阅读说明：本技术 一种永磁耦合直驱装置 (Permanent magnet coupling direct-drive device ) 是由 吴明 马玉顺 范欣 马银飞 何超 江雯璟 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁耦合直驱装置,包括机壳以及在机壳内由外到内依次同轴设置的定子组件、永磁转子组件、导体转子组件和输出轴。输出轴转动连接于机壳,导体转子组件固连于输出轴。定子组件与机壳固定连接,定子组件用于连通外部多相交流电并产生旋转磁场。永磁转子组件与机壳或输出轴转动连接,永磁转子组件通过永磁场与旋转磁场的相互作用驱动永磁转子组件转动。导体转子组件切割转动的永磁场并产生力矩,力矩驱动导体转子组件转动,以带动输出轴转动。本发明综合了永磁同步电机和异步感应电机的优势,可以解决现有的永磁同步电机启动冲击大、堵转易退磁等问题,以及异步电机效率低、难以直接启动大转动惯量负载和堵转易烧毁等问题。(The invention discloses a permanent magnet coupling direct-drive device which comprises a machine shell, and a stator assembly, a permanent magnet rotor assembly, a conductor rotor assembly and an output shaft which are coaxially arranged in the machine shell from outside to inside in sequence. The output shaft rotates and is connected in the casing, and the conductor rotor subassembly links firmly in the output shaft. The stator assembly is fixedly connected with the machine shell and is used for communicating external multi-phase alternating current and generating a rotating magnetic field. The permanent magnet rotor component is rotationally connected with the shell or the output shaft, and the permanent magnet rotor component drives the permanent magnet rotor component to rotate through the interaction of the permanent magnetic field and the rotating magnetic field. The conductor rotor assembly cuts the rotating permanent magnetic field and generates torque, and the torque drives the conductor rotor assembly to rotate so as to drive the output shaft to rotate. The invention integrates the advantages of the permanent magnet synchronous motor and the asynchronous induction motor, and can solve the problems of large starting impact, easy demagnetization of locked rotor and the like of the existing permanent magnet synchronous motor, and the problems of low efficiency, difficult direct starting of large rotational inertia load, easy burnout of locked rotor and the like of the asynchronous motor.)

一种永磁耦合直驱装置

技术领域

本发明属于永磁驱动技术领域，尤其涉及一种永磁耦合直驱装置。

背景技术

永磁同步电机采用永磁体励磁，具备高功率因数、高效率、高效运行区间广等优势，并且可以设计高极数直接驱动负载运行，缩短传动链。对于异步启动永磁同步电机，在启动过程中，永磁转子上的启动笼切割定子绕组通电后产生的旋转磁场，从而在启动笼上产生感应电流，进而产生力矩，驱动永磁转子运行。

异步启动永磁同步电机启动时间较短，会导致负载的转速快速增加至同步转速，加速度大，启动冲击大。当异步启动永磁同步电机驱动大转动惯量负载时，负载加速至额定过程所需的启动时间较长，电机转子会较长时间处于异步状态，永磁转子上的启动笼会感应产生大量的热量，容易导致转子上的永磁体退磁、电机绕组烧毁。同时，当永磁同步电机驱动负载同步运行过程中，一旦负载发生堵转现象或者负载力矩过大时，电机就会发生失步，永磁转子上同样会感应产生大量的热量，容易导致永磁体退磁。

要实现工频运行永磁同步电机的缓冲启动，目前主要是在电机前端加入电气装置实现。现有技术中，有用于工频运行的永磁同步电机的直接启动方法，通过采用变频器实现永磁同步电机的缓冲启动，然后再脱开变频器直接工频运行；也有在不需要变频器的基础上就可以实现永磁同步电机软启动的装置。但是以上这些方法都需要额外增加电子元器件，不仅会增加成本，而且会降低系统可靠性。

异步感应电机通过在转子上感应产生励磁磁场，转子内部不存在永磁体，也就不存在永磁体高温退磁的问题，但相比于异步启动永磁同步电机，其启动时间可以相对更长，但是在启动大转动惯量负载时，异步感应电机也会因为长时间处于高转差率运行及负载加速状态，导致定子绕组电流大、发热过大，从而无法直接启动大转动惯量的负载，同时异步感应电机也存在堵转时电机容易烧毁等问题。同时异步感应电机难以设计成高极数来直接驱动低速负载，并且在低负载率时，异步感应电机的效率和功率因数会快速降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁耦合直驱装置，综合永磁同步电机和异步感应电机的优势，以解决现有技术中永磁同步电机启动冲击大、异步感应电机难以直接启动大转动惯量负载的问题。

本发明的技术方案为：

一种永磁耦合直驱装置，其特征在于，包括机壳以及在所述机壳内由外到内依次同轴设置的定子组件、永磁转子组件、导体转子组件和输出轴；

所述输出轴转动连接于所述机壳；

所述导体转子组件固连于所述输出轴；

所述定子组件与所述机壳固定连接，所述定子组件用于连通外部多相交流电并产生旋转磁场；

所述永磁转子组件与所述机壳或所述输出轴转动连接，所述永磁转子组件通过永磁场与所述旋转磁场的相互作用驱动所述永磁转子组件转动；

所述导体转子组件切割转动的所述永磁场并产生力矩，所述力矩驱动所述导体转子组件转动，以带动所述输出轴转动。

优选地，本发明一实施例，所述定子组件包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯与所述机壳固定连接，所述定子绕组环形均布于所述定子铁芯的内侧，所述定子绕组用于连通所述外部多相交流电。

优选地，本发明一实施例，所述永磁转子组件包括永磁体、永磁转子铁芯和永磁转子导体条，所述永磁转子铁芯转动连接于所述机壳或所述输出轴，所述永磁体和所述永磁转子导体条分别环形均布于所述永磁转子铁芯，所述永磁***于所述永磁转子导体条的内侧，所述永磁体用于产生所述永磁场。

优选地，本发明一实施例，所述导体转子组件包括导体转子导体和导体转子铁芯，所述导体转子导体分布于所述导体转子铁芯的外侧，所述导体转子铁芯固连于所述输出轴，所述导体转子导体用于切割转动的所述永磁场。

优选地，本发明一实施例，所述永磁转子组件分别与所述定子组件和所述导体转子组件之间分布有气隙。

优选地，本发明一实施例，所述永磁转子铁芯上环形分布有隔磁磁桥。

优选地，本发明一实施例，所述永磁转子组件轴向上的两端分别设有永磁转子导体环，每一所述永磁转子导体条轴向上的两端均分别与对应的所述永磁转子导体环连接，并配合形成鼠笼状闭合回路。

优选地，本发明一实施例，所述导体转子导体为金属筒，所述金属筒套设于所述导体转子铁芯并与所述导体转子铁芯连接。

优选地，本发明一实施例，所述导体转子导体的包括多根导体转子导体条，所述导体转子导体条环形均布于所述导体转子铁芯的周侧，所述导体转子组件轴向上的两端分别设有导体转子导体环，每一所述导体转子导体条在轴向上的两端分别与对应的所述导体转子导体环连接，并配合形成鼠笼状闭合回路。

优选地，本发明一实施例，所述输出轴和所述机壳通过轴承转动连接，所述永磁转子铁芯在轴向上的两端分别连接有支撑盖，所述支撑盖通过轴承转动连接于所述机壳或所述输出轴。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明提供的永磁耦合直驱装置，定子组件上的定子绕组通外部多相交流电后产生的旋转磁场，旋转磁场和永磁转子组件的永磁场相互作用，驱动永磁转子组件同步转动；转动的永磁转子组件和静止的导体转子组件发生相对转动，使得导体转子组件切割转动的永磁场，使得导体转子组件产生电磁力，以驱动导体转子组件及负载转动。该装置启动时永磁转子组件转速快速增加至与旋转磁场的同步转速，导体转子组件及负载则缓慢增速，可以有效缓解启动冲击，同时，本发明的永磁耦合直驱装置在启动大转动惯量负载时，定子绕组电流不会长时间处于大电流状态，避免了定子绕组过热烧毁。因此，解决了现有技术中永磁同步电机启动冲击大、异步感应电机难以直接启动大转动惯量负载的问题。

(2)本发明实施例提供的永磁耦合直驱装置，运行过程中励磁磁场由永磁体提供，无需定子绕组提供励磁电流，功率因数高，可以设计成高极数直接驱动负载运行，低负荷状态也可以保持高效运行。

(3)本发明实施例提供的永磁耦合直驱装置，当导体转子组件所连接的负载发生堵转或者阻力突然过大时，永磁转子组件还是保持着与定子绕组产生的旋转磁场同步运转，永磁转子组件上不会产生涡流损耗，仅在导体转子组件上产生涡流损耗，并不会导致永磁转子组件上永磁体高温烧毁。

(4)本发明实施例提供的永磁耦合直驱装置，永磁转子组件和导体转子组件之间传递的力矩存在一个极值，当导体转子组件所连接的负载阻力突然过大超过最大力矩时，导体转子组件及负载则减速至停止，输出力矩减小，避免定子绕组电流过大而烧毁，实现力矩保护功能。

(5)本发明实施例提供的永磁耦合直驱装置，在永磁转子铁芯上设置隔磁磁桥，使永磁体产生的主磁通通过外部气隙(即永磁转子组件和定子组件之间的气隙)与定子绕组交链，同时也通过内部气隙(即永磁转子组件和导体转子组件之间的气隙)与导体转子组件上的导体转子导体交链。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种永磁耦合直驱装置的正视剖面示意图；

图2为本发明的一种永磁耦合直驱装置的侧视剖面示意图；

图3为本发明的一种永磁耦合直驱装置的A区域放大示意图；

图4为本发明的一种永磁耦合直驱装置的B区域放大示意图。

附图标记说明：

1：机壳；2：定子组件；21：定子铁芯；22：定子绕组；3：永磁转子组件；31：永磁转子铁芯；32：永磁体；33：永磁转子导体条；34：永磁转子导体环；4：导体转子组件；41：导体转子导体条；42：导体转子铁芯；43：导体转子导体环；5：输出轴；6：隔磁磁桥；7：支撑盖；8：轴承。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种永磁耦合直驱装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

同时，“第一”、“第二”等表述仅用于区分多个构型的目的，而不是限制构型或其他特征之间的顺序。

另外，“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件，不应当解释为排除附加的部件。

参看图1至图4，本实施例提供一种永磁耦合直驱装置，包括机壳1以及在机壳1内由外到内依次同轴设置的定子组件2、永磁转子组件3、导体转子组件4和输出轴5。输出轴5转动连接于机壳1，导体转子组件4固连于输出轴5。定子组件2与机壳1固定连接，定子组件2用于连通外部多相交流电并产生旋转磁场。永磁转子组件3与机壳1或输出轴5转动连接，永磁转子组件3通过永磁场与旋转磁场的相互作用驱动永磁转子组件3转动。导体转子组件4切割转动的永磁场并产生转动，以带动输出轴5转动。

定子组件2上的定子绕组22通外部多相交流电后产生的旋转磁场，旋转磁场和永磁转子组件3的永磁场相互作用，驱动永磁转子组件3同步转动；转动的永磁转子组件3和静止的导体转子组件4发生相对转动，使得导体转子组件4切割转动的永磁场，使得导体转子组件4产生电磁力，以驱动导体转子组件4及负载转动。该装置启动时永磁转子组件3转速快速增加至与旋转磁场的同步转速，导体转子组件4及负载则缓慢增速，可以有效缓解启动冲击，同时，本实施例的永磁耦合直驱装置在启动大转动惯量负载时，定子绕组电流不会长时间处于大电流状态，避免了定子绕组过热烧毁。

现对本实施例的结构进行说明。

定子组件2包括定子绕组22和定子铁芯21，定子铁芯21通过定位嵌入与机壳1固定连接。具体地，在本实施例中可在定子铁芯21的外侧壁上开设定位凹槽，在机壳1的内表面设置与定位凹槽相匹配的定位筋，通过将定位筋嵌入对应的定位凹槽来实现定子铁芯21与机壳1的固定连接；当然，在其他实施例中可采用其他方式连接定子铁芯21和机壳1，此处不做限制。定子铁芯21为横截面为圆环的柱体，定子铁芯21的内侧沿轴向方向若干用于安装定子绕组22的第一容置槽，若干第一容置槽环形均布于定子铁芯21的内侧，因此定子绕组22也环形均布于定子铁芯21靠内侧的部分。当定子绕组22中通入多相交流电时会产生旋转磁场。

永磁转子组件3包括永磁体32、永磁转子铁芯31和永磁转子导体条33。永磁转子铁芯31转动连接于机壳1或输出轴5，具体地，在本实施例中，永磁转子铁芯31在轴向上的两端分别连接有支撑盖7，支撑盖7通过轴承8与输出轴5转动连接。在永磁转子铁芯31的靠外侧部分上环形均布有若干第二容置槽，第二容置槽的长度方向为轴向方向，用于安装永磁转子导体条33，所以，永磁转子导体条33环形均布于永磁转子铁芯31靠外侧的部分。永磁转子组件3的两端分别采用永磁转子导体环34进行连接，形成闭合回路。具体的，可以是在永磁转子组件3轴向上的两端分别设置一个永磁转子导体环34，每一永磁转子导体条33轴向上的两端均分别与对应同一端的永磁转子导体环34连接，并配合形成鼠笼状闭合回路。

在永磁转子铁芯31上环形均匀开设有若干第三容置槽，第三容置槽的长度方向为轴向方向，用于安装永磁体32，所以永磁体32也换向均布于永磁转子铁芯31上。同时环形布置的永磁体32位于环形布置的永磁转子导体条33的内侧。永磁体32产生永磁场。

在本实施例提供的永磁耦合直驱装置启动时，各永磁转子导体条33切割定子绕组22产生的旋转磁场并产生感应电流，通过两端的永磁转子导体环34形成闭合回路，从而在永磁转子导体条33上产生电磁力矩，带动永磁转子组件3快速启动。当永磁转子组件3切入同步转速时，永磁转子导体条33不再产生感应电流，此时永磁体32产生的永磁场与定子绕组22产生的旋转磁场相互作用，在永磁体32上产生电磁力矩，从而带动永磁转子组件3运转。

导体转子组件4包括导体转子导体和导体转子铁芯42。导体转子铁芯42为横截面为圆环的柱体，导体转子铁芯42的内侧与输出轴5过盈配合从而固定连接。导体转子导体均布于导体转子铁芯42。导体转子导体可以是金属筒，套设连接于导体转子铁芯42并与导体转子铁芯42连接；导体转子导体也可以是包括多根导体转子导体条，镶嵌在导体转子铁芯42上并在两端采用导体转子导体环43进行连接；亦或者导体转子导体是其他形式的，此处不做限制。具体地，在本实施例中，导体转子导体为多根导体转子导体条41。在导体转子铁芯42的靠外侧部分环形均匀设置有若干第四容置槽，第四容置槽的长度方向为轴向方向，用于安装导体转子导体条41，所以导体转子导体条41均布于导体转子铁芯42靠外侧的部分。在导体转子导体的两端，分别通过导体转子导体环43进行连接，形成闭合回路。具体地，可以在导体转子组件4轴向上的两端分别设置一个导体转子导体环43，每一导体转子导体条41轴向上的两端分别与对应同一端的导体转子导体环43连接，并配合形成鼠笼状闭合回路。

永磁转子组件3分别与定子组件2和导体转子组件4之间存在间隙。永磁转子组件3和定子组件2之间的气隙，称为外部气隙；永磁转子组件3和导体转子组件4之间的气隙，称为内部气隙。外部气隙和内部气隙的存在，使得永磁转子导体组件可以相对定子组件2和导体转子组件4进行转动。

输出轴5和机壳1可以通过轴承8转动连接，输出轴5用于连接永磁耦合直驱装置的负载，输出轴5在转动时带动负载转动。

导体转子组件4可以相对机壳1(通过输出轴5)以及永磁转子组件3转动。在启动或运行过程中，导体转子导体条41切割永磁体32产生的永磁场并产生感应电流，通过两端的导体转子导体环43进行形成电流回路，在导体转子导体条41上产生电磁力矩，驱动导体转子组件4转动。

其中，永磁转子导体条33和导体转子导体条41都可以采用金属导体条。

较佳地，在永磁转子铁芯31上设有隔磁磁桥6，使永磁体32产生的主磁通通过外部气隙(即永磁转子组件3和定子组件2之间的气隙)与定子绕组22交链，同时也通过内部气隙(即永磁转子组件3和导体转子组件4之间的气隙)与导体转子组件上的导体转子导体条41交链。

本实施例提供的永磁耦合直驱装置，在启动过程中动力传递过程为：定子绕组22通电产生旋转磁场，在永磁转子导体条33上感应产生电流，从而产生电磁力驱动永磁转子组件3的转速快速增加，并在永磁场与旋转磁场的作用力下切入至同步转速。同时，导体转子导体切割永磁场，感应产生电流从而产生电磁力矩，驱动导体转子组件4带动负载缓慢启动。

本实施例提供的永磁耦合直驱装置，在正常运行过程中动力传递过程为：定子绕组22通多相交流电产生旋转磁场，与永磁转子组件3上永磁体32的永磁场相互作用，从而驱动永磁转子组件3以与旋转磁场相同转速进行同步运转。永磁转子组件3与导体转子组件4间存在转差，导体转子导体切割永磁场，从而感应产生电流，进而产生电磁力，驱动导体转子组件4运转，带动负载转动。

本实施例提供的永磁耦合直驱装置，当负载发生堵转或者阻力突然过大时，永磁转子组件3还是保持着与定子绕组22产生的旋转磁场同步运转，永磁转子组件3上不会产生涡流损耗；仅在导体转子组件4上产生涡流损耗，并不会导致永磁转子组件3上永磁体32高温退磁。

本实施例提供的永磁耦合直驱装置，运行时励磁磁场由永磁体32提供，无需定子绕组22提供励磁电流，效率和功率因数高，同时可以设计成高极数直接驱动负载运行，低负荷运行也可以保持高效运行，并且可以实现缓冲启动，减小启动冲击，特别是针对大转动惯量负载的启动；即使在堵转时也能够避免烧毁及永磁体32退磁，可靠性高。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。