[发明专利]一种轴向磁通转矩传动设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及驱动和传动装置，尤其是涉及一种轴向磁通转矩传动设备和方法。

背景技术

目前，诸如磁性联轴器和磁齿轮之类的磁性转矩传动装置在工业驱动系统中已经得到广泛应用。这些装置通过在两个磁体组件之间建立的磁场间相互作用进行工作，并且通过由于磁场相互作用而引起相互吸引和排斥来传送转矩。大部分传统磁性联轴器和磁齿轮系统被设计为同轴型，因此可以实现巨大的转矩吞吐量。通过两个磁体组件中的磁体的相互作用可以提供通过同轴磁性联轴器或齿轮系统传送的转矩。与非同轴磁系统相比，可以通过这些同轴系统传送较大的转矩，从而使得此现有技术成为高转矩应用的优选方案。

传统同轴磁性联轴器和磁齿轮系统以“径向磁通”模式进行工作，即在径向上选择两个磁体组件之间的磁通。忽略与磁体边界相关的边缘效应，转子的转轴仅仅承受沿切向的磁力。沿旋转轴的运动并不需要特别关注。然而，这种设计的转矩传动效率低，换句话说转矩密度较低，这是因为径向磁通装置的力臂较短。

这些联轴器和齿轮系统的更多现代设计在所谓“轴向磁通”模式下工作，在这种情况下，在轴向上选择磁通。可以通过增加转子盘的有效半径和工作区域来提升转矩密度。然而，改变磁通排列造成沿转子轴不可避免存在非常大的轴向牵引力，这需要通过额外的推力元件来平衡。Eastham等人(Disc motor with reduced unsprung mass for direct EV wheel drive”，Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics 2，569-573(1995))提出了在轴向磁通系统中轴向牵引力可以是切向牵引力的5至7倍，所以，当传递给定的转矩时，推力元件承受了更大的轴向应力。通常，使用推力轴承或其它平衡元件抵消轴向牵引力。然而，随着额定传动转矩的增加，大部分推力轴承不能承受这么大的力，除非大幅度提高推力轴承的体积和材料开销。由此可见，轴向牵引力问题是轴向磁通磁性联轴器和磁齿轮系统达到较高传动转矩和功率吞吐量的瓶颈。

唐任远等在《在现代永磁电机——理论与设计》(中国工业出版社，1997)一书中提出若干同步电机的设计，其中包括中间定子结构(即两个转子夹中间定子的结构)和中间转子结构(即两个定子夹中间转子的结构)。在这两个情况下，定子作用在转子上的牵引力方向相反且大小相等，转子上的净牵引力为零，因此，这些设计可以解决同步电机的轴向牵引力问题。然而，由于转子和定子的摆位的复杂性，这些设计不适用于前述基于磁相互作用的联轴器。驱动侧和负载侧的转子被定子隔离，这意味着这些转子之间没有物理(机械)链接。另外，由于缺少物理链接，这些设计也不适用于前面提及的磁齿轮。磁齿轮的驱动侧转子和负载侧转子含不同极对数的磁体，这些磁体伸进定子的不同磁场中，使得作用在这些转子上的牵引力不同，因而在转子和定子上施加的净牵引力不会抵消。而这些非零的牵引力，需要额外的组件抵消，才能实现机械平衡。

美国专利US3816782提出了电动机的推力负载平衡装置，其中轴向牵引力被推力轴承和弹簧抵消。该构思无需更改就可以应用于磁性联轴器和齿轮。然而，如之前所述，推力轴承的最大负载决定了牵引力的上限。另外，推力轴承在高传动转矩条件下工作可能会由于轴承的磨损而严重缩短使用寿命，从而降低了系统的可靠性。

美国专利US5477094公开了磁性联轴器的替代结构。取代使用两个具有磁体的转子，这种类型的磁性联轴器使用一个由磁体组成的转子和另一由导体腔组成的转子。输入轴的旋转使输出轴以涡流造成两个转子之间的磁摩擦的方式进行旋转。因此，该输入轴和输出轴总是以导致异步转矩传动的滑移方式进行旋转。这种情况不利于精确的运动控制。此外，感应型转矩设备不能达到与纯磁转矩设备一样高的转矩密度和效率。

轴向牵引力还能够利用磁轴承平衡牵引力。例如，美国专利US6227820提出了一种血泵，其中通过磁轴承使转子浮起。然而，轴承零件的大部分磁体被用于平衡轴向牵引力，而对转矩传动没有贡献。那么，系统的转矩密度和功率吞吐量密度严重受限于大部分的无效磁体。很重的负载磁轴承消耗了大量的永磁材料(例如NdFeB)。而且，由于轴向牵引力是切向力的大约5至7倍的事实而引起总成本随着额定传动转矩增大而骤增。

现有技术的解决方案在抵消所述轴向牵引力的能力上因所采用的不同推力元件而不同。一般而言，它们的性能只能在成本、可靠性之一上有所侧重。因此，需要一种成本低而且可靠的轴向磁通转矩传动设备。

发明内容