多转差级联式永磁调速装置的制作方法

本实用新型涉及永磁调速装置，特别是一种多转差级联式永磁调速装置。

背景技术：

现有的永磁调速装置是利用永磁体与导体之间相互运动时所产生的洛仑兹力实现动力机和工作机之间的运动传递。永磁调速装置一般均具有软启动、速度可调和过载保护功能，被广泛应用于由负载和电机组成的传动系统中。

现有的永磁调速装置一般均为转差调速，即通过改变永磁体与导体之间的磁通面积来调节转速。当转差加大时，感生电流也随之加大，由此产生的功率损耗也随之加大，永磁调速装置的发热量也加大，当永磁调速装置所产生的热量达到永磁体的退磁温度时，永磁体将产生不可逆退磁，此时永磁调速装置将失效或报废，因此现有的永磁调速装置所传递的功率范围有限(空冷时一般<500kW)。

另外，以美国Magna Drive公司为代表的现有永磁调速装置，一般仅有两个转子，分别为主动转子(与动力源相联)和从动转子(与负载相联)，通过改变两转子之间的轴向气隙长度从而达到调速目的，此时其轴向气隙磁通调节机构一般均为花键副结构，这是因为花键副在传递转矩时还可以沿轴向运动，使永磁体与良导体之间产生轴向相对运动，以改变轴向气隙磁通面积实现调速。这种调速方式需要克服两种轴向力：一是气隙磁场产生的磁拉力的轴向分量；二是沿花键副移动时花键轴与花键孔之间的摩擦力。由于带载时花键轴与花键孔之间的正压力很大，因此使其轴向移动时所需克服的摩擦力也很大，调速系统不仅需要较大的轴向拉力，而且花键轴也很容易在短期内磨损报废。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种多转差级联式永磁调速装置，可以解决以下问题：

1、现有永磁调速装置的大转差发热问题；

2、现有气隙磁通调节机构调速时轴向抽拉力过大问题。

本实用新型的设计思路如下：

1、本实用新型由多个单级调速模块组成，每个单级调速模块均包含三层同心式独立转子，分别为与动力源相联的主动转子，与轴向气隙磁通调节机构相联的调速转子，与负载相联的从动转子；调速转子及从动转子的转速均随主动转子转速的变化而变化，即调速转子与主动转子之间有转差，从动转子与调速转子之间也有转差；主动转子、调速转子及从动转子之间形成了两层气隙，分别为主动转子与调速转子之间、调速转子与从动转子之间；这两层气隙的径向气隙长度可以相同，也可以不同，由此形成的两个转差可以相同，也可以不同；调速转子一般位于中间层，其结构形状为筒型，筒的外圆及内孔表面均安装永磁体；与调速转子内、外表面相对应的主动转子的内表面及从动转子的外表面则分别安装良导体(可为铜、铝、铁磁体等)；调速转子也可为导体层，此时内、外两层的主动转子与从动转子则分别为永磁体层；

将上述的单级调速模块面对面级联在一起，即可组成一个含有四层气隙的双级调速模块，将多个含有四层气隙的双级调速模块以串联方式级联起来组成一个含有更多气隙的永磁调速装置。

上述方法可将永磁调速装置所需的大转差分解为含有多个气隙的小转差，由于永磁调速装置在小转差状态下的发热量很小，因此即使永磁调速装置的输入端与输出端所需的转差很大，其整体的发热量也很小，以保证永磁调速装置中的永磁体不会因为温升过高而产生不可逆退磁。

2、本实用新型与美国Magna Drive公司为代表的现有永磁调速装置不同的是：Magna Drive公司的永磁调速装置仅有两个转子，分别为主动转子(与动力源相联)和从动转子(与负载相联)，通过改变两转子之间的轴向气隙长度从而达到调速目的，此时其轴向气隙磁通调节机构一般均为花键副结构，这是因为花键副在传递转矩时还可以沿轴向运动，使永磁体与良导体之间产生轴向相对运动，以改变轴向气隙磁通面积实现调速。而本实用新型则为三层转子，分别为主动转子、调速转子和从动转子，其中主动转子与动力源相联，调速转子与轴向气隙磁通调节机构相联，从动转子与负载相联；由于调速转子仅将主动转子的动力(转速及转矩)传递给从动转子，其起的作用相当于机械齿轮轮系中的惰轮，无需动力输出轴，因此也就无需传统机械调速装置中所必需的花键副结构，当轴向气隙磁通调节机构带动调速转子沿轴向方向运动进行调速时，仅需克服上述第一种力(即气隙磁场拉力的轴向分量)即可。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

多转差级联式永磁调速装置，包括多个双级调速模块，多个双级调速模块串联联接，相邻的两个双级调速模块之间通过联轴器联接；

所述的双级调速模块包括左右两个对称级联的单级调速模块，其结构关于左右垂直中心线对称；

所述的单级调速模块包括主动转子总成、调速转子总成和从动转子总成；

所述的主动转子总成由端轴、外套筒、良导体B和轴承B；所述的端轴为阶梯轴，其最大直径端通过螺栓或键与外套筒刚性相联；所述的外套筒为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装有轴承B，孔径较大处安装有良导体B；良导体B为环型结构，其外圆表面以过盈配合方式与外套筒的内孔刚性相联；所述的轴承B为滚动球轴承，其外圆表面以过盈或过渡配合方式安装在外套筒的较小内孔处，轴承B的内孔以过盈或过渡配合方式安装在从动转子总成中的联轴一端的较小外圆处。

所述的调速转子总成包括永磁体A、永磁体B、轴承A、内套筒、滑套和轴向气隙磁通调节机构；所述的永磁体A和永磁体B分别安装在内套筒的外圆和内孔处；所述的轴承A为滚动球轴承，其外圆以过盈或过渡配合方式安装在内套筒的较小内孔处，轴承A的内孔以过盈或过渡配合方式安装在滑套一端的较小外圆处；所述的内套筒为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装轴承A，孔径较大处安装永磁体A，外圆处安装永磁体B；所述的滑套为阶梯轴，其中间段外径较大、两端的外径较小，轴承A的内孔与滑套的一端以过盈或过渡形式相配合，滑套的外圆最大直径处与轴向气隙磁通调节机构中的联结板的内孔以过盈或键的形式刚性联结；所述的滑套的内孔与联轴间隙配合；所述的轴向气隙磁通调节机构由联结板及直线运动平台组成，所述的联结板上有内孔及底座，其内孔与滑套的最大外圆以过盈配合或键的方式刚性联结，其底座安装在直线运动平台上；所述的直线运动平台带动联结板进而带动滑套沿联轴的轴线方向进行直线往复运动。

所述的从动转子总成包括内转子、良导体A和联轴；所述的内转子为环形结构，其外圆表面安装良导体A，内转子的内孔与联轴以过盈或键的形式刚性联结；所述的良导体A为环形结构，安装在内转子的外圆表面；所述的联轴为阶梯轴，其两端的外径较小，轴承B与联轴的一端过盈或过渡配合；

所述的良导体B与永磁体B之间有一层均匀气隙；所述的永磁体A与良导体A之间有一层均匀气隙。所述的永磁体A、良导体A、良导体B和永磁体B的轴向长度相等。

所述的联轴、滑套和联结板为左右对称结构，用于连接左右两个对称的单级调速模块；左边的端轴作为输入轴、右边的端轴作为输出轴。

本实用新型的另一个技术方案如下：

多转差级联式永磁调速装置，包括多个双级调速模块，多个双级调速模块串联联接，相邻的两个双级调速模块之间通过联轴器联接；

所述的双级调速模块包括左右两个对称级联的单级调速模块，其结构关于左右垂直中心线对称；

所述的单级调速模块包括主动转子总成、调速转子总成和从动转子总成组成；

所述的主动转子总成由端轴、外套筒、永磁体B和轴承B；所述的端轴为阶梯轴，其最大直径端通过螺栓或键与外套筒刚性相联；所述的外套筒为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装有轴承B，孔径较大处安装有永磁体B；永磁体B为环型结构，其外圆表面以过盈配合方式与外套筒的内孔刚性相联；所述的轴承B为滚动球轴承，其外圆表面以过盈或过渡配合方式安装在外套筒的较小内孔处，轴承B的内孔以过盈或过渡配合方式安装在从动转子总成中的联轴一端的较小外圆处。

所述的调速转子总成包括良导体A、良导体B、轴承A、内套筒、滑套和轴向气隙磁通调节机构；所述的良导体A和良导体B分别安装在内套筒的外圆和内孔处；所述的轴承A为滚动球轴承，其外圆以过盈或过渡配合方式安装在内套筒的较小内孔处，轴承A的内孔以过盈或过渡配合方式安装在滑套一端的较小外圆处；所述的内套筒为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装轴承A，孔径较大处安装良导体A，外圆处安装良导体B；所述的滑套为阶梯轴，其中间段外径较大、两端的外径较小，轴承A的内孔与滑套的一端以过盈或过渡形式相配合，滑套的外圆最大直径处与直线运动装置中的联结板的内孔以过盈或键的形式刚性联结；所述的滑套的内孔与联轴间隙配合；所述的轴向气隙磁通调节机构由联结板及直线运动平台组成，所述的联结板上有内孔及底座，其内孔与滑套的最大外圆以过盈配合或键的方式刚性联结，其底座安装在直线运动平台上；所述的直线运动平台带动联结板进而带动滑套沿联轴的轴线方向进行直线往复运动。

所述的从动转子总成包括内转子、永磁体A和联轴；所述的内转子为环形结构，其外圆表面安装永磁体A，内转子的内孔与联轴以过盈或键的形式刚性联结；所述的永磁体A为环形结构，安装在内转子的外圆表面；所述的联轴为阶梯轴，其两端的外径较小，轴承B与联轴的一端过盈或过渡配合；

所述的永磁体B与良导体B之间有一层均匀气隙；所述的良导体A与永磁体A之间有一层均匀气隙。所述的良导体A、永磁体A、永磁体B和良导体B的轴向长度相等。

所述的联轴、滑套和联结板为左右对称结构，用于连接左右两个对称的单级调速模块；左边的端轴作为输入轴、右边的端轴作为输出轴。

进一步地，多转差级联式永磁调速装置，包括一个双级调速模块，左边的端轴作为输入轴、右边的端轴作为输出轴。

进一步地，多转差级联式永磁调速装置，包括一个单级调速模块，左边的端轴作为输入轴、右边的联轴作为输出轴。

进一步地，所述的良导体A和良导体B的材料为铜或铝或铁磁体。

进一步地，所述的永磁体A和永磁体B的材料均为稀土永磁。

进一步地，所述的直线运动平台为标准件。

进一步地，所述的良导体B与永磁体B之间的径向气隙长度与所述的永磁体A与良导体A之间的径向气隙长度相同。

本实用新型与现有永磁调速传动装置或技术相比，具有如下的突出性质和显著优点：

1、本实用新型可将永磁调速装置调速时所需的大转差分解为含有多层气隙的小转差，由于永磁调速装置在小转差状态下的发热量很小，因此即使永磁调速装置的输入端与输出端所需的转差很大，其整体的发热量也较小，以保证永磁调速装置中的永磁体不会因为温升过高而产生不可逆退磁。

2、本实用新型的轴向气隙磁通调节机构没有花键副，调速时轴向气隙磁通调节机构仅需克服第一种轴向力，即气隙磁场拉力的轴向分量即可，因此轴向气隙磁通调节机构的体积小，结构简单，工作性能好，可靠性高。

3、单级调速模块和双级调速模块具有相同的结构特性及相似的传动特性，可利用相同的生产工艺、设备进行加工制造，并易于生产现场的安装与调试。

附图说明

本实用新型共有附图5张，其中：

图1为两个双级调速模块以串联方式级联起来的机械结构示意图。

图2为实施例一的双级调速模块的机械结构示意图。

图3为实施例一的单级调速模块的机械结构示意图。

图4为实施例二的双级调速模块的机械结构示意图。

图5为实施例二的单级调速模块的机械结构示意图。

图中：1、内转子，2、良导体A，3、永磁体A，4、永磁体B，5、轴承A，6、端轴，7、外套筒，8、良导体B，9、内套筒，10、滑套，11、联轴，12、直线运动平台，13、联结板，14、轴承B，15、联轴器，16、双级调速模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步地说明。

实施例一：

如图1-3所示，多转差级联式永磁调速装置，包括多个双级调速模块16，多个双级调速模块16串联联接，相邻的两个双级调速模块16之间通过联轴器15联接；

所述的双级调速模块16包括左右两个对称级联的单级调速模块，其结构关于左右垂直中心线对称；

所述的单级调速模块包括主动转子总成、调速转子总成和从动转子总成；

所述的主动转子总成由端轴6、外套筒7、良导体B8和轴承B14；所述的端轴6为阶梯轴，其最大直径端通过螺栓或键与外套筒7刚性相联；所述的外套筒7为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装有轴承B14，孔径较大处安装有良导体B8；良导体B8为环型结构，其外圆表面以过盈配合方式与外套筒7的内孔刚性相联；所述的轴承B14为滚动球轴承，其外圆表面以过盈或过渡配合方式安装在外套筒7的较小内孔处，轴承B14的内孔以过盈或过渡配合方式安装在从动转子总成中的联轴11一端的较小外圆处。

所述的调速转子总成包括永磁体A3、永磁体B4、轴承A5、内套筒9、滑套10和轴向气隙磁通调节机构；所述的永磁体A3和永磁体B4分别安装在内套筒9的外圆和内孔处；所述的轴承A5为滚动球轴承，其外圆以过盈或过渡配合方式安装在内套筒9的较小内孔处，轴承A5的内孔以过盈或过渡配合方式安装在滑套10一端的较小外圆处；所述的内套筒9为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装轴承A5，孔径较大处安装永磁体A3，外圆处安装永磁体B4；所述的滑套10为阶梯轴，其中间段外径较大、两端的外径较小，轴承A5的内孔与滑套10的一端以过盈或过渡形式相配合，滑套10的外圆最大直径处与轴向气隙磁通调节机构中的联结板13的内孔以过盈或键的形式刚性联结；所述的滑套10的内孔与联轴11间隙配合；所述的轴向气隙磁通调节机构由联结板13及直线运动平台12组成，所述的联结板13上有内孔及底座，其内孔与滑套10的最大外圆以过盈配合或键的方式刚性联结，其底座安装在直线运动平台12上；所述的直线运动平台12带动联结板13进而带动滑套10沿联轴11的轴线方向进行直线往复运动。

所述的从动转子总成包括内转子1、良导体A2和联轴11；所述的内转子1为环形结构，其外圆表面安装良导体A2，内转子1的内孔与联轴11以过盈或键的形式刚性联结；所述的良导体A2为环形结构，安装在内转子1的外圆表面；所述的联轴11为阶梯轴，其两端的外径较小，轴承B14与联轴11的一端过盈或过渡配合；

所述的良导体B8与永磁体B4之间有一层均匀气隙；所述的永磁体A3与良导体A2之间有一层均匀气隙。所述的永磁体A3、良导体A2、良导体B8和永磁体B4的轴向长度相等。

所述的联轴11、滑套10和联结板13为左右对称结构，用于连接左右两个对称的单级调速模块；左边的端轴6作为输入轴、右边的端轴6作为输出轴。

实施例二：

如图1、4、5所示，多转差级联式永磁调速装置，包括多个双级调速模块16，多个双级调速模块16串联联接，相邻的两个双级调速模块16之间通过联轴器15联接；

所述的双级调速模块16包括左右两个对称级联的单级调速模块，其结构关于左右垂直中心线对称；

所述的单级调速模块包括主动转子总成、调速转子总成和从动转子总成；

所述的主动转子总成由端轴6、外套筒7、永磁体B4和轴承B14；所述的端轴6为阶梯轴，其最大直径端通过螺栓或键与外套筒7刚性相联；所述的外套筒7为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装有轴承B14，孔径较大处安装有永磁体B4；永磁体B4为环型结构，其外圆表面以过盈配合方式与外套筒7的内孔刚性相联；所述的轴承B14为滚动球轴承，其外圆表面以过盈或过渡配合方式安装在外套筒7的较小内孔处，轴承B14的内孔以过盈或过渡配合方式安装在从动转子总成中的联轴11一端的较小外圆处。

所述的调速转子总成包括良导体A2、良导体B8、轴承A5、内套筒9、滑套10和轴向气隙磁通调节机构；所述的良导体A2和良导体B8分别安装在内套筒9的外圆和内孔处；所述的轴承A5为滚动球轴承，其外圆以过盈或过渡配合方式安装在内套筒9的较小内孔处，轴承A5的内孔以过盈或过渡配合方式安装在滑套10一端的较小外圆处；所述的内套筒9为筒型结构，其内孔为阶梯孔结构，孔径较小处安装轴承A5，孔径较大处安装良导体A2，外圆处安装良导体B8；所述的滑套10为阶梯轴，其中间段外径较大、两端的外径较小，轴承A5的内孔与滑套10的一端以过盈或过渡形式相配合，滑套10的外圆最大直径处与直线运动装置中的联结板13的内孔以过盈或键的形式刚性联结；所述的滑套10的内孔与联轴11间隙配合；所述的轴向气隙磁通调节机构由联结板13及直线运动平台12组成，所述的联结板13上有内孔及底座，其内孔与滑套10的最大外圆以过盈配合或键的方式刚性联结，其底座安装在直线运动平台12上；所述的直线运动平台12带动联结板13进而带动滑套10沿联轴11的轴线方向进行直线往复运动。

所述的从动转子总成包括内转子1、永磁体A3和联轴11；所述的内转子1为环形结构，其外圆表面安装永磁体A3，内转子1的内孔与联轴11以过盈或键的形式刚性联结；所述的永磁体A3为环形结构，安装在内转子1的外圆表面；所述的联轴11为阶梯轴，其两端的外径较小，轴承B14与联轴11的一端过盈或过渡配合；

所述的永磁体B4与良导体B8之间有一层均匀气隙；所述的良导体A2与永磁体A3之间有一层均匀气隙。所述的良导体A2、永磁体A3、永磁体B4和良导体B8的轴向长度相等。

所述的联轴11、滑套10和联结板13为左右对称结构，用于连接左右两个对称的单级调速模块；左边的端轴6作为输入轴、右边的端轴6作为输出轴。

实施例三：

如图2、4所示，多转差级联式永磁调速装置，包括一个双级调速模块16，左边的端轴6作为输入轴、右边的端轴6作为输出轴。

实施例四：

如图3、5所示，多转差级联式永磁调速装置，包括一个单级调速模块，左边的端轴6作为输入轴、右边的联轴11作为输出轴。

进一步地，所述的良导体A2和良导体B8的材料为铜或铝或铁磁体。

进一步地，所述的永磁体A3和永磁体B4的材料均为稀土永磁。

进一步地，所述的直线运动平台12为标准件。

进一步地，所述的良导体B8与永磁体B4之间的径向气隙长度与所述的永磁体A3与良导体A2之间的径向气隙长度相同。

本实用新型的工作原理如下：

1、首先以单级调速模块为例，说明本实用新型的工作原理：

当动力机将动力转速及转矩输入给主动转子总成中的外套筒7时，外套筒7产生旋转运动，使良导体B8切割调速转子总成中永磁体B4所产生的磁力线，此时良导体B8将产生与永磁体B4极对数一致的反感磁场，使永磁体B4产生旋转运动并进而使内套筒9及其中的永磁体A3产生旋转运动；永磁体A3产生的旋转磁场使从动转子总成中的良导体A2切割磁力线，并产生与永磁体A3极对数一致的反感磁场，使良导体A2产生与永磁体A3旋转方向一致的旋转运动，进而带动输出轴产生旋转运动并将动力输出。

调速时，直线运动平台12带动联结板13沿输出轴轴向方向运动，以此改变良导体B8、良导体A2与永磁体B4及永磁体A3的轴向磁通面积，使从动转子总成中的输出轴产生转速变化，达到调速目的。

由于良导体A2及良导体B8需要不断地切割磁力线，才能形成感生电流及感生磁场，因此内套筒9的转速总是低于良导体B8的转速，输出轴的转速总是低于内套筒9的转速，即主动转子总成与调速转子总成之间具有转差特性，调速转子总成与从动转子总成之间也具有转差特性。转差越大，输出的转速越低，所产生的热量也越大。

2、其次以双级调速模块16为例，说明本实用新型的工作原理：

当永磁调速装置的输入端与输出端所需的转差较大时，单级调速模块所具有的双转差结构传动时将产生较大的热量，即单级调速模块不足以分担永磁调速装置所需的总转差，此时可将单级调速模块面对面级联在一起组成双级调速模块16；由于双级调速模块16含有四层气隙，因此总转差可由此四层气隙分担；由于每一层气隙所分担的转差均比单级调速模块小，因此所产生的热量也比单级调速模块小。

3、当永磁调速装置的输入端与输出端所需的转差进一步加大时，双级调速模块16所具有的四层转差传动不足以分担永磁调速装置的总转差，此时可将双级调速模块16以串联方式级联起来组成一个含有更多气隙理论上可达无穷多的永磁调速装置，使每一层气隙所分担的转差所产生的热量均在永磁体空冷时的可承受范围内，即可解决永磁调速装置的输入端与输出端转差很大时所产生的热量也很大的问题。

本实用新型不局限于本实施例，任何在本实用新型披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本实用新型的保护范围。