CN102497085A

CN102497085A - 一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器

Info

Publication number: CN102497085A
Application number: CN2011104374170A
Authority: CN
Inventors: 魏燕定; 郭远晶; 周晓军; 黎建军; 黄茫茫; 罗竹辉
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器。转子安装在传动轴上，传动轴安装在固定板中心孔中；双向丝杠轴两端分别安装在固定板中心孔上方的孔中；三根直线光轴的两端分别固定在固定板中心孔前、后、下方的孔中；两个定子均由一个Halbach阵列永磁体环和保持架组成，永磁体环的外圆柱面固定在保持架的中心孔中，内圆柱面与转子外圆柱面间保持有径向间隙；保持架上均布有四个安装孔，其中上安装孔通过丝杠螺母与双向丝杠轴配合，其余三个安装孔分别通过直线轴承与直线光轴配合；伺服电机通过联轴器与双向丝杠轴连接。本发明中磁体利用率高、制动力矩大、响应时间快、散热条件好，并实现了制动力矩的无级调节。

Description

一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器

技术领域

本发明涉及一种车辆用辅助制动装置，具体涉及一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器。

背景技术

目前国内外车辆上使用的缓速器主要有液力缓速器和电涡流缓速器，其中电涡流缓速器一般由定子、转子、产生磁场的线圈及固定支架等组成。

电涡流缓速器工作时，电磁线圈通电产生磁场，旋转的转子切割磁力线的工作面内部无数个闭合导线所包围的面积内磁通量发生变化，从而在转子工作面上产生涡旋状的感应电流，即涡电流，涡电流产生后，电磁场对带电转子产生阻止转子旋转的阻力，即制动力，阻力方向由左手定则判断，阻力的合力沿转子工作面周向形成与转子旋转方向相反的制动力矩，车辆的动能最终通过电磁感应和电阻发热最终转化为热能散发，制动力矩的大小可以通过调节电磁线圈的通电电流来产生不同强度的磁场来实现。

相比于依靠电磁线圈产生工作磁场的电涡流缓速器，永磁涡流缓速器是利用永磁体产生工作磁场，因而具有体积小、重量轻、节能环保、可靠性高、维护成本低等优点，近几年来在国内外的车辆上也已进行了相关的试验和应用，成为研究热点。

当前永磁涡流缓速器的永磁体阵列普遍采用径向阵列排列，如图1所示，永磁体内箭头方向表示充磁方向，内外环上的细线表示磁力线走向。但采用径向阵列的永磁涡流缓速器，现有的结构基本上是阵列一侧为安装面，另一侧为工作面，转子只能切割永磁体一侧磁场的磁力线产生涡流进行制动工作，另一侧磁场却不起作用，因此永磁体利用率低。

Halbach阵列是一种新型的永磁体结构形式，于1980年由Halbach首次提出。这种阵列完全由稀土永磁材料构成，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在阵列的一侧汇聚磁力线，在另一侧削弱磁力线，从而获得一种性能独特的单侧强磁场，如图2所示，箭头表示每块永磁体的充磁方向。Halbach阵列磁场具有如下优点：(1)Halbach阵列分解后的切向磁场与径向磁场相互叠加，使得其强磁场侧的磁场强度为相同体积的径向阵列磁场强度的1.5倍左右；(2)Halbach阵列具有自屏蔽效应；(3)Halbach阵列的强侧磁场呈较理想的正弦分布；(4)永磁体利用率高，由于Halbach阵列分向磁化的原因，导致其永磁体工作点较高，一般为0.9，超过了径向阵列永磁体的利用率。

基于以上优点，Halbach阵列成为国内外的一个研究热点，目前其应用多集中在高速储能飞轮、主轴驱动电机以及无转子铁芯电机等。但是在车辆涡流制动领域，还尚未见Halbach阵列的相关应用。

发明内容

针对永磁涡流缓速器不能通过改变磁场强度来实现制动力矩的无级调节，以及径向阵列的永磁体磁场强度弱、利用率低，并结合Halbach阵列的优异性能，本发明的目的在于提供一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器，由Halbach阵列永磁体环产生工作磁场，以加强永磁体工作侧磁场强度，削弱非工作侧磁场强度，并利用双向丝杠来驱动两个定子沿轴向快速趋近或分离，实现定子内圆柱面与转子外圆柱面的重合面积，即工作面积的连续调节，从而达到制动力矩无级调节的目的。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括左固定板、右固定板、传动轴、转子、伺服电机、联轴器、电机固定架、双向丝杠轴、两个旋向相反的丝杠螺母、三根直线光轴、两个结构相同的定子；由导磁材料制成的转子，通过键安装在传动轴上；传动轴的两端分别通过轴承安装在左、右固定板的中心孔中；双向丝杠轴的两端分别通过轴承安装在左、右固定板中心孔上方的孔中；三根直线光轴的两端分别通过螺母安装固定在左、右固定板中心孔前、后、下方的孔中；两个定子均由一个Halbach阵列永磁体环和一个保持架组成；Halbach阵列永磁体环的外圆柱面固定在保持架的中心孔中，Halbach阵列永磁体环的内圆柱面与转子的外圆柱面间保持有径向间隙；保持架上均布有四个安装孔，其中上安装孔通过丝杠螺母与双向丝杠轴配合，其余三个安装孔分别通过直线轴承与各自的直线光轴配合；伺服电机通过电机固定架安装在左固定板外侧，伺服电机输出轴通过联轴器与双向丝杠轴连接。

所述的Halbach阵列永磁体环由分段的扇形永磁体块连接而成，Halbach阵列永磁体环的磁极对数为p，每个磁极又由n段永磁体块组成，整个Halbach阵列永磁体环的第i段永磁体块的充磁方向角为θ_i＝(1+p)·360°·(i-1)/(2pn)，其中p≥2，n≥3，i＝1，2，3，…，2pn。

所述的Halbach阵列永磁体环的内圆柱面与转子的外圆柱面间的间隙为0.5～2mm。

本发明具有的有益效果是：

1)以Halbach阵列永磁体环为磁源，提高了永磁涡流缓速器的工作气隙磁场强度，从而实现更大的制动力矩，且磁体利用效率高，节能环保。

2)采用伺服电机和丝杠副驱动定子轴向移动，传动易于控制，定子定位准确，工作面积调节方便，因而制动力矩调节准确、简便。此外，相比于单向丝杠副驱动单个定子，在达到相同工作面积的条件下，本发明采用的双向丝杠副驱动两个定子的响应速度要快一倍，更适合于紧急制动的场合。

3)采用直线轴承和直线光轴对定子进行支撑和导向，使定子移动稳定、顺畅、可靠性高，并使得缓速器散热条件好。

附图说明

图1是径向阵列永磁体环及其磁场分布示意图。

图2是Halbach阵列永磁体环及其磁场分布示意图。

图3是本发明的Halbach阵列永磁体环充磁方向角示意图。

图4是本发明的总体结构示意图。

图5是本发明工作状态的剖面示意图。

图6是本发明非工作状态的剖面示意图。

图中：1.伺服电机，2.联轴器，3.电机固定架，4，5.角接触球轴承，6.双向丝杠轴，7，12.左、右Halbach阵列永磁体环，8，11.左、右丝杠螺母，9，10.左、右保持架，13.深沟球轴承，14.传动轴，15.左固定板，16.直线光轴，17，19.左、右直线轴承，18.转子，20.圆螺母，21.右固定板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图4、图5、图6所示，本发明包括左固定板15、右固定板21、传动轴14、转子18、伺服电机1、联轴器2、电机固定架3、双向丝杠轴6、旋向相反的左、右丝杠螺母8、11、三根直线光轴16、两个结构相同的定子。由导磁材料制成的转子18，通过键安装在传动轴14上，转子18一端靠轴肩，另一端用圆螺母20固定，转子毂与转子外圈间的腹板加工成风扇叶片状，转子18随传动轴14转动时，产生的轴向气流将制动时产生的热量带走。传动轴14的两端分别通过轴承安装在左、右固定板15、21的中心孔中。双向丝杠轴6的左、右两半段螺纹参数相同，旋向相反，两端分别通过轴承安装在左、右固定板15、21中心孔上方的孔中；双向丝杠轴6的安装形式为固定-游动型，左端通过一对角接触球轴承4、5安装到左固定板15上，右端通过一个深沟球轴承13安装到右固定板21上。三根直线光轴16的两端分别通过螺母固定在左、右固定板15、21中心孔前、后、下方的孔中。两个定子分别由左、右Halbach阵列永磁体环7、12和左、右保持架9、10组成，左、右Halbach阵列永磁体环7、12的外圆柱面分别固定在左、右保持架9、10的中心孔中，左、右Halbach阵列永磁体环7、12的内圆柱面均与转子18的外圆柱面间保持有径向间隙；左、右保持架9、10上分别均布有四个安装孔，其中左保持架9的上安装孔与右保持架10的上安装孔分别通过左、右丝杠螺母8、11与双向丝杠轴6配合，左保持架9其余三个安装孔与右保持架10其余三个安装孔分别通过左、右直线轴承17、19与各自的直线光轴16配合；伺服电机1通过电机固定架3安装在左固定板15外侧，伺服电机1输出轴通过联轴器2与双向丝杠轴6连接。

所述的左、右Halbach阵列永磁体环7、12均由段数相同的扇形永磁体块连接而成，每个Halbach阵列永磁体环的磁极对数为p，每个磁极又由n段永磁体块组成，整个Halbach阵列永磁体环的第i段永磁体块的充磁方向角为θ_i＝(1+p)·360°·(i-1)/(2pn)，其中p≥2，n≥3，i＝1，2，3，…，2pn。本实施实例中每个Halbach永磁体阵列环的磁极对数为3，每个磁极由4段永磁体连接而成，整个Halbach阵列永磁体环的第i(i＝1，2，3，...，24)段的充磁方向为θ_i＝(i-1)·60°，其中θ₁＝0°，θ₂＝60°，θ₃＝120°，θ₄＝180°， …，如图3所示。

所述的左、右Halbach阵列永磁体环7、12的内圆柱面与转子18的外圆柱面间的径向间隙均为0.5～2mm。

本发明的工作方式为：

Halbach阵列的永磁涡流缓速器工作时，伺服电机1旋转，带动双向丝杠轴6旋转，从而驱动两个定子沿轴向快速趋近，当左、右Halbach阵列永磁体环7、12的内圆柱面与转子18的外圆柱面有重合面积时，旋转的转子18切割磁力线的外圆柱面内部无数个闭合导线所包围的面积内磁通量发生变化，从而在转子18外圆柱面上产生涡旋状的感应电流，即涡电流。涡电流产生后，左、右Halbach阵列永磁体环7、12的磁场对带电转子产生阻止转子18旋转的阻力，即制动力，阻力方向由左手定则判断，阻力合力沿转子18外圆柱面周向形成与转子18旋转方向相反的制动力矩。当左、右Halbach阵列永磁体环7、12的内圆柱面与转子18的外圆柱面完全重合时，制动力矩达到最大值，车辆的动能最终通过电磁感应和电阻发热最终转化为热能散发。

Halbach阵列永磁涡流缓速器不需要制动时，伺服电机1反转，带动双向丝杠轴6反转，从而驱动两个定子快速分离至转子18两个端面外侧，使得左、右Halbach阵列永磁体环7、12的内圆柱面与转子18的外圆柱面相互错开，左、右Halbach阵列永磁体环7、12的磁场无法对转子18产生作用，转子18外圆柱面上不会产生涡电流，因而无法产生制动力矩，最终解除对车辆的制动。

Claims

1.一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器，其特征在于：包括左固定板(15)、右固定板(21)、传动轴(14)、转子(18)、伺服电机(1)、联轴器(2)、电机固定架(3)、双向丝杠轴(6)、两个旋向相反的丝杠螺母、三根直线光轴、两个结构相同的定子；由导磁材料制成的转子(18)，通过键安装在传动轴(14)上，传动轴(14)的两端分别通过轴承安装在左、右固定板(15，21)的中心孔中；双向丝杠轴(6)的两端分别通过轴承安装在左、右固定板(15，21)中心孔上方的孔中；三根直线光轴的两端分别通过螺母安装固定在左、右固定板(15，21)中心孔前、后、下方的孔中；两个定子均由一个Halbach阵列永磁体环和一个保持架组成，Halbach阵列永磁体环的外圆柱面固定在保持架的中心孔中，Halbach阵列永磁体环的内圆柱面与转子(18)的外圆柱面间保持有径向间隙；保持架上均布有四个安装孔，其中上安装孔通过丝杠螺母与双向丝杠轴(6)配合，其余三个安装孔分别通过直线轴承与各自的直线光轴配合；伺服电机(1)通过电机固定架(3)安装在左固定板(15)外侧，伺服电机(1)输出轴通过联轴器(2)与双向丝杠轴(6)连接。

2.如权利要求1所述的一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器，其特征在于：所述的Halbach阵列永磁体环由分段的扇形永磁体块连接而成，Halbach阵列永磁体环的磁极对数为p，每个磁极又由n段永磁体块组成，整个Halbach阵列永磁体环的第i段永磁体块的充磁方向角为θ_i＝(1+p)·360°·(i-1)/(2pn)，其中p≥2，n≥3，i＝1，2，3，…，2pn。

3.如权利要求1所述的一种基于Halbach阵列的永磁涡流缓速器，其特征在于：所述的Halbach阵列永磁体环的内圆柱面与转子(18)的外圆柱面间的径向间隙为0.5～2mm。