CN202197205U - 一种可变扭矩和变速的永磁联轴器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，包括输入轴，固定于输入轴上的导体转子组，输出轴，与输出轴前端相连的调速轴段；输出轴、调速轴段和输入轴同轴线安装，且调速轴段和输入轴之间有间隙；导体转子组上设有由散热翅片组成的散热装置；调速轴段顶部外围设有与导体转子组平行对应且同轴线的永磁转子组，永磁转子组位于导体转子组内，且两者之间设有可调节的间隙；永磁转子组内设有若干X形铰；调速轴段上永磁转子组下部通过推力轴承设有调速装置，调速装置与永磁转子组相接触；本实用新型集变扭矩、变速与联轴器于一体、结构简单、紧凑，可实现扭矩和转速可调，利用转子自身旋转提高气流流速，大幅度提高散热效率。

Description

一种可变扭矩和变速的永磁联轴器

技术领域

本实用新型涉及一种永磁可变扭矩变速联轴器，尤其是一种可变扭矩和变速的永磁联轴器。

背景技术

现有的机械传动系统中，电机与负载设备之间大多数采用刚性的机械联接方式，如各种机械联轴器。刚性机械联接使电机与负载设备之间的振动互相传递，放大振动的影响作用，易发生故障；另外，刚性联轴器安装时对中要求高，一般同轴度误差不大于0.05mm，有些高精度传动系统则要求同轴度误差不大于0.02mm，安装难度大；而放大同轴度误差，则会使传动系统振动明显增大。由于实际运行情况复杂多变，无论安装时怎样严格对中，设备运行一段时间后都会产生振动，从而加速磨损，缩短设备寿命。当故障发生时，不易准确诊断故障发生源，尤其当发生堵转故障时，会严重损坏电机、传动机构和负载设备。

目前，已有ZL 00811078.6、ZL98802726.7等多项专利提供的永磁联轴装置，可以解决上述问题。利用永磁涡流耦合原理的导体转子与永磁转子之间没有机械联接，依靠磁力来传递转矩，实现了电机与负载设备之间的“软联接”，使负载和电机之间的振动隔离、互不影响，可大大降低电机与负载轴之间的对中安装精度要求，当设备过载时还可以保护设备，提供“软启动”功能，有效杜绝堵转故障。永磁联轴传动装置具有软联接、软启动、绿色环保、节能、结构简单、适应性强、基本免维护等优点。

目前，永磁联轴传动装置已应用于化工、石油化工、电力等工业领域，如生产水系统、循环水系统、稳高压消防水系统、蒸汽凝液系统、污水处理等系统的泵和风机等设备，有效克服了传统的水泵等通过节流阀门或挡板调节流量，节流损失大、效率低、阀件磨损或变形严重、系统故障率高、电机及负载设备寿命短、维护成本高等问题，可在不影响生产的前提下，大幅度降低生产运行成本和提高设备使用效率。

现有永磁联轴器在传递转矩和功率较小的场合应用较成熟。由于导体与磁转子之间的磁电转换、感应产生涡电流会产生大量热量，不仅使部分能量损耗，传动效率降低，还可能因设备温度过高会带来机械结构配合间隙变化，损坏设备。高温也会引起磁力迅速衰减，直接导致设备失效。相应的功率较大的永磁联轴器结构复杂，体积较大，在有些空间受限的地方就难以应用。

利用永磁涡流原理的联轴器一般由多个部件组成，其核心部件——导体和永磁转子系统一般由多个（2~3）转子组成，各转子布置在不同的轴向位置，且各转子上有多个不同功能的结构元件沿径、环向分布；在不同转差、转速及转子间隙需调节等工况要求下，联轴器成为多场（电、磁、力、热等）耦合、多自由度、十分复杂的动态系统，各转子系统可能属高阶柔性转子，涉及高阶柔性转子动平衡问题，受结构及其不同转速下的动力学特性的影响很大。传递功率越大、转速越高、变速范围越宽，使用环境越苛刻，结构越复杂，对系统的结构设计、动平衡、散热等的要求就越高。以此，虽然利用永磁驱动及调速装置在机理上具有了可实现软启动、减振、节能等突出优越性，但随着其在各工业领域的应用逐渐广泛及要求不断提高，其在不同功率、扭矩、不同转速工况下的动平衡、散热等技术难点对其发展和推广应用的瓶颈限制也越来越凸显。

对于有变速需求的场合，目前应用的变频调速、液力耦合等变速技术存在因变频调速产生的谐波污染电网系统以及对使用环境要求较高等弊端。

对于同时有变扭矩和变速需求的场合，目前除了利用永磁感应原理尚无可靠的技术可用。

目前，水平（卧式）安装的永磁联轴器的设计与应用较多，而适合立式安装、高效散热、兼具联轴器和变速器功能于一体的永磁联轴变速装置的结构方案较少。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可实现可变扭矩变速、软联接、软启动、易于不同转速下的动平衡、散热效率高、结构简单、可靠、节能的可变扭矩和变速的永磁联轴器。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，包括输入轴，固定于所述输入轴上的导体转子组，输出轴，与所述输出轴前端相连的调速轴段；所述输出轴、调速轴段和输入轴同轴线安装，且调速轴段和输入轴之间有间隙；所述导体转子组上设有由散热翅片组成的散热装置；所述调速轴段顶部外围设有与所述导体转子组平行对应且同轴线的永磁转子组，所述永磁转子组位于导体转子组内，且两者之间设有可调节的间隙；所述永磁转子组内设有若干X形铰；所述调速轴段上永磁转子组下部通过推力轴承设有调速装置，所述调速装置与永磁转子组相接触；

所述导体转子组通过联轴器及键与输入轴联接固定，所述导体转子组包括圆筒形笼，圆筒形笼的上下端面上分别固定安装有一环形导体安装盘，所述圆筒形笼和上、下端面上的环形导体安装盘组成一上下开口的筒体，所述筒体内上、下端面上的环形导体安装盘内壁上分别对称设置有铜制导电圆环；所述筒体外部上、下端面上的环形导体安装盘上分别设有散热装置。

所述导体转子组外部设有分别套在输入轴和调速轴段上的外壳，外壳上设有若干散热排气孔。

所述散热装置为若干块沿环形导体安装盘环向均布的空间弧形翅片。

所述永磁转子组包括套在调速轴段上相对布置的上、下磁体安装盘，所述上、下磁体安装盘上分别设有若干与所述导体转子组上的铜制导电圆环相对应、且与铜制导电圆环之间有可调间隙的永磁体块；所述上、下磁体安装盘之间通过X形铰连接，X形铰中部结点通过支撑盘固定连接于调速轴段上；所述X形铰自身采用对称结构，以平衡因设置此铰产生的沿轴向和径向的不平衡力以及铰带动上、下磁体安装盘联动时产生的附加力和弯矩，从而易于实现整个转子系统的动平衡。

所述X形铰绕调速轴段轴线的圆周上轴对称设置二或三组。

所述若干永磁体块中相邻永磁体块的N、S极交替设置。

所述推力轴承设置于调速装置两端。

所述调速装置包括内套筒和外套筒，所述内套筒套在外套筒内，外套筒上设有螺旋沟槽，内套筒上设有位于所述螺旋沟槽内的销，且外套筒的一端与永磁转子组的下部磁体安装盘相接触，内套筒与调节柄相连，调节柄与控制系统相连。

所述调速轴段通过刚性联轴器与输出轴经螺栓联接。

本实用新型包括导体转子组，永磁转子组，推力轴承，调速装置、散热装置。其实现传动和变速的基本原理是，利用联接在电机端的导体转子和联接在负载端的磁转子之间的转差，在导体转子产生感应电流，通过控制电流产生的磁场大小，实现由电机到负载的扭矩和速度的变化。各转子及散热装置采用模块化设计，以形成系列产品。

所述导体转子组通过联轴器和键与输入轴联接固定并一致转动；永磁转子组安装在输出轴的轴端延长线增设的调速轴段上，带动调速轴段旋转把转矩传送到输出轴上；输入轴与输出轴之间有间隙，无固定连接，同轴线安装，但运行时可以不同转速且不同轴旋转。导体转子与永磁转子相互平行，同轴线安装，相邻的导体与永磁体之间有用以自动调节两转子之间传递的扭矩与转速的气体间隙，简称气隙。所述气隙轴向间距的调节，是由安装在导体转子和永磁转子下方的调速装置实现的。

导体转子组由两个相对布置的铜制导电圆环及其安装导电圆环的非导磁材料（如铝）制成的导体安装盘组成。所述导电圆环通过螺栓分别紧固镶嵌在导体安装盘上，两个导电圆环相互平行，同心同轴，其外缘用一圆筒形笼固定连接，呈转鼓形，两导电圆环之间的间距提供了安装永磁转子组的空间。

永磁转子组由两组平行相对的永磁体块、磁体安装盘、支撑盘及连接紧固件等组成。永磁体块镶嵌安装在与导体转子相对的磁体安装盘面上，沿磁体安装盘的圆周环向均布。

调速装置由内套筒及其随其转动的销、具有螺旋沟槽的外套筒、调速轴段、连接两个永磁转子盘的“X”形铰、调节柄和控制系统组成。据变速要求，所述内套筒在调速控制装置的控制操作下，带动销绕调速轴段旋转一定角度，通过外套筒的螺旋沟槽带动外套筒沿调速轴段和输出轴轴向移动，推动永磁体盘同时沿轴向移动，改变导电圆环与永磁体块之间的气隙，同时永磁体盘和支撑盘被感应磁场驱动旋转并通过支撑盘带动调速轴段和输出轴旋转。

“X”形铰通过“X”形的开口角度张开与闭合，连接带动两个永磁转子盘沿轴向同时相向或相背移动，从而使导体与永磁体之间的气隙间距联动调节。“X”形铰可在绕调速轴段的轴线的圆周上轴对称设置二或三组，“X”形铰自身采用对称结构，以平衡因设置此铰产生的沿轴向和径向的不平衡力以及铰带动两永磁转子盘联动时产生的附加力和弯矩，从而易于实现整个转子系统的动平衡。

所述的导体安装盘的无导电圆环的一侧设置有铝制空间弧形翅片组成的散热装置。所述散热装置采用模块化设计，由多块具有空间弧形翅片的散热单元组成，空间弧形翅片在导体安装盘上沿环向均布。其基于的机理是：传热量和传热效率与传热面积(A)和传热系数(K)成正比，而传热系数(K)与流体流速成正比；所述散热装置的设计原则是：在尽可能保证较大的翅片散热面积的前提下，利用空间弧形翅片在不同转速下带（扰）动气流，形成以一定速度分布的切向流、径向流和局部涡流组成的利于强化传热的流场，提高气流流速以提高传热系数(K)，被加速带动的气流通过在导体转子外壳外缘筒壁上的排气孔排出，强化永磁耦合联轴传动和变速过程中产生的热量传递与耗散，提高传热效率，因此可提高装置的高温使用极限。在功率较高的场合，除了可开设较大截面的散热排气孔（通道）外，亦可采用强制通风、水冷等强化高效换热技术。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型集变扭矩、变速与联轴器于一体、结构简单、紧凑，可实现扭矩和转速可调，输入轴与输出轴的“软联接”、“软启动”、对电机与负载轴的加工及安装精度要求低、所有旋转系统尤其分布在转子上的调速联动“X”形铰等结构采用轴对称布置，易于实现整个转子系统的动平衡，可适合应用高转速及变速范围宽的场合，空间弧形翅片的散热装置，不仅扩展了散热面积，还利用转子自身的旋转提高气流流速，可大幅度提高散热效率，可延长电机与负载设备服役寿命，并具有耗能低、无环境污染、性价比高等特点。可广泛用于化工、石油化工、橡胶、能源、电力、冶金、采矿、水处理等多工业领域的旋转机械的联轴、变扭矩和变速，具有十分广阔的推广应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的主体结构剖视图；

图2（a）、图2（b）为本实用新型的永磁体块及其沿圆周环向不同布置方式的示意图； 

图3、4分别为本实用新型的气隙间距最大和最小的工作状态示意图；

图5为本实用新型的散热装置的散热翅片及其沿环向布置方式的示意图；

图6为本实用新型的外壳上与散热翅片配套的散热排气孔示意图；

其中，1.输出轴，2刚性.联轴器，3.螺栓，4.内套筒，5.外套筒，6.螺旋沟槽，7. X形铰，8.支撑盘，9.输入轴，10.联轴器，11.键，12. 空间弧形翅片，13. 导体安装盘，14. 导电圆环，15.永磁体块，16. 圆筒形笼，17. 磁体安装盘，19. 轴承，23.销，25. 调节柄，26. 调速轴段，27. 外壳，28.排气孔，40.导体转子组，50.永磁转子组，60.推力轴承，70.调速装置，80.散热装置，29，气隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1-6所示。一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，包括输入轴9，固定于所述输入轴9上的导体转子组40，输出轴1，与所述输出轴1前端相连的调速轴段26；所述输出轴1、调速轴段26和输入轴9同轴线安装，且调速轴段26和输入轴9之间有间隙；所述导体转子组40上设有由散热翅片组成的散热装置80；所述调速轴段26顶部外围设有与所述导体转子组40平行对应且同轴线的永磁转子组50，所述永磁转子组50位于导体转子40组内，且两者之间设有可调整的间隙；所述永磁转子组50内设有若干X形铰7；所述调速轴段26上永磁转子组50下部通过推力轴承60设有调速装置70，所述调速装置70与永磁转子组50相接触。

所述导体转子组40通过联轴器10、键11与输入轴9联接固定，所述导体转子组40包括圆筒形笼16，圆筒形笼16的上下端面上分别固定安装有一环形导体安装盘13，所述圆筒形笼16和上、下端面上的环形导体安装盘13组成一上下开口的筒体，所述筒体内上、下端面上的环形导体安装盘13内壁上分别对称设置有铜制导电圆环14；所述筒体外部上、下端面上的环形导体安装盘13上分别设有散热装置80。

所述导体转子组40外部设有分别套在输入轴9和调速轴段26上的外壳27，外壳27上设有若干散热排气孔28。所述散热装置80为若干块沿环形导体安装盘13环向均布的空间弧形翅片12。

如附图1和3所示，所述的永磁转子组50由永磁体块15、磁体安装盘17、支撑盘8及连接紧固件等组成。相对布置的上、下磁体安装盘17套在调速轴段26上，所述上、下磁体安装盘17沿圆周环向均布有若干与所述导体转子组40上的铜制导电圆环14相对应、且与铜制导电圆环14之间有可调间隙的永磁体块15；所述上、下磁体安装盘17之间通过X形铰7连接，X形铰7中部结点通过支撑盘8固定连接于调速轴段26上。

永磁体块15数可据磁体材料和不同传输扭矩等计算或试验确定（一般为4、6、12、18等偶数块，易沿圆周环向均布划分定位即可），相邻永磁体的N、S极交替设置。

所述X形铰7绕调速轴段26轴线的圆周上轴对称设置二或三组。

所述若干永磁体块15中相邻永磁体块的N、S极交替设置。

所述推力轴承60设置于调速装置70两端。

所述调速装置70包括内套筒4和外套筒5，所述内套筒4套在外套筒5内，外套筒5上设有螺旋沟槽6，内套筒4上设有位于所述螺旋沟槽6内的销23，且外套筒5的一端与永磁转子组50的下部磁体安装盘17相接触，内套筒4与调节柄25相连，调节柄25与控制系统相连。

当电机启动和运行中，输入轴9带动由两个铜制导电圆环14及其导体安装盘13组成的导体转子组40以相同转速旋转，导体转子组40和连接负载端的永磁转子组50之间的转差，产生涡电流和磁场带动永磁转子组50及输出轴1旋转。

电机启动时，通过调速装置70调节控制导电圆环14分别与相邻的永磁体块15之间的气隙间距，使其从最大间距逐渐减小到最小间距，气隙的变化，使得负载轴在电机输入转速不变的情况下，输出转矩和转速逐渐增大，实现“软启动”。

有变速要求时，通过所述的调速装置70的控制系统操作调节柄25使内套筒4及其随其转动的销23绕调速轴段26旋转一定角度，通过外套筒5的螺旋沟槽带动外套筒5沿输出轴1轴向移动，推动永磁体盘17沿轴向移动，改变导电圆环14与永磁体块15之间的气隙，同时永磁转子组50通过调速轴段26带动输出轴1旋转。同时“X”形铰7通过“X”形开口角度张开与闭合，带动两个永磁转子盘17沿轴向同时相向或相背移动，从而使导体与永磁体之间的气隙29间距联动调节。图4和5分别为调速装置将气隙29调节为最大和最小状态的局部结构示意图。

并且在实现两个永磁转子调速联动过程中，无论在调速装置70的调节下气隙间距多大，采用对称结构的“X”形铰7都可平衡沿轴向和径向的不平衡力以及联动产生的附加力和弯矩，从而保证转子系统的动平衡。

图1和5所示由多块沿导体安装盘13圆周环向均布的空间弧形翅片12组成的散热装置80，空间弧形翅片12一方面扩展了转子的散热面积，另一方面随着导体转子组40旋转时带（扰）动气流，加速了空气流动，形成了有利于强化传热的流场，被加速带动的气流通过在装置外壳27外缘筒壁上的散热排气孔28（附图6）排出，带走热量，强化了传热过程，提高传热效率。

所述推力轴承组60由两组轴承19组成，分别设置在调速轴段26的上、下端，为输出轴1提供轴径向支承。调速轴段26通过刚性联轴器2与输出轴1经螺栓3联接。

Claims (10)

1.一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，包括输入轴，固定于所述输入轴上的导体转子组，输出轴，与所述输出轴前端相连的调速轴段；其特征是，所述输出轴、调速轴段和输入轴同轴线安装，且调速轴段和输入轴之间有间隙；所述导体转子组上设有由散热翅片组成的散热装置；所述调速轴段顶部外围设有与所述导体转子组平行对应且同轴线的永磁转子组，所述永磁转子组位于导体转子组内，且两者之间设有可调节的间隙；所述永磁转子组内设有若干X形铰；所述调速轴段上永磁转子组下部通过推力轴承设有调速装置，所述调速装置与永磁转子组相接触。

2.如权利要求1所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述导体转子组通过联轴器及键与输入轴联接固定，所述导体转子组包括圆筒形笼，圆筒形笼的上下端面上分别固定安装有一环形导体安装盘，所述圆筒形笼和上、下端面上的环形导体安装盘组成一上下开口的筒体，所述筒体内上、下端面上的环形导体安装盘内壁上分别对称设置有铜制导电圆环；所述筒体外部上、下端面上的环形导体安装盘上分别设有散热装置。

3.如权利要求2所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述导体转子组外部设有分别套在输入轴和调速轴段上的外壳，外壳上设有若干散热排气孔。

4.如权利要求2所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述散热装置为若干块沿环形导体安装盘环向均布的空间弧形翅片。

5.如权利要求1所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述永磁转子组包括套在调速轴段上相对布置的上、下磁体安装盘，所述上、下磁体安装盘上分别设有若干与所述导体转子组上的铜制导电圆环相对应、且与铜制导电圆环之间有可调间隙的永磁体块；所述上、下磁体安装盘之间通过X形铰连接，X形铰中部结点通过支撑盘固定连接于调速轴段上。

6.如权利要求5所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述X形铰绕调速轴段轴线的圆周上轴对称设置二或三组。

7.如权利要求5所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述若干永磁体块中相邻永磁体块的N、S极交替设置。

8.如权利要求1所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述推力轴承设置于调速装置两端。

9.如权利要求1所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述调速装置包括内套筒和外套筒，所述内套筒套在外套筒内，外套筒上设有螺旋沟槽，内套筒上设有位于所述螺旋沟槽内的销，且外套筒的一端与永磁转子组的下部磁体安装盘相接触，内套筒与调节柄相连，调节柄与控制系统相连。

10.如权利要求1所述的一种可变扭矩和变速的永磁联轴器，其特征是，所述调速轴段通过刚性联轴器与输出轴经螺栓联接。

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