TWI538361B - 筒形永磁調速聯軸器 - Google Patents

Description

筒形永磁調速聯軸器

本發明是有關於一種永磁調速聯軸器，特別是有關於一種筒形永磁調速聯軸器。

永磁調速聯軸器(Permanent Magnetic Coupling Device)是一種透過氣隙傳遞轉矩的傳動設備，現有的永磁調速聯軸器主要由導體轉子、永磁轉子兩部分組成。導體轉子固定在主動軸上，與電動機端相連；永磁轉子則固定在負載軸上，與負載相連。在導體轉子和永磁轉子之間有間隙。這樣馬達和負載的連接會由原來的機械連結變為磁性連結。通過調節永磁轉子相對於導體轉子間的氣隙距離或面積，即可改變負載軸上的輸出轉矩，從而調節負載轉速。

永磁調速聯軸器在實際應用上具有以下優點：可使驅動馬達空載啟動，降低馬達的啟動電流，延長馬達壽命，減少對電力系統的影響；由於採用氣隙傳遞轉矩，因而降低了對電機和負載設備的連接精度，減少了機械振動和雜訊；採用永磁調速聯軸器可實現流量或壓力的連續調節， 相較於採用閥門或風門擋板相比要節約電能。

但是相對地，永磁調速聯軸器需要將轉差功率消耗在導體轉子上，其中溫升與損耗成正比關係，損耗越大，溫升越高。當超過限值，導體轉子會過熱損害，嚴重時，會有裂紋，更有甚者，會融化掉。除此之外，導體轉子上的損耗分佈是不均勻的，損耗密度與該點的磁密相關。靠近永磁轉子的部分，磁密較大，損耗也會偏高。若局部損耗值高過一定值，導體轉子局部會形成過熱點，即使導體轉子整個的溫升沒有超過限值，但由於過熱點的存在，也會使得導體轉子過熱造成損害。

永磁調速聯軸器可分為筒形、盤形以及複合形三種形式。第1A圖與第1B圖揭露了一種筒形永磁調速聯軸器於不同視角的剖面示意圖。筒形永磁調速聯軸器10包含有連接至電動機端的導體轉子20以及連接至負載端的永磁轉子30。當需要調整永磁轉子30的轉速時，會藉由調整永磁轉子30與導體轉子20之間的氣隙面積實現。但由於永磁轉子30大致上被導體轉子20所包圍，因此，在損耗較大的轉速區域，導體轉子20的散熱面積與氣隙較小，導致導體轉子20溫升和局部熱損的現象更為明顯。

本發明提供了一種具有至少兩種氣隙的筒形永磁調速聯軸器，用以改善筒形永磁調速聯軸器的散熱能力。在此，氣隙是指永磁轉子與導體轉子之間的徑向距離。

本發明之一態樣提供了一種筒形永磁調速聯軸器，包含一導體轉子以及一永磁轉子。導體轉子包含底部以及圍繞底部之側壁以定義容置腔，其中容置腔具有至少兩種不同的內徑。永磁轉子置於容置腔內，使永磁轉子與該導體轉子之間存在有至少兩種不同的氣隙。

於一或多個實施例中，容置腔具有開口，容置腔鄰近底部之內徑小於容置腔鄰近於開口之內徑。

於一或多個實施例中，導體轉子連接至電動機，永磁轉子連接至負載端。

於一或多個實施例中，導體轉子包含具有底部與側壁之導磁圓筒以及設置於側壁內表面的導體環。

於一或多個實施例中，導體環的材料為銅或鋁或鐵銅合金。

於一或多個實施例中，側壁包含鄰接於底部之基部以及與基部連接之延伸部，基部之內徑小於延伸部之內徑。

於一或多個實施例中，基部以及延伸部沿軸向的剖面形狀均為矩形。

於一或多個實施例中，基部沿軸向的剖面形狀為矩形，延伸部沿軸向的剖面形狀為梯形，且在基部到延伸部的方向上的延伸部的內徑逐漸增大。

於一或多個實施例中，基部以及延伸部沿軸向的剖面形狀均為梯形。

於一或多個實施例中，其中延伸部沿軸向的剖面形狀為矩形，基部沿軸向的剖面形狀為梯形，且在底部到開 口的方向上的基部的內徑逐漸增大。

於一或多個實施例中，基部與延伸部的軸向長度均大於永磁轉子的軸向長度。

於一或多個實施例中，永磁轉子包含導磁圓環以及設置於導磁圓環之側面的永磁體。

於一或多個實施例中，氣隙為至少4毫米。

筒形永磁調速驅動之導體轉子具有兩種以上的內徑，使得導體轉子與永磁轉子之間具有兩種以上的氣隙。當藉由改變導體轉子以及永磁轉子之間的相對位置以調整輸出時，兩者之間的氣隙會逐漸增加，藉以提升導體轉子的散熱能力，並且可以達到減少拉動導體轉子之出力的功效。

10、100‧‧‧筒形永磁調速聯軸器

20、110‧‧‧導體轉子

30、140‧‧‧永磁轉子

120‧‧‧導磁圓筒

122‧‧‧底部

124‧‧‧側壁

126‧‧‧基部

128‧‧‧延伸部

130‧‧‧導體環

142‧‧‧導磁圓環

144‧‧‧永磁體

150‧‧‧容置腔

152‧‧‧開口

200‧‧‧電動機

300‧‧‧負載端

d1、d2‧‧‧內徑

B-B、C-C‧‧‧線段

第1A圖與第1B圖揭露了一種筒形永磁調速聯軸器於不同視角的剖面示意圖。

第2圖繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第一實施例的剖面示意圖。

第3圖為不同的筒形永磁調速聯軸器在調速過程中的軸向力比較圖。

第4A圖與第4B圖分別為導體轉子在基部以及延伸部的右視圖。

第5圖繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第二實施例 的剖面示意圖。

第6圖繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第三實施例的剖面示意圖。

第7圖繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第四實施例的剖面示意圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

綜上所述，為了改善筒形永磁調速聯軸器的散熱能力，本發明提出了一種氣隙可變的筒形永磁調速聯軸器，當調整筒形永磁調速聯軸器時，永磁轉子以及導體轉子之間的氣隙會隨之變化，以提升筒形永磁調速聯軸器的散熱能力。

參照第2圖，其繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第一實施例的剖面示意圖。筒形永磁調速聯軸器100包含有導體轉子110以及永磁轉子140。導體轉子110包含有底部122以及圍繞底部122的側壁124。底部122以及側壁124共同定義出一容置腔150，永磁轉子140則是設置于容置腔150內。容置腔150具有至少兩種不同的內徑，使得永磁轉子140和導體轉子110之間存在有至少兩種不同的氣隙。其中導體轉子110和永磁轉子140之間的氣隙為至 少4毫米。

更具體地說，容置腔150具有開口152，以供永磁轉子140進入容置腔150中。開口152以及底部122分別位於側壁124的相對兩端。容置腔150鄰近於底部122的內徑，如內徑d1，小於容置腔150鄰近於開口152之內徑，如內徑d2。

導體轉子110為連接至一電動機200，永磁轉子140為連接至負載端300，兩者之間採用氣隙傳遞轉矩，並藉由氣隙面積調整永磁轉子140的轉速。

導體轉子110包含有導磁圓筒120以及導體環130。導磁圓筒120包含有前述之底部122以及側壁124。 導體環130則是設置於側壁124的內表面。導磁圓筒120之材料可以為低碳鋼或矽鋼片，導體環130之材料可以為銅或鋁或鐵銅合金。

導磁圓筒120之側壁124包含有基部126以及延伸部128。且導磁圓筒120在基部126的內徑d1會小於導磁圓筒120在延伸部128的內徑d2。本實施例中，基部126以及延伸部128沿軸向(平行于軸向)的剖面形狀大致上均為矩形，並且導磁圓筒120在基部126的內徑d1小於導磁圓筒120在延伸部128的內徑。基部126以及延伸部128的軸向長度均分別大於永磁轉子140的軸向長度。

導磁圓環142之材料可以為低碳鋼或矽鋼片。永磁體144之材料可以為釹鐵硼永磁材料。永磁體144之數量可以為多個。永磁體144以及導體環130位於導磁圓筒120 以及導磁圓環142之間。

基部126上的導體環130與永磁轉子140距離較近，延伸部128上的導體環130與永磁轉子140的距離較遠。延伸部128上之導體環130內徑d2與基部126上之導體環130內徑d1的比值介於1.0至1.5之間，亦即，d2/d1大於1且小於等於1.5。當需要降低負載轉速時，永磁轉子140沿著軸向遠離導體轉子110方向移動，與永磁轉子140相對的導體環130由基部126逐漸過渡為延伸部128，導體轉子110和永磁轉子140之間的軸向氣隙長度也會增加。此時導體環130上的損耗逐漸增加。由於採用了2段氣隙方案，當損耗增加時，導體轉子110和永磁轉子140之間的徑向距離也會增加。隨著徑向距離的增加，通過的風量就會增加，能帶走更多熱量，降低導體轉子110的溫升。另一方面，由於導體轉子110上的磁密減小了，導體轉子110的局部損耗也會降低，減小了導體轉子110最熱點的溫度，保護導體轉子110不會局部過熱。

以一台額定轉速為1500rpm，功率300kw的筒形永磁調速聯軸器(PMD)為例，如第1A圖所示之筒形永磁調速聯軸器10之導體轉子20的內徑為408mm，長度為100mm；同樣功率的兩段氣隙筒形永磁調速器100，如第2圖所示，基部126之導體環130內徑d1為408mm，延伸部128之導體環130之內徑d2為416mm，導體轉子110的長度200mm。筒形永磁調速器10、100各自的永磁轉子30、140相同，轉子直徑為400mm。兩段氣隙之筒形永磁調速器100 較習知的筒式永磁調速器10在導體損耗功率最大時氣隙長度增加1倍(由4mm增加至8mm)，風量增加一倍，散熱面積增加30%，局部損耗最大值由734W/mm²下降至514W/mm²，下降了30%。

接著再比較這兩種筒形永磁調速聯軸器10、100在調速過程中負載軸需要的軸向力，計算結果如第3圖所示。 當永磁轉子30、140分別與導體轉子20、110完全耦合時，負載軸轉速最大，此時橫坐標對應的移動位移是0；當永磁轉子30、140分別拉出導體轉子20、110時，負載軸轉速為0，此時習知筒形永磁調速聯軸器10的移動位移為100mm，本發明一實施例之兩段氣隙的筒形永磁調速聯軸器100的移動位移為200mm。在整個調速範圍內，習知筒形永磁調速聯軸器10受到的軸向力最大值為1.48kN，兩段氣隙的筒形永磁調速聯軸器100受到的軸向力最大值為1.33kN，由此可知，兩段氣隙的筒形永磁調速聯軸器100較習知筒形永磁調速聯軸器10拉動導體轉子20、110需要的軸向力減少8.5%。因此，兩段氣隙的筒形永磁調速聯軸器在調速過程中，負載軸所需的軸向力更小，從而可減少執行機構(未畫出)的出力，縮小機構的體積，降低成本。

請同時參照第4A圖與第4B圖，其分別為導體轉子110在基部126以及延伸部128的右視圖。從圖中可以明顯地得知，導體轉子110在基部126的內徑d1小於導體轉子110在延伸部128的內徑d2。導體環130為設置於基部126以及延伸部128的內表面。

再回到第2圖，本發明所提供之筒形永磁調速聯軸器100可以提供兩種以上的氣隙(即，永磁體144以及導體環130之間的徑向距離)，當轉子損耗增加時，氣隙亦隨之加大以提供更佳的散熱能力，降低導體轉子110的溫升。

筒形永磁調速聯軸器100如何降低導體轉子110溫升的原理已經詳述於以上實施例，在接下來的實施例中，將僅針對導體轉子110的變形進行說明，與之前實施例相同之處將不再贅述。

參照第5圖，其繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第二實施例的剖面示意圖。筒形永磁調速聯軸器100包含有導體轉子110以及永磁轉子140。導體轉子110具有容置腔150，永磁轉子140則是設置于容置腔150內，容置腔150具有至少兩種不同的內徑，使得永磁轉子140和導體轉子110之間存在有至少兩種不同的氣隙。

導體轉子110連接至電動機200，導體轉子110包含有導磁圓筒120以及分佈於導磁圓筒120之側壁內表面的導體環130。永磁轉子140連接至負載端300，永磁轉子140包含有導磁圓環142以及設置於導磁圓環142之側面的永磁體144。

側壁124包含有基部126以及延伸部128，其中基部126鄰接於底部122，延伸部128連接於基部126。本實施例中，基部126沿著軸向的剖面形狀為矩形，而延伸部128沿著軸向的剖面形狀為梯形，尤其是寬度從接近基部126之一端向另一端漸減的梯形，使得容置腔150鄰近於開 口152處的內徑大於鄰近於底部122處的內徑。並在基部126到延伸部128的方向上的延伸部128的內徑d2逐漸增大。

基部126以及延伸部128之軸向長度分別大於永磁轉子140的軸向長度。

筒形永磁調速聯軸器100如何配合不同負載提供不同的氣隙寬度，以及如何提升其散熱能力以及減少拉動導體轉子110所需之出力的原理與第一實施例相同，在此不再贅述。

參照第6圖，其繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第三實施例的剖面示意圖。導磁圓筒120之側壁124包含有基部126以及延伸部128。且導磁圓筒120在基部126的內徑d1會小於導磁圓筒120在延伸部128的內徑d2。本實施例中，基部126沿著軸向的剖面形狀為梯形，並且是寬度從底部122開始向另一端漸減的梯形。延伸部128沿著軸向的剖面形狀為矩形，使得容置腔150鄰近於開口152處的內徑大於鄰近於底部122處的內徑，且在底部122到開口152的方向上的基部126的內徑d1逐漸增大。

參照第7圖，其繪示本發明之筒形永磁調速聯軸器第四實施例的剖面示意圖。

本實施例與之前實施例不同的地方在於，導磁圓筒120之側壁124沿軸向的剖面形狀為梯形，使得容置腔150沿軸向的剖面形狀亦為梯形，尤其是內窄外寬的梯形。導磁圓筒120在鄰近底部122的內徑d1會小於導磁圓筒120 鄰近開口152的內徑d2。換言之，本實施例可以視為基部126以及延伸部128均為梯形的一種變形態樣。

從以上實施例可以得知，筒形永磁調速驅動之導體轉子具有兩種以上的內徑，使得導體轉子與永磁轉子之間具有兩種以上的氣隙。當藉由改變導體轉子以及永磁轉子之間的相對位置以調整輸出時，兩者之間的氣隙會逐漸增加，藉以提升導體轉子的散熱能力，並且可以達到減少拉動導體轉子之出力的功效。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。

100‧‧‧筒形永磁調速聯軸器

110‧‧‧導體轉子

120‧‧‧導磁圓筒

122‧‧‧底部

124‧‧‧側壁

126‧‧‧基部

128‧‧‧延伸部

130‧‧‧導體環

140‧‧‧永磁轉子

142‧‧‧導磁圓環

144‧‧‧永磁體

150‧‧‧容置腔

152‧‧‧開口

200‧‧‧電動機

300‧‧‧負載端

d1、d2‧‧‧內徑

B-B、C-C‧‧‧線段

Claims (14)

1. 一種筒形永磁調速聯軸器，包含：一導體轉子，包含一底部以及圍繞該底部之一側壁以定義一容置腔，其中該容置腔具有至少兩種不同的內徑；以及一永磁轉子，置於該容置腔內，使該永磁轉子與該導體轉子之間存在有至少兩種不同的氣隙，其中該氣隙為該永磁轉子與該導體轉子之間的徑向距離。
2. 如請求項1所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該容置腔具有一開口，該容置腔鄰近該底部之內徑小於該容置腔鄰近於該開口之內徑。
3. 如請求項1所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該導體轉子連接至一電動機，該永磁轉子連接至一負載端。
4. 如請求項1所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該導體轉子包含具有該底部與該側壁之一導磁圓筒以及設置於該側壁內表面的一導體環。
5. 如請求項4所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該導磁圓筒的材料為低碳鋼或矽鋼片。
6. 如請求項4所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該導體 環的材料為銅或鋁或鐵銅合金。
7. 如請求項4所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該側壁包含鄰接於該底部之一基部以及與該基部連接之一延伸部，該基部之內徑小於該延伸部之內徑。
8. 如請求項7所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該基部以及該延伸部沿軸向的剖面形狀均為矩形。
9. 如請求項7所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該基部沿軸向的剖面形狀為矩形，該延伸部沿軸向的剖面形狀為梯形，且在該基部到延伸部的方向上的該延伸部的內徑逐漸增大。
10. 如請求項7所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該基部以及該延伸部沿軸向的剖面形狀均為梯形。
11. 如請求項7所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該延伸部沿軸向的剖面形狀為矩形，該基部沿軸向的剖面形狀為梯形，且在該底部到開口的方向上的該基部的內徑逐漸增大。
12. 如請求項7所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該基部與該延伸部的軸向長度均大於該永磁轉子的軸向長度。
13. 如請求項1所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該永磁轉子包含一導磁圓環以及設置於該導磁圓環之側面的複數個永磁體。
14. 如請求項1所述之筒形永磁調速聯軸器，其中該氣隙為至少4毫米。