CN211377865U - 一种绕组式永磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种绕组式永磁耦合器，包括永磁转子和绕组转子，永磁转子包括永磁转子铁芯和永磁体，绕组转子包括绕组转子铁芯、感应绕组和调制齿。通过在感应绕组中引入附加电势实现了无级调速并且调速精度高。将磁场调制理论引入永磁耦合器设计中，提高了永磁耦合器的转矩密度和功率密度，永磁体采用聚磁阵列，使得气隙磁通增加而永磁转子轭部磁通减小，进一步提高了永磁耦合器的转矩密度和功率密度，当该调速器内置于电机中时，聚磁阵列还可实现电机磁场与永磁耦合器磁场的低耦合。同时，感应绕组所产生感应电流可以回馈电网，实现节能。

Description

一种绕组式永磁耦合器

技术领域：

本实用新型涉及永磁耦合器领域，尤其涉及一种绕组式永磁耦合器。

背景技术：

《国家重点节能技术准广目录》(第1-6批)中批准了变频器调速、永磁涡流柔性传动等节能技术的改进方案，旨在引领更多相关单位采用新型的节能工艺和设备，提高能源利用效率。目前调速装置主要包括机械挠性联轴器、变频器、液力耦合器和磁力耦合等。其中机械挠性联轴器调速结构简单，效率较低，应用范围比较少；变频器虽具有无级调速、高频和自动控制等优点，但易造成谐波污染，成本较高，对环境要求较高；液力耦合器同样具有无级调速、过载保护等特点，但其调节精度不高，更换维修成本较高；永磁耦合器是一种新型的无接触式永磁驱动装置，不仅具有结构简单、无级调速、软启动、过载保护、无环境污染等优点，而且适用于采矿、化工、发电等复杂恶劣环境下的调速，因此，永磁耦合调速装置的应用范围日益广泛。

永磁耦合器是美国Magna Drive公司于1999年开发出来的，随后被广泛应用于电力、冶金、矿山、石油、水泥及化工等领域。根据机构形式不同，永磁耦合器可以分为盘式和筒式两种结构。盘式永磁转子中布有永磁材料，与负载轴连接，盘式导体转子与电机相连接。电机启动后，导体在切割永磁体发出的磁力线时产生感应涡流，感应涡流产生磁场与永磁体产生磁场相互作用实现主动机与工作机之间的转矩传递，通过调节永磁转子与导体转子的气隙的大小可以实现转速的调节。由于导体转子产生的环形涡流未作为能量向外输出，而是损耗在导体转子中，产生较大的热量，对永磁体产生不良影响，因此传递效率相对较低。此外，涡流在产生感应磁场的同时还会产生轴向的斥力，由于盘式永磁耦合器的磁力方向为轴向，轴向力难以完全平衡，影响输出转矩和转速的调节精度。

筒式永磁耦合器的永磁转子在筒式导体转子内部，其间由空气隙隔开，导体转子和永磁转子分别于电动机和负载相连。电动机启动时带动筒式导体转子转动，与筒式永磁转子间产生运动，筒式导体转子切割永磁体发出的磁力线产生涡流，涡流产生的感应磁场与永磁体产生的磁场相互作用实现转矩的传递。调节永磁转子和导体转子在轴线方向上的相对位置，改变二者之间的啮合面积，即可调节永磁转子与导体转子间传递转矩的大小，从而实现对转速的调节。传递转矩的大小与二者啮合面积有关，啮合面积越大，穿过导体转子的磁力线越多，传递转矩越大，反之亦然。与盘式永磁耦合器相比，同等功率条件下，筒式永磁耦合器比盘式永磁耦合器体积小、重量轻、转动惯量小、效率更高。然而筒式永磁耦合器也存在一定的缺陷，筒式永磁转子与筒式导体转子相对运动时，在导体转子上会产生涡流，大功率差运行时，集肤效应比较强烈，涡流和磁通大部分都集中在筒式导体转子内侧，而不是平均分布于整个导体的截面积中，导致导体转子的电阻增加，造成较大的损耗。筒式永磁耦合器除了与电机轴向连接外，还可径向放置于电机内部进行调速，简化调速系统轴向结构。理论上来说，电机磁场与永磁耦合器磁场各司其职，应当互不干扰，然而径向放置永磁耦合器时会出现电机磁场与永磁耦合器磁场互相耦合的情况，干扰电机的正常运行。

实用新型内容

技术目的：

本实用新型为解决上述盘式和筒式永磁耦合器存在的问题，提出一种高调速精度、高转矩密度、高功率密度、节能且低耦合的绕组式永磁耦合器。

技术方案：

绕组式永磁耦合器，包括永磁转子和绕组转子，其中，永磁转子包括永磁转子铁芯和永磁体，永磁转子铁芯贴近绕组转子一侧表贴以聚磁阵列方式充磁的永磁体，永磁体共p₁对极，每对极由3个永磁体组成，3个永磁体充磁方式依次为径向向内、切向和径向向外，以此组成聚磁阵列；绕组转子包括绕组转子铁芯和感应绕组，绕组转子铁芯贴近永磁转子一侧开槽，感应绕组设置于所述开槽中，另外在相邻感应绕组之间开槽以形成调制齿，调制齿用来对永磁磁场和感应磁场进行调制，感应绕组通过集电环和电刷与外部控制器相连，将转差功率回馈电网。进一步，所述绕组转子铁芯设计为开口槽，所述感应绕组设置在绕组转子铁芯开口槽内，所述感应绕组采用分数槽集中式排列。

进一步，所述永磁转子转速大于所述绕组转子转速。

进一步，所述永磁转子铁芯和所述绕组转子铁芯由硅钢片叠压而成，所述永磁体采用稀土永磁材料。

进一步，所述感应绕组采用双层排列方式。

进一步，所述永磁转子为主动转子，与电机轴相连，绕组转子为从动转子，与负载轴相连。

进一步，所述永磁转子与所述绕组转子之间留有一定气隙间距。

有益效果：

1.将传统永磁耦合器中的大块导体换成感应绕组，而环形涡流仅在大块导体中产生，在感应绕组中不产生，因此消除了涡流带来的种种弊端，电机的涡流损耗也能够得以下降，此外，本实用新型通过在感应绕组中引入附加电势达到调速的目的，能够实现无级调速，调速精度高。

2.永磁体采用聚磁阵列充磁，通过径向与切向永磁体阵列的合成，使得永磁体两侧磁场出现一侧增强一侧减弱的现象，本实用新型中充磁方式使得永磁体靠近气隙一侧磁场增强，而永磁转子轭部磁场减弱，因此提高了电机的转矩密度和功率密度。

3.绕组转子设置调制齿，对永磁磁场和感应绕组所产生的感应磁场进行磁通调制，产生多种工作谐波，利用磁场调制提高绕组转子转矩输出能力，从而提高了电机转矩密度和功率密度。

4.本实用新型中的感应绕组通过集电环和电刷与外部控制器相连，将感应电流回馈给电网，实现节能。

5.本实用新型中的聚磁阵列，由于增强了气隙一侧的磁场，减弱了永磁转子轭部磁场，当径向放置于电机中时，可以减少电机磁场和永磁耦合器磁场之间的耦合。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本实用新型主视结构示意图；

图2是本实用新型永磁转子结构示意图；

图3是本实用新型绕组转子结构示意图；

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本实用新型一种实施例提供的绕组式永磁耦合器的结构示意图。如图1所示，包括永磁转子100、绕组转子200。如图2所示，永磁转子100包括永磁转子铁芯101、径向充磁永磁体102和切向充磁永磁体103，永磁转子铁芯101由硅钢片叠压而成，在贴近绕组转子一侧表贴了p1对，以聚磁阵列方式充磁的永磁体，每对磁极由三个永磁体组成，包括一个径向向内充磁的永磁体、一个切向充磁的永磁体和一个径向向外充磁的永磁体，三种永磁体交替放置；如图3所示，绕组转子200包括绕组转子铁芯201、调制齿202和感应绕组203，绕组转子铁芯201 由齿槽式硅钢片叠压而成，在靠近永磁转子一侧开槽，感应绕组203设置于开口槽内，感应绕组采用双层分数槽集中式排列，并通过集电环和电刷连接至外部控制器，将感应电流回馈电网，在相邻两感应绕组槽之间开槽以形成六个调制齿202。

工作时，电机轴带动永磁转子旋转，产生一个基波极对数为p₁、转速为n₁的旋转磁场，感应绕组203置身于该旋转磁场中切割磁力线而感生出电流，感应电流产生极对数为p₁、转速为n₁的旋转磁场，感应磁场与永磁磁场相互作用产生转矩，使得绕组转子旋转，绕组转子转速为n₂，永磁磁场转速与绕组转子转速满足 n₂<n₁以保证感应绕组切割永磁磁场磁力线，感应绕组中所产生的感应电流通过控制器回馈给电网，可以实现节能。

调速时，通过感应绕组外接控制器引入一个附加电动势E_f来调节，当附加电动势相位与感应绕组反电势相位相反时，为E_f取负值，此时感应电流幅值变小，在负载转矩不变的前提下，电磁转矩小于负载转矩，转速降低，转差率增加，感应电流幅值增加，电磁转矩增大，直到电磁转矩再次等于负载转矩，则电机在新的较低转速下稳定运行，实现了降速的调速；当附加的电动势相位与感应绕组反电势相位相同时，为E_f取正值，此时感应电流幅值增大，在负载转矩不变的前提下，电磁转矩大于负载转矩，转速增大，转差率减小，感应电流幅值减小，电磁转矩减小，直到电磁转矩再次等于负载转矩，则电机在新的较高转速下稳定运行，实现了升速的调速。该调速方法可以实现无级调速，并且调速精度高。

本实用新型将永磁体设置为聚磁阵列，在径向充磁的磁极中增加切向充磁永磁体，和传统径向或切向充磁排列的永磁阵列相比，磁场实现了永磁体一侧强另一侧弱的效果。永磁耦合器中气隙是电磁功率转换的核心区域，气隙磁密直接影响转矩输出能力，因此在本设计中通过聚磁阵列大大增加了永磁体靠近气隙一侧的磁场强度，而减少了永磁转子轭部的磁场，使得电机的转矩密度和功率密度大幅提升。由于永磁转子铁芯轭部磁场的减弱，当绕组式永磁耦合器径向放置于电机内部时，电机磁场和永磁耦合器磁场之间的耦合会相应减少，使得整个调速系统运行更稳定。此外，本实用新型在绕组转子上设计了调制齿，在绕组转子转动时，调制齿202可以调制产生除永磁气隙磁密基波分量外的其他阶次有用的谐波分量，其他有用阶次的谐波分量的频率虽然与基波频率不同，但也能够贡献产生基波的反电势，从而提高绕组转子的转矩输出能力，电机的转矩密度和功率密度得以进一步提高。

以上所述仅为本实用新型一种较佳实施例，不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (7)

1.绕组式永磁耦合器，其特征在于：包括永磁转子和绕组转子，其中，所述永磁转子包括永磁转子铁芯和永磁体，所述永磁转子铁芯贴近绕组转子一侧表贴以聚磁阵列方式充磁的永磁体，所述永磁体共p1对极，每对极由三个永磁体组成，三个永磁体充磁方式依次为径向向内、切向和径向向外，以此组成聚磁阵列；绕组转子包括绕组转子铁芯和感应绕组，绕组转子铁芯贴近永磁转子一侧开槽，所述感应绕组设置于所述开槽中，另外在相邻感应绕组之间开槽以形成调制齿，所述调制齿用来对永磁磁场和感应磁场进行调制，所述感应绕组通过集电环和电刷与外部控制器相连，将转差功率回馈电网。

2.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于，所述绕组转子铁芯设计为开口槽，所述感应绕组设置在绕组转子铁芯开口槽内，所述感应绕组采用分数槽集中式排列。

3.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于：所述永磁转子转速大于所述绕组转子转速。

4.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于，所述永磁转子铁芯和所述绕组转子铁芯由硅钢片叠压而成，所述永磁体采用稀土永磁材料，所述感应绕组采用铜材料。

5.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于，所述感应绕组采用双层排列方式。

6.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于，所述永磁转子为主动转子，与电机轴相连，绕组转子为从动转子，与负载轴相连。

7.根据权利要求1所述的绕组式永磁耦合器，其特征在于，所述永磁转子与所述绕组转子之间留有一定气隙间距。

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