CN110460221A - 一种磁体旋转型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，为一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器。由外转子和内转子组成，导体转子在外转子上，永磁转子在内转子上。其中旋转永磁体调速装置安装在永磁转子上，轴向调速装置安装在导体转子上。旋转单极永磁体是通过锥齿轮啮合传递动力到调速轴，调速轴与旋转永磁体总成安装在一起，从而使旋转永磁体总成转动一定角度；轴向调速装置是移动方形轴承底座，通过双向推力球轴承带动套筒，套筒与导体转子轭铁通过螺钉连接，从而移动导体转子。调速时，通过轴向移动导体转子、旋转单极永磁体或同时轴向移动导体转子和旋转单极永磁体来改变部分永磁体即旋转永磁体总成与铜导体之间的平均正对面积及气隙间距，从而实现调速。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种非接触式可变速的磁力耦合器，可以实现无接触传递力矩，广泛应用于矿山、冶金、航空等行业中的动力传递系统中，具体为一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，具有三种调速方式，调速方式多样。
背景技术
磁力耦合器利用永磁体产生磁场传递力和力矩，一方面，实现了无接触转矩传递，减少了传动部件的机械损耗，且磁力耦合器结构简单，安装方便，设备运行平稳，能在高海拔、易燃易爆、高温和空间狭小等恶劣的环境下工作，可靠性强，维护成本低，生产效率高，另一方面，磁力耦合器自身不消耗电能，对风机和泵类负载进行速度控制时具有突出的节能效果，不仅体现在调速方面，而且有效杜绝了风机与泵类装置运行时发生的气蚀和喘振现象，提高了系统的安全性。除此以外，磁力耦合器没有高频率电流，不存在高次谐波和电磁干扰等问题。而满足对负载转速有特定要求的特殊工况，是接下来磁力耦合器的研究重点之一，基于以上特点，对可调速筒式耦合器的研究显得很有必要。
江苏大学在中国专利201210434367.5中公开了一种啮合面积可调式异步磁力变矩器及其调速方法，通过微型电机控制一对啮合的锥齿轮，并通过输出的锥齿轮驱动螺纹丝杠旋转将电机的旋转转变为内转子基体的轴向位移，从而调节永磁体与铜条之间的啮合面积而实现调速。该发明只能通过调节永磁体和铜盘之间的啮合面积进行调速，而本发明通过旋转单极永磁体，在改变部分永磁体与铜导体之间平均正对面积的基础上还改变了两者气隙间距，从而改变气隙磁密来实现调速作用；此外，还可以通过轴向移动从动转子来进行调速，以及同时通过旋转单极永磁体及轴向移动从动转子来实现调速。
江苏大学在中国专利201710461913.7中公开了一种基于锥齿轮传动的盘式调速磁力耦合器，通过锥齿轮啮合实现N极(或S极)永磁体的旋转运动，改变了部分永磁体与导体环之间的平均正对面积及气隙间距，同时也改变了N、S极交替排布的方式，从而调节气隙磁密以实现调速作用。该发明结构紧凑，磨损严重且不易拆卸，防尘效果差，而本发明针对筒式磁力耦合器，调速系统安装方便，工作稳定可靠，便于拆卸，防尘效果较好；在调速方面，通过旋转单极永磁体，在改变部分永磁体与铜导体之间平均正对面积的基础上还改变了两者气隙间距，从而改变气隙磁密来实现调速作用；此外，还可以通过轴向移动从动转子来进行调速，以及同时通过旋转单极永磁体及轴向移动从动转子来实现调速。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器。
本发明采用的具体的技术方案如下：
一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，由外转子和内转子两部分构成，其中旋转永磁体调速装置安装在永磁转子上，是由旋转永磁体总成、调速轴、小锥齿轮、大锥齿轮、微型电机和电机套筒组成。轴向调速装置安装在导体转子上，是由导向平键、套筒、双向推力球轴承、方形轴承底座、导体转子组成。调速时，可以通过轴向移动导体转子来进行调速，或者周向旋转单极永磁体即改变旋转永磁体总成的角度来进行调速，或者还可以通过同时轴向移动从动转子以及周向旋转单极永磁体来进行调速。
外转子由导体转子、导体转子轴、导向平键、套筒、螺钉、双向推力球轴承和方形轴承底座组成，其中导体转子是由导体转子轭铁和铜导体组成，铜导体紧贴安装在导体转子轭铁内侧；导体转子轴右端与导体转子通过导向平键连接，方形轴承底座、套筒和导体转子轭铁是依次安装在导体转子轴上，套筒与导体转子轭铁通过螺钉连接，而进一步地，方形轴承底座通过双向推力球轴承与套筒连接的方式为：套筒与方形轴承底座上下对应各开有一凹槽，用来固定安装双向推力球轴承。当轴向移动方形轴承底座时，导体转子会随之轴向移动。
内转子由永磁转子、永磁转子轴、普通平键、螺钉、小锥齿轮、大锥齿轮、调速轴、微型电机和电机套筒组成，其中永磁转子是由内轭铁、右轭铁、旋转永磁体总成和固定永磁体组成，永磁转子轴左端与内轭铁通过平键连接，旋转永磁体总成和固定永磁体都嵌入在内轭铁两柱面开槽的基体内，且均匀间隔分布在槽内，固定永磁体还与内轭铁粘在一起；内轭铁与右轭铁通过螺钉连接，并且旋转永磁体总成有一轴向通孔，调速轴依次通过旋转永磁体总成的轴向通孔以及右轭铁以及内轭铁左侧的通孔安装在内轭铁上，在调速轴的另一侧上装有小锥齿轮，在永磁转子轴上有一电机套筒，用于安装微型电机，微型电机上装有一个大锥齿轮，通过与调速轴上小锥齿轮的啮合，来使调速轴转动，从而使旋转永磁体总成进行旋转运动。
工作原理：在内外转子正常运行的情况下，可以通过轴向移动导体转子、旋转单极永磁体即改变旋转永磁体总成角度或者同时轴向移动导体转子以及旋转单极永磁体进行调速。当仅仅轴向移动导体转子时，首先移动方形轴承底座，通过双向推力球轴承带动套筒，而套筒与导体转子轭铁通过螺钉连接，使得导体转子移动，两转子正对面积发生变化，改变输出转矩值的大小；当仅仅旋转单极永磁体时，首先启动微型电机，当微型电机顺时针正转带动大锥齿轮时，与大锥齿轮啮合的小锥齿轮带动调速轴，调速轴与旋转永磁体总成连接在一起，使旋转永磁体总成绕着调速轴转动，转动方向为逆时针，而导体转子的铜导体与旋转永磁体总成之间的气隙增大，正对面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至旋转永磁体总成转动到极限位置，永磁体与铜导体之间的气隙最大，气隙磁场强度最小，此时输出扭矩最小；当微型电机逆时针反转带动大锥齿轮时，旋转永磁体总成顺时针转动，气隙逐渐减小，正对面积增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至旋转至初始位置时，气隙最小，气隙磁场强度最大，此时输出扭矩最大。当同时轴向移动导体转子以及旋转单极永磁体进行调速时，则是上述两种方式的结合，可以快速进行调速。
本发明中筒式磁力耦合器的调速方式不同于传统磁力耦合器的调速方式。传统筒式磁力耦合器调速时仅仅是通过调整永磁转子与导体转子之间的气隙或正对面积，而在本专利的调速过程中不仅可以通过调整永磁转子与导体转子之间的啮合面积进行调速，还可以同时改变旋转永磁体总成与铜导体之间的平均气隙间距以及平均正对面积，而改变旋转永磁体总成角度的同时也改变了永磁体N、S极交替排布的方式，以改变N、S极磁路的方式实现调速。
本发明的优点：
(1)导体转子与永磁转子之间为非接触性配合，通过主从动转子之间的气隙磁密传递转矩可以有效解决转动过程中的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题，大大提高磁力耦合器的传递效率。
(2)本发明一方面通过旋转永磁体总成角度的变化来改变永磁体与铜导体之间的平均正对面积和气隙间距，并利用在永磁转子轴上均匀分布的调速装置，通过微型电机来准确调节所需要的磁体旋转角度，在调速的同时不改变主永磁转子的整体相对位置，有效避免了传统调速过程中永磁转子位置的整体移动，使系统的防尘效果更好，提高了系统稳定性；另一方面，还可以使用轴向移动从动转子的方式来进行调速以及同时结合两种方式进行调速。
(3)本发明利用外部的控制系统，通过控制微型电机，使锥齿轮传递磁体旋转所需要的动力以及磁体旋转的角度，可以建立永磁体旋转角度与外部控制系统(如PLC)的一一对应关系。
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为实施例1的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器总体结构图。
图2为实施例1的磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器的调速原理示意图。
图3为实施例1的筒式可调速磁力耦合器磁体旋转调速示意图。
图4为实施例1的可调速筒式磁力耦合器实心导体转子及鼠笼导体转子结构图。
图5为实施例1的旋转永磁体调速装置三维结构剖面图
图6为实施例1的旋转永磁体总成的三维结构示意图。
图7为实施例1的旋转永磁体调速装置总成分布示意图。
图8为实施例1的外转子上为永磁转子时的调速原理示意图。
图9为实施例1的外转子上为永磁转子时磁体旋转调速示意图。
图10为实施例1的外转子上为永磁转子时实心导体内转子及鼠笼导体内转子结构图。
图中，Ⅰ—导体转子，Ⅱ—永磁转子，1—导体转子轴，2—双向推力球轴承，3—套筒，4—导向平键，5—普通平键，6—内轭铁，7—铜导体，8—旋转永磁体总成，9—右轭铁，10—螺钉，11—微型电机，12—永磁转子轴，13—电机套筒，14—大锥齿轮，15—小锥齿轮，16—调速轴，17—导体转子轭铁，18—方形轴承底座，19—固定永磁体。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，它是由外转子和内转子两部分构成，其中旋转永磁体调速装置安装在永磁转子Ⅱ上，轴向调速装置安装在导体转子Ⅰ上。外转子由导体转子Ⅰ、导体转子轴1、双向推力球轴承2、套筒3、导向平键4、螺钉10和方形轴承底座18组成，其中导体转子Ⅰ是由导体转子轭铁17和铜导体7组成，导体转子轴1右端与导体转子Ⅰ通过导向平键4连接，铜导体7安装并紧贴在导体转子轭铁17的内侧，套筒3与导体转子轭铁17通过螺钉10连接，套筒3与方形轴承底座18上下对应各有一凹槽，用来安装双向推力球轴承2。当轴向移动方形轴承底座18时，导体转子轭铁17会随之沿导体转子轴1轴向移动。内转子(见图5)由永磁转子Ⅱ、普通平键5、螺钉10、微型电机11、永磁转子轴12、电机套筒13、大锥齿轮14、小锥齿轮15和调速轴16组成，其中永磁转子Ⅱ是由内轭铁6、右轭铁9、旋转永磁体总成8和固定永磁体19(固定永磁体19与内轭铁6粘在一起)组成，永磁转子轴12左端与内轭铁6通过普通平键5连接，旋转永磁体总成8(见图6)和固定永磁体19都嵌入在内轭铁6两柱面开槽的基体内，且均匀间隔分布在槽内，内轭铁6与右轭铁9通过螺钉10连接，并且旋转永磁体总成8开有一轴向通孔，调速轴16通过轴向通孔以及右轭铁9以及内轭铁6左侧的通孔安装在内轭铁6上，在调速轴16的另一侧上装有小锥齿轮15，在永磁转子轴12上有一电机套筒13，用于安装微型电机11，微型电机11上装有一个大锥齿轮14，通过与调速轴上小锥齿轮15的啮合，来使调速轴16转动，从而使旋转永磁体总成8进行旋转运动。导体转子作为主动转子，则永磁转子成为从动转子，反之亦然。
工作原理：如图2所示，在永磁体与铜导体正常运行的情况下，可以通过轴向移动导体转子Ⅰ、旋转单极永磁体即改变旋转永磁体总成8角度或者同时轴向移动导体转子Ⅰ以及旋转单极永磁体进行调速。当仅仅轴向移动导体转子Ⅰ时，首先移动方形轴承底座18，通过双向推力球轴承2带动套筒3，而套筒3与导体转子轭铁17通过螺钉10连接，使得导体转子Ⅰ移动，正对面积改变，改变输出转矩值的大小；图3为磁力耦合器磁体旋转调速示意图，当仅仅旋转单极永磁体时，首先启动微型电机11，当微型电机11顺时针正转带动大锥齿轮14时，与大锥齿轮14啮合的小锥齿轮15带动调速轴16，调速轴16与旋转永磁体总成8连接在一起，使旋转永磁体总成8绕着调速轴16转动，转动方向为逆时针，而铜导体7与旋转永磁体总成之间的气隙增大，正对面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至旋转永磁体总成8转动到极限位置，永磁体与铜导体7之间的气隙最大，气隙磁场强度最小；当微型电机11逆时针反转带动大锥齿轮14时，旋转永磁体总成8顺时针转动，气隙逐渐减小，正对面积增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至旋转至初始位置时，气隙最小，气隙磁场强度最大，继而改变输出转矩值的大小。当同时轴向移动导体转子Ⅰ以及旋转单极永磁体进行调速时，则是上述两种方式的结合，可以快速进行调速。
所述磁力耦合器的内外转子均可放置导体转子。当外转子上放置导体转子Ⅰ时，内转子上放置旋转永磁体总成8和固定永磁体19，旋转永磁体调速装置安装在内转子一侧，轴向调速装置安装在外转子一侧；图8为外转子上放置永磁转子Ⅱ时即内转子上的为导体转子Ⅰ时的调速原理示意图，当外转子上放置永磁转子Ⅱ时，内转子上放置铜导体，旋转永磁体调速装置安装在外转子一侧，轴向调速装置安装在内转子一侧。图9和图10，分别是外转子上为永磁转子Ⅱ时磁体旋转调速示意图和外转子上为永磁转子Ⅱ时实心导体内转子及鼠笼导体内转子结构图。同时，导体转子Ⅰ上导体的形状是实心环状或者是鼠笼环状(见图4和图10)，其中鼠笼环状的导体排布能有效抑制齿槽转矩，并且铜盘表面产生的热量可以通过槽迅速传导给导体转子轭铁，使铜导体得到有效冷却。
特别指出，旋转永磁体调速装置上的锥齿轮啮合的数量应与永磁体磁极对数一致，以保证驱动旋转永磁体总成8发生旋转，如图7所示为锥齿轮啮合的分布图，对称结构保证了调速时锥齿轮啮合以及整体结构的稳定性。
Claims (8)
1.一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，由外转子和内转子两部分构成，其特征在于，外转子由导体转子、导体转子轴、导向平键、套筒、螺钉、双向推力球轴承和方形轴承底座组成，其中导体转子是由导体转子轭铁和铜导体组成，铜导体紧贴安装在导体转子轭铁内侧；导体转子轴右端与导体转子通过导向平键连接，方形轴承底座、套筒和导体转子轭铁是依次安装在导体转子轴上，套筒与导体转子轭铁通过螺钉连接，而进一步地，方形轴承底座通过双向推力球轴承与套筒连接的方式为：套筒与方形轴承底座上下对应各开有一凹槽，用来固定安装双向推力球轴承；当轴向移动方形轴承底座时，导体转子会随之轴向移动；内转子由永磁转子、永磁转子轴、普通平键、螺钉、小锥齿轮、大锥齿轮、调速轴、微型电机和电机套筒组成，其中永磁转子是由内轭铁、右轭铁、旋转永磁体总成和固定永磁体组成，永磁转子轴左端与内轭铁通过平键连接，旋转永磁体总成和固定永磁体都嵌入在内轭铁两柱面开槽的基体内，且均匀间隔分布在槽内，固定永磁体还与内轭铁粘在一起；内轭铁与右轭铁通过螺钉连接，并且旋转永磁体总成有一轴向通孔，调速轴依次通过旋转永磁体总成的轴向通孔以及右轭铁以及内轭铁左侧的通孔安装在内轭铁上，在调速轴的另一侧上装有小锥齿轮，在永磁转子轴上有一电机套筒，用于安装微型电机，微型电机上装有一个大锥齿轮，通过与调速轴上小锥齿轮的啮合，来使调速轴转动，从而使旋转永磁体总成进行旋转运动；由旋转永磁体总成、调速轴、小锥齿轮、大锥齿轮、微型电机和电机套筒组成的旋转永磁体调速装置安装在永磁转子上；由导向平键、套筒、双向推力球轴承、方形轴承底座、导体转子组成的轴向调速装置安装在导体转子上。
2.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，固定永磁体为同一充磁方向，旋转永磁体总成也是同一充磁方向且充磁方向与固定连接的永磁体充磁方向相反。
3.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，调速时，通过轴向移动导体转子来进行调速，或者周向旋转单极永磁体即改变旋转永磁体总成的角度来进行调速，或者通过同时轴向移动从动转子以及周向旋转单极永磁体来进行调速。
4.如权利要求3所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，当仅仅轴向移动导体转子时，首先移动方形轴承底座，通过双向推力球轴承带动套筒，而套筒与导体转子轭铁通过螺钉连接，使得导体转子移动，两转子正对面积发生变化，改变输出转矩值的大小；当仅仅旋转单极永磁体时，首先启动微型电机，当微型电机顺时针正转带动大锥齿轮时，与大锥齿轮啮合的小锥齿轮带动调速轴，调速轴与旋转永磁体总成连接在一起，使旋转永磁体总成绕着调速轴转动，转动方向为逆时针，而导体转子的铜导体与旋转永磁体总成之间的气隙增大，正对面积减小，气隙磁场作用力变小，输出扭矩变小，直至旋转永磁体总成转动到极限位置，永磁体与铜导体之间的气隙最大，气隙磁场强度最小，此时输出扭矩最小；当微型电机逆时针反转带动大锥齿轮时，旋转永磁体总成顺时针转动，气隙逐渐减小，正对面积增大，气隙磁场作用力变大，输出扭矩变大，直至旋转至初始位置时，气隙最小，气隙磁场强度最大，此时输出扭矩最大；同时轴向移动导体转子以及旋转单极永磁体进行调速时，则是上述两种方式的结合，能够快速进行调速。
5.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，所述磁力耦合器的内外转子均可放置导体转子；当外转子上放置导体转子时，内转子上放置旋转永磁体总成和固定永磁体，旋转永磁体调速装置安装在内转子一侧，轴向调速装置安装在外转子一侧；当外转子上放置永磁转子时，内转子上放置铜导体，旋转永磁体调速装置安装在外转子一侧，轴向调速装置安装在内转子一侧。
6.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，导体转子上铜导体的形状是实心环状或者是鼠笼环状，其中鼠笼环状的铜导体排布能有效抑制齿槽转矩，并且铜盘表面产生的热量可以通过槽迅速传导给导体转子轭铁，使铜导体得到有效冷却。
7.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，旋转永磁体总成是将永磁体与轭铁粘连组成，且在一侧加工与有轴向通孔，并在一侧导有圆角以保持旋转时与内轭铁是间隙配合。
8.如权利要求1所述的一种磁体旋转型筒式可调速磁力耦合器，其特征在于，旋转永磁体调速装置上的锥齿轮啮合的数量应与永磁体磁极对数一致。
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