CN106059251B - 一种磁可控永磁调速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁可控永磁调速装置，由定子总成、第一转子、第二转子、控制器等组成,定子总成、第一转子和第二转子同轴布置，相邻两者之间存在气隙。所述第一转子中设置有永磁体，极对数为N1，产生N1对极磁场，所述定子绕组极对数为M，产生M对极磁场，所述第二转子调磁环周期数为N2，三者满足磁共振的关系。所述定子绕组与控制器相连接，可控制绕组中电流及产生的磁场。控制绕组无碳刷和滑环，可靠性高、能量可引出设备并可回馈电网，设备效率高、冷却简单、控制容量小、有软启动功能，可适用于大功率及超大功率调速应用。

Description

一种磁可控永磁调速装置
技术领域
本发明属于无级变速传动技术领域,具体涉及一种电磁耦合调速装置。
背景技术
在工业生产或日常生活中,大量的动力机械经常需要进行转速调节,以达到节能减排的目的，例如离心风机、泵类、风电、船舶推进等应用领域，由于技术要求越来越高,有级调速装置已极少地应用在该技术领域,并被无级调速逐步取代。现有的主要无级调速技术手段主要有两大类:一类是电机与负载直接相连,采用变频器改变电网侧的电参数，即电机输入端电压与频率,调节转速；另一类是在负载与电机之间采用耦合机械与两者连接，例如液力耦合器和永磁耦合器，通过调节耦合程度(或调节液量，或调节气隙大小)改变输出转矩特性，通过转矩特性与负载特性的工作点的改变来调节转速。对于前者(变频器)，具有效率高、节能效果好等技术优点，但存在占地面积大、电网侧高频污染、环境适应性差、抗干扰能力差、日常维护工作量大、使用寿命较短等技术缺点、并且随容量增大使控制难度上升较快，不适于大功率及超大功率调速领域。而对于后者(耦合器)，相比于变频器，具有可靠性高、占地面积小、环境适应性强等技术优点，但存在效率低、发热量大、冷却复杂(尤其对于大功率设备)等缺点。
具体来说，现有耦合器无论采用液力耦合器或采用永磁耦合器都是双转子的结构型式，两转子间存在耦合作用力矩,并绕同一轴线旋转。这种结构的耦合器,即使在考虑没有其它因素影响的情况下，根据牛顿第三定律,两耦合力矩应符合大小相等，方向相反的一般规律，由于在工作中，耦合器的输入转子转速是不变的，输出端的转速进行变速调节。可列写其特性公式如下：
Ti＝To (1)
Pi＝Ti×ni (2)
Po＝To×no (3)
对于离心泵类负载
To＝k×no 2 (4)
则损耗
式中k,与n1为定值，记最大功率为
Pmax＝k×n1 3 (6)
当no/n1＝2/3时，损耗ΔP存在理论最大值，为14.8％×Pmax。
通过以上分析可见，现有耦合器的结构，对于泵类负载，都反映出效率低，发热量较大等缺点。其最大发热量为额定负载功率的15％左右。并且，我们不难发现，这一技术缺陷为原理性缺陷，难以通过局部优化设计加以改进。随着耦合功率的提升，这一发热量越来越难散除。因此，有必要提出一种全新的结构型式，以解决上述问题。
本发明针对上述的主要缺点，提出一种新型的磁可控永磁调速装置，具有效率高、冷却简单、节能效果好等技术优点,特别适合于应用于大功率及超大功率调速设备。
发明内容
本发明提出一种新型的磁可控永磁调速装置，其目的在于，克服现有技术发热量大，效率低的技术缺陷，提供一种具有高效节能、冷却简单的无级变速技术方案，可应用于大功率及超大功率无级调速的技术方案。
本发明的技术方案是：一种磁可控永磁调速装置，包括定子总成、第一转子、第二转子、控制器,所述定子总成、第一转子和第二转子同轴布置，相邻两者之间存在气隙；
所述的定子总成，由定子铁芯与定子绕组组成；所述定子铁芯由软磁材料加工而成，用于传导磁场，所述定子绕组安装于所述定子铁芯上面，所述定子绕组与所述控制器电连接，通过电流并产生磁场；
所述的第一转子设置有永磁体，产生永磁磁场；
所述的第二转子设置有调磁环,由导磁材料和非导磁性材料周期性间隔布置而成。
进一步地，所述定子绕组极对数为M，第一转子永磁体极对数为N1、第二转子导磁材料与非导磁材料的周期数为N2,应满足如下关系：
M+N1＝N2 (7)
或
N1-M＝N2 (8)
并且所述定子绕组极对数M和第一转子永磁体极对数N1还应满足关系:
M/N1〈1/5； (9)
所述的定子绕组为三相绕组。
进一步地，所述的控制器中的变流装置由可控晶闸管与电阻串联而成，通过调节可控晶闸管通断的占空比，调节绕组电流。
进一步地，所述控制器变流装置由三相桥式可控晶闸管与电阻和电感串联而成，通过调节可控晶闸管通断的占空比，调节绕组电流。
进一步地，所述控制器变流装置由交直交整流逆变回路与电网串联相连，把定子绕组电流馈入电网。
进一步地，所述的定子绕组为单相、两相或多相绕组。
进一步地，所述定子铁芯由硅钢片加工而成。
进一步地，所述的第二转子由导磁材料和抗磁性材料周期性间隔布置而成。
该发明的有益效果如下：
(1)与变频调速方案相比较，本技术方案的定子绕组的控制能量较小，无须采用与电机容量相当的控制器，一般小于总容量的20％，是一种有效的大功率或超大功率的调速解决方案。
(2)与传统的两转子相互耦合的耦合器相比，控制器把定子绕组中的能量通过电流的方式导出调速设备本身，该电能可通过交直交整流逆变的能量回馈装置回收电网，或通过电阻发热方式散热。避免传统两转子相互耦合的耦合器在设备内部有限闭合空间内复杂的散热问题。
(3)由于定子不旋转，设备与控制器连接无需碳刷与滑环，减少设备的维护，并且发热的定子绕组在定子中，冷却时也不存在旋转密封的问题,增强了设备运行的可靠性。
(4)具有电机软启动的功能:在与设备连接的电机未启动之前，即在第一转子和第二转子未旋转时，在定子绕组中通以交流电流产生旋转磁场，与第一转子中的永磁体相互作用，可带动第一转子和第二转子启动，从而带动外部的电机转子旋转，当电机转子旋转至一定转速后，再启动电机，避免电机直接启动时产生冲击电流，实现软启动的功能。
附图说明
图1为本发明第一具体实例的结构总图；
图2为本发明第一具体实例的控制器变流装置结构图；
图3为本发明第二具体实例结构总图；
图4为本发明第二具体实例的第一转子结构图；
图5为本发明第二具体实例的第二转子结构图；
图6为本发明第二具体实例的定子总成的分解图；
图7为本发明第一具体实例的控制器变流装置结构图；
图中：1、定子总成，2、定子绕组，3、定子铁芯，4、机座，5、第二转子，6、非导磁材料，7、导磁材料，8、第一转子，9、永磁体，10、接线盒，11、第一转子支承轴承，12、第二转子支承轴承，13、互支承轴承，14、第二转子转轴，15、第一转子转轴，16、连杆，17、端盖，18、控制器，19、调磁环；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
实施例一：
图1至图2为本发明的一个具体实例：一种磁可控永磁调速装置，如图1所示，呈径向布置，包括定子总成1、第一转子8、第二转子5、控制器18等组成,定子总成1、第一转子8和第二转子5同轴布置，相邻两者之间存在气隙。
所述的定子总成1，由定子铁芯3与定子绕组2组成,定子铁芯3由软磁材料(如硅钢片)加工而成，并开有齿槽，定子绕组2嵌绕于定子铁芯3的槽内，绕制为2对极绕组，产生2对极的磁场。
所述的第一转子设置有永磁体9，极对数等于16，产生16对极的磁场；
所述的第二转子设置有调磁环19,由导磁材料7和非导磁性材料6(或抗磁性材料)周期性间隔布置而成，其周期数为18。
所述定子绕组极对数M加上永磁体极对数N1等于第二转子导磁与非导磁材料间隔布置的周期数N2，并且M/N1＝1/8。
所述的定子绕组为三相绕组，三根引出线与接线盒10的三个端子分别进行连接。
工作时，所述的第一转子转轴15连接外部机械动力源，带动第一转子8旋转，第一转子8中设置的永磁体9产生磁场经过第二转子9中设置的周期性的导磁材料7与非导磁材料6的调磁作用，形成能与定子绕组2耦合的旋转磁场，并在定子绕组2中产生感应电势。
所述的控制器18，如图2所示，其特征在于，外接控制器18的变流装置端子T1、T2、T3与接线盒的三个端子相连接。控制器18变流装置由整流模块、直流支撑电容、逆变模块组成了交直交整流逆变回路，通过控制整流逆变中电力电子器件的占空比，调节交直流电压，从而调节定子绕组2中的电流，同时控制器18把电能逆变入电网，以避免设备发热，提高效率。
实施例二：
图3至图7为本发明的一个具体实例：一种磁可控永磁调速装置，如图3所示，呈轴向式布置，包括定子总成1、第一转子8、第二转子5、控制器18等组成,定子总成1、第一转子8和第二转子5同轴布置，相邻两者之间存在轴向气隙。
所述的定子总成1，由定子铁芯3与定子绕组2和机4等组成,如图6所示，定子铁芯3为盘式铁芯，定子绕组2嵌绕于定子铁芯3的槽内，绕制为盘式绕组。
如图4所示，所述的第一转子设置有永磁体9，呈盘式背靠背成对安装
如图5所示，所述的第二转子由连杆16、导磁材料(块材)7和非导磁性材料盘6组成。导磁材料(块材)7和非导磁性材料6都背靠背成对安装，由连杆16相连接。
所述定子绕组极对数M加上永磁体极对数N1等于第二转子导磁与非导磁材料间隔布置的周期数N2，并且M/N1<1/5。
所述的定子绕组为三相绕组，三根引出线与接线盒10的三个端子分别进行连接。
所述的控制器18，如图7所示，由可控整流模块、支撑电容、电阻等组成，通过可控整流模块调节输出电压，从而调节通过电阻电流，进而调节通过定子绕组2中的电流，实现磁场控制，从而调节转矩与转速。
具体地说，本技术方案的工作原理如下:
所述的第一转子、第二转子与定子之间存在气隙。所述定子中设置有绕组,绕组通有电流，可产生旋转磁场.通过外接的控制器可改变交流电流大小，从而控制旋转磁场，该磁场与第二转子设置的调磁环调磁后，与第一转子的永磁体产生的磁场相互耦合。采用这一原理，实现了定子、第一转子、第二转子三者之间的相互耦合，从而避免在前述由两者耦合发热的问题。
根据磁调制原理,定子绕组产生的磁场转速WM和定子转矩TM,第一转子转速W1和其转矩T1,第二转子转速W2和其转矩T2,三者产生耦合关系:
T2＝T1+TM (12)
由式(9)代入式(11),则
上式定子转矩TM相对第一转子的输入转矩T1较小，在设计良好的电磁设备中，转矩一般与绕组电流呈一定比例关系，则定子绕组中电流也相对较小，绕组的控制功率也较小。一般小于总容量的20％。
同时，考虑到TM较小，则
T2＝T1+TM≈T1 (14)
上式说明第一转子与第二转子转矩基本相当，能实现力矩传递的作用。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：包括定子总成、第一转子、第二转子、控制器,所述定子总成、第一转子和第二转子同轴布置，相邻两者之间存在气隙；
所述的定子总成，由定子铁芯与定子绕组组成；所述定子铁芯由软磁材料加工而成，用于传导磁场，所述定子绕组安装于所述定子铁芯上面，所述定子绕组与所述控制器电连接，通过电流并产生磁场；
所述的第一转子设置有永磁体，产生永磁磁场；
所述的第二转子设置有调磁环,由导磁材料和非导磁性材料周期性间隔布置而成。
所述定子绕组极对数为M，第一转子永磁体极对数为N1、第二转子导磁材料与非导磁材料的周期数为N2,应满足如下关系：
M+N1＝N2 (7)
或
N1-M＝N2 (8)
并且所述定子绕组极对数M和第一转子永磁体极对数N1还应满足关系:
M/N1〈1/5； (9)
所述的定子绕组为三相绕组；
所述的控制器中的变流装置由可控晶闸管与电阻串联而成，通过调节可控晶闸管通断的占空比，调节绕组电流。
2.如权利要求1所述的一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：所述控制器变流装置由三相桥式可控晶闸管与电阻和电感串联而成，通过调节可控晶闸管通断的占空比，调节绕组电流。
3.如权利要求1所述的一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：所述控制器变流装置由交直交整流逆变回路与电网串联相连，把定子绕组电流馈入电网。
4.如权利要求1所述的一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：所述的定子绕组为单相、两相或多相绕组。
5.如权利要求1所述的一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：所述定子铁芯由硅钢片加工而成。
6.如权利要求1所述的一种磁可控永磁调速装置，其特征在于：所述的第二转子由导磁材料和抗磁性材料周期性间隔布置而成。
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