CN213547340U - 一种用于转矩传动的磁偶对装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于转矩传动的磁偶对装置；磁偶对装置包括主动轮、从动轮和若干永磁体；主动轮/从动轮的轮缘相互设置为凹凸结构；其中，环绕主动轮/从动轮的轮缘相间排布有若干永磁体，永磁体的磁极线沿转轴方向设置；主动轮与从动轮设置间隙以凹凸轮缘嵌合的方式同轴向相邻安装，通过主动轮旋转使从动轮获得转矩传动。

Description

一种用于转矩传动的磁偶对装置

技术领域

本实用新型涉及机械能传动和电动装置的设计领域，具体涉及一种用于转矩传动的磁偶对装置。

背景技术

转矩是一种旋转机械能，其最常见的输出形式是通过转轴传动，也有不少非转轴传动的输出形式。例如有些转矩设计为在转轴上附加飞轮、通过飞轮的外缘对外提供机械能，该类转矩的传动形式通常是使用传动带，通过传动带使从动轮获得传动转矩，从而达到改变转速的设计目的；也有不少设计是在转轴附加飞轮的外缘设置有齿，把转矩传动到外缘同样设置有齿的从动轮。

转矩传动的智能控制研究近年较活跃，例如一些电动转矩的负载并不需要绝对稳速，可以设计智能控制装置，当负载达到转速上限时把主动轮脱离并断电，而当负载降到转速下限时对电动转矩重新通电偶联，从而达到节电目的。为了更方便控制电动转矩与负载的偶联，不少设计方案是使用磁力传动，这类磁力传动机构最明显的结构特点是：主动轮和从动轮的外缘设置有磁极沿切线或法线方向的永磁体，两轮相邻但不接触，根据实际工况需要还设置多个主动轮或从动轮。

本申请主要是针对这类磁力传动机构的结构改良而提出。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于克服现有一些磁力传动机构的设计缺陷，提供一种主动轮与从动轮同轴向位于不同平面设置的磁偶对装置，通过主动轮对从动轮的磁力传动使从动轮获得设定的转矩或转速，传动效率高，工艺容易实现。

为实现上述的技术目标，本实用新型提供了一种用于转矩传动的磁偶对装置，该磁偶对装置包括主动轮、从动轮和若干永磁体；所述主动轮的轮缘和从动轮的轮缘相互设置为凹凸结构；其中，环绕主动轮的轮缘相间排布有若干永磁体，永磁体的磁极线沿转轴方向设置；环绕从动轮的轮缘相间排布有若干永磁体，永磁体的磁极线沿转轴方向设置；所述的主动轮与从动轮设置间隙以凹凸轮缘嵌合的方式同轴向相邻安装；所述的磁偶对装置通过主动轮旋转使从动轮获得转矩传动。

本实用新型中，所述的主动轮、从动轮为固体成型材料制成的机械旋转体；所述的永磁体为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的永磁性材料；所述的相互设置，是指该轮缘的凹凸结构可以在主动轮、从动轮之间对换设置；所述的转轴方向为转轴两端的连线及其延长线方向；所述永磁体的磁极线，是由永磁体N/S的两个磁极所确定的连线及其延长线；所述间隙的设计与磁偶对装置的传动功率有关，也与永磁体材料的磁通密度相关；所述主动轮与从动轮的凹凸轮缘嵌合，表述了两轮在不同平面同轴向相邻设置的部位；所述通过主动轮旋转使从动轮获得转矩传动，源于主动轮旋转时在凹凸轮缘的间隙产生了周期性变化的磁场。

上述技术方案中，所述主动轮上的永磁体沿轮缘切线方向的弧长为m1，永磁体之间的间距为m2；所述从动轮上的永磁体沿轮缘切线方向的弧长为n1，永磁体之间的间距为n2；设置为m1+n1＝m2+n2。

上述技术方案中，所述设置于主动轮/从动轮上的永磁体同磁极方向排布，或以磁极N-S交替的方式排布。

上述技术方案中，所述主动轮、从动轮轮缘相互设置的凹凸结构在所述的磁偶对装置中设置至少1对。所述的设置至少1对，意为可以设计多对。

基于上述磁偶对装置的技术方案，本实用新型还提供了一种电动旋转装置，所述的电动旋转装置包括电动装置和所述的磁偶对装置；所述的电动装置包括旋转式电动机、电源和控制系统，电动机连接电源或控制系统；所述的磁偶对装置包括主动轮、从动轮和若干永磁体；所述电动机的转子与磁偶对装置中主动轮的转轴机械固连。所述的电动机，包括选用转轴输出形式或外转子式的电动机。

上述技术方案中，所述电动机的转轴与磁偶对装置的主动轮的转轴机械固连。对电动机的转轴描述，技术含义是选用转轴输出的电动机。

作为上述电动旋转装置的一种技术方案改进，所述的电动机为外转子式，主动轮的环形转轴套装在电动机的外转子并机械固连。对环形转轴的描述，意为把主动轮设计为环形，作为转轴的内环设计得足够大，可以套装在电动机的外转子上。

作为上述电动旋转装置的再一种技术方案改进，所述电动机的外转子与所述磁偶对装置的的主动轮一体化设计。

上述电动旋转装置的技术方案中，所述电动装置的电源的来源形式任意。

以上所述的磁偶对装置以及电动旋转装置在安装时需要机械架件，机械架件在有效实现机械支撑的前提下，所选用的材料和结构任意。

本实用新型所述的磁偶对装置与常规皮带、齿轮等机械传动方案的本质区别，在于主动轮与从动轮不发生机械接触，主动轮对从动轮的磁能量传递，是通过两轮之间的间隙磁场的分布状态改变而变换为从动轮的转矩，当从动轮具有一定质量并且旋转速度足够时，可在具体设计中充分运用从动轮的旋转惯量。

所述的电动旋转装置在磁偶对装置中主动轮与从动轮不发生机械接触的方案基础上，为电动装置依据从动轮及其负载惯量状态提供了一种智能控制的结构新思路，例如通过从动轮的转矩及其负载的惯量状态监测，以及结合电动机的转轴位移控制，可有效控制电动机的运转状态以达到节能的设计目标。

本实用新型的优点在于：磁偶对装置中主动轮对从动轮的能量传递是采用磁相互作用，两者之间不发生接触，降低了机械能传动损耗；所述的电动旋转装置提供了一种智能控制电动机的设计新思路；以此方案设计的磁偶对装置和电动旋转装置的结构简单、组合多样化，有效适应高端应用领域的设计要求。

附图说明

图1a是本实用新型所述永磁体磁极设置方向与轮缘切线、法线的示意图；

图1b是所述永磁体在轮缘的磁极设置方向示意图；

图2a是一种在主动轮的轮缘上设置4个永磁体的俯视结构示意图；

图2b是图2a示例的侧视结构示意图；

图3是一种在从动轮的轮缘上设置8个转磁体的结构示意图；

图4a是本实用新型所述磁偶对装置的一种结构及安装示意图；

图4b是图4a结构及安装示例的轴向投影示意图；

图5是一种电动旋转装置的安装结构的局部示意图；

图6是一种所述主动轮套装在电动机外转子的结构示意图；

图7是一种所述主动轮与电动机外转子一体化设计的结构示意图；

附图标识：

1、主动轮 1a、主动轮转轴 1b、主动轮轮缘 21、主动轮永磁体

3、从动轮 3a、从动轮转轴 3b、从动轮轮缘 23、从动轮永磁体

4、间隙 5、磁极线 6、电动机 6a、电动机转轴

6b、外转子 10、轮平面法向 12、轮缘切线 13、法线

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本实用新型进行详细说明。

本实用新型与现有磁力传动机构设计的区别首先在于磁极的设置方案不同。

现有技术中，磁力传动机构永磁体的N/S磁极线5是设置为沿轮缘切线12的方向，或设置为沿法线13方向，而本实用新型所述永磁体21/23的磁极线5是沿转轴 1a/3a方向设置，如图1a所示；所述的转轴1a/3a方向即轮的平面法线10方向，或磁极线5与转轴1a/3a平行的方向，如图1b所示。图中所示的磁极线5，是由永磁体21/23N、S两个磁极确定的连线及其延长线。

图2a和图2b是一种所述主动轮1的结构俯视、侧视示意图，结构特征是，环绕轮缘1b相间排布有4个永磁体21；该4个永磁体以N/S磁极交替的方式设置，永磁体21的磁极线5沿转轴1a的方向设置，磁极线5与转轴1a平行，永磁体21的弧长为m1，间距为m2；所述的弧长是指永磁体中心线沿轮缘切线12方向的长度，所述的间距指相邻两个永磁体之间的间距。永磁体23在从动轮3上环绕轮缘3b相间排布的结构方案同理，磁极线5沿转轴3a方向设置。

永磁体在轮缘1b/3b的设置可以安装在周面外部，也可以嵌入轮缘的内部，使永磁体外周面的弧与轮缘1b/3b的外周面重合。图3是所述从动轮3环绕轮缘3b相间排布永磁体23的一种示例，磁极方向沿从动轮3的转轴3a方向设置并以N、S相间的方式排布，永磁体23嵌入轮缘3b的内部，弧长n1，间距n2。

现有技术中，由于主动轮1与从动轮3永磁体的N/S磁极线5是设置为沿轮缘切线12的方向，或沿法线13方向，当需要增强主动轮与从动轮之间的磁力作用时，需要设置多个主动轮/从动轮。本实用新型除了永磁体21/23的磁极线5是沿转轴 1a/3a方向设置，把主动轮1/从动轮3的轮缘相互设置为凹凸结构，例如当从动轮3 的轮缘设置为凸型结构，主动轮1的轮缘设置为凹型结构，通过在轮缘以设定的方式设置永磁体，使主动轮1/从动轮3成为磁能量作用传递的磁偶对。

参见图4a，该局部示图的从动轮3的轮缘3b设置为凹型结构，在两个凹型的轮缘3b分别设置有若干磁极线5沿转轴3a方向设置的永磁体23；主动轮1的轮缘1b 设置为凸型，在轮缘1b设置有若干磁极线5沿转轴1a方向设置的永磁体21；安装时，主动轮1的轮缘1b嵌合到从动轮3的凹型轮缘3b，两轮之间设置有间隙4。间隙4界定了两轮的轮缘1b/3b不接触，同时隐含了对间隙4的技术要求；业内公知，磁作用的间隙又称气隙，是磁体之间传递磁作用的能量通道，间隙越小越有利于永磁体之间磁能量的作用传递。

主动轮与从动轮相对运行时，轮上的永磁体的运动轨迹是一条闭合的圆周线，所述的主动轮与从动轮以凹凸轮缘嵌合的方式同轴向相邻设置，隐含了对设备安装的技术优选。图4a的优选安装示例中，当主动轮1上的永磁体21与从动轮3上的永磁体23在旋转中周期性相对，永磁体21与永磁体23两者的磁极线5重合，此状态下永磁体21/23的磁极运动周线的投影相切，可获得主动轮与从动轮之间磁相互作用的最大值，其沿转轴方向的俯视投影效果示意如图4b所示。

本实用新型中，主动轮1与从动轮3不发生机械固连的传动，而是通过两轮的间隙4传递规律性变化的磁场能量，通过间隙磁场的分布状态改变把永磁体之间传递的能量变换为从动轮的转矩，从而达到转矩传动的设计目标。

所述主动轮1/从动轮3上若干永磁体的(m1+n1)＝(m2+n2)是本实用新型的一种设计优选，实施精度越高，磁力传动的效果越好，所述(m1+n1)＝(m2+n2)的技术优选并非要求m1＝m2或n1＝n2，只要(m1+n1)＝(m2+n2)并且主动轮1持续旋转，就可以实现永磁体21/23之间的周期性磁力作用。所述的永磁体相间排布，优选间距平均排布，并且在不影响安装于各自轮缘的前提下不限形状。

所述的主动轮、从动轮轮缘相互设置的凹凸结构在所述的磁偶对装置中设置至少1对。所述的设置至少1对，意为可以设计多对，在主动轮、从动轮的轮缘设置多对凹凸结构有利于增强两轮之间的磁力作用，增加传动稳定性。例如把主动轮1 的轮缘设置为双凸型(也可以理解为一个凹形)，在两个凸型的轮缘分别设置若干永磁体，而把从动轮3的轮缘设置为双凹型，在两个凹型的三个轮缘分别设置若干永磁体，安装时主动轮1的双凸型轮缘嵌合到从动轮3的双凹型轮缘。本实用新型所述的轮是一种旋转体，而非特指扁平状的碟形轮，因此所述的磁偶对装置可设置在轮缘的任意部位，换言之可在视为轮缘的任意部位设置磁偶对装置。

本实用新型中，主动轮1和从动轮3可采用塑钢、合金或其他固体成形材料制造而成，但材料选择各有不同特点。从动轮的转矩是连接负载端，具有大质量有利于复合利用惯量，为此从动轮适宜采用比重较大的无磁性合金制造；主动轮是由动力源驱动，在不影响有效向从动轮传递磁能量的前提下，允许采用比重相对较小的材料制造，例如可采用塑钢、ABS或其他固体成形材料。

图3示例的从动轮3设置了8个永磁体23，当需要加大从动轮源于磁力作用的转矩，可增加设置永磁体，例如可在轮缘3b上设置16个永磁体23；同理，主动轮 1的轮缘1b上也可以增加设置更多个数目的永磁体21，设计时需把握(m1+n1)＝ (m2+n2)的优选设计原则。主动轮/从动轮上的永磁体并非设置越多越好，其在轮缘上设置的数目受限于永磁体的磁力有效作用区间。

本实用新型所述的电动旋转装置包括电动装置和以上所述的磁偶对装置；所述的电动装置包括旋转式电动机6、电源和控制系统，电动机6的电源输入端连接所述电源或控制系统；电动机6连接控制系统时，所述电源的输出端连接所述控制系统的电源输入端；所述的磁偶对装置包括主动轮1、从动轮3和若干永磁体；所述电动机6的转子与磁偶对装置中主动轮1的转轴1a机械固连。

电动机机械固连驱动主动轮旋转的结构技术方案可以有多种，例如轴输出电动机6的转轴6a与主动轮1的转轴1a沿轴向机械固连(视为共轴)，结构示意如图5 所示。电动机也可以采用外转子式，主动轮1相应设计为环形，转轴1a变形为内环，把主动轮的环型转轴1a套装在电动机的外转子6b上，如图6所示。甚至可把电动机的外转子6b视为变形设计的主动轮1，把永磁体21设置在电动机1的外转子6b 上，该与电动机6的外转子6b一体化设计的主动轮1的结构示例如图7所示。

本实用新型中，电动装置的电源的来源形式任意的技术涵义为对电动旋转装置的电源的来源不设限制。驱动电动机的电源可以是市网交流电，也可以是风能、太阳能或一次电池及二次电池，包括所述电动装置的控制系统在所述的磁偶对装置的负载端通过智能控制技术方法收集的电源。

所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可加入或组合并用其他成熟技术，即可实现本实用新型技术方案的基本目标。

对机械转矩传动和电动旋转装置技术较深入了解的专业人士，都不难在本申请所述磁偶对装置和电动旋转装置的技术方案基础上，举一反三地实施本实用新型申请的内容。本申请所述基于磁力驱动的磁偶对装置的基础结构及其衍生的技术方案变形实施，均应被列入本实用新型申请的保护范围。

实施例1、

一种用于转矩传动的磁偶对装置，该磁偶对装置包括一个主动轮1、一个从动轮 3和20个永磁体。其中，主动轮1环绕轮缘1b相间排布有4个永磁体21，4个形状相同的永磁体21的磁极沿转轴1a的方向以N/S磁极交替的方式设置，永磁体21安装在轮缘1b的外缘，其安装结构示意如图2a、2b所示；该主动轮1上设置的永磁体21沿轮缘1b切线12方向的弧长为m1，永磁体21之间的间距为m2。

从动轮3的轮缘3b设计为凹形结构，环绕两个突出轮缘3b各相间排布8个永磁体23，16个永磁体23的磁极沿转轴3a的方向以N/S磁极交替的方式设置，嵌入轮缘3b内安装，使永磁体23与轮缘3b的缘弧相合，其嵌合结构的局部示意如图3 所示；该轮缘设计为凹形结构的从动轮3上，所设置的永磁体23沿轮缘3b切线12 方向的弧长为n1，永磁体23之间的间距为n2。

设在主动轮1/从动轮3上的永磁体21/23设置为m1＝m2，n1＝n2。

安装时，主动轮1与从动轮3以凸凹轮缘嵌合的方式同轴向相邻设置，两轮嵌合部位之间的间隙4为2mm，使永磁体21/23在旋转中周期性相对并且相对时的磁极线5重合，其安装结构示意如图4a和图4b所示。

本实施例的磁偶对装置中，当主动轮1旋转时，永磁体21对永磁体23产生了沿轮缘切线12方向的磁力作用，驱动从动轮3产生绕转轴3a旋转的趋势，从而使从动轮3获得通过主动轮1磁力作用的传动转矩。

实施例2、

对实施例1的磁偶对装置进行结构变型，其中，主动轮1上4个永磁体21沿转轴1a方向以N/S磁极同向的方式设置；从动轮3上，两个突出轮缘3b的16个永磁体23的磁极同样沿转轴3a方向以N/S磁极同向的方式设置；安装时，主动轮1与从动轮3上周期性相对的永磁体设置为磁极同极性，其余结构不变。

本实施例同样可通过主动轮1的磁力作用使从动轮3获得转矩传动。

实施例3、

实施例1中，设在主动轮1/从动轮3上的永磁体21/23设置为m1＝m2，n1＝n2，本实施例改设计m1为实施例1的3/5，但(m1+n1)不变，其余的结构也不变，本实施例同样可使从动轮3通过主动轮1的磁力作用而获得转矩传动。

实施例4、

在实施例1的磁偶对装置的基础上加入电动装置，电动装置包括外转子式直流旋转电动机6、一次铝空气电池组的电源和控制系统。磁偶对装置的主动轮1由电动机6驱动，电动机的电源输入端连接所述一次铝空气电池组的输出端；磁偶对装置中主动轮1设计为环型，内环作为变形设计的转轴1a，将环型主动轮1的内环转轴 1a套装在电动机6的外转子6b并机械固连，如图6所示。

本电动旋转装置实施例可满足离电网地区使用本实用新型所述的磁偶对装置。

实施例5、

对实施例4进行技术改进：电源不采用一次铝空气电池组，电动机6的电源输入端连接电动装置的控制系统；控制系统是一个电能分配管理系统，其电源输入端在外电网、风电、太阳能装置及智能充电装置中根据实际设计选择性连接，控制系统的电源输入端连接二次电池组或/和从动轮3负载端的电源输出端。

本实施例可实现多种来源电源对所述电动旋转装置的安全运行保障。

实施例6、

将实施例5的电动旋转装置进一步推广应用，用所述磁偶对装置中的从动轮3 驱动一台功率匹配的旋转发电机，发电机转轴与从动轮3的转轴3a之间设置有磁悬浮传动装置；发电机的电源输出端分流连接控制系统的电源输入端；控制系统的功能包括电能分配和充电管理，其电源输出端连接二次电池组或/和电动机6。

本实施例可通过控制系统的逻辑编程实现对多种来源电源的综合利用。

Claims (6)

1.一种用于转矩传动的磁偶对装置，其特征在于，包括主动轮(1)、从动轮(3)和若干永磁体；所述主动轮(1)的轮缘(1b)和从动轮(3)的轮缘(3b)相互设置为凹凸结构；其中，环绕主动轮的轮缘(1b)相间排布有若干永磁体，永磁体的磁极线(5)沿转轴(1a)方向设置；环绕从动轮的轮缘(3b)相间排布有若干永磁体，永磁体的磁极线(5)沿转轴(3a)方向设置；所述的主动轮(1)与从动轮(3)设置间隙(4)以凹凸轮缘嵌合的方式同轴向相邻安装；所述的磁偶对装置通过主动轮(1)旋转使从动轮(3)获得转矩传动。

2.根据权利要求1所述的磁偶对装置，其特征在于，所述设置于主动轮(1)/从动轮(3)上的永磁体同磁极方向排布，或以磁极N-S交替的方式排布。

3.根据权利要求1所述的磁偶对装置，其特征在于，所述主动轮(1)、从动轮(3)轮缘相互设置的凹凸结构在所述的磁偶对装置中设置至少1对。

4.根据权利要求1所述的磁偶对装置，其特征在于，包括电动装置；所述的电动装置包括旋转式电动机(6)、电源和控制系统，电动机(6)连接电源或控制系统；所述电动机(6)的转子与磁偶对装置中主动轮(1)机械固连。

5.根据权利要求4所述的磁偶对装置，其特征在于，所述电动机(6)的转轴(6a)与磁偶对装置的主动轮(1)的转轴(1a)机械固连。

6.根据权利要求4所述的磁偶对装置，其特征在于，所述的电动机为外转子式，主动轮(1)的环形转轴(1a)套装在电动机的外转子(6b)并机械固连。

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