CN103607097A - 一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构 - Google Patents

Abstract

一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，属于永磁传动技术领域。采用本发明的磁路结构与采用分立式磁路结构的平盘型永磁涡流传动装置相比，单位质量永磁材料所能产生的扭矩或传递的功率更大。本发明包括同轴设置的永磁体转子和涡流导体转子；永久磁铁组由二至五块紧密接触的磁铁组成，同一磁耦合环中的各组永久磁铁组包含的磁铁数量相同，每块磁铁均沿永磁体转子盘平盘表面径向分布，同一组永久磁铁组内的磁铁充磁极性方向相同，相邻永久磁铁组的充磁极性方向相反；涡流环的径向宽度大于所对应的磁耦合环的最大径向宽度，即涡流环的内径小于所对应的磁耦合环的最小内径，涡流环的外径大于所对应的磁耦合环的最大外径。

Description

一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构

技术领域

本发明属于永磁传动技术领域，特别涉及一种可用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构。

背景技术

永磁涡流传动技术起源于永磁同步传动技术的改进和发展。在早期的永磁同步密封传动技术应用于磁力泵和磁力传动搅拌器等设备之中时，时常遇到因高温、腐蚀或过载而频繁脱耦等不利情况，因此可能导致处于设备内部的从动转子上的永久磁铁发生破坏、退磁等问题。为解决这一类问题，涡流环技术应运而生，其基本结构就是将从动转子上的永久磁铁去掉，代之以由无磁导电材料（通常为铜）制成的涡流环。永磁涡流传动技术的基本工作原理是：当带有永久磁铁的磁转子与带有导体盘（涡流环）的导体转子因转速差而作相对运动时，磁转子所产生的磁场在导体盘中感应生成涡流电流，进而涡流电流又在导体盘中产生感生磁场，这个导体盘中的感生磁场与永久磁铁的恒定磁场相互作用，便在磁转子与导体转子之间产生耦合力矩，从而达到传递运动动力的目的。永磁涡流传动装置的结构形式目前主要有套筒型和平盘型两种，其应用形式主要包括具有柔性启动、防堵转、限转矩及减震隔振特性的永磁涡流联轴器和通过调节气隙距离（平盘型）或耦合面积（套筒型）实现调节传动力矩功能的永磁涡流调速器。其中平盘型永磁涡流调速器和联轴器，具有轴向外形尺寸小、轴向调节距离短、导体盘冷却效果好、适合于大转矩大功率传递、能实现限转矩及堵转脱耦等特点，尤其受到青睐。

磁路结构设计是永磁涡流传动装置的技术关键，磁路性能的优劣会直接关系到永磁涡流传动装置使用材料的多少、外形体积的大小、制造成本的高低及工作性能的优劣。目前为止，平盘型永磁涡流传动装置（包括调速器和联轴器）的磁路结构设计大都采用分立式磁路结构，即在永磁体转子平盘的表面上，沿圆周均匀设置偶数块永久磁铁，各块磁铁沿轴向充磁，相邻两块磁铁磁性方向相反，并相隔较远的距离。近年来，随着高性能永磁材料成本的降低并普及应用，和现代充磁技术的发展，磁路结构优化设计理论也得以迅速的发展、提高及应用，新型的磁路结构大量涌现。将现代磁路结构设计理论与方法应用于永磁涡流传动技术，开发适用于永磁涡流传动装置的新型磁路结构，提高永磁涡流传动装置的工作性能，已势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，采用该磁路结构与采用分立式磁路结构的平盘型永磁涡流传动装置相比，单位质量（体积）永磁材料所能产生的扭矩或传递的功率更大，所用的永磁材料更少，整体结构尺寸更小，重量更轻，制造成本更低，工作中自身消耗的涡流损失更少。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，包括同轴设置的永磁体转子和涡流导体转子；所述永磁体转子由永磁体转子盘和偶数组永久磁铁组组成，永久磁铁组设置在永磁体转子盘平盘表面上，并在圆周方向上均匀分布，形成磁耦合环；所述涡流导体转子由导体转子盘和涡流环组成，涡流环为圆环形平板，涡流环设置在导体转子盘平盘表面上，涡流环与永磁体转子盘上的磁耦合环相对应；其特点是，所述永久磁铁组由二至五块紧密接触的磁铁组成，同一磁耦合环中的各组永久磁铁组包含的磁铁数量相同，每块磁铁均沿永磁体转子盘平盘表面径向分布；所述永久磁铁组由二块磁铁组成时，两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤15°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由三块磁铁组成时，中间磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线方向相同，两侧磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤30°，且角度相同，两侧磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由四块磁铁组成时，中间两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤15°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧，外侧两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤40°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由五块磁铁组成时，中间磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线方向相同，其相邻两侧磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤20°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧，最外侧的两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤45°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；同一组永久磁铁组内的磁铁充磁极性方向相同，相邻永久磁铁组的充磁极性方向相反；涡流环的径向宽度大于所对应的磁耦合环的最大径向宽度，即涡流环的内径小于所对应的磁耦合环的最小内径，涡流环的外径大于所对应的磁耦合环的最大外径。

所述磁铁沿永磁体转子盘平盘表面径向宽度相同，且形成的磁耦合环内径相同、外径相同，磁铁沿永磁体转子盘平盘表面法线方向厚度相同且端面对齐。

所述磁铁的横截面为瓦块形、梯形或矩形。

所述相邻永久磁铁组之间紧密接触或留有间隙，若留有间隙，则在间隙内填充非导磁隔离垫，非导磁隔离垫采用非导磁材料。

本发明的有益效果：

采用本发明的磁路结构与采用分立式磁路结构的平盘型永磁涡流传动装置相比，在产生同样扭矩或传递同样功率的情况下，所用的永磁材料更少、整体结构尺寸更小、重量更轻、制造成本更低，单位质量（体积）永磁材料所能产生的扭矩或传递的功率更大，工作中自身消耗的涡流损失更少。这也充分反映了优秀磁路结构设计所能带来的直接效益。

附图说明

图1为本发明的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构实施例一的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图2的C-C剖视图；

图4为图2的D-D剖视图；

图5为本发明的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构实施例二的结构示意图；

图6为图5的B-B剖视图；

图7为图6的E-E剖视图；

图8为本发明的永久磁铁组均由四块磁铁组成的聚磁式磁路结构的示意图；

图9为图8的F-F剖视图；

图中，1--原动机驱动轴，2--永磁体转子盘，3--内环永久磁铁组，4--外环永久磁铁组，5--外环涡流环，6--内环涡流环，7--导体转子盘，8--负载转轴，9--内环中间永久磁铁，10--内环30°角永久磁铁，11--非导磁隔离垫，12--外环中间永久磁铁，13--外环15°角永久磁铁，14--外环45°角永久磁铁，15--连轴导体转子盘，16--涡流环，17--连接螺钉，18--转子盘连接板，19--空心导体转子盘，20—空心永磁体转子盘，21--15°角永久磁铁,22—涡流导体转子，23—永磁体转子,24--永久磁铁组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例一：

本实施例的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构采用双磁耦合环结构。

如图1至图4所示，一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，包括作为主动转子的永磁体转子23和作为从动转子的涡流导体转子22，永磁体转子23由永磁体转子盘2、十二组内环永久磁铁组3和十六组外环永久磁铁组4组成，内、外环永久磁铁组通过导磁胶粘结固定在永磁体转子盘2平盘表面上，并在圆周方向上均匀分布，构成内、外磁耦合环；永磁体转子盘2为圆盘形状，由工业纯铁制成。涡流导体转子22由导体转子盘7、内环涡流环6和外环涡流环5组成，内、外环涡流环固定设置在导体转子盘7平盘表面上；导体转子盘7由导磁材料Q235A制成；所述内环涡流环6和外环涡流环5均为圆环形平板，均由铜制成。

如图2和图3所示，所述内环永久磁铁组3由三块横截面为长瓦块形的条形磁铁组成，包括一块内环中间永久磁铁9和设置在其两侧的内环30°角永久磁铁10；内环中间永久磁铁9的充磁方向与永磁体转子盘2平盘表面法线方向相同，两块内环30°角永久磁铁10的充磁方向与永磁体转子盘2平盘表面法线形成的锐角均为30°，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；同一组内环永久磁铁组3内的三块磁铁充磁极性方向相同，相邻内环永久磁铁组3的充磁极性方向相反；内环永久磁铁组3内的每块磁铁均沿永磁体转子盘2平盘表面径向分布，所述磁铁沿永磁体转子盘2平盘表面径向宽度相同，且形成的内磁耦合环内径相同、外径相同，磁铁沿永磁体转子盘2平盘表面法线方向厚度相同且端面对齐；在同一组内环永久磁铁组3中相邻磁铁之间紧密接触，在相邻内环永久磁铁组3之间设置有非导磁隔离垫11。

如图2和图4所示，所述外环永久磁铁组4由五块横截面为梯形的条形磁铁组成，包括一块外环中间永久磁铁12、设置在外环中间永久磁铁12两侧并与其直接接触的两块外环15°角永久磁铁13和设置在最外侧的两块外环45°角永久磁铁14；每组外环永久磁铁组4中的外环中间永久磁铁12的充磁方向均与永磁体转子盘2平盘表面法线方向相同，两块外环15°角永久磁铁13的充磁方向与永磁体转子盘2平盘表面法线形成的锐角均为15°，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；两块外环45°角永久磁铁14的充磁方向与永磁体转子盘2平盘表面法线形成的锐角均为45°，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；同一组外环永久磁铁组4内的五块磁铁充磁极性方向相同，相邻外环永久磁铁组4的充磁极性方向相反；外环永久磁铁组4内的每块磁铁均沿永磁体转子盘2平盘径向分布，所述磁铁沿永磁体转子盘2平盘表面径向宽度相同，且形成的外磁耦合环内径相同、外径相同，磁铁沿永磁体转子盘2平盘表面法线方向厚度相同且端面对齐；在同一组外环永久磁铁组4中相邻磁铁之间紧密接触，相邻外环永久磁铁组4之间紧密接触。

内环涡流环6的内径小于永磁体转子盘2上的内磁耦合环的内径，内环涡流环6的外径大于永磁体转子盘2上的内磁耦合环的外径；外环涡流环5的内径小于永磁体转子盘2上的外磁耦合环的内径，外环涡流环5的外径大于永磁体转子盘2上的外磁耦合环的外径。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

工作时，永磁体转子23与涡流导体转子22同轴设置，永磁体转子23上的内、外环永久磁铁组分别与涡流导体转子23上的内、外环涡流环呈面对面设置，在永磁体转子23与涡流导体转子22之间在轴向上留有气隙作为运动间隙或用于调节磁场强度。在永磁体转子盘2、导体转子盘7上均设置有轴套，永磁体转子盘2通过轴套与原动机（如电动机）驱动轴1相连接，导体转子盘7通过轴套与负载（如风机、水泵）转轴8相连接。

工作过程中，原动机驱动轴1首先带动主动转子（永磁体转子23）做旋转运动，而从动转子（涡流导体转子22）及其负载转轴8此时尚未运动；由于永磁体转子23上相邻两组永久磁铁组的充磁极性方向相反，因此当永磁体转子23与涡流导体转子22作相对旋转运动时，永磁体转子23上的内、外环永久磁铁组会在涡流导体转子22上的内、外环涡流环内形成交变磁场；由于内、外环涡流环是由导体材料铜制成，内、外环永久磁铁组产生的交变磁场会在其内感生出交变的涡流电流，进而该涡流电流又在内、外环涡流环中产生出感生磁场；感生磁场与永磁体转子23上内、外环永久磁铁组的恒定磁场相互作用，便在两个转子间产生耦合力矩，从而带动从动转子及其负载转轴8作与主动转子方向相同的旋转运动；此后，在负载转轴8输出力矩一定时，主动转子与从动转子间保持一定的转速差，主动转子始终比从动转子转速快，二者间始终保持作相对旋转运动，从而始终维持着上述耦合作用过程，两转子间达到传递运动动力的目的。

实施例二：

本实施例的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构中的每组磁路结构均采用单磁耦合环结构。

如图5至图7所示，一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，包括作为从动转子的永磁体转子23和作为主动转子的涡流导体转子22，永磁体转子23由设置在连轴导体转子盘15与空心导体转子盘19之间的空心永磁体转子盘20和永久磁铁组24组成，永久磁铁组24分别通过导磁胶粘结固定在空心永磁体转子盘20平盘表面上，并在圆周方向上均匀分布，构成磁耦合环，空心永磁体转子盘20为同轴、平行及对称设置的两个空心圆形盘体，由工业纯铁制成；在每个空心圆形盘体上均设置有十八组永久磁铁组24，且位置对称；所述涡流导体转子22由连轴导体转子盘15、涡流环16、连接螺钉17、转子盘连接板18和空心导体转子盘19组成，连轴导体转子盘15和空心导体转子盘19分别通过连接螺钉17与转子盘连接板18相连接，涡流环16分别设置在连轴导体转子盘15和空心导体转子盘19平盘表面上；连轴导体转子盘15为连轴圆盘形结构，空心导体转子盘19为空心圆盘形结构，二者均由导磁材料Q235A制成；所述涡流环16为圆环形平板，由铜制成。

所述永久磁铁组24由两块横截面为矩形的条形磁铁组成，即由15°角永久磁铁21组成，两块15°角永久磁铁21的充磁方向与空心永磁体转子盘20平盘表面法线形成的锐角均为15°，两块磁铁的充磁方向的交点设置在所对应的涡流环16一侧，同一组永久磁铁组24内的两块磁铁充磁极性方向相同，相邻永久磁铁组24的充磁极性方向相反。永久磁铁组24内的每块磁铁均沿空心永磁体转子盘20平盘表面径向分布，所述磁铁沿空心永磁体转子盘20平盘表面径向宽度相同，且形成的磁耦合环内径相同、外径相同，磁铁沿空心永磁体转子盘20平盘表面法线方向厚度相同且端面对齐；同一组永久磁铁组内的相邻15°角永久磁铁21之间紧密接触，相邻永久磁铁组之间呈20°夹角。

设置在连轴导体转子盘15和空心导体转子盘19平盘表面上的涡流环16的内径分别小于空心永磁体转子盘20上的磁耦合环的内径，外径大于空心永磁体转子盘20上的磁耦合环的外径。

永久磁铁组24均由四块磁铁组成的聚磁式磁路结构的示意图如图8、图9所示。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

工作时，永磁体转子23与涡流导体转子22同轴设置，永磁体转子23处于中间位置，涡流导体转子22的连轴导体转子盘15和空心导体转子盘19分别设置在空心永磁体转子盘20的两侧，涡流环16分别与空心永磁体转子盘20上的永久磁铁组24呈面对面设置，连轴导体转子盘15、空心导体转子盘19与空心永磁体转子盘20之间在轴向上分别留有气隙作为运动间隙，且两气隙间距相等。在空心永磁体转子盘20上设置有轴套，空心永磁体转子盘20通过轴套与负载（如风机、水泵）转轴8相连接，在连轴导体转子盘15上设置有轴套，连轴导体转子盘15通过轴套与原动机（如电动机）驱动轴1相连接。

工作过程中，原动机驱动轴1首先带动主动转子（涡流导体转子22）做旋转运动，而从动转子（永磁体转子23）及其负载转轴8此时尚未运动；由于永磁体转子23上相邻两组永久磁铁组24的充磁极性方向均相反，因此当永磁体转子23与涡流导体转子22作相对旋转运动时，永磁体转子23上的永久磁铁组24会在涡流导体转子22上的涡流环16内形成交变磁场；由于涡流环16是由导体材料铜制成，永久磁铁组24产生的交变磁场会在其内感生出交变的涡流电流，进而该涡流电流又在涡流环16中产生出感生磁场；感生磁场与永磁体转子23上永久磁铁组24的恒定磁场相互作用，便分别在连轴导体转子盘15与空心永磁体转子盘20、空心导体转子盘19与空心永磁体转子盘20之间产生耦合力矩，从而带动从动转子及其负载转轴8作与主动转子方向相同的旋转运动；此后，在负载转轴8输出力矩一定时，主动转子与从动转子间保持一定的转速差，主动转子始终比从动转子转速快，二者间始终保持作相对旋转运动，从而始终维持着上述耦合作用过程，两转子间达到传递运动动力的目的。

Claims (4)

1.一种用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，包括同轴设置的永磁体转子和涡流导体转子；所述永磁体转子由永磁体转子盘和偶数组永久磁铁组组成，永久磁铁组设置在永磁体转子盘平盘表面上，并在圆周方向上均匀分布，形成磁耦合环；所述涡流导体转子由导体转子盘和涡流环组成，涡流环为圆环形平板，涡流环设置在导体转子盘平盘表面上，涡流环与永磁体转子盘上的磁耦合环相对应；其特征在于，所述永久磁铁组由二至五块紧密接触的磁铁组成，同一磁耦合环中的各组永久磁铁组包含的磁铁数量相同，每块磁铁均沿永磁体转子盘平盘表面径向分布；所述永久磁铁组由二块磁铁组成时，两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤15°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由三块磁铁组成时，中间磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线方向相同，两侧磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤30°，且角度相同，两侧磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由四块磁铁组成时，中间两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤15°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧，外侧两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤40°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；所述永久磁铁组由五块磁铁组成时，中间磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线方向相同，其相邻两侧磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤20°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧，最外侧的两块磁铁的充磁方向与永磁体转子盘平盘表面法线形成的锐角均≤45°，且角度相同，两块磁铁的充磁方向的交点设置在涡流环一侧；同一组永久磁铁组内的磁铁充磁极性方向相同，相邻永久磁铁组的充磁极性方向相反；涡流环的径向宽度大于所对应的磁耦合环的最大径向宽度，即涡流环的内径小于所对应的磁耦合环的最小内径，涡流环的外径大于所对应的磁耦合环的最大外径。

2.根据权利要求1所述的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，其特征在于所述磁铁沿永磁体转子盘平盘表面径向宽度相同，且形成的磁耦合环内径相同、外径相同，磁铁沿永磁体转子盘平盘表面法线方向厚度相同且端面对齐。

3.根据权利要求1所述的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，其特征在于所述磁铁的横截面为瓦块形、梯形或矩形。

4.根据权利要求1所述的用于永磁涡流传动装置的平盘型聚磁式磁路结构，其特征在于所述相邻永久磁铁组之间紧密接触或留有间隙，若留有间隙，则在间隙内填充非导磁隔离垫，非导磁隔离垫采用非导磁材料。

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