CN108964387B - 双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，包括同一中心轴设置的输入轴和输出轴，所述输入轴上穿设有导体转子，所述输出轴上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子和第二永磁转子；所述第一永磁转子、导体转子和第二永磁转子三者沿径向依次同心套设，其中第一永磁转子和导体转子之间相隔有第一气隙，导体转子和第二永磁转子之间相隔有第二气隙。本发明通过旋转第一永磁转子或者第二永磁转子，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间的相对旋转角度，实现永磁调速器的调速功能；在调速过程中仅需克服齿槽转矩，还区别于现有技术中采用调整磁转子与导体转子之间的轴向气隙实现调速功能，有效减小了永磁调速器的轴向长度。

Description

双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器

技术领域

本发明涉及永磁调速器，尤其涉及一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器。

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，是一种应用于原动机和负载之间的新型电机驱动系统调速节能技术。调速型永磁耦合器有着良好的节能效果，降低了运行成本，还可以实现电机的软起动与软停止的功能。它可以运行在易燃易爆、潮湿、粉尘含量高等恶劣环境中，并且本身是机械结构，能够适应电网质量不稳定、电流变化冲击负载等情况。主要应用于化学工业、石油化工、煤炭水泥、冶金钢铁、舰船等领域的大功率风机、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。轴向磁通结构的永磁调速装置通常采用调整磁转子与导体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，通常采用改变导体转子和永磁磁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业实践中，有一部分可以实现在线调速。

以上两种主流传统结构的永磁涡流调速装置，都需通过电动执行机构，沿轴向平移永磁转子或者导体转子。调整两个转子相对轴向位置的难度较大，尤其对于轴向结构，磁转子与导体转子之间存在相当大的轴向磁拉力。从而造成了电动执行机构结构复杂，机械强度要求高，占据轴向的空间体积相对较大。现有永磁调速器通过改变永磁转子与导体转子轴向相对位置，实现装置的调速功能，增加了装置的轴向长度，作为一款安装在原动机与泵和风机类负载之间应用于调速节能工业改造的产品，具有一定的空间局限性。另外，传统的永磁涡流调速装置通常采用单永磁转子、单导体转子，且传统永磁涡流调速器的导体转子的导体部分通常采用均匀厚度的铜层固定于导体转子铁心表面构成，而导体部分磁导率与空气接近，增加了磁路磁阻，造成了气隙磁场强度减弱，在一定程度上降低了永磁调速器的转矩密度。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种在实现无级调速时仅需克服齿槽转矩，克服了传统技术中需克服较大的轴向磁拉力，且可有效减小永磁调速器轴向长度的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了第一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，同心设置的输入轴和输出轴，所述输入轴上穿设有导体转子，所述输出轴上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子和第二永磁转子；所述第一永磁转子、导体转子和第二永磁转子三者沿径向依次同心套设，其中第一永磁转子和导体转子之间相隔有第一气隙，导体转子和第二永磁转子之间相隔有第二气隙；通过旋转第一永磁转子或者第二永磁转子，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间的相对旋转角度，实现永磁调速器的调速功能。

其中，所述导体转子包括开设有若干个周向均布的内、外槽口的导体转子铁芯和镶嵌于该导体转子铁芯内的双层标准鼠笼，所述导体转子铁芯的内、外槽口的开槽延伸方向与轴向一致。

进一步，所述双层标准鼠笼包括沿轴向穿插至导体转子铁芯的内、外槽口内的若干个均布的鼠笼导条，该鼠笼导条的第一导条端部通过第一端环短路连接，第二导条端部通过第二端环短路连接。

优选的，所述第一永磁转子包括筒状结构的第一永磁转子铁芯和设于该第一永磁转子铁芯外表面的径向充磁的第一永磁体阵列。

再者，所述第二永磁转子包括筒状结构的第二永磁转子铁芯和设于该第二永磁转子铁芯内表面的径向充磁的第二永磁体阵列。

本发明另一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，包括同一中心轴设置的输入轴和输出轴，所述输入轴上穿设有导体转子，所述输出轴上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子和第二永磁转子；所述第一永磁转子、导体转子和第二永磁转子三者沿同一中心轴依次排列，其中第一永磁转子和导体转子之间相隔有第一气隙，导体转子和第二永磁转子之间相隔有第二气隙。

其中，所述导体转子包括开设有若干个周向均布的左、右槽口的导体转子铁芯和镶嵌于该导体转子铁芯内的双层标准鼠笼，所述导体转子铁芯的左、右槽口的开槽延伸方向与径向一致。

进一步，所述双层标准鼠笼包括沿径向穿插至导体转子铁芯的左、右槽口内的若干个均布的鼠笼导条，该鼠笼导条的第一导条端部通过第三端环短路连接，第二导条端部通过第四端环短路连接。

优选的，所述第一永磁转子包括盘状结构的第一永磁转子铁芯和设于该第一永磁转子铁芯靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第一永磁体阵列。

再者，所述第二永磁转子包括盘状结构的第二永磁转子铁芯和设于该第二永磁转子铁芯靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第二永磁体阵列。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明通过旋转第一永磁转子或者第二永磁转子，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间的相对旋转角度，实现永磁调速器的调速功能，区别于现有技术中采用轴向平移磁转子或者导体转子实现调速功能，有效减小了永磁调速器的轴向长度；在调速过程中仅需克服齿槽转矩，区别于传统轴向磁通永磁涡流调速技术中需要克服平移永磁转子或者导体转子时所需较大的轴向磁拉力；

(2)在调速过程中，本发明中第一和第二永磁转子与导体转子之间的轴向位置固定不变，永磁转子与导体转子始终保持全耦合的状态，区别于传统径向磁通永磁涡流调速技术中通过轴向平移永磁转子或导体转子改变之他们之间耦合面积以实现调速功能；由于涡流损耗仅存在导体转子与永磁转子耦合部分，这就造成了调速过程中局部发热的问题；因此，本发明可有效解决传统径向磁通永磁涡流调速技术中局部过热的问题；

(3)本发明通过采用双边永磁转子的结构，转矩能力相当于两个单边永磁调速器各自产生的转矩之和；调速器外半径不变的情况下，调速器总体积保持不变，本发明采用双边结构充分利用调速器径向空间，单位体积永磁调速器传递的转矩提升了将近一倍，从而实现转矩密度的大大提高。

附图说明

图1为本发明实施例一沿轴线的剖面示意图；

图2为本发明实施例一中主要部件的3D分解视图；

图3是本发明实施例一的轴截面示意图；

图4是本发明实施例一中鼠笼导体的结构示意图；

图5是本发明实施例一中相对旋转角度2D示意图；

图6是本发明实施例二沿轴线的剖面示意图；

图7是本发明实施例二中主要部件的3D分解视图；

图8是本发明实施例二中相对旋转角度2D示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例一

如图1和图2所示，本发明公开一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，包括同一中心轴设置的输入轴1和输出轴2，输入轴1和输出轴2两者之间通过轴承固定连接。本发明中输入轴1包括中心单轴体和用于穿设导体转子3的筒状轴体。本发明中输出轴2上穿设有第一永磁转子4和第二永磁转子5，且为第一永磁转子4和第二永磁转子5提供转矩。本发明还包括用于穿设第二永磁转子5的支架8，支架8的一端通过轴承与输出轴2相连接，另一端也通过轴承与输入轴1相连接。该第一永磁转子4和第二永磁转子5的轴向位置固定不变，且两者可相对同心旋转，沿圆周方向调节第一永磁转子4和第二永磁转子5之间的相对旋转角度，以实现调速器的调速功能。在调速过程中，本发明中第一和第二永磁转子与导体转子之间的轴向位置固定不变，永磁转子与导体转子始终保持全耦合的状态，区别于传统径向磁通永磁涡流调速技术中通过轴向平移永磁转子或导体转子改变之他们之间耦合面积以实现调速功能；由于涡流损耗仅存在导体转子与永磁转子耦合部分，这就造成了调速过程中局部发热的问题；因此，本发明可有效解决传统径向磁通永磁涡流调速技术中局部过热的问题。本发明的第一永磁转子4、导体转子3和第二永磁转子5三者沿径向依次同心套设，形成筒式径向磁通结构，其中第一永磁转子4和导体转子3之间相隔有第一气隙6，导体转子3和第二永磁转子5之间相隔有第二气隙7。本发明通过采用双边永磁转子的结构，转矩能力相当于两个单边永磁调速器各自产生的转矩之和；调速器外半径不变的情况下，调速器总体积保持不变，本发明采用双边结构充分利用调速器径向空间，单位体积永磁调速器传递的转矩提升了将近一倍，从而实现转矩密度的大大提高。

如图2和图3所示，本发明中导体转子3包括导体转子铁芯301和双层标准鼠笼302，导体转子铁芯301为筒状结构，该导体转子铁芯301上开设有若干个周向均布的内槽口303和外槽口304，内槽口303和外槽口304的开槽延伸方向与筒状结构的轴向相一致。如图4所示，本发明的双层标准鼠笼302包括沿轴向穿插至导体转子铁芯301的内槽口303和外槽口304内的若干个均布的鼠笼导条305，该鼠笼导条305为U型结构，且该鼠笼导条305的第一导条端部306通过第一端环307短路连接，第二导条端部308通过第二端环309短路连接。

如图2所示，N表示永磁体充磁方向为外径向、S表示永磁体充磁方向为内径向。本发明的第一永磁转子4包括筒状结构的第一永磁转子铁芯401和设于该第一永磁转子铁芯401外表面的径向充磁的第一永磁体阵列402。其中，第一永磁阵列由N极和S极永磁体交替排列组成。第二永磁转子5包括筒状结构的第二永磁转子铁芯501和设于该第二永磁转子铁芯501内表面的径向充磁的第二永磁体阵列502。其中，第二永磁阵列由N极和S极永磁体交替排列组成。

如图5所示，A表示外径向，C表示圆周方向，θ表示第一永磁转子4与第二永磁转子5之间的相对旋转角度。本发明在给定负载转矩的情况下，当相对旋转角度θ为0度时，第一永磁转子4中第一永磁体阵列402中的N极永磁体与第二永磁转子5中第二永磁体阵列502的N极永磁体正对，穿过双层标准鼠笼302的总合成磁通量最小，在给定滑差速度运行时，输出转矩最小。通过调节第一永磁转子4与第二永磁转子5之间的相对旋转角度，当相对旋转角度θ等于一个极距时，第一永磁转子4中第一永磁体阵列402的N极永磁体与第二永磁转子5的第二永磁体阵列502的S极永磁体正对，此时穿过双层标准鼠笼302的总合成磁通量最大，在给定滑差速度运行时，输出转矩最大；因此，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间相对旋转角度θ，即可以实现负载侧速度的灵活调节。本发明通过旋转第一永磁转子或者第二永磁转子，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间的相对旋转角度，实现永磁调速器的调速功能，区别于现有技术中采用轴向平移磁转子或者导体转子实现调速功能，有效减小了永磁调速器的轴向长度。

实施例二

如图6和图7所示，本发明公开一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，包括同一中心轴设置的输入轴1和输出轴2，输入轴1和输出轴2两者之间通过轴承固定连接。本发明中输入轴1包括中心细单轴体和用于穿设导体转子3的盘状轴体。本发明中输出轴2上穿设有第一永磁转子4和第二永磁转子5，且为第一永磁转子4和第二永磁转子5提供转矩。本发明的输出轴2上架设有用于穿设第二永磁转子5的支架8，支架8的一端通过轴承与输出轴2相连接，另一端也通过轴承与输入轴1相连接。该第一永磁转子4和第二永磁转子5的轴向位置固定不变，且两者可相对同心旋转，沿圆周方向调节第一永磁转子4和第二永磁转子5之间的相对旋转角度，以实现调速器的调速功能。本发明的第一永磁转子4、导体转子5和第二永磁转子6三者沿径向依次同心套设三者沿同一中心轴依次排列，形成盘式径向磁通结构，其中第一永磁转子4和导体转子3之间相隔有第一气隙6，导体转子3和第二永磁转子5之间相隔有第二气隙7。

本发明中导体转子3包括导体转子铁芯301和双层标准鼠笼302，导体转子铁芯301为筒状结构，该导体转子铁芯301上开设有若干个周向均布的左槽口310和右槽口311，左槽口310和右槽口311的开槽延伸方向与径向一致。本发明的双层标准鼠笼302包括沿轴向穿插至导体转子铁芯301的左槽口310和右槽口311内的若干个均布的鼠笼导条305，该鼠笼导条305为U型结构，且该鼠笼导条305的第一导条端部306通过第三端环312的外圈表面短路连接，第二导条端部308通过第四端环313的外圈表面短路连接，

如图6和图7所示，N表示永磁体充磁方向为轴向向左、S表示永磁体充磁方向为轴向向右。本发明中第一永磁转子4包括盘状结构的第一永磁转子铁芯403和设于该第一永磁转子铁芯403靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第一永磁体阵列404。其中，第一永磁阵列404由N极和S极永磁体交替排列组成。第二永磁转子5包括盘状结构的第二永磁转子铁芯503和设于该第二永磁转子铁芯503靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第二永磁体阵列504。其中，第二永磁阵列504由N极和S极永磁体交替排列组成。

如图8所示，B表示轴向向左，C表示圆周方向，θ表示第一永磁转子4与第二永磁转子5之间的相对旋转角度。本发明在给定负载转矩的情况下，当相对旋转角度θ为0度时，第一永磁转子4中第一永磁体阵列404中的N极永磁体与第二永磁转子5中第二永磁体阵列504的N极永磁体正对，穿过双层标准鼠笼302的总合成磁通量最小，在给定滑差速度运行时，输出转矩最小。通过调节第一永磁转子4与第二永磁转子5之间的相对旋转角度，当相对旋转角度θ等于一个极距时，第一永磁转子4中第一永磁体阵列404的N极永磁体与第二永磁转子5的第二永磁体阵列504的S极永磁体正对，此时穿过双层标准鼠笼302的总合成磁通量最大，在给定滑差速度运行时，输出转矩最大；因此，改变第一永磁转子和第二永磁转子之间相对旋转角度θ，即可以实现负载侧速度的灵活调节。本发明在调速过程中仅需克服齿槽转矩，区别于传统轴向磁通永磁涡流调速技术中需要克服平移永磁转子或者导体转子时所需较大的轴向磁拉力。

Claims (10)

1.一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：包括同一中心轴设置的输入轴(1)和输出轴(2)，所述输入轴(1)上穿设有导体转子(3)，所述输出轴(2)上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子(4)和第二永磁转子(5)；所述第一永磁转子(4)、导体转子(3)和第二永磁转子(5)三者沿径向依次同心套设，第一永磁转子(4)、第二永磁转子(5)与导体转子(3)之间的轴向位置固定不变；其中第一永磁转子(4)和导体转子(3)之间相隔有第一气隙(6)，导体转子(3)和第二永磁转子(5)之间相隔有第二气隙(7)；通过旋转第一永磁转子(4)或者第二永磁转子(5)，改变第一永磁转子(4)和第二永磁转子(5)之间的相对旋转角度，实现永磁调速器的调速功能。

2.根据权利要求1所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述导体转子(3)包括开设有若干个周向均布的内、外槽口(303，304)的导体转子铁芯(301)和镶嵌于该导体转子铁芯(301)内的双层标准鼠笼(302)，所述导体转子铁芯(301)的内、外槽口(303，304)的开槽延伸方向与轴向一致。

3.根据权利要求2所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述双层标准鼠笼(302)包括沿轴向穿插至导体转子铁芯(301)的内、外槽口(303，304)内的若干个均布的鼠笼导条(305)，该鼠笼导条(305)的第一导条端部(306)通过第一端环(307)短路连接，第二导条端部(308)通过第二端环(309)短路连接。

4.根据权利要求1所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述第一永磁转子(4)包括筒状结构的第一永磁转子铁芯(401)和设于该第一永磁转子铁芯(401)外表面的径向充磁的第一永磁体阵列(402)。

5.根据权利要求1所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述第二永磁转子(5)包括筒状结构的第二永磁转子铁芯(501)和设于该第二永磁转子铁芯(501)内表面的径向充磁的第二永磁体阵列(502)。

6.一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：包括同一中心轴设置的输入轴(1)和输出轴(2)，所述输入轴(1)上穿设有导体转子(3)，所述输出轴(2)上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子(4)和第二永磁转子(5)；所述第一永磁转子(4)、导体转子(3)和第二永磁转子(5)三者沿同一中心轴依次排列，第一永磁转子(4)、第二永磁转子(5)与导体转子(3)之间的轴向位置固定不变；其中第一永磁转子(4)和导体转子(3)之间相隔有第一气隙(6)，导体转子(3)和第二永磁转子(5)之间相隔有第二气隙(7)。

7.根据权利要求6所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述导体转子(3)包括开设有若干个周向均布的左、右槽口(310，311)的导体转子铁芯(301)和镶嵌于该导体转子铁芯(301)内的双层标准鼠笼(302)，所述导体转子铁芯(301)的左、右槽口(310，311)的开槽延伸方向与径向一致。

8.根据权利要求7所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述双层标准鼠笼(302)包括沿径向穿插至导体转子铁芯(301)的左、右槽口(310，311)内的若干个均布的鼠笼导条(305)，该鼠笼导条(305)的第一导条端部(306)通过第三端环(312)短路连接，第二导条端部(308)通过第四端环(313)短路连接。

9.根据权利要求6所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述第一永磁转子(4)包括盘状结构的第一永磁转子铁芯(403)和设于该第一永磁转子铁芯(403)靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第一永磁体阵列(404)。

10.根据权利要求6所述的双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器，其特征在于：所述第二永磁转子(5)包括盘状结构的第二永磁转子铁芯(503)和设于该第二永磁转子铁芯(503)靠近导体转子一侧表面的轴向充磁的第二永磁体阵列(504)。