在無刷直流電機中使用磁力離合器的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁力離合器結(jié)構，其設計為耦合無刷直流電機（BLDC)的轉(zhuǎn)子和 外部機械負載之間的機械動力，而無需使用直接或間接機械連接，如齒輪、輪、帶或其他類 似裝置。
【背景技術】
[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械部件執(zhí)行的。使用 這種連接部件的一個顯著缺點是由摩擦引起的能量損失。摩擦引起的另一個缺點是部件的 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] 在高速運行的系統(tǒng)（例如通常以極高速度運行的電機）中，摩擦及其效果是巨大 的，因此需要許多維護服務和頻繁更換配件，這需要時間和金錢的巨大投入。
[0004] 本發(fā)明涉及一種用于BLDC電機（如在PCT專利申請編號PCT/IL2013/050253中 描述的電機）的裝置。
[0005] 本發(fā)明的一個目的是提供一種裝置和方法，克服現(xiàn)有技術的缺點。
[0006] 本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點隨著描述的進行，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的轉(zhuǎn)子和外部機械負載之間的機械動力的裝置，包 括：
[0008] a)兩個同心的環(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，當所述第一同心的環(huán)旋轉(zhuǎn)時，第二環(huán)在磁力的作用下也旋轉(zhuǎn)。
[0012] 在本發(fā)明一個實施例中，環(huán)為扁平環(huán)形板。在本發(fā)明另一實施例中，每對相對的磁 體的尺寸相同。
[0013] 在本發(fā)明的一些實施例中，兩個相對的磁體的磁性強度基本相同。在本發(fā)明的另 一個實施例中，內(nèi)側(cè)的環(huán)中的每個磁體配有外側(cè)的環(huán)中的一個相對的磁體。
[0014] 在本發(fā)明的一些實施例中，連接裝置將環(huán)中的一個連接至外部系統(tǒng)。在本發(fā)明的 其他實施例中，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，并且由于 兩個耦合的磁體之間的磁力，迫使從動環(huán)移動。
[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)明的一些實施例 中，環(huán)上的兩個相鄰磁體之間的距離與同一環(huán)上的另外兩個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，所述離合器包括：兩個同心的環(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，當所述第一同心 的環(huán)旋轉(zhuǎn)時，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)明的一個實施例的配置有磁體的兩個同心的環(huán)處于靜止狀 態(tài)；
[0019] 圖2示出了圖1的兩個環(huán)處于動態(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)明另一個實施例的演示系統(tǒng)中的力的測量；
[0022] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的在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)明另一個實施例的兩個磁體的示意性設定；
[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，一個堆疊在另一個的 頂部；并且
[0025] 圖8示出了厚度無窮小的兩個回路，每一個屬于一個磁體。
【具體實施方式】
[0026] 圖1示出了靜止的兩個同心旋轉(zhuǎn)環(huán)101和102。內(nèi)側(cè)的環(huán)101包含BLDC電機的轉(zhuǎn) 子（所述BLDC電機可以是例如PCT/IL2013/050253-W0/2013/140400的電機），而外側(cè)的環(huán) 102連接到機械負載，并向其提供動力。數(shù)量等于BLDC電機的轉(zhuǎn)子中的磁體數(shù)量的若干永 磁體機械地固定在外側(cè)的環(huán)102上，其S-N軸朝向圓周切向。
[0027] 靜止時，位于外側(cè)的環(huán)102上的每一個磁體104面向位于轉(zhuǎn)子101上的對應的磁 體103。外側(cè)的環(huán)102上的每個磁體104的S-N軸朝向與轉(zhuǎn)子101上對應的（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。應該強調(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)處于靜止狀態(tài)或動態(tài)狀態(tài)，如將要進一步描述的那樣。
[0028] 在靜止狀態(tài)-當BLDC轉(zhuǎn)子靜止時，外側(cè)的環(huán)102上的每個磁體104恰好在轉(zhuǎn)子 101上對應的磁體103的前面對齊，如圖1所示。在動態(tài)狀態(tài)-當BLDC轉(zhuǎn)子101轉(zhuǎn)動時，外 側(cè)的環(huán)102連接到負載（未完全自由地移動），轉(zhuǎn)子環(huán)101上的每個磁體103相對于負載環(huán) 102上對應的磁體104的相對位置，將改變并將穩(wěn)定到新的狀態(tài)。
[0029] 對應的磁體103和104將不再被完全對齊。磁體的相對位置將以準線性的方式， 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取決于由負載輸出的反向力?？梢钥闯?，在適當?shù)臈l件下，h將與使 負載環(huán)102隨著轉(zhuǎn)子環(huán)101轉(zhuǎn)動所需的力直接成比例的增加。
[0030] 應當提出，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"負載環(huán)102,而在兩個環(huán)101和102之間沒有任何物理接觸發(fā)生。 當h的大小接近磁體103和104之間的間隙的寬度時，傳遞的力下降。轉(zhuǎn)子環(huán)101能夠施 加到負載環(huán)102的最大力，將取決于強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，具有前端到前端間隔29mm的兩個磁體，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)明構造的BLDC電機演示系統(tǒng)中，面對面間隔約30mm配置有8個磁體。 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，磁性離合器應能夠傳輸約470N-m的扭矩。
[0034] 在BLDC演示系統(tǒng)進行的測量中，并如圖4所示，發(fā)明人并沒有試圖實現(xiàn)和測量最 大動力傳遞，但是，他們示出力傳遞600N量級的測量，這與在一對磁體上的測量預測出的 最大可能力（1120N)的量級非常吻合。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個磁體，并且轉(zhuǎn)子環(huán)101和負載環(huán)102之間的間隔為30mm。
[0036] 靜磁計算是通過分析進行的最困難和復雜的任務，并且即使當可以發(fā)現(xiàn)封閉形式 的解析表達式時，所得到的公式也往往太復雜，而不能提供對于現(xiàn)象的明確認識。此外，大 多數(shù)時候，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 定是精確的，但是無法提供對于系統(tǒng)的一般行為的了解。