在无刷直流电机中使用磁力离合器的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁力离合器结构，其设计为耦合无刷直流电机（BLDC)的转子和 外部机械负载之间的机械动力，而无需使用直接或间接机械连接，如齿轮、轮、带或其他类 似装置。
【背景技术】
[0002] 在许多常见的系统中，系统的不同部分之间的连接是通过机械部件执行的。使用 这种连接部件的一个显著缺点是由摩擦引起的能量损失。摩擦引起的另一个缺点是部件的 连接表面的磨损。随着部件之间的速度和力增加，摩擦增大，因此，对其表面造成的损坏也 增大，直到它们通常无法再正常工作。
[0003] 在高速运行的系统（例如通常以极高速度运行的电机）中，摩擦及其效果是巨大 的，因此需要许多维护服务和频繁更换配件，这需要时间和金钱的巨大投入。
[0004] 本发明涉及一种用于BLDC电机（如在PCT专利申请编号PCT/IL2013/050253中 描述的电机）的装置。
[0005] 本发明的一个目的是提供一种装置和方法，克服现有技术的缺点。
[0006] 本发明的其它目的和优点随着描述的进行，将变得显而易见。
【发明内容】
[0007] -种用于耦合无刷直流电机的转子和外部机械负载之间的机械动力的装置，包 括：
[0008] a)两个同心的环；
[0009] b)分别连接到内侧的环和外侧的环的相等数量的磁体；和
[0010] c)每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中，一个磁体放置在内侧的环上，而其相对 的磁体放置在外侧的环上；
[0011] 其中，所述两个同心的环的第一环通过施加不由第二环施加的力而可绕轴线旋 转，并且其中，当所述第一同心的环旋转时，第二环在磁力的作用下也旋转。
[0012] 在本发明一个实施例中，环为扁平环形板。在本发明另一实施例中，每对相对的磁 体的尺寸相同。
[0013] 在本发明的一些实施例中，两个相对的磁体的磁性强度基本相同。在本发明的另 一个实施例中，内侧的环中的每个磁体配有外侧的环中的一个相对的磁体。
[0014] 在本发明的一些实施例中，连接装置将环中的一个连接至外部系统。在本发明的 其他实施例中，未连接到外部系统的环通过连接到外部系统的环旋转而被驱动，并且由于 两个耦合的磁体之间的磁力，迫使从动环移动。
[0015] 典型地，装置的部件之间的距离与所期望的力一致，并且在本发明的一些实施例 中，环上的两个相邻磁体之间的距离与同一环上的另外两个相邻磁体之间的距离不同。
[0016] 本发明还包括一种与离合器耦合的无刷电机，所述离合器包括：两个同心的环，分 别连接到内侧的环和外侧的环的相等数量的磁体，每对相对的磁体的磁极相反朝向，其中， 一个磁体放置在内侧的环上，而其相对的磁体放置在外侧的环上，并且其中，所述两个同心 的环的第一环通过施加不由第二环施加的力而可绕轴线旋转，并且其中，当所述第一同心 的环旋转时，第二环在磁力的作用下也旋转。
【附图说明】
[0017] 在附图中：
[0018] 图1示出了根据本发明的一个实施例的配置有磁体的两个同心的环处于静止状 态；
[0019] 图2示出了图1的两个环处于动态状态；
[0020] 图3示出了彼此相距距离d放置并线性移位的单组磁体上的力的测量；
[0021] 图4示出了根据本发明另一个实施例的演示系统中的力的测量；
[0022] 图5示出了根据本发明另一个实施例的在BLDC演示系统中的部件的示例性物理 测量；
[0023] 图6示出了根据本发明另一个实施例的两个磁体的示意性设定；
[0024] 图7示出了展示为包括无穷小的电流回路的集合的螺线管，一个堆叠在另一个的 顶部；并且
[0025] 图8示出了厚度无穷小的两个回路，每一个属于一个磁体。
【具体实施方式】
[0026] 图1示出了静止的两个同心旋转环101和102。内侧的环101包含BLDC电机的转 子（所述BLDC电机可以是例如PCT/IL2013/050253-W0/2013/140400的电机），而外侧的环 102连接到机械负载，并向其提供动力。数量等于BLDC电机的转子中的磁体数量的若干永 磁体机械地固定在外侧的环102上，其S-N轴朝向圆周切向。
[0027] 静止时，位于外侧的环102上的每一个磁体104面向位于转子101上的对应的磁 体103。外侧的环102上的每个磁体104的S-N轴朝向与转子101上对应的（面对的）磁 体103的S-N轴朝向相反。结果，外侧的环102上的磁体104以交替极性定位。应该强调的 是，转子101与外侧的环102之间没有物理连接。由于稍后在本说明书中将彻底说明的原 因，根据静磁学的定律，转子101相对于外侧的环102的相对位置，依赖于系统的状态-如 果系统处于静止状态或动态状态，如将要进一步描述的那样。
[0028] 在静止状态-当BLDC转子静止时，外侧的环102上的每个磁体104恰好在转子 101上对应的磁体103的前面对齐，如图1所示。在动态状态-当BLDC转子101转动时，外 侧的环102连接到负载（未完全自由地移动），转子环101上的每个磁体103相对于负载环 102上对应的磁体104的相对位置，将改变并将稳定到新的状态。
[0029] 对应的磁体103和104将不再被完全对齐。磁体的相对位置将以准线性的方式， 在环101和102的圆周的切向方向移位。磁体103和104将达到如图2所示的偏移h，并且 将稳定在那里。偏移h取决于由负载输出的反向力。可以看出，在适当的条件下，h将与使 负载环102随着转子环101转动所需的力直接成比例的增加。
[0030] 应当提出，在感兴趣的范围内，偏移h与力传递大致成比例，并且只要h是不太大， 转子环101将能够"拉动"负载环102,而在两个环101和102之间没有任何物理接触发生。 当h的大小接近磁体103和104之间的间隙的宽度时，传递的力下降。转子环101能够施 加到负载环102的最大力，将取决于强度和永磁体的几何形状、取决于磁体的数量、以及取 决于两个环101与102之间的间隙。
[0031] 图3示出了彼此相距距离d放置并线性移位的单组磁体上的力的测量。阴影区域 301示出了磁体103和104之间的拉力与偏移h大致成比例的范围。
[0032] 为了说明所涉及的力的量级，具有前端到前端间隔29mm的两个磁体，可以在环的 切线方向上大致提供最大140N(约14Kg)的力传递。
[0033] 在根据本发明构造的BLDC电机演示系统中，面对面间隔约30mm配置有8个磁体。 该演示系统能够施加140x 8 = 1120N(约112Kg)的力。由于演示系统中的外侧的环102 具有约420mm的半径，磁性离合器应能够传输约470N-m的扭矩。
[0034] 在BLDC演示系统进行的测量中，并如图4所示，发明人并没有试图实现和测量最 大动力传递，但是，他们示出力传递600N量级的测量，这与在一对磁体上的测量预测出的 最大可能力（1120N)的量级非常吻合。此外，这示出了总力与相对偏移成比例。
[0035] 在BLDC演示系统中，由本发明人提供的部件的物理措施，示于图5中。从图中可 以看出，该系统包括8个磁体，并且转子环101和负载环102之间的间隔为30mm。
[0036] 静磁计算是通过分析进行的最困难和复杂的任务，并且即使当可以发现封闭形式 的解析表达式时，所得到的公式也往往太复杂，而不能提供对于现象的明确认识。此外，大 多数时候，人们只能执行由数值求解场方程得到的电脑模拟。然而，尽管数值解对于特定设 定是精确的，但是无法提供对于系统的一般行为的了解。