CN116260308A - 一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，涉及永磁耦合器技术领域，主要结构包括支架、输入端组件、永磁转子部分和输出端组件；输出端组件设置于支架上，输入端组件通过永磁转子部分与输出端组件的一端传动连接。本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，可以用直流电流控制来调节电磁转矩，匹配负载转矩；外电磁铁绕组的槽极数比值为1，充分利用永磁体磁能，以利应用大功率；电流首尾相连，绕组电路连接简单，只需两个电刷滑环。

Description

一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器

技术领域

本发明涉及永磁耦合器技术领域，特别是涉及一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器。

背景技术

永磁耦合器是近年来快速发展的一种新型磁力传动装置。磁力传动是基于现代电磁学基本理论，应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力或转矩无接触传递的一种新技术。磁力传动装置按耦合原理可分为同步式、涡流式和磁滞式，其中同步式主从动转子均安装永磁体，主从动转子转速相同；涡流式主动转子安装导体，从动转子安装永磁体；磁滞式主动转子为磁滞材料，从动转子为永磁体，当传递转矩小于最大电磁转矩时、主从动转速相同、此时无能量损失，当传递转矩等于最大电磁转矩时、主从动转速不相同、此时有能量损失(磁滞损失)。

传统的永磁耦合器属于同步式磁力传动装置，具有抗过载、粗对中、柔启动、安全可靠、可在恶劣工况下使用、极大减小设备整体振动、安装方便、减少***维护、延长设备使用寿命等特点。

永磁耦合器按结构形式分为筒式和盘式。相比盘式，筒式具有结构简单、轴向力小、磁场利用率高等特点而受到广泛应用。筒式永磁耦合器通常替代液力耦合器用于煤矿、化工等企业，具有安全限矩功能，达到限制转矩后打滑，不危害电机。传统筒式永磁耦合器内外转子都用永磁体制作，没有励磁电流存在，一旦制成就不能对电磁性能和限制转矩进行调节，所以只能一机一用。

目前已有一些技术涉及绕组式永磁耦合器，但专利CN101997395绕组永磁联轴器使用盘式结构、专利CN105720788A和专利CN112636563使用闭口槽和分数槽集中绕组方式，分数槽集中绕组一般用于大批量小功率等领域，因此上述技术存在难以调节转矩、控制电路复杂、磁能利用率低及难以应用于大功率场所等问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，采用绕组励磁电流调节方式匹配负载转矩，采用开口槽且槽极数比为1的绕组以解决永磁体利用率低的问题，采用相邻绕组电路同端首尾串联以简化直流电路。本发明可用于大功率场合，实现一机多用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，包括支架、输入端组件、永磁转子部分和输出端组件；所述输出端组件设置于所述支架上，所述输入端组件通过所述永磁转子部分与所述输出端组件的一端传动连接。

可选地，所述输入端组件包括外电磁铁转子，所述外电磁铁转子包括电机端半联轴器、外转子电磁铁筒、外转子电磁铁筒铁心和外转子绕组；所述外转子电磁铁筒为圆筒形结构，所述外转子电磁铁筒的一端为敞口设置，所述外转子电磁铁筒的另一端与所述电机端半联轴器的一端同轴连接；所述外转子电磁铁筒的内壁上沿周向均匀设置有多个所述外转子电磁铁筒铁心，每个所述外转子电磁铁筒铁心的外壁上均设置有一所述外转子绕组。

可选地，所述外转子电磁铁筒的另一端沿周向均匀设置有多个排风挡板，所述排风挡板与所述所述外转子电磁铁筒的另一端的端面呈角度设置。

可选地，所述外转子电磁铁筒的外侧壁上沿周向均匀设置有多个散热片。

可选地，所述永磁转子部分包括永磁体、永磁体固定法兰和永磁体固定筒，所述永磁体固定法兰可拆卸的设置于所述永磁体固定筒的一端，所述永磁体固定法兰朝向所述永磁体固定筒的一侧的侧壁、所述永磁体固定筒朝向所述永磁体固定法兰的一侧的侧壁以及所述永磁体固定筒的外侧壁拼接成凹槽，所述凹槽内沿周向均匀设置有多个所述永磁体；所述永磁体固定筒与所述输出端组件相连接。

可选地，所述永磁体固定筒的另一端设置有多个风冷孔。

可选地，所述输出端组件包括输出轴承座、孔套、轴套、输出轴承端盖、输出轴、圆螺母和轴承端盖；所述输出轴承座的外壁与所述支架相连接，所述输出轴承座沿周向设置有安装通孔，所述输出轴贯穿所述安装通孔内；所述输出轴上设置有所述轴套，所述轴套外侧与所述安装通孔的内壁之间设置有孔套；所述轴套的两端与所述孔套的两端相平齐；所述轴套和所述孔套的两端均设置有轴承；所述输出轴承座朝向所述输入端组件的一端设置有所述轴承端盖，所述输出轴承座远离所述输入端组件的一端设置有所述输出轴承端盖；所述圆螺母与所述输出轴相连接，所述圆螺母用于防止所述轴承的轴向运动；所述输出轴朝向所述输入端组件的一端与所述永磁转子部分相连接。

可选地，所述圆螺母与所述轴承之间设置有止动垫片。

可选地，所述输出轴承座朝向所述输入端组件的一端的所述轴承为圆柱滚子轴承，所述输出轴承座远离所述输入端组件的一端的所述轴承为深沟球轴承。

可选地，所述输出轴朝向所述输入端组件的一端设置有一轴端压板，所述轴端压板与所述输出轴通过螺纹连接，所述轴端压板用于连接所述输出轴与所述永磁转子部分。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)可以用直流电流控制来调节电磁转矩，匹配负载转矩。

本发明通过调节电磁铁转子的直流励磁电源的电流强度大小，来无级调节电磁转矩，以达到匹配负载转矩的目的，实现一机多用。

(2)外电磁铁绕组的槽极数比值为1，充分利用永磁体磁能，以利应用大功率。

本发明内转子圆周上均布永磁体，外转子上圆周均布电磁铁筒铁心，永磁体极数与电磁铁槽数数量相等，比值为1，能够充分利用磁能，以适应大功率绕组永磁耦合器的使用场合。

(3)电流首尾相连，绕组电路连接简单，只需两个电刷滑环。

为实现耦合磁场下内外转子高效传动，相邻两电磁铁间需要保持相反极性。因此保持相邻两电磁铁绕组旋向相反，将相邻一对电磁铁绕组内端互相串联、下一对相邻电磁铁绕组外端互相串联。最终可将全部绕组初始端和末尾端各自单独接出接头，一个接头接入直流电源正极电刷和滑环，另一个接头接入直流电源负极电刷和滑环，只需两个电刷滑环即可实现电路控制。此种设计可以有效简化电流控制和绕组电路结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的总装轴测图；

图2为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的总装轴向剖视图；

图3为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的总装径向剖视图；

图4为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的部装输入端组件装配图；

图5为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的部装输入端组件侧向装配图；

图6为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的部装输出端组件装配图；

图7为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的部装永磁转子组件装配图；

图8为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的部装永磁转子组件侧向装配图；

图9为本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器的电路连接方式示意图。

图中：1、输入端组件；2、永磁转子部分；3、输出端组件；4、排风挡板；5、电机端半联轴器；6、轴端压板；7、外转子电磁铁筒；8、散热片；9、外转子电磁铁筒铁心；10、外转子绕组；11、永磁体；12、永磁体固定法兰；13、永磁体固定筒；14、支架；15、输出轴承座；16、圆柱滚子轴承；17、孔套；18、轴套；19、深沟球轴承；20、输出轴承端盖；21、输出轴；22、圆螺母；23、止动垫片；24、轴承端盖；25、直流电源正极电刷；26、直流电源正极滑环；27、直流电源负极电刷；28、直流电源负极滑环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至9所示，本实施例提供一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，包括支架14、输入端组件1、永磁转子部分2和输出端组件3；输出端组件3设置于支架14上，输入端组件1通过永磁转子部分2与输出端组件3的一端传动连接。

输入端组件1上布置电磁铁绕组组成外转子，永磁转子部分2上布置永磁体11组成内转子，输出端组件3将输出轴21与永磁转子部分2螺纹紧固在一起。电磁铁绕组安放于外转子铁心的齿槽中，永磁体11固定在内转子上，内转子永磁体11与外转子铁心极靴之间存在气隙，内外转子依靠拉推磁路工作原理工作，形成电磁转矩。

内转子共有若干个磁极，若干个钕铁硼稀土永磁体11圆周均布式安装于内转子表面，平行或径向充磁，永磁体11间存在周向间隙(称为间隙分散式永磁体11)，相邻永磁体11磁极方向相反，若一个永磁体11为N极，则相邻永磁体11为S极。外转子上有与内转子数目相同的电磁铁，外电磁铁绕组槽极数比为1的结构，相邻两铁心磁极极性也正好相反，即一个铁心形成N极，则相邻铁心形成S极。

外转子中各相邻的电磁铁绕组的接线端子首尾串联，最终引出一个始端直流正极接线端子和一个末端直流负极接线端子，始端端子接一个正极电刷滑环，末端端子接一个负端电刷滑环，正负极滑环外接总电路。

***电控柜中部署直流发生电路和电流强度大小调节电路。

本发明中的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特点和作用如下：外转子用电磁铁绕组结构以利于冷却，开口槽绕组结构简单，而闭口槽的绕组绕制困难，还没有能适用于大批量、大功率的绕组模应用，因此外电磁铁铁心用开口槽而不是闭口槽，内转子用表面式永磁体11结构，永磁体11按间隙分散式，本发明的内转子和外转子都可以转动；外电磁铁绕组的槽极数比为1，此种结构虽然有一些齿槽转矩，但是永磁体11利用率高，能实现的功率大；相邻电磁铁绕组电路同端首尾串联，以简化绕组电路，便利生产；采用直流控制，只要调节电磁铁绕组的励磁电流强度大小，就可以达到改变永磁耦合器电磁转矩的目的。因此本发明的同步可调矩永磁耦合器用于大功率场合，可充分利用永磁能；绕组电路简单、工艺性好；可以一机多用，在速度一定的情况下，可根据负载大小来调整励磁电流，具备匹配负载转矩的功能。

于本具体实施例中，输入端组件1包括外电磁铁转子，外电磁铁转子包括电机端半联轴器5、外转子电磁铁筒7、外转子电磁铁筒铁心9和外转子绕组10；外转子电磁铁筒7为圆筒形结构，外转子电磁铁筒7的一端为敞口设置，外转子电磁铁筒7的另一端与电机端半联轴器5的一端同轴连接，外转子电磁铁筒7与电机端半联轴器5之间通过多个螺钉连接；外转子电磁铁筒7的内壁上沿周向均匀设置有多个外转子电磁铁筒铁心9，每个外转子电磁铁筒铁心9的外壁上均设置有一外转子绕组10。

外转子电磁铁筒7的另一端沿周向均匀设置有多个排风挡板4，排风挡板4与外转子电磁铁筒7的另一端的端面呈角度设置。外转子电磁铁筒7转动时，排风挡板4能够起到类似于扇叶的效果，增加气流流动，从而增强散热效果。

外转子电磁铁筒7的外侧壁上设置有多个扇形孔，排风挡板4通过螺栓安装在扇形孔处。排风挡板4的安装板中间开制的小扇形孔内焊接数个有间距的平行斜板，平行斜板之间是空隙，只要外转子电磁铁筒7随着电机旋转，排风挡板4就能轴向排风风冷。

外转子电磁铁筒7的外侧壁上沿周向均匀设置有多个散热片8。散热片8采用螺栓安装在外转子电磁铁筒7的外侧壁上。散热片8用于径向风冷。

外转子电磁铁筒铁心9的内径处设置有极靴，极靴与外转子电磁铁筒铁心9为一体式结构。

外转子电磁铁筒7的外转子绕组10槽数也是若干个，槽型为半闭口槽；外转子电磁铁筒7的外转子绕组10缠绕在外转子电磁铁筒7之间的槽内；外转子电磁铁筒7由多个薄冲片轴向叠制而成，冲片电涡流比一体式铁心的电涡流小；外转子电磁铁筒7也由薄冲片轴向叠制而成，可以将外转子电磁铁筒7的薄冲片组装成一个整体，也应将外转子电磁铁筒7的薄冲片组装成一个整体，然后将外转子电磁铁筒7和外转子电磁铁筒7组装在一起，比如外转子电磁铁筒7薄冲片和外转子电磁铁筒7薄冲片分别用两端绝缘的拉杆栓接在各自压板中间，然后外转子电磁铁筒7和外转子电磁铁筒7之间用榫接方式组装；外转子电磁铁筒7靠近电机端在半联轴器处圆周均布开挖2个孔，将相邻电磁铁绕组端接头串联连接，电路两端分别是直流电源的正极和负极，与两电刷连通后接入外部电路。

永磁转子部分2包括永磁体11、永磁体固定法兰12和永磁体固定筒13，永磁体固定法兰12可拆卸的设置于永磁体固定筒13的一端，永磁体固定法兰12朝向永磁体固定筒13的一侧的侧壁、永磁体固定筒13朝向永磁体固定法兰12的一侧的侧壁以及永磁体固定筒13的外侧壁拼接成凹槽，凹槽内沿周向均匀设置有多个永磁体11；永磁体固定筒13与输出端组件3相连接。

永磁体固定筒13的另一端设置有多个风冷孔。

永磁体11与外转子电磁铁筒铁心9之间有一定大小的气隙，外转子电磁铁筒铁心9与永磁体11在轴向等长，并且轴向对齐。

输出端组件3包括输出轴承座15、孔套17、轴套18、输出轴承端盖20、输出轴21、圆螺母22和轴承端盖24；输出轴承座15的外壁与支架14相连接，输出轴承座15沿周向设置有安装通孔，输出轴21贯穿安装通孔内；输出轴21上设置有轴套18，轴套18外侧与安装通孔的内壁之间设置有孔套17；轴套18的两端与孔套17的两端相平齐；轴套18和孔套17的两端均设置有轴承；输出轴承座15朝向输入端组件1的一端设置有轴承端盖24，输出轴承座15远离输入端组件1的一端设置有输出轴承端盖20；圆螺母22与输出轴21相连接，圆螺母22用于防止轴承的轴向运动；输出轴21朝向输入端组件1的一端与永磁转子部分2相连接。

圆螺母22与轴承之间设置有止动垫片23。

输出轴承座15朝向输入端组件1的一端的轴承为圆柱滚子轴承16，输出轴承座15远离输入端组件1的一端的轴承为深沟球轴承19。

输出轴21朝向输入端组件1的一端设置有一轴端压板6，轴端压板6与输出轴21通过螺纹连接，轴端压板6用于连接输出轴21与永磁转子部分2。

输出端组件3的输出轴21与负载设备的连接法兰通过平键安装紧固。输出轴21偏右端安装轴套18和孔套17，轴套18右侧顶住深沟球轴承19内圈左侧，孔套17右侧顶住深沟球轴承19外圈左侧，深沟球轴承19内圈右侧通过圆螺母22和止动垫片23紧固在输出轴21上，输出轴21与圆螺母22对应处加工螺纹，深沟球轴承19外圈右侧通过输出轴承端盖20轴向紧固，输出轴承端盖20通过圆周均布的螺钉连接紧固在输出轴承座15上，输出轴承座15通过圆周均布的螺钉连接紧固安装在支架14上，与支架14一起保持不动。轴套18和孔套17左侧是圆柱滚子轴承16，轴套18左侧轴向顶紧圆柱滚子轴承16的内圈，孔套17左侧轴向顶紧圆柱滚子轴承16的外圈，圆柱滚子轴承16内圈左侧顶紧在输出轴21的凸字形轴环上，圆柱滚子轴承16外圈左侧通过轴承端盖24顶住，轴承端盖24通过圆周均布的螺钉连接紧固在输出轴承座15的左端面上。因而，输出轴承座15、输出轴承端盖20、轴承端盖24、深沟球轴承19外圈、孔套17和圆柱滚子轴承16外圈是固定不动的，而圆柱滚子轴承16内圈、轴套18、深沟球轴承19内圈、止动垫片23和圆螺母22是与输出轴21一起旋转的，但输出轴21轴向与固定部分之间没有相对运动。

本发明中的永磁耦合器的电路连接方式如图9所示，外转子电磁铁筒7内径处圆周均布若干个外转子电磁铁筒铁心9，外转子电磁铁筒铁心9数目与永磁体11数目相同，每个外转子电磁铁筒铁心9上缠绕一个外转子绕组10。相邻两外转子绕组10旋向相反，其对应外转子电磁铁筒铁心9内径处极性也相反，按照逆时针方向，内径N极绕组内端与相邻内径S极绕组内端相串联，相邻内径S极绕组外端又与下一个内径N极绕组外端相串联，如此循环一圈。第一个内径N极绕组外端从外转子电磁铁筒7上穿孔而出接直流电源正极电刷25，该直流电源正极电刷25用弹簧顶在直流电源正极滑环26上；最后一个内径S极绕组外端从外转子电磁铁筒7上穿另一孔而出接直流电源负极电刷27，该直流电源负极电刷27通过弹簧顶在直流电源负极滑环28上；这两个线端孔大小相等、圆周均布。直流电源正极滑环26和直流电源负极滑环28均为圆环形、大小相等、同轴心、截面互相平行且轴向等间距安装在电机端固定支座上，直流电源正极滑环26与直流电源正极连接，直流电源负极滑环28与直流电源负极连接。直流电源正负极之间是直流电源发生电路和电流强度调节电路，这两种电路既能产生直流电、又能调节直流电的电流强度。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，包括支架、输入端组件、永磁转子部分和输出端组件；所述输出端组件设置于所述支架上，所述输入端组件通过所述永磁转子部分与所述输出端组件的一端传动连接。

2.根据权利要求1所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述输入端组件包括外电磁铁转子，所述外电磁铁转子包括电机端半联轴器、外转子电磁铁筒、外转子电磁铁筒铁心和外转子绕组；所述外转子电磁铁筒为圆筒形结构，所述外转子电磁铁筒的一端为敞口设置，所述外转子电磁铁筒的另一端与所述电机端半联轴器的一端同轴连接；所述外转子电磁铁筒的内壁上沿周向均匀设置有多个所述外转子电磁铁筒铁心，每个所述外转子电磁铁筒铁心的外壁上均设置有一所述外转子绕组。

3.根据权利要求2所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述外转子电磁铁筒的另一端沿周向均匀设置有多个排风挡板，所述排风挡板与所述所述外转子电磁铁筒的另一端的端面呈角度设置。

4.根据权利要求2所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述外转子电磁铁筒的外侧壁上沿周向均匀设置有多个散热片。

5.根据权利要求1所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述永磁转子部分包括永磁体、永磁体固定法兰和永磁体固定筒，所述永磁体固定法兰可拆卸的设置于所述永磁体固定筒的一端，所述永磁体固定法兰朝向所述永磁体固定筒的一侧的侧壁、所述永磁体固定筒朝向所述永磁体固定法兰的一侧的侧壁以及所述永磁体固定筒的外侧壁拼接成凹槽，所述凹槽内沿周向均匀设置有多个所述永磁体；所述永磁体固定筒与所述输出端组件相连接。

6.根据权利要求5所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述永磁体固定筒的另一端设置有多个风冷孔。

7.根据权利要求1所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述输出端组件包括输出轴承座、孔套、轴套、输出轴承端盖、输出轴、圆螺母和轴承端盖；所述输出轴承座的外壁与所述支架相连接，所述输出轴承座沿周向设置有安装通孔，所述输出轴贯穿所述安装通孔内；所述输出轴上设置有所述轴套，所述轴套外侧与所述安装通孔的内壁之间设置有孔套；所述轴套的两端与所述孔套的两端相平齐；所述轴套和所述孔套的两端均设置有轴承；所述输出轴承座朝向所述输入端组件的一端设置有所述轴承端盖，所述输出轴承座远离所述输入端组件的一端设置有所述输出轴承端盖；所述圆螺母与所述输出轴相连接，所述圆螺母用于防止所述轴承的轴向运动；所述输出轴朝向所述输入端组件的一端与所述永磁转子部分相连接。

8.根据权利要求7所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述圆螺母与所述轴承之间设置有止动垫片。

9.根据权利要求7所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述输出轴承座朝向所述输入端组件的一端的所述轴承为圆柱滚子轴承，所述输出轴承座远离所述输入端组件的一端的所述轴承为深沟球轴承。

10.根据权利要求7所述的基于串联绕组线圈的大功率同步电流调矩永磁耦合器，其特征在于，所述输出轴朝向所述输入端组件的一端设置有一轴端压板，所述轴端压板与所述输出轴通过螺纹连接，所述轴端压板用于连接所述输出轴与所述永磁转子部分。

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