CN101645644B - 永磁复合式异步联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种永磁复合式异步联轴器。包括内置切向式永磁磁极主动转子、复合式从动转子、隔离罩三个部分。本发明通过磁场耦合实现传动，是一种主动侧与从动侧存在有转差的永磁异步联轴器。特别是一种主动侧转子采用内置切向式永磁结构，从动侧转子采用复合式结构，且依靠涡流形成从动侧转子磁场的永磁异步联轴器。本发明的克服了现有永磁异步联轴器的缺点，改进了性能，拓展了适用范围，能在全转差范围内，无论是轻载、重载，还是低速、高速等传动场合以及稳态、动态过程中，都具有优异的机械特性。

Description

永磁复合式异步联轴器

(一)技术领域

本发明涉及一种联轴器。特别是一种永磁异步联轴器。

(二)背景技术

随着永磁材料、电工材料等技术的发展，以及电磁场分析方法、手段的完善，永磁联轴器作为一种新型的机械传动装置，开始被广泛应用于对密封有特殊要求的环境，如石油、化工、真空、低温、制药、食品、航空等领域。根据主动转子和从动转子两者之间的转速关系，可将永磁联轴器分为永磁同步联轴器和永磁异步联轴器。永磁同步联轴器，例如专利93112868.4，主动转子和从动转子表面都存在由永磁材料制成的永磁磁极，因此从动转子转速必须保持与主动转子转速同步，才能稳定工作，这种结构的永磁联轴器只适用于对转速精度要求很高的场合。涡流式永磁异步联轴器利用永磁磁极形成一侧(主动侧或从动侧)磁场，同时利用涡流形成另一侧(从动侧或主动侧)磁场，两个磁场相互作用，实现传动。现有的涡流式永磁异步联轴器，按涡流磁场侧转子结构的不同，可归纳为两种：第一种，在运行时涡流回路与磁路共处于同一结构部件中，例如公开号为GR3026455(T3)的专利文件中，具有这种结构的联轴器，其性能与一台实心转子电动机近似，在大转差率运行时能够提供很大的电磁转矩，但转差率减小时转矩迅速下降，机械特性过软，且发热严重，传动效率低；第二种，在运行时涡流回路与磁路分别处于不同结构部件中，例如公开号为GB719303(A)的专利文件，具有这种结构的联轴器，其性能与一台鼠笼转子电动机近似，在小转差率运行时，机械特性较好，但是当转差率大于某一数值(临界转差率)后，转矩迅速减小，机械特性变差，甚至无法满足带载稳定运行的需求，且无法重载起动。此外，现有的永磁联轴器无论是同步式还是异步式，其永磁磁极大多采用了表面粘贴式结构，不仅不利于耦合磁场磁通密度的提高，而且也无法满足高速传动的需求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种无论是轻载、重载，还是低速、高速等传动场合以及稳态、动态过程中，都具有优异的机械特性；适用范围广的永磁复合式异步联轴器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的永磁复合式异步联轴器包括内置切向式永磁磁极主动转子、复合式从动转子、隔离罩三个部分；内置切向式永磁磁极主动转子由隔磁轴套1、永磁磁极2、第一铁芯3构成，隔磁轴套1用于连接原动机的输出轴，第一铁芯3由实心铁磁材料制成，第一铁芯3与隔磁轴套1之间固定，永磁磁极2由永磁材料制成，放置在第一铁芯3内的轴向槽中；复合式从动转子由套筒4、第一端环5、第二端环13、导条6、第二铁芯7、基座8、第二端盖12构成，套筒4由铁磁材料制成，第二铁芯7由硅钢片叠压制成，在第二铁芯7内表面开有沿圆周均匀分布的轴向槽，槽内放置导条6，导条6由导电性能良好的金属导体制成，各导条6的两端分别通过第一端环5和第二端环13短接在一起，第一端环5和第二端环13也由导电性能良好的金属导体制成，套筒4、第一端环5、第二端环13、导条6和第二铁芯7由基座8固定，而且基座8用于与从动轴连接；隔离罩9由非铁磁材料构成，通过安装孔10固定在其他设备上；在主动转子和隔离罩9之间为第一气隙14，在从动转子和隔离罩9之间为第二气隙15。

本发明还可以包括：

1、第一铁芯3的充磁方向为圆周的切向，即充磁方向与转子半径方向垂直，永磁磁极2的个数是偶数个，且在第一铁芯3内部沿圆周方向均匀放置，相邻的两个永磁磁极同极性表面相对。

2、主动转子左侧设置第一端盖11，第一端盖11由非导磁材料制成。

3、套筒4的磁导率低于构成第二铁芯7的硅钢片的磁导率。

4、复合式从动转子中的导条6的轴向有效长度，即两个端环之间的长度与主动转子中永磁磁极2的轴向长度相等，且与永磁磁极2在轴向对齐。

5、从动转子左侧设置第二端盖12。

工作原理：

主动转子上的永磁磁极形成主动转子磁场，该磁场透过隔离罩9与从动转子耦合。原动机的输出轴与联轴器主动转子上的隔磁轴套1通过键联接或紧配合等方式固定在一起，原动机带动主动转子转动时，主动转子形成的磁场跟随其一起旋转。

当大转差率运行时，例如重载、起动初始阶段等情况，主动转子磁场透入从动转子的深度小于套筒4的厚度，无法进入铁心7。此时工作磁通的路径为：永磁磁极2的N极→铁心3→气隙14→隔离罩9→气隙15→套筒4→气隙15→隔离罩9→气隙14→铁心3→永磁磁极2的S极。由于从动转子与主动转子磁场存在有相对运动，主动转子磁场在套筒4的内部生成涡流(即感应电流)。由铁磁材料的电磁特性可知，在涡流的等效回路中，电阻值与漏抗值相近似，且大转差率时的阻抗值很大。因此虽然此时的感应电动势很大，但涡流的幅值得到了有效的限制，同时其有功电流分量可产生足够大的电磁转矩，带动从动转子、从动轴和负载旋转，实现传动。

当小转差率运行时，主动转子磁场透入从动转子的深度大于套筒4的厚度，进入铁心7。由于构成铁心7的硅钢片具有比套筒4高的磁导率，主要工作磁通的路径为：永磁磁极2的N极→铁心3→气隙14→隔离罩9→气隙15→套筒4→铁心7→套筒4→气隙15→隔离罩9→气隙14→铁心3→永磁磁极2的S极。此时从动转子等效电路中的漏抗很小，感应电流的分布主要取决于电阻参数，因为铁心7和套筒4分别是由硅钢片叠压和铁磁材料构成，其等效电阻远大于由导条6和端环5、端环13所构成回路的电阻，所以从动转子内部的感应电流主要位于由导条6和端环5、端环13构成的回路中，且回路中的漏抗值远小于电阻值。所以小转差率运行时，虽然从动转子内部的感应电动势很小，产生的感应电流数值和大转差运行时相比明显下降，但其中的有功电流分量变化不大，仍可产生与大转差率运行时相近似的电磁转矩，带动从动转子、从动轴和负载旋转，实现传动。

有益效果：

(1)现有的永磁异步联轴器，由于只具有单一的涡流回路，当转差率变化时，有功电流分量变化很大，电磁转矩波动明显，致使机械特性过软，无法满足全转差范围内的传动。本发明提出的永磁异步联轴器在大转差率运行时，由钢套4构成涡流回路；小转差率运行时，由导条6、端环5、端环13构成涡流回路，这种不同电气特性涡流回路的结构形式，使得有功电流分量受转差率变化的影响很小，始终保持有足够大数值。因此本发明提出的永磁复合式异步联轴器在全转差运行范围内，电磁转矩变化很小，具有很硬的机械特性，当负载变化时，转速波动较小，有效克服了现有永磁异步联轴器机械特性过软的缺点，极大地提升了永磁异步联轴器的机械性能，拓展了其使用范围。

(2)本发明提出的永磁复合式异步联轴器，在不同转差率运行时，利用从动转子上的不同涡流回路的电气特性，可有效抑制无功电流分量，减小涡流损耗，提高传动效率。

(3)现有的永磁联轴器，永磁磁极都采用表面粘贴式结构，提供的是径向磁场，磁场每极磁通仅由一块永磁磁极产生。在本发明中，主动转子的永磁磁极2位于铁心3的内部，采用的是内置切向式结构，提供切向磁场，磁场每极磁通由相邻两个永磁磁极共同提供，可以大幅度提高主动转子磁场的磁通密度，因此本发明提出的永磁复合式异步联轴器具有突出的高功率密度的优点。在传递相同的功率时，永磁复合式异步联轴器的体积要小于现有的永磁异步联轴器。

(4)对于现有的各种永磁联轴器来说，永磁磁极都采用了表面粘贴式结构，无法满足高速和超高速运行的需求。本发明提出的永磁复合式异步联轴器，在其主动转子结构中，永磁磁极2置于铁心3内部的安装槽中，并通过胶接的方式固定，铁心3由整体铁磁材料制成，表面光滑，端盖11通过螺钉或焊接等方式紧固在铁心3上；构成从动转子的导条6、端环5、端环13、铁心7完全位于套筒4和基座8的内部，端盖12通过螺钉或焊接等方式紧固在基座8上。因此该永磁复合式异步联轴器可在高速和超高速条件下可靠运行。

(四)附图说明

图1永磁复合式异步联轴器结构轴向剖面示意图；

图2永磁复合式异步联轴器结构径向剖面示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明提出的永磁复合式异步联轴器包括内置切向式永磁磁极主动转子、复合式从动转子、隔离罩三个部分。

(1)内置切向式永磁磁极主动转子由隔磁轴套1、永磁磁极2、铁心3、端盖11构成。隔磁轴套1用于将原动机的输出轴与主动转子联接在一起，同时隔磁轴套1也起到隔磁的作用，防止磁力线经过轴形成回路。永磁磁极2由永磁材料，例如钕铁硼，充磁制成，放置在铁心3内的轴向槽中，其充磁方向为圆周的切向，即充磁方向与转子半径方向垂直。为了保证磁场对称，永磁磁极2的个数必须是偶数个，且在铁心3内部沿圆周方向均匀放置，具体的数量由实际设计决定，相邻的两个永磁磁极同极性表面相对。铁心3由实心铁磁材料制成，其作用首先是构成主动转子侧主磁路，其次是用于安装、固定永磁磁极2。铁心3与隔磁轴套1之间可采取紧配合或键联接等方式固定。为了便于加工和安装，主动转子左侧为端盖11，同时端盖11也起到在轴向固定永磁磁极2的作用，为了防止磁通经端盖11形成闭合回路，端盖11由非导磁材料制成。

(2)复合式从动转子由套筒4、端环5、端环13、导条6、铁心7、基座8、端盖12构成。套筒4由铁磁材料制成，其磁导率低于构成铁心7的硅钢片的磁导率，其磁导率的最优数值可在实际设计中通过电磁场计算获得。铁心7由硅钢片叠压制成，形成从动转子侧磁路。在铁心7内表面开有沿圆周均匀分布的轴向槽，槽内放置有导条6，导条6由导电性能良好的金属导体制成，例如铜条、铝条等，槽数即导条6的数目由具体设计而定。这些导条6的两端分别通过端环5和端环13短接在一起，端环5和端环13也由导电性能良好的金属导体制成。导条6的轴向有效长度(即两个端环之间的长度)与主动转子中永磁磁极2的轴向长度相等，且与永磁磁极2在轴向对齐。基座8的作用不仅是用于安装和固定套筒4、端环5、端环13、导条6、铁心7等部件，而且基座8可与从动轴通过键联接或紧配合等方式联接在一起。为了便于加工和安装，从动转子左侧为端盖12，同时端盖12也起到在轴向固定套筒4、端环5、端环13、导条6、铁心7的作用。

(3)隔离罩9由非铁磁材料构成，可通过安装孔10固定在其他设备上。隔离罩9可以实现主动轴侧与从动轴侧的空间隔离，从而使联轴器能够满足密封等条件下的传动需求，例如水下推进等场合。

(4)在主动转子和隔离罩9之间为气隙14，在从动转子和隔离罩9之间为气隙15。

(5)运行时，主动转子与从动转子旋转轴线重合。

Claims (1)

1.一种永磁复合式异步联轴器，包括主动转子、从动转子、隔离罩三个部分；其特征是：所述主动转子是内置切向式永磁磁极主动转子，由隔磁轴套(1)、永磁磁极(2)、第一铁芯(3)构成，隔磁轴套(1)用于连接原动机的输出轴，第一铁芯(3)由实心铁磁材料制成，第一铁芯(3)与隔磁轴套(1)之间固定，永磁磁极(2)由永磁材料制成，放置在第一铁芯(3)内的轴向槽中；所述从动转子是复合式从动转子，由套筒(4)、第一端环(5)、第二端环(13)、导条(6)、第二铁芯(7)、基座(8)、第二端盖(12)构成，套筒(4)由铁磁材料制成，第二铁芯(7)由硅钢片叠压制成，在第二铁芯(7)内表面开有沿圆周均匀分布的轴向槽，槽内放置导条(6)，导条(6)由导电性能良好的金属导体制成，各导条(6)的两端分别通过第一端环(5)和第二端环(13)短接在一起，第一端环(5)和第二端环(13)也由导电性能良好的金属导体制成，套筒(4)、第一端环(5)、第二端环(13)、导条(6)和第二铁芯(7)由基座(8)固定，而且基座(8)用于与从动轴连接；隔离罩(9)由非铁磁材料构成，通过安装孔(10)固定在其他设备上；在主动转子和隔离罩(9)之间为第一气隙(14)，在从动转子和隔离罩(9)之间为第二气隙(15)；

第一铁芯(3)的充磁方向为圆周的切向，即充磁方向与转子半径方向垂直，永磁磁极(2)的个数是偶数个，且在第一铁芯(3)内部沿圆周方向均匀放置，相邻的两个永磁磁极同极性表面相对；

主动转子左侧设置第一端盖(11)，第一端盖(11)由非导磁材料制成；

套筒(4)的磁导率低于构成第二铁芯(7)的硅钢片的磁导率；

复合式从动转子中的导条(6)的轴向有效长度，即两个端环之间的长度与主动转子中永磁磁极(2)的轴向长度相等，且与永磁磁极(2)在轴向对齐；

从动转子左侧设置第二端盖(12)。

Images