一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器

摘要

本发明涉及机械工程中的传动技术领域，具体是一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器。所述磁力耦合器可以将改变主动转子和从动转子之间的气隙厚度与改变两永磁体盘间的相对转动角度两种方式复合进行调速。或改变两永磁体盘间的相对转动角度或两者复合进行调速。双层复合永磁体转子中的一个永磁体盘采用铝制外壳将其包裹，与另一个永磁体盘隔开，并留有3‑5mm间距，以实现两永磁体盘之间的相对转动，从而改变磁力线走向，改变双层复合永磁体转子与导体转子之间的磁感应强度，从而改变传递转矩达到无级调速的目的。

权利要求

1.一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器，其特征在于，所述磁力耦合器由双层复合永磁体转子和导体转子组成，双层复合永磁体转子由两个可以相对旋转的永磁体盘复合而成，两永磁体盘的排布方式皆为90°Halbach阵列，其一个周期内的磁化方向为左、上、右、下，这种排列方式可以增强耦合器工作气隙的轴向磁密，传递更大的转矩，并提高了永磁体的利用率，一个永磁体盘嵌入在铝制外壳内并通过焊接固定在第二轭铁盘上，另一个永磁体盘嵌入在外连接环的凹槽内，外连接环材料为铝，磁导率与空气相近，磁力线不会被隔断，两盘之间用铝制外壳隔开并留有3‑5mm间距，以便于作相对转动，从而改变磁力线走向，改变双层复合永磁体转子与导体转子之间的磁感应强度；导体转子包括第一轭铁盘和一个导体环，导体环通过焊接紧贴在第一轭铁盘上；由于电磁感应原理，双层复合永磁体转子作为主动端带动导体转子转动。

2.如权利要求1所述的一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器，其特征在于，导体环为鼠笼导体环或实心导体环，导体转子中的轭铁材料采用软磁铁氧体，它可以有效地增强工作气隙处的轴向磁密，提高传递转矩。

3.如权利要求1所述的一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器，其特征在于，所述磁力耦合器有三种调速方式，第一种是改变双层复合永磁体转子中嵌入在外连接环的凹槽内的永磁体盘与导体转子中导体环之间的气隙厚度，同时改变了工作气隙的磁感应强度，进行调速，当气隙厚度越小，工作气隙处的磁感应强度越大，所能传递的转矩越大；第二种是改变双层复合永磁体转子中两永磁体盘之间的相对转动角度同时改变了工作气隙的磁感应强度，进行调速，当两永磁体盘间没有相对转动时，此时两永磁体盘上对应位置处永磁体磁化方向相同，工作气隙处磁感应强度最大，此时所能传递的转矩最大，此时为起始情况；当嵌入在铝制外壳内的永磁体盘在起始情况的基础上相对另一个永磁体盘转过一个永磁体对应圆心角度，工作气隙处磁感应强度小于起始情况下的磁感应强度大小，此时所能传递的转矩减小；当嵌入在铝制外壳内的永磁体盘在起始情况的基础上相对另一个永磁体盘转过两个永磁体对应圆心角度时，工作气隙处磁感应强度最小，此时所能传递的转矩最小；调速时，可以将两个永磁体转子的相对位置从两永磁体盘上永磁体磁化方向相同时的起始位置转动变化到其一个永磁转子相对另一个永磁体盘转过两个永磁体对应圆心角度时的位置，这样通过两永磁体盘间的相对转动角度的变化实现调速；第三种是通过同时改变气隙厚度与相对旋转角度复合调速。

4.如权利要求1所述的一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器，其特征在于，嵌入在铝制外壳内的永磁体盘通过焊接固定在第二轭铁盘上并通过键与主动轴相连接，嵌入在外连接环凹槽内的永磁体盘通过焊接与套筒相连接，拨块销与套筒的斜槽壁和主动轴的直槽壁接触配合，拨块安装在拨块销上，可以推动拨块销左右移动，同时改变两永磁体盘之间的相对转动位置。

说明书

一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器

技术领域

[0001] 本发明涉及机械工程中的传动技术领域，是一种通过非接触性连接实现力矩传递的传动装置，具体是一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器。它可以通过调节双层
复合永磁体转子和导体转子之间的气隙厚度或改变两永磁体盘间的相对转动角度或两者
复合，实现对负载的无级调速。

背景技术

[0002] 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各种风机、水泵、物料输送机、斗式提升机、球磨机、卷
扬机、破碎机、搅拌机、绞直机等各种机械设备上。

[0003] 磁力耦合器依靠电磁感应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，与传统液力耦合器相比，具有无接触式传动、过载保护作用
和传动效率高的优点，其中调速型磁力耦合器在不停机的情况下，可通过调节主动和从动
转子之间的气隙厚度，实现对负载的无级调速。

[0004] 在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS期刊上发表的文献“Analysis on a novel flux adjustable permanent magnet coupler with a double‑layer permanent magnet 
rotor”公开了一种可以通过调节主动和从动转子之间的气隙厚度或改变两永磁体盘间的
相对转动角度进行调速的磁力耦合器，永磁体盘由永磁体块间隔排布而成，N、S极永磁体间
布置有轭铁块且永磁体采用周向充磁的方法，由于轭铁块有聚拢磁感线的作用，因此可以
增强工作气隙处的轴向磁密，但是在该文献所提的采用轭铁块增强工作气隙的方式下永磁
体利用率不高。两永磁体盘之间没有用外壳隔开，容易导致两盘吸住而无法相对转动。

发明内容

[0005] 针对上述技术问题，本发明提出了一种90°Halbach排布的双层永磁转子磁力耦合器，它可以将改变主动转子和从动转子之间的气隙厚度与改变两永磁体盘间的相对转动角
度两种方式复合进行调速。双层复合永磁体转子中的一个永磁体盘采用铝制外壳将其包
裹，与另一个永磁体盘隔开，并留有3‑5mm间距，以实现两永磁体盘之间的相对转动，从而改
变磁力线走向，改变双层复合永磁体转子与导体转子之间的磁感应强度。

[0006] 一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器，由双层复合永磁体转子和导体转子组成，双层复合永磁体转子由两个可以相对旋转的永磁体盘复合而成，两永磁体盘的排
布方式皆为90°Halbach阵列，其一个周期内的磁化方向为左、上、右、下，这种排列方式可以
增强耦合器工作气隙的轴向磁密，传递更大的转矩，并提高了永磁体的利用率，一个永磁体
盘嵌入在铝制外壳内并通过焊接固定在第二轭铁盘上，另一个永磁体盘嵌入在外连接环的
凹槽内，外连接环材料为铝，磁导率与空气相近，磁力线不会被隔断，两盘之间用铝制外壳
隔开并留有3‑5mm间距，以便于作相对转动，从而改变磁力线走向，改变双层复合永磁体转
子与导体转子之间的磁感应强度；导体转子包括第一轭铁盘和一个导体环，导体环可以为
鼠笼导体环也可以为实心导体环，导体环通过焊接紧贴在第一轭铁盘上，导体转子中的轭
铁材料采用软磁铁氧体，它可以有效地增强工作气隙处的轴向磁密，提高传递转矩。由于电
磁感应原理，双层复合永磁体转子可以作为主动端带动导体转子转动，反之亦可。

[0007] 它有三种调速方式，第一种是改变双层复合永磁体转子中嵌入在外连接环的凹槽内的永磁体盘与导体转子中导体环之间的气隙厚度，同时改变了工作气隙的磁感应强度，
进行调速，当气隙厚度越小，工作气隙处的磁感应强度越大，所能传递的转矩越大；第二种
是改变双层复合永磁体转子中两永磁体盘之间的相对转动角度同时改变了工作气隙的磁
感应强度，进行调速，当两永磁体盘间没有相对转动时，此时两永磁体盘上对应位置处永磁
体磁化方向相同，工作气隙处磁感应强度最大，此时所能传递的转矩最大，此时为起始情
况；当嵌入在铝制外壳内的永磁体盘在起始情况的基础上相对另一个永磁体盘转过一个永
磁体对应圆心角度，工作气隙处磁感应强度小于起始情况下的磁感应强度大小，此时所能
传递的转矩减小；当嵌入在铝制外壳内的永磁体盘在起始情况的基础上相对另一个永磁体
盘转过两个永磁体对应圆心角度时，工作气隙处磁感应强度最小，此时所能传递的转矩最
小。调速时，可以将两个永磁体转子的相对位置从两永磁体盘上永磁体磁化方向相同时的
起始位置转动变化到其一个永磁转子相对另一个永磁体盘转过两个永磁体对应圆心角度
时的位置，这样通过两永磁体盘间的相对转动角度的变化实现调速；第三种是通过同时改
变气隙厚度与相对旋转角度复合调速。

[0008] 可以使两永磁体盘发生相对转动的机构如下：嵌入在铝制外壳内的永磁体盘通过焊接固定在第二轭铁盘上并通过键与主动轴相连接，嵌入在外连接环凹槽内的永磁体盘通
过焊接与套筒相连接，拨块销与套筒的斜槽壁和主动轴的直槽壁接触配合，拨块安装在拨
块销上，可以推动拨块销左右移动，同时改变两永磁体盘之间的相对转动位置。

[0009] 本发明的优点：(1)本发明将改变主动和从动转子之间的气隙厚度与改变两永磁体盘间的相对转动角度两种方式复合进行调速，可以更精确地对负载进行无极调速。(2)本
发明的双层复合永磁体转子中的一个永磁体盘采用铝制外壳将其包裹，与另一个永磁体盘
隔开，并留有3‑5mm间距，可以实现两永磁体盘之间的相对转动而不会互相吸附住，保证了
设备的安全性。(3)本发明中永磁体转子的永磁体排布方式为90°Halbach排布，可以增强耦
合器工作气隙的轴向磁密，传递更大的转矩，并提高了永磁体的利用率。(4)本发明中导体
转子的轭铁材料采用软磁铁氧体，它可以有效地增强工作气隙处的轴向磁密，提高传递转
矩。

附图说明

[0010] 以下结合附图及实施例对发明作进一步说明。

[0011] 图1为实施例的一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器工作原理及结构剖面示意图。

[0012] 图2为实施例的一种90°Halbach排布双层永磁转子磁力耦合器三维结构的1/4剖面图。

[0013] 图3为实施例的双层复合永磁体转子，铝制外壳与导体转子组合的剖面示意图。

[0014] 图4为实施例的90°Halbach排布的永磁体盘俯视图。

[0015] 图5(a)为实施例的两永磁体盘对应位置永磁体磁化方向相同时的磁力线走向图。

[0016] 图5(b)为实施例的两永磁体盘在起始情况的基础上相对旋转一个永磁体对应圆心角度时的磁力线走向图。

[0017] 图5(c)为实施例的两永磁体盘在起始情况的基础上相对旋转两个永磁体对应圆心角度时的磁力线走向图。

[0018] 图6(a)为实施例的两永磁体盘在对应位置永磁体磁化方向相同时的永磁体转子与导体转子三维结构示意图。

[0019] 图6(b)为实施例的两永磁体盘在起始情况的基础上相对旋转一个永磁体对应圆心角度时的永磁体转子与导体转子三维结构示意图。

[0020] 图6(c)为实施例的两永磁体盘在起始情况的基础上相对旋转两个永磁体对应圆心角度时的永磁体转子与导体转子三维结构示意图。

[0021] 图7为实施例的双层复合永磁体转子、铝制外壳与导体转子组合的三维爆炸图。

[0022] 图8为实施例的双层复合永磁体转子、铝制外壳与导体转子组合的三维装配图。

[0023] 图9(a)为实施例的实心盘式导体转子三维装配图。

[0024] 图9(b)为实施例的鼠笼盘式导体转子三维装配图。

[0025] 图10为实施例的外连接环三维结构图。

[0026] 图11为实施例的转动轴三维结构图。

[0027] 图12为实施例的套筒三维结构图。

[0028] 1‑导体环 2‑第一轭铁盘 3‑从动轴 4‑键 5‑铝制外壳 6‑外连接环 7‑套筒 8‑键 9‑主动轴 10‑拨块 11‑拨块销 12‑第二轭铁盘 13‑第一永磁体盘 14‑第二永磁体盘

具体实施方式

[0029] 如图1、图2所示，转动端I包括双层复合永磁体转子、铝制外壳5、外连接环6、第二轭铁盘12、套筒7、主动轴9、拨块10、拨块销11，如图3、图4所示，双层复合永磁体转子由两个
采用90°Halbach排布并可以相对旋转的永磁体盘复合而成，第一永磁体盘13其一个周期内
的磁化方向按照左、上、右、下的方向磁化，第一永磁体盘13嵌入在铝制外壳5内，第二永磁
体盘14嵌入在外连接环6的凹槽内，两盘之间用铝制外壳5隔开并留有3‑5mm间距，以便于作
相对转动，从而改变磁力线走向，改变永磁体转子中嵌入在外连接环的凹槽内的永磁体盘
与导体转子中导体环之间的磁感应强度，铝制外壳5与第二轭铁盘12通过焊接将第一永磁
体盘13固定在第二轭铁盘12背面，第二轭铁盘12再通过键8和主动轴9相连接，第二永磁体
盘14嵌入在外连接环6的凹槽内，外连接环6与套筒7通过焊接连接在一起，套筒7的斜槽壁
和主动轴9的直槽壁与拨块销11接触配合，拨块10安装在拨块销11上，通过推动拨块销11左
右移动，同时改变两永磁体盘之间的相对转动位置。

[0030] 转动端II包括导体转子和从动轴3，导体转子由一个第一轭铁盘2和一个导体环1组成，导体环1可以为鼠笼导体环也可以为实心导体环，导体环1通过焊接紧贴在第一轭铁
盘2上，轭铁盘2与从动轴3通过键4相连，轭铁材料采用软磁铁氧体，它可以有效地增强工作
气隙处的磁感应强度，提高传递转矩。

[0031] 如图5所示，为双层复合永磁体转子与导体转子在不同情况下的三维结构示意图。如图5(a)所示，为初始情况下的双层复合永磁体转子与导体转子三维结构示意图，此时两
永磁体盘在对应位置永磁体磁化方向相同。如图5(b)所示，为嵌入在铝制外壳内的第一永
磁体盘13在起始情况的基础上相对第二永磁体盘14转过一个永磁体对应圆心角度时的三
维结构示意图，如图5(c)所示，为嵌入在铝制外壳内的第一永磁体盘13在起始情况的基础
上相对第二永磁体盘14转过两个永磁体对应圆心角度时的三维结构示意图。

[0032] 本发明它有三种调速方式，第一种是改变双层复合永磁体转子中嵌入在外连接环的凹槽内的第二永磁体盘14与导体转子中导体环之间的气隙厚度，同时改变了工作气隙的
磁感应强度，进行调速，当气隙厚度越小，工作气隙处的磁感应强度越大，所能传递的转矩
越大；第二种是改变双层复合永磁体转子中两永磁体盘之间的相对转动角度同时改变了工
作气隙的磁感应强度，进行调速，如图6(a)所示，当两永磁体盘间没有相对转动时，此时两
永磁体盘上对应位置处永磁体磁化方向相同，工作气隙处磁感应强度最大，此时所能传递
的转矩最大，此时为起始情况；如图6(b)所示，当嵌入在铝制外壳内的第一永磁体盘13在起
始情况的基础上相对第二永磁体盘14转过一个永磁体对应圆心角度，工作气隙处磁感应强
度小于起始情况下的磁感应强度大小，此时所能传递的转矩减小；如图6(c)所示，当嵌入在
铝制外壳内的第一永磁体盘13在起始情况的基础上相对第二永磁体盘14转过两个永磁体
对应圆心角度时，工作气隙处磁感应强度最小，此时所能传递的转矩最小。调速时，可以将
两个永磁体转子的相对位置从两永磁体盘上永磁体磁化方向相同时的起始位置转动变化
到其一个永磁转子相对另一个永磁体盘转过两个永磁体对应圆心角度时的位置，这样通过
两永磁体盘间的相对转动角度的变化实现调速；第三种是通过同时改变气隙厚度与相对旋
转角度复合调速。如图7、图8所示，第一永磁体盘13嵌入在铝制外壳5内，第二永磁体盘14与
第一永磁体盘13之间用铝制外壳5隔开并留有3‑5mm间距，以便于作相对转动，从而改变磁
力线走向，改变第二永磁体盘14与导体转子中导体环1之间的磁感应强度。

[0033] 如图9所示，导体转子由一个第一轭铁盘2和一个导体环1组成，导体环1可以为鼠笼导体环也可以为实心导体环，导体环1通过焊接紧贴在第一轭铁盘2上，第一轭铁盘2与从
动轴3通过键4相连，轭铁材料采用软磁铁氧体，它可以有效地增强工作气隙处的磁感应强
度，提高传递转矩。

[0034] 如图10所示，为外连接环6三维结构图，永磁体盘14外连接环内有凹槽，用于固定第二永磁体盘14，外连接环通过焊接与套筒7相连接，外连接环6材料为铝，，磁导率与空气
相近，磁力线不会被隔断，所以不会影响双层复合永磁体转子与导体转子之间磁场的传递。

[0035] 如图11、图12所示，为主动轴9、套筒7的三维结构图，嵌入在铝制外壳内的第一永磁体盘13通过焊接固定在第二轭铁盘12上并通过键8与主动轴9相连接，嵌入在外连接环凹
槽内的第二永磁体盘14通过焊接与套筒7相连接，拨块销11与套筒7的斜槽壁和主动轴9的
直槽壁接触配合，拨块10安装在拨块销11上，可以推动拨块销11左右移动，同时改变两永磁
体盘之间的相对转动位置。