CN105264252B - 在无刷直流电机中使用磁力离合器的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于耦合无刷直流电机的转子和外部机械负载之间的机械动力的装置，包括：a)两个同心的环；b)分别连接到内侧的环和外侧的环的相等数量的磁体；和c)每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中，一个磁体放置在内侧的环上，而其相对的磁体放置在外侧的环上；其中，所述两个同心的环的第一环通过施加不由第二环施加的力而可绕轴线旋转，并且其中当所述第一同心的环旋转时，第二环在磁力的作用下也旋转。

Description

在无刷直流电机中使用磁力离合器的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种磁力离合器结构，其设计为耦合无刷直流电机(BLDC)的转子和外部机械负载之间的机械动力，而无需使用直接或间接机械连接，如齿轮、轮、带或其他类似装置。

背景技术

在许多常见的系统中，系统的不同部分之间的连接是通过机械部件执行的。使用这种连接部件的一个显著缺点是由摩擦引起的能量损失。摩擦引起的另一个缺点是部件的连接表面的磨损。随着部件之间的速度和力增加，摩擦增大，因此，对其表面造成的损坏也增大，直到它们通常无法再正常工作。

在高速运行的系统(例如通常以极高速度运行的电机)中，摩擦及其效果是巨大的，因此需要许多维护服务和频繁更换配件，这需要时间和金钱的巨大投入。

本发明涉及一种用于BLDC电机(如在PCT专利申请编号PCT/IL2013/050253中描述的电机)的装置。

本发明的一个目的是提供一种装置和方法，克服现有技术的缺点。

本发明的其它目的和优点随着描述的进行，将变得显而易见。

发明内容

一种用于耦合无刷直流电机的转子和外部机械负载之间的机械动力的装置，包括：

a)两个同心的环；

b)分别连接到内侧的环和外侧的环的相等数量的磁体；和

c)每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中，一个磁体放置在内侧的环上，而其相对的磁体放置在外侧的环上；

其中，所述两个同心的环的第一环通过施加不由第二环施加的力而可绕轴线旋转，并且其中，当所述第一同心的环旋转时，第二环在磁力的作用下也旋转。

在本发明一个实施例中，环为扁平环形板。在本发明另一实施例中，每对相对的磁体的尺寸相同。

在本发明的一些实施例中，两个相对的磁体的磁性强度基本相同。在本发明的另一个实施例中，内侧的环中的每个磁体配有外侧的环中的一个相对的磁体。

在本发明的一些实施例中，连接装置将环中的一个连接至外部系统。在本发明的其他实施例中，未连接到外部系统的环通过连接到外部系统的环旋转而被驱动，并且由于两个耦合的磁体之间的磁力，迫使从动环移动。

典型地，装置的部件之间的距离与所期望的力一致，并且在本发明的一些实施例中，环上的两个相邻磁体之间的距离与同一环上的另外两个相邻磁体之间的距离不同。

本发明还包括一种与离合器耦合的无刷电机，所述离合器包括：两个同心的环，分别连接到内侧的环和外侧的环的相等数量的磁体，每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中，一个磁体放置在内侧的环上，而其相对的磁体放置在外侧的环上，并且其中，所述两个同心的环的第一环通过施加不由第二环施加的力而可绕轴线旋转，并且其中，当所述第一同心的环旋转时，第二环在磁力的作用下也旋转。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的配置有磁体的两个同心的环处于静止状态；

图2示出了图1的两个环处于动态状态；

图3示出了彼此相距距离d放置并线性移位的单组磁体上的力的测量；

图4示出了根据本发明另一个实施例的演示系统中的力的测量；

图5示出了根据本发明另一个实施例的在BLDC演示系统中的部件的示例性物理测量；

图6示出了根据本发明另一个实施例的两个磁体的示意性设定；

图7示出了展示为包括无穷小的电流回路的集合的螺线管，一个堆叠在另一个的顶部；并且

图8示出了厚度无穷小的两个回路，每一个属于一个磁体。

具体实施方式

图1示出了静止的两个同心旋转环101和102。内侧的环101包含BLDC电机的转子(所述BLDC电机可以是例如PCT/IL2013/050253-WO/2013/140400的电机)，而外侧的环102连接到机械负载，并向其提供动力。数量等于BLDC电机的转子中的磁体数量的若干永磁体机械地固定在外侧的环102上，其S-N轴朝向圆周切向。

静止时，位于外侧的环102上的每一个磁体104面向位于转子101上的对应的磁体103。外侧的环102上的每个磁体104的S-N轴朝向与转子101上对应的(面对的)磁体103的S-N轴朝向相反。结果，外侧的环102上的磁体104以交替极性定位。应该强调的是，转子101与外侧的环102之间没有物理连接。由于稍后在本说明书中将彻底说明的原因，根据静磁学的定律，转子101相对于外侧的环102的相对位置，依赖于系统的状态-如果系统处于静止状态或动态状态，如将要进一步描述的那样。

在静止状态-当BLDC转子静止时，外侧的环102上的每个磁体104恰好在转子101上对应的磁体103的前面对齐，如图1所示。在动态状态-当BLDC转子101转动时，外侧的环102连接到负载(未完全自由地移动)，转子环101上的每个磁体103相对于负载环102上对应的磁体104的相对位置，将改变并将稳定到新的状态。

对应的磁体103和104将不再被完全对齐。磁体的相对位置将以准线性的方式，在环101和102的圆周的切向方向移位。磁体103和104将达到如图2所示的偏移h，并且将稳定在那里。偏移h取决于由负载输出的反向力。可以看出，在适当的条件下，h将与使负载环102随着转子环101转动所需的力直接成比例的增加。

应当提出，在感兴趣的范围内，偏移h与力传递大致成比例，并且只要h是不太大，转子环101将能够“拉动”负载环102，而在两个环101和102之间没有任何物理接触发生。当h的大小接近磁体103和104之间的间隙的宽度时，传递的力下降。转子环101能够施加到负载环102的最大力，将取决于强度和永磁体的几何形状、取决于磁体的数量、以及取决于两个环101与102之间的间隙。

图3示出了彼此相距距离d放置并线性移位的单组磁体上的力的测量。阴影区域301示出了磁体103和104之间的拉力与偏移h大致成比例的范围。

为了说明所涉及的力的量级，具有前端到前端间隔29mm的两个磁体，可以在环的切线方向上大致提供最大140N(约14Kg)的力传递。

在根据本发明构造的BLDC电机演示系统中，面对面间隔约30mm配置有8个磁体。该演示系统能够施加140x 8＝1120N(约112Kg)的力。由于演示系统中的外侧的环102具有约420mm的半径，磁性离合器应能够传输约470N-m的扭矩。

在BLDC演示系统进行的测量中，并如图4所示，发明人并没有试图实现和测量最大动力传递，但是，他们示出力传递600N量级的测量，这与在一对磁体上的测量预测出的最大可能力(1120N)的量级非常吻合。此外，这示出了总力与相对偏移成比例。

在BLDC演示系统中，由本发明人提供的部件的物理措施，示于图5中。从图中可以看出，该系统包括8个磁体，并且转子环101和负载环102之间的间隔为30mm。

静磁计算是通过分析进行的最困难和复杂的任务，并且即使当可以发现封闭形式的解析表达式时，所得到的公式也往往太复杂，而不能提供对于现象的明确认识。此外，大多数时候，人们只能执行由数值求解场方程得到的电脑模拟。然而，尽管数值解对于特定设定是精确的，但是无法提供对于系统的一般行为的了解。

幸运的是，在所考虑的特定情况下，一般结论可以通过相对简单的数学分析得出。这是可能的，因为，在所考虑的系统中，磁体仅沿相切其S-N轴一个方向自由移动，在所有其他方向上均被固定。因此，仅需要计算平行于磁体的S-N轴的方向上的力的分量，其导致主要的数学简化，使我们能够得出关于一般系统功能的结论，而无需实际解决所涉及的复杂三维积分。

所要分析的内容是图6中示出的设置。和为相互垂直的单位矢量。两个立方体磁体601和602被定位成使得它们的S-N轴线平行于方向。它们的S-N取向是相反的，并且它们在方向上位移偏离h。出于该示例性分析的目的，磁体601和602被假定为立方体，然而一般的结论仍然适用于其他形状。图3所示的测量已在类似的设定上进行。

根据这种设定，只要偏移h相对于磁体601和602之间的间隙的物理尺寸较小，在方向上作用于任一磁体601和602的力的分量就与偏移h直接成比例。当偏移h大致小于磁体601和602之间的间隙d的1/3时，h的尺寸是比较小的。随着偏移变得比这更大，力达到最大值，然后随着h增大而下降。

作为第一步，通过使用安培模型，在方向上具有磁化强度M的永磁体，可以以均匀表面电流密度J_S在磁体的表面上以垂直于的方向流动的形式建模。M是每单位体积的净磁偶极矩，而J_S是每单位长度的等效表面电流。因此，我们可以用图7所示的等效“螺线管”分别代替图6的磁体601和601，其中在相反的方向具有相等的电流。

图7中的每个螺线管701可表示为包括无穷小电流回路的集合，一个堆叠在另一个的顶部，承载电流振幅dI＝J_Sdz并且dI′＝J_Sdz′，以相反方向流过平面。让我们现在考虑，无限小厚度的两个回路，每一个属于如图8所示的磁体中的一个。

由位于垂直位置z′处的右侧回路L′引起的位于垂直位置z处的左侧回路L上的力从力的安培定律直接推导出，并且由以下表达式给出

其中，

并且，和为对应的回路中电流流动方向上的无穷小长度，因此，它们位于平面内。

现在，参考图8，它指出了一些初步意见：

1.我们知道|y-y′|≥d，并且我们表示其可以得出 独立于z和z′，并且我们可以写成

2.在本设定中，d可与磁体的尺寸比较，并且我们假设偏移足够小，使得h²＜＜d²(例如)。

3.因为我们只对方向上的力感兴趣，所以被积函数分子中唯一相关的分量为在方向上的分量。由于磁体不能在其他方向上移动，因此对所有其他力都不感兴趣。因此，为了计算在方向上作用在磁体上的力，我们可以用代替被积函数分子中的

4.和为平面中的增量矢量。更准确地说，在方形磁体的本设定中，标量积为±dxdx′或±dydy′。因此当在回路的路径上积分时，z和z′相对于积分变量为常量。此外，如果dx、dx′符号相反，则其积分的方向也相反，并且因此，相应的积分极限被颠倒，对dy、dy′也是一样的。输出为由限定的所有各种子积分的积分的符号保持不变。因此，回路路径上的二重积分的符号值与被积函数的符号一致。

有了上述理解，在方向上，由于电流回路L′，作用到电流回路L上的力ΔF_z为下列积分的结果：

dI′＝J_Sdz′，dI＝J_Sdz

由右侧所有电流回路施加到左侧单个电流回路L上(见图8)的累积力由下式给出

作用在位于原点处的磁体上的总力为在这些回路上的所有力的总和

改变积分顺序，我们得到

注意，独立于z和z′，并且因此当相对于dz和dz′积分时为常量，内积分可以解析计算，并且服从

其中，我们使用并且

由于然后如果(例如)，则并且我们可以将最后表达式进行一阶泰勒级数展开，如下

由于其可以得出函数g(x，x′，y，y′)为x，x′，y，y′的某些负函数，即g(x，x′，y，y′)＝-|g(x，x′，y，y′)|。因此，考虑到x，x′，y，y′的二重积分的符号与被积函数的符号相同，并且设定由于另一个磁体的偏移，在原点处作用在磁体上的总力具有如下形式

其中，K为某些比例常量。最后，考虑到M＝J_S为在方向上，每单位体积的净磁场强度，并且参照图6，作用在左侧磁体上的力为

因此，对于h＜d/3的任何偏移，由离合器传递的力与偏移h和每单位体积的磁场强度直接成比例。此外，力本身在偏移方向上。

所有上述描述是为了说明的目的，而不意味着在任何方面限制本发明。提供上面示出的计算帮助理解本发明，而不应解释为意图以任何方式限制本发明。

Claims (9)

1.一种用于耦合无刷直流电机的转子和外部机械负载之间的机械动力的装置，包括：

a)具有内边缘和外边缘的两个同心的环，包括构成无刷直流电机的转子的第一环和构成磁力离合器的第二环；

b)分别连接到第一环和第二环的相等数量的磁体，其中连接到第一环的磁体彼此周向间隔开，并且连接到第二环的磁体彼此周向间隔开；和

c)每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中，一个磁体放置在第一环上，而与其相对的磁体放置在第二环上；

d)将第二环连接到外部系统的机械负载的非齿轮式连接装置；以及

e)构成所述无刷直流电动机的定子的多个周向间隔和固定的空心螺线管，每个所述空心螺线管包围第一环的所述内边缘和所述外边缘，使得第一环的磁体能够穿过每个所述空心螺线管的内部，当被激励时，所述空心螺线管产生电磁场，所述电磁场在穿过所述空心螺线管的内部的磁体的磁场上产生扭矩，以使第一环绕其轴线旋转，

其中当同心的第一环响应于所产生的电磁场而旋转穿过每个所述空心螺线管的内部时，第二环在每对相对的磁体之间的磁力的作用下也旋转。

2.根据权利要求1的装置，其中，第一环和第二环为扁平环形板。

3.根据权利要求1的装置，其中，每对相对的磁体的尺寸相同。

4.根据权利要求1的装置，其中，两个相对的磁体的磁性强度基本相同。

5.根据权利要求1的装置，其中，第一环中的每个磁体在第二环中配有相对的磁体。

6.根据权利要求5的装置，其中，每对相对的磁体之间的距离是大致30mm。

7.根据权利要求5的装置，其中，每对相对的磁体之间的距离从由18mm、22mm、29mm、30mm和35mm组成的组中选出。

8.根据权利要求1的装置，其中，第一环或第二环上的两个相邻磁体之间的距离与同一环上的另外两个相邻磁体之间的距离不同。

9.根据权利要求1的装置，其中，连接装置包括从第二环径向延伸到机械负载的多个周向间隔开的线性元件，所述线性元件位于第一环和第二环的中心并且连接到第二环和机械负载。