CN114421667A - 一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，涉及永磁涡流调速器相关技术领域，包括与电机连接的输入轴，所述输入轴通过平键与传动板连接，所述传动板通过传动销钉与永磁体固定筒连接，所述永磁体固定筒通过螺栓与永磁体固定盘连接，所述永磁体固定筒和永磁体固定盘上布置双层两段不等宽Halbach阵列，所述永磁涡流调速器还包括与输出轴连接的输出法兰，所述输出法兰与导体固定筒连接。本发明通过将永磁体阵列由传统径向或轴向阵列改善为双层两段不等宽Halbach阵列，并利用筒、盘混合式结构和螺旋导轨、限位滑块机构，解决了现有永磁涡流调速器存在的永磁体利用率低、传动平稳性差、传动转矩小，以及调速精度差等问题。

Description

一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调 速器

技术领域

本发明涉及永磁涡流调速器相关技术领域，特别涉及一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器。

背景技术

永磁涡流调速器是近年来快速发展的一种新型节能传动与调速装置，按结构可分为盘式和筒式，其主要区别在于产生的磁通沿径向或者轴向。永磁涡流调速器安装在驱动电机与负载之间，当电机启动且保持转速不变后，与电机转子相连接的永磁体或导体也随之开始转动，使得永磁体与导体之间产生相对运动，导体在永磁体产生的磁场中做切割磁感线运动产生感应涡流，从而将动力和转矩从主动端传递到从动端。可根据负载大小控制永磁体与导体间配合面积及距离，从而按需调节输出转矩和转速，实现调速器节能目的。

永磁涡流调速器作为一种新型非接触传动与调速装置，具有维护工作量小、节能效果好、允许有较大的安装对中误差、可靠性高、冲击和振动小、使用寿命长、易于实现遥控和自动控制、结构简单及能适应各种恶劣环境等优点。此外，通过调节永磁体与导体间的配合面积及距离还能实现对负载的无极调速。

目前市场上有多款技术成熟的永磁涡流调速器产品，如美国麦格纳驱动公司的相关产品，这些产品已广泛运用于一些工业场景中。然而受本身结构和技术方案的局限，这些产品在性能上还有一些不足并具有较大的改进空间，具体包括：1、目前一些永磁涡流调速器配备有相应的间隙调节装置，但这些调整机构存在零部件较多，执行可靠性低以及调速精度较差等问题；2、目前永磁涡流调速器大多为盘式或筒式的单一结构，未能充分利用空间，造成大量的涡流损失和热磁损耗，且传递的扭矩较低；3、目前大多永磁涡流调速器中仍然使用传统的径向充磁或轴向充磁，永磁体排列方式为交错布置，永磁体磁能沿径向或轴向对称地分布在磁体两侧，工作气隙内磁能较少，对磁能的利用率较低，磁矩密度小且传动转矩偏低，也有部分涡流调速器采用单层等宽Halbach阵列，虽然能够增大磁矩密度和传动转矩，但气隙磁场波形正弦度低，传动平稳性较差。

因此，提出一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器来解决上述问题很有必要。

发明内容

（一）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，包括包括永磁涡流调速器，所述永磁涡流调速器包括与电机连接的输入轴、与输出轴连接的输出法兰，所述输入轴的外侧固定套装有孔套和轴套，所述孔套的外侧安装有输入轴轴承座，所述输入轴轴承座的外侧安装有限位滑块，所述轴套左侧装有圆柱滚子轴承，通过圆螺母和止动垫圈实现轴向固定，并套装有输入轴轴承端盖进行轴向固定，所述轴套右侧装有深沟球轴承，轴向通过轴承端盖进行固定，所述输入轴的末端装有传动板，所述传动板上安装有传动销钉，所述输入轴的末端设有轴端压板，所述传动板通过轴端压板固定在输入轴上；

所述永磁涡流调速器还包括永磁体固定筒和永磁体固定盘，所述永磁体固定筒上布置有筒壁永磁体，所述永磁体固定筒靠近电机侧安装有固定法兰用于固定筒壁永磁体，所述永磁体固定筒另一侧和永磁体固定盘通过螺栓连接，所述永磁体固定盘的外侧开有环形槽，所述环形槽内布置有圆盘永磁体，所述永磁体固定筒上装有销钉滑套，所述销钉滑套通过传动销钉与传动板相配合，从而将输入轴的动力传递给永磁体固定筒；

所述永磁涡流调速器还包括调速装置，所述调速装置包括外滑套和内滑套，所述内滑套与永磁体固定筒通过螺栓连接，所述外滑套上设置有螺旋滑槽，所述输入轴轴承座上的限位滑块与螺旋滑槽相配合，所述外滑套的外侧安装有可使外滑套转动前进的调节手柄。

优选的，相同位置处径向上下两层筒壁永磁体充磁方向完全相同，任一层均包含十二块径向充磁永磁体和十二块切向充磁永磁体，径向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且径向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻径向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反，相同位置处轴向上下两层圆盘永磁体充磁方向相同，任一层均包含轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体，轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且轴向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻轴向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反。

优选的，所述外滑套靠近电机侧安装有外滑套法兰，所述内滑套与永磁体固定筒通过螺栓连接，所述内滑套与输入轴同轴，转动外滑套即可移动永磁体固定筒和永磁体固定盘。

优选的，所述调速装置还包括深沟球轴承，深沟球轴承套装在内滑套上，深沟球轴承的内圈依靠内滑套端面和圆螺母及止动垫圈进行轴向限位，深沟球轴承的外圈依靠两侧轴承端盖做轴向限位。

优选的，所述传动板和永磁体固定筒之间通过传动销钉连接，所述输入轴带动传动板转动，所述传动板通过传动销钉带动永磁体固定筒转动。

优选的，所述传动销钉有三根，三根所述传动销钉沿周向等间隔布置，传动销钉与传动板和永磁体固定筒垂直布置。

优选的，所述永磁涡流调速器还包括导体固定筒，所述导体固定筒的外侧周向等间距分布着二十四块散热片，所述散热片为机械式散热器。

优选的，所述导体固定筒的内侧通过爆炸焊焊接导体，所述导体固定筒的中心处与输出法兰相连接。

（二）有益效果

本发明提供了一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，具备以下有益效果：

1、本发明通过螺旋滑槽、限位滑块机构改变永磁体与导体间的配合面积和距离以调节输入轴与负载轴间转差，实现了各种工况下无极调速，解决了现有的永磁涡流调速器存在零部件较多执行可靠性低以及调速精度较差的问题。

2、本发明通过将盘式和筒式结构组合成混合式结构以增强传动转矩，相比于传统盘式或筒式结构，混合式结构中永磁体和导体相互作用面积更大从而产生更强的转矩，解决了现有永磁涡流调速器未能充分利用空间，且传递的扭矩较低的问题。

3、本发明通过将永磁体阵列由传统径向或轴向阵列改善为双层两段不等宽Halbach阵列以提高永磁体利用率，解决了现有永磁体排列方式下工作气隙内磁能较少，对磁能的利用率较低，磁矩密度小且传动转矩偏低的问题。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构等轴测方向三维示意图；

图2为本发明实施例整体结构侧视剖面示意图；

图3为本发明永磁体与导体结构间距调节的立体示意图；

图4为本发明永磁体与导体结构间距调节的剖面示意图；

图5为本发明永磁体转子结构的立体示意图；

图6为本发明导体转子结构的立体示意图；

图7为本发明筒壁永磁体结构的排列示意图；

图8为本发明图7中I处结构的剖面示意图；

图9为本发明圆盘永磁体结构的排列示意图；

图10为本发明圆盘永磁体结构的截面示意图。

图中：1、输入轴；2、输入轴轴承端盖；3、输入轴轴承座；4、孔套；5、轴套；6、限位滑块；7、传动板；8、传动销钉；9、轴端压板；10、调节手柄；11、外滑套；12、外滑套法兰；13、内滑套；14、永磁体固定筒；15、销钉滑套；16、永磁体固定法兰；17、永磁体固定盘；18、筒壁永磁体；19、圆盘永磁体；20、导体；21、导体固定筒；22、散热片；23、输出法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图 1-10，一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，包括永磁涡流调速器，永磁涡流调速器包括与电机连接的输入轴1、与输出轴连接的输出法兰23，输入轴1的外侧固定套装有孔套4和轴套5，孔套4的外侧安装有输入轴轴承座3，输入轴轴承座3的外侧安装有限位滑块6，轴套5左侧装有圆柱滚子轴承，通过圆螺母和止动垫圈实现轴向固定，并套装有输入轴轴承端盖2进行轴向固定，轴套5右侧装有深沟球轴承，轴向通过轴承端盖进行固定，输入轴1的末端装有传动板7，传动板7上安装有传动销钉8，输入轴1的末端设有轴端压板9，传动板7通过轴端压板9固定在输入轴1上；

永磁涡流调速器还包括导体固定筒21，导体固定筒21的外侧周向等间距分布着二十四块散热片22，散热片22为机械式散热器，通过散热片22可以将导体20内电涡流产生的热量排到空气中，降低导体20温度，导体固定筒21的内侧焊接有导体20，导体20为单侧带底圆筒，导体固定筒21的中心处与输出法兰23相连接；

永磁涡流调速器还包括永磁体固定筒14和永磁体固定盘17，永磁体固定筒14和永磁体固定盘17通过螺栓连接，筒壁永磁体18、圆盘永磁体19和形状为单侧带底圆筒的导体20通过永磁磁场和感应磁场相互作用，永磁体固定筒14外侧圆周上布置有双层筒壁永磁体18，永磁体固定筒14靠近电机侧安装有固定法兰16用于固定筒壁永磁体18，相同位置处径向上下两层筒壁永磁体充磁方向完全相同，任一层均包含十二块径向充磁永磁体和十二块切向充磁永磁体，径向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且径向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻径向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反；永磁体固定盘17上开有环形槽用于布置双层圆盘永磁体19，相同位置处轴向上下两层圆盘永磁体充磁方向完全相同，任一层均包含十二块轴向充磁永磁体和十二块切向充磁永磁体，轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且轴向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻轴向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反，采用上述预定的排列规则对永磁体进行布置形成的双层两段不等宽Halbach阵列，能够在较小的空间形成聚焦较多的磁场，提高磁场密度，永磁体固定筒14上装有销钉滑套15，销钉滑套15通过传动销钉8与传动板7相配合，从而将输入轴1的动力传递给永磁体固定筒14；

永磁涡流调速器还包括调节输出轴转速的调速装置，调速装置包括外滑套11和内滑套13，外滑套11靠近电机侧安装有外滑套法兰12，内滑套13与永磁体固定筒14通过螺栓连接，内滑套13与输入轴1同轴，移动内滑套13即可移动永磁体固定筒14和永磁体固定盘17，外滑套11上有螺旋滑槽，输入轴轴承座3上的限位滑块6与斜向滑槽相配合，外滑套11的外侧安装有可使外滑套11转动前进的调节手柄10，调速装置还包括深沟球轴承，深沟球轴承套装在内滑套13上，深沟球轴承的内圈依靠内滑套13端面和圆螺母及止动垫圈进行轴向限位，深沟球轴承的外圈依靠两侧轴承端盖做轴向限位，当旋转调节手柄10后，输入轴轴承座3上的限位滑块6在外滑套11上的螺旋滑槽内滑动，由于限位滑块6固定在输入轴轴承座3上无法移动，因此外滑套11做转动以及轴向移动复合的螺旋运动，外滑套11和内滑套13之间通过深沟球轴承连接和传递推力，从而拉动内滑套13、永磁体固定筒14和永磁体固定盘17做轴向移动，使永磁体固定筒14和永磁体固定盘17靠近或远离导体20，改变筒壁永磁体18与导体20间的配合面积和圆盘永磁体19与导体20间的气隙间距；

传动板7和永磁体固定筒14之间通过传动销钉8连接，输入轴1带动传动板7转动，传动板7通过传动销钉8带动永磁体固定筒14转动，传动销钉8有三根，三根传动销钉8沿周向等间隔布置，传动销钉8与传动板7和永磁体固定筒14垂直布置。

工作原理：当启动电机后，永磁涡流调速器的输入轴1与电机同速转动，输入轴1带动传动板7转动，传动板7通过传动销钉8带动永磁体固定筒14和永磁体固定盘17转动，从动的导体20并未旋转而在永磁体和导体之间产生转差。此时导体20在永磁体产生的磁场中做切割磁感线运动并感应出涡流，在电磁转矩的作用下也随之转动，由于导体固定筒21与输出法兰23相连，输出法兰23带动输出轴转动，从而将动力从主动端传递到从动端；

当负载变大且负载端转速下降时，利用调速装置驱动永磁体转子往电机相反方向移动，筒壁永磁体18与导体20间的配合面积增大，圆盘永磁体19与导体20间的气隙间距减小，导体20上感应出的电涡流增大，磁涡流调速器带负载能力增强，负载端输出转速逐渐提升至稳定状态；

当负载变小且负载端转速上升时，利用调速装置驱动永磁体转子往电机方向移动，筒壁永磁体18与导体20间的配合面积减小，圆盘永磁体19与导体20间的气隙间距增大，导体20上感应出的电涡流减小，磁涡流调速器带负载能力减小，负载端输出转速逐渐下降至稳定状态。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (8)

1.一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，包括永磁涡流调速器，所述永磁涡流调速器包括与电机连接的输入轴（1）、与输出轴连接的输出法兰（23），其特征在于：所述输入轴（1）的外侧固定套装有孔套（4）和轴套（5），所述孔套（4）的外侧安装有输入轴轴承座（3），所述输入轴轴承座（3）的外侧安装有限位滑块（6），所述轴套（5）左侧装有圆柱滚子轴承，通过圆螺母和止动垫圈实现轴向固定，并套装有输入轴轴承端盖（2）进行轴向固定，所述轴套（5）右侧装有深沟球轴承，轴向通过轴承端盖进行固定，所述输入轴（1）的末端装有传动板（7），所述传动板（7）上安装有传动销钉（8），所述输入轴（1）的末端设有轴端压板（9），所述传动板（7）通过轴端压板（9）固定在输入轴（1）上；

所述永磁涡流调速器还包括永磁体固定筒（14）和永磁体固定盘（17），所述永磁体固定筒（14）上布置有筒壁永磁体（18），所述永磁体固定筒（14）靠近电机侧安装有固定法兰（16）用于固定筒壁永磁体（18），所述永磁体固定筒（14）另一侧和永磁体固定盘（17）通过螺栓连接，所述永磁体固定盘（17）的外侧开有环形槽，所述环形槽内布置有圆盘永磁体（19），所述永磁体固定筒（14）上装有销钉滑套（15），所述销钉滑套（15）通过传动销钉（8）与传动板（7）相配合，从而将输入轴的动力传递给永磁体固定筒（14）；

所述永磁涡流调速器还包括调速装置，所述调速装置包括外滑套（11）和内滑套（13），所述内滑套（13）与永磁体固定筒（14）通过螺栓连接，所述外滑套（11）上设置有螺旋滑槽，所述输入轴轴承座（3）上的限位滑块（6）与螺旋滑槽相配合，所述外滑套（11）的外侧安装有可使外滑套（11）转动前进的调节手柄（10）。

2.根据权利要求1所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：相同位置处径向上下两层筒壁永磁体充磁方向完全相同，任一层均包含十二块径向充磁永磁体和十二块切向充磁永磁体，径向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且径向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻径向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反，相同位置处轴向上下两层圆盘永磁体充磁方向相同，任一层均包含轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体，轴向充磁永磁体和切向充磁永磁体交错布置且轴向充磁永磁体宽度是切向充磁永磁体宽度的四倍，相邻切向充磁的两块永磁体充磁方向分别相反，相邻轴向充磁的两块永磁体充磁方向也分别相反。

3.根据权利要求1所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述外滑套（11）靠近电机侧安装有外滑套法兰（12），所述内滑套（13）与永磁体固定筒（14）通过螺栓连接，所述内滑套（13）与输入轴（1）同轴，转动外滑套（11）即可移动永磁体固定筒（14）和永磁体固定盘（17）。

4.根据权利要求1所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述调速装置还包括深沟球轴承，深沟球轴承套装在内滑套（13）上，深沟球轴承的内圈依靠内滑套（13）端面和圆螺母及止动垫圈进行轴向限位，深沟球轴承的外圈依靠两侧轴承端盖做轴向限位。

5.根据权利要求1所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述传动板（7）和永磁体固定筒14之间通过传动销钉（8）连接，所述输入轴（1）带动传动板（7）转动，所述传动板（7）通过传动销钉（8）带动永磁体固定筒（14）转动。

6.根据权利要求5所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述传动销钉（8）有三根，三根所述传动销钉（8）沿周向等间隔布置，传动销钉（8）与传动板（7）和永磁体固定筒（14）垂直布置。

7.根据权利要求1所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述永磁涡流调速器还包括导体固定筒（21），所述导体固定筒（21）的外侧周向等间距分布着二十四块散热片（22），所述散热片（22）为机械式散热器。

8.根据权利要求7所述的一种基于双层两段不等宽Halbach阵列的混合式永磁涡流调速器，其特征在于：所述导体固定筒（21）的内侧通过爆炸焊焊接导体（20），所述导体固定筒（21）的中心处与输出法兰（23）相连接。

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