CN214480228U - 一种用于磁转体的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于磁转体的控制装置，包括电磁装置、逻辑电源和信号传感器；电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；所述线圈和信号传感器的信号端分别连接逻辑电源；逻辑电源包括开关电路、控制模块和电源；所述的磁转体由n片旋转叶片组成，带转轴并在叶缘部位设置有永磁体，n≥2；电磁装置和信号传感器相邻设置在所述永磁体的旋转周线的部位，电磁装置与永磁体的旋转周线设置间隙m。运用本控制装置可有效控制磁转体的转速，节省电能。

Description

一种用于磁转体的控制装置

技术领域

本实用新型涉及电动机械领域，具体涉及一种用于磁转体的控制装置。

背景技术

本实用新型所述的磁转体常见诸于风扇、风桨等，风扇通常用安装在转轴部位的电动机驱动，驱动叶片跟随电动机旋转；风桨则可用于驱动发电机。实际应用中，自然风力并非随时间平均分布，以阵风为主要特点，当风速不够时，一些简单系统只能自动降低功率输出，引起后端负载电压波动，后端的稳压技术本质上是以损耗能量为代价。随着技术方案成熟，不少风力发电系统都配置了储电库。

研究认为，利用储电库电能并把风叶视为一个特殊转子部件，当风速低于下限时给风桨加速，可使风桨在风力较弱的阵风环境中得以保持转速的下限，避免后端输出的电能波动过大。通常会认为，用储电库的电能助驱风桨旋转发电得不偿失，没有实用意义，实际上只要设计得当，用于增加风桨转矩的供电方式可以不连续，但被助驱的风桨却因运动惯性而连续旋转，可获得连续电能输出。

本申请针对这类磁转体应用需求的控制技术方案而提出。

实用新型内容

本实用新型的技术目的，是针对现有转体应用的缺陷，提出一种用于磁转体的控制装置，该磁转体在旋转叶片的叶缘设置有永磁体，所述控制装置可通过周期性发生的电磁力换取磁转体的转矩增量，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用于磁转体的控制装置，该控制装置包括电磁装置、逻辑电源和信号传感器；所述的电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；所述的线圈和信号传感器的信号端分别连接逻辑电源；所述的逻辑电源包括开关电路、控制模块和电源；电源分别连接开关电路、控制模块；开关电路的电源输出端连接所述电磁装置的线圈；控制模块内贮有通电控制程序，其逻辑控制端连接开关电路，其信号输入端连接信号传感器；所述的磁转体由n片旋转叶片组成，带转轴并在叶缘部位设置有永磁体，n为≥2的正整数；电磁装置和信号传感器相邻设置在所述永磁体的旋转周线的部位，与永磁体的旋转周线设置间隙m。所述的控制装置通过发生电磁力而驱动磁转体旋转。

上述技术方案中，逻辑电源对应磁转体的一个旋转周期而设置n个脉冲电流周期，通过信号传感器获得基准时刻信号，控制电磁装置在基准时刻之前或/和基准时刻之后的T/2n时域内通直流电，并且每次通电时间小于T/6n，其余时间断电；基准法线由所述磁转体的转轴与所述磁芯的位置所确定。逻辑电源所获得的基准时刻信号是由信号传感器通过任一叶片的永磁体前转至基准法线而获得；逻辑电源提供的是周期性脉冲直流电，电磁装置产生相应的脉冲电磁极，使旋转叶片获得前转增量并运行在设定的转速；所述的前转，是根据磁转体的旋转方向而定义。

上述技术方案中，所述的电磁装置的线圈设置两组以上，分别连接逻辑电源的直流电源输出端和信号输入端。所述的两组以上的线圈，其中一组或一组以上为电磁力线圈，连接逻辑电源的直流电源输出端；另外一组或一组以上为磁电感应线圈，作为信号传感器连接逻辑电源的信号输入端。

上述技术方案中，所述在旋转叶片的叶缘部位设置的永磁体，其磁极线以转轴为参照的排布方式相同。所述的磁极线，为永磁体或/和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；永磁体的磁极线可以沿沿旋转叶片的法线方向设置，或沿叶缘的旋转切线方向设置，或沿旋转叶片的转轴方向设置。

上述磁转体的技术方案中，所述的n片旋转叶片环绕磁转体的转轴设置为多层结构。所述的多层结构，优选每层旋转叶片的结构包括永磁体的排布方式相同。旋转叶片设计为多层结构，有利于小型紧凑系统的设计。

上述磁转体的技术方案中，所述的n片旋转叶片设置有机械固定环。设置机械固定环的目的是固定旋转叶片，减少工作时的机械位移。

所述控制装置和磁转体在实施中所需要的机械架件，在有效实现机械固定支撑的前提下选用的材料和结构可以任意。磁转体又称旋转叶片系统，最常见的驱动方式是使用电动机，如何更省电地控制磁转体旋转是机电行业长期研究的目标之一，所述的磁转体可通过转轴为下级负载提供机械能联动。

本实用新型的优点在于：电磁装置是与设置在旋转叶片叶缘的永磁体相互作用，从而把逻辑电源的电能变换的电磁力变换为磁转体的转矩，当磁转体具有一定质量且转速足够时可充分运用其惯量，可依据设置在叶缘的永磁体的运动磁场特点及其惯量状态提供一种节电控制的新思路，结构简单，电能转换效率高。

附图说明

图1是所述控制装置的一种主电路结构及逻辑控制关系示意图；

图2是一种逻辑电源分立开关电路和控制模块的逻辑控制关系示意图；

图3是环绕转轴设置两层结构的一种旋转叶片的结构示意图；

图4是在旋转叶片叶缘增加设置机械固定环的结构示意图；

图5是所述控制装置与磁转体相邻安装的一种局部结构示意图；

图6是图5示例的局部俯视结构示意图；

图7是所述控制装置与磁转体相邻安装的另一种局部结构示意图；

图8是所述控制装置与磁转体相邻安装的又一种局部结构示意图；

图9是所述基准法线的示意图；

图10是基准时刻之前电磁极与相向永磁体的磁极相反的局部示意图；

图11是基准时刻之后电磁极与相向永磁体的磁极相同的局部示意图；

图12是对应旋转叶片的旋转划分为2n个T/2n时序扇区的局部示意图；

图13是一种在基准时刻之后的T/2n时域内截止周期脉冲电流的波形示意图；

图14是一种基准时刻之前、后T/2n时域内启动/截止周期脉冲电流的示意图。

附图标识：

1、电磁装置 2、逻辑电源 3、信号传感器 4、旋转叶片 4a、转轴

4b、叶缘 4c、固定环 5、永磁体 5a、磁极线 6、法线

8、基准法线 9、磁作用力线 m、间隙 N/S、磁极 t、时间

n、永磁体数 A、电流强度 T、周期时间

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，本实用新型所述的逻辑电源常规采用逻辑数字技术及运算电路实现，其子模块一般包括：逻辑接口电路、内贮有通电控制程序的微处理器和信号输入处理电路以及外围电路等，能通过输入信号进行相应的数模变换并根据设定的控制逻辑输出时序电流，内贮可供编程。目前市场有较多集成模块产品，通过编程一般可满足工作要求。图1所示的是控制装置主要部件的电路结构及逻辑控制关系；当一体化模块不能满足大功率输出时，可把逻辑电源分立大功率开关电路配合控制模块以满足具体设计要求，其一种主电路结构及逻辑控制关系如图2所示。

所述控制装置的控制对象是n≥2片的旋转叶片，本实用新型称为磁转体，结构特点是在叶缘部位设置有永磁体，叶缘指旋转叶片的外侧(最内侧是转轴部位)；旋转叶片的基体由非磁性的固体成型材料制成，永磁体为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的材料；永磁体有三种典型的磁极线5a排布特征形式：磁极线5a沿法线6方向设置，所述的法线是指由旋转叶片的转轴与叶缘的连线方向；或磁极线5a沿叶缘旋转的切线6方向设置；磁极线5a也可以沿转轴4a的方向设置。实际设计中，磁极线的排布方向可偏转一定角度，以配合旋转叶片的转速设计。永磁体优选形状相同，优选高磁通密度的产品，在不影响安装的前提下不限形状。

所述组合成磁转体的旋转叶片4还可以设计为环绕转轴4a设置的多层结构，优选每层叶片的结构和永磁体5的排布方式相同，其一种环绕转轴设置两层结构的旋转叶片如图3所示(磁极线5a沿转轴4a的方向设置)；设置多层结构主要为配合设计多个电磁装置，满足一些紧凑型旋转叶片系统的设计要求。当旋转叶片较长并且质量较大，为了防止叶片变形以及固定永磁体的需要，可以对若干叶片增加紧固件，例如可在叶缘部位增设机械固定环，其一种结构示意如图4所示。

所述控制装置对旋转叶片4是采用叶缘驱动的控制形式；电磁装置1的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，优选导磁率较高的产品，磁芯形状任意，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。间隙m是电磁装置1通电时磁芯产生的电磁极与所述永磁体的旋转周线的间距，隐含了业内公知的磁相互作用的技术要求；磁作用的间隙是磁体之间作用的能量通道，间隙越小越有利于磁作用的传递，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设置至少一组线圈，意为至少一组，包括电磁力线圈与磁电感应线圈合二为一设置的一组；由于电磁力线圈的功能是产生电磁极，磁电感应线圈的功能是作为信号传感器，实用设计优选设置两组以上，其中一组以上为电磁力线圈，电连接逻辑电源的直流电源输出端；另外一组以上为磁电感应线圈，电连接逻辑电源的信号输入端。根据旋转叶片正常运行需要的电磁作用力，电磁力线圈可设置多个；根据对基准时刻精度及可靠性要求，磁电感应线圈也可设置多个；配套的逻辑电源相应设置多路的直流电源输出端和信号输入端。

信号传感器的功能是获得基准时刻信号，信号来源优选电磁装置的磁电感应线圈，换言之信号传感器的功能可由磁电感应线圈实现；信号传感器并不局限于采用磁电感应线圈，也可采用光电转换装置或其他电信号传感形式，例如可在基准法线配合设计光源，利用运动光源和光电转换装置的耦合来实现采集基准时刻信号；电信号逻辑处理功能可以与控制模块内贮的通电控制程序一体化设计。

图5是所述控制装置在一种两叶式磁转体的安装示例，磁极线5a沿旋转叶片的法线方向排布，永磁体5与电磁装置1沿法线方向周期性相对，局部俯视如图6所示；图7是控制装置在两叶式磁转体的另一种安装示例，磁极线5a沿旋转叶片的转轴4a方向排布，永磁体5与电磁装置1在旋转叶片的侧面周期性相对；图6和图7示例是由电磁装置的磁电感应线圈作为信号传感器，图8是一种独立设置信号传感器3的控制装置在磁转体的安装示例。永磁体伴随叶片旋转的运行轨迹是闭合圆周线，为周围空间提供了一个周期性脉动磁场，信号传感器可把该脉动磁场变换为电信号反馈给逻辑电源，为控制装置控制磁转体的运行提供了信号依据。

基准法线8由旋转叶片的转轴4a与电磁装置1的磁芯安装位置所确定，如图9所示，基准时刻由逻辑电源2依据永磁体5前转至基准法线8而获得；逻辑电源获得的是一个强弱随时间正态分布的模拟电信号，在对应永磁体旋转至基准法线的状态可获得信号最大值，根据该信号最大值的时刻判定为基准时刻。

逻辑电源输出的脉冲直流电通过电磁装置产生的是脉冲电磁极，所述在基准时刻之前或/和基准时刻之后的T/2n时域内提供直流电，不包括基准时刻供电，基准时刻对应为永磁体受到的磁作用力无切向分力，对旋转叶片前转无益。

所述周期性的脉冲电磁极使旋转叶片获得前转增量，隐含了电磁装置供电时域、电流方向/电磁极方向的多重技术含义：要使旋转叶片获得前转增量，电磁极的极性必须对应在基准时刻之前与相向永磁体5的磁极相反(如图10所示)，或对应在基准时刻之后与相向永磁体5的磁极相同(如图11所示)，否则，电磁装置提供直流电产生的电磁极不能使旋转叶片获得前转增量。同时，获得前转增量还隐含了：如果电磁装置产生的电磁极与相向永磁体的距离太远，不再存在明显的电磁力作用，此时逻辑电源的供电属于无前转增量可言，白浪费电能。

所述的“逻辑电源对应磁转体的一个旋转周期而设置n个脉冲电流周期，通过信号传感器获得基准时刻信号，控制电磁装置在基准时刻之前或/和基准时刻之后的T/2n时域内通直流电”的技术涵义也可以变换表述为：逻辑电源依次记录当前基准时刻与上一基准时刻的间隔时间，判定当前脉冲直流电的周期时间/频率，并结合实时信号对电磁装置提供脉冲直流电，包括启动/截止通电时刻、通电时域和周期时间/频率，通过内贮通电控制程序结合实时信号共同控制磁转体实时转速。

逻辑电源对应旋转叶片每个旋转周期的脉冲电流周期数，与旋转叶片的片数n直接相关，例如对应2个旋转叶片相应设置2个脉冲电流周期，对应8个旋转叶片相应设置8个脉冲电流周期。该n个脉冲电流周期等效于把旋转叶片一个旋转周期随时间流划分为2n个旋转过程的扇区，永磁体5在旋转叶片上2n个旋转扇区运行的相应时间为T/2n，如图12所示。逻辑电源根据传感信号可获知任基准时刻以及与上一个基准时刻的间隔时间，内贮的通电控制程序即可计算出永磁体前转的当前速率，进而在设定的T/2n时域内提供控制程序确定的周期脉冲电流。

所述的一个脉冲电流周期的技术涵义并非限于一个脉冲电流。对应旋转叶片的一个旋转周期，可以相应设计n个或2n个脉冲直流电；启动通电时刻在基准时刻之前的T/2n时域内选取，电流方向为电磁装置1产生的电磁极与相向永磁体5的极性相反；或者，截止通电时刻在基准时刻之后的T/2n时域内选取，电流方向为电磁装置1产生的电磁极与相向永磁体5的极性相同。

上述启动/截止通电时刻可根据旋转叶片的结构结合间隙m的运动模型而设置，当运动模型复杂(永磁体与电磁装置之间的磁相互作用并存法向、切向以及转轴方向的动态矢量)，工程界人士更倾向于实验测定。由于限定了对应旋转叶片一个旋转周期设置n个脉冲电流周期以及间隙m的存在，决定了启动通电不可能超出基准时刻之前的T/2n时域，截止通电也不可能超出基准时刻之后的T/2n时域。

所述周期脉冲电流每次通电时间小于T/6n时域是一种技术方案优选，由于永磁体在绕轴运动中所受到电磁装置的电磁作用力同时并存着切向分力(增益来源)和法向分力(无增益)，并且伴随着永磁体的绕轴旋转而此消彼长，因此每次通电时间的设计原则是多利用切向分力、少做无用功。

实时周期时间T即旋转叶片实时运行每旋转一个周期的时间，隐含了逻辑电源提供周期脉冲电流的频率和转速的关系，通过控制对电磁装1提供周期脉冲电流的频率，即可以控制旋转叶片运行在所预设的实时转速。

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。

实施例1、

设计一种控制装置，该控制装置包括电磁装置1、逻辑电源2、信号传感器3，控制对象为空气交换用的两片旋转叶片4，其长度80Cm，叶缘4b宽10Cm，厚5Cm，两叶缘分别设置1个面积10×5Cm、厚1Cm的永磁体5，两片旋转叶片相隔180度排布，磁极线5a沿转轴4a方向设置且两个永磁体的磁极排布方向相同。

电磁装置1包括凹形磁芯和两组线圈，磁芯采用高导磁率的特种稀土材料制成，其中一组电磁力线圈由铜导线(载流100A以上)环绕磁芯而成，绕组300匝以上，具体匝数根据实验调整；另一组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50匝以上，具体匝数根据逻辑电源的信号处理精度调整。

逻辑电源2包括开关电路、控制模块和一组铅酸蓄电池的电源；电源连接开关电路和控制模块；控制模块内贮有通电逻辑处理及控制程序，其逻辑控制端连接所述开关电路，其信号输入端连接电磁装置1的磁电感应线圈；开关电路的电源输出端连接电磁装置1的电磁力线圈。逻辑电源可将所述磁电感应线圈提供的模拟电流转换为数字逻辑控制信号，并根据通电逻辑控制开关电路的通、断。

本实施例安装时，电磁装置1的磁芯固定在旋转叶片叶缘4b上永磁体5运动周线的相邻部位，永磁体5的S磁极的运动周线面向电磁装置1的磁芯，局部安装结构示意如图7所示，间隙m为2.5mm(具体根据实验调整)。

本实施例中，旋转叶片的转轴4a与电磁装置的磁芯位置连线构成了基准法线8；预设控制旋转叶片的实时旋转周期T为2秒(0.5转/秒)，通电控制程序对应旋转叶片的每个旋转周期设置2个脉冲电流周期，每个周期1秒(T/n)，相应的T/2n时域为500毫秒；当旋转叶片开始前转(根据具体需要设置启动机)，逻辑电源2通过电磁装置1的磁电感应线圈获得基准时刻信号，从而在基准时刻起计第30毫秒发出逻辑指令，导通所述开关电路对电磁装置的电磁力线圈提供50毫秒直流电，使电磁装置1产生磁极线5a沿转轴4a方向且磁极性与相向永磁体5相同的S磁极，与相向永磁体产生同性相斥作用，使旋转叶片获得前转增益而惯性旋转。

本实施例所述在基准时刻之后提供脉冲直流电的波形示意如图13所示；逻辑电源通过内置通电控制程序对周期性脉冲电流的时域重复校正，依次记录基准时刻的间隔时间，并与上一次间隔时间比较，获知旋转叶片的当前转速，从而结合当前转速相应调整通电时域，使所述的两片旋转叶片运行在0.5转/秒。

实施例2、

实施例1对电磁装置1提供脉冲直流电是设置在基准时刻之后，本实施例设置为：在基准时刻之前和基准时刻之后均对电磁装置提供脉冲直流电；预设的旋转叶片旋转周期与实施例1相同，在基准时刻之后供电的控制方法在实施例1已详述，不再重复。当旋转叶片前转，逻辑电源2通过两次基准时间的间隔可区判出下一基准时间，进而在下一基准时间之前第80毫秒增加对电磁装置1的电磁力线圈导通50毫秒的直流电，控制电磁装置1面向旋转叶片4产生与相向永磁体5极性相反的电磁极，从而控制电磁极与相向永磁体的磁相互作用在基准时刻之前产生异性相吸、基准时刻之后产生同性相斥，使旋转叶片4获得倍增的前转增益。

本实施例所述在基准时刻之前、后提供脉冲直流电的波形示意如图14所示。

实施例3、

在实施例1的基础上进行控制技术方案改进，逻辑电源2的内贮通电控制程序增设控制旋转叶片4运行工况的程序，设定转速上限和下限。当旋转叶片的转速达到设定的0.55转/秒上限，控制逻辑电源2暂停供电；当旋转叶片的转速降到设定的0.45转/秒下限，控制逻辑电源2重新启动对电磁装置1供电。

本实施例可把旋转叶片的转速控制在设定的工况，节省电能。

Claims (6)

1.一种用于磁转体的控制装置，其特征在于，包括电磁装置(1)、逻辑电源(2)和信号传感器(3)；所述的电磁装置(1)包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈；所述的线圈和信号传感器(3)的信号端分别连接逻辑电源(2)；所述的逻辑电源(2)包括开关电路、控制模块和电源；电源分别连接开关电路、控制模块；开关电路的电源输出端连接所述电磁装置(1)的线圈；控制模块内贮有通电控制程序，其逻辑控制端连接开关电路，其信号输入端连接信号传感器(3)；所述的磁转体由n片旋转叶片(4)组成，带转轴(4a)并在叶缘(4b)部位设置有永磁体(5)，n为≥2的正整数；电磁装置(1)和信号传感器(3)相邻设置在所述永磁体(5)的旋转周线的部位，电磁装置(1)与永磁体(5)的旋转周线设置间隙m。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，逻辑电源(2)对应磁转体的一个旋转周期而设置n个脉冲电流周期，通过信号传感器(3)获得基准时刻信号，控制电磁装置(1)在基准时刻之前或/和基准时刻之后的T/2n时域内通直流电，并且每次通电时间小于T/6n，其余时间断电；基准法线(8)由所述磁转体的转轴(4a)与所述磁芯的位置所确定。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的电磁装置(1)的线圈设置两组以上，分别连接逻辑电源(2)的直流电源输出端和信号输入端。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述在旋转叶片的叶缘(4b)部位设置的永磁体(5)，其磁极线(5a)以转轴(4a)为参照的排布方式相同。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的n片旋转叶片(4)环绕磁转体的转轴(4a)设置为多层结构。

6.根据权利要求1或5所述的控制装置，其特征在于，所述的n片旋转叶片(4)设置有机械固定环(4c)。

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