CN103840637A - 磁场调制型永磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁耦合器，包括：两相对布置且同心的转子；同心设置于第一转子上并与之同步旋转的多对极永磁体，以产生第一旋转磁场；以及同心设置于第二转子上并与之同步旋转的导体环；还包括设置在永磁体与导体环之间的调制铁环，第一旋转磁场经该调制铁环的磁场调制作用后，可在靠近第二转子的气隙中变为第二旋转磁场，导体环在第二旋转磁场作用下感应出一与该旋转磁场极对数相同且保持同步旋转的磁场，从而产生稳定不变的转矩实现稳定地传输功率。本发明通过磁场调制作用与磁耦合效应的结合，可以同时实现“变速与恒频”，既起到变速齿轮的作用，又取代传统变频装置起恒频作用，从而降低传动系统的成本。

Description

磁场调制型永磁耦合器

技术领域

本发明属于变速传动技术领域，具体涉及一种永磁耦合器。

技术背景

风能作为一种蕴藏量巨大的、清洁的可再生能源，受到了世界各国的高度重视。近十年来，整个世界范围内风力发电的装机容量连续多年大比例增长。尤其在中国，风力发电已成为中国新能源战略的发展重点，预计未来很长一段时间都将保持高速发展。

诸如风力发电系统，目前广泛存在需要从“低、变速”到“高、恒速”变速传动的应用场合，即需要通过将低速和不稳定的风速转化为电机的恒定高速，以进行发电。这种“原动机”转速不稳定且与发电机转速相差很大的应用场合通常需要应用到变速传动机构和变频装置，以实现变速恒频功能。

以风力发电系统为例，根据系统中是否包含齿轮箱等变速传动部件，风力发电系统可以分为非直驱式和直驱式。非直驱式的双馈异步风力发电机，以其技术优势成为目前最为主流的风电机组类型。直驱式风力发电机极数多，转速低，体积大，由于其无需增速齿轮箱、可靠性高、便于维护的特点，近年来发展迅速。

在实际的风力发电系统中，由于风场中风速的限制，用来接受风力的叶片只能低速旋转，而目前非直驱的风力发电机，其额定转速均远高于叶片转速，因此在当前非直驱的风力发电系统中，风叶要通过变速齿轮箱与风力发电机连接。目前主流的变速齿轮箱为机械式，虽然可以得到较高的功率密度，但它需要配备润滑、冷却系统，同时会带来噪声、振动以及可靠性等一系列问题。

同时，由于风速的不恒定性会导致发电机端电压频率的波动，因此无论是直驱或非直驱式的风力发电机，其定子输出端与电网间均要使用变频装置连接，即发电机定子电压要经整流和逆变后才能输出频率稳定的电能。目前风力发电机组装机容量不断增大，需配备相应变频器，而大容量的变频器造价十分昂贵，使整套风力发电系统的成本大大升高。

与传统的机械传动相比，基于磁场调制原理的磁齿轮传动具有很多优点：无物理接触、低噪声与振动、可靠性高、转矩传递精确、自然的过载保护等等，因此近年受到越来越多的重视，成为业界的研究热点。

如图1一所示，其示例是一种径向磁场的同心式磁齿轮。外转子内壁贴有1对极永磁体，内转子外壁贴有11对极永磁体，两种极对数的永磁体之间有铁磁材料制成的磁调制环，当磁调制环个数为两转子极对数之和或之差时，即满足磁场调制原理。示例中，磁调制环有12个，为两转子极对数之和。尽管两转子极对数不同，但只要以磁调制环为参照系时的两转子转速恰与其极对数成反比，那么由于磁调制环的存在，两转子之间能传递稳定的转矩和功率。图1中，磁调制环静止，内转子与外转子的转速比为1:11时，二者之间有稳定的转矩，否则会有转矩脉动和转矩交变；磁调制环旋转时，只要以调制环为参考系的两转子转速比仍保持为1:11，则转矩仍然稳定。因此改变磁调制环转速，即可实现调速作用。

合理调节磁齿轮的内转子极对数、外转子极对数及磁调制环中的铁块数目的不同配合关系，可以得到不同的传动比。磁齿轮传动适用于低速大转矩的场合，能起到增速作用，并具有物理隔离、低振动、低噪声、无需润滑的优点，有精确的转矩传输能力和固有的过载保护能力。

基于磁场调制原理的永磁齿轮传动机构适用于低速大转矩的场合，目前主要应用于变速传动，但由于其内外转子永磁体的极对数选定后无法改变，而磁调制环一般静止，故变速比一般固定，并无平滑调速的功能。对于需要调速的场合，则要实时调节磁齿轮中磁调制环的转速，控制成本高，目前尚无通过调节磁调制环来调速的工程实例。

为了克服上述缺陷，现有技术中出现了一种永磁耦合器，又名磁力耦合器，是通过导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输的装置，可实现电动机和负载间无机械连接的传动方式，其工作原理是当两者之间相对运动时，导体组件切割磁力线，在导体中产生涡电流，涡电流进而产生反感磁场，与永磁体产生的磁场交互作用，从而实现两者之间的扭矩传递。

永磁耦合器一般为盘式结构，图2为其示例。铜盘3与永磁体2盘分别固定于不同铁心1和4上，两者之间有可调气隙。铜盘3一般与电机驱动轴连接，而永磁体盘2与负载轴或原动机轴连接。永磁耦合器的工作原理类似异步电机，原动机起动时，永磁体盘2被带动旋转从而产生旋转磁场，此时铜盘3切割磁力线，内部产生涡流，涡流感应出的磁场总是与永磁体磁场的转速与极对数保持一致，因此铜盘3受到驱动性质的转矩开始加速旋转，从而开始传递转速和转矩，因此永磁耦合器本身具有软启动功能。铜盘3达到稳定时的转速与负载转矩的大小和气隙长度有关。调节气隙距离，穿过铜盘3的磁场强度改变，电磁转矩相应改变，原有的转矩平衡被破坏，铜盘3即相应升速或降速，直至达到新的转矩平衡状态，从而实现调速作用。

永磁耦合器能实现电动机和负载间、发电机与原动机间无机械链接的传动方式，并可通过调节气隙来进行调速。永磁耦合器可以在原动机的转速不断变化的情况下，保持发电机转速不变，即实现变速比变化的调速，并实现对转矩和功率的传递与控制，近年来受到越来越多研究者的重视。

这种永磁耦合器作为速度传动机构，适用于传动前后转速相差不大的场合，这样才能传递较大的转矩，有较高的传递效率。当传动前后速度相差很大，高速侧转速达到低速侧数倍时（例如风力发电系统中发电机转速和叶片转速），转差太大，永磁耦合器的转矩输出能力减小，且涡流损耗显著增大，传动效率大大降低。同时，永磁体盘与导体盘的轴向斥力也显著增大，会降低传动轴承寿命。因此永磁耦合器只适用于速度传动比在1附近的调速场合，并不适用于诸如风力发电场合的转速传动比较大的场合。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种磁场调制型的永磁耦合器，通过磁场调制作用与磁耦合效应的结合，同时实现“变速与恒频”，即“低、变速”到“高、恒速”的传动作用，既起到变速齿轮的作用，同时又取代传统的变频装置，从而在一定程度上降低传动系统的成本。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种磁场调制型永磁耦合器，通过磁场调制与磁耦合的结合，实现大变速比的变速恒频的动力传动，其中，该永磁耦合器包括：

两相对布置的转子，其分别与一低速转体和一高速转体连接，以分别同步转动；其中，n₁为低速转体的转速，n₂为高速转体的转速。

同心设置于其中的第一转子上并与之同步旋转的永磁体。设定永磁体共有P₁对，（P₁≥1）。这些永磁体在两转子之间靠近第一转子的气隙中产生转速为n₁，极对数为P₁的第一旋转磁场；

以及同心设置于第二转子上并与之同步旋转的导体环；

其特征在于，还包括设置在所述永磁体与导体环之间的由多个调制铁块围成的与所述两转子同轴心设置的调制铁环，所述第一旋转磁场经该调制铁环的磁场调制作用后，可在靠近所述第二转子的气隙中变为转速为n₂、极对数为P₂（P₂≥1）的磁场，P₂由P₁和调制铁块的个数共同确定。所述导体环在该极磁场作用下感应出的电流同样产生一P₂对极且与该旋转磁场保持同步的磁场，从而产生稳定不变的转矩，实现稳定地传输功率。根据磁场调制原理，P₁、P₂、n₁、n₂之间满足关系：P₁×n₁=P₂×n₂。

作为本发明的改进，所述磁调制环可以保持静止，也可以一定速度旋转。

作为本发明的改进，所述调制铁块的材料可与两转子相同，例如用硅钢片叠压而成。

作为本发明的改进，所述第一转子与转速较低的转动体连接，以能以较低的转速转动。

作为本发明的改进，所述带动第一转子转动的较低的转速的速度不恒定。

作为本发明的改进，所述第一转子与接受风力的风叶同轴旋转。

作为本发明的改进，所述第二转子与转速较高的转动体连接，以能以较高的转速转动且恒定。

作为本发明的改进，所述第二转子与并网的同步发电机的转子同轴旋转，

作为本发明的改进，所述第一转子为内转子，所述第二转子为外转子。

作为本发明的改进，所述导体环为铜环。

作为本发明的改进，所述第一转子、永磁体、调制铁环、导体环和第二转子依次同轴心套接呈环形，以此形成径向磁场。

作为本发明的改进，所述第一转子、永磁体、调制铁环、导体环和第二转子依次同轴心轴向布置，以此形成轴向磁场。

作为本发明的改进，所述永磁体内嵌于第一转子内或者内嵌于第一转子内。

作为本发明的改进，所述导体环表贴于第二转子的内测，或者所述第二转子与导体环形成鼠笼式结构，或者所述第二转子与导体环形成绕线式结构。

总体而言现有的机械式变速齿轮，变速比一般固定，其结构难以实现“低、变速”到“高、恒速”的传动。而现有的磁场调制型的磁齿轮，也只适用于变比恒定的传动，如果磁齿轮的变速比不断变化，则其无法稳定地传递功率和转矩。而本发明所述的永磁耦合器，其可以在变速比不断变化的情况下，仍平稳地传递功率和转矩，并维持较高的传动效率。同时，合理选择此装置各部分的结构尺寸，以及永磁体数和调制铁块数的配合关系后，本变速装置能达到较高的转矩密度，具有较大的转矩传递能力。

附图说明

图1所示为现有技术中的一种基于磁场调制原理的永磁齿轮传动机构的示意图。

图2所示为现有技术中的永磁耦合器的结构示意图。

图3所示为本发明一个实施例的永磁耦合器的横向剖面图。

图4为图3所述永磁耦合器的磁齿轮运行时的磁力线分布示意图。

图5为本发明另一个实施例的轴向磁场的永磁耦合器的结构示意图。

图6为本发明又一个实施例的永磁耦合器中与永磁体连接的两种内嵌式永磁体转子结构示意图。

图7为本发明的永磁耦合器的鼠笼式铜条转子结构示意图。

图8为本发明的永磁耦合器的绕线式转子结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图3所示为本发明的永磁耦合器的一个具体实施例的横向剖面图。该实施例的永磁耦合器为径向磁场式环形结构，环形结构由外向内依次为外转子1，紧贴外转子内侧壁的铜环2、磁调制环4、永磁体3以及内转子5。所述铜环2与外转子1同步旋转，所述永磁体3与内转子5同步旋转。永磁体3与铜环2之间的磁调制环4可以保持静止，也可以某一速度旋转。

图3中，永磁体3设置在内转子1外壁侧，本实施例中优选磁体极数为11对。永磁体3与铜环2之间为保持静止的由多个调制铁块4围成的磁调制环，本实施例中其数目优选为12块，沿圆周均匀分布，其材料优选与两转子一样，由硅钢片叠压而成。当将图3所示的永磁耦合器应用于风力发电系统时，可使贴有铜环2的外转子1与并网的同步发电机的转子同轴旋转，故其转速高而恒定。使贴有永磁体3的内转子5与接受风力的风叶同轴旋转，故其转速低且不恒定，因此该齿轮的变速比处于不断的动态变化中。

两转子的转速比可通过调节永磁体对数和调制铁块个数确定，这就是磁场调制作用

根据磁场调制的原理，在图3所示实施例中，当内转子5与11对极的永磁体3一起随风叶旋转时，在靠近内转子3的气隙中，会产生11对极的旋转磁场，该磁场转速时刻与风叶转速保持一致，该11对极磁场经过数目为12的调制铁块4的磁场调制作用后，在靠近外转子1的气隙中变为一对极磁场，该一对极磁场的转速恒为11对极磁场转速的11倍。因此，一低速旋转的11对极磁场经调制后变为一高速旋转的1对极磁场，产生如图4所示的磁场调制的变速齿轮效应。

图3中，由于风叶转速波动，调制前后的两磁场转速也是波动的。调制后产生的一对极磁场会作用于高速旋转的铜环2，在铜环2中感应出涡流，该涡流同样产生一一对极磁场。此时，铜环2虽然随发电机转子恒速旋转，但铜环中的涡流却能感应出与调制产生的一对极磁场始终保持同步的一对极磁场。也就是说，尽管恒速旋转的铜环与调制产生的磁场存在一变化的转速差，但铜环2中的涡流感应的磁场与调制产生的磁场却是不存在转速差，仅存在相位差的，且两磁场极对数总是相同。这样，两个由不同机构产生的一对极磁场之间，能产生稳定不变的转矩，即能稳定地传输功率。

图3所示的永磁耦合器，可以在变速比不断变化的情况下，仍平稳地传递功率和转矩，并维持较高的传动效率。同时，合理选择此装置各部分的结构尺寸，以及永磁体数和调制铁块数的配合关系后，本变速装置能达到较高的转矩密度，具有较大的转矩传递能力。

图3是用于解释本发明的一种径向磁场的实施例，而图5为本发明的一种轴向磁场的实施例，二者均属于示意结构，本发明并不限于这些结构，其他类似的结构均属于本发明的保护范围。

图3所示的为表贴式永磁体转子结构，图6所示的为两种内嵌式永磁体转子结构，上述三种转子结构只是示意结构，本发明并不限于这些结构，其他类似的结构变换都在本发明的保护范围。

另外，本发明实施例的变速齿轮是双转子结构，内外两转子中任一转子铁心均可与铜盘2或永磁体3盘固定连接，而另一转子铁心相应与永磁体盘3或铜盘2连接。也就是说，两转子铁心只有位置上的差异，其功能只取决于与其固定连接的铜盘2或永磁体盘3。本发明所给实施例，均为内转子5放置永磁体3，外转子1放置铜环2，但本发明不限于这种结构，外转子1放置铜环2，内转子5放置永磁体3，以及其他类似结构也属于本发明的保护范围。

图7为本发明所述的永磁耦合器的鼠笼式铜条转子结构示意图。

图8为本发明所述的永磁耦合器的绕线式转子结构示意图。

本发明中，恒速旋转的铜环2中感应的涡流，能产生速度不断变化的磁场，这与鼠笼式异步电机的原理是类似的。鼠笼式异步电机额定运行时，转子速低于定子电流产生的旋转磁场速度，但转子上的涡流能产生与定子电流磁场同步旋转的磁场，定转子磁场从而合成恒定的气隙磁场。异步电机传输转矩和功率的能力是随转差率变化的。同理，本发明的传输转矩和功率的能力也随两转子的转速差变化。对于一般的永磁耦合器，该转速差很小且在小范围内变化时，其才能有较大的转矩传输能力。因此，本发明实施例才利用磁场调制原理，将与叶片同步慢速旋转的磁场调制成与同步发电机转速相近的高速旋转磁场，再结合永磁耦合器稳定传递异步转矩的能力，就能以较高效率实现“变速恒频”功能。

风力发电系统可作为本技术最典型的应用场合，但本发明不限于应用在风力发电领域，例如还可以应用于舰船推动装置或其他工业中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁场调制型永磁耦合器，通过磁场调制与磁耦合的结合，以实现大变速比的变速恒频的动力传动，其中，该永磁耦合器包括： 

两相对布置的转子，其分别与一低速转体和一高速转体连接以分别同步转动； 

同心设置于其中的第一转子（5）上并与之同步旋转的多极对永磁体（3），可在两转子之间靠近第一转子（5）的气隙中产生第一旋转磁场；以及 

同心设置于第二转子（1）上并与之同步旋转的导体环（2）； 

其特征在于，还包括设置在所述永磁体（3）与导体环（2）之间的、由多个调制铁块（4）围成的与所述两转子同轴的磁调制环，所述第一旋转磁场经该调制铁环的磁场调制作用后，可在两转子之间靠近所述第二转子的气隙中变为第二旋转磁场，其可使得所述导体环（2）在该第二旋转磁场下感应电流并进而产生出一与该第二旋转磁场极对数相同且保持同步旋转的磁场，从而产生稳定不变的转矩，而实现稳定地传输功率。 

2.根据权利要求1所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述磁调制环可以保持静止，也可以一定速度旋转。 

3.根据权利要求1或2所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述调制铁块的材料可与两转子相同，例如用硅钢片叠压而成。 

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述第一转子（5）与低转速转体连接，以较低的转速转动，所述第二转子（1）与高速转体连接，以高速转动。 

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述带动第一转子（5）转动的转速转体的转速不恒定，例如所述第一转子（5）与接受风力的风叶同轴旋转。 

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述第二转子（1）的转速恒定以使得所述高速转体转速恒定，例如第二转子（1）与并网的同步发电机的转子同轴连接。 

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述第一转子（5）为内转子或外转子，相应地所述第二转子（1）为外转子或内 转子。 

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述第一转子（5）、永磁体（3）、磁调制环、导体环（2）和第二转子（1）依次同轴心套接呈环形，以此形成径向磁场；或者所述第一转子（5）、永磁体（3）、磁调制环、导体环（2）和第二转子（1）依次同轴心轴向布置，以此形成轴向磁场。 

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述永磁体（3）表贴于所述第一转子（5）上，或者内嵌于第一转子（5）内。 

10.根据权利要求1-10中任一项所述的一种磁场调制型永磁耦合器，其中，所述导体环（2）表贴于第二转子（1）的内侧，或者所述第二转子（1）与导体环（2）形成鼠笼式结构，或者所述第二转子（1）与导体环（2）形成绕线式结构。

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