在無刷直流電機(jī)中使用磁力離合器的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁力離合器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)為耦合無刷直流電機(jī)（BLDC)的轉(zhuǎn)子和 外部機(jī)械負(fù)載之間的機(jī)械動(dòng)力，而無需使用直接或間接機(jī)械連接，如齒輪、輪、帶或其他類 似裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多常見的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的不同部分之間的連接是通過機(jī)械部件執(zhí)行的。使用 這種連接部件的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是由摩擦引起的能量損失。摩擦引起的另一個(gè)缺點(diǎn)是部件的 連接表面的磨損。隨著部件之間的速度和力增加，摩擦增大，因此，對其表面造成的損壞也 增大，直到它們通常無法再正常工作。
[0003] 在高速運(yùn)行的系統(tǒng)（例如通常以極高速度運(yùn)行的電機(jī)）中，摩擦及其效果是巨大 的，因此需要許多維護(hù)服務(wù)和頻繁更換配件，這需要時(shí)間和金錢的巨大投入。
[0004] 本發(fā)明涉及一種用于BLDC電機(jī)（如在PCT專利申請編號(hào)PCT/IL2013/050253中 描述的電機(jī)）的裝置。
[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種裝置和方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)隨著描述的進(jìn)行，將變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] -種用于耦合無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子和外部機(jī)械負(fù)載之間的機(jī)械動(dòng)力的裝置，包 括：
[0008] a)兩個(gè)同心的環(huán)；
[0009] b)分別連接到內(nèi)側(cè)的環(huán)和外側(cè)的環(huán)的相等數(shù)量的磁體；和
[0010] c)每對相對的磁體的磁極相反朝向，其中，一個(gè)磁體放置在內(nèi)側(cè)的環(huán)上，而其相對 的磁體放置在外側(cè)的環(huán)上；
[0011] 其中，所述兩個(gè)同心的環(huán)的第一環(huán)通過施加不由第二環(huán)施加的力而可繞軸線旋 轉(zhuǎn)，并且其中，當(dāng)所述第一同心的環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，第二環(huán)在磁力的作用下也旋轉(zhuǎn)。
[0012] 在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)為扁平環(huán)形板。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，每對相對的磁 體的尺寸相同。
[0013] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，兩個(gè)相對的磁體的磁性強(qiáng)度基本相同。在本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)側(cè)的環(huán)中的每個(gè)磁體配有外側(cè)的環(huán)中的一個(gè)相對的磁體。
[0014] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，連接裝置將環(huán)中的一個(gè)連接至外部系統(tǒng)。在本發(fā)明的 其他實(shí)施例中，未連接到外部系統(tǒng)的環(huán)通過連接到外部系統(tǒng)的環(huán)旋轉(zhuǎn)而被驅(qū)動(dòng)，并且由于 兩個(gè)耦合的磁體之間的磁力，迫使從動(dòng)環(huán)移動(dòng)。
[0015] 典型地，裝置的部件之間的距離與所期望的力一致，并且在本發(fā)明的一些實(shí)施例 中，環(huán)上的兩個(gè)相鄰磁體之間的距離與同一環(huán)上的另外兩個(gè)相鄰磁體之間的距離不同。
[0016] 本發(fā)明還包括一種與離合器耦合的無刷電機(jī)，所述離合器包括：兩個(gè)同心的環(huán)，分 別連接到內(nèi)側(cè)的環(huán)和外側(cè)的環(huán)的相等數(shù)量的磁體，每對相對的磁體的磁極相反朝向，其中， 一個(gè)磁體放置在內(nèi)側(cè)的環(huán)上，而其相對的磁體放置在外側(cè)的環(huán)上，并且其中，所述兩個(gè)同心 的環(huán)的第一環(huán)通過施加不由第二環(huán)施加的力而可繞軸線旋轉(zhuǎn)，并且其中，當(dāng)所述第一同心 的環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，第二環(huán)在磁力的作用下也旋轉(zhuǎn)。
【附圖說明】
[0017] 在附圖中：
[0018] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的配置有磁體的兩個(gè)同心的環(huán)處于靜止?fàn)?態(tài)；
[0019] 圖2示出了圖1的兩個(gè)環(huán)處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)；
[0020] 圖3示出了彼此相距距離d放置并線性移位的單組磁體上的力的測量；
[0021] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的演示系統(tǒng)中的力的測量；
[0022] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的在BLDC演示系統(tǒng)中的部件的示例性物理 測量；
[0023] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)磁體的示意性設(shè)定；
[0024] 圖7示出了展示為包括無窮小的電流回路的集合的螺線管，一個(gè)堆疊在另一個(gè)的 頂部；并且
[0025] 圖8示出了厚度無窮小的兩個(gè)回路，每一個(gè)屬于一個(gè)磁體。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 圖1示出了靜止的兩個(gè)同心旋轉(zhuǎn)環(huán)101和102。內(nèi)側(cè)的環(huán)101包含BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn) 子（所述BLDC電機(jī)可以是例如PCT/IL2013/050253-W0/2013/140400的電機(jī)），而外側(cè)的環(huán) 102連接到機(jī)械負(fù)載，并向其提供動(dòng)力。數(shù)量等于BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子中的磁體數(shù)量的若干永 磁體機(jī)械地固定在外側(cè)的環(huán)102上，其S-N軸朝向圓周切向。
[0027] 靜止時(shí)，位于外側(cè)的環(huán)102上的每一個(gè)磁體104面向位于轉(zhuǎn)子101上的對應(yīng)的磁 體103。外側(cè)的環(huán)102上的每個(gè)磁體104的S-N軸朝向與轉(zhuǎn)子101上對應(yīng)的（面對的）磁 體103的S-N軸朝向相反。結(jié)果，外側(cè)的環(huán)102上的磁體104以交替極性定位。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的 是，轉(zhuǎn)子101與外側(cè)的環(huán)102之間沒有物理連接。由于稍后在本說明書中將徹底說明的原 因，根據(jù)靜磁學(xué)的定律，轉(zhuǎn)子101相對于外側(cè)的環(huán)102的相對位置，依賴于系統(tǒng)的狀態(tài)-如 果系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)或動(dòng)態(tài)狀態(tài)，如將要進(jìn)一步描述的那樣。
[0028] 在靜止?fàn)顟B(tài)-當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，外側(cè)的環(huán)102上的每個(gè)磁體104恰好在轉(zhuǎn)子 101上對應(yīng)的磁體103的前面對齊，如圖1所示。在動(dòng)態(tài)狀態(tài)-當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)子101轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外 側(cè)的環(huán)102連接到負(fù)載（未完全自由地移動(dòng)），轉(zhuǎn)子環(huán)101上的每個(gè)磁體103相對于負(fù)載環(huán) 102上對應(yīng)的磁體104的相對位置，將改變并將穩(wěn)定到新的狀態(tài)。
[0029] 對應(yīng)的磁體103和104將不再被完全對齊。磁體的相對位置將以準(zhǔn)線性的方式， 在環(huán)101和102的圓周的切向方向移位。磁體103和104將達(dá)到如圖2所示的偏移h，并且 將穩(wěn)定在那里。偏移h取決于由負(fù)載輸出的反向力?？梢钥闯觯谶m當(dāng)?shù)臈l件下，h將與使 負(fù)載環(huán)102隨著轉(zhuǎn)子環(huán)101轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力直接成比例的增加。
[0030] 應(yīng)當(dāng)提出，在感興趣的范圍內(nèi)，偏移h與力傳遞大致成比例，并且只要h是不太大， 轉(zhuǎn)子環(huán)101將能夠"拉動(dòng)"負(fù)載環(huán)102,而在兩個(gè)環(huán)101和102之間沒有任何物理接觸發(fā)生。 當(dāng)h的大小接近磁體103和104之間的間隙的寬度時(shí)，傳遞的力下降。轉(zhuǎn)子環(huán)101能夠施 加到負(fù)載環(huán)102的最大力，將取決于強(qiáng)度和永磁體的幾何形狀、取決于磁體的數(shù)量、以及取 決于兩個(gè)環(huán)101與102之間的間隙。
[0031] 圖3示出了彼此相距距離d放置并線性移位的單組磁體上的力的測量。陰影區(qū)域 301示出了磁體103和104之間的拉力與偏移h大致成比例的范圍。
[0032] 為了說明所涉及的力的量級(jí)，具有前端到前端間隔29mm的兩個(gè)磁體，可以在環(huán)的 切線方向上大致提供最大140N(約14Kg)的力傳遞。
[0033] 在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的BLDC電機(jī)演示系統(tǒng)中，面對面間隔約30mm配置有8個(gè)磁體。 該演示系統(tǒng)能夠施加140x 8 = 1120N(約112Kg)的力。由于演示系統(tǒng)中的外側(cè)的環(huán)102 具有約420mm的半徑，磁性離合器應(yīng)能夠傳輸約470N-m的扭矩。
[0034] 在BLDC演示系統(tǒng)進(jìn)行的測量中，并如圖4所示，發(fā)明人并沒有試圖實(shí)現(xiàn)和測量最 大動(dòng)力傳遞，但是，他們示出力傳遞600N量級(jí)的測量，這與在一對磁體上的測量預(yù)測出的 最大可能力（1120N)的量級(jí)非常吻合。此外，這示出了總力與相對偏移成比例。
[0035] 在BLDC演示系統(tǒng)中，由本發(fā)明人提供的部件的物理措施，示于圖5中。從圖中可 以看出，該系統(tǒng)包括8個(gè)磁體，并且轉(zhuǎn)子環(huán)101和負(fù)載環(huán)102之間的間隔為30mm。
[0036] 靜磁計(jì)算是通過分析進(jìn)行的最困難和復(fù)雜的任務(wù)，并且即使當(dāng)可以發(fā)現(xiàn)封閉形式 的解析表達(dá)式時(shí)，所得到的公式也往往太復(fù)雜，而不能提供對于現(xiàn)象的明確認(rèn)識(shí)。此外，大 多數(shù)時(shí)候，人們只能執(zhí)行由數(shù)值求解場方程得到的電腦模擬。然而，盡管數(shù)值解對于特定設(shè) 定是精確的，但是無法提供對于系統(tǒng)的一般行為的了解。