CN214228102U - 一种基于周期磁吸作用的电动转体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于周期磁吸作用的电动转体，包括电磁装置、逻辑电源和磁力转体；磁力转体沿外缘相间排布有n个磁极方向相同且磁极线与转轴方向平行设置的永磁体；电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；磁芯设置间隙安装在永磁体运动周线的相邻部位；线圈电连接逻辑电源；逻辑电源对应磁力转体一个旋转周期而相应设置n个脉冲电流周期，于基准时间之前的T/2n时域内提供脉冲直流电，并且通电时间小于T/3n，其余时间断电，控制电磁装置产生与永磁体相向磁极相反的电磁极，使磁力转体运行在预设旋转周期时间T确定的转速。

Description

一种基于周期磁吸作用的电动转体

技术领域

本实用新型涉及电动机械领域，具体涉及一种基于周期磁吸作用的电动转体。

背景技术

转体是一种旋转机械装置，常见的转体例如旋转机械轮、风扇的叶片、水轮机、风力发电机的叶片等等；电动转体是一种电能驱动的旋转机械装置。

本实用新型所述的磁力转体是指一类外缘设置有若干永磁体的机械旋转装置，近年研究活跃，其早期设计是在机械转盘的外缘设置若干永磁体，意图利用外部永磁体的磁场干扰，通过外缘的磁力传动作用而增加转矩。磁力传动的一个明显优势是方便控制主动机和负载的偶联，例如一些空气交换用的大型旋转叶片不需要完全稳速，更需要节电，因此，有些应用场景设计了磁力传动装置，当转速达到上限时，主动机暂时断电，传动装置脱离，利用叶片的机械惯性继续旋转；而当叶片的转速降到下限时，重新启动主动机及耦合传动装置，从而达到节省电能目的。

实用新型内容

本实用新型的技术目的，是基于现有磁力转体的设计缺陷，根据磁力转体上永磁体的周期运动特征，提出一种不同于常规磁极方向设计的磁力转体，通过控制周期性的电磁吸力换取磁力转体的转矩增量，提升电能利用率，工艺容易实现。

为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种基于周期磁吸作用的电动转体，该电动转体包括电磁装置、逻辑电源和磁力转体所述磁力转体沿外缘相间排布有n 个磁极方向相同且磁极线与转轴方向平行设置的永磁体；所述电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；磁芯设置间隙安装在永磁体运动周线的相邻部位；所述线圈电连接逻辑电源；所述逻辑电源对应磁力转体一个旋转周期而相应设置n 个脉冲电流周期，以永磁体前转至基准法线作为基准时间，于基准时间之前的T/2n 时域内提供脉冲直流电，并且通电时间小于T/3n，其余时间断电，控制电磁装置产生磁极线沿转轴方向且磁极性与相向永磁体相反的电磁极，使磁力转体获得前转增益并运行在T所确定的转速；所述T为磁力转体预设的旋转周期时间；所述基准法线由磁力转体的转轴与所述磁芯的位置连线所确定。

本实用新型中，所述磁力转体指一类以绕轴旋转为特征的机械构件，其基体例如圆盘、若干叶片，由非磁性的固体成型材料制成；所述永磁体为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的材料；所述的n为正整数；所述转轴方向为磁力转体转轴两端的连线及其延长线方向；所述的磁极线为永磁体以及电磁装置通直流电产生的N/S两个磁极所确定的连线及其延长线；所述永磁体运动周线为在磁力转体上周期运动的空间轨迹；所述的前转根据磁力转体的旋转方向而定义。

上述技术方案中，所述的逻辑电源包括电源、控制模块和信号传感器；电源的输出端连接控制模块；控制模块的电源输出端连接所述电磁装置的线圈；信号传感器安装在所述磁力转体的外缘相邻部位，其信号端连接所述控制模块的信号输入端。

上述的逻辑电源技术方案中，所述的信号传感器包括电磁装置，电磁装置的线圈两端连接所述控制模块的信号输入端。当电磁装置兼作信号传感器，优选另行设置磁电感应线圈。信号传感器的功能是用于获知磁力转体上永磁体前转至基准法线的基准时间，也可以采用光电感应元件或专门的位置传感器。

上述电动转体的技术方案中，所述磁力转体的基体由多层不同材料的环形构件固连而成。多层不同材料设计的磁力转体基体有利于产生更多的变形设计。

上述电动转体的技术方案中，所述的电磁装置、逻辑电源或和磁力转体在所述的电动转体中设置至少一个。所述的设置至少一个，意为可设置多个。

以上所述的电动转体在实际应用中所需要的机械架件，在有效实现机械固定、支撑的前提下，所选用的材料和结构可以任意。

本实用新型所述的电动转体与常规电动机的结构不同，电磁装置(类比定子) 不产生旋转磁场，磁力转体(类比转子)不同轴心设置，逻辑电源对电磁装置的供电方式不连续。所述的电动转体与常规磁力传动机构也不同，磁力转体外缘上若干永磁体的磁极线是沿转轴平行的方向设置，电磁装置相邻设置在磁力转体的不同平面，磁力发生装置是运用电磁装置，不使用永磁体运动的磁场干扰方式。

电动转体最常见的驱动方式是使用旋转电动机，如何更省电地控制电动转体是机电行业长期研究的目标之一。所述的电动转体，可以通过磁力转体的转轴或基体的任意部位为下级负载提供机械能联动。

本实用新型的优点在于：电磁能量通过间隙磁场的分布状态改变而变换为磁力转体的转矩，从而为逻辑电源依据磁力转体的惯量状态提供了一种智能控制新思路，节能效果明显，以此方案设计的电动转体结构简单，电能转换效率高。

附图说明

图1是所述磁力转体在外缘设置永磁体的磁极方向示意图；

图2a是一种在磁力转体的外缘设置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3a是一种在磁力转体的外缘内嵌合设置8个永磁体的俯视结构示意图；

图3b是一种在叶片外缘设置永磁体的三叶式磁力转体的正视结构示意图；

图4是一种由两种不同材料制成的磁力转体的结构示意图。

图5a是所述磁力转体和电磁装置安装的一种局部结构示意图；

图5b是图5a示例的俯视结构示意图；

图6a是逻辑电源与电磁装置的一种电路控制结构示意图；

图6b是电磁装置兼作信号传感器的一种电路控制结构示意图；

图7a是所述基准法线的示意图；

图7b是基准时刻所对应运动模型的局部结构示意图；

图8是基准时刻之前所对应运动模型的局部状态示意图；

图9是所述磁作用力线的切向、法向分力及其矢量动态夹角的示意图；

图10是电磁装置和两个磁力转体的安装结构的一种局部示意图。

附图标识：

1、电磁装置 2、逻辑电源 3、磁力转体 3a、转轴

3b、外缘 3b1、基体材料1 3b2、基体材料2 3c、永磁体

3d、磁极线 4、间隙 5、法线 6、切线

8、基准法线 9、磁作用力线 θ、动态夹角 N/S、磁极

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的技术方案进行详细说明。

参见图1，本实用新型所述磁力转体上永磁体的磁极设置与常规技术不同，现有技术中，永磁体3c的磁极线3d通常是沿轮缘切线6或沿法线5方向设置，而本实用新型所述磁力转体3的磁极线3d是沿转轴3a方向平行设置。

本实用新型所述磁力转体3的一种结构示意如图2a所示，环绕外缘3b相间平均排布有4个永磁体3c，永磁体3c安装在外缘3b的外部，磁极线3d与转轴3a方向平行，该磁力转体的侧视示意如图2b所示，所示的磁极线3d是永磁体3c由N、S 两个磁极确定的连线及其延长线。永磁体在磁力转体3上设置也可以嵌入外缘内部，使永磁体3c的外弧与外缘3b的外周面重合，图3a是8个永磁体3c以相间平均排布方式嵌入外缘3b的另一种示例。磁力转体3还存在若干变型结构，例如旋转叶片外缘的运动轨迹为一个圆，在外缘设置永磁体，同样构成本实用新型所述的一种磁力转体3，如图3b所示。在磁力转体外缘相间排布的永磁体优选形状相同、间距平均排布，且在不影响安装的前提下不限形状。

磁力转体的基体结构包括：一个圆盘或多个圆环组合，多个圆环以同轴心方式组合成圆盘，或通过紧固件将多个圆环固连为一体，包括一体化设计制造。图4是一种组合式磁力转体3的示例，圆环3b1的材料为ABS，圆环3b2的材料为无磁性合金，这种组合式设计的优点是有利于圆环3b1的一体化工艺制造，同时又利用圆环 3b2的质量(材料的比重大)保障磁力转体3旋转时具有可观的惯量。

现有技术控制这类磁力转体3的旋转，是利用在外缘设置有若干永磁体的主动轮与磁力转体相邻设置的方案，利用永磁体之间的磁力作用使磁力转体获得传动，该类磁能量传递技术方案的磁阻尼较大，不能充分发挥磁力转体的惯性。

磁力转体运行时，其上永磁体的运动轨迹是一条闭合圆周线，图5a是一种磁力转体3和电磁装置的优选安装示例，当磁力转体上的永磁体3c与电磁装置1在旋转中周期性相对，永磁体的磁极线3d与电磁装置1投影重合，如图5b所示。

电磁装置的主要功能是把直流电转换为电磁极，磁芯为本领域技术人员公知的一种在外磁场作用下可产生更强附加磁场的磁介质材料，优选高导磁率产品；磁芯的形状任意，例如条形、凹型；线圈通常使用铜线或镀铜铝芯线，匝数越多，电磁作用越强。电磁装置与磁力转体的间隙4界定了不接触，同时隐含了对间隙的技术要求。业内公知间隙又称气隙，是磁体之间传递磁作用的能量通道，间隙越小越有利于磁作用传递，其取值与磁芯导磁率、线圈匝数、通电强度及永磁体的磁通量相关，小型装置一般设置1-2mm，大中型装置一般设置2-20mm。

所述电磁装置1的线圈可设置一组兼作电磁力线圈和磁电感应线圈；由于电磁力线圈的功能是产生电磁极，而传感线圈的功能是通过磁电感应获得永磁体的位置信号，实用设计往往将线圈设置两组，一组用作电磁力线圈，另一组用作传感线圈。信号传感器不限于使用磁电模块，根据对信号传感器的精度及可靠性要求，逻辑电源2可对应信号传感器相应设置一路或多路的信号输入端。

逻辑电源2常规采用逻辑数字技术及相关运算电路实现，控制模块内贮子模块一般包括：开关电路、逻辑接口电路、内贮有逻辑控制程序的微处理器和信号输入处理电路以及外围电路，能通过所输入的传感信号进行相应的数模变换并根据设定逻辑控制输出时序电流。市场产品只要控制精度和微处理器内存空间满足使用一般可满足工作要求。所述逻辑电源与电磁装置、信号传感器的一种电路结构及控制关系如图6a所示；当逻辑电源的功率较大、一体化设计的逻辑电源不能满足使用时，可以设计专门的开关电路满足功率要求，控制模块分立设计开关电路、逻辑模块，其一种电磁装置兼作信号传感器的电路结构及控制关系如图6b所示。

所述逻辑电源2对应磁力转体3一个旋转周期而相应设置n个脉冲电流周期，与磁力转体外缘设置的永磁体个数n相关，例如磁力转体外缘设置8个永磁体，则逻辑电源对应磁力转体每个旋转周期而相应设置8个脉冲电流。

永磁体3c伴随旋转在外缘3b形成了规律性的脉动磁场，通过电磁装置1的磁电感应线圈或专设传感器可把永磁体的位置信息变换为电信号。基准时间可依据永磁体3c前转至基准法线8(如图7a所示)的传感信号而得出，即使传感精度较低，逻辑电源2仍然可获得一个强弱随时间正态分布的电信号，在永磁体3c前转至基准法线8区间可获得信号最大值，该信号最大值的时间判定为基准时间。

所述的逻辑电源2于基准时间之前的T/2n时域内提供脉冲直流电，不包括基准时间供电。所述使磁力转体获得前转增益的表述隐含了电磁装置1通电时域、电流方向或磁极方向的多重技术涵义：对于磁力转体前转，电磁装置于基准时间通电(对应永磁体前转至基准法线8)的电磁极对永磁体3c无切向分力，对磁力转体前转无益，如图7b所示；当控制电磁装置于基准时间之前的T/2n时域内通电(对应永磁体前转趋近基准法线8)，如果电磁极与相向永磁体3c的磁极性相反，因磁体之间异性相吸作用可使磁力转体3获得前转增益，如图8所示，此状态下如果电磁极与相向永磁体的极性相同，会导致对磁力转体3的前转损益。

逻辑电源对电磁装置的供电，在限定T/2n时域内、通电时间小于T/3n的技术条件下，启动通电时刻可根据所述间隙4结合永磁体在磁性转体上的运动模型而精算，工程界人士更倾向于实验测定。由于间隙4的存在，决定了在逻辑电源2对应磁性转体3的一个旋转周期而设置n个脉冲电流的限定前提下，启动通电时刻不可能超出基准时刻之前的T/2n时域，截止通电时刻属于技术优选方案。

所述通电时间小于T/3n是本实用新型限定的技术方案，由设计者在限定的T/2n时域内优选。图9是永磁体3c趋近基准法线8与电磁装置1之间磁作用力线9的切向、法向分力及其矢量动态夹角θ的示意图，可以看出，对应磁力转体3前转的电磁力沿磁作用力线9同时并存切向分力(增益来源)和法向分力(无增益)，此消彼长，当θ为45度角时电磁力的法向分力与切向分力相同，θ为90度角的切向分力最大，优化设计的原则是多利用切向分力，少做无用功。

具体设计中，需注意磁力转体每个旋转周期与预设的实时旋转周期时间T的关系，旋转周期时间T即磁力转体每旋转一个周期的时间，隐含了转速和逻辑电源2 提供脉冲电流的频率，逻辑电源2通过控制对电磁装置1提供脉冲电流的频率，即可以控制所述磁力转体3运行在预设的实时转速。

本实用新型所述逻辑电源的电源的来源不设限制，电源的来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。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。本实用新型的变形实施为本领域技术人员所容易理解，图10是一种电磁装置1和两个磁力转体3的安装结构的局部示意图(所标示电磁装置1的N/S磁极是通电状态下产生的电磁极)。

实施例1、

设计一种电动转体，包括电磁装置1、逻辑电源2和两个磁力转体3。

磁力转体3为组合式结构，如图4所示，圆环3b1的材料为ABS制成，圆环3b2 的材料为无磁性合金制成；该磁力转体3的圆盘半径100Cm，厚10Cm，环绕外缘3b 内缘设置有8个面积10×6Cm、厚1.5Cm的永磁体3c，8个永磁体相间平均排布，磁极线3d与转轴3a方向平行且磁极排布方向相同。

电磁装置1包括条形磁芯和线圈，磁芯采用高导磁率的特种稀土材料制成，设置两组线圈，其中一组为电磁力线圈，由铜导线(载流20A以上)环绕磁芯而成，绕组匝数100圈以上，具体匝数根据实验调整；另外一组为磁电感应线圈，由直径小于0.5mm的铜导线环绕磁芯而成，绕组匝数50圈以上，具体匝数同样根据逻辑电源2中控制模块的信号处理精度实验调整。

逻辑电源2包括电源、控制模块和信号传感器，采用一组铅酸蓄电池作为电源；控制模块的内部结构包括开关电路和逻辑模块，逻辑模块的逻辑控制端连接开关电路；逻辑模块内贮有开关电路的控制程序，其信号输入端连接电磁装置1中的磁电感应线圈；开关电路的电源输出端连接电磁装置1中的电磁力线圈，开关电路的电源输入端连接铅酸蓄电池组，电路结构及控制关系如图6b所示。

安装时，两个磁力转体3同转轴3a设置于不同平面，电磁装置1的磁芯固定在两个磁力转体3之间、邻近磁力转体3外缘3b的永磁体3c运动周线的相邻部位，如图10所示(所标示电磁装置1的N/S磁极是通电状态下产生的电磁极)，其中一个磁力转体3的永磁体3c的S磁极面向电磁装置1，另一个磁力转体3的永磁体3c的 N磁极面向电磁装置1，间隙4为1.8mm(根据工艺及实验调整)。电磁装置中，所设置的两组线圈分别扮演了电磁力线圈和磁电信号传感器的双重角色。

逻辑电源2对应磁力转体3(设置8个永磁体)的一个旋转周期设置8个脉冲电流周期；预设磁力转体的旋转周期T为2秒，对应的脉冲电流周期为250毫秒(T/n)，相应的T/2n时域为125毫秒；当磁力转体开始前转(根据具体需要设置启动机)，逻辑电源通过永磁体3c前转至基准法线8而判知基准时间(电磁装置1的磁电感应线圈感应出，所获得的信号最大值时刻判定为基准时间)，并通过两次基准时间的间隔区判出下一基准时间，进而在下一基准时间之前第120毫秒对电磁装置1的电磁力线圈导通65毫秒的直流电，控制电磁装置面向两个磁力转体3产生与相向永磁体3c极性相反的电磁极，与相向永磁体产生异性相吸作用，从而使磁力转体3获得前转增益，经多次的周期性磁吸作用使磁力转体运行在0.5转/秒的状态。

本实施例中，磁力转体的转速可通过逻辑电源2的脉冲电流周期而改变，例如控制脉冲电流周期由250毫秒改变为50毫秒，经多次的周期性磁吸作用可使磁力转体运行在2.5转/秒；控制逻辑电源2脉冲电流周期的控制装置可相应外置。

本实施例的磁力转体3通过传动装置驱动一个物料混合釜，节电效果显著。

实施例2、

对实施例1的控制方案进行改进，逻辑电源2中控制模块内贮的控制程序增设磁力转体的转速上限和下限。当磁力转体的转速达到设定上限，逻辑电源暂停对电磁装置1供电；当磁力转体的转速降到所设定的下限，逻辑电源重新启动对电磁装置1供电，内贮的控制程序自动改变为：每个脉冲电流周期中，逻辑电源2在基准时间之前第120毫秒时刻，启动对电磁装置1的电磁力线圈导通40毫秒直流电，断电时间210毫秒。本实施例可在磁力转体3趋向0.5转/秒工况后更省电。

实施例3、

实施例1的永磁体3c的位置传感功能是由电磁装置1的线圈实现，磁电感应的信号灵敏度不及专用的信号传感器，本实施例采用4个专用的磁电感应模块作为信号传感器，4个专用磁电感应模块分别固定安装在与磁力转体3的外缘3b相邻、靠近永磁体3c旋转周线的部位，相间均匀排布；4个专用磁电感应模块4个信号端分别连接逻辑电源(控制模块中逻辑模块的4个信号输入端)。

本实施例的电动转体可使永磁体3c的位置传感灵敏度更高。

实施例4、

在实施例1的控制方法基础上，把磁力转体3变型为一种三叶式的叶片结构，该三叶式旋转叶片的外缘3b运动轨迹为一个圆，在外缘3b附设永磁体3c，作为本实用新型所述的一种磁力转体3，其结构如图3b所示。

电磁装置1设置为3套，与实施例1所述的结构类同，安装时，3套电磁装置1 的磁芯分别固定在与三个叶片外缘3b相邻、永磁体3c运动周线的相邻部位。

本实施例的逻辑电源2具有3路电源输出，3路传感信号输入，分别连接三套电磁装置的线圈，逻辑电源对三套电磁装置1的通/断电逻辑控制与通电时序的设计、校正方法，均与实施例1类同。

Claims (5)

1.一种基于周期磁吸作用的电动转体，其特征在于，包括电磁装置(1)、逻辑电源(2)和磁力转体(3)；所述磁力转体(3)沿外缘(3b)相间排布有n个磁极方向相同且磁极线(3d)与转轴(3a)方向平行设置的永磁体(3c)；所述电磁装置(1)包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；磁芯设置间隙(4)安装在永磁体(3c)运动周线的相邻部位；所述线圈电连接逻辑电源(2)；所述逻辑电源(2)对应磁力转体(3)一个旋转周期而相应设置n个脉冲电流周期，以永磁体(3c)前转至基准法线(8)作为基准时间，于基准时间之前的T/2n时域内提供脉冲直流电，并且通电时间小于T/3n，其余时间断电，控制电磁装置(1)产生磁极线(3d)沿转轴(3a)方向且磁极性与相向永磁体(3c)相反的电磁极，使磁力转体(3)获得前转增益并运行在T所确定的转速；所述T为磁力转体(3)预设的旋转周期时间；所述基准法线(8)由磁力转体(3)的转轴(3a)与所述磁芯的位置连线所确定。

2.根据权利要求1所述的电动转体，其特征在于，所述的逻辑电源(2)包括电源、控制模块和信号传感器；电源的输出端连接控制模块；控制模块的电源输出端连接所述电磁装置(1)的线圈；信号传感器安装在所述磁力转体(3)的外缘(3b)相邻部位，其信号端连接所述控制模块的信号输入端。

3.根据权利要求2所述的电动转体，其特征在于，所述的信号传感器包括电磁装置(1)，电磁装置(1)的线圈两端连接所述控制模块的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的电动转体，其特征在于，所述磁力转体(3)的基体由多层不同材料的环形构件固连而成。

5.根据权利要求1所述的电动转体，其特征在于，所述的电磁装置(1)、逻辑电源(2)和磁力转体(3)在所述的电动转体中设置至少一个。

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