CN103780051A - 双边结构调速永磁耦合器 - Google Patents

Abstract

双边结构调速永磁耦合器，它涉及一种耦合器，以解决现有煤矿厂上采用大功率感应电机带载启动，由于感应电机启动转矩比较小，其值小于负载转矩时，无法通过直接启动的方式实现带载启动，以及采用电机控制器存在价格昂贵的问题，它包括驱动轴、输出轴、带颈的法兰盘、分离轴承座、分离轴承、第一支架、第二支架、第一导磁主动盘、第二导磁主动盘、导电金属盘、至三个定位柱、多个永磁体和多个气隙调节装置；第一支架、第一导磁主动盘、第二导磁主动盘和第二支架顺次并列设置，第一导磁主动盘和第二导磁主动盘相对的两个板面上沿输入轴的周向分别固装有多个永磁体。本发明属于调速耦合驱动技术领域。

Description

双边结构调速永磁耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合器，具体涉及一种可调节转速的轴向磁通的双边永磁耦合器，属于调速耦合驱动技术领域。

背景技术

煤矿厂上使用的采煤机大多采用大功率的感应电机，然而感应电机的启动转矩比较小，无法实现带载启动，只能通过变压变频的控制器来增大启动转矩，但电机控制器在煤矿厂易燃易爆、潮湿、粉尘含量高等特殊的环境下有其一定的局限性，并且大功率的控制器价格很昂贵。

调速型永磁耦合器的调节气隙的控制执行器包括手动控制和信号电控两种。信号电控是当调速型永磁耦合器收到负载测控制信号时，传到其控制执行器的PLC控制系统，系统通过对信号的识别与转换，控制伺服电机，驱动四杆机构，调节永磁体与导电金属盘间气隙的大小。

发明内容

本发明是为解决现有煤矿厂上采用大功率感应电机带载启动，由于感应电机启动转矩比较小，其值小于负载转矩时，无法通过直接启动的方式实现带载启动，以及采用电机控制器存在价格昂贵的问题，进而提供一种双边结构调速永磁耦合器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的双边结构调速永磁耦合器包括驱动轴、输出轴、带颈的法兰盘、分离轴承座、分离轴承、第一支架、第二支架、第一导磁主动盘、第二导磁主动盘、导电金属盘、至少三个定位柱、多个永磁体和多个气隙调节装置；

第一支架、第一导磁主动盘、第二导磁主动盘和第二支架顺次并列设置，分离轴承、驱动轴和输出轴三者同轴设置，至少三个定位柱沿输入轴的周向均布设置，定位柱依次穿装在第一支架、第一主动盘、第二主动盘和第二支架上，定位柱的两端分别与第一支架和第二支架固接，第一导磁主动盘和第二导磁主动盘能沿定位柱滑动；驱动轴的一端穿过带颈的法兰盘、分离轴承座和分离轴承并与第一支架可拆卸连接，驱动轴的另一端套装有带颈的法兰盘，带颈的法兰盘的颈与第一支架相邻设置，带颈的法兰盘的颈上插装有分离轴承座且二者螺纹连接，分离轴承座与分离轴承连接为一体；输出轴的一端穿过第二主动盘和第二支架并连接负载，导电金属盘布置在第一主动盘和第二主动盘之间，输出轴的另一端与导电金属盘的中部连接，第一导磁主动盘和第二导磁主动盘相对的两个板面上沿输入轴7的周向分别固装有多个永磁体，第一导磁主动盘和第二导磁主动盘上的永磁体一一对应设置，同一个板面上的相邻两个永磁体相互吸引；

输入轴的周向均布设置有多个气隙调节装置，每个气隙调节装置包括分离叉、拉杆、连接杆、齿轮和两个齿条，分离叉布置在分离轴承和第一支架之间，分离叉的一端贴靠分离轴承，分离叉的另一端与水平布置的拉杆的一端连接，拉杆的另一端穿过第一支架并与第一主动盘连接，拉杆能在第一支架上滑动，连接杆水平设置，连接杆的一端穿过第一主动盘并与第一支架连接，第一导磁主动盘和第二导磁主动盘上分别安装有水平布置的齿条，齿轮置于第一导磁主动盘和第二导磁主动盘之间，齿轮安装在连接杆的另一端上，齿轮分别与两个齿条啮合。

本发明的有益效果是：

本发明设计为双边型结构，实现了传递大转矩，增大其转矩密度，两个导磁主动盘和位于两个导磁主动盘之间的导电金属盘，采用了双边型永磁体转子其磁路串联结构形式，与传统的双边结构永磁体—铜盘联轴节再铜盘—永磁体相比，传递的转矩不变的情况下，却减小了系统的体积。

本发明结构中调节导磁主动盘与导电金属盘之间的气隙（永磁体与导电金属盘之间的距离）的大小实现带载启动功能。首先将其气隙调为最大使其驱动电机可以空载启动，当驱动电机达到额定转速后通过旋转分离轴承座减小气隙长度，从而传递的转矩增大，当转矩大于负载转矩后负载侧的导电金属盘及输出轴开始旋转，当二者之间的转矩达到平衡时达到稳定运行，从而实现了带载启动的功能。

本发明与传统的调节气隙的手动执行器相比，可以通过气隙调节装置实现电机在旋转过程中直接调节气隙，达到了通过直接启动的方式实现带载启动，节省了在需要改变负载转速工况下将电机停止运行的时间以及避免了所需要的复杂操作。实现此功能的核心部件为分离轴承，采用汽车离合器分离轴承的工作原理，分离轴承受推力使分离叉实现两侧永磁体盘分离的轴承。

本发明采用手动控制调节气隙的结构装置，与其他手动控制的结构装置相比，此结构能实现在电机旋转的过程中进行导电金属盘与永磁体间气隙大小的调节，允许较大的对中误差，并且结构简单、易于操作，成本较低，整体成本降低了30%-50%。

附图说明

图1是本发明的整体结构主剖视图，图2是第一导磁主动盘、第二导磁主动盘、导电金属盘、永磁体以及输出轴连接的结构示意图，图3是气隙调节装置与第一支架、第一导磁主动盘、第二导磁主动盘连接的结构示意图，图4是具体实施方式四的串联磁路结构示意图，图5是具体实施方式五的并联磁路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的双边结构调速永磁耦合器包括驱动轴7、输出轴8、带颈的法兰盘11、分离轴承座12、分离轴承13、第一支架1、第二支架4、第一导磁主动盘2、第二导磁主动盘3、导电金属盘6、至少三个定位柱16、多个永磁体5和多个气隙调节装置；

第一支架1、第一导磁主动盘2、第二导磁主动盘3和第二支架4顺次并列设置，分离轴承13、驱动轴7和输出轴8三者同轴设置，至少三个定位柱16沿输入轴7的周向均布设置，定位柱16依次穿装在第一支架1、第一主动盘2、第二主动盘3和第二支架4上，定位柱16的两端分别与第一支架1和第二支架4固接，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3能沿定位柱16滑动；驱动轴7的一端穿过带颈的法兰盘11、分离轴承座12和分离轴承13并与第一支架1可拆卸连接，驱动轴7的另一端套装有带颈的法兰盘11，带颈的法兰盘11的颈与第一支架1相邻设置，带颈的法兰盘11的颈上插装有分离轴承座12且二者螺纹连接，分离轴承座12与分离轴承13连接为一体；输出轴8的一端穿过第二主动盘3和第二支架4并连接负载，导电金属盘6布置在第一主动盘2和第二主动盘3之间，输出轴8的另一端与导电金属盘6的中部连接，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3相对的两个板面上沿输入轴7的周向分别固装有多个永磁体5，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上的永磁体5一一对应设置，同一个板面上的相邻两个永磁体5相互吸引；

输入轴7的周向均布设置有多个气隙调节装置，每个气隙调节装置包括分离叉14、拉杆15、连接杆17、齿轮9和两个齿条10，分离叉14布置在分离轴承13和第一支架1之间，分离叉14的一端贴靠分离轴承13，分离叉14的另一端与水平布置的拉杆15的一端连接，拉杆15的另一端穿过第一支架1并与第一主动盘2连接，拉杆15能在第一支架1上滑动，连接杆17水平设置，连接杆17的一端穿过第一主动盘2并与第一支架1连接，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上分别安装有水平布置的齿条10，齿轮9置于第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3之间，齿轮9安装在连接杆17的另一端上，齿轮9分别与两个齿条10啮合。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式所述导电金属盘6为铜盘。如此设置，铜的电阻率低而导电率高，满足永磁耦合的需要。其它与具体实施一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述导电金属盘6为铝盘。如此设置，铝的电阻率也低而导电率较高，满足永磁耦合的需要。其它与具体实施一相同。

具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式的第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上相对设置的两个永磁体5相互吸引。如此设置，同一个导磁主动盘上相邻永磁体NS极交错，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上相对设置的两个永磁体5相互吸引，相对的永磁体采用NS相对的结构，即磁路串联的形式；与传统双边结构（两个铜盘、两个永磁体）相比在输出相同转矩条件下，能够减少更多的体积，而且结构简单，方便使用。其它与具体实施方式一、二或三同。

具体实施方式五：结合图5说明，本实施方式所述永磁耦合器还包括第三导磁主动盘18，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3之间布置有与二者平行的第三导磁主动盘18，第三导磁主动盘18的两侧分别固装有一个导电金属盘6，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上相对设置的两个永磁体5相互排斥。如此设置，同一个导磁主动盘上相邻永磁体NS极交错，第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上相对设置的两个永磁体5相互排斥，也即，相对永磁体采用NN相对的结构，即磁路并联的形式，与传统双边结构（两个铜盘、两个永磁体）相比在输出相同转矩条件下，能够减少更多的体积，而且结构也更加简单。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：结合图1和图4说明，本实施方式所述第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上的永磁体5分别与导电金属盘6之间的距离为1-10mm。如此设置，满足永磁耦合器输出的转矩的启动，以及负载转矩的启动和稳定运行。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图5说明，本实施方式所述第一导磁主动盘2和第二导磁主动盘3上的永磁体5分别与相对应的导电金属盘6之间的距离为1-10mm。如此设置，满足永磁耦合器输出的转矩的启动，以及负载转矩的启动和稳定运行。其它与具体实施方式五相同。

工作过程

在电机运行时永磁体盘同步旋转，永磁体盘产生旋转磁场使从动盘侧的铜盘上感应出涡流，涡流产生的电磁场与永磁体磁场相互耦合在切向方向产生合力，从而拖拽导电金属盘随第一导磁主动盘和第二导磁主动盘旋转，进而产生电磁转矩，其原理与感应电机相同。在一个导磁主动盘轴向运动时，其一侧的齿条同样沿相同的方向运动，通过齿轮配合可以将另一侧的齿条向相反的方向运动相同的距离，进而实现另一侧导磁主动盘运动相同距离，最终使得铜盘与两侧的导磁主动盘的气隙保持相同的大小；当负载转矩一定时，当调节第一导磁主动盘、第二导磁主动盘与铜盘之间的气隙大小时，使得传递的转矩发生变化，为了保证负载转矩与电磁转矩平衡，利用感应电机的转差—转矩曲线，通过从动盘的转速自动调节来改变导磁主动盘与铜盘之间的转差来使得二者转矩平衡，实现改变导电金属盘转速的永磁耦合器叫调速型永磁耦合器。其主磁通是由一块永磁体的N极发出，经过气隙，穿过导电金属盘以及另一端气隙到达相对位置的永磁体S极下，再通过导磁主动盘交链第二块永磁体相邻的永磁体，然后再穿过气隙及导电金属盘和另一端气隙到达第三块相对位置的永磁体，第四块永磁体N极再通过导磁主动盘回到第一块永磁体的S极下形成闭合的回路。

传递转矩的大小与永磁体的大小、永磁体厚度、永磁体的极对数以及导电金属盘的大小、导电金属盘的厚度相关。本发明中如果需要增大电磁转矩的大小只需改变导电金属盘大小、导电金属盘厚度等参数，而其他部分的结构不需要改变，这样使得一个永磁耦合器装置可以实现满足不同转矩等级的要求，此结构装置可以允许驱动电机轴和负载输出轴有较大的对中误差，比传统的机械联轴节增加了关键部件的使用寿命。

如果需要输出更大的电磁转矩，还可以采用多层气隙的结构形式，即主动盘为并列四排永磁体，从动盘为两排导电金属盘，这样可以输出增加一倍的转矩，带颈的法兰盘与分离轴承座是螺旋配合，手动旋转分离轴承座把手时，由于带颈的法兰盘被固定静止，使得分离轴承座轴向运动，推动分离轴承向前运动，此时与分离轴承接触的分离叉，并与主动盘总成连接的分离叉使其下端向下运动，通过与其配合的拉杆使得分离叉上端向左运动，通过拉杆拽着第一导磁主动盘向左运动，使得第一导磁主动盘与导电金属盘之间的气隙增加，实现调节气隙的功能。分离轴承作用是实现静止物体到运动物体转换衔接的功能，定位柱作用是与永磁体盘是滑动配合的，是永磁体盘轴向滑动的媒介。

本发明应用在感应电机带载启动的过程如下，由于两侧的第一导磁主动盘和第二导磁主动盘之间存在很大的吸力，使得在初始状态其与导电金属盘之间的气隙为最小。首先通过旋转分离轴承座使其在带颈的法兰盘里旋转，分离轴承向右移动到最大位移，推动分离叉下端向下运动，利用拉杆其上端向左移动，再通过拉杆使其左第一导磁主动盘向左滑动，然后利用齿轮齿条的配合，右侧的齿条会向右移动相同的距离，第二导磁主动盘向右滑动，将主动盘移动到与支架接触时为气隙最大的时刻，此时启动驱动电机，由于二者之间的气隙为最大，相当于驱动电机空载启动，当电机达到额定转速时慢慢将施加给分离轴承座的力沿反方向旋转，利用两侧的永磁体之间的吸力，永磁体与导电金属盘之间气隙逐渐减小，此时永磁体产生的旋转磁场使导电金属盘上感应出涡流，二者之间的磁场相互耦合传递转矩，随着气隙的减小传递的转矩逐渐增加，当二者之间产生的转矩大于负载转矩时，导电金属盘开始旋转，永磁耦合器输出的转矩与负载转矩相等时系统稳定运行，再逐渐减小气隙，使其气隙保持最小状态，系统正常运行，此时传递的效率是最大的。

Claims (7)

1.双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：它包括驱动轴（7）、输出轴（8）、带颈的法兰盘（11）、分离轴承座（12）、分离轴承（13）、第一支架（1）、第二支架（4）、第一导磁主动盘（2）、第二导磁主动盘（3）、导电金属盘（6）、至少三个定位柱（16）、多个永磁体（5）和多个气隙调节装置；

第一支架（1）、第一导磁主动盘（2）、第二导磁主动盘（3）和第二支架（4）顺次并列设置，分离轴承（13）、驱动轴（7）和输出轴（8）三者同轴设置，至少三个定位柱（16）沿输入轴（7）的周向均布设置，定位柱（16）依次穿装在第一支架（1）、第一主动盘（2）、第二主动盘（3）和第二支架（4）上，定位柱（16）的两端分别与第一支架（1）和第二支架（4）固接，第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）能沿定位柱（16）滑动；驱动轴（7）的一端穿过带颈的法兰盘（11）、分离轴承座（12）和分离轴承（13）并与第一支架（1）可拆卸连接，驱动轴（7）的另一端套装有带颈的法兰盘（11），带颈的法兰盘（11）的颈与第一支架（1）相邻设置，带颈的法兰盘（11）的颈上插装有分离轴承座（12）且二者螺纹连接，分离轴承座（12）与分离轴承（13）连接为一体；输出轴（8）的一端穿过第二主动盘（3）和第二支架（4）并连接负载，导电金属盘（6）布置在第一主动盘（2）和第二主动盘（3）之间，输出轴（8）的另一端与导电金属盘（6）的中部连接，第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）相对的两个板面上沿输入轴（7）的周向分别固装有多个永磁体（5），第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上的永磁体（5）一一对应设置，同一个板面上的相邻两个永磁体（5）相互吸引；

输入轴（7）的周向均布设置有多个气隙调节装置，每个气隙调节装置包括分离叉（14）、拉杆（15）、连接杆（17）、齿轮（9）和两个齿条（10），分离叉（14）布置在分离轴承（13）和第一支架（1）之间，分离叉（14）的一端贴靠分离轴承（13），分离叉（14）的另一端与水平布置的拉杆（15）的一端连接，拉杆（15）的另一端穿过第一支架（1）并与第一主动盘（2）连接，拉杆（15）能在第一支架（1）上滑动，连接杆（17）水平设置，连接杆（17）的一端穿过第一主动盘（2）并与第一支架（1）连接，第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上分别安装有水平布置的齿条（10），齿轮（9）置于第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）之间，齿轮（9）安装在连接杆（17）的另一端上，齿轮（9）分别与两个齿条（10）啮合。

2.根据权利要求1所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：所述导电金属盘（6）为铜盘。

3.根据权利要求1所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：所述导电金属盘（6）为铝盘。

4.根据权利要求1、2或3所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上相对设置的两个永磁体（5）相互吸引。

5.根据权利要求1、2或3所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：所述永磁耦合器还包括第三导磁主动盘（18），第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）之间布置有与二者平行的第三导磁主动盘（18），第三导磁主动盘（18）的两侧分别固装有一个导电金属盘（6），第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上相对设置的两个永磁体（5）相互排斥。

6.根据权利要求4所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：所述第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上的永磁体（5）分别与导电金属盘（6）之间的距离为1mm-10mm。

7.根据权利要求5所述的双边结构调速永磁耦合器，其特征在于：所述第一导磁主动盘（2）和第二导磁主动盘（3）上的永磁体（5）分别与相对应的导电金属盘（6）之间的距离为1mm-10mm。

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