁铁(4b)从气隙(3)出发相对于第一组的永磁铁(4a)退后错开布置，使得在气隙(3)和第二组的永磁铁(4b)之间保留无永磁铁的空隙(5)，该空隙在侧面被第一组的永磁铁(4a)限定。

2.根据权利要求1所述的永磁耦合器，其特征在于，在无永磁铁的空隙(5)内布置填充材料。

3.根据权利要求1或2所述的永磁耦合器，其特征在于，第一组和/或第二组的永磁铁(4a、4b)是长方六面体形。

4.根据权利要求3所述的永磁耦合器，其特征在于，永磁耦合器的全部永磁铁(4a、4b、4c)是长方六面体形。

5.根据权利要求1到4之一所述的永磁耦合器，其特征在于，第二构件(2)具有与第一构件(1)的永磁铁(4a、4b)共同作用的永磁铁(4c)。

6.根据权利要求1到4之一所述的永磁耦合器，其特征在于，第二构件(2)具有与第一构件(1)的永磁铁(4a、4b)共同作用的能被磁化的材料。

Images