CN107332429B - 一种磁力耦合传动装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁力耦合传动装置，它包括设置于最外侧的外定子以及与外定子同轴设置的外转子、调制装置和内转子，且该外定子、外转子、调制装置和内转子相邻的两者之间均设有气隙；所述外转子和内转子均包括永磁体，所述外定子包括定子铁心和电枢绕组并设置于机壳内；所述机壳的两侧分别固定连接左端盖和右端盖，且左端盖和右端盖的轴向中心分别连接外转子轴或内转子轴的一端；它采用定子设置于最外侧以及两端分别连接内外转子轴的结构从而克服现有技术结构复杂和装配工艺难度大的缺陷，并且整体布局科学合理，安装和使用方便，设备体积小、重量轻，维护成本低；它广泛适用于风力发电、电动汽车等传动技术领域使用。

Description

一种磁力耦合传动装置
技术领域
本发明涉及机电设备技术领域，尤其涉及一种磁力耦合传动装置。
背景技术
传统低速大扭矩的输出是通过设置减速器来实现的，在生产实践中发现这种间接性传动可使机械传动的可靠性和效率下降；随着制造行业对机械传动的可靠性和系统效率的要求不断提高，由此而产生的直接驱动如磁力耦合传动装置得到了飞速的发展；磁力耦合传动装置与传统机械传动相比具有三个方面的优点:①非接触式传动，无摩擦、噪声小和振动弱；②无需润滑，维护成本少；③柔性无接触连接，具备自动过载保护能力。
但现有的磁力耦合传动装置为了提高永磁体利用率、转矩密度和保障输出更大的转矩，一般采用在定子外围设置双转子或在定子的内外分别设置转子的磁力耦合传动结构，该结构将定子和电枢绕组分别设置于最内层或中间层，增加了电枢绕组的装配工艺难度和周期性维护成本，并使整个设备的体积增大、重量增加、结构更复杂。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的在于提供一种磁力耦合传动装置，它采用定子设置于最外侧以及两端分别连接内外转子轴的结构从而克服现有技术结构复杂和装配工艺难度大的缺陷；并且整体结构科学合理，安装和使用方便，设备体积小、重量轻，市场前景广阔，便于推广使用。
为了实现上述目的，一种磁力耦合传动装置，它包括设置于最外侧的外定子以及与外定子同轴设置的外转子、调制装置和内转子，且该外定子、外转子、调制装置和内转子相邻的两者之间均设有气隙；所述外转子和内转子均包括永磁体，所述外定子包括定子铁心和电枢绕组并设置于机壳内；所述机壳的两侧分别固定连接左端盖和右端盖，且左端盖和右端盖的轴向中心分别连接外转子轴或内转子轴的一端。
为了实现结构、效果优化，其进一步的措施是：所述外转子包括外转子永磁体、用于固定外转子永磁体的外转子极靴、与外转子极靴连接的外转子支撑件、以及外转子轴和连接件。
所述外转子轴的前端经轴承与左端盖连接，该外转子轴的后端经连接件与外转子支撑件固定连接，该连接件和外转子支撑件经轴承与内转子支撑架的外圆连接。
所述外转子永磁体采用切向充磁方式并镶嵌在外转子极靴内。
所述内转子包括内转子永磁体、用于固定内转子永磁体的内转子铁心、以及内转子轴和内转子支撑架。
所述内转子支撑架的轴向中心设有台阶内孔且内孔大径端用于安装内转子轴，该内转子支撑架的外圆表面设有台阶且该外圆小径端用于连接外转子轴。
所述内转子永磁体采用径向充磁方式并分段紧贴内转子铁心的圆周外表面。
所述内转子永磁体包括数对N极永磁体和S极永磁体，且每对N极永磁体和S极永磁体依次相邻紧贴内转子铁心的圆周外表面。
所述外定子包括由定子冲片叠压而成的定子铁心和采用星形连接的电枢绕组。
所述调制装置包括呈环状均匀分布的多个调制环铁心、以及用于对调制环铁心定位支撑的定位架；且每个调制环铁心的截面中心轴线需与定子铁心上定子槽的截面中心轴线对齐。
本发明相比现有技术所产生的有益效果：
(Ⅰ)本发明采用同轴设置的外定子、外转子、调制装置和内转子，外定子和内外转子上的磁场能有效产生相互作用从而减少各部分结构的无效磁力耦合作用，且由于外定子的存在，能有效防止整体漏磁，从而提高了转矩密度；
(Ⅱ)本发明采用外定子同轴设置于最外侧的结构，其外定子电枢绕组的装配工艺难度小，维护成本更低，有利于保障整体性能，从而延长设备的使用寿命；
(Ⅲ)本发明采用左右端盖分别连接外转子轴或内转子轴的结构，设备体积小、重量轻，能有效节约安装空间和降低制作成本；
(Ⅳ)本发明采用定子设置于最外侧以及两端分别连接内外转子轴的结构从而克服现有技术结构复杂和装配工艺难度大的缺陷，并且整体布局科学合理，安装和使用方便，能提高转矩密度和节约安装空间，制作成本低，具有显著的经济效益和社会效益。
本发明广泛适用于风力发电、电动汽车等传动技术领域使用。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明整体结构的截面示意图。
图3为本发明中电枢绕组的接线图。
图4为本发明中的磁力耦合结构示意图。
图5为本发明中内转子的安装结构示意图。
图6为本发明中外转子的安装结构示意图。
图7为本发明中内转子支撑架的结构示意图。
图8为本发明中内转子永磁体的充磁方式示意图。
图9为本发明中外转子永磁体的充磁方式示意图。
图中：1-外转子轴，2-左端盖，3-连接件，4-外转子支撑件，5-内转子支撑架，51-台阶内孔，6-机壳，7-外定子，71-定子槽，8-外转子永磁体，9-外转子极靴，10-调制环铁心，11-定位架，12-内转子轴，13-连接固定环，14-内转子铁心，15-内转子永磁体，16-右端盖。
具体实施方式
参照附图，本发明是这样实现的：一种磁力耦合传动装置，它包括设置于最外侧的外定子7以及与外定子7同轴设置的外转子、调制装置和内转子，且该外定子7、外转子、调制装置和内转子相邻两者之间均设有气隙；所述外转子和内转子均包括永磁体，所述外定子包括定子铁心和电枢绕组并设置于机壳6内；所述机壳6的两侧分别固定连接左端盖2和右端盖16，且左端盖2和右端盖16的轴向中心分别连接外转子轴1或内转子轴12的一端；当电枢绕组通电产生磁场，经磁力耦合可同时驱动外转子和内转子旋转，从而经外转子轴1和内转子轴12输出转矩。
如图1所示，本发明中的外转子轴1的前端经轴承与左端盖2连接，该外转子轴1的后端经连接件3与外转子支撑件4固定连接，该连接件3和外转子支撑件4经轴承与内转子支撑架5的外圆连接；所述内转子轴12经轴承与内转子支撑架5的台阶内孔连接，所述内转子支撑架5的一端与定位架11固定连接，另一端经连接固定环13与右端盖16固定连接；所述外转子轴1和内转子轴12的安装方向可以互换，即外转子轴1也可与右端盖16连接，此时内转子轴12则与左端盖2连接。
如图1和图6所示，本发明中外转子包括外转子永磁体8、用于固定外转子永磁体8的外转子极靴9、与外转子极靴9连接的外转子支撑件4、以及外转子轴1和连接件3；所述外转子永磁体8采用切向充磁方式并镶嵌在外转子极靴9内，且相邻两个永磁体的极性相反排列，而外转子极靴9也采用硅钢片沿轴向方向叠制而成，这种结构可进一步加大气隙内的磁通密度，达到聚磁效果，从而提高转矩密度和永磁体的利用率；所述外转子永磁体8一般采用稀土永磁材料制成，保障能够形成较高的气隙磁场从而提高输出转矩密度。
如图2和图4所示，本发明中外定子7包括由定子冲片叠压而成的定子铁心和采用星形连接的电枢绕组；所述调制装置包括呈环状均匀分布的多个调制环铁心10、以及用于对调制环铁心10定位支撑的定位架11，所述每个调制环铁心10的截面中心轴线需与定子铁心上定子槽71的截面中心轴线对齐；采用该结构可使磁路更合理，降低磁路磁阻，增大气隙内的磁通密度，从而提高转矩密度。
如图2、图5和图8所示，本发明中内转子包括内转子永磁体15、用于固定内转子永磁体15的内转子铁心14、以及内转子轴12和内转子支撑架5；所述内转子永磁体15采用径向充磁方式并分段紧贴内转子铁心14的圆周外表面设置，该内转子永磁体15包括数对N极永磁体和S极永磁体且每对N极永磁体和S极永磁体依次相邻紧贴内转子铁心14的圆周外表面，即N极永磁体的两侧相邻连接S极永磁体，同样S极永磁体的两侧相邻连接N极永磁体；采用该结构可提高气隙内的磁通密度，达到聚磁效果，从而提高转矩密度和永磁体的利用率，所述内转子永磁体15优选采用海尔贝克阵列(Halbach)的磁体结构方式来提高转矩密度和永磁体利用率。
如图3所示，本发明中外定子7的电枢绕组采用星形联接方式，所述外定子中定子槽71的数量应依据实际工作环境进行设计；当外定子7的定子槽71数量选用30个时，其电枢绕组在定子槽内的联接次序分别为：A相1-(-5)-8-9-(-12)并联16-(-20)-23-24-(-27)；B相3-4-(-7)-11-(-15)并联18-19-(-22)-26-(-30)；C相6-(-10)-13-14-(-17)并联21-(-25)-28-29-(-2)。
如图7所示，本发明中内转子支撑架5的轴向中心设有台阶内孔51且内孔大径端用于安装内转子轴12，该内转子支撑架5的外圆表面设有台阶外圆且该外圆小径端用于连接外转子轴1；所述内转子支撑架5的内孔和外径分别用于对内外转子轴进行定位和支撑，从而提高了内外转子的导向精度和承受偏心载荷的能力，并有利于保障内外转子轴的同轴精度。
结合附图，本发明的工作原理为：首先设定内转子永磁体15的磁极对数为Pin，即Pin对N极永磁体和S极永磁体依次相邻紧贴内转子铁心14的圆周外表面；而外转子永磁体8的磁极对数设为Pout，即Pout对外转子永磁体8采用切向充磁方式并镶嵌在外转子极靴9内，且相邻两个外转子永磁体8的极性相反排列；相应调制环铁心10的数目Nt等于内转子永磁体15的磁极对数与外转子永磁体8的磁极对数之和，即Nt＝Pin+Pout，可知由硅钢片叠制而成的调制环铁心10的数目和定子铁心上定子槽71数目保持一致都为Nt；综上可知，内转子与外转子的转速比为外转子永磁体8磁极对数与内转子永磁体15磁极对数之比，且内转子与外转子两者之间的旋转方向相反。
本发明的实施例一：当电枢绕组内通入三相交流电，经磁力耦合可同时驱动外转子轴和内转子轴旋转，将外转子轴和/或内转子轴作为输出端连接外部负载，此时本发明作永磁电机使用；其中外转子轴旋转速度较低，而内转子轴旋转速度较高，并且外转子轴与内转子轴的旋转方向相反；两者转速计算公式如下：设f是电流频率，Pin是内转子永磁体的磁极对数，Pout是外转子永磁体的磁极对数，则内转子轴转速nin＝60f/Pin，外转子轴的转速nout＝Pin×nin/Pout。
本发明的实施例二：当电枢绕组不通电或不安装电枢绕组时，而外转子轴或内转子轴作为输入端与外部动力相连，相应的另一端作为输出端与外部负载相连，此时本磁力耦合传动装置可作变速器使用；如果将外转子轴作为输入端与外部动力相连，而内转子轴作为输出端与外部负载相连，此时本发明作增速器使用；如将内转子轴作为输入端与外部动力相连，而外转子轴作为输出端与外部负载相连，此时本发明作为减速器使用，从而提高输出转矩。
本发明的实施例三：当外转子轴或内转子轴作为输入端与外部动力相连且驱动旋转时，可在外定子的电枢绕组中产生三相交流电，同时将电枢绕组作输出端连接外部负载时，此时本发明可作发电机使用，特别适合于风力发电等低速、大转矩的应用场合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁力耦合传动装置，其特征在于包括设置于最外侧的外定子以及与外定子同轴设置的外转子、调制装置和内转子，且该外定子、外转子、调制装置和内转子相邻的两者之间均设有气隙；所述外转子和内转子均包括永磁体，所述外定子包括定子铁心和电枢绕组并设置于机壳内；所述机壳的两侧分别固定连接左端盖和右端盖，且左端盖和右端盖的轴向中心分别连接外转子轴或内转子轴的一端；所述外转子包括外转子永磁体、用于固定外转子永磁体的外转子极靴、与外转子极靴连接的外转子支撑件、以及外转子轴和连接件；所述内转子包括内转子永磁体、用于固定内转子永磁体的内转子铁心、以及内转子轴和内转子支撑架；所述调制装置包括呈环状均匀分布的多个调制环铁心、以及用于对调制环铁心定位支撑的定位架；且每个调制环铁心的截面中心轴线需与定子铁心上定子槽的截面中心轴线对齐，且调制环铁心的数目与定子铁心上定子槽数目相等；
外转子永磁体采用切向充磁方式，且外转子永磁体嵌入相邻的外转子极靴之间处对外转子永磁体起到固定作用；相邻两个外转子永磁体的极性相反排列。
2.根据权利要求1所述的磁力耦合传动装置，其特征在于所述外转子轴的前端经轴承与左端盖连接，该外转子轴的后端经连接件与外转子支撑件固定连接，该连接件和外转子支撑件经轴承与内转子支撑架的外圆连接。
3.根据权利要求1所述的磁力耦合传动装置，其特征在于所述内转子支撑架的轴向中心设有台阶内孔且内孔大径端用于安装内转子轴，该内转子支撑架的外圆表面设有台阶且该外圆小径端用于连接外转子轴。
4.根据权利要求3所述的磁力耦合传动装置，其特征在于所述内转子永磁体采用径向充磁方式并分段紧贴内转子铁心的圆周外表面。
5.根据权利要求4所述的磁力耦合传动装置，其特征在于所述内转子永磁体包括数对N极永磁体和S极永磁体，且每对N极永磁体和S极永磁体依次相邻紧贴内转子铁心的圆周外表面。
6.根据权利要求1所述的磁力耦合传动装置，其特征在于所述外定子包括由定子冲片叠压而成的定子铁心和采用星形连接的电枢绕组。
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