CN106911244A - 基于电流调整型的永磁调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流调整型的永磁调速装置，包括外转子总成、内转子总成、机座总成及电流调整装置总成；所述的电流调整装置总成包括滑环、电刷、外接可变电阻箱、绕组引线及电刷引线；所述的绕组引线将线圈绕组中的每相电流引出到滑环中；所述的滑环的内孔固联在动力输出轴上；所述的电刷安装在刷架上，其作用是将滑环的动态运动转换为静态，并将滑环的电流通过电刷引线引出到外接可变电阻箱中，从而解决现有永磁调速装置的大转差发热问题。因为本发明的调速方式为静态式的电流调速，不仅消除了现有永磁调速装置所产生的两种轴向力，而且动力输出轴也不存在现有永磁调速装置中调速机构花键副对动力输出轴所产生的机械式摩擦与磨损。
Description
技术领域
本发明涉及永磁调速装置，特别是一种基于电流调整的永磁调速装置。
背景技术
永磁调速装置一般用于风机、泵类负载，具有：轻载启动、过载保护、减缓冲击和隔离扭震等优点；由于风机、泵类负载具有轴功率与转速的三次方成正比的特性，即转速降低后，轴功率呈三次方下降，因此永磁调速装置在此类负载机械上应用，可有效改变“大马拉小车”的落后传动方式，节能效果显著。
现有的永磁调速装置是是利用永磁转子旋转形成的旋转磁场与实心导体或大块导体相互运动时所产生的洛仑兹力实现动力机和工作机之间的运动传递。由于实心导体或大块导体在切割永磁转子磁力线时所产生的感生电流为导体内部的涡流，当其用于风机、泵类负载调速时，由于转差加大，因此所产生的涡流也增大，此时除一部分涡流用于产生传动系统所需的洛伦兹力，其余大部分均为无用功，由于无法将此部分涡流引出，因此其只能在实心导体或大块导体内部以热量的形式消耗掉；虽然上述永磁调速装置调速时输出功率随转速的三次方下降，但所产生的热量仍然较大，因此目前空冷条件下用于风机、水泵类负载的永磁调速装置最大传递功率一般<500kW；而传递大功率时，上述永磁调速装置调速时仍需水冷，而冷却水易对永磁体、铜盘(套)及铁轭产生腐蚀，使其存在严重安全隐患；并且当冷却水温度升高后，还容易进入其两端的轴承中，使润滑油乳化变质，产生传动故障。
现有的永磁调速装置一般通过调速机构使导体或永磁体转子在传动轴上的花键副左右移动来改变径向或轴向磁通面积，此时需要克服两种轴向力：①气隙磁场产生的磁拉力轴向分量；②沿花键副移动时花键轴与花键孔之间的摩擦力。这两种轴向力使带载时花键轴传递的转矩非常大，使导体(或永磁体)转子在花键副表面产生很大的正压力，因此转子在花键副上移动时所需克服的摩擦力也非常大。假设忽略第一种轴向力，而仅考虑第二种轴向力，则当传递功率为100kW、转速为1000rpm时，花键副传递的转矩为955Nm；当传动轴的轴径为100mm时，其所形成的正压力为19100N，所需克服的摩擦力约为1910N，因此频繁调速时花键副极易磨损并造成调速机构无法工作。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计出一种能实现以下目的的基于电流调整型的永磁调速装置：
1、解决现有永磁调速装置的大转差发热问题。
2、避免传动轴的磨损。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
基于电流调整型的永磁调速装置，包括外转子总成、内转子总成和机座总成；所述的外转子总成由永磁体、外轭铁及动力输入轴组成；所述的内转子总成由线圈绕组、内轭铁和动力输出轴组成；所述的机座总成由底板、左端轴承座、左端轴承、右端轴承座及右端轴承组成；所述的电流调整装置总成由滑环、电刷、外接可变电阻箱、绕组引线、电刷引线、电阻箱引线组成；
所述的外转子总成包括永磁体、外轭铁及动力输入轴，所述的动力输入轴的一端与动力机连接、另一端与外轭铁连接，外轭铁内侧安装永磁体；
所述的内转子总成中，线圈绕组的机械结构为笼型，各笼条为实心导体，笼条的组成材料为铝或铜，各笼条的端部短接以构成线圈绕组，所述的线圈绕组分别安装在内轭铁的铁心槽型中；内轭铁为硅钢片迭压而成，其铁心中各槽型的结构相同，通过键联结或过盈配合方式固联在动力输出轴所对应的外圆表面；动力输出轴为阶梯轴，通过键或过盈配合方式与内轭铁固联，动力输出轴材料为优质碳素钢；
所述的机座总成中，所述的左端轴承座上开有型孔；所述的左端轴承为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在左端轴承座的型孔内表面，其内孔安装在动力输入轴与其相对应轴径的外表面；所述的右端轴承座开有型孔；所述的右端轴承为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在右端轴承座的型孔内表面，其内孔安装在动力输出轴与其对应轴径的外表面；左端轴承座和右端轴承座分别安装在底板的上表面，保证动力输入轴与动力输出轴同轴；所述的底板为平板结构，其上安装有左端轴承座和右端轴承座，底板材料为优质碳素钢；
所述的动力输出轴的输出端安装电流调整装置总成，所述的电流调整装置总成包括滑环、电刷、外接可变电阻箱、绕组引线及电刷引线；所述的绕组引线将线圈绕组中的每相电流引出到滑环中；所述的滑环的内孔固联在动力输出轴上；所述的滑环与动力输出轴同转速旋转；所述的电刷安装在刷架上，其作用是将滑环的动态运动转换为静态，并将滑环的电流通过电刷引线引出到外接可变电阻箱中，所述的外接可变电阻箱包括有级调速电阻箱和无级调速电阻箱，并通过电阻箱引线与电刷引线相联。
所述的有级调速电阻箱由接触器K1～KN及多级电阻R1～RN组成；所述的无级调速电阻箱由三相滑动变阻器RP组成。
进一步地，所述的动力输入轴右端型孔内设置埋入式轴承，所述的埋入式轴承的内孔安装在动力输出轴最左端的外圆表面，所述的埋入式轴承的外圆安装在动力输入轴所对应的型孔内表面。
进一步地，所述的线圈绕组为单相绕组、三相绕组或多相绕组。
进一步地，所述的动力输出轴为悬臂梁结构。
进一步地，所述的右端轴承座有两个，分别为右端轴承座A和右端轴承座B；所述的滑环安装在右端轴承座A和右端轴承座B之间。
进一步地，所述的滑环安装在右端轴承座的右侧。
进一步地，所述的有级调速电阻箱中设置K1～KN接触器触头，每相转子绕组串联电阻R1～RN；各相电阻R1～RN为并联，各相电阻R1～RN之间设置接触器触头K1～KN。
进一步地，所述的无级调速电阻箱的滑动变阻器RP采用“Y”型连接方式。
本发明与现有永磁调速传动装置或技术相比，具有如下的突出性质和显著优点：
1、本发明将线圈绕组中各笼条产生的电流引出到永磁调速装置的外部，通过外接可变电阻箱将其消耗掉，或通过逆变器将此电流回馈至电网进行更深入的节能，从而解决现有永磁调速装置的大转差发热问题。
2、本发明通过外接可变电阻箱调节线圈绕组中的感生电流，从而实现动力输出轴的转速调节。因为本发明的调速方式为静态式的电流调速，不仅消除了现有永磁调速装置所产生的两种轴向力，而且动力输出轴也不存在现有永磁调速装置中调速机构花键副对动力输出轴所产生的机械式摩擦与磨损。
附图说明
图1为本发明的机械结构示意图之一。
图2为本发明的机械结构示意图之二。
图3为本发明的机械结构示意图之三。
图4为本发明的机械结构示意图之四。
图5为图1-4的A-A剖面电流调整装置总成的电气结构示意图。
图6为电阻逐段切除型或逐段加入型的有级调速电气结构示意图。
图7为电阻控制型的无级调速电气结构示意图。
图8为有级调速电阻箱与电刷引线示意图。
图9为无级调速电阻箱与电刷引线示意图。
图中：1、动力输入轴，2、标准滚动轴承A，3、左端轴承座，4、埋入式轴承，5、外轭铁，6、永磁体，7、内轭铁，8、线圈绕组，9、电刷，10、滑环，11、右端轴承座，12、右端轴承，13、动力输出轴，14、底板，15、外接可变电阻箱，16、绕组引线，17、电刷引线，18、电阻箱引线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。如图1-9所示，基于电流调整型的永磁调速装置，包括外转子总成、内转子总成和机座总成；所述的外转子总成由永磁体6、外轭铁5及动力输入轴1组成；所述的内转子总成由线圈绕组8、内轭铁7和动力输出轴13组成；所述的机座总成由底板14、左端轴承座3、左端轴承2、右端轴承座11及右端轴承12组成；所述的电流调整装置总成由滑环10、电刷9、外接可变电阻箱15、绕组引线16、电刷引线17、电阻箱引线18组成；
所述的外转子总成包括永磁体6、外轭铁5及动力输入轴1，所述的动力输入轴1的一端与动力机连接、另一端与外轭铁5连接，外轭铁5内侧安装永磁体6；
所述的内转子总成中，线圈绕组8的机械结构为笼型，各笼条为实心导体，笼条的组成材料为铝或铜，各笼条的端部短接以构成线圈绕组8，所述的线圈绕组8分别安装在内轭铁7的铁心槽型中；内轭铁7为硅钢片迭压而成，其铁心中各槽型的结构相同，通过键联结或过盈配合方式固联在动力输出轴13所对应的外圆表面；动力输出轴13为阶梯轴，通过键或过盈配合方式与内轭铁7固联，动力输出轴13材料为优质碳素钢；
所述的机座总成中，所述的左端轴承座3上开有型孔；所述的左端轴承2为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在左端轴承座3的型孔内表面，其内孔安装在动力输入轴1与其相对应轴径的外表面；所述的右端轴承座11开有型孔；所述的右端轴承12为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在右端轴承座11的型孔内表面，其内孔安装在动力输出轴13与其对应轴径的外表面；左端轴承座3和右端轴承座11分别安装在底板14的上表面，保证动力输入轴1与动力输出轴13同轴；所述的底板14为平板结构，其上安装有左端轴承座3和右端轴承座11，底板材料为优质碳素钢；
所述的动力输出轴13的输出端安装电流调整装置总成，所述的电流调整装置总成包括滑环10、电刷9、外接可变电阻箱15、绕组引线16及电刷引线17；所述的绕组引线16将线圈绕组8中的每相电流引出到滑环10中；所述的滑环10的内孔固联在动力输出轴13上；所述的滑环10与动力输出轴13同转速旋转；所述的电刷9安装在刷架上，其作用是将滑环10的动态运动转换为静态，并将滑环10的电流通过电刷引线17引出到外接可变电阻箱15中，所述的外接可变电阻箱15包括有级调速电阻箱和无级调速电阻箱，并通过电阻箱引线18与电刷引线17相联。
所述的有级调速电阻箱由接触器K1～KN及多级电阻R1～RN组成；所述的无级调速电阻箱由三相滑动变阻器RP组成。
进一步地，所述的动力输入轴1右端型孔内设置埋入式轴承4，所述的埋入式轴承4的内孔安装在动力输出轴13最左端的外圆表面，所述的埋入式轴承4的外圆安装在动力输入轴1所对应的型孔内表面，如图1所示。
进一步地，所述的线圈绕组8为单相绕组、三相绕组或多相绕组。
进一步地，所述的动力输出轴13为悬臂梁结构，如图2所示。
进一步地，所述的右端轴承座11有两个，分别为右端轴承座A和右端轴承座B；所述的滑环10安装在右端轴承座A和右端轴承座B之间，如图3所示。
进一步地，所述的滑环10安装在右端轴承座11的右侧，如图4所示。
进一步地，所述的有级调速电阻箱为电阻逐段切除型或逐段加入型的有级调速电气结构，设置K1～KN接触器触头，每相转子绕组串联电阻R1～RN；各相电阻R1～RN为并联，各相电阻R1～RN之间设置接触器触头K1～KN，如图6所示。
进一步地，所述的无级调速电阻箱的滑动变阻器RP采用“Y”型连接方式，如图7所示。
本发明的工作原理如下：
本发明的动力输入轴1与动力机相联使永磁体6形成旋转磁场，线圈绕组8切割磁力线使线圈绕组8中的笼条产生感生电流，进而产生洛仑兹力使内轭铁7沿永磁体6的旋转方向旋转；由于动力输出轴13固联在内轭铁7上，因此动力输出轴13也以相同的转速旋转。
本发明的调速机理为：通过调节电流调整装置总成中的外接可变电阻箱15内部电阻阻值的大小，可使本发明的机械特性发生变化；当外接可变电阻箱15增大时，线圈绕组8中的感生电流将减小，其所产生的洛仑兹力也随之减小，因此动力输出轴13的输出转速及转矩也随之减小；如背景技术所述，永磁调速装置一般均用于风机、泵类负载，而此类负载的轴功率与转速的三次方成正比，即转速降低后，轴功率呈三次方下降，因此虽然此时永磁调速装置所产生的转差较大，但与永磁体6相耦合的线圈绕组8中仅需较小的感生电流即可满足负载的传动要求，其余无用的感生电流可通过外接可变电阻箱15以热量形式散发出去，或通过逆变器将此电流引入电网进行再次利用。
本发明有级可变电阻箱的工作原理为：通过接触器触头K1～KN的逐级通断实现永磁调速装置的转速调节。当永磁调速装置满载运行时，此时只有接触器触头K1闭合，其余接触器触头K2～KN全部断开，线圈绕组8没有串接调速电阻，永磁调速装置在额定工作点运行；进行转速调节时，断开接触器触头K1，将接触器触头K2闭合，此时线圈绕组8每相串入阻值为R1的电阻，从而降低了线圈绕组8中的电流，在负载的作用下，永磁调速装置的内外转子的转差率增大，从而实现调速；若断开接触器触头K2，将接触器触头K3闭合，线圈绕组8中每相串入阻值为R1+R2的电阻，此时线圈绕组8中的电流再次被降低，转差率继续增大，此时转速在上级调速的基础上继续下降；同理，依次断开闭合各级接触器，线圈绕组8的串接电阻逐步增加，则动力输出轴13的转速将逐步降低；因此通过合理的设计各级电阻值，既可实现多级调速过程。
本发明无级可变电阻箱的工作原理为：通过调节可变电阻RP触头，可逐渐调节可变电阻RP的阻值，实现线圈绕组8串接电阻的无级调整，以控制转子绕组中的电流，从而实现无级调速。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于电流调整型的永磁调速装置，包括外转子总成、内转子总成和机座总成；所述的外转子总成由永磁体(6)、外轭铁(5)及动力输入轴(1)组成；所述的内转子总成由线圈绕组(8)、内轭铁(7)和动力输出轴(13)组成；所述的机座总成由底板(14)、左端轴承座(3)、左端轴承(2)、右端轴承座(11)及右端轴承(12)组成；所述的电流调整装置总成由滑环(10)、电刷9、外接可变电阻箱(15)、绕组引线(16)、电刷引线(17)、电阻箱引线(18)组成；
所述的外转子总成包括永磁体(6)、外轭铁(5)及动力输入轴(1)，所述的动力输入轴(1)的一端与动力机连接、另一端与外轭铁(5)连接，外轭铁(5)内侧安装永磁体(6)；
所述的内转子总成中，线圈绕组(8)的机械结构为笼型，各笼条为实心导体，笼条的组成材料为铝或铜，各笼条的端部短接以构成线圈绕组(8)，所述的线圈绕组(8)分别安装在内轭铁(7)的铁心槽型中；内轭铁(7)为硅钢片迭压而成，其铁心中各槽型的结构相同，通过键联结或过盈配合方式固联在动力输出轴(13)所对应的外圆表面；动力输出轴(13)为阶梯轴，通过键或过盈配合方式与内轭铁(7)固联，动力输出轴(13)材料为优质碳素钢；
所述的机座总成中，所述的左端轴承座(3)上开有型孔；所述的左端轴承(2)为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在左端轴承座(3)的型孔内表面，其内孔安装在动力输入轴(1)与其相对应轴径的外表面；所述的右端轴承座(11)开有型孔；所述的右端轴承(12)为标准滚动轴承并成对使用，其外圆安装在右端轴承座(11)的型孔内表面，其内孔安装在动力输出轴(13)与其对应轴径的外表面；左端轴承座(3)和右端轴承座(11)分别安装在底板(14)的上表面，保证动力输入轴(1)与动力输出轴(13)同轴；所述的底板(14)为平板结构，其上安装有左端轴承座(3)和右端轴承座(11)，底板材料为优质碳素钢；
其特征在于：所述的动力输出轴(13)的输出端安装电流调整装置总成，所述的电流调整装置总成包括滑环(10)、电刷9、外接可变电阻箱(15)、绕组引线(16)及电刷引线(17)；所述的绕组引线(16)将线圈绕组(8)中的每相电流引出到滑环(10)中；所述的滑环(10)的内孔固联在动力输出轴(13)上；所述的滑环(10)与动力输出轴(13)同转速旋转；所述的电刷9安装在刷架上，其作用是将滑环(10)的动态运动转换为静态，并将滑环(10)的电流通过电刷引线(17)引出到外接可变电阻箱(15)中，所述的外接可变电阻箱(15)包括有级调速电阻箱和无级调速电阻箱，并通过电阻箱引线(18)与电刷引线(17)相联；
所述的有级调速电阻箱由接触器K1～KN及多级电阻R1～RN组成；所述的无级调速电阻箱由三相滑动变阻器RP组成。
2.根据权利要求1所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的动力输入轴(1)右端型孔内设置埋入式轴承(4)，所述的埋入式轴承(4)的内孔安装在动力输出轴(13)最左端的外圆表面，所述的埋入式轴承(4)的外圆安装在动力输入轴(1)所对应的型孔内表面。
3.根据权利要求1所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的线圈绕组(8)为单相绕组、三相绕组或多相绕组。
4.根据权利要求1所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的动力输出轴(13)为悬臂梁结构。
5.根据权利要求4所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的右端轴承座(11)有两个，分别为右端轴承座A和右端轴承座B；所述的滑环(10)安装在右端轴承座A和右端轴承座B之间。
6.根据权利要求4所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的滑环(10)安装在右端轴承座(11)的右侧。
7.根据权利要求1所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的有级调速电阻箱中设置K1～KN接触器触头，每相转子绕组串联电阻R1～RN；各相电阻R1～RN为并联，各相电阻R1～RN之间设置接触器触头K1～KN。
8.根据权利要求1所述的基于电流调整型的永磁调速装置，其特征在于：所述的无级调速电阻箱的滑动变阻器RP采用“Y”型连接方式。
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