專利名稱：一種放卷用無源永磁力矩電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種放巻用無源永磁力矩電機。
背景技術：
力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調速范圍的特種電機。這種電機的軸不是以 恒轉速或者功率而是以恒力矩輸出反向動力，當負載轉速變化時，其輸出功率也隨之變化， 能夠承受堵轉(即電機轉子轉速為零)運行。傳統力矩電機由于電樞電阻高，損耗大，所產 生的熱量也大，特別是在放巻(既在外力的作用下被動轉動，電機轉動方向與自身的驅動 力矩方向相反)或堵轉時更為嚴重，電機雖然消耗了大量勵磁用電能，但對外功率輸出卻 是負值或者是零，所有能量消耗在電機繞組中都轉換為熱，使電機溫度急劇升高，因此，傳 統力矩電機的后端蓋上都裝有獨立的離心式風機，強迫通風冷卻。力矩電機適用于巻繞、開 巻、堵轉和調速等場合。 圖4為美國專利US6998757B2，可以看出其轉子和定子電樞都為通電繞組，任何工 作狀態下轉子和定子繞組中的電流耦合產生驅動力矩，在放巻狀態下，也就是轉子被動轉 動時，電能仍在消耗，但電機卻在做負功，能量全部被消耗為熱能。這是目前所有力矩電機 的特性之一。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺點，提出一種永磁無源力矩電機，利用永磁塊 與金屬導體之間的相對運動在金屬體中感應出渦流，產生反向力矩，并通過彈簧調節永磁 塊和金屬板之間的間距來改變反向力矩的大小，保證電機的近似恒力矩輸出特性。無需電 源，不消耗電能。 本發明采用的技術方案如下 本發明電機由定子、轉子和外殼組成，轉子通過軸承安裝在外殼內，定子直接安裝 在外殼內壁上，轉子相對于定子可以互相轉動。本發明電機的轉子為多片同軸無磁性的金 屬圓片，定子為同軸圓周排列的多組永磁塊，永磁塊與定子外殼之間安裝有彈簧，彈簧一端 固定在外殼上，一端與永磁塊連接，永磁塊與金屬圓片間的距離由彈簧自動調節。當金屬圓 片相對永磁塊轉動時，永磁塊的磁場在金屬片中感應出渦流，渦流與永磁塊相互作用，產生 互相的推力和阻力，通過轉子的轉軸，阻力則表現為反向力矩輸出。金屬圓片轉子與相對轉 速越大時，推力越大，如果金屬圓片和永磁塊之間的距離不變，則阻力矩也越大，為了保證 電機的恒力矩輸出特性，永磁塊相對于金屬圓片的位置由彈簧控制，利用金屬圓片受到的 推力壓縮彈簧，增大轉子金屬圓片與永磁塊定子間的距離，保持反向力矩輸出大小不變。可 通過調節彈簧的壓緊程度來調節轉子恒定輸出反向力矩的大小。 本發明提出的永磁無源力矩電機可應用于開巻等被動輸出轉矩的場合，廣泛應用 于紡織、電線電纜、金屬加工、造紙、橡膠、塑料以及印刷機械等工業領域。
圖1為本發明原理圖，圖中a、永磁塊，b、金屬導體板； 圖2為本發明永磁無源力矩電機結構圖，圖中1軸，2定子外殼，3彈簧，4永磁塊， 5金屬圓片，6風扇； 圖3為本發明永磁無源力矩電機的另一種結構，圖中1軸，2定子外殼，3彈簧，4 永磁塊，5金屬圓片，6風扇； 圖4為美國專利US6998757B2的結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。 如圖1所示，永磁塊a以速度v相對于金屬導體板b水平方向運動時，根據電磁感 應定律，磁場的相對變化會在金屬導體板b中感應出與永磁塊a鏡像分布的渦形電流，亦稱 渦流，渦流和永磁塊a相互作用，會使永磁塊a受到向上的推力&和運動方向相反的向后 阻力Fd，這里推力 <formula>formula see original document page 4</formula>
其中ii 。為真空磁導率，Is為永磁塊的等效電流，w為其寬度，1為長度，h為永磁 塊a與金屬導體板b之間的距離。而阻力 這里o為金屬板的導電率，v為二者之間的相對速度。同樣，當然，由牛頓第二定 律可知，力的作用是相互的，永磁塊a受到來自于導體板b的推力和阻力，金屬導體板b也 受到來自永磁塊a大小相等方向相反的推力和阻力。運動是相互的，可以是永磁塊a相對 運動，也可以是金屬導體版b相對運動。 根據這個原理，本發明設計出了如圖2所示的永磁無源力矩電機。如圖2所示，轉 軸1上裝有一組同軸排列的無磁性的金屬圓片5，金屬圓片5的尺寸和數量要根據電機需 要輸出的反向力矩來決定，圖2中繪出了兩片金屬圓片5。在每片金屬圓片5的兩側，在所 述的金屬圓片5的圓周方向各排列了一圈永磁塊4。圓周方向排列的永磁塊4的個數是偶 數，永磁塊4的磁化方向與轉軸1的方向相同，同一側相鄰兩塊永磁塊的磁化方向相反，兩 側相對永磁塊的極性是相同的。由于力矩電機在放巻的時候，只是被動地為外界提供阻力 矩，也就是說是外力驅動電機的轉軸1旋轉，而電機只需要提供阻力矩就行了。當電機的轉 軸1在外力的驅動下轉動時，金屬圓片5也相對于永磁塊4轉動，根據前面的原理可知，金 上式中屬圓片5會受到與運動方向相反的阻力，對轉軸1就表現為阻力矩。當相對轉速增大時，如 果永磁塊4和金屬圓片5間的相對距離不變，則阻力矩也會增大，為了保持阻力矩恒定，利 用永磁塊4和金屬圓片5之間的推力也隨速度增大而增大的特性，在永磁塊4與定子外殼 2之間安裝調節彈簧3，推力增大時彈簧收縮，永磁塊和金屬圓片之間的距離h增大，維持阻 力矩相對不變。如果需要堵轉力矩，既在靜止時提供反向力矩，可以在永磁塊表面粘貼摩擦 片，摩擦片和金屬圓片轉子間的最小間距設置為零，金屬圓片采用鐵磁性金屬，當轉子轉速 為零也就是堵轉時，電機轉子金屬圓片和永磁塊定子間因為沒有推斥力就會吸在一起，靠 摩擦片的摩擦力提供堵轉力矩，只要有相對轉速，金屬圓片5中的渦流就會產生，永磁塊就 會被渦流的推力推開，摩擦力消失，恢復靠渦流的阻力提供反向力矩。 需要指出的是，金屬圓片5中的渦流會產生焦耳損耗，使其溫度上升，這是由外界 不斷對電機做功造成的，可在轉軸1上安裝風扇6進行強制通風降溫，當然電機外殼2上也 要開有通風孔。當力矩電機所需轉速較低而提供的反向力矩非常大時，可為電機加前置升 速齒輪裝置，通過齒輪變速提高電機的轉速同時提供足夠大的反向力矩。
本電機的轉子和定子的相對位置可以互換，也就是說轉子是永磁塊而定子是金屬 圓筒，如圖3所示，其運行原理與前面提到的電機完全相同，只是結構上的差異。在這種情 況下，由于離心力的作用，轉子上的永磁塊4會對彈簧3施加除了渦流推力外額外的離心壓 力，彈簧3的剛度要求高一些。 本發明利用電磁感應定律，提出了一種放巻用永磁無源式力矩電機，這種電機靠 渦流來提供反向力矩，無需消耗電力，大大節省能源，而且輸出轉矩可保持恒定。本發明可 應用于開巻等被動輸出轉矩的場合，廣泛應用于紡織、電線電纜、金屬加工、造紙、橡膠、塑 料以及印刷機械等工業領域。可有效起到節能降耗的作用。可以看出，這種電機的結構非 常簡單，沒有傳統電機的鐵芯、繞組、開關、調節電路等附件，故障率低，容易維護。
權利要求
一種無源永磁力矩電機，其特征在于所述的永磁力矩電機的轉子為多片同軸無磁性的金屬圓片(5)，定子為同軸圓周排列的多組永磁塊，永磁塊(4)與定子外殼(2)之間安裝有彈簧，彈簧一端固定在定子外殼(2)上，另一端與永磁塊(4)連接；永磁塊與金屬圓片(5)間的距離由彈簧自動調節；當金屬圓片(5)相對永磁塊(4)轉動時，永磁塊(4)的磁場在金屬片中感應出渦流，渦流與永磁塊(4)相互作用，產生互相的推力和阻力。
2. 根據權利要求l所述的無源永磁力矩電機，其特征在于，金屬圓片(5)和永磁塊(4) 間的定子和轉子關系可以互換。
3. 根據權利要求l所述的無源永磁力矩電機，其特征在于，轉軸(1)上裝有一組同軸 排列的金屬圓片(5)，在每片金屬圓片(5)的兩側，在其圓周方向各排列了一圈永磁塊(4); 永磁塊(4)的磁化方向與轉軸(1)的方向相同，同一側相鄰兩塊永磁塊的磁化方向相反，兩 側相對的永磁塊的極性相同，永磁塊(4)的數量為偶數；在永磁塊(4)與定子外殼(2)之間 安裝調節彈簧(3)，推力增大時彈簧(3)收縮，永磁塊(4)和金屬圓片(5)之間的距離增大， 維持阻力矩相對不變。
4. 根據權利要求2所述的無源永磁力矩電機，其特征在于，電機如需要堵轉運行，在永 磁塊(4)表面粘貼摩擦片，永磁塊(4)和金屬圓片(5)之間的距離設置為零，金屬圓片(5) 為鐵磁性；當轉子靜止時，轉子和定子相吸，靠摩擦片提供靜止的反向力矩，轉子轉動時，轉 子和定子間的相互推力使二者分開，恢復靠渦流阻力提供反向力矩。
全文摘要
一種放卷用無源永磁力矩電機，其特征在于所述的永磁力矩電機的轉子為多片同軸無磁性的金屬圓片(5)，定子為同軸圓周排列的多組永磁塊(4)，永磁塊(4)與定子外殼(2)之間安裝有彈簧，永磁塊與金屬圓片(5)間的距離由彈簧自動調節。本發明利用電磁感應定律，通過電機轉子和定子間的相互運動，永磁塊在金屬圓片之中感應出渦流，渦流和永磁塊相互作用產生阻力而提供轉子的反向力矩。同時利用轉子和定子之間的推力，通過彈簧調節永磁塊和金屬片之間的距離，保證恒轉矩輸出。本發明可應用于各種放卷場合的工業驅動用電機，無需能源，節能降耗，且結構簡單，容易維護。
文檔編號H02K49/04GK101719715SQ20091024355
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者宋守森, 崔春燕, 戴銀明, 王厚生, 王暉, 王秋良, 程軍勝, 胡新寧, 趙保志, 陳順中, 雷源忠 申請人:中國科學院電工研究所