CN105720792A

CN105720792A - 一种磁性联轴器

Info

Publication number: CN105720792A
Application number: CN201610190310.3A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 漆复兴
Original assignee: Jiangsu Ci Gu Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Ci Gu Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2016-06-29

Abstract

本发明公开一种磁性联轴器，包括第一联接端和与第一联接端同轴且独立设置的第二联接端，第二联接端上设有与其同步转动的第二转子，第二转子与第一转子间隔对应设置，且两者之间留有工作气隙；第一转子或第二转子之一为永磁转子，另一转子为绕组转子，绕组转子的绕组短接。本发明的磁性联轴器具有过载保护功能，当负载转矩小于联轴器的最大转矩时，永磁转子随绕组转子转动，相互之间的转差很小；当出现过载，负载转矩超过联轴器的最大转矩时，绕组转子和永磁转子将打滑，联轴器不传递转矩。当故障排除，动力轴重新起动后联轴器恢复正常工作。本发明的磁性联轴器的各种状态的切换都自动完成，无需机械或电子控制。

Description

一种磁性联轴器

技术领域

本发明涉及机电传动装置技术领域，具体涉及一种磁性联轴器。

背景技术

联轴器广泛应用在各种通用机械上，用来联接两根轴使其一同旋转，以传递扭矩和运动。传统的联轴器皆为接触式联轴器，必须通过主动轴与从动轴的相互联结来传递扭矩，其结构复杂，制造精度高，超载时容易导致部件的破坏。特别是主动轴与从动轴工作在需要相互隔离的两种不同介质中时，必须使用密封元件进行动密封，这样就存在要么加大旋转阻力来保证密封可靠，要么密封不严产生泄漏的问题。另外，随着密封元件的磨损、老化，会加剧泄漏，尤其是在有害气体(有害液体)存在的系统中，一旦泄漏就会污染环境，危及生命。

为了克服传统联轴器的上述缺陷，现有技术出现了磁力传动联轴器，磁力传动联轴器属非接触式联轴器，其最大的特点在于它打破传统联轴器的结构形式，采用全新的磁耦合原理，实现主动轴与从动轴之间不通过直接接触便能进行力与力矩的传递，并可将动密封化为静密封，实现零泄漏。因此它广泛应用于对泄漏有特殊要求的场合。

目前，磁力传动联轴器分为同步磁力联轴器和异步磁力联轴器。其中，同步磁力联轴器主要有两种结构：平面磁联轴器和同轴传动联轴器；异步磁力联轴器主要也是两种结构：永磁涡流联轴器和鼠笼式异步磁力联轴器。

现有技术的磁力传动联轴器最大的缺陷是：不能在转差大或者打滑的状态下运行，否则会严重发热烧毁联轴器。

例如，平面磁力联轴器，如图1所示，在两个相同直径的圆盘上，按照NS极交叉的方式安装磁铁。使用时，把两个圆盘分别安装到主动轴和从动轴上，中间留有一定气隙。由于A磁体的N极吸引对面B磁体的S极，同时排斥B磁体两侧的N极，从而保证在一定力矩范围内，从动轴与主动轴保持同步转动。在实际工作中，真正NS相对的状态，只存在于无力矩输出的状态下。只要有力矩产生，从动盘就会与主动盘存在一定的相位夹角。这种角向的错动，一直保持并增加到力矩足够大到N极与对面的N极相对，然后传动器发生“打滑”，两个转盘旋转错动，跳向下一对耦合状态。这种平面性传动器，结构简单，安装时对两个轴的同轴度要求不高。由于是采用平面相吸的原理，因此气隙越小，扭矩越大。但同时，在磁场的作用下，轴向力(互相吸引)也成正比变化。轴向力是这种平面磁力联轴器的主要缺点。另外，由于传递的扭矩大小与圆盘面积有关，因此，这种传动器的扭矩不能做的太大，否则会导致尺寸过大，安装困难。

例如，同轴磁力联轴器，如图2所示，图中1表示输入轴；2表示机体；3表示内磁体；4表示内转子；5表示输出轴；6表示隔离套；7表示外转子；8表示外磁体；9表示密封圈；所述同轴磁力联轴器包括：外转子7，内转子4，隔离套6，轴承系统。其中，隔离套和轴承系统主要用于磁力传动密封的结构中。在内转子的外圆周部分，和外转子的内圆周部分，分别装上磁体3和磁体8。磁体为偶数极，按照NS交叉方式圆周排列。内外转子之间有一定的气隙，用于隔离主动和从动部件。气隙的大小多在2mm-8mm之间。气隙越小，磁体的有效利用越高，同时隔离也越困难；气隙越大，越方便隔离，但是磁体磁场的有效利用越差。一般来说，此类传动器的工作扭矩为传动器最大扭矩的60％左右。当负载超过最大扭矩时，传动器开始“打滑”，即磁体从当前的偶合状态，圆周错动跳转到下一个耦合状态。在这种打滑过程中，气隙内的磁场迅速变化，内外转子的磁体同时被对方充退磁，产生热量。短时间内温度即可迅速上升到100摄氏度以上，从而导致磁体退磁，联轴器报废。

例如，永磁涡流联轴器，如图3所示，是把同步异步磁力联轴器的从动部分的永磁材料，更换成导电性能良好的非铁磁性材料，如铜、铝材料，都可以实现涡流传动，采用是电磁感应原理。主动盘上，按照N、S交叉的方式安装高性能磁体。从动盘由导电性能良好的铜材制成。磁力线穿过铜盘，主动盘旋转，铜盘产生涡流带动从动盘跟随转动，主动盘与从动盘存在一定的转速差；由公式

P_m＝sP_m+(1-s)P_m

式中：P_m为输入功率，sP_m为转差功率，(1-s)P_m为输出功率

可以看出，输入功率不变时，当转差率s越大，转差功率也越大，输出功率就变小。

永磁涡流联轴器是由永磁转子和导体转子构成的，导体转子中的电流是一种涡流，则转差功率就会在导体转子中变成热能存在，当转差越大时，转差功率越大，发热越严重。另外，导体转子为铜盘，那么，导体中的电流会趋向导体表面，呈现集肤效应，这种效应相当于导体的有效截面积减小了，使得导体电阻变大，越靠近导体表面电流密度越大。且频率越高，集肤深度越小，也就是说，频率越高，集肤效应越明显。

基于以上两点分析，可以得出，永磁涡流联轴器在打滑时(转差率s＝1)，铜盘中的转差功率变大，同时由于转差频率变大，集肤效应增强，将热量集中在导体表面，有可能瞬间将铜盘或鼠笼导体熔化，联轴器报废。

中国专利文献CN201478984U公开了一种高效的传动轴永磁耦合装置，其说明书内容部分公开了“永磁耦合装置由电枢绕组转子盘和与其相适配的电枢绕组盘联轴机构、永磁转子盘和与其相适配的永磁盘联轴机构以及对应的输入联轴器和输出联轴器构成，永磁转子盘由一组至少两个永磁体和装配永磁体安装盘的永磁体安装盘组成，电枢绕组转子盘与永磁转子盘之间设置有气隙间距，电枢绕组转子盘通过相适配的电枢绕组盘联轴机构与对应的输入联轴器或输出联轴器相联接，永磁转子盘通过相适配的永磁盘联轴机构与对应的输出联轴器或输入联轴器联接”。

中国专利文献CN201478984U还公开了其电枢绕组具有以下几种推荐方案：①多匝型电枢绕组结构，每个多匝电枢绕组至少有两匝绝缘良导体绕制，呈矩形、扇形或梯形，并且首端和末端短接。②匝与匝独立绝缘型电枢绕组结构，匝与匝独立绝缘电枢绕组至少有两匝相互独立绝缘的、每匝是闭环短路的、大小形状相同的线圈构成，并扎成一束；匝与匝独立绝缘电枢绕组的特点是，由于电枢绕组所产生的磁扭矩是其每个独立线圈的总和，其中有一匝线圈断路或短路时，不会引发整组线圈彻底损坏而不能够不能够工作，可靠性较高。③多芯电枢绕组结构，多芯电枢绕组是用多股或多芯良导线制成的，是一种横截面积较大的、单圈闭环短路的矩形、扇形或梯形电枢绕组，当然也可以采用横截面积相当的独体闭环短路的矩形、扇形或梯形制作成电枢绕组，只不过由于导体的集肤效应，相同横截面积的导体，其表面积越大，导电性越好、电阻率越低、发热量越少。④锅箅式电枢绕组结构及其制作方法，锅箅式电枢绕组的结构较简单、效率高，是本发明重点推荐的电枢绕组技术方案，它由嵌在电枢槽里的金属条组成，两端分别与外圆环和内圆环联成一体形成自身闭合的短接的回路。通过对电枢绕组的“多匝电枢绕组至少有两匝绝缘良导体的首端和尾端短接”、“两匝相互独立绝缘的、每匝是闭环短路的、大小形状相同的线圈”、“单圈闭环短路的矩形、扇形或梯形电枢绕组”或者“外圆环和内圆环联成一体形成自身闭合的短接的回路的金属导条”这些文字描述，再结合上中国专利文献CN201478984U的说明书附图的图2、图5、图8以及图12，可以毫无疑义地得出CN201478984U公开的电枢绕组并不能称为绕组，其实质上是至少一匝首尾短接以形成闭环的线圈，线圈之间独立存在。在永磁耦合装置工作时，每个线圈通过电磁感应原理产生环形电流。该环形电流实质上与上述永磁涡流联轴器的导体转子中产生的涡流相同，也就是说该永磁耦合装置，如果在去掉气隙间距的执行机构(即调节螺栓)后，实质上是一种永磁涡流联轴器，也会存在上述永磁涡流联轴器不能在打滑状态下工作的缺陷。

综上，现有技术中缺乏能够在转差较大或者打滑状态下工作的磁性联轴器。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的磁性联轴器不能在转差较大或者打滑状态下工作的缺陷，从而提供一种能够在转差较大和打滑状态下工作的磁性联轴器。

为此，本发明采用的技术方案如下：

一种磁性联轴器，包括

第一联接端，用于连接动力轴或负载轴之一，所述第一联接端上设有与其同步转动的第一转子；

第二联接端，用于连接所述动力轴或所述负载轴中另一个，与所述第一联接端同轴且独立设置，所述第二联接端上设有与其同步转动的第二转子，所述第二转子与所述第一转子间隔对应设置，且两者之间留有工作气隙；

所述第一转子或所述第二转子之一为永磁转子，另一转子为绕组转子，所述绕组转子的绕组端部短接。

所述绕组为单相分布或三相分布或多相分布。

所述绕组转子的绕组直接短接或者通过熔断器短接。

所述绕组转子还包括成型有第一铁心槽的第一铁心，所述绕组嵌入到所述第一铁心槽中。

所述永磁转子包括成型有第二铁心槽的第二铁心和永磁体，所述永磁体嵌入到所述第二铁心槽中。

所述永磁转子包括第二铁心和永磁体，所述永磁体设置在所述第二铁心表面。

整体为径向式结构；所述第一转子与所述第二转子沿径向间隔对应设置。

整体为轴向式结构；所述第一转子与所述第二转子沿轴向间隔对应设置。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的磁性联轴器，通过将第一转子或第二转子之一设置为永磁转子，将另一个转子设置为绕组转子，并将绕组转子的绕组短接，相比于现有技术的磁性联轴器，本发明的磁性联轴器具有过载保护功能，当出现负载转矩大于联轴器最大转矩时，绕组转子和永磁转子将打滑，且不传递转矩；当故障排除，动力轴重新起动后联轴器恢复正常工作。

本发明提供的磁性联轴器，当负载转矩小于联轴器最大转矩时，永磁转子随绕组转子转动，且转差很小；当负载转矩大于联轴器最大转矩时，绕组转子和永磁转子将打滑，且不传递转矩；当故障排除，动力轴重新起动后联轴器恢复正常工作。即本发明的磁性联轴器的各种状态的切换都自动完成，无需机械或电子控制。

本发明提供的磁性联轴器，非接触式机械传动，无需对中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的平面磁力联轴器的结构示意图；

图2为现有技术的同轴磁力联轴器的结构示意图；

图3为现有技术中永磁涡流联轴器的结构示意图；

图4为现有技术中鼠笼式异步磁力联轴器的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的磁性联轴器的结构示意图；

图6为本发明实施例一提供的磁性联轴器的绕组接线图；

图7为本发明实施例一提供的磁性联轴器的绕组等效电路图；

图8为本发明实施例一提供的磁性联轴器的永磁转子的结构示意图；

图9为本发明实施例一提供的磁性联轴器正常工作时向量图；

图10为本发明实施例一提供的磁性联轴器打滑时向量图；

图11为本发明实施例一提供的磁性联轴器的侧向剖视图；

图12为本发明实施例二提供的磁性联轴器的结构示意图；

图13为本发明实施例一提供的磁性联轴器的转差-电流曲线图；

图14为本发明实施例一提供的磁性联轴器的转差-转矩曲线图。

附图标记说明：

1-永磁转子；1a-第二铁心；1b-永磁体；2-绕组转子；2a-第一铁心；2b-绕组；3-工作气隙；4-第一联接端；5-第二联接端。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

作为本发明的磁性联轴器的优选实施例，如图5和图11所示，一种磁性联轴器，整体为径向式结构，包括：第一联接端4、与第一联接端4同步转动的作为第一转子的永磁转子1、第二联接端5、与第二联接端5同步转动的作为第二转子的绕组转子2，以及永磁转子1与绕组转子2之间的工作气隙3。

其中，第一联接端4一端与负载轴相连，另一端轴向固定有第一支撑架，所述永磁转子1固设于所述第一支撑架上；第二联接端5一端与动力轴相连，另一端轴向固定有第二支撑架；需要说明的是，所述第一联接端4也可以与动力轴相连，相应地，所述第二联接端5也可以与负载轴相连。所述第二支撑架位于所述第一支撑架的径向外侧，所述绕组转子2固设于所述第二支撑架的内壁上，并与所述永磁转子1形成径向间隔对应设置，所述绕组转子2与所述永磁转子1之间的径向间隙为工作气隙3。

所述绕组转子2包含第一铁心2a和绕组2b，所述第一铁心2a由硅钢片沿轴向叠压而成，并设置有一定数量的第一铁心槽，所述绕组2b由线圈组成，可以是单相、三相或多相分布；每一相绕组可以等效成一个电感和一个电阻。在本实施例中，所述绕组2b为三相分布。所述第一铁心2a设有第一铁心槽，所述绕组2b嵌入所述第一铁心槽中，绕组端部短接，短接方式可以是星接或角接。以星接为例，如图6所示，A-X为A相绕组，B-Y为B相绕组，C-Z为C相绕组，每一相绕组由6个线圈串联而成，三相绕组首端A、B、C短接在一起，短接方式为星接，绕组三相绕组尾端A、B、C短接在一起，短接方式为星接。三相电阻短接后等效电路如图7所示。所述绕组2b端部进行灌封处理，可防尘、防水。

如图8所示，所述永磁转子1包含第二铁心1a和永磁体1b，所述第二铁心1a由硅钢片叠压而成，所述第二铁心1a成型有第二铁心槽，所述永磁体1b嵌入在所述第二铁心槽中。永磁转子1和绕组转子2同轴设置，联轴器装配时绕组转子2和永磁转子1通过锥面配合，安装简单，无需对中。需要说明的是，图8为本实施例中永磁转子的结构形式，只是众多嵌入式结构中的一种。本实施例中，永磁体为矩形，沿箭头方向充磁，嵌入在铁心之中。

作为本实施例的永磁转子的可替换结构形式，所述永磁转子1可以为表贴式永磁转子1，即将永磁体1b设置在铁心表面。

永磁转子与绕组转子之间存在转差时，永磁转子旋转产生旋转磁场，绕组切割磁力线产生感应电流I，每一相绕组的两个端部(A、X)之间存在电动势E，实施例中，绕组为三相绕组，每一相绕组产生的感应电动势E幅值相等，相位相差120度电角度，E_A+E_B+E_C＝0；三相绕组中每一相绕组产生的感应电流I幅值相等，相位相差120度电角度，I_A+I_B+I_C＝0。

由于嵌入式永磁转子气隙磁场分布不均，在磁场分析中根据双反应理论，可将磁动势分解成直轴和交轴磁动势，电流I可以分解成直轴电流Id和交轴电流Iq，电压方程可表示为:

\overset{\cdot}{E} = \overset{\cdot}{I} R + j {\overset{\cdot}{I}}_{d} X_{d} + j {\overset{\cdot}{I}}_{q} X_{q}

式中，X_d为直轴电抗，X_d＝2πfL_d，Ld为直轴电感，f为转差频率，X_q为交轴电抗，X_q＝2πfL_q，Lq为交轴电感。电动势E与转差频率f成正比，转差频率f＝np/60，p为永磁转子极对数，转差频率f与转差转速n成正比。

联轴器正常工作时，转差n很小，向量图如图9所示。由于正常工作时，转差n很小，转差频率f很小，电动势E很小直轴电抗Xd和交轴电抗Xq也很小。当转差变大时，转差n变大，转差频率f变大，E变大，Xd变大,Xq变大，电阻R不变。由于电动势E变大，虽然Xd、Xq随转差频率f变大，但电阻R不变，所以电流I必然变大，当电流增加到一定程度时，磁路饱和，磁路饱和对直轴电感Ld影响较小，可忽略Ld的变化，认为Ld不变，但交轴磁路饱和对交轴电感Lq会有明显的影响，Lq随交轴电流Iq的增大而减小，此时，会出现一种现象就是，随着转差继续变大，电流I幅值不变，电流I与电动势E之间相位角会随着转差变大而变大。可以理解为，嵌入式永磁转子，其交轴磁路饱和会对转差大时绕组中感应电流I的大小起到抑制作用。向量图如图10所示。

本实施例的特性曲线如下图所示，分别是如图13所示的转差-电流曲线图以及如图14所示的转差-转矩曲线图。

由图13和图14可以看出，本实施例的磁性联轴器，当负载转矩小于联轴器的最大转矩时，永磁转子1随绕组转子2转动，相互之间的转差很小；当出现故障，负载转矩超过联轴器的最大转矩时，绕组转子2和永磁转子1将打滑，即绕组转子2旋转而永磁转子1几乎静止，且联轴器只传递非常小的转矩。此时绕组2b中的电流维持在安全范围内，不会受到损坏。当故障排除后，只需重启原动机，联轴器即可恢复正常工作。无论是正常工作状态或是过载打滑，都自动完成状态的切换，无需任何机械或电子控制。

实施例二

作为实施例一的磁性联轴器的可替换实施例，本实施例提供一种磁性联轴器，其与实施例一的区别在于，

如图12所示，本实施例的磁性联轴器整体为轴向式结构，所述第一联接端4与所述第二联接端5具有一对沿轴向间隔对置的安装面，所述永磁转子1与所述绕组转子2分别固设于第一联接端4的安装面和第二联接端5的安装面上；所述永磁转子1与所述绕组转子2沿轴向间隔对应设置，两者之间的轴向间隙为工作气隙3。

显然，上述实施例仅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

1.一种磁性联轴器，包括

第一联接端(4)，用于连接动力轴或负载轴之一，所述第一联接端(4)上设有与其同步转动的第一转子；

第二联接端(5)，用于连接所述动力轴或所述负载轴中另一个，与所述第一联接端(4)同轴且独立设置，所述第二联接端(5)上设有与其同步转动的第二转子，所述第二转子与所述第一转子间隔对应设置，且两者之间留有工作气隙(3)；

其特征在于，

所述第一转子或所述第二转子之一为永磁转子(1)，另一转子为绕组转子(2)，所述绕组转子(2)的绕组(2b)端部短接。

2.根据权利要求1所述的磁性联轴器，其特征在于，所述绕组(2b)为单相分布或三相分布或多相分布。

3.根据权利要求1或2所述的磁性联轴器，其特征在于，所述绕组转子(2)的绕组(2b)直接短接或者通过熔断器短接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的磁性联轴器，其特征在于，所述绕组转子(2)还包括成型有第一铁心槽的第一铁心(2a)，所述绕组(2b)嵌入到所述第一铁心槽中。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的磁性联轴器，其特征在于，所述永磁转子(1)包括成型有第二铁心槽的第二铁心(1a)和永磁体(1b)，所述永磁体(1b)嵌入到所述第二铁心槽中。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的磁性联轴器，其特征在于，所述永磁转子(1)包括第二铁心(1a)和永磁体(1b)，所述永磁体(1b)设置在所述第二铁心(1a)表面。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的磁性联轴器，其特征在于，整体为径向式结构；所述第一转子与所述第二转子沿径向间隔对应设置。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的磁性联轴器，其特征在于，整体为轴向式结构；所述第一转子与所述第二转子沿轴向间隔对应设置。