CN109412385B - 一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，具体是一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器。本发明的磁力耦合器所采用的永磁体排列方式通过控制永磁体嵌入永磁转子基体部分的比例来达到在节省永磁体的情况下达到传统Halbach永磁转子的单边磁场密度。伺服电机通过减速箱带动有左右螺纹的滑杆旋转，从而驱动带有内螺纹的圆柱滑块向左右移动，圆柱环所连接的内外转子就能左右移动，从而改变永磁铁与铜层的相对啮合面积，实现了磁力耦合器的调速功能。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种非接触式连接的磁感应耦合器，具体是一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器。它可应用于振动频率高幅度大的电机和负载之间，作为动力传递和调速的传动系统。
背景技术
传动部分是机械工程领域最基本最重要的部分之一，其中涉及的行业有矿山、冶金、航空、兵器、水电、化工、轻纺以及交通运输部门，磁力耦合器利用永磁体产生的磁场传递力和运动，可以弥补这些场合下的变频不足，一方面，磁力耦合器中主、从动盘不直接接触的物理结构特性可使其工作环境较其他传动部件恶劣，在火力发电厂、煤矿等煤粉、炉灰、腐蚀性气体充斥的恶劣场合，磁力耦合器运行稳定可带动风机等部件实现稳定的变频，可靠性强，维护成本低，生产效率高；另一方面，磁力耦合器在功率消耗方面也会有所降低，当风机、泵类的工作转速和流量控制在额定值的80％时，能量消耗的额定功率为64％，更加节约了能源和生产成本。除了这些，对过载具有保护和隔震作用，实现软驱动；结构简单，制造装配成本低；电流频率不高，不存在电磁干扰；调速机构采用机械调速的方式，安装误差容忍度高，可靠性高，寿命长等有点。
在专利201710609274.4中公开了一种可调速聚磁式双筒异步磁力耦合器，该发明采用聚磁型双筒式结构，通过在永磁体的上下两端设置铜导体，将永磁体包围其中，磁体双面发生作用，使铜导体产生涡流，实现转矩的传递，但该发明采用永磁体形状、充磁和排布方式均采用传统的Halbach方法，其中永磁体层和轭铁层并没有结合考虑，而本发明的磁力耦合器所采用的永磁体排列方式通过控制永磁体嵌入永磁转子基体部分的比例来达到在节省永磁体的情况下达到传统Halbach永磁转子的单边磁场密度。同时较传统的Halbach阵列排布这种永磁体排列方式也大大节约了排列空间，可以在较小的空间形成较大的磁场，提升耦合器的功率密度。在考虑永磁转子空间利用率的情况下，在磁场模拟软件中优化矩形切槽深度使得磁场强度不以永磁体的减少而降低，并不牺牲永磁转子产生的单边磁感应强度，这就将提高了永磁体利用率，加大了单边磁感线密度，提高永磁转子空间利用率三者结合起来进行了优化。
在专利201210434324.7中公开了一种可自动变速的磁力调速器及其调速方法，通过齿轮传动和螺纹传动，使得两从动盘基体分别沿轴向作相向或相背运动，从而改变从动盘与驱动盘之间的气隙厚度实现调速，但该发明调速过程中调速装置会受到从动盘和驱动盘之间巨大的轴向力影响，对伺服电机的输出功率要求较高，同时，伺服电机设置在旋转轴上，工作时伺服电机会随之旋转，将对实际的调速过程产生影响，而本发明调速装置在调速过程中，由于采用了筒式结构，所以磁力耦合器轴向力很小，对伺服电机的输出扭矩要求低。此外，由于本发明中的调速装置不随驱动轴和从动轴的旋转而旋转，因此可实现伺服电机的固定安装，因此，调速更加实用且容易实现。采用的丝杠和滑轮调节从动盘左右移动，精度更加高更加可靠，自锁功能也更易实现，而且在加工方式上加工成本上也更占优势。
发明内容
一种立体式Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其是由导体转子总成、调速装置总成、永磁转子总成组成。当导体转子总成安装在驱动花键轴上时，永磁转子总成安装在从动花键轴上；反之，当导体转子总成安装在从动花键轴上时，永磁转子总成安装在驱动花键轴上。
导体转子总成包括左导体转子基体和右导体转子基体，右导体转子基体与左导体转子基体的结构相同。铜层沿导体转子基体的周向采用焊接、浇铸或紧固件连接方式固定在材质为轭铁的导体转子基体内壁上。其中铜层为实心式或鼠笼式两种结构。当采用鼠笼式结构时，铜层上沿周向均匀加工有矩形通透槽，槽内有与矩形通透槽形状相同的铸铁；采用实心式结构时，导体转子基体的铜层上不加工通透槽，并采用单层结构。
永磁转子总成包括永磁转子基体、切向充磁永磁体和径向充磁永磁体，永磁转子基体沿径向开槽并嵌入切向充磁永磁体，在永磁转子基体外侧沿圆周方向粘装径向充磁永磁体；相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，切向充磁的永磁体旁边的左、右两侧永磁体分别沿径向反向充磁。永磁转子基体外侧沿圆周方向布置的径向充磁永磁体的充磁方向沿半径方向向外时，其两侧的永磁转子基体槽内切向充磁永磁体充磁方向应该相向，反之则应该向背布置，从而形成的一对极Halbach阵列布置，并且磁力线聚集于导体转子总成铜层一侧，而材质为轭铁的永磁体转子基体一侧磁力线布置减弱。一般的Halbach排布利用两个对极中间的永磁体来引导磁路从永磁体内部进过以达到增强单边磁场强度的效果，相比于一般的Halbach排布这种排布方式采用更加立体的排布方式，永磁体的排布位置不再局限于永磁体层，而是将永磁体层与轭铁层结合起来考虑，切向充磁永磁体嵌入永磁转子基体的切槽内部，这就提高了永磁转子基体的空间利用率和永磁体利用率。同时，粘装在永磁转子基体圆周方向的径向充磁永磁体在半径方向的尺寸称为厚度，粘装在永磁转子基体圆周方向的径向充磁永磁体厚度是永磁转子基体半径的1/3～1/2，永磁转子基体中的矩形切槽深度与粘装在永磁转子基体外部的径向充磁永磁体厚度一致，而切槽内所安装的切向充磁永磁体高度应该与外部粘装的径向充磁永磁体齐平，切槽宽度应该是粘装在永磁转子基体外部径向充磁永磁体厚度的0.5～1.5倍。
调速装置总成包括支撑盘、移动盘、带左右外螺纹的滑杆、带内螺纹的圆柱滑块、电机和减速装置；支撑盘由左侧支撑盘和右侧支撑盘组成，左侧支撑盘与右侧支撑盘的结构相同；移动盘由左侧移动盘和右侧移动盘组成，左侧移动盘和右侧移动盘结构相同。当导体转子总成安装在驱动花键轴上，永磁转子总成安装在从动花键轴上时，左侧支撑盘通过滚动轴承与驱动花键轴连接，右侧支撑盘通过滚动轴承与从动花键轴连接，左侧移动盘安装在左导体转子基体上，右移动盘安装在右导体转子基体上，左、右支撑盘上上下两端设置有外螺纹相反的两根滑杆，滑杆上设置有带内螺纹的圆柱滑块，圆柱滑块通过“L”型杆件分别与左侧和右侧移动盘的上下两端相连接，滑杆的向右延长端设置有减速装置，减速装置的输入端又与电机的输出端相接，减速装置带动滑杆转动，通过滑杆上的螺纹实现移动盘的移动，这样永磁转子总成和导体转子总成就能沿滑杆轴向相对运动，改变了永磁体与铜层的相对啮合面积，进而实现调速功能。由于减速箱的一个齿轮输入两个齿轮输出的特点，上下两个滑杆转动方向相反，所以上下两个滑杆上的螺纹应该相反。
本发明的优点
(1)在本发明中，导体转子总成与永磁转子总成非接触传递转矩，避免了机械式联轴器传动时摩擦、磨损以及振动等问题，降低了传动部件的损耗；实现了负载与电机分离，通过调节永磁体与铜层的相对啮合面积，实现了电机的轻载启动、过载保护与无级变速等功能。
(2)本发明磁力耦合器采用Halbach阵列结构，磁力耦合器永磁体排列方式采用径向和轴向结合的排列方式，从而形成一种立体式Halbach阵列结构。不是通过增加磁极对数使磁场强度大大提升，而是形成了Halbach阵列来达到聚磁的功能从而增加磁场强度，同时永磁体排列方式采用突破常规的立体式排布也大大节约了排列空间，可以在较小的空间形成较大的磁场。由于Halbach型阵列分解后的平行磁场与径向磁场的相互迭加使得另一侧的磁场强度大幅度提升，这样可有效地减小转子的体积，提升联轴器的功率密度和永磁体的利用率。
(3)在本发明中，调速装置调节永磁体与铜层相对啮合面积时，所产生的轴向力很小，降低了对调速装置中伺服电机输出扭矩的要求，同时，调速装置不随驱动轴和从动花键轴的旋转而旋转，使结构更加可靠，安装更加方便。
附图说明
以下结合附图及实施例对发明作进一步说明
图1为本发明实施例1的基于Halbach阵列双筒式可调速磁力耦合器的结构示意图。
图示说明：1-驱动花键轴；2-导体转子总成；3-切向充磁永磁体；4-径向充磁永磁体；5-铜层；6-左导体转子基体；7-滑杆；8-永磁转子基体；9-右导体转子基体；10-从动花键轴；11-伺服电机；12-减速装置；13-支撑盘；14-移动盘；15-“L”型杆件；16-圆柱滑块；17-带左右螺纹的滑杆。
图2为永磁转子充磁方向示意图。
图示说明：3-切向充磁永磁体；4-径向充磁永磁体；
图3为鼠笼式铜层转子三维示意图。
图4为永磁转子磁感线分布及磁感线方向示意图。
图5为减速箱内部齿轮的三维示意图。
图示说明：18-上从动齿轮；19-主动齿轮；20-下从动齿轮；
图6为本发明实施例2的基于Halbach阵列双筒式可调速磁力耦合器的结构示意图。
图示说明：1-驱动花键轴；2-导体转子总成；3-切向充磁永磁体；4-径向充磁永磁体；5-铜层；6-左导体转子基体；7-滑杆；8-永磁转子基体；9-右导体转子基体；10-从动花键轴；11-伺服电机；12-减速装置；13-支撑盘；14-移动盘；15-“L”型杆件；16-圆柱滑块；17-带左右螺纹的滑杆；
图7为本发明实施例2永磁转子充磁方向示意图。
图8位本发明实施例2永磁转子三维示意图图
具体实施方式
一种立体式Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器由导体转子总成、调速装置总成和永磁转子总成组成。
导体转子总成主要包括左导体转子基体6和右导体转子基体9，左导体转子基体2通过滑杆7与右导体转子基体9连接，铜层5沿周向采用焊接、浇铸或紧固件连接等方式分别固定在左导体转子基体6和右导体转子基体9的内壁上，所述铜层有实心式和鼠笼式。当铜层采用鼠笼式时铜层沿周向均匀加工有矩形通透槽，槽内嵌有与矩形通透槽形状相同的低碳钢或硅钢片等软磁材料；采用实心式结构时，铜层上不加工通透槽，并采用单层结构。
永磁转子总成主要包括永磁转子基体8、切向充磁永磁体3和径向充磁永磁体4，永磁转子基体圆周表面和切槽内部分别粘装径向充磁永磁体4和切向充磁永磁体；其中粘装在基体圆周表面的径向充磁永磁体4径向充磁，粘装在基体切槽内部的切向充磁永磁体3切向充磁。相邻切向充磁的两块切向充磁永磁体3充磁方向分别相反，切向充磁的永磁体3旁边的左、右两侧径向充磁永磁体4分别沿径向反向充磁。永磁转子基体8外侧布置的径向充磁永磁体4的充磁方向沿半径方向向外时，其两侧的永磁转子基体8槽内切向充磁永磁体3充磁方向应该相向，反之则应该向背布置。径向充磁和切向充磁的两种磁铁形成Halbach型阵列，在较小的空间聚集较多的磁场，提高磁场密度。
调速装置总成主要包括支撑盘13、移动盘14、加工带左右外螺纹的滑杆17、带内螺纹的圆柱滑块16、电机11和减速装置12。支撑盘13由左支撑盘和右支撑盘组成；移动盘14由左移动盘和右移动盘组成。其中减速装置的传动部件是上从动齿轮18、下从动齿轮20和主动齿轮19，在传动时由主动齿轮19带动上从动齿轮18、下从动齿轮20转动，其中两个从动齿轮的运动方向相反。当导体转子总成安装在驱动花键轴上，永磁转子总成安装在从动花键轴上时，左支撑盘通过滚动轴承与驱动动花键轴1连接，右支撑盘通过滚动轴承与从动花键轴10连接，左移动盘安装在左导体转子基体6上，右移动盘安装在右导体转子基体9上，左、右支撑盘上下两端设置有带左右外螺纹的两根滑杆17，滑杆17上设置有带内螺纹的圆柱滑块16，圆柱滑块16通过“L”型杆件15与左、右移动盘的上下两端相连接，滑杆17的向右延长端设置有减速装置12，减速装置12的输入端又与电机11的输出端相接，减速装置带动滑杆17转动，通过滑杆17上的螺纹实现移动盘的移动。这样永磁转子总成和导体转子总成就能沿滑杆17轴向相对运动，改变了永磁体与铜层5的相对啮合面积，进而实现调速功能。
工作原理：磁力耦合器的永磁体排布方式采用永磁转子基体8沿径向开槽并嵌入切向充磁永磁体3，在永磁转子基体8外侧沿圆周方向粘装径向充磁永磁体4，改变传统转子永磁体排列方式。相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，切向充磁的永磁体旁边的左、右两侧永磁体分别沿径向反向充磁。永磁转子基体8外侧布置的径向充磁永磁体4的充磁方向沿半径方向向外时，其两侧的永磁转子基体8槽内切向充磁永磁体3充磁方向应该相向，反之则应该向背布置，从而形成的一对极Halbach陈列布置，并且磁力线聚集于导体转子总成铜层一侧，而永磁转子基体一侧磁力线布置减弱。这样的立体式Halbach排布方式将永磁体层与轭铁层结合起来考虑，切向充磁永磁体3嵌入永磁转子基体8的切槽内部，不仅提高了永磁转子基体的空间利用率，而且提高了永磁体的利用率，加大了单边磁感线密度。
导体转子总成的铜层有实心式结构和鼠笼式结构，铜层沿导体转子基体的周向采用焊接、浇铸或紧固件连接方式固定在导体转子基体内壁上。采用鼠笼式结构时，铜层上沿周向均匀加工有矩形通透槽，槽内嵌有与矩形通透槽形状相同的低碳钢或硅钢片等软磁材料；采用实心式结构时，导体转子的铜层上不加工通透槽，并采用单层结构。
调速装置调节永磁体与铜层相对啮合面积时，所产生的轴向力很小，降低了对调速装置中伺服电机输出扭矩的要求，同时，调速装置不随驱动花键轴和从动花键轴的旋转而旋转，减速箱采用齿轮啮合使得传动更加平稳、调速更加精确、结构更加可靠实用。
实施例2：在实施例1的基础上，改变永磁转子总成的生产制造方式，永磁转子基体加工时分为左侧和右侧分别加工，永磁转子基体开槽深度与实施例1相同。安装时，左右永磁转子基体中间嵌入切向充磁的永磁体，左右永磁转子基体通过螺钉焊接或紧固件固定的方式连接，最后在永磁转子基体圆周方向安装径向充磁的永磁体，这种结构的永磁体的安装更加简单、固定更加可靠，更适合实际工况，但永磁转子部分加工成本会有所增加。
Claims (6)
1.一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，由导体转子总成、调速装置总成和永磁转子总成组成，当导体转子总成安装在驱动花键轴上时，永磁转子总成安装在从动花键轴上；反之，当导体转子总成安装在从动花键轴上时，永磁转子总成安装在驱动花键轴上，其特征在于，所述的永磁转子总成包括永磁转子基体、切向充磁永磁体和径向充磁永磁体，永磁转子基体沿径向开槽并嵌入切向充磁永磁体，在永磁转子基体外侧沿圆周方向粘装径向充磁永磁体；相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，切向充磁的永磁体旁边的左、右两侧永磁体分别沿径向反向充磁；永磁转子基体外侧沿圆周方向布置的径向充磁永磁体的充磁方向沿半径方向向外时，其两侧的永磁转子基体槽内切向充磁永磁体充磁方向应该相向，反之则应该向背布置，从而形成的一对极Halbach阵列布置，并且磁力线聚集于导体转子总成铜层一侧，而材质为轭铁的永磁体转子基体一侧磁力线布置减弱；粘装在永磁转子基体圆周方向的径向充磁永磁体在半径方向的尺寸称为厚度，粘装在永磁转子基体圆周方向的径向充磁永磁体厚度是永磁转子基体半径的1/3～1/2，永磁转子基体中的矩形切槽深度与粘装在永磁转子基体外部的径向充磁永磁体厚度一致，而切槽内所安装的切向充磁永磁体高度应该与外部粘装的径向充磁永磁体齐平，切槽宽度应该是粘装在永磁转子基体外部径向充磁永磁体厚度的0.5～1.5倍。
2.如权利要求1所述的一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，导体转子总成包括左导体转子基体和右导体转子基体，右导体转子基体与左导体转子基体的结构相同；左导体转子基体通过滑杆与右导体转子基体连接，铜层沿周向采用焊接、浇铸或紧固件连接方式分别固定在左导体转子基体和右导体转子基体的内壁上。
3.如权利要求2所述的一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，所述铜层为实心式或鼠笼式两种结构；当采用鼠笼式结构时，铜层上沿周向均匀加工有矩形通透槽，槽内有与矩形通透槽形状相同的铸铁；采用实心式结构时，导体转子基体的铜层上不加工通透槽，并采用单层结构。
4.如权利要求1所述的一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，调速装置总成包括支撑盘、移动盘、带左右外螺纹的滑杆、带内螺纹的圆柱滑块、电机和减速装置；支撑盘由左侧支撑盘和右侧支撑盘组成，左侧支撑盘与右侧支撑盘的结构相同；移动盘由左侧移动盘和右侧移动盘组成，左侧移动盘和右侧移动盘结构相同；当导体转子总成安装在驱动花键轴上，永磁转子总成安装在从动花键轴上时，左侧支撑盘通过滚动轴承与驱动花键轴连接，右侧支撑盘通过滚动轴承与从动花键轴连接，左侧移动盘安装在左导体转子基体上，右移动盘安装在右导体转子基体上，左、右支撑盘上上下两端设置有外螺纹相反的两根滑杆，滑杆上设置有带内螺纹的圆柱滑块，圆柱滑块通过“L”型杆件分别与左侧和右侧移动盘的上下两端相连接，滑杆的向右延长端设置有减速装置，减速装置的输入端又与电机的输出端相接；减速装置带动滑杆转动，通过滑杆上的螺纹实现移动盘的移动，永磁转子总成和导体转子总成就能沿滑杆轴向相对运动，改变了永磁体与铜层的相对啮合面积，进而实现调速功能。
5.如权利要求4所述的一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，减速装置的传动部件是上从动齿轮、下从动齿轮和主动齿轮，在传动时由主动齿轮带动上从动齿轮、下从动齿轮转动，两个从动齿轮的运动方向相反。
6.如权利要求1所述的一种Halbach型阵列双筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，所述永磁转子基体的加工安装方式分为一体式和分体式两种；采用一体式，则在永磁转子基体的半径方向直接开通透槽；采用分体式，则是将永磁转子基体部分分成左右两个部分来加工，每部分沿半径方向开非通透槽，左右永磁转子基体通过螺钉焊接或紧固件固定的方式连接。
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