CN102820762B - 一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械工程传动技术领域，特指一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，本发明通过控制脉冲频率来精确控制步进电机转动位移，同时通过齿轮传动和螺纹传动控制活动卡体的径向位移，可以精确地调节永磁体和导条之间的径向距离，输出不同的转速、转矩，实现了联轴器自身无级变速的目的。

Description

一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器

技术领域

本发明涉及机械工程传动技术领域，特指一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，主要用于炼油、化工、煤炭、发电等行业的电机与负载之间的动力传递以及其他装置。

技术背景

在机械工程传动技术领域，联轴器是机械传动系统中重要的组成部分，随着科学技术的不断发展，联轴器的应用范围也越来越广；在传统的机械传动系统中，由于采用机械连接方式，设备之间的对中精度要求很高，这对于大型设备或高精度传动系统来说对中安装难度很大，一旦对中存在误差，传动系统则可能在工作过程中被扭断从而造成重大事故；另外，当电机在负载启动时，由于电机的旋转磁场在瞬间就达到了同步转速，而电机转子要带动负载，转速从零逐渐达到额定转速；在电机转子转速较低时，电机转子中会感应出较大的电流，而使电机迅速发热，当负载过大、设备发生堵塞或卡死现象时，电流发热会烧坏电机线圈引起电机失效。

磁力联轴器作为磁力传动的一种形式，相对于传统的机械式联轴器，磁力联轴器最大的特点在于在传动过程中，不存在机械接触、摩擦和磨损，同时具有过载保护功能；因而，在一些大扭矩振动领域，磁力联轴器已逐步取代机械式联轴器来传递扭矩和动力；但是，普通的磁力联轴器并不能解决电机负载启动时，电机发热乃至失效的问题；因此，如何实现电机的软启动，有效解决电机负载启动时电机发热和失效问题，如何在化工领域实现内、外转子的完全密封，实现传动的无级变速，提高联轴器的效率传动，是拓展磁力联轴器应用范围的关键课题之一。 

在专利CN201010228656.0中，公开了一种远程自动控制可调速式盘式磁力联轴器，包括：驱动盘总成、从动盘总成和调速装置总成，通过调速装置，改变从动盘的轴向运动，使主、从动盘之间的气隙厚度发生改变，以此改变输出转矩的大小，此种联轴器可以实现自动调节气隙长度，但是通过调速器不能精确地调节气隙长度；在专利CN201110219054.3中，公开了一种可调式轴向异步磁力联轴器，包括：内转子总成、外转子总成、调速装置及隔离套，通过调速装置，改变摩擦轮主从动轮之间的运动，使永磁体与铜条之间的啮合面积发生改变，以此实现转矩输出，但是，此种联轴器通过手动调节操作不太方便，调节精度不高，误差大，永磁体的利用率较低。

本发明联轴器为远程自动控制径向气隙的磁力调速器，通过控制脉冲频率来精确控制步进电机转动位移，同时通过齿轮传动和螺纹传动，精确调节活动卡体的径向位移，使永磁体和导条之间的径向距离发生改变，以此实现不同转速、转矩的线性输出，从而实现了联轴器无级变速的目的和电机软启动功能，同时也提高了永磁体的利用率，进一步扩展了磁力联轴器的使用范围。

发明内容

本发明提供了一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，通过对调速结构的研究，不但实现了联轴器自身无级变速的目的，提高磁力联轴器的传动效率，还解决了电机负载启动时因感应电流过大导致电机发热乃至失效的问题，实现了电机的软启动功能；通过对内外转子总成组成的传动机构的研究，提出了在不同场合下能提供稳定转矩、功率的传输机构，扩展了磁力联轴器的使用范围。

一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，包括外转子总成、内转子总成及隔离套，外转子总成与主动轴连接，内转子总成与从动轴连接，外转子总成和内转子总成通过磁场力的作用实现传动；外转子总成包括套筒、圆盘体、卡体驱动机构、活动卡体和永磁体，内转子总成包括内转子基体和导条，卡体驱动机构包括小锥齿轮和大锥齿轮，圆盘体套在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，小锥齿轮沿圆周方向对称分布在圆盘体外表面的两个插孔中，大锥齿轮与圆盘体同心，同时与周向分布的小锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面为螺旋状平面矩形螺纹，活动卡体与大锥齿轮通过螺纹副进行连接，永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在活动卡体底部内表面的槽内，其特征在于：所述卡体驱动机构还包括步进电机驱动系统，所述步进电机驱动系统由步进电机、步进控制器、步进驱动器、电刷、弹簧和导电圆环组成，步进电机通过定位台安装在圆盘体的外表面上，步进电机的输出轴套在圆盘体外表面上的插孔里，与小锥齿轮啮合；步进驱动器与步进电机焊接为一体，步进驱动器上装有无线信号接收器，步进控制器装有无线信号发射器，步进驱动器与步进控制器通过无线连接，步进驱动器的正负极电源接口分别与电刷连接，两个正负极导电圆环都固定在工作台上，正极导电圆环和负极导电圆环的接线柱分别连接外部电源的正负极， 电刷通过弹簧紧靠在导电圆环的滑槽                                                内，用电刷的弹性压力与导电圆环上滑槽的滑动接触来为步进驱动器和步进电机提供电源，步进电机的接线柱分别与步进驱动器的A+、A-和B+、B-接口相连。

当步进控制器发出转动信号时，步进驱动器接收到一个转动脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，通过控制脉冲频率来精确控制步进电机转动位移，步进电机带动小锥齿轮转动，小锥齿轮带动大锥齿轮转动，大锥齿轮背面的平面螺纹转动使活动卡体同时沿滑槽向圆盘体中心径向靠近或退出，因为平面矩形螺纹的螺距相等，所以活动卡体径向运动的距离也相等；永磁体紧密内嵌在活动卡体底部内表面的槽内，当活动卡体作向心运动时，整个永磁体也实现径向靠近或退出，从而精确地改变了永磁体与导条的径向距离。

当步进控制器发出正转信号时，步进驱动器接收到一个正转脉冲信号，它就驱动步进电机按正方向转动，步进电机带动小锥齿轮顺时针转动，小锥齿轮带动大锥齿轮逆时针转动，其背面的平面螺纹也逆时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体向圆盘体的中心径向直线移进，永磁体与导条之间的径向距离变小，气隙间磁场力变大，输出的扭矩变大；当步进控制器发出反转信号时，步进驱动器接收到一个反转脉冲信号，它就驱动步进电机按反方向转动，步进电机带动小锥齿轮逆时针转动，小锥齿轮带动大锥齿轮顺时针转动，其背面的平面螺纹也顺时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体沿滑槽远离圆盘体的中心，永磁体与导条的径向距离变大，气隙间磁场力变小，输出的扭矩也相应减小。

所述的外转子总成中活动卡体的底部需开槽，永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在活动卡体的槽内，永磁体采用钕铁硼材料，通过径向或轴向多极充磁形成，N极和S极既可以单块磁体为一极，也可以多块同极性、同尺寸的环形磁体为一极。

所述的活动卡体底部的内表面既可以嵌入永磁体，也可以嵌入导条；当活动卡体底部的内表面嵌入永磁体时，内转子基体中嵌入导条，当活动卡体底部的内表面嵌入导条时，内转子基体中则嵌入永磁体。

所述的隔离套在化工、炼油等既要求实现磁力传动，也要求实现完全密封的行业中，需要安装在基座上，隔离套由薄壁筒和底部组成，薄壁筒的材料为PEEK复合材料，底部为实心弧形，材料为哈氏合金，两部分通过强力粘合剂结合；在仅要求实现磁力传动的行业中，可以不安装隔离套。

所述的外转子总成和内转子总成组成的传动机构，它有二种可供实施的结构，其一为电流感应式磁力调速器，内转子总成由内转子基体、导条组成，在内转子基体的槽内嵌入导条，此种磁力调速器启动特性好，传动效率高；其二为涡流感应式磁力调速器，内转子总成由外层铜皮和内层实心转子组成，铜皮包裹在内层实心转子上，形成柱体结构，此种磁力调速器加工方便，适用于高压、高温等场合。

本发明的优点：

（1）通过控制脉冲频率来精确控制步进电机转动位移，同时通过齿轮传动和螺纹传动控制活动卡体的径向位移，可以精确地调节永磁体和导条之间的径向距离，输出不同的转速、转矩，实现了联轴器自身无级变速的目的。

（2）永磁体内嵌在活动卡体的槽内，使内转子总成与外转子总成实现非接触传动，通过转子间气隙磁场相互作用实现了转矩的传递，过载保护性能和起动性能好，避免了振动的干扰，减小了传动部件的损耗，提高了联轴器传动的效率。

（3）本发明为径向自动控制气隙长度，与轴向改变永磁体和导条啮合面积相比，提高了永磁体的利用率；与径向手动控制气隙长度相比，活动卡体径向移进或移出的距离更精确，并且可以在联轴器工作时自动控制气隙的长度，得到不同的转速、转矩。

（4）在启动电机前，通过自动控制步进电机，将活动卡体移到最大外径处，故而当电机启动的瞬间，由于永磁体与铜条之间的径向距离较大，磁场作用力较小，电机就可在空载情况下启动，实现了电机的软启动。

附图说明

图1为实施例1的鼠笼异步磁力联轴器结构图；

图2为实施例1的鼠笼异步磁力联轴器内、外转子的剖面视图；

图3圆盘体结构示意图；

图4为步进电机驱动系统结构示意图及工作原理图；

图5正负极导电圆环结构示意图；

图6联轴器正转时工作流程图；

图7联轴器反转时工作流程图

图8为实施例2的双层实心异步磁力联轴器结构图；

图9为实施例2的双层实心异步磁力联轴器内、外转子的剖面视图；

图10为隔离套结构示意图；

图中，1-主动轴，2-套筒，3-圆盘体，4-步进电机，5-电机定位台，6-滑槽，7-活动卡体，8-永磁体，9-隔离套， 10-基座，11-从动轴，12-内转子基体，13-导条， 14-螺纹副，15-大锥齿轮，16-小锥齿轮，17-滑槽，18-平面矩形螺纹，19-插孔， 20-步进控制器，21-电刷，22-弹簧，23-步进驱动器，24-步进电机电源接线柱，25-正极导电圆环，26-负极导电圆环，27-正极接线柱，28-负极接线柱，29-气隙，30-外层铜皮，31-内层实心转子, 32-隔离套的薄壁筒，33-隔离套的底部，①-外转子总成，②-内转子总成，-卡体驱动机构，-步进电机驱动系统。

具体实施方式

本发明实施例1的结构如图1所示，该装置主要包括外转子总成①、内转子总成②及隔离套9组成，外转子总成①和内转子总成②通过磁场力的作用实现传动；外转子总成①包括套筒2、圆盘体3、卡体驱动机构、活动卡体7和永磁体8，内转子总成②包括内转子基体12和导条13，卡体驱动机构由小锥齿轮16、大锥齿轮15、步进电机驱动系统组成，步进电机驱动系统由步进电机4、步进控制器20、步进驱动器23、电刷21、弹簧22、正极导电圆环25和负极导电圆环26组成。

本发明的具体结构：圆盘体3套在主动轴1上，左端通过螺钉与套筒2固定在一起，小锥齿轮16沿圆周方向对称分布在圆盘体3外表面的两个插孔19中，大锥齿轮15与圆盘体3同心，同时与周向分布的小锥齿轮16啮合，大锥齿轮15的背面为螺旋状平面矩形螺纹18，步进电机4通过定位台5安装在圆盘体3的外表面上，步进电机4的输出轴套在圆盘体3外表面上的插孔19里，与小锥齿轮16啮合；步进驱动器23与步进电机4焊接为一体，步进驱动器23上装有无线信号接收器，步进控制器20装有无线信号发射器，步进驱动器23与步进控制器20通过无线连接，步进驱动器23的正负极电源接口分别与电刷21连接，正极导电圆环25和负极导电圆环26都固定在工作台上，正极导电圆环25的接线柱27和负极导电圆环26的接线柱28分别连接外部电源的正负极， 电刷21通过弹簧22紧靠在导电圆环的滑槽内，用电刷21的弹性压力与导电圆环上滑槽的滑动接触来为步进驱动器23和步进电机4提供电源，步进电机4的电源接线柱24分别与步进驱动器23的A+、A-和B+、B-接口相连；活动卡体7与大锥齿轮15通过螺纹副14进行连接，永磁体8按N极、S极偶数相间紧密内嵌在活动卡体7底部内表面的槽内。

外转子总成①中活动卡体7的底部需开槽，永磁体8按N极、S极偶数相间紧密内嵌在活动卡体7的槽内，永磁体8采用钕铁硼材料，通过径向或轴向多极充磁形成， N极和S极既可以单块磁体为一极，也可以多块同极性、同尺寸的环形磁体为一极。活动卡体7底部的内表面既可以嵌入永磁体8，也可以嵌入导条13。当活动卡体7底部的内表面嵌入永磁体8时，内转子基体12中嵌入导条13，当活动卡体7底部的内表面嵌入导条13时，内转子基体12中嵌入永磁体8。在化工、炼油等既要求实现磁力传动，也要求实现完全密封的行业中，所述的隔离套9安装在基座上；隔离套9由薄壁筒32和底部33组成，薄壁筒32的材料为PEEK复合材料，底部33为实心弧形，材料为哈氏合金，两部分通过强力粘合剂结合，在仅要求实现磁力传动的行业中，可以不安装隔离套9。

联轴器工作原理：通过永磁体8和导体13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。当外转子随电机旋转时，内嵌在活动卡体7底部槽内的永磁体8就会在气隙中产生一个大小和方向按一定规律变化的交变磁场，根据楞次定律，导条13切割磁力线就会产生感应电流，该电流与交变磁场相互作用，可使内转子受到一个与交变磁场方向相同的电磁转矩，从而使内转子转动。

实施例1的工作原理：当步进控制器20发出正转信号时，步进驱动器23接收到一个正转脉冲信号，它就驱动步进电机4按正方向转动，步进电机4带动小锥齿轮16顺时针转动，小锥齿轮16带动大锥齿轮15逆时针转动，其背面的平面螺纹18也逆时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体7沿滑槽向圆盘体3的中心径向直线移进，永磁体8与导条13之间的径向距离变小，气隙间磁场力变大，输出的扭矩变大；当步进控制器20发出反转信号时，步进驱动器23接收到一个反转脉冲信号，它就驱动步进电机4按反方向转动，步进电机4带动小锥齿轮16逆时针转动，小锥齿轮16带动大锥齿轮15顺时针转动，其背面的平面螺纹18也顺时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体7沿滑槽远离圆盘体3的中心，永磁体8与导条13的径向距离变大，气隙间磁场力变小，输出的扭矩也相应减小。

实现电机的软起动：在启动电机时，通过自动控制步进电机4，将活动卡体7移到最大外径处，这样电机与负载实现最大分离，电机空载或低负载启动，在电机运行稳定后，再通过步进电机驱动系统将永磁体8与导条13的径向距离调到预定的位置，从而避免了电机在负载启动过程中由于转差率过大，感应出很大的电流而使电机迅速发热乃至失效的问题。

实施例2的工作原理：在实施例1的基础上，将内转子总成中的导条13换成包裹在内层实心转子31上的外层铜皮30，当步进控制器20发出正转信号时，步进驱动器23接收到一个正转脉冲信号，它就驱动步进电机4按正方向转动，步进电机4带动小锥齿轮16顺时针转动，小锥齿轮16带动大锥齿轮15逆时针转动，其背面的平面螺纹18也逆时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体7沿滑槽向圆盘体3的中心径向直线移进，永磁体8与外层铜皮30之间的径向距离变小，气隙间磁场力变大，输出的扭矩变大；当步进控制器20发出反转信号时，步进驱动器23接收到一个反转脉冲信号，它就驱动步进电机4按反方向转动，步进电机4带动小锥齿轮16逆时针转动，小锥齿轮16带动大锥齿轮15顺时针转动，其背面的平面螺纹18也顺时针转动，通过螺纹传动带动活动卡体7沿滑槽远离圆盘体3的中心，永磁体8与外层铜皮30的径向距离变大，气隙间磁场力变小，输出的扭矩也相应减小。

Claims (2)

1.一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，包括外转子总成、内转子总成及隔离套，外转子总成与主动轴连接，内转子总成与从动轴连接，外转子总成和内转子总成通过磁场力的作用实现传动；外转子总成包括套筒、圆盘体、卡体驱动机构、活动卡体和永磁体，内转子总成包括内转子基体和导条，卡体驱动机构包括小锥齿轮和大锥齿轮，圆盘体套在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，小锥齿轮沿圆周方向对称分布在圆盘体外表面的两个插孔中，大锥齿轮与圆盘体同心，同时与周向分布的小锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面为螺旋状平面矩形螺纹，活动卡体与大锥齿轮通过螺纹副进行连接，永磁体按N极、S极相间排布紧密内嵌在活动卡体底部内表面的槽内，其特征在于：所述卡体驱动机构还包括步进电机驱动系统，所述步进电机驱动系统由步进电机、步进控制器、步进驱动器、电刷、弹簧和导电圆环组成，步进电机通过定位台安装在圆盘体的外表面上，步进电机的输出轴套在圆盘体外表面上的插孔里，与小锥齿轮啮合；步进驱动器与步进电机焊接为一体，步进驱动器上装有无线信号接收器，步进控制器装有无线信号发射器，步进驱动器与步进控制器通过无线连接，步进驱动器的正负极电源接口分别与电刷连接，两个正负极导电圆环都固定在工作台上，正极导电圆环和负极导电圆环的接线柱分别连接外部电源的正负极， 电刷通过弹簧紧靠在导电圆环的滑槽                                                内，用电刷的弹性压力与导电圆环上滑槽的滑动接触来为步进驱动器和步进电机提供电源，步进电机的接线柱分别与步进驱动器的A+、A-和B+、B-接口相连。

2.如权利要求1所述的一种远程自动控制径向气隙的磁力调速器，其特征在于：所述的隔离套安装在基座上；隔离套由薄壁筒和底部组成，薄壁筒的材料为PEEK复合材料，底部为实心弧形，材料为哈氏合金，两部分通过粘合剂结合。