CN206195584U - 一种电磁耦合调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电磁耦合调速装置，包括同轴设置且相互独立的第一轴和第二轴，第一轴上设置励磁转子，第二轴上设置绕组转子，励磁转子与绕组转子相对设置且有第一气隙；还包括用于向励磁转子提供励磁电流的励磁单元，以及用于对绕组转子的电流/电压进行调节的控制器。通过励磁单元给励磁转子提供励磁电流，励磁转子通过励磁电流产生磁场，与励磁转子相对设置且有第一气隙的绕组转子切割励磁转子产生的磁场产生感应电流，进而产生感应磁场，磁场与感应磁场相互作用传递转矩，控制器通过控制绕组转子的电流来控制传递转矩的大小以适应转速要求，实现0‑99％额定转速调速，并通过控制器对绕组转子电流的控制将第一轴和第二轴之间的转差功率回馈给电网，实现节能；此外，本实用新型提供的调速装置，无需专门的机械式操作机构，结构简单。

Description

一种电磁耦合调速装置

技术领域

本实用新型涉及电磁耦合传动技术领域，具体涉及一种电磁耦合调速装置。

背景技术

永磁耦合调速作为一个无联结的新兴调速技术，是通过导体和永磁体之间的气隙实现由驱动轴到负载轴的转矩传输的装置，其工作原理是，当驱动轴和负载轴存在速度差时，导体受到永磁体的影响产生感应电流进而产生磁场，二者的磁场相互耦合则传递了转矩。永磁磁力耦合器广泛应用于对风机、水泵类旋转负载进行调速。目前市场上的涡流式永磁耦合器其导体为铜盘或铜环，为了调节扭矩，往往还需要一套执行结构来调节导体与永磁体的距离。这种产品从本质上存在以下缺点：

1)不能提供大转矩起动

涡流式永磁耦合器的两个转子分别是磁钢和铜盘。起动时两个转子转差很大，如果磁钢和铜盘靠近了，电流非常大，电枢反应将对磁场去磁，从而得不到大的转矩。如果离开较远，则磁场大大减弱，也得不到大的转矩。所以，涡流式永磁耦合器只能适合于风机、泵类负载。

2)不能大范围调速

涡流式永磁耦合器在调速过程中的转差功率全部转换为铜盘转子中的发热。而在大范围调速时，转差很大，这意味着转差功率很大，铜盘发热很严重。因此，涡流式永磁耦合器不适合于大范围的调速运行，只适合于转动惯量不大、调速范围不大、短时运行的场合。

3)需要机械式的操作机构

涡流式永磁耦合器在起动过程中,需要一套机械式的操作机构来调节磁钢转子与铜盘转子的间距，达到调节转矩的目的。这种操作机构不仅使得系统臃肿，也降低了可靠性,增加了维护工作量。

为了解决涡流式永磁耦合器不能提供大转矩启动、不能大范围调速以及需要设置专门机械式操作机构的缺陷，现有技术已经提供了一种解决方式，中国专利文献CN104767357A公开了一种绕组式永磁耦合传动装置，如图1所示，该绕组式永磁耦合传动装置包括本体和控制器。本体上有两个轴，分别装有永磁磁铁和线圈绕组。驱动电机与绕组永磁调速装置连在一起带动其永磁转子旋转产生旋转磁场，绕组切割旋转磁场磁力线产生感应电流，进而产生感应磁场，该感应磁场与旋转磁场相互作用传递转矩，通过控制绕组转子的电流大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求，实现调速功能。控制器有三个作用，一是接通或者关断绕组，使绕组永磁调速装置具有离合功能。二是在接通绕组的时候通过控制绕组转子的电流大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求，实现调速功能。三是将转差功率回馈给电网，实现节能。

然而，上述绕组式永磁耦合传动装置在实际使用中存在缺陷：绕组式永磁耦合传动装置的转差功率将通过控制器回馈到电网，实现节能。对于风机、水泵负载，绕组式永磁耦合传动装置的最大转差功率为其额定功率的14.815％，那么也就是说，控制器的容量只需要绕组式永磁耦合传动装置额定功率的14.815％就可以满足使用要求，但实际并非如此。绕组式永磁耦合传动装置的电压方程：

E＝4.44kfNφ （7）

式(7)中，φ为磁通，为定值，由永磁体材料和永磁体大小决定；f为转差频率，f＝(n₁-n₂)p/60，p为极对数。

由式(7)可以看出，绕组式永磁耦合传动装置的转差越大绕组电压越高。对于风机、水泵负载，功率与转速的三次方成正比，转矩与转速的平方成正比。输出转速n₂越高，转差越小，传递功率大，绕组电流越大；反之，输出转速n₂越低，转差越大，传递功率小，绕组电流越小，但绕组电压越高。所以，绕组式永磁耦合传动装置的控制器的功率器件在选用时既要考虑转差大时的高电压，又要考虑转差小的大电流，功率器件的功率等级高，使得控制器的体积大，成本高。

绕组式永磁耦合传动装置，包括永磁转子和绕组转子，绕组转子包括铁心和绕组，驱动电机与永磁调速装置连在一起带动其永磁转子旋转产生旋转磁场，绕组切割旋转磁场磁力线产生感应电流，进而产生感应磁场，该感应磁场与旋转磁场相互作用传递转矩，主磁场在铁心内变化时，会在铁心内产生基本铁耗，钢的基本铁耗一般表达式为：

式(8)中，K为经验系数，G_Fe为钢的重量，p_10/50为当B＝1T、f＝50Hz时，钢单位重量内的损耗，其值可按硅钢片型号查取；f为转差频率，f＝(n₁-n₂)p/60，p为极对数。

对于绕组式永磁耦合传动装置，磁密B由永磁体(2c)提供，为定值。由式(8)可以看出，当绕组式永磁耦合传动装置输出转速n₂越低，转差越大，转差频率f越高，铁耗越大。尤其在永磁体(2c)极对数p越多的情况下，转差频率f越高，铁耗发热越严重；并且由于电枢开槽，产生齿谐波磁场，在永磁体(2c)表面引起涡流损耗，磁钢涡流损耗与转差频率的1.5次方成正比，所以，频率越高磁钢涡流损耗越大，磁钢发热越严重，而磁钢发热一但超过磁钢耐热最高温度，必将引起磁钢退磁。因此，绕组式永磁耦合传动装置不能有较多的极数，且输出转速越低，铁耗和磁钢涡流损耗越大。

实用新型内容

因此，本实用新型旨在提供一种电磁耦合调速装置，以解决现有技术的涡流式永磁耦合器不能提供大转矩启动、不能大范围调速以及需要专门机械式操作机构的问题。

进一步地，本实用新型提供一种电磁耦合调速装置，以解决现有技术的绕组式永磁耦合传动装置的控制器功率器件功率等级高、控制器体积大、成本高以及在输出低转速时，铁耗大、发热大、效率低的问题。

本实用新型采用技术方案如下：

一种电磁耦合调速装置，包括机壳，安装于所述机壳、同轴设置且相互独立的第一轴和第二轴，所述第一轴上设置励磁转子，所述第二轴上设置绕组转子，所述励磁转子与所述绕组转子设置有第一气隙；还包括与所述励磁转子的励磁线圈连接以向所述励磁线圈提供励磁电流的励磁单元，以及用于对所述绕组转子的电流/电压进行调节的控制器。

所述绕组转子包括第一铁心和与所述控制器连接的主绕组，所述主绕组设置在所述第一铁心上。

所述主绕组与所述控制器通过第一集电环组件连接。

所述主绕组为单相、三相或者多相绕组。

所述绕组转子的主绕组的电动势E为：

E＝0.074kpN₁(n₁-n₂)(φ₀+N₂Λ_mI₂)

式中，φ₀为永磁磁通，p为极对数，N1为主绕组1b每相串联匝数，N2为励磁线圈匝数，I2为励磁电流，Λ_m为磁导，k为绕组系数。

所述励磁转子的第二铁心为整体式结构或分体式结构，所述励磁线圈安装在所述第二铁心上，连接方式为极间串联或者极间并联。

所述励磁单元包括设置在第一轴上的次转子和设置在机壳上的次定子，所述次转子与所述次定子相对设置有第二气隙，所述次定子接受所述控制器或外部装置提供的启动电流；所述励磁单元还包括连接于所述次转子与所述励磁转子之间的整流器；或者，所述励磁单元包括通过第二集电环组件连接所述励磁转子并为所述励磁转子提供所述励磁电流的控制电路。

所述次转子包括第三铁心和设置在第三铁心上的次绕组，所述次绕组与所述整流器连接。

所述次定子包括第四铁心和设置在所述第四铁心上的次线圈，所述次线圈与所述控制器连接。

所述第四铁心为整体式结构或分体式结构，所述次线圈设置在所述第四铁心上，连接方式为极间串联或者极间并联。

所述励磁转子上设置永磁体，所述永磁体与所述绕组转子相对设置且有所述第一气隙。

所述永磁体N、S极在圆周上交替排列。

所述励磁转子位于所述绕组转子的径向外侧；或者，所述励磁转子位于所述绕组转子的径向内侧；或者所述励磁转子和所述绕组转子为盘式结构。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的电磁耦合调速装置，通过励磁单元给励磁转子提供励磁电流，励磁转子通过励磁电流产生磁场，与励磁转子相对设置且有第一气隙的绕组转子切割励磁转子产生的磁场产生感应电流，进而产生感应磁场，磁场与感应磁场相互作用传递转矩，控制器通过控制绕组转子的电流来控制传递转矩的大小以适应转速要求，实现0-99％额定转速调速，并通过控制器对绕组转子电流/电压的控制将输入轴和输出轴之间的转差功率回馈给电网，实现节能；此外，本实用新型提供的调速装置，无需专门的机械式操作机构，结构简单。

2.本实用新型提供的电磁耦合调速装置，其绕组转子包括第一铁心和设置在第一铁心上并与控制器连接的主绕组，主绕组的电动势E(空载电压)为：

E＝4.44kfN₁φ

式中，N1为主绕组(1b)每相串联匝数，k为绕组系数，f为转差频率，

p为极对数，n1为输入转速，n2为输出转速，φ为磁通，

φ_L＝N₂Λ_mI₂

φ₀为永磁磁通，为定值，由永磁体材料和永磁体大小决定，φ_L为电励磁磁通，N₂为励磁线圈匝数，I₂为励磁电流，Λ_m为磁导。

电动势E可以进一步表示为：

E＝0.074kpN₁(n₁-n₂)(φ₀+N₂Λ_mI₂)

由式可以看出，电磁耦合调速器N₁、N₂、p、k、Λ_m、φ₀为定值，电动势E的大小取决于转差n_s＝n₁-n₂和励磁电流I₂，当输出转速n₂较低时，转差ns较大，此时减小励磁电流I₂可降低主绕组电动势，且对于风机、水泵负载，功率与转速n₂的三次方成正比，转矩与转速n₂的平方成正比，在转速n₂较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I₂仍能满足转矩输出的要求；当输出转速n₂较高时，传递功率较大，此时需要较大的励磁电流I₂，但转差ns较小，主绕组电动势仍很小。本实用新型提供的电磁耦合调速装置很好的解决绕组式永磁耦合调速器转差大时电压高的问题，有效降低了控制器功率器件的功率等级，减小了控制器的体积，降低了控制器的成本。

3.本实用新型提供的电磁耦合调速装置，所述励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场在第一铁心和第二铁心内变化时产生的铁耗方程为：

式中，K为经验系数，其取值参照电机设计中铁耗计算方法；G_Fe为钢的重量，p_10/50为当B＝1T、f＝50Hz时，钢单位重量内的损耗，f为转差频率，f＝(n1-n2)p/60，p为极对数，B为励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场强度，

B＝φ/S

φ_L＝N₂Λ_mI₂

φ为磁通；φ₀为永磁磁通，由永磁体提供，为定值；φ_L为电励磁磁通；N₂为励磁线圈匝数；I₂为励磁电流；Λ_m为磁导。

对于电磁耦合调速器磁场强度B大小由励磁电流I2决定，当输出转速n2较低时，转差频率f较大，此时减小励磁电流I2可减小磁场强度B(对于风机、水泵负载，输出转速n2较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I2仍能满足转矩输出的要求)，与绕组式永磁耦合调速器相比，本实用新型提供的电磁耦合调速装置在输出低转速工况下，铁耗小，发热少，效率高。

4.本实用新型提供的电磁耦合调速装置，其励磁单元包括设置在输入轴上的次转子和设置在机壳上的次定子，所述次转子与所述次定子相对设置且有第二气隙，所述次定子接受所述控制器或外部装置提供的直流启动电流；所述励磁单元还包括连接于所述次转子与所述励磁转子之间的整流器；通过控制器给次定子中的次线圈通直流启动电流，产生磁场，随输入轴旋转的次转子中的次绕组切割磁场，产生感应电流，电流经整流器3c整成直流电流，供给励磁转子。与控制电路通过第二集电环组件直接提供励磁电流相比，通过励磁机提供励磁电流具有如下优点：

(1)可靠性高，免维护，寿命长

集电环组件由集电环和电刷组成，为接触式导电，在使用过程中集电环和电刷会有磨损，需定期维护。使用过程中对集电环和电刷的配合要求较高，如果组合不合适往往会使电刷产生跳动或产生点火花，造成电刷和集电环温度过高或出现重象伤痕，影响使用。而本实用新型中的励磁单元，次定子和次转子之间设置有气隙，为非接触式发电，不需要维护，使用寿命长，可靠性高。

(2)降低控制器中励磁部分功率器件的功率等级、降低成本

集电环组件只是导电元件，以一台630kW电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为3000W，那么控制器就需要提供3000W的励磁功率给励磁转子。

本实用新型中的励磁单元，为发电装置，同样以630kW的电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为3000W由励磁单元提供，而励磁单元只需要控制器提供100W的功率，其余2900W由原动机提供的机械能转化。对于控制器来说，采用本实用新型中的励磁单元，可降低控制器中励磁部分的功率等级，降低控制器成本。

5.本实用新型的电磁耦合调速器具有离合器功能，通过控制器控制主绕组电流回路的断开与接通来实现“离”、“合”功能，使得其操控简单、可靠。也可通过控制励磁线圈中电流的有无实现“离”、“合”功能。

6.本实用新型的电磁耦合调速器通过控制励磁线圈中的电流大小以及主绕组中的电流大小，可以实现电磁耦合调速器在低速(含零速或负转速)大转矩下长时间连续运行，具有重载软起功能，且起动时间可调，允许长时间起动。

7.本实用新型的电磁耦合调速器具有过载保护功能，且可以频繁起动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的绕组式永磁耦合传动装置的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例一提供的电磁耦合调速装置的结构示意图；

图3为图2电磁耦合调速装置中一种励磁转子的结构剖视图；

图4为图2电磁耦合调速装置中另一种励磁转子的结构示意图；

图5为本实用新型实施例二提供的电磁耦合调速装置的结构示意图；

图6为图5电磁耦合调速装置的励磁转子的结构剖视图。

附图标记说明：1-绕组转子；1a-第一铁心；1b-主绕组；2-励磁转子；2a-第二铁心；2b-励磁线圈；2c-永磁体；3-次转子；3a-第三铁心；3b-次绕组；3c-整流器；4-次定子；4a-第四铁心；4b-次线圈；5-第一集电环组件；6-控制器；7-第一轴；8-第二轴。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

作为本实用新型优选实施例，本实施例提供一种电磁耦合调速装置，如图2所示，包括机壳9，安装于机壳9上、同轴设置且相互独立的第一轴7和第二轴8，在本实施例中，所述第一轴7为输入轴，第二轴8为输出轴。输入轴7上设置励磁转子2，输出轴8上固定设置绕组转子1，励磁转子2与绕组转子1相对设置且有第一气隙。本实施例的电磁耦合调速装置还包括用于向励磁转子提供励磁电流的励磁单元以及用于对绕组转子的电流/电压进行调节的控制器6。

通过励磁单元给励磁转子提供励磁电流，励磁转子通过励磁电流产生磁场，与励磁转子相对设置且有第一气隙的绕组转子切割励磁转子产生的磁场产生感应电流，进而产生感应磁场，磁场与感应磁场相互作用传递转矩，控制器通过控制绕组转子的电流来控制输入轴和输出轴传递转矩的大小以适应转速要求，实现0-99％额定转速调速，并通过控制器对绕组转子电流的控制将输入轴和输出轴之间的转差功率回馈给电网，实现节能；此外，本实用新型提供的调速装置，无需专门的机械式操作机构，结构简单。

本实施例的绕组转子与励磁转子的具体结构为：如图3所示，绕组转子1包括第一铁心1a，在铁心1a内壁均匀设置多个主绕组安装槽，各个主绕组安装槽内设置主绕组1b，主绕组1b通过第一集电环组件5与控制器6连接；所述主绕组可以为单相、三相或者多相绕组。

励磁转子2包括第二铁心2a和励磁线圈2b，励磁线圈2b与整流器3c连接；如图3所示，第二铁心2a可以做成整体式结构，即由硅钢片叠压而成，并设置有励磁线圈安装槽；也可以做成分体式结构，如图4所示，即由磁极21和磁轭22组成，磁极21由硅钢片叠压而成，磁轭22由磁轭冲片叠压而成，磁轭冲片一般由3mm厚钢板冲制成，磁轭冲片设置有T尾槽或鸽尾槽；励磁线圈2b由电磁线组成，线圈2b缠绕在磁极上，连接方式可极间串联或极间并联。

在本实施例中，如图2所示，励磁单元包括次转子3、次定子4和整流器3c。次转子3设置在输入轴7上，次定子4设置在机壳9上，次定子4和次转子3相对设置且有第二气隙。次转子3包括第三铁心3a和次绕组3b，第三铁心3a由硅钢片叠压而成，并设置有次绕组安装槽，次绕组3b嵌在铁心3a的次绕组安装槽中，次绕组3b与整理器3c连接。次定子4包括第四铁心4a和次线圈4b，第四铁心4a可以做成整体式结构，也可以做成分体式结构，结构形式类似第二铁心2a，所述第四铁心4a为整体式结构，由硅钢片叠压而成，并设置有次线圈4b安装槽，所述次线圈4b嵌装于所述次线圈4b安装槽中；所述第四铁心4a也可以为分体式结构，包括磁极和磁轭，所述磁极由硅钢片叠压而成，所述磁轭由磁轭冲片叠压而成，所述次线圈缠绕在所述磁极上，连接方式为极间连接或者极间并联。次线圈4b设置在第四铁心4a槽中，次线圈4b与控制器6连接。

需要说明的是，上述励磁单元并非本实用新型的唯一选择，在其他实施例中，所述励磁单元包括通过第二集电环组件连接励磁转子2并为励磁转子2提供励磁电流的控制电路。

本实施例中励磁单元的工作原理为：通过控制器给次定子中的次线圈4b通直流电I₀，产生磁场C₀，随输入轴7旋转的次转子3中的次绕组3b切割磁场C₀，产生感应电流I₃，电流I₃经整流器3c整成直流电流I₂，供给励磁转子。

与通过集电环组件直接提供直流电流I2相比，优点如下：

(1)可靠性高，免维护，寿命长

第二集电环组件由集电环和电刷组成，为接触式导电，在使用过程中集电环和电刷会有磨损，需定期维护。使用过程中对集电环和电刷的配合要求较高，如果组合不合适往往会使电刷产生跳动或产生点火花，造成电刷和集电环温度过高或出现重象伤痕，影响使用。而本实施例中的励磁单元，次定子和次转子之间设置有气隙，为非接触式发电，不需要维护，使用寿命长，可靠性高。

(2)降低控制器中励磁部分功率器件的功率等级、降低成本

第二集电环组件只是导电元件，以一台630kW电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为3000W，那么控制器就需要提供3000W的励磁功率给励磁转子。

本实用新型中的励磁单元，为发电装置，同样以630kW的电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为3000W由励磁单元提供，而励磁单元只需要控制器提供100W的功率，其余2900W由原动机提供的机械能转化。

对于控制器来说，采用本实用新型中的励磁单元，可降低控制器中励磁部分的功率等级，降低控制器成本。

本实施例提供的电磁耦合调速装置的工作原理为：

根据电磁感应原理，通过控制器给次线圈4b通直流电I₀，产生磁场C₀，随输入轴7旋转的次转子3中的次绕组3b切割磁场C₀，产生感应电流I₃，电流I₃经整流器3c整成直流电流I₂，励磁线圈2b通直流电I₂产生磁场C₁，主绕组1b切割旋转磁场C₁产生感应电流I₁，进而产生感应磁场C₂，磁场C₁与感应磁场C₂相互作用传递转矩，通过控制主绕组电流I₁和直流电流I₀大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求，实现调速功能，并可将转差功率回馈给电网，实现节能。

主绕组1b的电动势E(空载电压)为：

E＝4.44kfN₁φ

φ＝N₂I₂Λ_m

f＝(n₁-n₂)p/60

式中，φ为磁通，f为转差频率，p为极对数，N₁为主绕组1b每相串联匝数，N₂为励磁线圈2b匝数，I₂为励磁电流，Λ_m为磁导。(本实施例中，φ₀＝0)

电动势E进一步表示为：

E＝4.44kfN₁φ

＝0.074kN₁N₂pΛ_m(n₁-n₂)I₂ (9)

由式(9)可以看出，电磁耦合调速器N₁、N₂、p、k为定值，电动势E的大小取决于转差n_s＝n₁-n₂和励磁电流I₂，当输出转速n₂较低时，转差ns较大，此时减小励磁电流I₂可降低主绕组1b输出电压，且对于风机、水泵负载，功率与转速n₂的三次方成正比，转矩与转速n₂的平方成正比，在转速n₂较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I₂仍能满足转矩输出的要求；当输出转速n₂较高时，传递功率较大，此时需要较大的励磁电流I₂，但转差ns较小，主绕组1b电压仍很小。

所述励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场在第一铁心和第二铁心内变化时产生的铁耗方程为：

式中，k为经验系数，其取值参照电机设计中铁耗计算方法；G_Fe为钢的重量，p_10/50为当B＝1T、f＝50Hz时，钢单位重量内的损耗，f为转差频率，f＝(n1-n2)p/60，p为极对数，B为励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场强度，

B＝φ/S

φ＝N₂Λ_mI₂

φ为磁通；N₂为励磁线圈匝数；I₂为励磁电流；Λ_m为磁导。

对于电磁耦合调速器磁场强度B大小由励磁电流I2决定，当输出转速n2较低时，转差频率f较大，此时减小励磁电流I2可减小磁场强度B(对于风机、水泵负载，输出转速n2较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I2仍能满足转矩输出的要求)，与绕组式永磁耦合调速器相比，本实用新型提供的电磁耦合调速装置在输出低转速工况下，铁耗小，发热少，效率高。

本实施例中，励磁电流I₂是由励磁机提供的，励磁机包括次转子3和次定子4，通过控制器给次线圈4b通直流电I₀，产生磁场C₀，随输入轴7旋转的次转子3中的次绕组3b切割磁场C₀，产生感应电流I₃，电流I₃经整流器3c整成直流电流I₂，电流I₂的大小取决于转速n₁和电流I₀，输入转速n₁不变的情况下，通过控制电流I₀即可控制电流I₂的大小。

因此，通过控制直流电流的I₀大小可以很好的解决永磁耦合调速器转差大时电压高的问题，有效降低了控制器功率器件的功率等级，减小了控制器的体积，降低了控制器的成本。

本实施例提供的电磁耦合调速器还具有：1)离合器功能，通过控制器控制主绕组电流回路的断开与接通来实现“离”、“合”功能，使得其操控简单、可靠；也可通过控制励磁线圈中电流的有无实现“离”、“合”功能。2)重载软起功能，通过控制励磁线圈中的电流大小以及主绕组中的电流大小，可以实现电磁耦合调速器在低速(含零速或负转速)大转矩下长时间连续运行，具有重载软起功能，且起动时间可调，允许长时间起动。3)过载保护功能，且可以频繁起动。

实施例二

如图5和图6所示，本实施例提供一种电磁耦合调速装置，包括机壳9，安装于机壳9上、同轴设置且相互独立的第一轴7和第二轴8，在本实施例中，所述第一轴7为输入轴，第二轴8为输出轴。输入轴7上设置励磁转子2，输出轴8上固定设置绕组转子1，励磁转子2与绕组转子1相对设置有第一气隙。本实施例的电磁耦合调速装置还包括用于向励磁转子提供励磁电流的励磁单元以及用于对绕组转子的电流/电压进行调节的控制器6。

本实施例的绕组转子与励磁转子的具体结构为：如图5所示，绕组转子1包括第一铁心1a，在铁心1a内壁均匀设置多个主绕组安装槽，各个主绕组安装槽内设置主绕组1b，主绕组1b通过第一集电环组件5与控制器6连接；所述主绕组可以为单相、三相或者多相绕组。

如图6，励磁转子2包括第二铁心2a、励磁线圈2b和永磁铁2c，励磁线圈2b与整流器3c连接；第二铁心2a可以做成整体式结构或分体式结构，并设置有励磁线圈安装槽；励磁线圈2b由电磁线组成，线圈2b设置在第二铁心2a上，连接方式为极间串联或极间并联；永磁2c设置在第二铁心2a上，所述永磁体2c与所述绕组转子1相对设置有所述第一气隙，且所述永磁体N、S极在圆周上交替排列。

在本实施例中，如图5所示，励磁单元包括次转子3、次定子4和整流器3c。次转子3设置在输入轴7上，次定子4设置在机壳9上，次定子4和次转子3相对设置有第二气隙。次转子3包括第三铁心3a和次绕组3b，第三铁心3a由硅钢片叠压而成，并设置有次绕组安装槽，次绕组3b嵌在铁心3a的次绕组安装槽中，次绕组3b与整理器3c连接。次定子4包括第四铁心4a和次线圈4b，第四铁心4a可以做成整体式结构或分体式结构，并设置有次线圈4b安装槽，所述次线圈4b嵌装于所述次线圈4b安装槽中，连接方式为极间连接或者极间并联。次线圈4b与控制器6连接。

本实施例提供的电磁耦合调速装置的工作原理为：

根据电磁感应原理，通过控制器给次线圈4b通直流电I₀，产生磁场C₀，随输入轴7旋转的次转子3中的次绕组3b切割磁场C₀，产生感应电流I₃，电流I₃经整流器3c整成直流电流I₂，主线圈2b通直流电I₂产生磁场C₁₂，永磁体2c产生磁场C₁₁，磁场C₁₁与磁场C₁₂叠加形成合成磁场C₁，主绕组1b切割旋转磁场C₁产生感应电流I₁，进而产生感应磁场C₂，磁场C₁与感应磁场C₂相互作用传递转矩，通过控制主绕组电流I₁和直流电流I₀大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求，实现调速功能，调速范围可达0～99％，并可将转差功率回馈给电网，实现节能。

主绕组的电动势E(空载电压)为：

E＝4.44kfN₁φ

式中，N1为主绕组(1b)每相串联匝数，k为绕组系数，f为转差频率，

p为极对数，n1为输入转速，n2为输出转速，φ为磁通，

φ_L＝N₂Λ_mI₂

φ₀为永磁磁通，为定值，由永磁体材料和永磁体大小决定，φ_L为电励磁磁通，N₂为励磁线圈匝数，I₂为励磁电流，Λ_m为磁导。

主绕组电动势E可以进一步表示为：

E＝0.074kpN₁(n₁-n₂)(φ₀+N₂Λ_mI₂)

由式可以看出，电磁耦合调速器N₁、N₂、p、k、Λ_m、φ₀为定值，电动势E的大小取决于转差n_s＝n₁-n₂和励磁电流I₂，当输出转速n₂较低时，转差ns较大，此时减小励磁电流I₂可降低主绕组电动势，且对于风机、水泵负载，功率与转速n₂的三次方成正比，转矩与转速n₂的平方成正比，在转速n₂较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I₂仍能满足转矩输出的要求；当输出转速n₂较高时，传递功率较大，此时需要较大的励磁电流I₂，但转差ns较小，主绕组电动势仍很小。本实用新型提供的电磁耦合调速装置很好的解决绕组式永磁耦合调速器转差大时电压高的问题，有效降低了控制器功率器件的功率等级，减小了控制器的体积，降低了控制器的成本。

所述励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场在第一铁心和第二铁心内变化时产生的铁耗方程为：

式中，K为经验系数，其取值参照电机设计中铁耗计算方法；G_Fe为钢的重量，p_10/50为当B＝1T、f＝50Hz时，钢单位重量内的损耗，f为转差频率，f＝(n1-n2)p/60，p为极对数，B为励磁转子与所述绕组转子之间形成的磁场强度，

B＝φ/S

φ_L＝N₂Λ_mI₂

φ为磁通；φ₀为永磁磁通，由永磁体提供，为定值；φ_L为电励磁磁通；N₂为励磁线圈匝数；I₂为励磁电流；Λ_m为磁导。

对于电磁耦合调速器磁场强度B大小由励磁电流I2决定，当输出转速n2较低时，转差频率f较大，此时减小励磁电流I2可减小磁场强度B(对于风机、水泵负载，输出转速n2较低时，所需输出转矩较小，减小励磁电流I2仍能满足转矩输出的要求)，与绕组式永磁耦合调速器相比，本实用新型提供的电磁耦合调速装置在输出低转速工况下，铁耗小，发热少，效率高。

本实施例中，励磁电流I₂是由励磁单元提供的，励磁单元包括次转子3和次定子4，通过控制器给次线圈4b通直流电I₀，产生磁场C₀，随输入轴7旋转的次转子3中的次绕组3b切割磁场C₀，产生感应电流I₃，电流I₃经整流器3c整成直流电流I₂，电流I₂的大小取决于转速n₁和电流I₀，输入转速n₁不变的情况下，通过控制电流I₀即可控制电流I₂的大小。

因此，通过控制直流电流的I₀大小可以很好的解决永磁耦合调速器转差大时电压高的问题，有效降低了控制器功率器件的功率等级，减小了控制器的体积，降低了控制器的成本。

需要说明的是，上述励磁单元并非本实用新型的唯一选择，在其他实施例中，所述励磁单元包括通过第二集电环组件连接励磁转子2并为励磁转子2提供励磁电流的控制电路。

本实施例中励磁单元与通过集电环组件直接提供直流电流I2相比，优点如下：

(1)可靠性高，免维护，寿命长

第二集电环组件由集电环和电刷组成，为接触式导电，在使用过程中集电环和电刷会有磨损，需定期维护。使用过程中对集电环和电刷的配合要求较高，如果组合不合适往往会使电刷产生跳动或产生点火花，造成电刷和集电环温度过高或出现重象伤痕，影响使用。而本实施例中的励磁单元，次定子和次转子之间设置有气隙，为非接触式发电，不需要维护，使用寿命长，可靠性高。

(2)降低控制器中励磁部分功率器件的功率等级、降低成本

第二集电环组件只是导电元件，以一台630kW电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为2250W，那么控制器就需要提供2250W的励磁功率给励磁转子。

本实用新型中的励磁单元，为发电装置，同样以630kW的电励磁耦合调速器为例，励磁转子所需的励磁功率为2250W由励磁单元提供，而励磁单元只需要控制器提供75W的功率，其余2175W由原动机提供的机械能转化。

对于控制器来说，采用本实用新型中的励磁单元，可降低控制器中励磁部分的功率等级，降低控制器成本。

本实施例二中由于励磁转子2上设置有永磁体2c，所以相同条件下，实施例二中励磁转子所需由励磁单元提供的励磁功率小于实施例一中励磁转子所需励磁单元提供的励磁功率，但实施例二励磁转子由于设置了永磁体，生产工艺较实施例一复杂，成本较实施例一高。

本实施例提供的电磁耦合调速器还具有：1)离合器功能，通过控制器控制主绕组电流回路的断开与接通来实现“离”、“合”功能，使得其操控简单、可靠；也可通过控制励磁线圈中电流的有无实现“离”、“合”功能。2)重载软起功能，通过控制励磁线圈中的电流大小以及主绕组中的电流大小，可以实现电磁耦合调速器在低速(含零速或负转速)大转矩下长时间连续运行，具有重载软起功能，且起动时间可调，允许长时间起动。3)过载保护功能，且可以频繁起动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种电磁耦合调速装置，其特征在于，包括机壳(9)，安装于所述机壳(9)、同轴设置且相互独立的第一轴(7)和第二轴(8)，所述第一轴(7)上设置励磁转子(2)，所述第二轴(8)上设置绕组转子(1)，所述励磁转子(2)与所述绕组转子(1)相对设置有第一气隙；还包括与所述励磁转子(2)的励磁线圈(2b)连接以向所述励磁线圈提供励磁电流的励磁单元，以及用于对所述绕组转子(1)的电流/电压进行调节的控制器(6)。

2.根据权利要求1所述的调速装置，其特征在于，所述绕组转子(1)包括第一铁心(1a)和与所述控制器(6)连接的主绕组(1b)。

3.根据权利要求2所述的调速装置，其特征在于，所述主绕组(1b)与所述控制器(6)通过第一集电环组件(5)连接。

4.根据权利要求2所述的调速装置，其特征在于，所述主绕组(1b)为单相、三相或者多相绕组。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的调速装置，其特征在于，所述绕组转子(1)的主绕组(1b)的电动势E为：

E＝0.074kpN₁(n₁-n₂)(φ₀+N₂Λ_mI₂)

式中，φ₀为永磁磁通，p为极对数，N₁为主绕组(1b)每相串联匝数，N₂为励磁线圈匝数，I₂为励磁电流，Λ_m为磁导，k为绕组系数；

通过控制I₂大小，调节电动势E的大小。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的调速装置，其特征在于，所述励磁转子(2)的第二铁心(2a)为整体式结构或分体式结构，所述励磁线圈(2b)安装在所述铁心(2a)上，连接方式为极间串联或者极间并联。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的调速装置，其特征在于，所述励磁单元包括设置在第一轴上的次转子(3)和设置在机壳(9)上的次定子(4)，所述次转子(3)与所述次定子(4)设置有第二气隙，所述次定子(4)接受所述控制器(6)或外部装置提供的启动电流；所述励磁单元还包括连接于所述次转子(3)与所述励磁转子(2)之间的整流器(3c)；或者，所述励磁单元包括通过第二集电环组件连接所述励磁转子(2)并为所述励磁转子(2)提供所述励磁电流的控制电路。

8.根据权利要求7所述的调速装置，其特征在于，所述次转子(3)包括第三铁心(3a)和次绕组(3b)，所述次绕组(3b)与所述整流器(3c)连接。

9.根据权利要求7所述的调速装置，其特征在于，所述次定子(4)包括第四铁心(4a)和设置在所述第四铁心(4a)上的次线圈(4b)，所述次线圈(4b)与所述控制器(6)连接。

10.根据权利要求9所述的调速装置，其特征在于，所述第四铁心(4a)为整体式结构或分体式结构，所述次线圈(4b)安装在所述第四铁心(4a)上，连接方式为极间串联或者极间并联。

11.根据权利要求1-4任意一项所述的调速装置，其特征在于，所述励磁转子(2)上设置永磁体(2c)，所述永磁体(2c)与所述绕组转子(1)相对设置且有所述第一气隙。

12.根据权利要求11所述的调速装置，其特征在于，所述永磁体(2c)N、S极在圆周上交替排列。

13.根据权利要求1-4任意一项所述的调速装置，其特征在于，所述励磁转子(2)位于所述绕组转子(1)的径向外侧；或者，所述励磁转子(2)位于所述绕组转子(1)的径向内侧；或者所述励磁转子(2)和所述绕组转子(1)为盘式结构。