專利名稱：一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車輛用輔助制動(dòng)裝置，具體涉及一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)外車輛上使用的緩速器主要有液力緩速器和電渦流緩速器，其中電渦流緩速器一般由定子、轉(zhuǎn)子、產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈及固定支架等組成。電渦流緩速器工作時(shí)，電磁線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割磁力線的工作面內(nèi)部無(wú)數(shù)個(gè)閉合導(dǎo)線所包圍的面積內(nèi)磁通量發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)子工作面上產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，即渦電流，渦電流產(chǎn)生后，電磁場(chǎng)對(duì)帶電轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的阻力，即制動(dòng)力，阻力方向由左手定則判斷，阻力的合力沿轉(zhuǎn)子工作面周向形成與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩，車輛的動(dòng)能最終通過(guò)電磁感應(yīng)和電阻發(fā)熱最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)，制動(dòng)力矩的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈的通電電流來(lái)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于依靠電磁線圈產(chǎn)生工作磁場(chǎng)的電渦流緩速器，永磁渦流緩速器是利用永磁體產(chǎn)生工作磁場(chǎng)，因而具有體積小、重量輕、節(jié)能環(huán)保、可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外的車輛上也已進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用，成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)前永磁渦流緩速器的永磁體陣列普遍采用徑向陣列排列，如圖1所示，永磁體內(nèi)箭頭方向表示充磁方向，內(nèi)外環(huán)上的細(xì)線表示磁力線走向。但采用徑向陣列的永磁渦流緩速器，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)基本上是陣列一側(cè)為安裝面，另一側(cè)為工作面，轉(zhuǎn)子只能切割永磁體一側(cè)磁場(chǎng)的磁力線產(chǎn)生渦流進(jìn)行制動(dòng)工作，另一側(cè)磁場(chǎng)卻不起作用，因此永磁體利用率低。Halbach陣列是一種新型的永磁體結(jié)構(gòu)形式，于1980年由Halbach首次提出。這種陣列完全由稀土永磁材料構(gòu)成，通過(guò)將不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)律排列，能夠在陣列的一側(cè)匯聚磁力線，在另一側(cè)削弱磁力線，從而獲得一種性能獨(dú)特的單側(cè)強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖2所示，箭頭表示每塊永磁體的充磁方向。Halbach陣列磁場(chǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)Halbach 陣列分解后的切向磁場(chǎng)與徑向磁場(chǎng)相互疊加，使得其強(qiáng)磁場(chǎng)側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為相同體積的徑向陣列磁場(chǎng)強(qiáng)度的1. 5倍左右；(2)Halbach陣列具有自屏蔽效應(yīng)；(3)Halbach陣列的強(qiáng)側(cè)磁場(chǎng)呈較理想的正弦分布；(4)永磁體利用率高，由于Halbach陣列分向磁化的原因，導(dǎo)致其永磁體工作點(diǎn)較高，一般為0. 9，超過(guò)了徑向陣列永磁體的利用率。基于以上優(yōu)點(diǎn)，Halbach陣列成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)，目前其應(yīng)用多集中在高速儲(chǔ)能飛輪、主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及無(wú)轉(zhuǎn)子鐵芯電機(jī)等。但是在車輛渦流制動(dòng)領(lǐng)域，還尚未見(jiàn) Halbach陣列的相關(guān)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)永磁渦流緩速器不能通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以及徑向陣列的永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度弱、利用率低，并結(jié)合Halbach陣列的優(yōu)異性能，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器，由Halbach陣列永磁體環(huán)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)，以加強(qiáng)永磁體工作側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，削弱非工作側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，并利用雙向絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定子沿軸向快速趨近或分離，實(shí)現(xiàn)定子內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子外圓柱面的重合面積，即工作面積的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到制動(dòng)力矩?zé)o級(jí)調(diào)節(jié)的目的。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括左固定板、右固定板、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)子、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、電機(jī)固定架、雙向絲杠軸、兩個(gè)旋向相反的絲杠螺母、三根直線光軸、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的定子；由導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子，通過(guò)鍵安裝在傳動(dòng)軸上；傳動(dòng)軸的兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板的中心孔中；雙向絲杠軸的兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板中心孔上方的孔中；三根直線光軸的兩端分別通過(guò)螺母安裝固定在左、右固定板中心孔前、后、下方的孔中；兩個(gè)定子均由一個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)和一個(gè)保持架組成；Halbach陣列永磁體環(huán)的外圓柱面固定在保持架的中心孔中，Halbach陣列永磁體環(huán)的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子的外圓柱面間保持有徑向間隙；保持架上均布有四個(gè)安裝孔，其中上安裝孔通過(guò)絲杠螺母與雙向絲杠軸配合，其余三個(gè)安裝孔分別通過(guò)直線軸承與各自的直線光軸配合；伺服電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定架安裝在左固定板外側(cè)，伺服電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與雙向絲杠軸連接。所述的Halbach陣列永磁體環(huán)由分段的扇形永磁體塊連接而成，Halbach陣列永磁體環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P，每個(gè)磁極又由η段永磁體塊組成，整個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)的第 i段永磁體塊的充磁方向角為Qi = (1+ρ) · 360° · (i-l)/(2pn)，其中ρ彡2，η彡3，i = 1,2,3, ".,2pn。所述的Halbach陣列永磁體環(huán)的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子的外圓柱面間的間隙為0. 5 2mm ο本發(fā)明具有的有益效果是1)以Halbach陣列永磁體環(huán)為磁源，提高了永磁渦流緩速器的工作氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)更大的制動(dòng)力矩，且磁體利用效率高，節(jié)能環(huán)保。2)采用伺服電機(jī)和絲杠副驅(qū)動(dòng)定子軸向移動(dòng)，傳動(dòng)易于控制，定子定位準(zhǔn)確，工作面積調(diào)節(jié)方便，因而制動(dòng)力矩調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便。此外，相比于單向絲杠副驅(qū)動(dòng)單個(gè)定子，在達(dá)到相同工作面積的條件下，本發(fā)明采用的雙向絲杠副驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定子的響應(yīng)速度要快一倍， 更適合于緊急制動(dòng)的場(chǎng)合。3)采用直線軸承和直線光軸對(duì)定子進(jìn)行支撐和導(dǎo)向，使定子移動(dòng)穩(wěn)定、順暢、可靠性高，并使得緩速器散熱條件好。


圖1是徑向陣列永磁體環(huán)及其磁場(chǎng)分布示意圖。圖2是Halbach陣列永磁體環(huán)及其磁場(chǎng)分布示意圖。圖3是本發(fā)明的Halbach陣列永磁體環(huán)充磁方向角示意圖。圖4是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明工作狀態(tài)的剖面示意圖。圖6是本發(fā)明非工作狀態(tài)的剖面示意圖。圖中1.伺服電機(jī)，2.聯(lián)軸器，3.電機(jī)固定架，4，5.角接觸球軸承，6.雙向絲杠軸，7，12.左、右Halbach陣列永磁體環(huán)，8，11.左、右絲杠螺母，9，10.左、右保持架，13.深溝球軸承，14.傳動(dòng)軸，15.左固定板，16.直線光軸，17，19.左、右直線軸承，18.轉(zhuǎn)子， 20.圓螺母，21.右固定板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖4、圖5、圖6所示，本發(fā)明包括左固定板15、右固定板21、傳動(dòng)軸14、轉(zhuǎn)子18、 伺服電機(jī)1、聯(lián)軸器2、電機(jī)固定架3、雙向絲杠軸6、旋向相反的左、右絲杠螺母8、11、三根直線光軸16、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的定子。由導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子18，通過(guò)鍵安裝在傳動(dòng)軸14上， 轉(zhuǎn)子18 —端靠軸肩，另一端用圓螺母20固定，轉(zhuǎn)子轂與轉(zhuǎn)子外圈間的腹板加工成風(fēng)扇葉片狀，轉(zhuǎn)子18隨傳動(dòng)軸14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的軸向氣流將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走。傳動(dòng)軸14的兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板15、21的中心孔中。雙向絲杠軸6的左、右兩半段螺紋參數(shù)相同，旋向相反，兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板15、21中心孔上方的孔中； 雙向絲杠軸6的安裝形式為固定_游動(dòng)型，左端通過(guò)一對(duì)角接觸球軸承4、5安裝到左固定板15上，右端通過(guò)一個(gè)深溝球軸承13安裝到右固定板21上。三根直線光軸16的兩端分別通過(guò)螺母固定在左、右固定板15、21中心孔前、后、下方的孔中。兩個(gè)定子分別由左、右 Halbach陣列永磁體環(huán)7、12和左、右保持架9、10組成，左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12 的外圓柱面分別固定在左、右保持架9、10的中心孔中，左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12 的內(nèi)圓柱面均與轉(zhuǎn)子18的外圓柱面間保持有徑向間隙；左、右保持架9、10上分別均布有四個(gè)安裝孔，其中左保持架9的上安裝孔與右保持架10的上安裝孔分別通過(guò)左、右絲杠螺母 8、11與雙向絲杠軸6配合，左保持架9其余三個(gè)安裝孔與右保持架10其余三個(gè)安裝孔分別通過(guò)左、右直線軸承17、19與各自的直線光軸16配合；伺服電機(jī)1通過(guò)電機(jī)固定架3安裝在左固定板15外側(cè)，伺服電機(jī)1輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器2與雙向絲杠軸6連接。所述的左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12均由段數(shù)相同的扇形永磁體塊連接而成，每個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為p，每個(gè)磁極又由η段永磁體塊組成，整個(gè) Halbach陣列永磁體環(huán)的第i段永磁體塊的充磁方向角為θ , = (1+ρ) · 360° · (i_l)/ (2pn)，其中ρ彡2，n彡3，i = 1，2，3，...，2pn。本實(shí)施實(shí)例中每個(gè)Halbach永磁體陣列環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為3，每個(gè)磁極由4段永磁體連接而成，整個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)的第i (i = 1,2,3, ...,24)段的充磁方向?yàn)?Qi= (i-1) .60°，其中 θ i = 0°，θ2 = 60°，θ3 = 120°，θ4 = 180°，…，如圖 3 所示。所述的左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子18的外圓柱面間的徑向間隙均為0. 5 2mm。本發(fā)明的工作方式為Halbach陣列的永磁渦流緩速器工作時(shí)，伺服電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)雙向絲杠軸6旋轉(zhuǎn)， 從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定子沿軸向快速趨近，當(dāng)左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子18的外圓柱面有重合面積時(shí)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子18切割磁力線的外圓柱面內(nèi)部無(wú)數(shù)個(gè)閉合導(dǎo)線所包圍的面積內(nèi)磁通量發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)子18外圓柱面上產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流，即渦電流。渦電流產(chǎn)生后，左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的磁場(chǎng)對(duì)帶電轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)的阻力，即制動(dòng)力，阻力方向由左手定則判斷，阻力合力沿轉(zhuǎn)子18外圓柱面周向形成與轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩。當(dāng)左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子18的外圓柱面完全重合時(shí)，制動(dòng)力矩達(dá)到最大值，車輛的動(dòng)能最終通過(guò)電磁感應(yīng)和電阻發(fā)熱最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)。 Halbach陣列永磁渦流緩速器不需要制動(dòng)時(shí)，伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)雙向絲杠軸6 反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定子快速分離至轉(zhuǎn)子18兩個(gè)端面外側(cè)，使得左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子18的外圓柱面相互錯(cuò)開(kāi)，左、右Halbach陣列永磁體環(huán)7、12的磁場(chǎng)無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)子18產(chǎn)生作用，轉(zhuǎn)子18外圓柱面上不會(huì)產(chǎn)生渦電流，因而無(wú)法產(chǎn)生制動(dòng)力矩， 最終解除對(duì)車輛的制動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器，其特征在于包括左固定板(15)、右固定板(21)、傳動(dòng)軸(14)、轉(zhuǎn)子(18)、伺服電機(jī)(1)、聯(lián)軸器(2)、電機(jī)固定架(3)、雙向絲杠軸 (6)、兩個(gè)旋向相反的絲杠螺母、三根直線光軸、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的定子；由導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子(18)，通過(guò)鍵安裝在傳動(dòng)軸(14)上，傳動(dòng)軸(14)的兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板(15，21)的中心孔中；雙向絲杠軸(6)的兩端分別通過(guò)軸承安裝在左、右固定板(15，21) 中心孔上方的孔中；三根直線光軸的兩端分別通過(guò)螺母安裝固定在左、右固定板(15，21) 中心孔前、后、下方的孔中；兩個(gè)定子均由一個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)和一個(gè)保持架組成， Halbach陣列永磁體環(huán)的外圓柱面固定在保持架的中心孔中，Halbach陣列永磁體環(huán)的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子(18)的外圓柱面間保持有徑向間隙；保持架上均布有四個(gè)安裝孔，其中上安裝孔通過(guò)絲杠螺母與雙向絲杠軸(6)配合，其余三個(gè)安裝孔分別通過(guò)直線軸承與各自的直線光軸配合；伺服電機(jī)(1)通過(guò)電機(jī)固定架(3)安裝在左固定板(15)外側(cè)，伺服電機(jī)(1) 輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器(2)與雙向絲杠軸(6)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器，其特征在于所述的Halbach陣列永磁體環(huán)由分段的扇形永磁體塊連接而成，Halbach陣列永磁體環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P，每個(gè)磁極又由η段永磁體塊組成，整個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)的第i段永磁體塊的充磁方向角為 θ i = (1+p) · 360° · (i-l)/(2pn)，其中 ρ 彡 2，η 彡 3，i = 1，2，3，…， 2pn0
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器，其特征在于所述的Halbach陣列永磁體環(huán)的內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子(18)的外圓柱面間的徑向間隙為0. 5 2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Halbach陣列的永磁渦流緩速器。轉(zhuǎn)子安裝在傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸安裝在固定板中心孔中；雙向絲杠軸兩端分別安裝在固定板中心孔上方的孔中；三根直線光軸的兩端分別固定在固定板中心孔前、后、下方的孔中；兩個(gè)定子均由一個(gè)Halbach陣列永磁體環(huán)和保持架組成，永磁體環(huán)的外圓柱面固定在保持架的中心孔中，內(nèi)圓柱面與轉(zhuǎn)子外圓柱面間保持有徑向間隙；保持架上均布有四個(gè)安裝孔，其中上安裝孔通過(guò)絲杠螺母與雙向絲杠軸配合，其余三個(gè)安裝孔分別通過(guò)直線軸承與直線光軸配合；伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與雙向絲杠軸連接。本發(fā)明中磁體利用率高、制動(dòng)力矩大、響應(yīng)時(shí)間快、散熱條件好，并實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)力矩的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H02K49/10GK102497085SQ20111043741
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者周曉軍, 羅竹輝, 郭遠(yuǎn)晶, 魏燕定, 黃茫茫, 黎建軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)