CN102969939B - 一种高性能异步盘式磁力耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械工程传动技术领域，特指一种高性能异步盘式磁力耦合器。本发明利用调磁装置调制主动盘基体一侧永磁体的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，通过电磁感应原理实现不同转速、转矩的输出，提高了永磁体的利用率；和/或利用冷却装置降低永磁体的温升，进一步提高了永磁体的利用率和耦合器的传动性能。

Description

一种高性能异步盘式磁力耦合器

技术领域

本发明涉及机械工程传动技术领域，特指一种高性能异步盘式磁力耦合器，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中。

背景技术

磁力耦合器作为磁力传动的一种形式，相对于传统的机械式联轴器，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，由于实现了无接触转矩传递，减少了传动部件的机械损耗；然而，普通的异步磁力耦合器只能依靠永磁体磁场旋转来产生力矩传递运动，因此在电机启动时永磁体的旋转磁场分布比较分散，磁场转速逐步提升，磁力耦合器转矩小，启动较慢，从而大大降低了永磁体的利用率；另外，温升也是电磁感应式磁力耦合器运行的重要问题之一，永磁体居里温度点低，温度特性差高温下永磁转子中的永磁体会出现退磁现象，从而也使得永磁体的利用率降低，磁力耦合器的扭矩传递能力下降，使其应用范围受到一定限制；基于以上特点，如何在磁力耦合器在传动过程中充分利用永磁体产生的磁场，提高永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能，是拓展磁力耦合器应用范围的关键课题之一。

在专利201010161362.0中，公开了一种应用鼠笼式调磁装置的同心磁力齿轮，包括：内部永磁结构、中部调磁结构和外部永磁结构，调磁装置为鼠笼式结构，笼条与主动轴和从动轴平行，利用笼条将原旋转磁场调制成所需的旋转磁场，调磁改变转子的传动比，以此改变输出转矩的大小，从而提高了永磁体的利用率，但此种装置的结构较为复杂，径向尺寸大，只能用于同轴式的磁力传动装置中，无法利用调磁装置对盘式磁力传动装置的磁场进行调制；在专利200910024449.0中，公开了一种耐高温高性能斜槽式转子异步磁力联轴器，包括：带磁外转子、无磁内转子、隔离套和带齿的调磁极片，通过调磁极片调制原磁场，从而使得传动平稳可靠，永磁体利用率提高，但是在高温工作环境下，该种结构没有提出具体结构的冷却装置，永磁体在高温下会出现退磁现象，从而使得永磁体的温度特性和利用率降低。

本发明的磁力耦合器为高性能异步盘式磁力耦合器，利用调磁极片调制主动盘侧永磁体的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，通过磁场耦合带动从动盘基体转动并传递转矩，实现不同转速、转矩的输出，不但提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能；另外，从动盘总成中利用螺旋式和弯管式的冷却装置，降低了永磁体的温升，进一步提高了永磁体的利用率和磁力耦合器的扭矩传动能力，扩大了磁力传动的应用范围。

发明内容

本发明提供了一种高性能异步盘式磁力耦合器，所述磁力耦合器包括主动盘总成和从动盘总成，主动盘总成包括主动盘基体和永磁体，从动盘总成由从动盘基体和铜块组成，主动盘基体装在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，右端利用圆形挡板进行轴向固定，永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体表面的槽内；从动盘基体通过键与从动轴连接，并使用卡环进行轴向固定。

为提高永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能，实现磁力耦合器的高性能运转，本发明提供了3种不同的技术方案：

技术方案1：调磁装置由调磁极片、衬底、端环和支撑架组成，调磁装置处于主动盘基体和从动盘基体之间，调磁极片为扇形块状，沿周向均匀分布，并且与主动轴和从动轴垂直；衬底填充在调磁极片之间的空隙中，以固定调磁极片，调磁极片的端部用端环固定，支撑架一端固定在端环上，支撑架另一端与基座通过螺钉连接；利用调磁极片调制主动盘基体一侧永磁体的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，从动盘基体上的铜块切割调制后的气隙磁场的磁力线产生感应电流，感应电流产生的磁场与此旋转的气隙磁场相互作用，带动从动盘转动，实现不同转速、转矩的输出，从而提高了永磁体的利用率。

所述的主动盘基体以转速n1转动时，其表面的永磁体（磁极对数为P₁）产生旋转磁场，通过调磁极片（数量为P₂）将该磁场调制成谐波次数为P₃的（P₃= P₂ -P₁）谐波磁场，从动盘基体上的铜块切割谐波磁场产生感应电流，感应电流产生的磁场与气隙磁场耦合，带动从动盘以转速n2转动，n₂=n₁*(P₁/P₃)，从而不但提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能。

所述的调磁装置中调磁极片为金属导磁材料，例如硅钢片；衬底为非导磁材料，比如环氧树脂或尼龙，调磁极片在轴向设计上采用叠加结构，即将若干数量冲压成型的硅钢片进行轴向叠加，从而最大程度减少了磁力耦合器运行时调磁极片上产生的涡流损耗。

技术方案2：在输入装置的主动盘基体中安装冷却装置，冷却装置包括冷却管和圆形挡板，冷却方式为水冷，为了加强热传递，冷却管采用导热性能好的金属材料，例如银、铜或铝，冷却管焊接在主动盘基体的槽内，中心处用圆形挡板固定，防止主动盘转动时冷却管脱落，热量一部分传递给冷却管，冷却管再以对流的方式散热，另一部分传递给冷却管内的冷却水，从而降低了永磁体的温升，提高了永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能。

所述的冷却管的水路结构为螺旋式和弯管式的组合体，螺旋部分分布在主动盘基体的中心，增大了冷却介质与主动盘基体之间的接触面积，也就是增大了散热面积，散热效果更明显；弯管部分分布在永磁体之间的间隙处，当冷却介质流过时，拐弯处产生的离心力在冷却管截面上引起环流，使得冷却介质的流动更快，冷却效果更好，永磁体在高温下更加不易退磁，有效地改善了永磁体的温度特性，提高了永磁体的利用率。

技术方案3：利用调磁装置调制主动盘基体一侧永磁体的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，通过电磁感应原理实现不同转速、转矩的输出，提高了永磁体的利用率；利用冷却装置降低永磁体的温升，进一步提高了永磁体的利用率和耦合器的传动性能。

所述的永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体的槽内，永磁体采用钕铁硼材料，通过轴向多极充磁形成，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。

所述的主动盘总成和从动盘总成组成的传动机构，它有二种可供实施的结构；其一为异步感应式磁力耦合器，其从动盘总成由从动盘基体、铜块组成，铜块嵌入在从动盘基体的槽内，此结构的联轴器根据电磁感应原理工作，启动特性好，传动效率高；其二为异步涡流式磁力耦合器，其从动盘总成由实心圆柱转子、铜盘组成，铜盘浇铸在实心圆柱转子上，此结构的耦合器加工方便，适用于高压、高温等场合。

本发明的优点：

（1）本发明的永磁体内嵌在主动盘基体的槽内，使得主动盘总成与从动盘总成实现非接触传动，通过磁场相互耦合作用实现转矩的传递，避免了振动的干扰，减小了传动部件的损耗，提高了磁力耦合器的传动性能。

（2）本发明的调磁式异步磁力耦合器利用调磁装置将永磁体磁场的转速与分布进行调制，形成的调制磁场由于具有与原磁场不同的转速与分布，不但大大地提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能。

（3）本发明的冷却管的水路结构为螺旋式和弯管式的组合体，螺旋部分增大了冷却介质与热源之间的接触面积，也就是增大了散热面积，能更快的散热；弯管部分为交替弯曲的，这样当冷却介质流过弯曲的水路时，拐弯处产生的离心力在管截面上引起环流，增加冷却介质的流动，增强换热，使得永磁体在高温下更加不易退磁，进一步提高了永磁体的利用率。

附图说明

图1为实施例1的异步感应式磁力耦合器结构图；

图2调磁装置的结构图和剖面视图；

图3为异步感应式磁力耦合器主动盘和从动盘的剖面视图；

图4冷却装置结构示意图；

图5为实施例2的异步涡流式磁力耦合器结构图；

图6异步涡流式磁力耦合器从动盘的剖面视图；

图中，1-主动轴，2-套筒，3-主动盘基体，4-永磁体，5-调磁极片，6-端环， 7-从动盘基体，8-基座，9-从动轴，10-卡环，11-衬底，12-铜块，13-圆形挡板，14-螺钉，15-冷却装置，16-冷却管，17-实心圆柱转子，18-铜盘，19-支撑架，①-主动盘总成，②-从动盘总成，                                                -调磁装置。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的实施例1的异步感应式磁力耦合器进行详细说明。

本发明的一种高性能异步盘式磁力耦合器，其总体结构包括主动盘总成①和从动盘总成，主动盘总成①包括主动盘基体3和永磁体4，从动盘总成由从动盘基体7和铜块12组成；主动盘基体3装在主动轴1上，左端通过螺钉14与套筒2固定在一起，右端利用圆形挡板13进行轴向固定，永磁体4按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体3表面的槽内；从动盘基体7通过键与从动轴9连接，并使用卡环10进行轴向固定。

为提高永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能，实现磁力耦合器的高性能运转，本发明提供了3种不同的技术方案：

技术方案1：调磁装置由调磁极片5、衬底11、端环6和支撑架19组成；调磁装置位于主动盘基体3和从动盘基体7之间，调磁极片5为扇形块状，沿周向均匀分布，并且与主动轴1和从动轴9垂直；衬底11填充在调磁极片5之间的空隙中，以固定调磁极片5，调磁极片5的端部用端环6固定，支撑架19一端固定在端环上，支撑架19另一端与基座8通过螺钉连接；利用调磁极片5调制主动盘基体3一侧永磁体4的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，从动盘基体7上的铜块12切割调制后的气隙磁场的磁力线产生感应电流，感应电流产生的磁场与此旋转的气隙磁场相互作用，带动从动盘7转动，实现不同转速、转矩的输出，从而提高了永磁体的利用率。

调磁装置中调磁极片5为金属导磁材料，例如硅钢片；衬底11为非导磁材料，比如环氧树脂或尼龙，调磁极片5在轴向设计上采用叠加结构，即将若干数量冲压成型的硅钢片进行轴向叠加，从而最大程度减少了磁力耦合器运行时调磁极片5上产生的涡流损耗；永磁体4按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体3的槽内，永磁体4采用钕铁硼材料，通过轴向多极充磁形成，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。

调磁工作原理为：主动盘基体3以转速n₁转动时，其表面的永磁体4（磁极对数为P₁）产生旋转磁场，通过调磁极片5（数量为P₂）将该磁场调制成谐波次数为P₃的（P₃= P₂ -P₁）谐波磁场，从动盘基体7上的铜块12切割谐波磁场产生感应电流，感应电流产生的磁场与气隙磁场耦合，带动从动盘7以转速n₂转动，n₂=n₁*(P₁/P₃)，从而不但提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能。

技术方案2：冷却装置15包括冷却管16和圆形挡板13，冷却方式为水冷，为了加强热传递，冷却管16采用导热性能好的金属材料，冷却管16焊接在主动盘基体3的槽内，中心处用圆形挡板13固定，防止主动盘基体3转动时冷却管16脱落，热量一部分传递给冷却管16，冷却管16再以对流的方式散热，另一部分传递给冷却管16内的冷却水，从而降低了永磁体4的温升，进一步提高永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能。

冷却工作原理为：在冷却管16的进水口加冷却介质，加满后用塞子堵住进水口，磁力耦合器工作时，冷却方式为水冷，冷却管16的水路结构为螺旋式和弯管式的组合体，螺旋部分分布在主动盘的中心，增大了冷却介质与主动盘3之间的接触面积，也就是增大了散热面积，散热效果更明显；弯管部分分布在永磁体之间的间隙中，当冷却介质流过时，拐弯处产生的离心力在冷却管16截面上引起环流，使得冷却介质的流动更快，冷却效果更好，永磁体在高温下更加不易退磁，有效地改善了永磁体的温度特性，提高了永磁体的利用率。

技术方案3：利用调磁装置调制主动盘基体3一侧永磁体4的磁场，改变气隙磁场的磁极对数和转速，通过电磁感应原理实现不同转速、转矩的输出，提高了永磁体的利用率；同时利用冷却装置15降低永磁体4的温升，进一步提高了永磁体4的利用率和耦合器的传动性能。

所述的永磁体4按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体3的槽内，永磁体4采用钕铁硼材料，通过轴向多极充磁形成，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。

实施例2的工作原理：在实施例1的基础上，将从动盘总成②中的铜块12换成浇铸在实心圆柱转子17上的铜盘18，当主动盘基体3以转速n₁转动时，其表面的永磁体4（磁极对数为P₁）产生旋转磁场，通过调磁极片5（数量为P₂）将该磁场调制成谐波次数为P₃的（P₃= P₂ -P₁）谐波磁场，从动盘基体7上的铜盘18产生感应涡流，感应涡流产生的磁场与气隙磁场耦合，从而带动从动盘7以转速n₂转动，n₂=n₁*(P₁/P₃)，从而不但提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能；冷却工作原理与实施例1的冷却工作原理一样，通过冷却降低了永磁体的温升，进一步提高永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能，实现磁力耦合器的高性能运转。

Claims (6)

1.一种高性能异步盘式磁力耦合器，所述磁力耦合器包括主动盘总成和从动盘总成，主动盘总成包括主动盘基体和永磁体，从动盘总成由从动盘基体和铜块组成，主动盘基体装在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，右端利用圆形挡板进行轴向固定，永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体表面的槽内；从动盘基体通过键与从动轴连接，并使用卡环进行轴向固定，其特征在于：在主动盘基体中安装冷却装置，冷却装置包括冷却管和圆形挡板，冷却方式为水冷，冷却管采用导热性能好的金属材料，冷却管焊接在主动盘基体的槽内，中心处用圆形挡板固定，防止主动盘转动时冷却管脱落，热量一部分传递给冷却管，冷却管再以对流的方式散热，另一部分传递给冷却管内的冷却水，从而降低了永磁体的温升，提高了永磁体的利用率和磁力耦合器的传动性能。

2.如权利要求1所述的一种高性能异步盘式磁力耦合器，其特征在于：所述的冷却管的水路结构为螺旋式和弯管式的组合体，螺旋部分分布在主动盘基体的中心；弯管部分分布在永磁体之间的间隙处。

3.一种高性能异步盘式磁力耦合器，所述磁力耦合器包括主动盘总成和从动盘总成，主动盘总成包括主动盘基体和永磁体，从动盘总成由从动盘基体和铜块组成，主动盘基体装在主动轴上，左端通过螺钉与套筒固定在一起，右端利用圆形挡板进行轴向固定，永磁体按N极、S极偶数相间紧密内嵌在主动盘基体表面的槽内；从动盘基体通过键与从动轴连接，并使用卡环进行轴向固定，其特征在于：所述磁力耦合器还设有调磁装置，调磁装置处于主动盘基体和从动盘基体之间，调磁装置由调磁极片、衬底、端环和支撑架组成，调磁极片为扇形块状，沿周向均匀分布，并且与主动轴和从动轴垂直；衬底填充在调磁极片之间的空隙中，以固定调磁极片，调磁极片的端部用端环固定，支撑架一端固定在端环上，支撑架另一端与基座通过螺钉连接；在主动盘基体中安装冷却装置，冷却装置包括冷却管和圆形挡板，冷却方式为水冷，冷却管采用导热性能好的金属材料，冷却管焊接在主动盘基体的槽内，中心处用圆形挡板固定，防止主动盘转动时冷却管脱落。

4.如权利要求3所述的一种高性能异步盘式磁力耦合器，其特征在于：所述的冷却管的水路结构为螺旋式和弯管式的组合体，螺旋部分分布在主动盘基体的中心；弯管部分分布在永磁体之间的间隙处。

5.如权利要求3所述的一种高性能异步盘式磁力耦合器，其特征在于：所述的主动盘基体以转速n₁转动时，其表面的磁极对数为P₁的永磁体产生旋转磁场，通过数量为P₂的调磁极片将该磁场调制成谐波次数为P₃的谐波磁场，P₃= P₂ -P₁，从动盘基体上的铜块切割谐波磁场产生感应电流，感应电流产生的磁场与气隙磁场耦合，带动从动盘以转速n₂转动，n₂=n₁*(P₁/P₃)，从而不但提高了永磁体的利用率，还使得磁力耦合器在传动中具有变速功能。

6.如权利要求3所述的一种高性能异步盘式磁力耦合器，其特征在于：所述的调磁装置中调磁极片为金属导磁材料硅钢片；衬底为非导磁材料环氧树脂或尼龙。