CN202197206U

CN202197206U - 新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器

Info

Publication number: CN202197206U
Application number: CN2011203391085U
Authority: CN
Inventors: 余虹锦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-11
Filing date: 2011-09-11
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-09-11

Abstract

新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，是一种可隔离起动冲击负荷、并可随负载自动调节转速的传动轴永磁耦合连接调速装置，可广泛应用于电机拖动和动力传动领域。其特征是：永磁耦合调速器由带鼠笼导体7的锥形内转子和带2p个外转子永磁体5的锥形外转子组成,并与前端盖2、后端盖10、前轴承3、后轴承11、法兰连接盘1等结构零件装配成整体结构；锥形内转子与锥形外转子之间有斜向气隙存在并通过气隙间的斜向磁场而耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；锥形外转子与锥形内转子同方向异步运转，通过内外转子的磁场耦合缓冲满载起动的冲击，并通过轴向磁拉力F2自动调节锥形内转子的滑动行程和气隙大小来调节输出转速。

Description

新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器

技术领域

本发明是一种新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，是一种可隔离起动冲击负荷、并可随负载自动调节转速的传动轴永磁耦合连接调速装置，该永磁耦合调速器结构简单、高效节能，可广泛应用于电机拖动和动力传动领域。

背景技术

目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机(包括380V/660V低压电动机和3KV/6KV中压电动机)，常规的电机拖动连接基本都是采用法兰盘直轴连结，虽然具有结构简单、传动效率较高的特点，但由于绝大多数的连接场合都属于带负载连接且直轴的刚性连接没有缓冲，从而导致相当多的异步电动机及其拖动系统处于非经济的运行状态，白白地浪费掉大量的电能。究其原因，大致是由以下几种情况造成的：

① 由于大部分电动机采用带满负荷直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，8～10倍的起动电流造成巨大的能量损耗。

② 为满足满载大力矩起动的要求，在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低。

③ 从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。

由以上原因分析可知，导致工业领域大量使用的交流异步电动机非经济运行的最根本原因还在于结构过于简单的法兰盘刚性直轴连结方式无法缓冲满负载起动的冲击，且交流异步电机的定速定压拖动方式使得其调速性能差，从而导致巨大的能量消耗所致。虽然电机拖动领域也采取了降压起动、电子软起动等措施，但都是从电机输入端采取措施来限制电机起动的冲击负荷。

近年来，随着节能降耗技术日新月异般的发展。在交流异步电动机拖动领域，开始出现从电机输出端来隔离起动时的冲击负荷并实现无级调速的新技术——即永磁耦合驱动及调速技术。最早公知的永磁耦合驱动及调速技术参见美国专利No.5477094，是一种盘形轴向磁场的、气隙可调的永磁耦合调速器，该永磁耦合调速器由盘形的实心导体铜盘作为主驱动盘和安装有稀土磁钢的从动盘所组成，其工作原理是靠实心铜盘旋转时感应涡流并通过涡流来驱动永磁从动盘跟随旋转做功，通过调节两轮盘的间隙大小改变气隙长度来调整两轮盘的转差率而实现无级调速；此种结构有其致命缺陷：第一，实心铜盘实际上阻隔了稀土磁钢的磁路，导致磁路磁阻很大，大量的稀土磁钢提供的磁势消耗在导磁率很低的气隙和磁路一部分的铜盘上，导致气隙磁通密度反而很低，稀土材料的高磁能积优势没有充分得到利用；第二，实心铜盘导致感应的涡流无固定的流向而内部电流紊乱，而且由于没有导磁强的材料形成特定路径的磁路使得涡流产生的磁场强度也不高。以上磁路结构和电路结构的缺陷，导致该永磁耦合调速器所传递的力矩和功率受到极大限制，且使得该永磁耦合调速器的发热现象很严重。

近期，国内也于2011年3月公知了几种针对上述美国专利技术缺陷的改进型专利结构，参见中国专利ZL200910162313.6、ZL200910148102.7和ZL200910148103.1，这几种专利结构比较系统、彻底而全面地解决了美国专利的不足，是解决高电压、大功率重型交流异步电动机起动和恒功率调速的比较理想的技术方案。但在面对工业领域大量使用的中小型低压交流异步电动机，以上侧重于无级调速的专利结构的永磁耦合调速器又显得结构过于复杂，在应用上受到很大的限制，而在国民经济领域大量的电能却又恰恰消耗在这众多的中小型低压交流异步电动机拖动系统中，其造成的能源损失宏观上远远大于高电压的、重型交流异步电动机拖动系统；因此，针对中小型低压电动机拖动系统(10kW～300kW)而言，解决起动冲击隔离、并兼具简单调速功能的实用永磁耦合结构应该成为重点，一种结构简单、安装便捷且可采用现有电机工业领域成熟工艺技术而快速系列化、标准化推广应用的新型感应式异步永磁耦合器是当前电动机节能降耗的当务之急。

发明内容

针对现有交流电机拖动在动力耦合连接上存在着过于简单的法兰盘刚性直轴连结方式无法缓冲满负载起动冲击的问题，以及公知的美国专利No.5477094所表述的永磁耦合调速器的致命缺陷，本技术发明突破单纯的轴向磁场结构的永磁耦合技术限制，提供了一种可隔离冲击负荷并具有一定随负载自动调速功能的、高效节能、结构简单、安装便捷的传动轴永磁耦合调速装置新结构，可系列化地广泛应用于中小型电机拖动和动力传动领域。本发明的基本构思是：利用公知的交流异步电机锥形鼠笼转子结构与转枢式永磁直流电机的永磁定子结构进行有效的组合，将带永磁体的直流电机定子作为外转子主动轮由拖动电机带动旋转，把异步电机锥形鼠笼转子作为内转子从动轮，外转子旋转时随动的永磁体斜向磁场将在锥形内转子鼠笼导条中感应交变电流I ₂，该电流又同时受到斜向气隙磁场的作用从而带动锥形内转子同方向异步运转，并与外转子始终存在一定的转速差，这样通过内外转子的磁场耦合而达到缓冲或隔离电动机满负载起动冲击负荷的效果，并通过锥形内转子鼠笼导体受到的轴向磁拉力F ₂自动调节锥形内转子的滑动行程和气隙大小来调节输出转速。

新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，其特征是：新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器由带鼠笼导体的锥形内转子和带2p个外转子永磁体的锥形外转子组成,并与前端盖、后端盖、前轴承、后轴承、法兰连接盘等结构零件装配集成为一体化整体结构；内转子与外转子之间有斜向气隙存在并通过气隙间的斜向磁场而耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；锥形内转子通过内转子滑动轴套、内转子前限位轴套、调节弹簧所构成的轴向滑动结构实现一定行程范围 L 的自动调节；锥形外转子与锥形内转子同方向异步运转，其锥形外转子转速即是法兰连接盘的驱动转速n ₁，锥形内转子输出转速即是输出轴的转速n ₂，n ₁和n ₂之间存在转差率s，s为0～0.01之间的小数，三者之间的关系为：s = 1 - (n ₂÷n ₁)。

采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

与交流异步电机传统的机械式连轴器相比, 本发明涉及的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器具有如下明显的优势：

① 高效节能：由于磁场耦合而无机械接触，安装该感应式异步永磁耦合器的电机拖动系统即便是在电机全电压起动下，其起动电流也仅仅是电机的空载起动电流，比传统的安装机械式连轴器的电机拖动系统减少起动电流至少在50%以上，大面积推广可极大地节约异步电机起动时的能量损失。

② 节省拖动系统成本：由于减少了满载起动电流的冲击，可使拖动系统选型时，降低拖动电机的容量等级，不仅减少初次投资成本，而且也因为该永磁耦合调速器具备了一定范围的调速能力，可以极大改善电机的长期运行工况，使其长期运行在高效率区间，从而也极大地降低了电机的运行成本。

③ 震动小、噪声低、减缓负载冲击：也是由于磁场耦合而无机械接触，可有减小负载传递的震动和噪音，同时对负载突然波动变化而带来的冲击也可以有效缓冲。

④ 可靠性高、寿命长：由于无机械接触，无需防尘防水等，使用维护也极其简便。

⑤ 结构简单、安装便捷、免维护：该感应式异步永磁耦合器结构简单、安装便捷，基本免维护，适用于野外环境差和需要防爆的许多场合。

⑥ 由于都是利用现有电机工业领域成熟工艺技术，无关键的技术瓶颈制约，根据现有Y系列、Y2系列、YRZ系列和YREZ系列异步电机系列化、标准化设计后，可快速系列化推广应用和产业化生产。

附图说明

图1是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的轴向平面拓扑图。

图2是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的轴向立体结构复合剖面图。

图3是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的锥形内转子轴向立体结构复合剖面图。

图4是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的外转子立体结构图。

以上图中：项1为法兰连接盘，项2为前端盖，项3为前轴承，项4为外转子机壳，项5为外转子永磁体，项6为散热筋，项7为鼠笼导体，项8为鼠笼端部导电环，项9为内转子风扇叶片，项10为后端盖，项11为后轴承，项12为输出轴，项13为滑动滚珠，项14为档板，项15为铁芯平键，项16为内转子铁芯，项17为内转子滑动轴套，项18为内转子前限位轴套，项19为调节弹簧，项20为内六角螺钉。

另外，图中字母符号标识：N表示极性N的永磁体，S表示极性S的永磁体， n ₁表示法兰连接盘1的驱动转速，n ₂表示输出轴12的转速，2p表示外转子永磁体5的极数， I ₂表示流过鼠笼导体7的感应电流， F ₂表示流过电流的鼠笼导体7受到的轴向磁拉力， L 表示内转子滑动行程， δ ₀表示内转子滑动行程 L =0时所对应的最小气隙长度， δ _m表示内转子滑动行程 L 为最大时所对应的最大气隙长度。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明涉及的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的内部结构关系特征做进一步的说明，其中，图1是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的轴向平面拓扑图，图2是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的轴向立体结构复合剖面图。从图可知：

（一）本实施案例的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的特征是：由带鼠笼导体7的锥形内转子和带2p个外转子永磁体5的锥形外转子组成,并与前端盖2、后端盖10、前轴承3、后轴承11、法兰连接盘1等结构零件装配集成为一体化整体结构；内转子与外转子之间有斜向气隙存在并通过气隙间的斜向磁场而耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；锥形内转子通过内转子滑动轴套17、内转子前限位轴套18、调节弹簧19所构成的轴向滑动结构实现一定行程范围 L 的自动调节；锥形外转子与锥形内转子同方向异步运转，其锥形外转子转速即是法兰连接盘1的驱动转速n ₁，锥形内转子输出转速即是输出轴12的转速n ₂，n ₁和n ₂之间存在转差率s，s为0～0.01之间的小数，三者之间的关系为：s = 1 - (n ₂÷n ₁)。

（二）图3是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的锥形内转子轴向立体结构复合剖面图。从图中可知，内转子铁芯16外圆呈圆锥形状，外圆四周均匀开设有鼠笼槽，鼠笼槽的形状和槽数遵循现有技术的感应式异步电机鼠笼转子的设计规则，槽内装设有导电的铜或铝质材料制成的鼠笼导体7，并在铁芯轴向两端由鼠笼端部导电环8经焊接方式或整体压铸的方式短接为锥形鼠笼绕组，两端的鼠笼端部导电环8上铸造有起刮风散热作用的内转子风扇叶片9；内转子铁芯16由硅钢薄板经冲压成冲片形，并经叠压后内孔与内转子滑动轴套17、铁芯平键15紧配合为一整体；内转子滑动轴套17内孔与输出轴12为高定位精度的间隙配合，其间周向均布的多条圆形沟槽中装有可使锥形内转子轴向滑移的滑动滚珠13，内转子滑动轴套17前端装有内转子前限位轴套18，该限位轴套外套装有调节弹簧19,调节弹簧一端顶在前轴承3的内圈、另一端顶在限位轴套法兰圆盘上，前轴承3与输出轴12为小过盈的紧配合连接，装配时保证调节弹簧19有一定的预紧力；内转子滑动轴套17后端装有防止滑动滚珠13脱落的档板14，输出轴12后端轴肩位置还装有后轴承11，后轴承内圈端面即为最大行程L和最大气隙δ _m的限位端面，正常空载情况下锥形的内转子在调节弹簧19的预紧力作用下处于该极限位置，满负载情况下锥形的内转子在与鼠笼导体7流过的电流I ₂成正比的轴向磁拉力F ₂作用下处于内外转子铁芯轴向中心线重合位置，前限位轴套18正好顶在前轴承3的内圈端面，即行程L=0和最小气隙δ ₀的限位端面。

（三）图4是新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器的外转子立体结构图。从图可知，外转子机壳4的内圆上装配2p个外转子永磁体5，外转子永磁体5采用稀土永磁材料制成，且按N极、S极间隔排列的方式分布；外转子机壳4用导磁的钢材加工而成，其内圆呈内圆锥形状，两端与前端盖2、后端盖10通过端盖止口定位连接且紧固；前端盖2端面止口上装有法兰连接盘1且由内六角螺钉20固定，法兰连接盘1的内孔与驱动电机轴伸连接；前端盖2、后端盖10分别通过前轴承3、后轴承11与输出轴12连接。

（四）新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器采用自然风冷的开启式结构，在前端盖2、后端盖10上均开设有扇形的散热通风孔，内转子铁芯16上也开设有散热通风的圆形孔，外转子机壳4的外圆周开设有增加散热面积的散热筋6。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构变形和改进(如将本发明展示的“外磁内鼠笼”结构变形为“内磁外鼠笼”结构、或适当改变与电机和负载的连接结构等)，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims

1.新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，其特征是：新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器由带鼠笼导体(7)的锥形内转子和带2p个外转子永磁体(5)的锥形外转子组成,并与前端盖(2)、后端盖(10)、前轴承(3)、后轴承(11)、法兰连接盘(1)等结构零件装配集成为一体化整体结构；内转子与外转子之间有斜向气隙存在并通过气隙间的斜向磁场而耦合，彼此间无机械接触和摩擦且成同轴线分布；锥形内转子通过内转子滑动轴套(17)、内转子前限位轴套(18)、调节弹簧(19)所构成的轴向滑动结构实现一定行程范围 L 的自动调节；锥形外转子与锥形内转子同方向异步运转，其锥形外转子转速即是法兰连接盘(1)的驱动转速n ₁，锥形内转子输出转速即是输出轴(12)的转速n ₂，n ₁和n ₂之间存在转差率s，s为0～0.01之间的小数，三者之间的关系为：s = 1 - (n ₂÷n ₁)。

2.根据权利要求1所述的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，其特征是：内转子铁芯(16)外圆呈圆锥形状，外圆四周均匀开设有鼠笼槽，鼠笼槽的形状和槽数遵循现有技术的感应式异步电机鼠笼转子的设计规则，槽内装设有导电的铜或铝质材料制成的鼠笼导体(7)，并在铁芯轴向两端由鼠笼端部导电环(8)经焊接方式或整体压铸的方式短接为锥形鼠笼绕组，两端的鼠笼端部导电环(8)上铸造有起刮风散热作用的内转子风扇叶片(9)；内转子铁芯(16)由硅钢薄板经冲压成冲片形，并经叠压后内孔与内转子滑动轴套(17)、铁芯平键(15)紧配合为一整体；内转子滑动轴套(17)内孔与输出轴(12)为高定位精度的间隙配合，其间周向均布的多条圆形沟槽中装有可使锥形内转子轴向滑移的滑动滚珠(13)，内转子滑动轴套(17)前端装有内转子前限位轴套(18)，该限位轴套外套装有调节弹簧(19),调节弹簧一端顶在前轴承(3)的内圈、另一端顶在限位轴套法兰圆盘上，前轴承(3)与输出轴(12)为小过盈的紧配合连接，装配时保证调节弹簧(19)有一定的预紧力；内转子滑动轴套(17)后端装有防止滑动滚珠(13)脱落的档板(14)，输出轴(12)后端轴肩位置还装有后轴承(11)，后轴承内圈端面即为最大行程L和最大气隙δ _m的限位端面，正常空载情况下锥形的内转子在调节弹簧(19)的预紧力作用下处于该极限位置，满负载情况下锥形的内转子在与鼠笼导体(7)流过的电流I ₂成正比的轴向磁拉力F ₂作用下处于内外转子铁芯轴向中心线重合位置，前限位轴套(18)正好顶在前轴承(3)的内圈端面，即行程L=0和最小气隙δ ₀的限位端面。

3.根据权利要求1所述的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，其特征是：外转子机壳(4)的内圆上装配2p个外转子永磁体(5)，外转子永磁体(5)采用稀土永磁材料制成，且按N极、S极间隔排列的方式分布；外转子机壳(4)用导磁的钢材加工而成，其内圆呈内圆锥形状，两端与前端盖(2)、后端盖(10)通过端盖止口定位连接且紧固；前端盖(2)端面止口上装有法兰连接盘(1)且由内六角螺钉(20)固定，法兰连接盘(1)的内孔与驱动电机轴伸连接；前端盖(2)、后端盖(10)分别通过前轴承(3)、后轴承(11)与输出轴(12)连接。

4.根据权利要求1所述的新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器，其特征是：新型斜向磁场的锥形内转子异步永磁耦合调速器采用自然风冷的开启式结构，在前端盖(2)、后端盖(10)上均开设有扇形的散热通风孔，内转子铁芯(16)上也开设有散热通风的圆形孔，外转子机壳(4)的外圆周开设有增加散热面积的散热筋(6)。