CN105915021B - 一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，包括同心设置的输入轴(1)及输出轴(15)、与输入轴(1)及输出轴(15)同心的且位于整个装置下部的可固定电励磁装置(16)、与输入轴(1)相连且位于整个装置中间部分的主动转子(17)以及与输出轴(15)相连且位于整个装置上部的从动转子(18)；所述的可固定电励磁装置(16)由环状凹槽铁芯和嵌绕于该凹槽内的励磁线圈(4)组成，其中，环状凹槽铁芯包括环状凹槽背轭(3)、嵌套于环状凹槽背轭(3)内的环状凹槽外环铁芯(5)、嵌套于环状凹槽外环铁芯(5)内的环状凹槽内环铁芯(8)。本发明结构简单，操作方便。

Description

一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置

技术领域

本发明涉及一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，属于电动机制造的技术领域。

背景技术

随着高性能永磁材料推广应用而迅速发展起来的永磁调速技术，是一种新型电机驱动系统调速节能技术，其原动机和负载间无接触，无振动传递及轴心偏移问题，从而大大提高系统可靠性。永磁传动技术的应用己有几十年的历史，它的应用是通过磁场耦合，实现原动机和负载间转矩的无接触传递。主要应用于化学工业、石油化工、煤炭水泥、冶金钢铁、舰船等很多领域的大功率风机泵类负载的电机驱动系统调速节能。

按照永磁涡流调速装置的主磁通方向可以分为轴向磁通结构(盘式)和径向磁通结构(筒式)两大类。而每种结构的主动转子可以采用面贴式永磁体和内置式永磁体等永磁体布置方式，从动转子可以采用开槽或者不开槽等结构。轴向磁通结构的永磁调速装置通常采用调整主动转子与从动转子之间的轴向气隙长度来控制气隙磁场大小，进而控制负载侧的运行速度。而径向磁通结构的永磁涡流调速装置，通常采用改变从动转子和主动转子之间的耦合面积来控制负载侧的转速。

目前已经有相当多的产品应用到工厂中，有一部分可以实现在线调速。通过电动执行机构，调整两个部分的轴向位置，控制耦合面积或者气隙长度。当然调整两个转动转子相对轴向位置的难度是相当大的，尤其对于轴向结构，主动转子与从动转子之间存在相当大的轴向磁拉力。因此，有必要对永磁涡流调速装置的调磁方式进行一定的改进。专利(ZL200810019065.5)提出一种混合励磁型永 磁涡流调速装置，通过铁芯铁芯极与永磁极交错的方式，实现了混合励磁。但是，由于调磁线圈跟主动转子一起，需要转动，因此，如果要给励磁线圈供电，需要提供电刷滑环，这样降低了装置运行的可靠性。

本发明讨论的混合励磁型永磁涡流调速装置，是将电励磁部分通过改进可与主动转子同轴固定。可固定电励磁装置与主动转子之间有个比较小的间隙。另外，环状凹槽外环铁芯铁芯与主动转子A分转子正对，内环铁芯铁芯与主动转子B分转子正对。因此，供电的时候不需要采用电刷滑环。提高了系统的稳定性、可靠性。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是，提出一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，实现混合励磁调磁装置供电无刷化，从而达到灵活的气隙磁场在线调节。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，包括同心设置的输入轴及输出轴、与输入轴及输出轴同心的且位于整个装置下部的可固定电励磁装置、与输入轴相连且位于整个装置中间部分的主动转子以及与输出轴相连且位于整个装置上部的从动转子；

所述的可固定电励磁装置由环状凹槽铁芯铁芯和嵌绕于该凹槽内的励磁线圈组成，其中，环状凹槽铁芯铁芯包括环状凹槽背轭、嵌套于环状凹槽背轭内的环状凹槽外环铁芯铁芯、嵌套于环状凹槽外环铁芯铁芯内的环状凹槽内环铁芯铁芯；

所述的主动转子由A分转子、B分转子两个分转子组成，A分转子由极性一致的永磁极和铁芯铁芯极沿圆周方向交错排列组成，B分转子由极性一致的永磁极和铁芯铁芯极沿圆周方向交错排列组成，A、B分转子永磁极极性相反，且永磁极与铁芯铁芯极间通过非导磁材料填充固定；两个分转子为无铁芯铁芯背轭结构，通过非导磁材料将两个分转子固定在一起，构成主动转子；可固定电励磁装置与主动转子之间存在第一气隙；

可固定电励磁装置的凹槽铁芯铁芯外环和内环分别与A分转子和B分转子正对；

所述的从动转子包括导体层背轭，导体部分采用开槽结构导体层，导体层嵌套在自导体层背轭外表面向主动转子方向延伸的导体层背轭齿上；主动转子与从 动转子之间存在第二气隙；

该装置的主磁路为：由环状凹槽外环铁芯铁芯发出，依次经过第一气隙、主动转子A分转子永磁极、第二气隙、从动转子导体层背轭齿、从动转子背轭、相邻的从动转子导体层背轭齿、第二气隙、相邻的极性相异的主动转子B分转子永磁极或者B分转子铁芯铁芯极、第一气隙、环状凹槽内环铁芯铁芯、环状凹槽铁芯铁芯背轭，最后回到环状凹槽外环铁芯铁芯。

优选的，可固定电励磁调磁装置与主动转子部分之间存在气隙，且该气隙长度在机械允许的范围内小于主动转子与从动转子之间的气隙。

优选的，可固定电励磁调磁装置的环状凹槽的槽宽大于主磁路中的所有气隙部分长度总和。

优选的，可固定电励磁调磁装置的环状凹槽外铁芯铁芯和环状凹槽内环铁芯铁芯采用卷绕式硅钢片，该硅钢片为轴向结构，或者叠片式硅钢片，该硅钢片为径向结构，环状凹槽铁芯铁芯背轭采用各向导磁性能良好的导磁材料。

有益效果：

本发明创新性的改善磁路结构，将原本在转子上的励磁绕组分离出来，嵌放在可固定的励磁装置，这样实现了混合励磁涡流调速装置的无刷化。一方面，降低调速执行机构的复杂性，提高了装置的稳定性，降低维护费用；另一方面，扩大了气隙磁密的调节范围，从而实现转速、输出功率、输出转矩的自由调节。由于采用开槽型导体层、导体层背轭带齿的结构，可获得比传统铜板(铜筒)结构的永磁涡流传动装置更高的输出转矩和功率，从而提高装置的转矩密度和功率密度

附图说明

图1是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置剖面示意图

图2是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置3-D分解视图

图3是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置主动转子表面磁极分布剖面示意图

图4a是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置通入正向励磁电 流时永磁极与铁芯铁芯极极性磁路径向截面示意图

图4b是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置通入正向励磁电流时永磁极与铁芯铁芯极极性磁路圆周方向截面示意图

图5a是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置通入反向励磁电流时永磁极与铁芯铁芯极极性磁路径向截面示意图

图5b是本发明一种无刷型盘式混合励磁永磁涡流调速装置通入反向励磁电流时永磁极与铁芯铁芯极极性磁路圆周方向截面示意图

图6是本发明一种无刷型筒式混合励磁永磁涡流调速装置剖面示意图

图7a是本发明一种无刷型筒式混合励磁永磁涡流调速装置的可固定电励磁部分3-D视图

图7b是本发明一种无刷型筒式混合励磁永磁涡流调速装置的主动转子部分3-D视图

图7c是本发明一种无刷型筒式混合励磁永磁涡流调速装置的从动转子部分3-D分解视图

以上的图中有：可固定电励磁装置16、主动转子17、从动转子18、环状凹槽背轭3、环状凹槽外环铁芯铁芯5、环状凹槽内环铁芯铁芯8、直流励磁绕组4、输入轴1、A分转子19、B分转子20、A分转子永磁极6、A分转子铁芯铁芯极9、B分转子永磁极10、B分转子铁芯铁芯极11、非导磁材料支架7、辐条式导体层12、导体层背轭13、导体层背轭齿14、输出轴15、环状凹槽内环铁芯铁芯8与主动转子17之间的第一气隙21、主动转子17与从动转子18之间的第二气隙22。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，包括同心设置的输入轴1及输出轴15、与输入轴1及输出轴15同心的且位于整个装置下部的可固定电励磁装置16、与输入轴1相连且位于整个装置中间部分的主动转子17以及与输出轴15相连且位于整个装置上部的从动转子18；

所述的可固定电励磁装置16由环状凹槽铁芯铁芯和嵌绕于该凹槽内的励磁线圈4组成，其中，环状凹槽铁芯铁芯包括环状凹槽背轭3、嵌套于环状凹槽背轭3内的 环状凹槽外环铁芯铁芯5、嵌套于环状凹槽外环铁芯铁芯5内的环状凹槽内环铁芯铁芯8；

所述的主动转子17由A分转子19、B分转子20两个分转子组成，A分转子19由极性一致的永磁极6和铁芯铁芯极9沿圆周方向交错排列组成，B分转子20由极性一致的永磁极10和铁芯铁芯极11沿圆周方向交错排列组成，A、B分转子永磁极极性相反，且永磁极与铁芯铁芯极间通过非导磁材料填充固定；两个分转子为无铁芯铁芯背轭结构，通过非导磁材料将两个分转子固定在一起，构成主动转子；

可固定电励磁装置16的凹槽铁芯铁芯外环5和内环8分别与A分转子19和B分转子20正对；

所述的从动转子包括导体层背轭13，导体部分采用开槽结构导体层12，导体层嵌套在自导体层背轭13外表面向主动转子方向延伸的导体层背轭齿14上；

该装置的主磁路为：由环状凹槽外环铁芯铁芯5发出，依次经过第一气隙21、主动转子A分转子永磁极6、第二气隙22、从动转子导体层背轭齿14、从动转子背轭13、相邻从动转子导体层背轭齿、第二气隙22、相邻的极性相异的主动转子B分转子永磁极10或者B分转子铁芯铁芯极11、第一气隙21、环状凹槽内环铁芯铁芯8、环状凹槽铁芯铁芯背轭3，最后回到环状凹槽外环铁芯铁芯5。

可固定电励磁调磁装置16与主动转子部分17之间存在第一气隙21，且该气隙长度在机械允许的范围内小于主动转子17与从动转子18之间的第二气隙22。

可固定电励磁调磁装置的环状凹槽的槽宽大于主磁路中的所有气隙部分长度总和。

可固定电励磁调磁装置的环状凹槽外铁芯铁芯5和环状凹槽内环铁芯铁芯8采用卷绕式硅钢片，该硅钢片为轴向结构，或者叠片式硅钢片，该硅钢片为径向结构，环状凹槽铁芯铁芯背轭3采用各向导磁性能良好的导磁材料。

本发明的电励磁装置是由环状凹槽铁芯铁芯与凹槽内嵌绕的励磁线圈组成。通过控制励磁线圈内电流的大小和方向，可以实现气隙磁场的调节，最终实现宽调速运行。本发明的优点是：本发明通过控制可固定电励磁装置中励磁电流的大小和方向，省去了电刷和滑环，实现了无刷化的气隙磁通在线调节，不需要额外的机械装置来改变气隙长度，从而简化调速机构，降低维护成本，延长使用寿命。结构简单，操作方便，并适用于不同要求的场合，兼具永磁耦合联轴器、软起动 器以及永磁调速器三者的功能。

实施例1无刷型混合励磁盘式永磁涡流调速装置

本发明的无刷型混合励磁盘式永磁涡流调速装置，主要包括可固定电励磁装置16、主动转子17、从动转子18。可固定电励磁装置包括环状凹槽铁芯铁芯背轭3、环状凹槽外环铁芯铁芯5、环状凹槽内环铁芯铁芯8、直流励磁绕组4、直流励磁绕组嵌绕于环状凹槽内。环状凹槽外环铁芯铁芯5和环状凹槽内环铁芯铁芯8需要采用硅钢片卷绕式铁芯铁芯，轭部铁芯铁芯采用各向导磁性能良好的材料，这样可以减少铁芯铁芯的涡流损耗，降低电励磁装置的产热量。主动转子包括输入轴1、A分转子永磁极6、A分转子铁芯铁芯极9、B分转子永磁极10、B分转子铁芯铁芯极11，且各极之间互相采用非导磁材料支架7填充固定，A分转子永磁极6与A分转子铁芯铁芯极9交错排列，B分转子永磁极10与B分转子铁芯铁芯极11交错排列。A、B分转子各自永磁极极性分别一致，但是B分转子永磁极极性与A分转子永磁极极性相反，且A分转子永磁极与B分转子铁芯铁芯极在同一机械角度。主动转子上永磁极和铁芯铁芯极镶嵌在非导磁材料支架7内。可固定励磁装置16与主动转子17存在机械允许范围内尽可能小的第一气隙21。从动转子18包括开槽式导体层12和导体层背轭13，背轭齿14，将开槽式导体层嵌套在背轭齿上，提高转矩密度。可固定电励磁调磁装置16与主动转子部分17之间存在第一气隙21，主动转子17与从动转子18之间存在气第二隙22。

本发明采用了特殊的可固定直流励磁装置，当直流励磁绕组通电时，环状凹槽外环铁芯铁芯和内环铁芯铁芯会产生相反的磁极极性，而主动转动部分17中的铁芯铁芯极为导磁材料，这样环状凹槽铁芯铁芯的电励磁磁场就可以经过主动转子上的永磁极和铁芯铁芯极与从动转子18上的背轭齿14和背轭轭13构成磁路回路。

无直流励磁电流时磁通路径为：环状凹槽外环铁芯铁芯5、第一气隙21、主动转子A分转子永磁极6、第二气隙22、从动转子导体层背轭齿14、从动转子背轭13、相邻的导体层背轭齿、第二气隙22、相邻的极性相异的主动转子B分转子永磁极10、第二气隙22、环状凹槽内环铁芯铁芯8、环状凹槽铁芯铁芯背轭3，最后回到环状凹槽外环铁芯铁芯5。

当直流励磁绕组中通入正向直流励磁电流时，励磁电流对等效气隙磁场起增磁作用。此时，A分转子永磁极6与B分转子铁芯铁芯极11、B分转子永磁极10与 A分转子铁芯铁芯极9极性相同。

当直流励磁绕组中通入反向直流励磁电流时，励磁电流对等效气隙磁场起弱磁作用。此时，A分转子永磁极6与A分转子铁芯铁芯极9、B分转子永磁极10与B分转子铁芯铁芯极11极性相同。

此外，从提高电机气隙磁密的角度考虑，从动转子18采用辐条式导体层12，带背轭齿14的导体层铁轭13。充分利用了铜盘良好的导电性能和背轭齿良好的导磁性能，进而减少漏磁，提高电机的转矩密度和功率密度。

实施例2无刷型混合励磁筒式永磁涡流调速装置

本发明的无刷型混合励磁筒式永磁涡流调速装置，主要包括可固定电励磁装置16、主动转子17、从动转子18。可固定电励磁装置包括环状凹槽铁芯铁芯背轭3、环状凹槽外环铁芯铁芯5、环状凹槽内环铁芯铁芯8、直流励磁绕组4、直流励磁绕组嵌绕于环状凹槽内。环状凹槽外环铁芯铁芯5和环状凹槽内环铁芯铁芯8需要采用硅钢片叠片式铁芯铁芯，轭部铁芯铁芯采用各向导磁性能良好的材料，这样可以减少铁芯铁芯的涡流损耗，降低电励磁装置的产热量。主动转子包括输入轴1、A分转子永磁极6、A分转子铁芯铁芯极9、B分转子永磁极10、B分转子铁芯铁芯极11，且各极之间互相采用非导磁材料支架7填充固定，A分转子永磁极6与A分转子铁芯铁芯极9交错排列，B分转子永磁极10与B分转子铁芯铁芯极11交错排列。A、B分转子各自永磁极极性分别一致，但是B分转子永磁极极性与A分转子永磁极极性相反，且A分转子永磁极与B分转子铁芯铁芯极在同一机械角度。主动转子上永磁极和铁芯铁芯极镶嵌在非导磁材料支架7内。可固定励磁装置16与主动转子17存在机械允许范围内尽可能小的气隙。从动转子18包括开槽式导体层12和导体层背轭13，背轭齿14，将开槽式导体层嵌套在背轭齿上，提高转矩密度。主动转子17与从动转子18之间存在第二气隙22。

本发明采用了特殊的可固定直流励磁部分，当直流励磁绕组通电时，环状凹槽外环铁芯铁芯5和内环铁芯铁芯8会产生相反的磁极极性，而主动转动部分中的铁芯铁芯极为导磁材料，这样环状凹槽铁芯铁芯的电励磁磁场就可以经过主动转子上的永磁极和铁芯铁芯极与从动转子上的背轭齿14和背轭轭13构成磁路回路。

无直流励磁电流时磁通路径为：环状凹槽外环铁芯铁芯5、第一气隙21、主动转子A分转子永磁极6、第二气隙22、从动转子导体层背轭齿14、从动转子背轭 13、相邻的导体层背轭齿、第二气隙22、相邻的极性相异的主动转子B分转子永磁极10、第二气隙22、环状凹槽内环铁芯铁芯8、环状凹槽铁芯铁芯背轭3，最后回到环状凹槽外环铁芯铁芯5。

当直流励磁绕组中通入正向直流励磁电流时，励磁电流对等效气隙磁场起增磁作用。此时，A分转子永磁极6与B分转子铁芯铁芯极11、B分转子永磁极10与A分转子铁芯铁芯极9极性相同。

当直流励磁绕组中通入反向直流励磁电流时，励磁电流对等效气隙磁场起弱磁作用。此时，A分转子永磁极6与A分转子铁芯铁芯极9、B分转子永磁极10与B分转子铁芯铁芯极11极性相同。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特点和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (4)

1.一种无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，包括同心设置的输入轴(1)及输出轴(15)、与输入轴(1)及输出轴(15)同心的且位于整个装置下部的可固定电励磁装置(16)、与输入轴(1)相连且位于整个装置中间部分的主动转子(17)以及与输出轴(15)相连且位于整个装置上部的从动转子(18)；其特征在于：

所述的可固定电励磁装置(16)由环状凹槽铁心和嵌绕于该凹槽内的励磁线圈(4)组成，其中，环状凹槽铁心包括环状凹槽背轭(3)、设置于环状凹槽背轭(3)内侧的环状凹槽外环铁心(5)、嵌套于环状凹槽外环铁心(5)内的环状凹槽内环铁心(8)；

所述的主动转子(17)由A分转子(19)、B分转子(20)两个分转子组成，A分转子(19)由极性一致的永磁极(6)和铁心极(9)沿圆周方向交错排列组成，B分转子(20)由极性一致的永磁极(10)和铁心极(11)沿圆周方向交错排列组成，A、B分转子永磁极极性相反，且永磁极与铁心极间通过非导磁材料填充固定；两个分转子为无铁心背轭结构，通过非导磁材料将两个分转子固定在一起，构成主动转子；可固定电励磁装置(16)与主动转子(17)之间存在第一气隙(21)；

可固定电励磁装置(16)的环状凹槽外环铁心(5)与A分转子(19)正对；可固定电励磁装置(16)的环状凹槽内环铁心(8)与B分转子(20)正对；

所述的从动转子(18)包括导体层背轭(13)，导体部分采用开槽结构导体层(12)，导体层嵌套在自导体层背轭(13)外表面向主动转子方向延伸的导体层背轭齿(14)上；主动转子(17)与从动转子(18)之间存在第二气隙(22)；

该装置的主磁路为：由环状凹槽外环铁心(5)发出，依次经过第一气隙(21)、主动转子A分转子永磁极(6)、第二气隙(22)、从动转子导体层背轭齿(14)、从动转子背轭(13)、相邻的从动转子导体层背轭齿、第二气隙(22)、相邻的与A分转子永磁极(6)极性相异的B分转子永磁极(10)或者B分转子铁心极(11)、第一气隙(21)、环状凹槽内环铁心(8)、环状凹槽铁心背轭(3)，最后回到环状凹槽外环铁心(5)。

2.根据权利要求1所述的无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，其特征在于，可固定电励磁调磁装置(16)与主动转子部分(17)之间存在气隙，且该气隙长度在机械允许的范围内小于主动转子(17)与从动转子(18)之间的气隙。

3.根据权利要求1所述的无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，其特征在于，可固定电励磁调磁装置的环状凹槽的槽宽大于主磁路中的所有气隙部分长度总和。

4.根据权利要求1所述的无刷型混合励磁永磁涡流调速装置，其特征在于，可固定电励磁调磁装置的环状凹槽外环铁心(5)和环状凹槽内环铁心(8)采用卷绕式硅钢片，该硅钢片为轴向结构，或者叠片式硅钢片，该硅钢片为径向结构，环状凹槽铁心背轭(3)采用各向导磁性能良好的导磁材料。