一种60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器及复合调速系统

技术领域

本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种非接触式连接的磁力耦合器，具体是一种60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器及复合调速系统；具有多种调速方式可以增强磁力耦合器调速的平滑性和稳定性使得调速的范围也更广。

背景技术

近年来，随着永磁材料的发展，磁力耦合器的结构被提出用来代替传统的调速设备。磁力耦合器主要应用在不同类型的机械设备上，如风机、水泵、物料输送机、斗式提升机、球磨机、卷扬机、破碎机、搅拌机、绞直机等。

磁力耦合器根据电磁感应原理产生电磁转矩达到传动的目的，通过气隙中磁场耦合作用实现力和转矩的无接触传递，与传统耦合器相比，具有无接触式传动、过载保护作用，其中调速型磁力耦合器，可通过调节永磁转子和导体转子之间的气隙厚度，实现对负载的调速。

在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS期刊上发表的文献“Analysis on a novelflux adjustable permanent magnet coupler with a double-layer permanent magnetrotor”讲述了一种可通过调节两永磁转子间的相对转动角度进行调速的磁力耦合器，首先该文献中永磁块之间存在有轭铁，导致磁场在轭铁处形成回路降低了永磁体的利用率。其次由于文献所述的磁力耦合器永磁体和轭铁间隔排布且永磁体为周向充磁方式，所以耦合器的工作位置只有3个。最后文献中并未提及如何实现两永磁转子相对位置的控制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器及复合调速系统，可以进行不停机下的复合无极调速；首先，筒式磁力耦合器中同轴的内外层永磁转子在差速机构或同步机构的控制下可进行相对位置的变动，进而改变磁感线的走向改变工作气隙的磁通密度进行调速。其次，还可以改变永磁转子与导体转子之间的轴向位置，进而改变永磁体和导体耦合的长度实现调速。本装置可以把前二者调速方式相结合，实现磁力耦合器的复合调速，使得调速范围更广、调速更平滑稳定。

本发明所采用的技术方案如下：

一种60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器，包括：

导体转子，所述导体转子包括导体轭铁、导体，所述导体轭铁套装在输出轴上，所述导体套装在导体轭铁外；

内层永磁转子，所述内层永磁转子包括筒状的内层永磁转子轭铁及设置在内层永磁转子轭铁内壁面的内层永磁体，所述内层永磁体采用60°Halbach充磁；所述内层永磁转子轭铁套装在导体外部且两者之间存在气隙；

外层永磁转子，所述外层永磁转子包括筒状的外层永磁转子轭铁及设置在外层永磁转子轭铁内壁面的外层永磁体，所述外层永磁体采用60°Halbach充磁；所述外层永磁转子轭铁套装在内层永磁转子轭铁外部且两者之间存在气隙。

进一步，所述内层永磁转子与外层永磁转子之间气隙、导体转子与内层永磁转子之间的气隙均保持在2-5mm。

进一步，外层永磁转子轭铁的厚度大于内层永磁转子轭铁的厚度。

进一步，所述外层永磁体采用表贴式的方式进行安装，所述外层永磁转子轭铁采用铁氧体软磁材料。

进一步，所述内层永磁体通过焊接的方式与内层永磁转子轭铁进行连接，内层永磁转子轭铁采用铝合金材料。

进一步，所述导体与导体轭铁之间通过焊接的方式进行连接，所述导体轭铁采用铁氧体软磁材料。

一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统，包括：

采用上述60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器；

调速总成，用于控制筒式磁力耦合器中内层永磁转子、外层永磁转子的相对位置。

进一步，所述调速总成采用差速机构，差速机构包括调速轴、锥齿轮、行星架、传动轴、行星齿轮、盘齿轮、齿轮轴、轴套；所述行星齿轮内固定装有销轴，在销轴两端套装行星齿轮，行星齿轮分别与2个锥齿轮啮合传动；一侧锥齿轮与传动轴动力连接，传动轴与内层永磁转子连接；另一侧锥齿轮与调速轴动力连接；所述行星架外部还设有盘齿轮，盘齿轮与齿轮轴啮合传动。

进一步，所述调速总成采用同步机构，所述同步机构包括输入轴、花键毂、接合套、2个接合齿圈、固定齿和定位机构；输入轴的一端与内层永磁转子连接；在外层永磁转子轭铁1的颈部套装有花键毂，在花键毂的两侧分别设置1个接合齿圈；其中一个接合齿圈通过滚针轴承套装在外层永磁转子轭铁1的颈部且该接合齿圈的外部套装固定齿圈；另一个接合齿圈固定安装在输入轴上；在花键毂外套装接合套，接合套配有拨叉，通过拨叉使接合套在花键毂及花键毂两侧接合齿圈之间移动；

所述定位机构设置在花键毂上，通过定位机构实现花键毂和接合套之间的定位。

进一步，所述定位机构定位弹簧、定位销、滑块，在花键毂的径向开设安装槽用于放置定位弹簧和定位销，在安装槽的出口处设置滑块，滑块上开设通孔，定位销在定位弹簧作用下在安装槽及通孔内伸缩；在接合套内壁面开设定位孔。

本发明的优点：

(1)本发明将改变内外层永磁体转子的相对位置进而改变工作气隙的磁通密度和改变永磁转子和导体转子之间的轴向距离来改变永磁体和导体之间的耦合长度来改变传递的转矩进行调速的两种方式进行结合实现复合调速，使得耦合器调速范围更广调速更加平滑。

(2)内外层永磁体均采用60°Halbach排布，这使得内外层永磁体的相对位置更多，工作位置也更多。这种充磁具有单边聚磁的效果，使得耦合器内部聚磁。

(3)内外层永磁转子能够实现相对位置的控制，得益于差速机构或者同步机构，在差速机构中通过调节调速轴的速度即可以调节内外层永磁转子的相对转动速度实现内外层永磁转子相对位置的控制。在同步机构中，主要通过拨叉控制接合套与不同的接合齿圈进行接合来改变内外层永磁转子的相对转动速度进而控制内外层永磁转子的相对位置。

(4)外层永磁体轭铁采用铁氧体软磁材料使得整个耦合器中的永磁体径向漏磁减小，内层永磁体轭铁采用铝合金材料，其相对磁导率为1所以不会使得外层永磁体在内转子轭铁处形成闭合磁路，增加了永磁体的利用率和工作气隙中的磁通密度。导体的轭铁采用软磁材料，这使得磁感线能更好的穿过导体，提高气隙中的磁通密度。

(5)基于筒式磁力耦合器的复合调速系统，它可以进行不停机下的复合调速，第一，同轴的内外层永磁体在差速机构或同步机构的控制下进行相对位置的变动，进而改变磁感线的走向改变工作气隙的磁通密度进行调速。第二，可以改变永磁转子与导体转子之间的轴向位置，进而改变永磁体和导体耦合的长度实现调速。第三，可以把前二者调速方式相结合使得磁力耦合器调速范围更广，调速更平滑稳定。

附图说明

以下结合附图及实施例对发明做进一步说明。

图1为本发明磁力耦合器剖视图。

图2为本发明磁力耦合器的右视图。

图3为本发明磁力耦合器初始位置时沿周向展开图。

图4中，(a)为内外层永磁转子初始位置时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布；

(b)为内外层永磁转子相对转过1个永磁体块圆心角时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布；

(c)为内外层永磁转子相对转过2个永磁体块圆心角时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布；

(d)为内外层永磁转子相对转过3个永磁体块圆心角时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布；

(e)为内外层永磁转子相对转过4个永磁体块圆心角时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布；

(f)为内外层永磁转子相对转过5个永磁体块圆心角时，左侧为内外层永磁体相对位置示意图，右侧为此时的磁感线分布。

图5为一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统采用差速机构时的剖面示意图。

图6为一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统采用差速机构时的结构运动简图。

图7为一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统采用同步机构时的剖面示意图

图8为同步机构的三维示意图。

图9为差速机构总成图。

图10为行星架结构图。

图中，1、外层永磁转子轭铁，2、轴套，3、内层永磁转子轭铁，4、外层永磁体，5、内层永磁体，6、导体，7、导体轭铁，8、输出轴，9、盘齿轮，10、销轴，11、紧定螺钉，12、行星架，13、圆锥滚子轴承，14、轴套，15、调速轴，16、锥齿轮，17、输入轴，18、圆锥滚子轴承，19、定位轴套，20、行星齿轮，21、传动轴，22、端盖，23、固定齿，24、右侧接合齿圈，25、接合套，26、拨叉，27、左侧接合齿圈，28、花键毂，29、输入轴，30、定位弹簧，31、定位销，32、滑块，33、滚针轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、2、3所示，本申请设计出了一种60°Halbach双层永磁转子的筒式磁力耦合器，该筒式磁力耦合器包括沿径向向外依次设置的导体转子、内层永磁转子、外层永磁转子，且内层永磁转子、外层永磁转子和导体转子之间同轴且可相对转动设置。

导体转子包括导体轭铁7、导体6；其中，导体轭铁7套装在输出轴8上且两者之间可以通过键传动。导体轭铁7外部套装导体6。导体6要求具有高的电导率和磁导率，因此可以选择铜或银等；本申请优选铜，因为相对磁导率约为1，但铜有较高的电导率，生产成本也相对较低。

内层永磁转子包括内层永磁转子轭铁3、内层永磁体5；其中，内层永磁转子轭铁3呈筒状，内层永磁体5设置在内层永磁转子轭铁3的内壁面。

外层永磁转子包括外层永磁转子轭铁1、外层永磁体4；其中，外层永磁转子轭铁1呈筒状，外层永磁体4设置在外层永磁转子轭铁1的内壁面。

内层永磁体5和外层永磁体4均采用60°Halbach充磁，具体充磁方式为起始竖直向上充磁然后每顺时针旋转60°进行依次充磁，每六次充磁为一个周期。

更具体地，外层永磁转子轭铁1与内层永磁转子轭铁3以轴肩进行定位，且在轴肩处设置轴套2，轴套2固定在外层永磁转子轭铁1上，通过轴套2可以减少外层永磁转子轭铁1与内层永磁转子轭铁3之间相对转动时的摩擦。

更具体地，外层永磁转子轭铁1采用铁氧体软磁材料，以减少磁力耦合器的径向漏磁；外层永磁体4采用表贴式的方式进行安装。铁氧体软磁材料可以选用锌铬铁氧体或镍锌铁氧体。

更具体地，内层永磁转子轭铁3采用铝合金制材料，由于铝合金相对磁导率约为1，与空气相近，所以不会使得外层永磁体在内转子轭铁处形成磁回路，这减小了内外层永磁体磁场传导之间的干扰，提高永磁体的利用率。内层永磁体5通过焊接的方式与内层永磁转子轭铁3进行连接。

更具体地，导体6与导体轭铁7之间通过焊接的方式进行连接，导体轭铁7采用铁氧体软磁材料，来增强工作气隙中的磁通密度。

更具体地，外层永磁转子轭铁1的厚度选用1.2倍的外层永磁体4厚度，内层永磁转子轭铁的厚度选用0.5倍的内层永磁体5厚度，且外层永磁体4和内层永磁体5的厚度相同。这使得外层永磁体4和内层永磁体5之间径向距离尽可能小，减小两永磁体之间的磁阻有利于内外层永磁体磁场的传导。

更具体地，内层永磁转子与外层永磁转子之间气隙l

更具体地，导体转子与内层永磁转子之间的气隙l

图4所示为内外层永磁转子转过不同相对位置时内外层永磁体相对位置示意图和相应的磁感线分布图。其中，(a)内外层永磁体充磁方向完全重合时，此时为初始位置，此时的气隙磁通密度最大所能传递转矩的能力最强。通过差速机构或同步机构可以调节内外层永磁转子的相对转速，使得内层永磁转子3相对于外层永磁转子1能够相对转动。图4中以外层永磁转子为参考内层永磁转子每相对转过一个永磁块圆心角为一个工作位置，图中(a-f)依次转过一个永磁体块的圆心角，共计六个工作位置。图中(a-e)，工作气隙中的磁通密度依次减小，在相对转过四个永磁块圆心角时即(e)位置处气隙中的磁通密度最小。当转过第五个永磁块圆心角时即(f)位置处气隙中的磁通密度相对于(e)又有所增加。

内外层永磁体每相对转过一个充磁块圆心角为一个工作位置，由于每个工作位置的内外层永磁体充磁分布不同，导致磁感线的分布不同，使得工作气隙中的磁通密度不同，所以通过改变内外层永磁体的相对位置可以实现耦合器的调速。内外层永磁转子在初始位置时的气隙磁通密度最大，此时磁力耦合器传递转矩的能力最强，在相对转过四个永磁块圆心角时工作气隙中的磁通密度最小，此时磁力耦合器传递转矩的能力最小。

实施例2

基于实施例1所设计的一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统，本申请为了能够进一步实现不停机下的复合无级调速，本申请还提出了将筒式磁力耦合器与差速机构进行耦合，结合附图5、6、9和10。具体结构如下：

差速机构包括调速轴15、锥齿轮16、行星架12、传动轴21、行星齿轮20、盘齿轮9、齿轮轴17、轴套19。其中，行星架12的内部装有2个锥齿轮16和2个行星齿轮20，行星齿轮20套装在销轴10的两端，且销轴10通过紧定螺钉11与行星架12固定连接；2个锥齿轮16与2个行星齿轮20相互啮合。一侧锥齿轮16与传动轴21的左端通过花键进行连接；另一侧锥齿轮16与调速轴15的右端通过花键进行连接。并分别在于传动轴21、调速轴15连接的行星架12处装有圆锥滚子轴承13。在调速轴15上装有轴套14，轴套14通过螺钉与行星架12固定连接。

在行星架12外部还设有盘齿轮9，盘齿轮9通过紧固件(如螺栓)与行星架12外部固定连接。行星架12右侧轴颈处有外花键可与外转子轭铁1进行连接

齿轮轴17的一端设置为锥齿轮状，故齿轮轴17与盘齿轮9可以啮合传动；齿轮轴17外部套装有定位轴套19，且在定位轴套19外套装圆锥滚子轴承18。

更具体地，锥齿轮16和行星架12之间的垫圈采用平面垫圈，2个行星齿轮20的垫圈采用凹球面垫圈以减少行星齿轮20与行星架12之间的摩擦。

更具体地，传动轴21右侧通过平键与内层永磁转子连接，为防止传动轴21的轴向窜动，传动轴的左右两侧加装卡簧。

图6所示为图5整个机构的运动简图，齿轮轴17为输入轴通过齿轮传动给行星架12一个公转速度n1，所以外层永磁转子1同时获得转速n1，调速轴15和内层永磁转子转速此时也为n1。当给调速轴15一个速度增量Δn时，调速轴15转速变为n1+Δn，由于行星齿轮20的自转，内层永磁转子的转速变为n1-Δn。此时内外永磁转子相对以Δn的速度转动。当转过特定的角度时把调速轴15的速度增量Δn去除，此时调速轴15和内层永磁转子的转速又均变为n1，两永磁转子又相对静止，整个过程可实现磁力耦合器内外层永磁转子相对位置的控制。

实施例3

基于实施例1所设计的一种基于筒式磁力耦合器的复合调速系统，本实施例中将实施例2中实现内外层永磁转子相对位置控制的差速机构换成同步机构，使得整个结构变得更加的紧凑，调速过程也更为简便。结合附图7和8所示，具体结构如下：

同步机构包括输入轴29、花键毂28、接合套25、左侧接合齿圈27、右侧接合齿圈24、固定齿23和定位机构。输入轴29的一端通过传动键与内层永磁转子连接，输入轴29与外层永磁转子轭铁1之间设置轴套。

为了便于与同步机构之间的连接，外层永磁转子轭铁1的左侧颈部需要足够长以安装花键毂28和右侧接合齿圈24。

自左往右，在外层永磁转子轭铁1的颈部依次装有花键毂28和右侧接合齿圈24；其中，颈部与花键毂28之间采用花键连接，颈部与右侧接合齿圈24之间装有滚针轴承33，使得右侧接合齿圈24和外层永磁转子之间能够相对转动。在花键毂28的左侧设置左侧接合齿圈27，左侧接合齿圈27与输入轴29的轴肩固定连接。更具体地，为防止花键毂28轴向的窜动，在花键毂28左侧的颈部加装卡簧。

在右侧接合齿圈24右侧外圈套装固定齿圈23两者之间相互啮合，固定齿圈23与基座连接，使得右侧接合齿圈24始终是静止状态。

花键毂28、左侧接合齿圈27和右侧接合齿圈24的外圈均设置为渐开线花键状，且三者外径相同，在三者的外部套装接合套25，接合套25的内圈可以与花键毂28、左侧接合齿圈27和右侧接合齿圈24的外圈通过渐开线花键进行连接。接合套25配有拨叉26，通过控制拨叉26来控制接合套25轴向的移动，接合套25可以在花键毂28、左侧接合齿圈27和右侧接合齿圈24三者的外部往复运动。

定位机构用于改变内外永磁转子相对转速时对结合套的定位。定位机构设置在花键毂28上，结合附图8具体包括：定位弹簧30、定位销31、滑块32。在花键毂28的径向开设用于定位弹簧30安装的盲孔，在盲孔内安装定位弹簧30，定位弹簧30的上端接触定位销31，在盲孔开口(即定位销31的出口处)配有滑块32，滑块32上开有通孔，因此定位销31可以在定位弹簧30的作用下从滑块32中伸出和缩回；本申请中通过在盲孔开口处设置滑块32可以限制定位销31只沿径向运动。同理，在接合套25内壁面也需要开设定位孔，通过定位孔与定位销31的配合实现花键毂28和接合套25之间的卡合、定位。

在本实施例中，为了提高花键毂28和接合套25之间定位的稳定性，可以在花键毂28上设置沿周向均匀设置3组定位机构，同理在接合套25可以沿周向均匀设置3个定位孔。

当拨叉26控制接合套25向左移动时，定位弹簧30向上轻微移动抵住接合套25使得接合套25轴向不会窜动，向右恢复时定位销31抵至接合套25的凹槽中实现接合套25的定位，当拨叉26控制接合套25向右移动与右侧接合齿圈24接合和恢复时，对接合套25的定位过程相同。

当拨叉26控制接合套25向左移动时，接合套25一半与左侧接合齿圈27接合另一半仍保持与花键毂28结合，使得外层永磁转子同输入轴29保持相同转速，输入轴与内层永磁转子之间通过平键连接，所以此时内外层永磁转子一起转动，相对转速为0。

当拨叉26控制接合套25向右移动时，接合套25一半与右侧接合齿圈24结合，另一半仍保持与花键毂28结合，所以此时右侧接合齿圈24与外层永磁转子之间保持相同转速，又因为右侧接合齿圈24与固定齿圈23结合(即右侧接合齿圈与基架相连接处于静止状态)始终保持静止状态，所以此时外层永磁转子也处于静止状态，内层永磁转子3转速为输入轴29转速，内外层永磁转子之间存在一个转速差Δn(即为输入轴转速)，内外层永磁转子相对转动。待内外层永磁转子相对转过一定角度时控制拨叉使接合套与左侧接合齿圈27接合，内外层永磁子又回到相对静止一起转动的状态，整个过程即可实现磁力耦合器内外层永磁转子相对位置的控制。需注意的是在切换耦合器的状态时应先把电机的转速降低到较低的速度，这样会减少接合套25与接合齿圈24、27接合时的冲击力，使得磁力耦合器工作状态的切换更加平稳。

综上所述，本申请所设计的磁力耦合器可以实现复合调速。首先，可以通过差速机构或者同步机构实现外层永磁转子1与内层永磁转子3相对位置的控制进而改变导体6与内层永磁转子3气隙处的磁通密度，进而改变力矩的传递能力进行调速。其次，可以调节导体转子与永磁转子轴向相对位置，进而改变永磁体与导体的耦合长度改变磁力耦合器传递力矩的能力进行调速，当导体与永磁转子耦合的长度减少时，所能传递的力矩也随之减小。最后，可以把前两者调速方式结合起来实现磁力耦合器的复合调速，使得调速的范围更广调速更加平稳。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。