CN110739828A

CN110739828A - 一种球式永磁联轴器

Info

Publication number: CN110739828A
Application number: CN201911022872.7A
Authority: CN
Inventors: 谢朝阳; 李学勇
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-10-25
Also published as: CN110739828B

Abstract

本发明公开了一种球式永磁联轴器，包括外转体和内转体，外转体与输入轴连接，内转体与输出轴连接；所述外转体包括两相对设置的外转子，外转子呈勺状，所述内转体包括呈球状的内转子，内转子包覆设置于两外转子之间，所述外转子的弧形内表面嵌设多个外转磁铁，内转子的球形表面嵌设多个内转磁铁，外转磁铁和内转磁铁磁力相吸。该联轴器外转体和内转体形状为球状，将磁铁在外转子和内转子球形面上布设，使得磁场沿着球体径向分布，具有传递转矩大、可非同轴传动、无轴向力而传动平稳的显著特点。

Description

一种球式永磁联轴器

技术领域

本公开属于机械传动联轴器技术领域，具体涉及一种球式永磁联轴器。

背景技术

有些工业生产中需要非接触传动来传递转矩，如有毒有害化工生产、环境工业以及半导体工业。最常见的非接触传动为磁力联轴器，其特点在于：能够实现输入端和输出端之间的完全封闭隔离；可限矩，实现过载保护；可实现机器软启动；振动小，摩擦小。

前人已经设计出了不同结构的磁力联轴器，如申请号为201210434166.5的专利公开了一种高性能异步盘式磁力耦合器，磁场沿着轴向分布，其传递转矩较小，不能非同轴传动，轴向力大、传动不稳定；申请号为201020181438.1的专利公开了一种径向永磁磁力联轴器，磁场沿着径向分布，虽然轴向力小，但安装精度要求高且不能非同轴传动；申请号为201720671721.4的专利公开了一种可以实现非同轴传动的磁力联轴器，但只是在磁力联轴器上再连接了万向节，而且其传递转矩也小，轴向力也较大、传动不稳定。

综上，发明人发现，现有磁力联轴器，存在或传递转矩小，或必须同轴传动，或轴向力大而传动不平稳的缺点，这限制了磁力联轴器的使用范围和发展。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种球式永磁联轴器；该联轴器外转体和内转体形状为球状，将磁铁在外转子和内转子球形面上布设，使得磁场沿着球体径向分布，具有传递转矩大、可非同轴传动、无轴向力而传动平稳的显著特点。

本公开的发明目的是提出一种球式永磁联轴器，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种球式永磁联轴器，包括外转体和内转体，外转体与输入轴连接，内转体与输出轴连接；所述外转体包括两相对设置的外转子，外转子呈勺状，所述内转体包括呈球状的内转子，内转子包覆设置于两外转子之间，所述外转子的弧形内表面嵌设多个外转磁铁，内转子的球形表面嵌设多个内转磁铁，外转磁铁和内转磁铁磁力相吸。

作为进一步的技术方案，所述外转磁铁呈弧状，多个外转磁铁在外转子的弧形内表面均匀布设。

作为进一步的技术方案，所述外转磁铁由输入轴侧向输出轴侧延伸设置。

作为进一步的技术方案，所述内转磁铁呈弧状，内转磁铁和外转磁铁平行设置，多个内转磁铁在内转子球形表面均匀布设。

作为进一步的技术方案，所述内转磁铁由输入轴侧向输出轴侧延伸设置。

作为进一步的技术方案，所述外转子包括连接成一体的半圆筒状构件和半空心球状构件，两外转子的半圆筒状构件相对连接成圆筒形结构，圆筒形结构与输入轴连接；两外转子的半空心球状构件相对连接成空心球状结构。

作为进一步的技术方案，所述半空心球状构件的内侧表面设置多个凹槽以容纳外转磁铁。

作为进一步的技术方案，所述半空心球状构件一侧与半圆筒状构件连接，半空心球状构件另一侧设置开口，外转磁铁由半空心球状构件的凹槽延伸至外侧。

作为进一步的技术方案，所述内转子的球形表面设置多个凹槽以容纳内转磁铁。

作为进一步的技术方案，多个所述外转磁铁对应于输出轴侧的端部之间具有供输出轴通过的间隙，多个内转磁铁对应于输出轴侧的端部之间具有供输出轴通过的间隙。

本公开的有益效果为：

本公开的球式永磁联轴器，将磁力联轴器的结构改为球面副结构，使内、外转磁铁产生的磁场在球面沿着径向分布。这首先增大了受力范围，进而增大了联轴器所能够传递的转矩；其次能够像万向节一样非同轴安装，进而实现非同轴传动；还有因为球状结构的高度对称性，使轴向力相互抵消，实现平稳的传动。

本公开的球式永磁联轴器，同样具有其他永磁联轴器的特点，即实现完全封闭隔离、软启动、可过载保护。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一个实施例中公开的联轴器整体结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为图1的主视图；

图4为在相位差

时，在图3中B-B位置的剖视图；

图5为在相位差θ＝0时，在图3中B-B位置的剖视图；

图6为外转子的结构示意图；

图7为内转子的结构示意图；

图8为外转磁铁及其磁性的示意图；

图9为内转体受到总力矩随着相位差θ的变化趋势图；

图10为内转体受到总力矩随着气隙厚度r的变化趋势图；

图中，1—输入轴，2—外转体，2-1—外转子，2-2—外转子，2-3—外转磁铁，2-4—螺栓，2-5—螺母，3—内转体，3-1—内转磁铁，3-2—内转子，4—输出轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，现有磁力联轴器，存在或传递转矩小，或必须同轴传动，或轴向力大而传动不平稳的缺点，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种球式永磁联轴器。

本申请提供了一种球式永磁联轴器，包括外转体和内转体，外转体与输入轴连接，内转体与输出轴连接；所述外转体包括两相对设置的外转子，外转子呈勺状，所述内转体包括呈球状的内转子，内转子包覆设置于两外转子之间，所述外转子的弧形内表面嵌设多个外转磁铁，内转子的球形表面嵌设多个内转磁铁，外转磁铁和内转磁铁磁力相吸。

实施例1

下面结合附图1-附图10对本实施例公开的球式永磁联轴器做进一步的说明；

参照附图1所示，球式永磁联轴器，主要由输入端外转体2和输出端内转体3组成，外转体2与输入轴1连接，内转体3与输出轴4连接。

如图2所示，外转体2由空心球状的外转子和外转磁铁组成，为了装配方便，外转子分为上、下两块外转子，单块则呈勺状，外转子2-1、外转子2-2相对设置，外转磁铁2-3均匀布设在外转子2-1、外转子2-2的内表面；

如图6所示，外转子包括连接成一体的半圆筒状构件和半空心球状构件，两外转子的半圆筒状构件相对连接成圆筒形结构，圆筒形结构即形成外转体2的轴孔，可通过键联接与输入轴1相连，即为输入端，可以输入转矩；

两外转子的半空心球状构件相对连接成空心球状结构，半空心球状构件一侧与半圆筒状构件连接，半空心球状构件另一侧设置开口，半空心球状构件的内侧表面设置多个凹槽以容纳外转磁铁，如图1-图3所示，外转磁铁由半空心球状构件的凹槽延伸至外侧。

多个外转磁铁2-3对应于输出轴4侧的端部之间具有供输出轴4通过的间隙。

外转子2-1、外转子2-2的半圆筒状构件通过螺栓2-4、螺母2-5连接成一体，外转子2-1、外转子2-2的半空心球状构件通过螺栓2-4、螺母2-5连接成一体。通过两组螺栓组将2个勺状外转子对接起来组成空心球状的外转体2。

如图2、图7所示，内转体3包括呈实心球状的内转子3-2，内转子3-2包覆设置于两外转子2-1、外转子2-2之间，内转子3-2的球形表面设置多个凹槽以容纳布设内转磁铁3-1。在内转体3有轴孔的一端可通过键联接与输出轴4相连，即为输出端，可以输出转矩；内、外转体和输入、输出轴组装好后如图1所示，内转体半径比外转体小，在装配时，内转体整体可以被外转体包裹，类似于万向节联接。安装时，和万向节类似，内、外转体可以在轴向存在夹角，以实现非同轴传动。

外转磁铁和内转磁铁的设置数目相同。内转体被置于外转体的内部，之间的间隙称为气隙厚度，分布有内、外转体产生的磁场；通过改变内、外转体的直径差，可改变气隙厚度。

如图2、图8所示，外转磁铁2-3呈弧状，外转磁铁2-3由输入轴1侧向输出轴4侧延伸设置。

内转磁铁与外转磁铁形状相同，只是半径不同，内转磁铁也呈弧状，内转磁铁和外转磁铁平行设置，内转磁铁由输入轴侧向输出轴侧延伸设置。

如图8所示，外转磁铁2-3内弧侧为N极、外弧侧为S极，内转磁铁3-1内弧侧为S极、外弧侧为N极，外转磁铁2-3的N极与内转磁铁3-1的S极相对设置，即外转体2的外转磁铁2-3和内转体3的内转磁铁3-1磁力相吸。

如图1所示，内转磁铁对应于输出轴侧的端部之间具有供输出轴通过的间隙。

本公开的联轴器，将外转体和内转体设置为球状结构，球体在同体积下的表面积最大，在球状的内、外转子表面均可布置磁铁，磁场在球体表面沿着径向分布，因此磁场范围增大，磁场力和转矩也增大；和万向节类似的球面副，使得输入轴和输出轴可以在轴向存在夹角，以实现非同轴传动，而且安装精度要求低；球状结构具有高度对称性，使得轴向力相互抵消，传动更加平稳。

当外转体2转动时，因为其间的磁场力，将带动内转体3转动，实现转矩的传递。该永磁联轴器是非接触式传动，可以实现输入端和输出端的完全密闭隔离，同时还有摩擦小、振动小、软启动、可过载保护的特点；且该球式永磁联轴器还具有传递转矩大、可非同轴传动、无轴向力而传动平稳的显著特点。

为了使得内、外转磁铁在周向存在相位差而产生转矩，分布在球状内、外转子表面的磁铁不是整块，而是若干块弧状的单块，并均匀布设于内、外转子表面。

为了能够控制传递转矩的大小，内、外转子的直径，磁铁的厚度、对数、宽度、材料及其排布方式可根据要求进行改变，以调整和优化该联轴器的传递性能；尤为重要的是，改变内、外转体的直径差，可以改变其间的气隙厚度，气隙厚度分布着磁场并影响传递转矩的大小。

影响该球式永磁联轴器性能的参数主要有磁铁对数n，内、外转体相位差θ，内转体直径Φ₁，外转体内径Φ₂，气隙厚度r，磁铁厚e和磁铁宽h。如图4所示，外转体和内转体上的磁铁数目n相同，磁铁数目n影响着内、外转体相位差θ；内、外转体直径Φ₁、Φ₂决定了磁铁的直径，也决定着磁场力产生力矩的力臂L；内、外转体直径差以及磁铁厚度e决定内、外转体间的气隙厚度r(如图5所示)；气隙厚度r和磁铁的尺寸则决定磁场力大小。以上所述各个参数影响着该联轴器的传递转矩和平稳性。

以上参数有如下关系：

产生力矩的力臂

内、外转体之间最大相位差

气隙厚度

单块内转磁铁受到的力矩T₁＝F_tL (4)；

整个内转体受到的总力矩其中,F_t为所有外转磁铁对某一块内转磁铁作用的磁场力的切向分量，其大小和磁场强度以及相位差θ相关。

并以当n＝8、Φ₁＝200mm、Φ₂＝240mm、e＝24mm、h＝30mm时为例，进行了仿真验证，此时α＝45°。如图9所示，随着相位差θ增大，内转体受到的总力矩T先增大后减小，并在

时达到最大值，在θ＝0和

时力矩T为0，理论研究可知在

后，力矩将按

段的变化规律先增大后减小，此处不再赘述。

以上参数和计算公式用于指导该球式永磁联轴器的结构设计。

如图10所示，仿真得出内转体受到的总力矩T随着气隙厚度r的增大而减小，并近似成线性关系，可知气隙厚度r是影响传递转矩的一个关键因素。

本公开的球式永磁联轴器的工作原理为：

当没有输入转速时，整个联轴器处于静止状态，如图5所示。由于球体是对称均匀分布的，外转磁铁2-3和内转磁铁3-1在径向是完全重合的，即0相位差状态，此时没有力矩产生，只有沿着径向指向或背离球心的径向力。

当在负载较小情况下输入转速后，如图4所示，外转体2(输入端)先转动，以致外转磁铁2-3和内转磁铁3-1之间相位差θ从0开始增大，磁场力产生的力矩T也从0开始增大，当可以带动内转体3(负载)后，内、外转体便开始同步转动，即实现转矩的传递。

当在负载较大情况下输入转速后，如图4所示，同样是外转体2(输入端)先转动，外转磁铁2-3和内转磁铁3-1之间相位差θ从0开始增大，磁场力产生的转矩也开始增大。由图9可知，当在

时，力矩T达到最大，超过这个点，转矩将开始减小。若负载转矩刚好等于这个最大转矩，内、外转体便开始同步转动，即联轴器工作在最大负载下，但此种临界状态不稳定、不安全；若输入负载大于最大转矩，传动失效，外转体2空转，实现过载保护。

任何一种情况下，若负载突增至超过最大转矩，传动将失效，外转体2(输入端)将空转，从而起到过载保护作用。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种球式永磁联轴器，其特征是，包括外转体和内转体，外转体与输入轴连接，内转体与输出轴连接；所述外转体包括两相对设置的外转子，外转子呈勺状，所述内转体包括呈球状的内转子，内转子包覆设置于两外转子之间，所述外转子的弧形内表面嵌设多个外转磁铁，内转子的球形表面嵌设多个内转磁铁，外转磁铁和内转磁铁磁力相吸。

2.如权利要求1所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述外转磁铁呈弧状，多个外转磁铁在外转子的弧形内表面均匀布设。

3.如权利要求2所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述外转磁铁由输入轴侧向输出轴侧延伸设置。

4.如权利要求2所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述内转磁铁呈弧状，内转磁铁和外转磁铁平行设置，多个内转磁铁在内转子球形表面均匀布设。

5.如权利要求4所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述内转磁铁由输入轴侧向输出轴侧延伸设置。

6.如权利要求1所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述外转子包括连接成一体的半圆筒状构件和半空心球状构件，两外转子的半圆筒状构件相对连接成圆筒形结构，圆筒形结构与输入轴连接；两外转子的半空心球状构件相对连接成空心球状结构。

7.如权利要求6所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述半空心球状构件的内侧表面设置多个凹槽以容纳外转磁铁。

8.如权利要求7所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述半空心球状构件一侧与半圆筒状构件连接，半空心球状构件另一侧设置开口，外转磁铁由半空心球状构件的凹槽延伸至外侧。

9.如权利要求1所述的球式永磁联轴器，其特征是，所述内转子的球形表面设置多个凹槽以容纳内转磁铁。

10.如权利要求1所述的球式永磁联轴器，其特征是，多个所述外转磁铁对应于输出轴侧的端部之间具有供输出轴通过的间隙，多个内转磁铁对应于输出轴侧的端部之间具有供输出轴通过的间隙。