CN103036392A - 一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械传动技术领域，特指一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置。本发明由驱动总成、从动总成及调速装置总成组成，驱动总成安装固定在调速装置总成上，驱动总成中的蜗杆与从动总成中的蜗轮在空间互成90o布置，且蜗杆与蜗轮间存在均匀的气隙。当蜗杆由驱动电机驱动旋转时，可通过调速装置总成带动整个驱动总成左右运动，从而带动蜗杆远离或靠近蜗轮，同时改变了蜗杆上导电体或导电体层与蜗轮上永磁体的气隙大小，迅速调整气隙磁场的磁通量，更好更快地控制输出转速与转矩的大小，实现无级变速以及在空间互相垂直两轴间传递运动和动力的目的。

Description

一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置
技术领域
本发明涉及机械工程传动技术领域，是一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置，它可广泛应用于采矿、化工、海运等行业的大振动电机与负载之间动力传动机构及其他动力传递装置中。
背景技术
当前，国内外的火力发电厂锅炉主机，其大功率鼓风机和引风机所采用的调速方式大部分是变频调速；鉴于变频调速器在生产运行中所出现的问题，尤其是变频设备故障的不确定性，给各发电厂生产上带来了隐患，直接影响了生产运行的连续性、稳定性和可靠性，也给电厂带来了较大的经济损失。
由于磁力传动是一种非接触式的传动，除具有缓冲吸振的功能外，其最大的特点在于它可将驱动件和从动件完全封闭起来，在没有机械接触情况下，实现力与转矩的传递，因此，在一些大转矩传动领域，磁力传动已逐步取代机械式传动来传递转矩和功率；然而，普通的磁力传动并不能解决电机负载启动时，电机发热乃至失效的问题，以及并不能实现在空间互相垂直的两轴间传递运动和动力的功能；另外，在需要输出定转矩和不同转矩的场合，如何取代电机的变频调速，实现传动的无级变速，提高传动效率，使其应用范围受到一定限制，由此可见，对磁力传动的类型及结构研究已显得十分重要。
在专利200910263064.X中，公开了一种可调速式磁感应联轴器，它采用深槽式嵌入铜板(条)结构，产生深槽集肤效应之后，提高了传递的转矩，同时通过调速装置手动调节主从动盘之间气隙大小，实现输出转速与转矩可调，但是，该发明的磁力联轴器通过手动调节操作不太方便，调节精度不高，误差相应会很大，结构更是复杂；在专利201210103051.8中，公开了一种径向气隙可调的调速异步磁力联轴器，它利用均匀分布在圆盘体上的活动卡体的径向移动，可以精确地调节永磁体和导条之间的径向气隙长度，输出不同的转速、转矩，但该发明不能在设备运行中来进行调速，只能在设备停止运行时才能手动调节气隙；以上所述的两个发明专利可实现两轴线没有严格对中情况下的传动，却不能实现输入轴与输出轴在空间相互垂直的传动，本发明恰恰解决了这一问题。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置，避免了传统机械传动中传动不平稳、噪声大、冲击载荷大以及摩擦磨损严重等缺点；同时实现了蜗杆蜗轮无级变速以及在空间互相垂直两轴间传递运动与动力的目的，并解决了电机负载启动时因感应电流过大电机发热乃至失效等问题。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置，包括驱动总成、从动总成和调速装置总成，通过调速装置总成可调节驱动总成中的蜗杆与从动总成即蜗轮的距离，同时改变了蜗杆上导电体或导电体层与蜗轮上永磁体间的气隙大小，从而控制输出转速和转矩的大小。
蜗杆由蜗杆基体、导电体端环和导电体组成，蜗轮由蜗轮基体和永磁体组成，蜗轮位于驱动总成的右边，蜗轮轴线与蜗杆轴线在空间相互垂直不相交，且蜗杆与蜗轮间存在均匀的气隙；当驱动电机带动蜗杆旋转时，导电体切割永磁体的磁力线，产生感应电流，感应电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用，从而带动蜗轮转动；通过调速装置总成改变蜗杆与蜗轮间的气隙大小时，导电体产生感应电流的大小发生相应变化，从而使得输出转速与转矩发生相应改变。
蜗杆由蜗杆基体、导电体端环和导电体层组成，蜗轮由蜗轮基体和永磁体组成，蜗轮位于驱动总成的右边，蜗轮轴线与蜗杆轴线在空间相互垂直不相交，且蜗杆与蜗轮间存在均匀的气隙；当驱动电机带动蜗杆旋转时，导电体层切割永磁体的磁力线，产生感应涡流，感应涡流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用，从而带动蜗轮转动；通过调速装置总成改变蜗杆与蜗轮间的气隙大小时，导电体层产生感应涡流的大小发生相应变化，从而使得输出转速与转矩发生相应改变。
驱动总成由驱动电机、联轴器、主动轴、轴承、轴承座、套筒、蜗杆、挡板、螺钉、轴承挡圈和螺栓组成，主动轴通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，轴承座通过轴承装配在主动轴上，轴承座与调速装置总成中的移动滑块相连，且轴承座过螺栓与轴承挡圈通连接，套筒安装在主动轴上，挡板通过螺钉连接在主动轴上，蜗杆安装在套筒与挡板之间，通过套筒及挡板进行轴向固定；蜗杆由蜗杆基体、导电体端环和导电体或导电体层组成，且驱动总成通过驱动电机和轴承座安装在调速装置总成中的移动滑块上，蜗杆基体可开出若干螺旋槽并在内布置导电体或直接包裹一定厚度的导电体层，导电体端环镶嵌在蜗杆基体的两端，这样导电体或导电体层上即可形成封闭的感应电流回路；从动总成即蜗轮，由永磁体和蜗轮基体组成，永磁体按N、S极相间均匀镶嵌在蜗轮基体的圆周表面上，且蜗杆的轴线与蜗轮的轴线在空间上互相垂直。
所述的调速装置总成由右限位座、机体、计算机、PLC、调速电机、左限位座、滚珠丝杠、移动滑块、V形槽、轴承、螺母和轴承套组成，其中，右限位座、调速电机和左限位座安装在机体上，轴承通过轴承套安装在右限位座和左限位座里，滚珠丝杠通过轴承固定安装在左右限位座里，且滚珠丝杠通过螺母与移动滑块连接，滚珠丝杠与调速电机的输出轴相连，移动滑块通过V形槽安装固定在机体上且位于左右限位座之间；以计算机和PLC组成调速控制中心，且PLC与调速电机相连，通过计算机发出指令给PLC，PLC根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机正转或反转，从而驱动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠带动移动滑块移动，移动滑块带着整个驱动总成沿着V形槽左右移动，从而使得蜗杆远离或靠近蜗轮。
若滚珠丝杠为右旋，当计算机发出指令给PLC，PLC根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机正转（顺时针），从而带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠与移动滑块通过螺母连接，且驱动总成安装在移动滑块上，因而通过滚珠丝杠带动移动滑块使得驱动总成向左移动，蜗杆上导电体或导电体层与蜗轮上永磁体的气隙增大，气隙磁场作用力变小，输出转矩变小；此时，操作计算机发出指令给PLC，PLC根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机反转（逆时针），滚珠丝杠带动移动滑块使得驱动总成向右移动，蜗杆上导电体或导电体层与蜗轮上永磁体的气隙减小，气隙磁场作用力变大，输出转矩变大；若滚珠丝杠为左旋，则与之相反。
调速装置总成中的丝杠采用滚珠丝杠，螺距值设计在0.5mm～1mm；滚珠丝杠运动效率高、发热小、精度高，且滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动转矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给，故可以很好地保证在调速过程中微小进给量的变化。
本发明驱动总成中的蜗杆利用普通平键进行周向固定，轴向固定采用的是套筒、挡板和螺钉连接。
本发明的优点：
驱动总成与从动总成非机械接触，蜗杆蜗轮通过气隙磁场相互作用实现了空间相互垂直两轴间转速和转矩的传递，不仅避免了旋转负载中的对中问题，而且实现了电机的软启动、减震、调速及过载保护等问题。
通过计算机和PLC组成的调速控制中心来驱动调速电机带动滚珠丝杠的转动，从而可以准确地调节蜗杆蜗轮间的气隙大小，不仅操作方便，而且能平稳、准确调节蜗杆蜗轮间所需的距离，从而精确控制传递转矩的大小，实现了不同转速、转矩的输出，即实现了无级变速的目的。
本发明通过对调速机构总成的研究，实现了不同工况下不同转速和转矩的输出，拓展了可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置的的应用范围。
附图说明
图1为本发明实总体结构示意图；
图2为本发明工作平台示意图；
图3为本发明驱动总成示意图；
图4为本发明蜗杆蜗轮示意图；
图5为本发明滚珠丝杠与工作平台连接示意图；
图中，                                                
Figure 223675DEST_PATH_IMAGE001
-蜗杆，
Figure 912758DEST_PATH_IMAGE002
-蜗轮，1-蜗杆基体，2-蜗轮基体，3-永磁体，4-右限位座，5-机体，6-计算机，7-PLC，8-调速电机，9-左限位座，10-滚珠丝杠，11-移动滑块，12-V形槽，13-驱动电机，14-联轴器，15-主动轴，16-轴承，17-轴承座，18-套筒，19-导电体端环，20-导电体，21-挡板，22-螺钉，23-轴承挡圈，24-螺栓，25-轴承，26-螺母，27-导电体层，28-轴承套。
具体实施方式
本发明的总体结构如图1、图2和图3所示，该装置主要由驱动总成
Figure 649770DEST_PATH_IMAGE003
、从动总成和调速装置总成
Figure 540682DEST_PATH_IMAGE005
组成，驱动总成
Figure 516728DEST_PATH_IMAGE003
安装固定在调速装置总成上。
本发明的具体结构：
驱动总成
Figure 638585DEST_PATH_IMAGE003
由驱动电机13、联轴器14、主动轴15、轴承16、轴承座17、套筒18、蜗杆
Figure 973752DEST_PATH_IMAGE001
、挡板21、螺钉22、轴承挡圈23和螺栓24组成，驱动总成
Figure 702673DEST_PATH_IMAGE003
通过驱动电机13和轴承座17固定安装在调速装置总成中的移动滑块11上，主动轴15通过联轴器14与驱动电机13的输出轴连接，轴承座17通过轴承16装配在主动轴15上，轴承座17与调速装置总成中
Figure 217148DEST_PATH_IMAGE005
的移动滑块11相连，且轴承座17过螺栓24与轴承挡圈23通连接，套筒18安装在主动轴15上，挡板21通过螺钉22连接在主动轴15上，蜗杆
Figure 723216DEST_PATH_IMAGE001
安装在套筒18与挡板21之间，通过套筒18及挡板21进行轴向固定；蜗杆
Figure 877117DEST_PATH_IMAGE001
包括蜗杆基体1、导电体端环19和导电体20或导电体层27，蜗杆
Figure 759622DEST_PATH_IMAGE001
通过主动轴15上的平键、挡板21和螺钉22固定安装；从动总成
Figure 112106DEST_PATH_IMAGE004
即蜗轮
Figure 992337DEST_PATH_IMAGE002
，由蜗轮基体2、和永磁体3组成；调速装置总成
Figure 367955DEST_PATH_IMAGE005
由右限位座4、机体5、计算机6、PLC7、调速电机8、左限位座9、滚珠丝杠10、移动滑块11和V形槽12组成，其中，右限位座4、调速电机8和左限位座9安装在机体5上，轴承25通过轴承套28安装在右限位座4和左限位座9内，滚珠丝杠10通过轴承25固定安装在左、右限位座9、4里，滚珠丝杠10通过螺母26与移动滑块11连接，滚珠丝杠10与调速电机8的输出轴相连，移动滑块11通过V形槽12固定在机体5上；以计算机6和PLC7组成调速控制中心，PLC7与调速电机8连接，通过计算机6发出指令给PLC7，PLC7根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机8正转或反转，从而带动滚珠丝杠10旋转，由于滚珠丝杠10只能旋转不能移动，滚珠丝杠10将带着移动滑块11使得整个驱动总成沿着V形槽12左右移动，从而带动蜗杆
Figure 198825DEST_PATH_IMAGE001
远离或靠近蜗轮
Figure 46695DEST_PATH_IMAGE002
。
工作原理：如图3、图4所示，蜗轮基体2的圆周上均匀镶嵌着N极、S极相间的永磁体3，蜗杆基体1上可开出若干螺旋槽并在内布置导电体20或直接包裹一定厚度的导电体层27，且蜗杆基体1的两端镶嵌着导电体端环19，这样蜗杆
Figure 971926DEST_PATH_IMAGE001
上即可形成封闭的感应电流回路，蜗杆与蜗轮
Figure 458063DEST_PATH_IMAGE002
间存在均匀的气隙；当主动轴15由驱动电机13驱动旋转时，若蜗杆基体1开出螺旋槽并在内布置导电体20，蜗杆
Figure 742414DEST_PATH_IMAGE001
上的导电体20切割蜗轮
Figure 154941DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的磁力线，在导电体20上产生感应电流，感应电流产生的磁场和永磁体3产生的磁场相互作用，从而带动蜗轮
Figure 855044DEST_PATH_IMAGE002
转动；若蜗杆基体1包裹一定厚度的导电体层27，蜗杆
Figure 36626DEST_PATH_IMAGE001
上的导电体层27切割蜗轮
Figure 491878DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的磁力线，在导电体层27上产生感应涡流，感应涡流产生的磁场和永磁体3产生的磁场相互作用，从而带动蜗轮
Figure 391701DEST_PATH_IMAGE002
转动。
调速原理：可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传递转矩能力的大小与蜗杆蜗轮之间气隙大小有关，气隙越大则传递转矩的能力越小，反之，气隙越小则传递转矩的能力越大，因此，在一定的转差率下，为达到负载所需的转矩大小，可通过调节蜗杆蜗轮间的气隙大小来实现；若滚珠丝杠10为右旋，当计算机6发出指令给PLC7，PLC7根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机17正转（顺时针）时，滚珠丝杠10带动移动滑块11使得驱动总成向左移动，蜗杆
Figure 931584DEST_PATH_IMAGE001
上导电体20或导电体层27与蜗轮
Figure 495421DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的气隙增大，气隙磁场作用力变小，输出转矩变小，直至运行到左限位座9位置，此时，蜗杆
Figure 882540DEST_PATH_IMAGE001
上导电体20或导电体层27与蜗轮
Figure 924445DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的气隙最大，气隙磁场作用力最小，输出转矩最小，此时，操作计算机6发出指令给PLC7，PLC7根据此指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机17反转（逆时针），滚珠丝杠10带动移动滑块11使得驱动总成
Figure 80620DEST_PATH_IMAGE003
向右移动，蜗杆
Figure 815358DEST_PATH_IMAGE001
上导电体20或导电体层27与蜗轮
Figure 361877DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的气隙减小，气隙磁场作用力变大，输出转矩变大，运行到右限位座4时，蜗杆
Figure 473052DEST_PATH_IMAGE001
上导电体20或导电体层27与蜗轮
Figure 483733DEST_PATH_IMAGE002
上永磁体3的气隙最小，气隙磁场作用力最大，输出转矩最大；若滚珠丝杠10为左旋，则与之相反。

Claims (1)

1.一种可调速永磁感应式蜗杆蜗轮传动装置，包括驱动总成、从动总成和调速装置总成，通过调速装置总成可调节驱动总成中的蜗杆与从动总成即蜗轮的距离，从而改变蜗杆上导电体或导电体层与蜗轮上永磁体间的气隙大小，从而控制输出转速和转矩的大小，其特征在于：
驱动总成由驱动电机、联轴器、主动轴、轴承、轴承座、套筒、蜗杆、挡板、螺钉、轴承挡圈和螺栓组成，主动轴通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，轴承座通过轴承装配在主动轴上，轴承座与调速装置总成中的移动滑块相连，且轴承座过螺栓与轴承挡圈连接，套筒安装在主动轴上，挡板通过螺钉连接在主动轴上，蜗杆安装在套筒与挡板之间，通过套筒及挡板进行轴向固定；且驱动总成通过驱动电机和轴承座安装在调速装置总成中的移动滑块上，蜗杆由蜗杆基体、导电体端环和导电体组成，蜗杆基体开出若干螺旋槽并在内布置导电体，导电体端环镶嵌在蜗杆基体的两端；或由蜗杆基体、导电体端环和导电体层组成；导电体层直接包裹在蜗杆基体上，导电体端环镶嵌在蜗杆基体的两端；导电体或导电体层上形成封闭的感应电流回路；
从动总成即蜗轮，位于驱动总成的右边，由永磁体和蜗轮基体组成，永磁体按N、S极相间均匀镶嵌在蜗轮基体的圆周表面上，且蜗杆的轴线与蜗轮的轴线在空间上互相垂直不相交；
调速装置总成由右限位座、机体、计算机、PLC、调速电机、左限位座、滚珠丝杠、移动滑块、V形槽、轴承、螺母和轴承套组成；其中，右限位座、调速电机和左限位座安装在机体上，轴承通过轴承套安装在右限位座和左限位座里，滚珠丝杠通过轴承固定安装在左右限位座里，且滚珠丝杠通过螺母与移动滑块连接，滚珠丝杠与调速电机的输出轴相连，移动滑块通过V形槽安装固定在机体上且位于左右限位座之间；以计算机和PLC组成调速控制中心，且PLC与调速电机相连，通过计算机发出指令给PLC，PLC根据指令发出相应的脉冲信号驱动调速电机正转或反转，从而驱动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠带动移动滑块移动，移动滑块带着整个驱动总成沿着V形槽左右移动，从而使得蜗杆远离或靠近蜗轮。
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