CN105006951A - 一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置，在机座的壳体与输入轴或输出轴上设置第二电磁感应组件；控制机构中的变流装置接收来自设于输入轴与输出轴之间的第一电磁感应组件的电能，并将其调制后输入所述第二电磁感应组件的绕组，从而使所述第二磁感应组件产生辅助输入轴或输出轴转动的电磁力矩。本发明的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，能够将输入轴与输出轴之间因存在转速差而产生的转差功率充分收集，并利用其驱动输入轴或输出轴转动，从而使来自驱动装置的输入功率，在忽略机械损耗和杂散损耗的情况下，能够全部转化为输出轴的输出功率，并且使输出轴的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当。

Description

一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置

技术领域

本发明涉及一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置，特别是恒功率传输，在输出转速较低时能增加所传递的转矩，属于机械传动领域。

背景技术

从传动的技术角度来看，大型旋转机械的调速运行来自两方面的要求，一是生产工艺上的要求，二是节能上的要求。目前大型旋转机械变速运行，实际应用最具代表性的有：三相异步电动机或永磁电机的变频调速技术和绕线转子电机的串极调速技术以及调速型液力偶合器传动技术。另外对于固定变速比的变速运行，机械式齿轮变速箱应用最为广泛。

但是以上各种调速技术总是或多或少存在一些不足，例如：高压大功率变频器的可靠性还没有得到广泛认可，其高昂的成本和对环境的高要求以及谐波污染问题制约了它的推广应用。例如：绕线转子电机的串极调速技术，因其调速运行效率低下也得不到广泛应用。例如：调速型液力偶合器传动技术也是因为其自身效率低，再加上后期维护工作量大，渐渐被用户抛弃。而机械式齿轮变速箱只能用一种或几种固定的速度运行，根本无法无级调速。

目前应用如日中天的变频调速技术，也只能做到额定转速以上为恒功率运行，而额定转速以下就只能做到恒转矩调速运行。机械式齿轮变速箱虽然能作恒功率传送运行，但它只能用一种或几种固定的速度运行，根本无法无级调速。

中国专利文献CN104767357A公开了一种绕组式永磁耦合传动装置，其实质是一种滑差调速器，它解决了美国麦格纳驱动公司涡流式永磁调速器(美国专利NO.5477094)涡流发热的问题，并且也提高了系统效率，但是其仍有不足，分析如下：

在上述公开的永磁调速器技术中，永磁转子和导体转子之间必须要有转速差的存在，否则两转子之间就不会有电磁转矩的产生。即输入转速n₁始终大于输出转速n，则其转差率s为：s＝(n1-n)/n1。

电机学理论证明，只要输入轴转速与输出轴转速之间存在转速差，就必然存在转差功率的损耗，忽略机械损耗和杂散损耗后，转差率s与输入功率之间的关系为：Pm＝sPm+(1-s)Pm；式中：Pm为输入功率，sPm为转差功率，(1-s)Pm为输出功率。

对于涡流式永磁调速器，上面所述的转差功率sPm都会作为热能散发掉，对于中国专利文献CN104767357A，虽然其将转差功率sPm全部加以回收利用提高了效率，但是，从公式中可以看出：输入功率Pm不变时，当s越大，转差功率sPm也越大，输出功率(1-s)Pm就变小。假定设计时将系统的输入功率与负载功率设为相等都为Pm，当调速50％即s＝0.5时，此时永磁耦合调速器的输出功率只有0.5Pm，当要保证对负载的输出功率时，则要增加输入功率，即需要2Pm的输入才能保证1Pm的输出。显然，专利文献CN104767357A中永磁耦合传动装置是不能作恒功率调速运行的。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于对现有技术中的磁耦合传动装置作进一步的深化研究，解决上述永磁耦合传动装置不能作恒功率调速运行的缺陷，从而提供一种在驱动装置以恒定的输入功率驱动输入轴转动时，能够消除转差功率的影响，以等于输入功率(忽略效率影响)的输出功率驱动输出轴转动的磁耦合传动装置。

为此，本发明提供一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置，包括：

机座，具有壳体；

输入轴，可转动的安装在所述机座上，具有用于与动力装置连接的输入轴连接端，和位于所述壳体内的输入轴机内部分；

输出轴，可转动的安装在所述机座上，具有用于与负载连接的输出轴连接端，和位于所述壳体内的输出轴机内部分，所述输出轴机内部分与所述输入轴机内部分之间对应设置且互不接触；

第一电磁感应组件，由设置在所述输入轴机内部分上的第一转子及设置在所述输出轴机内部分与所述第一转子对应位置上的第二转子构成；

第二电磁感应组件，由定子及第三转子构成；所述定子设置在所述壳体内表面上，所述第三转子设置在所述输入轴机内部分或所述输出轴机内部分与所述定子对应的位置上；

控制机构，包括变流装置；所述变流装置用于调制来自所述第一电磁感应组件中的绕组的电能的频率和电压，并将调制后的该电能输入到所述第二电磁感应组件中的绕组，从而使所述第二感应组件产生辅助电磁力矩。

其中，所述第一电磁感应组件中所述第一转子与所述第二转子之一是永磁体，另一个是绕组。

所述第二电磁感应组件中所述定子与所述第三转子之一是永磁体，另一个是绕组。

进一步地，所述第二磁感应组件中的所述绕组设置在所述壳体内表面上；相应地所述第二磁感应组件中的所述永磁体设置在所述输入轴机内部分或所述输出轴机内部分中具有与所述定子对应的位置上。

进一步地，所述输出轴机内部分上设有支架，所述支架保持所述输出轴机内部分上设置的各电磁感应部件在所述所述壳体及所述输入轴机内部分上设置的电磁感应部件之间保持所需的气隙。

所述输入轴机内部分上设有支架，所述支架保持所述输入轴机内部分上设置的各电磁感应部件在所述所述壳体及所述输出轴机内部分上设置的电磁感应部件之间保持所需的气隙。

所述输入轴机内部分上设有支架，所述支架保持所述输入轴机内部分上载带的各电磁感应部件在所述所述壳体及所述输出轴机内部分载带的电磁感应部件之间，并在各电磁感应组件中对应电磁感应部件之间保持所需的气隙。

还提供一种能够提供补充动力的传动装置，采用如上项所述的恒功率调速运行的永磁耦合传动装置，所述控制机构包括外接电源连接部分；通过所述控制机构控制所述外接电源连接部分，从外部电网给所述第二磁感应组件中的所述绕组供电。

本发明具有以下优点：

1.本发明的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，由于设置第二电磁感应组件；控制机构中的变流装置接收来自第一电磁感应组件中的绕组的电能，将其调制后输入到该第二电磁感应组件中的绕组，从而使该第二电磁感应组件产生辅助电磁力矩。也就是说，本发明的恒功率调速运行的永磁耦合传动装置，能够将输入轴与输出轴之间因存在转速差而产生的转差功率充分收集，并利用其驱动输入轴或输出轴转动，从而使来自驱动装置的输入功率，在忽略损耗的情况下，能够几乎全部转化为输出轴的输出功率，并且使输出轴的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当，实现了永磁耦合传动装置的恒功率调速运行；本发明的恒功率调速运行的永磁耦合传动装置体积小、成本低，极具推广应用价值。

本发明的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，转差功率得到全部回收并传递给了负载端，功率的传送与转差率s的大小无关，这样就在全调速范围内都能基本上做到恒功率传动，则其输出转矩T＝(n₁/n)×T1(式中：T1为输入转矩、n₁为输入转速、n为输出转速)，这在机械传动领域是革命性的无级调速传动技术。本发明的磁耦合传动装置无齿轮等机械传动装置，完全通过气隙来传递转矩，基本实现无油操作，无摩擦、磨损，使用寿命长。本发明磁耦合传动装置是纯电气系统控制，更方便实现开环或闭环运行、就地控制与远方控制，更方便实现与DCS系统或其它计算机网络连接。

2.本发明的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，其中第二磁感应组件中的绕组作为定子设置在机座的壳体内表面上，这样来自控制机构的电源线可以直接通过该壳体直接与二磁感应组件中的绕组作连接，而不必经过电刷一类的连接机构，简化了结构，并提高了连接的可靠性。

3.本发明的能够提供补充动力的传动装置，当负载系统临时需要增加功率，而输入端功率不够的情况下，能够通过外部电源输入功率，解决系统临时的动力需求问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例中恒功率调速运行的磁耦合传动装置的部分剖面结构示意图。

图2是本发明第二实施例中恒功率调速运行的磁耦合传动装置的部分剖面结构示意图。

图3是本发明第三实施例中恒功率调速运行的磁耦合传动装置的部分剖面结构示意图。

图4是本发明第四实施例中恒功率调速运行的磁耦合传动装置的部分剖面结构示意图。

图5是本发明第五实施例中恒功率调速运行的磁耦合传动装置的部分剖面结构示意图。

图中：1-壳体，11-第一轴承，12-第二轴承，2-输入轴，21-输入轴连接端，22-输入轴机内部分，3-输出轴，31-输出轴连接端，32-输出轴机内部分,4-第一转子，5-第二转子，6-第三转子，7-定子，8-支架，81-第一圆盘，82-第二圆盘，9-控制机构,13-第一转动间隙，14-第二转动间隙，15-第一集电环，16-第一电刷，17-第二集电环，18-第二电刷。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置做进一步的详细说明。

参见图1显示的第一实施例，其中的一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置包括固定设置具有壳体1的机座，通过第一轴承11可转动的安装在所述壳体1上的输入轴2，以及同样通过第二轴承12可转动的安装在所述壳体1上的输出轴3。其中，所述输入轴2具有用于与动力装置连接的输入轴连接端21，和输入轴机内部分22；所述输出轴3具有用于与负载连接的输出轴连接端31，和输出轴机内部分32；并且所述输入轴机内部分22与所述输出轴机内部分32之间对应设置且互不接触。

所述输入轴机内部分22上外侧壁上设有第一转子4。所述输出轴机内部分32上设有支架8，所述支架8上固定有沿轴向排布的第二转子5及第三转子6，所述壳体1内表面与所述第三转子6对应的位置固定安装定子7。其中所述第一转子4和第二转子5组成第一电磁感应组件，所述第三转子6与所述定子组成第二电磁感应组件。在本实施例中所述第一转子4采用永磁体，所述第二转子5采用绕组，所述第三转子6采用永磁体，所述定子7采用绕组。所述支架8保持所述第一转子4的永磁体与所述第二转子5的绕组之间的第一转动间隙13，以及所述第三转子6的永磁体与所述定子7的绕组之间的第二转动间隙14。所述第二转子5的绕组电连接安装在所述输出轴3上的第一集电环15，通过与所述第一集电环15配合的第一电刷16电连接控制机构9。所述控制机构9再与作为所述定子7的绕组电连接。所述控制机构9包括变流装置，所述变流装置可以对来自所述第二转子5的绕组的电能的频率和电压进行调制，然后所述控制机构9将调制后的电能输送到所述定子7的绕组。

工作中，所述输入轴2在外部驱动装置的驱动动力带动下转动，此时安装在所述输入轴机内部分22上的所述第一转子4上的永磁体也一同转动，而由于所述第二转子5的绕组通过设在所述输出轴3上的所述第一集电环15、所述第一电刷16与所述控制机构9及作为所述定子7的绕组构成一个电回路。所以在电磁感应作用下产生由所述第一转子4带动所述第二转子5的驱动力矩，从而驱动所述输出轴3沿与输入轴2转动方向相同的方向转动。也同时由于所述第一转子4与所述第二转子5之间存在转速差，还是在电磁感应的作用下，在所述第二转子5的绕组中产生电能，该电能经由所述控制机构9对电能的电压调制后，输送到所述定子7的绕组中该电能在所述定子7的绕组及所述第三转子6的永磁体构成的第二电磁感应组件中产生驱使安装在所述输出轴3上的所述第三转子6按所述输出轴3上述转动方向进一步转动的驱动力矩。该力矩做功的功率理论上讲即为所述输入轴2与所述输出轴3之间因存在转速差而而在所述第一转子4与所述第二转子5构成的所述第一电磁感应组件损失的转差功率。本技术方案中将其充分收集，并将其转换为电能输送到设置在所述输出轴3上的所述第三转子6的永磁体与所述壳体1上的所述定子7的绕组之间，由此驱动所述输出轴3转动，从而使来自驱动装置的输入功率，在忽略机械损耗和杂散损耗的情况下，能够全部转化为输出轴的输出功率，并且使输出轴3的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当。其中，输出功率为sPm+(1-s)Pm，实现了磁耦合传动装置的恒功率调速运行，本实施例恒功率调速运行的磁耦合传动装置体积小、成本低，极具推广应用价值。

事实上，本实施例的磁耦合传动装置是一种滑差调速方式，转差率s与输入功率的关系如下：

Pm＝sPm+(1-s)Pm

上式中，在已知公开的永磁耦合器技术中是将转差功率sPm作为热量散发或反馈给电网，在本实施例中，是将转差功率sPm提供给绕组或定子使用以驱动负载，这样一来，磁耦合传动装置安装在驱动装置(如定速电机)和负载系统之间，就将输入端的功率Pm全部传递给了负载系统。因此，不管s如何变化(即如何调速)，本实施例的磁耦合传动装置(忽略效率的影响)都能保证恒定功率的传送，从而实现了真正意义上的恒功率调速运行。

此外，参见图2所示的第二实施例，与图1所示的第一实施例不同之处在于，所述输入轴机内部分22上设有支架8。所述输出轴机内部分32上外侧壁上设有第二转子5，所述支架8上固定有沿轴向排布的第一转子4及第三转子6。所述壳体1内表面与所述第三转子6对应的位置固定安装定子7。其中所述第一转子4和第二转子5组成第一电磁感应组件，所述第三转子6与所述定子组成第二电磁感应组件。在本实施例中所述第一转子4采用绕组，所述第二转子5采用永磁体，所述第三转子6采用永磁体，所述定子7采用绕组。所述支架8保持所述第一转子4的绕组与所述第二转子5的永磁体之间的第一转动间隙13，以及所述第三转子6的永磁体与所述定子7的绕组之间的第二转动间隙14。所述第一转子4的绕组电连接安装在所述输出轴3上的第一集电环15，通过与所述第一集电环15配合的第一电刷16电连接控制机构9。所述控制机构9再与作为所述定子7的绕组电连接。

工作中，所述输入轴2在外部驱动装置的驱动动力带动下转动，此时安装在所述输入轴机内部分22上的所述第一转子4上的永磁体也一同转动，而由于所述第二转子5的绕组通过设在所述输出轴3上的所述第一集电环15、所述第一电刷16与所述控制机构9及作为所述定子7的绕组构成一个电回路。所以在电磁感应作用下产生由所述第一转子4带动所述第二转子5的驱动力矩，从而驱动所述输出轴3沿与输入轴2转动方向相同的方向转动。也同时由于所述第一转子4与所述第二转子5之间存在转速差，还是在电磁感应的作用下，在所述第二转子5的绕组中产生电能，该电能经由所述控制机构9对电能的电压调制后，输送到所述定子7的绕组中，该电能在所述定子7的绕组及所述第三转子6的永磁体构成的第二电磁感应组件中产生驱使安装在所述输出轴3上的所述第三转子6按所述输出轴3上述转动方向进一步转动的驱动力矩。该力矩做功的功率理论上讲即为所述输入轴2与所述输出轴3之间因存在转速差而而在所述第一转子4与所述第二转子5构成的所述第一电磁感应组件损失的转差功率。本技术方案中将其充分收集，并将其转换为电能输送到设置在所述输入轴2上的所述第三转子6的永磁体与所述壳体1上的所述定子7的绕组之间，由此驱动所述输入轴2转动，从而在所述输入轴2的所述输入轴连接端21的输入功率不变的前提下，加快了所述输入轴2的转动或者说增加了作用在所述输入轴2上的转动力矩，在电磁感应作用下，也使得在所述输出轴3上诱发的转动或转动力矩也相应地增加。由此使来自驱动装置的输入功率，在忽略机械损耗和杂散损耗的情况下，能够全部转化为输出轴的输出功率，并且使输出轴3的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当。

下面参见图3所示的第三实施例，与图1所示的第一实施例不同之处在于，在本实施例中所述第一转子4采用绕组，所述第二转子5采用永磁体，所述第三转子6采用绕组，所述定子7采用永磁体。所述第一转子4的绕组电连接安装在所述输入轴2上的第二集电环17，通过与所述第二集电环17配合的第二电刷18电连接控制机构9。发同样，所述第三转子6的绕组电连接安装在所述输出轴3上的第一集电环15，通过与所述第一集电环15配合的第一电刷16电连接控制机构9。所述控制机构9包括变流装置，所述变流装置可以对来自所述第一转子4的绕组的电能的频率和电压进行调制，然后所述控制机构9将调制后的电能输送到所述第三转子6的绕组。

工作中，所述控制机构9将来自第一电磁感应组件中所述第一转子4的绕组的电能经调制后输送到所述第二电磁感应组件的安装在所述输出轴3上的第三转子6的绕组上。由此产生驱使所述输出轴3进一步转动的力矩，进而使来自驱动装置的输入功率，在忽略机械损耗和杂散损耗的情况下，能够全部转化为所述输出轴3的输出功率，并且使所述输出轴3的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当。

再参见图4所示第四实施例，与图1所示的第一实施例不同之处在于，在本实施例中所述第三转子6采用绕组，所述定子7永磁体采用。所述支架8保持所述第一转子4的永磁体与所述第二转子5的绕组之间的第一转动间隙13，以及所述第三转子6的绕组与所述定子7的永磁体之间的第二转动间隙14。所述第二转子5的绕组电连接安装在所述输出轴3上的第一集电环15，通过与所述第一集电环15配合的第一电刷16电连接控制机构9。所述控制机构9再电连接安装在所述输出轴3上的第二集电环17，通过与所述第二集电环17配合的第二电刷18电连安装在所述输出轴3上的第三转子6的绕组。所述控制机构9包括变流装置，所述变流装置可以对来自所述第二转子5的绕组的电能的频率和电压进行调制，然后所述控制机构9将调制后的电能输送到所述第三转子6的绕组。

工作中，所述控制机构9将来自第一电磁感应组件中所述第二转子5的绕组的电能经调制后输送到所述第二电磁感应组件的安装在所述输出轴3上的第三转子6的绕组上。由此产生驱使所述输出轴3进一步转动的力矩，进而使来自驱动装置的输入功率，在忽略机械损耗和杂散损耗的情况下，能够全部转化为所述输出轴3的输出功率，并且使所述输出轴3的输出功率大小与驱动装置的输入功率大小相当。

再参见图5所示第五实施例，与图1所示的第一实施例不同之处在于，所述输入轴机内部分22上设有作为所述支架8的第一圆盘81，输出轴机内部分32上设有与所述第一圆盘81相对的第二圆盘82。所述第一转子4固定设置在所述第一圆盘81朝向所述第二圆盘82的侧面上，所述第一转子4为永磁体。所述第二转子5固定设置在与所述第一转子4相对的所述第二圆盘82侧面上，所述第二转子5为绕组。所述第二转子5的绕组通过设在输出轴3上的第一集电环15、与所述第一集电环15配合的第一电刷16电连接控制机构9。壳体1上固定设有定子7，所述定子7为绕组。与所述定子7相对的所述第一圆盘81上设有第三转子6，其中所述第三转子6为永磁体。所述定子7的绕组通过穿过设在所述壳体1上的通孔的导线与所述控制结构9电连接。

本实施例的工作方式与图2所示第二实施例的方式完全相同。

在上述各实施例中，在所述动力装置所提供的动力不足的情况下，还可以通过设置在所述控制机构9中的外接电源连接部分与外部电源连接，通过所述控制机构9控制所述外接电源连接部分，从外部电网给所述第二磁感应组件中的所述绕组供电，来满足所述输出轴3的动力需求。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种恒功率调速运行的磁耦合传动装置，包括：

机座，具有壳体(1)；

输入轴(2)，可转动的安装在所述机座上，具有用于与动力装置连接的输入轴连接端(21)，和位于所述壳体(1)内的输入轴机内部分(22)；

输出轴(3)，可转动的安装在所述机座上，具有用于与负载连接的输出轴连接端(31)，和位于所述壳体(1)内的输出轴机内部分(32)，所述输出轴机内部分(32)与所述输入轴机内部分(22)之间对应设置且互不接触；

第一电磁感应组件，由设置在所述输入轴机内部分(22)上的第一转子(4)及设置在所述输出轴机内部分(32)与所述第一转子(4)对应位置上的第二转子(5)构成；

其特征在于：还包括

第二电磁感应组件，由定子(7)及第三转子(6)构成；所述定子(7)设置在所述壳体(1)内表面上，所述第三转子(6)设置在所述输入轴机内部分(22)或所述输出轴机内部分(32)与所述定子(7)对应的位置上；

控制机构(9)，包括变流装置；所述变流装置用于调制来自所述第一电磁感应组件中的绕组的电能的频率和电压，并将调制后的该电能输入到所述第二电磁感应组件中的绕组，从而使所述第二感应组件产生辅助电磁力矩。

2.根据权利要求1所述的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，其特征在于：所述第一电磁感应组件中所述第一转子(4)与所述第二转子(5)之一是永磁体，另一个是绕组。

3.根据权利要求1或2所述的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，其特征在于：所述第二电磁感应组件中所述定子(7)与所述第三转子(6)之一是永磁体，另一个是绕组。

4.根据权利要求3所述的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，其特征在于：所述第二磁感应组件中的所述绕组设置在所述壳体(1)内表面上；相应地所述第二磁感应组件中的所述永磁体设置在所述输入轴机内部分(22)或所述输出轴机内部分中(22)具有与所述定子(7)对应的位置上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，其特征在于：所述输出轴机内部分(32)上设有支架(8)，所述支架(8)保持所述输出轴机内部分(32)上设置的各电磁感应部件在所述所述壳体(1)及所述输入轴机内部分(22)上设置的电磁感应部件之间保持所需的气隙。

6.一种能够提供补充动力的传动装置，其特征在于：采用权利要求1-5中任一项所述的恒功率调速运行的磁耦合传动装置，所述控制机构(9)包括外接电源连接部分；通过所述控制机构(9)控制所述外接电源连接部分，从外部电网给所述第二磁感应组件中的所述绕组供电。