一种可调速的永磁磁力耦合器

1.一种可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，包括外壳体，外壳体内设置有外转子、内转子、第一永磁体、导体环、第二永磁体、支撑铝环、调速装置总成和与驱动电机连接的动力输入轴；其中：内转子的外圆周面上轴向位置设置有一环形凹槽，环形凹槽内嵌入安装有第一永磁体和导体环，外转子在圆周内侧开设凹槽，凹槽内插入第一永磁体；
内转子上的第一永磁体与外转子上的第一永磁体数量均为若干，内转子上的第一永磁体与外转子上的第一永磁体一一对应地，分别以磁极极性相反的方式面对面布置；
所述外转子为两段式一体结构，呈阶梯形圆筒状，从左至右分为A段与B段，A段的内径大于B段的内径，A段与B段的壁厚一致；
上述内转子呈圆筒状，通过键连接的方式装配在永磁磁力耦合器的动力输出轴的右端；所述内转子插入外转子A段的内圈中，内转子的第一永磁体和导体环与外转子的第一永磁体之间留有空气气隙；
上述动力输出轴的左端从外壳体的左端面伸出；
上述外转子的A段的轴向长度大于内转子的轴向长度；
所述动力输入轴为阶梯轴，两头细中间粗，分为左段、中段和右段，其中，左段和右段的直径相等；
在动力输入轴左段装配有第一滚动轴承；上述第一滚动轴承的内圈与所述动力输入轴的外周面配合、外圈与支撑铝环的内圈配合；
所述外壳体为分体式组合结构，包括左外壳体和右外壳体两部分，左外壳体的左端设置有轴孔，右外壳体的右端设置有带内螺纹的轴孔；
所述支撑铝环分别与外壳体左部分的右端面和外壳体右部分的左端面固定连接；
上述外转子的B段内壁面设置有花键，并通过该花键与动力输入轴的左端连接；
上述动力输入轴的最左端设置有与螺帽配合的螺纹，动力输入轴的最右端从所述外壳体的右端面伸出，伸出端通过联轴器与外部驱动电机的输出轴连接，外部驱动电机驱动上述外转子运动，进而通过磁力耦合驱使内转子转动，由上述的动力输出轴输出动力；
所述调速装置总成包括弹簧、空心丝杠、调节手柄和第三永磁体；
所述动力输入轴经由空心丝杠的内孔穿过，空心丝杠与动力输入轴之间留有一定的间隙，空心丝杠与右外壳体右端的带内螺纹的轴孔形成螺纹配合；
所述空心丝杠的左端位于外壳体的内部空腔内，空心丝杠的左端端部设置有翻边，翻边上嵌入安装有一圆环形状的第三永磁体；
所述调节手柄以可拆卸连接方式装配在空心丝杠的右端端部；
上述外转子的外表面上套装有一护套，护套材质为隔磁材料，护套与外转子成间隙配合；护套外表面的台阶部嵌入安装有一圆环形状的第二永磁体；
所述第三永磁体与上述第二永磁体以与对方磁极极性相同的方式，左右相向、面对面布置，形成一相互排斥的磁极对；
在上述的动力输入轴的最左端设置有弹簧，弹簧的左右两端分别与螺帽和外转子的左端面接触挤压；
所述动力输出轴经联轴器与工作机的输入轴连接。
2.根据权利要求1所述的可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，所述左外壳体左端的轴孔内装配有轴承。
3.根据权利要求1所述的可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，所述调节手柄为一带中心孔的圆盘，圆盘外圆周面的内边缘处设置有一摇把，圆盘的中心孔与空心丝杠的右端端部通过键连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，所述空心丝杠采用多线螺纹，其导程S满足下式(1)：
S＝np   (1)；
上式(1)中：
p为螺距；
n为线数，线数n取1～3。
5.根据权利要求1-3任一所述的可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，所述外转子的轴向位移可由弹簧的压缩量Δx按下式(2)求得：
2
Δx＝BS/kμ0   (2)；
上式(2)中：
B为第二永磁体和第三永磁体作用面处的磁感应强度；
S为两永磁体作用面的面积；
k为弹簧的弹性系数；
μ0为真空磁导率。

一种可调速的永磁磁力耦合器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种磁力耦合器，尤其涉及一种可调速的永磁磁力耦合器，属于动力机械传动技术领域。\n背景技术\n[0002] 永磁磁力耦合器也称磁力联轴器或永磁传动装置，其主要由铜转子、永磁转子和控制器三个部分组成。一般，铜转子与电机轴连接，永磁转子与工作机的轴连接，铜转子和永磁转子之间有空气间隙，没有传递扭矩的机械连接。这样，电机和工作机之间形成了软磁连接，通过调节气隙来实现工作机轴扭矩、转速的变化。\n[0003] 永磁磁力耦合器传动是传动技术、材料技术、制造技术的集成，因其具有轻载启动、过载保护、减缓冲击、隔离扭振等优异特性，所以应用在大惯量、难启动的机械上，能够改变落后的传统方式，节能显著。\n[0004] 二十一世纪制造技术不但将继续制造常规条件下运行的机器与设备，而且将制造出极端环境下运行的机械设备，制造的产品应是符合节能和生态环保，与人友好的绿色产品，永磁涡流传动技术正是适应这一发展态势应运而生的。\n[0005] 随着新技术、新工艺、新结构的不断出现，必将迎来永磁涡流传动技术发展的新阶段。\n[0006] 传统的永磁盘式涡流永磁磁力耦合器由于滑差大，铜盘或铜套中产生较大的涡流，导致耦合器系统的热损大、效率低，不适合大功率的机电传动设备。\n[0007] 永磁式异步永磁磁力耦合器采用异步电机的鼠笼转子，较好地解决了铜转子发热的问题，但相对于同体积的永磁体而言，其能量转换效率低，所能传递的扭矩较小，永磁体的磁损大，效率低。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的是，提供一种可调速的永磁磁力耦合器，该可调速的永磁磁力耦合器通过外部电机提供动力，带动永磁体外转子转动，在磁耦合作用下带动永磁体内转子一起转动，当调速齿轮转动时，带动圆筒形齿条沿着动力输入轴的轴向移动，推动外转子轴向移动，实现调整耦合面积大小的作用，改变了负载端的扭矩及转速大小，达到调速的目的。\n[0009] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种可调速的永磁磁力耦合器，其特征在于，包括外壳体，外壳体内设置有外转子、内转子、第一永磁体、导体环、第二永磁体、支撑铝环、调速装置总成和与驱动电机连接的动力输入轴；其中：内转子的外圆周面上轴向位置设置有一环形凹槽，环形凹槽内嵌入安装有第一永磁体和导体环，外转子在圆周内侧开设凹槽，凹槽内插入第一永磁体；\n[0010] 内转子上的第一永磁体与外转子上的第一永磁体数量均为若干，内转子上的第一永磁体与外转子上的第一永磁体一一对应地，分别以磁极极性相反的方式面对面布置；\n[0011] 所述外转子为两段式一体结构，呈阶梯形圆筒状，从左至右分为A段与B段，A段的内径大于B段的内径，A段与B段的壁厚一致；\n[0012] 上述内转子呈圆筒状，通过键连接的方式装配在永磁磁力耦合器的动力输出轴的右端；所述内转子插入外转子A段的内圈中，内转子的第一永磁体和导体环与外转子的第一永磁体之间留有空气气隙；\n[0013] 上述动力输出轴的左端从外壳体的左端面伸出；\n[0014] 上述外转子的A段的轴向长度大于内转子的轴向长度；\n[0015] 所述动力输入轴为阶梯轴，两头细中间粗，分为左段、中段和右段，其中，左段和右段的直径相等；\n[0016] 在动力输入轴左段装配有第一滚动轴承；上述第一滚动轴承的内圈与所述动力输入轴的端面贴合、外圈与支撑铝环的内圈配合；\n[0017] 所述外壳体为分体式组合结构，包括左外壳体和有外壳体两部分，左外壳体的左端设置有轴孔，右外壳体的右端设置有带内螺纹的轴孔；\n[0018] 所述支撑铝环分别与外壳体左部分的右端面和外壳体右部分的左端面固定连接；\n[0019] 上述外转子的B段内壁面设置有花键，并通过该花键与动力输入轴的左端连接；\n[0020] 上述动力输入轴的最左端设置有与螺帽配合的螺纹，动力输入轴的最右端从所述外壳体的右端面伸出，伸出端通过联轴器与外部驱动电机的输出轴连接，外部驱动电机驱动上述外转子运动，进而通过磁力耦合驱使内转子转动，由上述的动力输出轴输出动力；\n[0021] 所述调速装置总成包括弹簧、空心丝杠、调节手柄和第三永磁体；\n[0022] 所述动力输入轴经由空心丝杠的内孔穿过，空心丝杠与动力输入轴之间留有一定的间隙，空心丝杠与右外壳体右端的带内螺纹的轴孔形成螺纹配合；\n[0023] 所述空心丝杠的左端位于外壳体的内部空腔内，空心丝杠的左端端部设置有翻边，翻边上嵌入安装有一圆环形状的第三永磁体；\n[0024] 所述调节手柄以可拆卸连接方式装配在空心丝杠的右端端部；\n[0025] 上述外转子的外表面上套装有一护套，护套材质为隔磁材料，护套与外转子成间隙配合；护套外表面的台阶部嵌入安装有一圆环形状的第二永磁体；\n[0026] 所述第三永磁体与上述第二永磁体以与对方磁极极性相同的方式，左右相向、面对面布置，形成一相互排斥的磁极对；\n[0027] 在上述的动力输入轴的最左端设置有弹簧，弹簧的左右两端分别与螺帽和外转子的左端面接触挤压；\n[0028] 所述动力输出轴经联轴器与工作机的输入轴连接。\n[0029] 上述技术方案直接带来的技术效果是，一方面，可调速的永磁磁力耦合器，采用导体环和永磁体转子代替现有的鼠笼型转子，单位体积永磁体所产生的磁性更强，能量转换效率更高，所能传递的转矩更大，调速范围更广、效率得到提高；另一方面，调速机构结构简单、操作简便。\n[0030] 上述技术方案的可调速的永磁磁力耦合器，整体结构简单、紧凑，占用空间小。\n[0031] 为更好地理解上述技术方案的技术特点，下面简要说明可调速的永磁磁力耦合器的工作原理。\n[0032] 通过外部电机提供动力，带动外转子转动，当内转子的第一永磁体和外转子的第一永磁体正对时，在永磁体的磁力作用下外转子带动内转子一起转动；此时，与内转子相连接的动力输出轴的转速和输入转速相同，为同步状态；\n[0033] 当调速手柄逆时针转动时，会带动空心丝杠沿动力输入轴的轴向向右移动，嵌入安装在空心丝杠上的第二永磁体与嵌入在外转子的隔磁套上的第三永磁体所产生的斥力减小，外转子在弹簧的作用下向右移动。此时，外转子的第一永磁体和导体环的相对耦合面积增大，通过电磁感应产生电磁转矩，但内转子的第一永磁体和外转子的第一永磁体之间的耦合面积减小，外转子所能传递的转矩减小，输出转速将下降。\n[0034] 反之，当调速手柄顺时针转动时，外转子的第一永磁体和导体环的相对耦合面积减小，通过电磁感应产生电磁转矩，但内转子的第一永磁体和外转子的第一永磁体之间的耦合面积增大，外转子所能传递的转矩增大，输出转速将上升。\n[0035] 即，通过人工手动操作调节手柄即可简单快捷地进行较为精确的调速操作。\n[0036] 优选为，上述左外壳体左端的轴孔内装配有轴承。\n[0037] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，左外壳体左端的轴孔内装配有轴承，可以更好地支撑动力输出轴，降低其旋转运动过程中的摩擦系数。\n[0038] 进一步优选，上述调节手柄为一带中心孔的圆盘，圆盘外圆周面的内边缘处设置有一摇把，圆盘的中心孔与空心丝杠的右端端部形成轴孔配合并通过键连接。\n[0039] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，采用“圆盘的中心孔与空心丝杠的右端端部形成轴孔配合并通过键连接”这样一种可拆卸连接方式，便于拆装和日后的维修处理。\n[0040] 进一步优选，上述空心丝杠采用多线螺纹，其导程S满足下式(1)：\n[0041] S＝np    (1)；\n[0042] 上式(1)中：\n[0043] p为螺距；\n[0044] n为线数，线数n取1～3。\n[0045] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，采用上述技术参数的多线螺纹，更适于磁力耦合器转速的快速调节。\n[0046] 进一步优选，上述外转子的轴向位移可由弹簧的压缩量Δx按下式(2)求得：\n[0047] Δx＝B2S/kμ0     (2)；\n[0048] 上式(2)中：\n[0049] B为第二永磁体和第三永磁体作用面处的磁感应强度；\n[0050] S为两个永磁体作用面的面积；\n[0051] k为弹簧的弹性系数；\n[0052] μ0为真空磁导率。\n[0053] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，可以更好地指导操作人员进行永磁磁力耦合器的调速操作。\n[0054] 综上所述，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：\n[0055] 1、本发明可调速的永磁磁力耦合器，采用导体环和永磁体转子代替现有的鼠笼型转子，单位体积永磁体所产生的磁性更强，能量转换效率更高，所能传递的转矩更大，调速范围更广、效率得到提高。\n[0056] 2、可调速的永磁磁力耦合器，整体结构简单、紧凑，占用空间小。\n[0057] 3、通过人工手动操作调节手柄即可简单快捷地进行较为精确的调速操作。\n附图说明\n[0058] 图1为本发明的可调速的永磁磁力耦合器的剖视结构示意图；\n[0059] 图2为本发明的可调速的永磁磁力耦合器沿A-A向的剖面结构示意图；\n[0060] 图3为本发明的可调速的永磁磁力耦合器沿轴向的磁力线分布情况的示意图。\n[0061] 附图标记说明：\n[0062] 1、动力输出轴；2、内转子；3、内转子第一永磁体；4、外转子第一永磁体；5、导体环；\n6、外转子；7、隔磁套；8、第二永磁体；9、第三永磁体；10、螺帽；11、弹簧；12、动力输入轴；13、支撑铝环；14、滚动轴承；15、空心丝杠；16、外壳体；17、调节手柄。\n具体实施方式\n[0063] 下面将结合附图，对本发明进行详细说明。\n[0064] 如图1至3所示，本发明的可调速的永磁磁力耦合器，包括外壳体(16)，外壳体(16)内设置有外转子(6)、动力输出轴(1)内转子(2)、第一永磁体、导体环(5)、第二永磁体(8)、支撑铝环(13)、调速装置总成和与驱动电机连接的动力输入轴(12)；其中，内转子(2)的外圆周面上轴向位置设置有一环形凹槽，环形凹槽内嵌入安装有内转子第一永磁体(3)和导体环(5)，外转子(6)在圆周内部开设凹槽，凹槽内插入外转子第一永磁体(4)，内转子(2)上的第一永磁体与外转子(6)上的第一永磁体数量均为若干，以磁极极性相反的方式面对面一一对应地布置。\n[0065] 上述外转子(6)为两段式一体结构，呈阶梯形圆筒状，从左至右分为A段与B段，A段的内径大于B段的内径，A段与B段的壁厚一致；\n[0066] 上述内转子(2)呈圆筒状，通过键连接的方式装配在永磁磁力耦合器的动力输出轴(1)的右端；上述内转子(2)插入外转子(6)A段的内圈中，内转子(2)的第一永磁体和导体环(5)与外转子(6)的第一永磁体之间留有空气气隙；\n[0067] 上述动力输出轴(1)的左端从外壳体(16)的左端面伸出；\n[0068] 上述外转子(6)的A段的轴向长度大于内转子(2)的轴向长度；\n[0069] 上述动力输入轴(12)为阶梯轴，两头细中间粗，分为左段、中段和右段，左段和右段的直径相等；在动力输入轴(12)左段的装配有第一滚动轴承(14)；上述第一滚动轴承(14)的内圈与上述动力输入轴(12)的端面贴合，外圈与支撑铝环(13)的内圈配合；\n[0070] 上述外壳体(16)为分体式组合结构，包括左外壳体和有外壳体两部分，左外壳体的左端设置有轴孔，右外壳体的右端设置有带内螺纹的轴孔；\n[0071] 上述支撑铝环(13)分别与外壳体左部分的右端面和外壳体右部分的左端面固定连接；\n[0072] 上述外转子(6)的B段内壁面设置有花键，并通过该花键与动力输入轴(12)的左端连接；\n[0073] 上述动力输入轴(12)的最左端设置有与螺帽(10)配合的螺纹，最右端从上述外壳体(16)的右端面伸出，伸出端通过联轴器与外部驱动电机的输出轴连接，外部驱动电机驱动上述外转子(6)运动，进而通过磁力耦合驱使内转子(2)转动，由上述的动力输出轴(1)输出；\n[0074] 上述调速装置总成包括弹簧(11)、空心丝杠(15)、调节手柄(17)和第三永磁体(9)；\n[0075] 动力输入轴(1)经由空心丝杠(15)的内孔穿过，空心丝杠与动力输入轴之间留有一定的间隙，空心丝杠与右外壳体右端的带内螺纹的轴孔形成螺纹配合；\n[0076] 上述调节手柄以可拆卸连接方式装配在空心丝杠的右端端部。\n[0077] 这种可拆卸连接方式优选采用如下结构形式：上述调节手柄为一带中心孔的圆盘，圆盘外圆周面的内边缘处设置有一摇把，圆盘的中心孔与空心丝杠的右端端部形成轴孔配合并通过键连接。\n[0078] 上述空心丝杠(15)的内部，装有动力输入轴(12)，空心丝杠(15)和动力输入轴(12)之间留有一定的间隙，空心丝杠(15)的外圆周与外壳体(16)母丝相配合；\n[0079] 上述空心丝杠(15)的左端带有翻边，齿条翻边的端面嵌入安装有一圆环形状的第三永磁体(9)；\n[0080] 上述调节手柄(17)焊接于空心丝杠(15)的右端面；\n[0081] 上述外转子(6)的外表面上套装有一护套，护套材质为隔磁材料，护套与外转子(6)成间隙配合；护套外表面的台阶部嵌入安装有一圆环形状的第二永磁体(8)；\n[0082] 上述第三永磁体(9)与上述第二永磁体(8)以与对方磁极极性相同的方式，左右相向、面对面布置，形成一相互排斥的磁极对；\n[0083] 在上述的动力输入轴(12)的最左端设置有弹簧(11)，弹簧(11)的左右两端分别与螺帽(10)和外转子(6)的左端面接触挤压；\n[0084] 上述动力输出轴(1)经联轴器与工作机输入轴连接。本发明一种可调速的永磁磁力耦合器工作原理：\n[0085] 通过外部电机提供动力，带动外转子(6)转动，当内转子(2)第一永磁体和外转子(6)第一永磁体(4)正对时，在永磁体的磁力作用下外转子(6)带动内转子(2)一起转动，此时与内转子(2)相连接的动力输出轴(1)的转速和输入转速相同，为同步状态；\n[0086] 当调速手柄(17)逆时针转动时，会带动空心丝杠(15)沿动力输入轴(12)的轴向向右移动，嵌入在空心丝杠(15)上的第二永磁体(8)与嵌入在外转子(6)隔磁套(7)上的第三永磁体(9)所产生的斥力减小，外转子(6)在弹簧(11)的作用下向右移动。此时，外转子(6)第一永磁体(4)和导体环(5)的相对耦合面积增大，通过电磁感应产生电磁转矩，但内转子(2)第一永磁体和外转子(6)第一永磁体(4)之间的耦合面积减小，外转子(6)所能传递的转矩减小，输出转速将下降。\n[0087] 反之，当调速手柄(17)顺时针转动时，外转子(6)第一永磁体(4)和导体环(5)的相对耦合面积减小，通过电磁感应产生电磁转矩，但内转子(2)第一永磁体和外转子(6)第一永磁体(4)之间的耦合面积增大，外转子(6)所能传递的转矩增大，输出转速将上升。\n[0088] 说明：\n[0089] 为保证磁力耦合器转速的快速调节，上述空心丝杠优选采用多线螺纹，其导程S满足下式(1)：\n[0090] S＝np    (1)；\n[0091] 上式(1)中：\n[0092] p为螺距；\n[0093] n为线数，线数n取1～3。\n[0094] 并且，上述外转子的轴向位移可由弹簧的压缩量Δx按下式(2)求得：\n[0095] Δx＝B2S/kμ0     (2)；\n[0096] 上式(2)中：\n[0097] B为第二永磁体和第三永磁体作用面处的磁感应强度；\n[0098] S为两个永磁体作用面的面积；\n[0099] k为弹簧的弹性系数；\n[0100] μ0为真空磁导率。