CN103441643A - 内辐射环式智能保护型永磁联轴器 - Google Patents

Abstract

一种内辐射环式智能保护型永磁联轴器，由导体外转子I、永磁内转子II、智能保护系统III三个部分组成。由电机轴胀套和电机轴连接套连接电机轴、电机轴键条引入电机动力，由负载轴胀套和负载轴连接套连接负载轴、负载轴键条输出扭矩，信号码盘安装于负载侧的信号检测轴上，用来实时检测负载转速变化。其特点是导体外转子I高速旋转其单圆环感应体中的外铜环以径向固定气隙切割永磁内转子II中的内辐射式整体磁环的磁力线而在外铜环上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用实现动力无连接传递。同时利用高效散热装置，降低铜环和辐射式整体磁环的温度，可以实现对电机、负载设备及内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。

Description

内辐射环式智能保护型永磁联轴器

技术领域

本发明涉及一种电机联轴器的装置，尤其适用于电机频繁起动及负载变载频繁、过载恶劣的工况下电机与负载的联接。 

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，广泛应用于石油化工、动力工业、采矿和船舶、航空航天、钢铁工业、造纸等行业。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，新产品新技术层出不穷。 

联轴器的类型较多，通常根据有无补偿相对位移的能力，划分为刚性联轴器和挠性联轴器。 

刚性联轴器具有结构简单、传递效率高的优点。但也有不能过载保护、不能缓冲减震、无法补偿两轴相对位移及提供软启动功能的缺点。 

挠性联轴器包括无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器，前者缓冲减震能力差，后者的传递效率则较低。挠性联轴器属于接触式联轴器，对中安装误差小且很难保证，往往由于对中安装问题导致振动并缩短密封件和轴承的寿命，使设备温度升高、传递效率降低。虽然部分挠性联轴器允许在较大的对中误差条件下运行，但却会在电机和负载轴上产生周期性附加载荷，没有从根本上解决问题。另外重载机械设备必须具有“软启动和过载保护”的工作能力，以避免对设备造成很大的损害和易发生人身事故，同时减小对电网的冲击。大部分挠性联轴器无软启动和过载保护功能。虽然个别挠性联轴器能提供软启动和过载保护功能但要求对中安装误差要小，否则直接影响动力传递的效果甚至出现生产事故。现有挠性联轴器都不同时具备：对中安装误差大、软启动和过载保护三项功能。 

在实际中，系统运行情况是复杂多变的，无论怎样严格保证两轴的对中，设备运行一段时间后都会产生振动，从而加速磨损、缩短设备寿命。所以为了提高旋转设备的可靠性，消除电机轴和负载轴之间联轴器的刚性联接，使得电机和负载之间振动隔离、互不影响；容许更大的对中误差，当设备受到大冲击、过载时保护设备；并能提供软启动功能。是未来联轴器发展的必然趋势。 

发明内容

    

为了解决刚性联轴器不能过载保护、不能缓冲减震、无法补偿两轴相对位移及提供软启动功能的缺点。和现有挠性联轴器都不同时具备：对中安装误差大、软启动和过载保护三项功能的不足，本发明提供一种内辐射环式智能保护型永磁联轴器，同时实现对中安装误差大、软启动和过载保护三项功能。可将动力无接触传递给负载并具有保护电机、负载设备和内辐射环式智能保护型永磁联轴器的作用。该内辐射环式智能保护型永磁联轴器兼具了刚性联轴器和挠性联轴器的优点，是一款无机械连接的软启动设备。由于是通过磁场传递扭矩，以空气间隙取代电机与负载之间的实体连接。因而将两轴完全隔开，容许较大的对中误差，实现了电机软启动，消除了有害振动，磨损和断裂，传递效率高，延长了电机寿命并且避免了过载引起的危害。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是具有连接在电机轴上的导体外转子Ⅰ和连接负载轴的永磁内转子Ⅱ，且导体外转子Ⅰ和永磁内转子Ⅱ之间径向有固定的空气间隙并通过磁力耦合作用实现电机轴与负载轴之间无接触的扭矩传递；在负载轴一侧装有智能保护系统

，且所述智能保护系统

由安装在负载侧的信号检测轴、信号码盘转速传感器和信号处理器组成，采用电源线连接将转速传感器和信号处理器连为一体并由信号处理器给电机电源一个输出控制信号。

所述导体外转子I是由连接在电机轴上的外旋转环和导体环构成，导体环固定在外旋转环内侧。 

在外旋转环外侧固定有外环散热片,在外旋转环侧面固定有侧面散热片。 

在外旋转环通过电机轴连接套连接在电机轴上，同时电机轴连接套外装有电机轴胀套把电机轴、电机轴键条与电机轴连接套连接作为电机动力输出。 

所述永磁内转子II由连接在负载轴上的内旋转盘和辐射式整体磁环组成，辐射式整体磁环与固定在内旋转盘外环上。 

通过负载轴连接套将与内旋转盘与负载轴连为一体；并用负载轴胀套将负载轴连接套与负载轴、负载轴键条连为一体作为负载动力输入。 

采用径向气隙大小固定的外侧单圆环式感应装置和辐射取向环式内整体磁环有效尺寸优化结构。通过磁力耦合作用实现电机与负载之间无接触的扭矩传递，通过智能保护系统在负载过载时实现对电机、负载设备和内辐射环式智能保护型永磁联轴器的过载扭矩的自动保护。 

该装置是利用永磁涡流驱动技术研发的一种创新节能产品，采用径向气隙大小固定的外圆环式感应装置和辐射取向环式整体内磁环有效尺寸优化结构，利用外感应铜环与内辐射式整体磁环相对转动导磁体以径向固定气隙切割永磁环的磁力线产生磁感应力，实现电机与负载之间无接触的扭矩传递。当负载过载时通过智能保护系统切断电机电源，防止内辐射环式智能保护型永磁联轴器高速滑差时，整体温度升高，甚至融化铜环、烧毁电机。实现过载扭矩的自动保护。 

本发明的有益效果是，内辐射环式智能保护型永磁联轴器为非接触式联轴器，隔振，容许较大的对中误差、安装简单，能实现软启动和过载保护，使用寿命长，运行可靠，免维护，传递效率高，节能10~30%。大大降低了系统运行费用并延长了设备的使用寿命。运用其还可缩小电机容量，消除“大马拉小车”现象且符合国家的"节能减排"政策。 

附图说明

1.图1是本发明原理示意图。 

导体外转子I：由电机轴带动导体外转子I高速旋转，铜环以径向固定气隙切割辐射式整体磁环的磁力线而在外感应铜环上产生涡流，同时涡流产生感应磁场。利用高效散热装置，降低系统温度，保证磁力工作稳定。 

永磁内转子II：永磁内转子II中的辐射式整体磁环的永磁场受到导体外转子I外感应铜环中的外感应磁场的相互作用使得内旋转环旋转。并由负载轴将电机的输出扭矩输入给负载。 

智能保护系统III: 在负载过载负载失速时切断电机电源，使电机停转。实现对电机、负载设备及内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。 

2.图2是本发明结构示意图。 

电机轴胀套、电机轴连接套、外旋转环、钢环、辐射式整体磁环、负载轴胀套、负载轴连接套、内旋转环、侧面散热片、外环散热片、铆钉、粘胶、信号检测轴、信号码盘、转速传感器和信号处理器。 

3.图3是内辐射环式智能保护型永磁联轴器导体外转子导磁体结构图：与电机轴连接作为电机动力输出组件，并同时为系统散热。为主动旋转体。 

4.图4是内辐射环式智能保护型永磁联轴器永磁内转子永磁体结构图：与负载轴连接作为负载扭矩输入组件，为被动旋转体。 

5.图5是内辐射环式智能保护型永磁联轴器智能保护系统图：整套系统为负载过载保护机构。其中安装在负载侧的信号检测轴与信号码盘连接为一体和转速传感器一同为系统提供负载转速变化信号。 

6.图6是内辐射环式智能保护型永磁联轴器导体外转子感应体组件图。使系统产生感应磁场的装置。 

7.图7是内辐射环式智能保护型永磁联轴器永磁体组件图：为系统提供永磁场的装置。 

8.图8是内辐射环式智能保护型永磁联轴器组装图： 

附图标记：

     I---导体外转子            II---永磁内转子           III---智能保护系统；

1---电机轴胀套        2---电机轴连接套       3---外旋转环、

4---铜环              5---辐射式整体磁环     6---负载轴胀套 

7---负载轴连接套      8---内旋转环           9---侧面散热片

10--外环散热片        11--铆钉               12--粘胶

13--信号检测轴        14--信号码盘           15--转速传感器

16--信号处理器        17--电机轴             18--电机轴键条       

19--负载轴            20--负载轴键条。

具体实施方式

如图1-8所示，本内辐射环式智能保护型永磁联轴器具体结构如下： 

1导体外转子I：由电机轴胀套1、电机轴连接套2、外旋转环3、铜环4、侧面散热片9、外环散热片10和铆钉11，通过螺钉连接成的单圆筒形整体，其中铜环4和外旋转环3为机械配合用铆钉12连接并限制铜环4和外旋转环3轴向相对移动。铜环4和外旋转环3组成外感应体。通过电机轴胀套1把电机轴17、电机轴键条18与电机轴连接套2连接作为电机动力输出用。工作时由电机轴17带动导体外转子I高速旋转铜环4以径向固定气隙切割辐射式整体磁环5的磁力线并在铜环4上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用驱动内旋转盘8旋转。将电机扭矩无接触传给负载。涡流产生的感应磁场是电机动力传递的基础。同时利用高效散热装置，降低铜环4和辐射式整体磁环5的温度，保证系统磁力工作稳定。

内辐射环式智能保护型永磁联轴器感应体采用外侧单圆环式，根据传递功率不同，改变铜环直径与厚度尺寸。来设计不同规格的内辐射环式智能保护型永磁联轴器。 

2永磁内转子II：由负载轴胀套6、负载轴连接套7、内旋转环8和辐射式整体磁环5组成，永磁内转子II采用粘胶12粘连接将辐射式整体磁环5与内旋转盘8连为一体。采用螺钉连接将负载轴连接套7与内旋转盘8连为一体。采用负载轴胀套6连接将负载轴连接套7与负载轴19、负载轴键条20连为一体，作为负载动力输入用。工作时，永磁内转子II中的辐射式整体磁环5的永磁场受到导体外转子外感应铜环4中的感应磁场的相互作用使得内旋转环8旋转。并由负载轴19将电机的输出扭矩输入给负载。通过磁力耦合作用实现电机与负载之间无接触的扭矩传递。永磁场是传递电机输出动力并输入给负载的基础。 

内辐射环式智能保护型永磁联轴器永磁环采用辐射取向环式整体磁环结构。根据传递功率不同，改变辐射式整体磁环5直径与厚度尺寸和充磁极数多少而设计不同规格的内辐射环式智能保护型永磁联轴器。实现不同规格的内辐射环式智能保护型永磁联轴器的扭矩传递。 

3智能保护系统III：由安装在负载侧的信号检测轴13、信号码盘14、转速传感器15和信号处理器16组成，采用电源线连接将转速传感器15和信号处理器16连为一体并由信号处理器16给电机电源一个输出控制信号。根据不同的使用环境，采用不同的信号发生装置。其工作原理是检测负载转速，当负载转速降低到0-4r/min时，通过信号处理器16给电机电源一个控制信号，立即切断电机电源，使电机停转。阻止内辐射环式智能保护型永磁联轴器在高速滑差时，系统温度升高，甚至融化铜环、烧毁电机。通过智能保护系统III实现在负载过载时对电机、负载设备及内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。 

1.  在图1中，显示的是本发明的原理： 

由导体外转子I、永磁内转子II、智能保护系统III三个部分组成。其特点是：

导体外转子I由电机轴胀套连接电机轴连接套、电机轴17、电机轴键条14引入电机动力，永磁内转子II由负载轴胀套连接负载轴连接套、负载轴19、负载轴键条20输出扭矩。智能保护系统III的信号码盘14安装于负载侧的信号检测轴13上，通过转速传感器15，用来实时检测负载转速变化。

工作时由电机轴带动导体外转子I与电机同步高速旋转其外感应铜环以径向固定气隙切割永磁内转子II中的内辐射式整体磁环中的磁力线产生涡流，同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用，带动永磁内转子II的内旋转环旋转，通过磁力耦合作用由负载轴将电机的输出扭矩输入给负载。实现电机与负载之间无接触的扭矩传递。利用高效散热装置，降低铜环4和辐射式整体磁环5的温度，保证系统磁力工作稳定。 

当负载过载负载失速时通过智能保护系统III中的转速传感器15和信号处理器16运算给电机电源一个控制信号立即切断电机电源，使电机停转。阻止内辐射环式智能保护型永磁联轴器在高速滑差时，系统温度升高，甚至融化铜环、烧毁电机。实现对电机负载设备和内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。 

2.在图2中，显示的是本发明的结构： 

导体外转子I通过螺钉与铆钉12连接将电机轴胀套1、电机轴连接套2、外旋转环3、铜环4、外侧面散热片9和外环散热片10连成单圆筒形整体，其中铜环4和外旋转环3为机械配合用铆钉12连接并限制铜环4和外旋转环3轴向相对移动。铜环4位于辐射式整体磁环5外圆周且与辐射式整体磁环5同轴心布局，确保铜环4内径与辐射式整体磁环5外径径向气隙均匀、固定。径向气隙均匀、固定，可获得最佳动力传递。导体外转子I组成电机动力输出部件。利用高效散热装置，降低系统温度，保证磁力工作稳定。

永磁内转子II由负载轴胀套6、负载轴连接套7、内旋转环8和辐射式整体磁环5组成，组成负载动力输入部件。采用粘胶12粘连接将辐射式整体磁环5与内旋转盘8连为一体。采用螺钉连接将内旋转盘8与负载轴连接套7连为一体。辐射式整体磁环5位于外感应铜环内且与铜环4同轴心布局，确保辐射式整体磁环5外径与铜环4内径径向气隙均匀、固定，以获得最佳动力传递。 

智能保护系统III由信号检测轴13、信号码盘14、转速传感器15和信号处理器16组成，采用电源线连接将转速传感器15和信号处理器16连为一体并由信号处理器16给电机电源一个输出信号。当负载过载负载失速时通过智能保护系统III实现对电机、负载设备和内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。 

  

3.在图3中，显示的是本发明导体外转子导磁体结构安装图：

导体外转子I由电机轴胀套1、电机轴连接套2、外旋转环3、铜环4、侧面散热片9、外环散热片10和铆钉12连成单圆筒形整体，其中铜环4和外旋转环3为机械配合用铆钉12连接并限制铜环4和外旋转环3轴向相对移动。作用：将电机机械动力转化为磁场力并输出给负载旋转体，同时利用高效散热，降低系统温度，保证系统磁力工作稳定。

其中图3中电机轴胀套1和电机轴连接套2为连接电机轴用，将电机轴17与导体外转子I连为一体作为电机动力输出用。 

4.在图4中，显示的是本发明永磁内转子永磁体结构安装图： 

永磁内转子II由负载轴胀套6、负载轴连接套7、内旋转环8和辐射式整体磁环5组成，组成负载动力输入部件。采用粘胶12粘连接将辐射式整体磁环5与内旋转盘8连为一体。采用螺钉连接将内旋转盘8与负载轴连接套7连为一体。作用：将磁场力转化为扭矩并输入给负载轴。

其中图4中负载轴胀套6和负载轴连接套7为连接负载轴用，将负载轴19与永磁内转子II连为一体作为负载扭矩输入用。 

5.在图5中，显示的是本发明智能保护系统布局图： 

  采用电源线连接将转速传感器15和信号处理器16连为一体并由信号处理器16给电机电源一个输出控制信号。如果负载过载负载失速即永磁内转子II永磁体停转, 由于滑差原理，导体外转子I仍保持电机转速不变切割永磁内转子II永磁体，此时智能保护系统III中的转速传感器15会在信号码盘14上采集一个过程信号传递给信号处理器16，经过信号处理器单片机处理，然后给电机电源一个控制信号，切断电源使电机停转。阻止内辐射环式智能保护型永磁联轴器在高速滑差时，感应体及电机升温过高而产生负面影响。实现对电机、负载设备和内辐射环式智能保护型永磁联轴器的全自动保护。

其中图5中的信号码盘14安装于负载侧的信号检测轴13上，利用转速传感器，实时检测负载转速变化。 

6.在图6中，显示的是本发明导体外转子感应体组件安装图： 

感应体组件中的铜环4与外旋转环3为机械配合，用铆钉12连接并限制铜环4和外旋转环3轴向相对移动。外感应体高速旋转铜环4以径向固定气隙切割辐射式整体磁环5中的磁力线时会在铜环4上感应产生涡流，涡流产生感应磁场。涡流产生的感应磁场与永磁场相互作用驱动内旋转环8旋转。感应体径向气隙均匀、固定，是实现可控扭矩输出的基础。为关键性尺寸。铜环4为专用材料的感应体，极大地提高了传动效率。

7.在图7中，显示的是本发明永磁体组件安装图： 

永磁体由内旋转环8和辐射式整体磁环5组成。内旋转环8和辐射式整体磁环5为机械过渡配合且胶接，采用粘胶12粘连接将辐射式整体磁环5与内旋转盘8连为一体。辐射式整体磁环5的几何尺寸控制及充磁极数多少，是实现可控扭矩输出的基础。

8.在图8中，显示的是本发明组装图： 

     采用标准螺钉将各件按图示安装位置和顺序组装在一起。

9.整个内辐射环式智能保护型永磁联轴器工作过程： 

   内辐射环式智能保护型永磁联轴器为非接触式联轴器，以空气间隙取代电机与负载之间的实体连接，因而将两轴完全隔开，容许较大的对中误差。电机起动时，导体外转子I与电机同步高速旋转，由于导体外转子I与永磁内转子II为非接触式联轴，永磁内转子II并不能立即旋转。电机转动过程中，导体外转子I导磁体单圆环感应体中的外铜环与永磁内转子II永磁体的内辐射式整体磁环产生相对转动，交变磁场通过气隙在外感应铜环上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与辐射式整体磁环的永磁场相互作用，由于负载转矩作用，被动永磁内转子II仍处于静止，当主动导体外转子I转过一个角度后，其外感应铜环中的感应磁场和从动永磁内转子II的永磁场之间存在一定的转差角，根据磁极同性相斥、异性相吸的原理，从而使得静止的平衡状态被打破，主动导体外转子I所转过的角度的大小取决于负载转矩的大小，此时从动永磁内转子II会受到电磁力矩的作用，电磁转矩随着主动导体外转子I与从动永磁内转子II的转差角的增加而增大；当电磁转矩超过负载转矩时，从动永磁内转子II开始转动。整个过程起动电流大约为正常工作电流的2倍，实现了电机软起动，减少电动机的起动电能消耗以及避免造成较大的电压冲击。尤其适用于电机频繁起动及负载变载频繁的工况下电机与负载的联接。

此后，在电动机的驱动下，主动导体外转子I将与从动永磁内转子II保持一定的转差角度同步运行。从而带动永磁内转子II沿着与导体外转子I相同的方向旋转，结果在负载侧输出轴上产生转矩，从而带动负载做旋转运动。来实现动力的无接触传递。实现电机与负载之间的扭矩传递。当负载变载时内辐射环式永磁联轴器自动调节转差角，确保扭矩传递顺利。 

同时利用高效散热装置，降低铜环4和辐射式整体磁环5的温度，保证系统磁力工作稳定。 

内辐射环式智能保护型永磁联轴器所能承受的最大负载转矩由静转矩特性的峰值转矩决定，当负载转矩值超过该峰值大小时，将会产生失步现象。由于滑差原理，电机不出现堵转。实现了对电机的过载保护。也就是永磁外转子II停转负载失速,但导体外转子I中的铜环4仍会保持电机转速不变以径向固定气隙切割永磁外转子II的辐射式整体磁环5的磁力线，同时电机过载工作。此时智能保护系统III中的转速传感器15会在信号码盘14上采集一个过程信号传递给信号处理器16，经过信号处理器单片机处理，然后给电机电源一个控制信号，切断电源使电机停转。阻止内辐射环式智能保护型永磁联轴器在高速滑差时，系统升温过高而产生负面影响。在负载过载消除后，重新起动电机实现下一个过程的扭矩传递。为远程电机控制提供了保证。 

内辐射环式智能保护型永磁联轴器整套装置实现了无接触动力传递和智能过载保护动作的自动完成，节能环保。 

  导体环采用导磁导电材料制作，比如铜、铝。 

  

Claims (6)

1. 内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是具有连接在电机轴（17）上的导体外转子（Ⅰ）和连接负载轴（19）的永磁内转子（Ⅱ），且导体外转子（Ⅰ）和永磁内转子（Ⅱ）之间径向有固定的空气间隙并通过磁力耦合作用实现电机轴（17）与负载轴（19）之间无接触的扭矩传递；在负载轴（19）一侧装有智能保护系统（                                               ），且所述智能保护系统（）由安装在负载侧的信号检测轴（13）、信号码盘（14）、转速传感器（15）和信号处理器（16）组成，采用电源线连接将转速传感器（15）和信号处理器（16）连为一体并由信号处理器（16）给电机电源一个输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是所述导体外转子（I）是由连接在电机轴（17）上的外旋转环（3）和导体环（4）构成，导体环（4）固定在外旋转环（3）内侧。

3.根据权利要求2所述的内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是在外旋转环（3）外侧固定有外环散热片（10），在外旋转环（3）侧面固定有侧面散热片（9）。

4.根据权利要求2所述的内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是在外旋转环（3）通过电机轴连接套（2）连接在电机轴（21）上，同时电机轴连接套（2）外装有电机轴胀套（1）把电机轴（21）、电机轴键条（22）与电机轴连接套（2）连接作为电机动力输出。

5.根据权利要求1所述的内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是所述永磁内转子（II）由连接在负载轴（19）上的内旋转盘（8）和辐射式整体磁环（5）组成，辐射式整体磁环（5）与固定在内旋转盘（8）外环上。

6.根据权利要求5所述的内辐射环式智能保护型永磁联轴器，其特征是通过负载轴连接套（7）将与内旋转盘（8）与负载轴（23）连为一体；并用负载轴胀套（6）将负载轴连接套（7）与负载轴（23）、负载轴键条（16）连为一体作为负载动力输入。

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