CN102931806B - 一种啮合面积可调式异步磁力变矩器及其调速方法 - Google Patents

Abstract

一种啮合面积可调式异步磁力变矩器，涉及机械工程中的传动技术领域，由外转子总成 、内转子总成和调速装置总成组成。通过控制微型电机转动并经过减速机构驱动单头螺纹丝杠转动，单头螺纹丝杠的螺纹端与内转子总成中的内转子基体螺纹连接，由于同组的两个单头螺纹丝杠两端的螺纹旋向相同，但转动方向相反，当单头螺纹丝杠绕自身轴线旋转时，内转子左右基体将会沿从动轴移近或移出，从而同时改变左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条的啮合面积，调节气隙磁场强度，实现不同转速、转矩的输出；另外，每组调速机构是沿着从动轴周向相隔120°均匀分布安装的，从而保证了整个装置在运转工作中的平衡状态，保证了装置运转的可靠性与稳定性。

Description

一种啮合面积可调式异步磁力变矩器及其调速方法

技术领域

本发明涉及机械工程传动技术领域，是一种啮合面积可调式异步磁力变矩器，主要用于石化、化工、纸浆、发电、海运等行业的电机与负载之间或其它相关机构的动力传输装置中。

背景技术

在机械工程传动技术领域，联轴器是机械动力传输系统中的重要组成部件，使用范围广且需求量大，涉及矿山、冶金、航空、兵器、水电、化工、轻纺及交通运输等机械行业的各领域；在传统的机械传动系统中，通常情况用以传递扭矩和运动的联轴器均为接触式联轴器，根据其是否对相对位移有补偿能力，可分为刚性联轴器和挠性联轴器，但由于联轴器是刚性联结、机械力传递转矩，在安装时的轴向偏移将产生恢复力和力矩，这些力和力矩增加了邻近部件(轴、轴承)的载荷；径向和角向偏移将产生交变载荷而引起震动，轻则降低联轴器寿命，重则影响到设备的正常运行造成重大事故；当前，国内外的火力发电厂锅炉主机，其大功率鼓风机和引风机所采用的调速方式大部分是变频调速，鉴于变频调速器在生产运行中所出现的问题，尤其是变频设备故障的不确定性，给各发电厂生产上带来了隐患，直接影响了生产运行的连续性、稳定性和可靠性，也给电厂带来了较大的经济损失。

由于磁力联轴器是一种非接触式的联接，不仅具有弹性联轴器缓冲吸震的功能外，其最大的特点在于它可将内磁体和被传动件封闭起来，在没有机械接触情况下，实现力与力矩的传递，同时可以有效地解决机械式联轴器因在安装时轴向偏移产生恢复力和力矩，以及径向和角向偏移产生振动等问题；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。然而，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以及在需要输出定扭矩和不同扭矩的场合，如何取代电机的变频调速，实现传动的无级变速，提高联轴器的效率传动，使其应用范围受到一定限制；由此可见，对磁力联轴器的结构研究已显得十分重要。

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，它通过单个电机带动减速机构(锥齿轮或涡轮蜗杆）从而使得双头螺纹丝杠旋转，起到气隙调节的作用，它具有驱动盘与从动盘非接触，避免了振动的干扰，减小了传动部件的损耗，气隙大小调节十分便捷与精准，甚至可以远程调节磁力联轴器主从盘之间气隙的大小等特点，但是本发明磁力联轴器的调速装置总成使得整个装置质心偏离轴心，在设备高速运转时会产生较大的偏心力，影响整个装置传动的稳定性，严重时可导致设备无法正常运行造成重大事故；江苏大学于2009年10月26日提出的发明专利200910263064.X公开了一种可调

速式磁感应联轴器，它采用深槽式嵌入铜板(条)结构，产生深槽集肤效应之后，提高了传递的转矩；同时通过调速装置手动调节主从动盘之间气隙大小，实现转矩的输出速度可调，但是本发明磁力联轴器通过手动调节操作不太方便，调节精度不高，误差相应会很大，结构更是复杂，在有些空间受限制难以应用。

本发明设计出了一种新型啮合面积可调式异步磁力变矩器，利用沿周向均匀分布的调速机构调节外转子上的永磁体与内转子上的铜条的啮合面积，实现了不同转速、转矩的输出，从而实现了无级变速的目的，大大提高了异步磁力变矩器的传动效率，该啮合面积可调式异步磁力变矩器将使磁力联轴器应用更加广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的啮合面积可调式异步磁力变矩器，通过对调速装置总成的研究，提高磁力变矩器的传动效率，同时解决了电机负载启动时因感应电流过大电机发热乃至失效的问题以及实现磁力变矩器自身无级变速的目的。

本发明的技术方案：

本发明的啮合面积可调式异步磁力变矩器包括外转子总成、内转子总成和调速装置总成组成，其特征在于：所述调速装置总成由三组完全相同的调速机构组成，调速机构沿着从动轴周向相隔120°均匀分布，每组调速机构由一个微型电机、一个减速机构、两个单头螺纹丝杠组成；微型电机安装在磁力联轴器内转子总成的从动轴上，减速机构安装在微型电机的输出轴上，微型电机转动通过减速机构驱动左右单头螺纹丝杠转动，左右单头螺纹丝杠的螺纹端分别与内转子总成中的内转子左右基体螺纹连接，由于左右单头螺纹丝杠的螺纹旋向相同，但转动方向相反，当单头螺纹丝杠绕自身轴线旋转时，内转子总成中的内转子左右基体将会沿磁力联轴器从动轴相向或相背移动，从而同时改变两组永磁体与铜条之间的啮合面积，改变气隙磁场强度大小，实现不同转速、转矩的输出。

所述的调速装置总成中若左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹旋向均为右旋，在左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条完全啮合的情况下，当微型电机正转（顺时针）带动小锥齿轮时，减速机构中的左大锥齿轮和右大锥齿轮通过齿轮啮合转动，从而带动左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠转动，通过螺旋副使得内转子左基体向右运动，内转子右基体向左运动，左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至内转子左基体运至右极限位置，内转子右基体运动至左极限位置，左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积最小，气隙磁场强度最小；此时，微型电机反转（逆时针）带动小锥齿轮，内转子左基体向左运动，内转子右基体向右运动，外转子左永磁体与内转子左铜条、外转子右永磁体与内转子右铜条之间的啮合面积逐渐增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至内转子左基体运至左极限位置，内转子右基体运动至右极限位置，此时左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积最大，气隙磁场强度最大，若左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹旋向均为左旋，则与之相反。

所述的外转子总成和内转子总成组成的传动机构，为圆筒式异步磁力联轴器，外转子总成与主动轴连接，内转子总成与从动轴连接，外转子总成由套筒                                                、外转子基体、左支承盘、右支承盘、左永磁体、右永磁体和螺栓组成，左支承盘安装在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，右支承盘安装在套筒上，外转子基体两端分别通过螺栓与左右支承盘连接，左永磁体和右永磁体按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在外转子基体的内表面上；其内转子总成由内转子左基体、内转子右基体、左铜条、右铜条和套筒组成，左铜条和右铜条分别嵌入两端面开槽的内转子左右基体内，周向用铜包层包围，形成电流回路；内转子左基体、内转子右基体安装在从动轴上形成间隙配合，能够沿从动轴轴向左右移动，内转子右基体与安装在从动轴上的套筒通过螺钉连接，左铜条和右铜条分别与左永磁体和右永磁体正对；

所述的减速机构中包括两个左右对称的大锥齿轮，小锥齿轮通过平键连接安装在微型电机的输出轴上，微型电机带动小锥齿轮转动，小锥齿轮驱动大锥齿从而使得左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠转动。

所述调速装置总成中包含三组完全相同的调速机构，调速机构沿着从动轴周向相隔120°均匀分布，从而保证了整个装置在运转工作中的平衡状态，避免较大的偏心力，保证了装置运转的可靠性与稳定性。

所述的左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹端的螺纹都采用梯形螺纹，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺性好，压根强度高，对中性好，且可双向受力，微型电机带动单头螺纹丝杠旋转运动，传动的螺纹螺距精密，满足左右从动盘基体小位移的要求，达到小气隙随时改变的要求，单头螺纹丝杠传动两从动盘的位移较小，螺纹螺距值为1.5mm，以达到小位移变化的要求。

所述的左铜条和右铜条由薄铜层包起，形成封闭的感应电流回路。

本发明的优点：

（1）外转子与内转子非接触，通过气隙磁场相互作用实现转矩的传递，避免了旋转负载中的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题，使得永磁磁力驱动的传递效率大大提高。

（2）利用在从动轴上均匀分布的调速装置，通过螺纹副旋转来准确调节内外转子的啮合面积，不仅操作方便，而且能平稳、准确的实现内外转子间所需调节的啮合面积，从而精确控制传递转矩的大小，实现了不同转速、转矩的输出，大大提高了磁力联轴器的传动效率。

每组调速机构沿着从动轴圆周方向按每隔120°的方式均匀分布，保证了装置运转的稳定性和可靠性。

本发明通过对外转子总成、内转子总成和调速机构总成的研究，实现了不同需求下，可以输出不同转速和转矩，大大拓展了磁力联轴器的应用范围。

附图说明

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明；

图1为异步圆筒式磁力耦合器总体结构图；

图2为异步圆筒式磁力耦合器总成示意图；

图3为调速装置总成分布示意图；

图4为异步圆筒式磁力耦合器内外转子剖视图；

图5为永磁体和铜条啮合面积极限图；

图6为减速机构工作原理及结构示意图；

图中，-外转子总成，-内转子总成，-调速装置总成，-驱动盘总成，-从动盘总成，1-主动轴，2-套筒，3-左支承盘，4-螺栓，5-左永磁体，6-左单头螺纹丝杠，7-左大锥齿轮，8-右大锥齿轮，9-右单头螺纹丝杠，10-右永磁体，11-外转子基体，12-右支承盘，13-小锥齿轮，14-调速机构，15-微型电机，16-套筒，17-从动轴，18-内转子右基体，19-铜包层，20-右铜条，21-减速结构,22-左铜条，23-内转子左基体，24-圆锥销，25-螺钉。

具体实施方式

本发明的总体结构如图1所示，该装置主要由外转子总成、内转子总成和调速装置总成组成，外转子总成通过套筒2与主动轴1连接，内转子总成安装在从动轴17一端，调速装置总成与内转子总成连接；外转子总成包括套筒2、外转子基体11、左支承盘3、右支承盘12、左永磁体5、右永磁体10和螺栓4；左永磁体5和右永磁体10按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在外转子基体11的内表面上；内转子总成包括内转子左基体23、内转子右基体18、左铜条22、右铜条20和套筒16，铜条22、20分别嵌入两端面开槽的内转子基体23、18内，周向用铜包层19包围，形成电流回路；内转子左基体23、内转子右基体18安装在从动轴17上形成间隙配合，能够沿从动轴17轴向左右移动；调速装置总成结构如图1、3所示，由微型电机15、减速机构21和左右单头螺纹丝杠6、9组成的调速机构共有三个，沿着从动轴17圆周方向按每隔120°的方式均匀分布，减速机构21采用双向锥齿轮组，其中包括小锥齿轮13、左大锥齿轮7和右大锥齿轮8；小锥齿轮13与微型电机15的输出轴连接，左右大锥齿轮7、8分别与左右螺纹丝杠6、9的非螺纹端焊接为一体，当微型电机15带动小锥齿轮13转动时，左右大锥齿轮7、8通过齿轮啮合转动，从而驱动左右单头螺纹丝杠6、9转动。

调速装置总成中包含三组完全相同的调速机构14，三组调速机构14沿着从动轴17周向相隔120°均匀分布，从而保证了整个装置在运转工作中的平衡状态，避免较大的偏心力，保证了装置运转的可靠性与稳定性。

左单头螺纹丝杠6和右单头螺纹丝杠9的螺纹端的螺纹都采用梯形螺纹，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺性好，压根强度高，对中性好，且可双向受力；微型电机15带动单头螺纹丝杠6、9旋转运动，传动的螺纹螺距精密，满足左右从动盘基体小位移的要求，达到小气隙随时改变的要求；单头螺纹丝杠传动两从动盘的位移较小，螺纹螺距值为1.5mm，以达到小位移变化的要求。

实施例1的工作原理：主动轴1由电机驱动旋转时，带动外转子基体11转动，由于外转子基体11上粘装了左永磁体5和右永磁体10，形成旋转磁场，磁力联轴器内转子左基体23上的左铜条22和内转子右基体18上的右铜条20因切割永磁体的磁力线，在左铜条22和右铜条20上产生感应涡流，而涡流的磁场和永磁体的磁场相互作用使得内转子左右基体23、18转动。

实施例1的调速原理：当磁力耦合器内外转子转速差一定时，磁力耦合器内外转子之间传递动力能力的大小与相应的内外转子之间的啮合面积大小有关，啮合面积越大则传递动力的能力越小，反之，啮合面积越小则传递动力的能力越大，因此，在一定的内外转子转速差下，为达到负载所需的转矩大小，可通过调节内外转子间的气隙啮合面积来实现；如图6所示，若左单头螺纹丝杠6和右单头螺纹丝杠9的螺纹旋向均为右旋，在左永磁体5与左铜条22、右永磁体10与右铜条20完全啮合的情况下，当微型电机15正转（顺时针）带动小锥齿轮13时，减速机构21中的左大锥齿轮7和右大锥齿轮8通过齿轮啮合转动，从而带动左单头螺纹丝杠6和右单头螺纹丝杠9转动，通过螺旋副使得内转子左基体23向右运动，内转子右基体18向左运动，左永磁体5与左铜条22、右永磁体10与右铜条20之间的啮合面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至内转子左基体23运至右极限位置，内转子右基体18运动至左极限位置，左永磁体5与左铜条22、右永磁体10与右铜条20之间的啮合面积最小，气隙磁场强度最小，此时微型电机15反转（逆时针）带动小锥齿轮13，内转子左基体23向左运动，内转子右基体18向右运动，外转子左永磁体5与内转子左铜条22、外转子右永磁体10与内转子右铜条20之间的啮合面积逐渐增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至内转子左基体23运至左极限位置，内转子右基体18运动至右极限位置，此时，左永磁体5与左铜条22、右永磁体10与右铜条20之间的啮合面积最大，气隙磁场强度最大；若左单头螺纹丝杠6和右单头螺纹丝杠9的螺纹旋向均为左旋，则与之相反。

Claims (4)

1.一种啮合面积可调式异步磁力变矩器，包括外转子总成、内转子总成和调速装置总成组成，所述的外转子总成和内转子总成组成的传动机构，为圆筒式异步磁力联轴器，外转子总成与主动轴连接，内转子总成与从动轴连接，其特征在于：所述调速装置总成由三组完全相同的调速机构组成，调速机构沿着从动轴周向相隔120°均匀分布，每组调速机构由一个微型电机、一个减速机构、两个单头螺纹丝杠组成；微型电机安装在内转子总成的从动轴上，减速机构安装在微型电机的输出轴上，微型电机转动通过减速机构驱动左右单头螺纹丝杠转动，左右单头螺纹丝杠的螺纹端分别与内转子总成中的内转子左右基体螺纹连接，由于左右单头螺纹丝杠的螺纹旋向相同，但转动方向相反，当单头螺纹丝杠绕自身轴线旋转时，内转子总成中的内转子左右基体将会沿磁力联轴器从动轴相向或相背移动，从而同时改变两组永磁体与铜条之间的啮合面积，改变气隙磁场强度大小，实现不同转速、转矩的输出；

所述的减速机构中包括两个左右对称的大锥齿轮，小锥齿轮通过平键连接安装在微型电机的输出轴上，微型电机带动小锥齿轮转动，小锥齿轮驱动大锥齿轮从而使得左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠转动。

2.如权利要求1所述的一种啮合面积可调式异步磁力变矩器，其特征在于：外转子总成由套筒                                                、外转子基体、左支承盘、右支承盘、左永磁体、右永磁体和螺栓组成，左支承盘安装在主动轴上，左端通过螺钉与套筒Ⅰ固定在一起，外转子基体两端分别通过螺栓与左右支承盘连接，左永磁体和右永磁体按N极、S极偶数相间紧密排列粘装在外转子基体的内表面上；其内转子总成由内转子左基体、内转子右基体、左铜条、右铜条和套筒组成，左铜条和右铜条分别嵌入端面开槽的内转子左右两基体内，周向用铜包层包围，形成电流回路；内转子左基体、内转子右基体安装在从动轴上形成间隙配合，能够沿从动轴轴向左右移动，内转子右基体与安装在从动轴上的套筒Ⅱ通过螺钉连接，左铜条和右铜条分别与左永磁体和右永磁体正对。

3.如权利要求1所述的一种啮合面积可调式异步磁力变矩器，其特征在于：所述的左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹端的螺纹都采用梯形螺纹，螺纹螺距值为1.5mm。

4.如权利要求1所述的一种啮合面积可调式异步磁力变矩器的调速方法，其特征在于：若左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹旋向均为右旋，在左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条完全啮合的情况下，当微型电机顺时针正转带动小锥齿轮时，减速机构中的左大锥齿轮和右大锥齿轮通过齿轮啮合转动，从而带动左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠转动，通过螺旋副使得内转子左基体向右运动，内转子右基体向左运动，左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至内转子左基体运动至右极限位置，内转子右基体运动至左极限位置，左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积最小，气隙磁场强度最小；此时，微型电机逆时针反转带动小锥齿轮，内转子左基体向左运动，内转子右基体向右运动，外转子左永磁体与内转子左铜条、外转子右永磁体与内转子右铜条之间的啮合面积逐渐增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至内转子左基体运动至左极限位置，内转子右基体运动至右极限位置，此时左永磁体与左铜条、右永磁体与右铜条之间的啮合面积最大，气隙磁场强度最大，若左单头螺纹丝杠和右单头螺纹丝杠的螺纹旋向均为左旋，则与之相反。