CN101252306A - 混合励磁盘式涡流传动调速装置 - Google Patents
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Abstract
混合励磁盘式涡流传动调速装置是一种输出功率、转矩大，并能实时调节输出功率、转矩的混合励磁涡流传动装置，该装置的主动转动体(1)表面贴有外环永磁极(21)、内环永磁极(22)、外环铁心极(71)和内环铁心极(72)，在主动转动体(1)表面的环形磁极凹槽(11)内安装直流励磁绕组(8)；被动转动体(10)由开槽的铜盘(3)和背轭(4)构成，铜盘槽(31)内采用高导磁的填充材料(32)填充。主动转动体(1)固定于输入转轴(5)，被动转动体(10)固定于输出转轴(6)；该电机采用铜盘开槽结构提高了输出功率，通过调节直流励磁绕组(8)的电流大小和方向可方便地调节气隙磁场的大小，从而调节转速、输出功率和输出转矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合励磁盘式涡流传动调速装置，属于电动机制造的技术领域。
背景技术
永磁传动技术的应用已有几十年的历史，它的应用之一是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件，内外磁部件由隔离罩分开，从而工作轴无须伸出所要封闭的空间，取消了动密封，实现了无密封、零泄漏。主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。
永磁传动技术的另一应用是电励磁涡流传动装置，电励磁涡流传动装置使用了磁滞材料，是该装置的一大特色。磁滞材料与永磁材料的区别是前者容易改变极性，所以容易调节转矩，提供了优良的操作性能，目前它得到了广泛的应用。但它的额定转矩小，因为在额定转矩时，离合器开始滑动，磁滞材料由系统吸收能量，由于磁极的变化，动能变成热量，这部分热量应及时的散失和冷却。电励磁涡流传动装置转矩的调整控制由励磁线圈提供，需要直流电源及控制系统，它在自动控制系统中是最佳的选择。磁力装置与传感器、微处理器的集成可为某些工艺过程实现自动化。例如当卷绕机的卷径不断增加时，通过控制励磁电流变化，从而转矩亦随之相应地变化，以保证获得恒定的张力。这对印刷机类—凹印机，纺织机类—验布机，纸张处理机类—裁纸机，金属处理机类—镀膜机、线切割机、钢条热处理机、卷材机，包装机类—制袋机等是十分可贵的。因此，它是几乎任何材料的拉伸和卷曲过程控制的优良选择。
永磁传动无励磁消耗，但由于它通过机械方式或伺服机构调节气隙大小，因此使得使用操作不方便。而电励磁传动调节方便，但电励磁功率消耗较大。此外，传统电励磁传动由于采用爪极结构，其散热性能较差。
本发明讨论的混合励磁盘式涡流传动调速装置技术结合了永磁、电励磁涡流传动技术的优点，将永磁传动的高功率密度与电励磁涡流传动的磁场可调结合起来，充分发挥了两者的优势，克服了各自的缺点，减小了电励磁损耗。通过高强度永磁极、可调磁铁心极和铜盘的相互作用，实现电机和负载之间通过气隙进行扭矩的传递；电机和负载之间相互保持独立运行，没有机械连结。此外，本发明采用了磁极盘式结构，其散热性能比电励磁传动的更好。它主要由两部分组成，一部分是由连接在驱动侧的高强度永磁(钕铁硼)极和可调磁铁心极转子组成；另一部分是由连接在负载侧的铜盘组成的铜转子上。
本发明讨论的混合励磁传动技术的工作原理是：铜转子和磁极转子可以自由地独立旋转，当磁极转子旋转时，铜转子与磁钢转子产生相对运动，交变磁场通过气隙在铜转子上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与磁极合成磁场(包括永磁磁场和电励磁磁场)相互作用，从而带动铜转子沿着与永磁转子相同的方向旋转，结果是在负载侧输出轴上产生扭矩，从而带动负载做旋转运动。通过调节直流励磁绕组的电流大小和方向，实现气隙磁场的增磁和弱磁，从而控制传递的扭矩，以获得可控制的负载转速、输出转矩和输出功率，从而实现负载转速、输出转矩和输出功率的调节。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种输出功率、转矩大，并能实时调节输出功率、转矩的混合励磁涡流传动装置。
技术方案：为了提高电机的输出功率、转矩，本发明采用了特殊的电机结构，即在被动转子的铜盘上进行开槽，槽内采用高导磁的填充材料填充，该结构比平板铜盘(不开槽)结构功率密度大，使得传动装置的传递功率更大，而在相同功率时，该结构比平板铜盘(不开槽)结构体积更小；为了调节输出功率、转矩，本发明引入了交错磁极和直流励磁绕组部分，从而实现混合励磁，交错磁极结构使得电机结构更为简单，励磁线圈长度比电励磁传动下的更短，因此电励磁损耗更小；此外，由于采用磁极盘式结构，其散热性能比电励磁传动更好。
铜盘开槽并采用高导磁的填充材料填充使得气隙磁通穿过高导磁物质进入到被动转子背轭，从而在铜盘中产生涡流。充分利用了铜的导电性和高导磁物质的导磁性，使得输出功率得以提高。
为了减小传动机构的附加同步转矩、附加异步转矩和单相振动力，被动转子铜盘上的开槽数遵循近槽配合原则，同时满足Q1≠Q2；Q1≠Q2±p；Q1-Q2≠(±1)；Q1-Q2≠(±p±1)。Q1为铜盘开槽数；Q2为永磁体数(为外环永磁极与内环永磁极的总数)；p＝Q2/2表示主动转动体极数。
本发明的混合励磁盘式涡流传动调速装置包括主动转动体、被动转动体、外环永磁极、内环永磁极、外环铁心极、内环铁心极和直流励磁绕组；该混合励磁盘式涡流传动调速装置的主动转动体有对称的两块，其轴心处固定于输入转轴上，主动转动体的外表面贴有交错排列的外环永磁极、内环永磁极、外环铁心极和内环铁心极，主动转动体表面的环形磁极凹槽内安装直流励磁绕组；被动转动体包括开槽的铜盘、背轭，背轭位于该装置的外侧，铜盘槽内采用高导磁的填充材料填充；开槽的铜盘位于背轭的内侧，被动转动体固定于输出转轴上。主动转动体表面的永磁极分为两部分，主动转动体外圈的永磁极为外环永磁极，主动转动体内圈的永磁极为内环永磁极；主动转动体表面的铁心极分为两部分，主动转动体外圈的铁心极为外环铁心极，主动转动体内圈的铁心极为内环铁心极；主动转动体表面的外环永磁极和内环永磁极的极性相异且交错排列；主动转动体表面的外环铁心极与内环铁心极交错排列；外环永磁极与外环铁心极交错排列；内环永磁极与内环铁心极交错排列。被动转动体采用开槽的铜盘，铜盘槽在铜盘的圆周上均匀分布，槽口朝向主动转动体，铜盘槽内由高导磁的填充材料填充。
无直流励磁电流时磁通路径为：外环永磁极、内环永磁极、被动转子铜盘槽、被动转子背轭、相邻铜盘槽、相邻的极性相异的内环永磁极外环永磁极、主动转子，最后回到外环永磁极、内环永磁极。
当直流励磁绕组中通入正向直流励磁电流时，励磁电流对气隙磁场起增磁作用。此时，同一转子极上的外环永磁极与内环铁心极、内环永磁极与外环铁心极极性相同。
当直流励磁绕组中通入反向直流励磁电流时，励磁电流对气隙磁场起弱磁作用。此时，同一转子极上的外环永磁极与内环铁心极、内环永磁极与外环铁心极极性相反。
涡流路径：在开槽的铜盘上，环绕槽口在外围铜盘上形成环流。
有益效果：本发明由于引入了交错磁极(永磁极与铁心极交错排列)结构、高强度永磁极、可调磁铁心极和直流励磁绕组，气隙磁场可得以有效调节，气隙磁密可在零至两倍永磁气隙磁密的宽范围内调节，从而实现转速、输出功率、输出转矩的自由调节，减小了电励磁损耗，充分结合了永磁传动与电励磁传动的优点又克服了各自的缺点。此外，由于被动转子铜盘开槽并采用高导磁的填充材料填充，可获得比永磁涡流传动装置更高的输出功率、转矩，从而提高装置的功率密度。
附图说明
图1本发明是混合励磁盘式涡流传动调速装置剖面示意图；
图2是本发明混合励磁盘式涡流传动调速装置主动转动体表面磁极(未放置励磁绕组)分布示意图；
图3是本发明混合励磁盘式涡流传动调速装置主动转动体表面磁极(放置励磁绕组)分布示意图；
图4是本发明混合励磁盘式涡流传动调速装置开槽铜盘(铜盘槽内未放置填充材料)示意图；
图5是本发明混合励磁盘式涡流传动调速装置开槽铜盘(铜盘槽内放置高导磁填充材料)及涡流示意图。
以上的图中有：主动转子1、外环永磁极21、内环永磁极22、铜盘3、铜盘槽31、填充材料32、背轭4、输入转轴5、输出转轴6、外环铁心极71、内环铁心极72、直流励磁绕组8、轴承9、被动转动体10、环形磁极凹槽11。
具体实施方式
本发明的混合励磁盘式涡流传动调速装置包括主动转动体1、被动转动体10、外环永磁极21、内环永磁极22、外环铁心极71、内环铁心极72和直流励磁绕组8：该混合励磁盘式涡流传动调速装置的主动转动体1有对称的两块，其轴心处固定于输入转轴5上，主动转动体1的外表面贴有交错排列的外环永磁极21、内环永磁极22、外环铁心极71和内环铁心极72，主动转动体1表面的环形磁极凹槽11内安装直流励磁绕组8；被动转动体10包括开槽的铜盘3、背轭4，背轭4位于该装置的外侧，铜盘槽31内采用高导磁的填充材料32填充；开槽的铜盘3位于背轭4的内侧，被动转动体10固定于输出转轴6上。主动转动体1表面的永磁极分为两部分：主动转动体1外圈的永磁极为外环永磁极21，主动转动体1内圈的永磁极为内环永磁极22；主动转动体1表面的铁心极分为两部分：主动转动体1外圈的铁心极为外环铁心极71，主动转动体1内圈的铁心极为内环铁心极72；主动转动体1表面的外环永磁极21和内环永磁极22的极性相异且交错排列；主动转动体1表面的外环铁心极71与内环铁心极72交错排列；外环永磁极21与外环铁心极71交错排列；内环永磁极22与内环铁心极72交错排列。被动转动体10采用开槽的铜盘3，铜盘槽31在铜盘3的圆周上均匀分布，槽口朝向主动转动体1，铜盘槽31内由高导磁的填充材料32填充。
本发明采用了特殊的混合励磁盘式涡流传动调速装置结构，即在被动转子的铜盘3中开槽并采用高导磁的填充材料32填充。主动转子1固定于输入转轴5上；极性相异的外环永磁极21、内环永磁极22和外环铁心极71、内环铁心极72交错排列粘贴在主动转子1的外表面；被动转动体10由铜盘3与背轭4构成并固定于输出转轴6上；外环铁心极71、内环铁心极72、主动转动体1、被动转动体10的背轭4和铜盘槽31内填充材料32均采用高导磁材料制成，输入转轴5和输出转轴6均采用非导磁钢。
此外，从提高电机气隙磁密和磁钢的热稳定性考虑，选择具有较高内禀矫顽力的钕铁硼永磁材料作为主动转动体1的外环永磁极21和内环永磁极22的材料。
铜盘开槽并采用高导磁材料填充使得气隙磁通穿过高导磁物质进入被动转子背轭，从而在铜盘中产生涡流。充分利用了铜的导电性和高导磁物质的导磁性，使得输出功率得以提高。
Claims (3)
1.一种混合励磁盘式涡流传动调速装置，包括主动转动体(1)、被动转动体(10)、外环永磁极(21)、内环永磁极(22)、外环铁心极(71)、内环铁心极(72)和直流励磁绕组(8)，其特征是：该混合励磁盘式涡流传动调速装置的主动转动体(1)有对称的两块，其轴心处固定于输入转轴(5)上，主动转动体(1)的外表面贴有交错排列的外环永磁极(21)、内环永磁极(22)、外环铁心极(71)和内环铁心极(72)，主动转动体(1)表面的环形磁极凹槽(11)内安装直流励磁绕组(8)；被动转动体包括开槽的铜盘(3)和背轭(4)，背轭(4)位于该装置的外侧，铜盘槽(31)内采用高导磁的填充材料(32)填充；开槽的铜盘(3)位于背轭(4)的内侧，被动转动体(10)固定于输出转轴(6)上。
2.根据权利要求1所述的混合励磁盘式涡流传动调速装置，其特征是主动转动体(1)表面的永磁极分为两部分，主动转动体(1)外圈的永磁极为外环永磁极(21)，主动转动体(1)内圈的永磁极为内环永磁极(22)；主动转动体(1)表面的铁心极分为两部分，主动转动体(1)外圈的铁心极为外环铁心极(71)，主动转动体(1)内圈的铁心极为内环铁心极(72)；主动转动体(1)表面的外环永磁极(21)和内环永磁极(22)的极性相异且交错排列；主动转动体(1)表面的外环铁心极(71)与内环铁心极(72)交错排列；外环永磁极(21)与外环铁心极(71)交错排列；内环永磁极(22)与内环铁心极(72)交错排列。
3.根据权利要求1所述的混合励磁盘式涡流传动调速装置，其特征是被动转动体(10)采用开槽的铜盘(3)，铜盘槽(31)在铜盘(3)的圆周上均匀分布，槽口朝向主动转动体(1)，铜盘槽(31)内由高导磁的填充材料(32)填充。
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