CN103047373B - 一种转速转矩机械合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种转速转矩机械合成装置，包括主动电机及其齿轮、辅助电机及其齿轮、行星齿轮、被动齿轮和电容器，所述行星齿轮分别啮合于主动电机齿轮和辅助电机齿轮，所述被动齿轮啮合于主动电机齿轮，当所述主动电机齿轮和辅助电机齿轮存在转速转矩差时，所述行星齿轮将两者的不同转速转矩动力合成传递给所述被动齿轮，实现了动力的合成输出，而且所述装置通过电容器的充放电，将主电动机在低负载时的逆向负载余能储存于电容器，在主电动机高负载时将电容器放电以驱动辅助电动机，从而在合成电机动力的同时降低了电网的运行荷载，提高了电动机的负载率和运行效率。

Description

一种转速转矩机械合成装置

技术领域

本发明涉及机械动力合成装置，更具体的涉及两个或多个不同转速转矩的机械合成装置。

背景技术

现有技术中，据统计，电力消费的70%左右用于驱动各类电动机，而多数电动机是工作在不稳定负载情况下的，有些驱动电动机常常工作在逆向负载情况下，当电动机在额定负载下工作时，其机械效率可达90%，但在低负荷或逆向负载下工作时，其运行效率只能达到20%～30%。现行对电动机逆向负载工作情况的处理方法有二：一是对负载进行强制“制动”，将负载的逆向动力以发热的形式消耗掉。二是将负载的逆向动力通过直流发电机发出直流电，再将直流电逆变为交流电反馈回电网。前一种处理方式造成了能源的大量损耗和机械装置(或电器装置)的磨损发热，后一种方式转换装置复杂，转换效率低且带来电网的污染和不稳定运行。因此需要对现有电动机的运转负载进行稳定。另外现有技术中并没有将不同转速、不同扭矩的两动力轴的动力合成至同一转动轴的装置，尽管现有技术中汽车的差速器能够实现动力的分解，但却没有逆向的实现动力的合成。

发明内容

本发明基于上述技术问题，提出一种将不同转速转矩的动力进行合成的装置，该装置创新性的基于汽车“差速器”的逆向运行原理，将两轴非同步动力合成到同一动力轴，实现了轴功率的机械合成，同时也稳定了电动机的负荷，在电动机低负荷时将多余负荷储存起来，在电动机高负荷下将储存的能量释放，从而不对电网回馈任何电能，只要求电网对电动机用能进行补充，极大地提高了电动机的运行效率，延长了电动机的使用寿命。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种转速转矩机械合成装置，包括第一电机齿轮、第二电机齿轮、行星齿轮支架、行星齿轮和被动齿轮，所述的行星齿轮支架与所述第一电机齿轮同步运转，所述行星齿轮设置于所述行星齿轮支架上，所述行星齿轮的一侧啮合于所述第一电机齿轮，另一侧啮合于所述第二电机齿轮，所述被动齿轮啮合于所述第一电机齿轮，当所述第一电机齿轮和第二电机齿轮同步运转时，所述行星齿轮与第一电机齿轮和第二电机齿轮无相对运动，当所述第一电机齿轮和第二电机齿轮存在转速转矩差时，所述行星齿轮与第一电机齿轮和第二电机齿轮作相对运动，并将两者的不同转速转矩动力合成传递给所述被动齿轮。

进一步地根据本发明所述的装置，其中所述第一电机齿轮包括同步运转的大齿轮和小齿轮，所述被动齿轮啮合于所述大齿轮，所述行星齿轮的一侧啮合于所述小齿轮，所述行星齿轮支架固定于所述大齿轮上。

进一步地根据本发明所述的装置，其中所述行星齿轮支架内上下对称地设置有两个所述行星齿轮，每个所述行星齿轮的一侧啮合于所述小齿轮，另一侧啮合于所述第二电机齿轮，两个行星齿轮分别啮合于所述小齿轮和第二电机齿轮的两侧，所述行星齿轮绕自身中心轴的转动方向与所述第一电机齿轮和第二电机齿轮的转动方向垂直。

进一步地根据本发明所述的装置，其中所述大齿轮、小齿轮、行星齿轮、第二电机齿轮和被动齿轮整体具有圆台形状，并在圆台的母线侧面形成齿轮齿。

进一步地根据本发明所述的装置，其中所述第一电机齿轮通过轴承并经第一减速机而连接于主动电机，所述第二电机齿轮通过轴承并经第二减速机而连接于辅助电机，所述辅助电机连接于一电容器，还包括控制各部件工作的控制机构。

进一步地根据本发明所述的装置，其中还包括与所述辅助电机和电容器连接的发电机，所述控制机构做如下操控：当所述转速转矩机械合成装置对外作负功时，所述辅助电机不输出动力，所述主动电机的逆向负载余能通过行星齿轮而传递至所述第二电机齿轮，通过第二电机齿轮带动发电机发电，并将其所发电能存储于电容器；当所述转速转矩机械合成装置对外作正功时，所述主动电机向第一电机齿轮输出主动力，同时所述电容器放电，用储存的电能驱动所述辅助电机向第二电机齿轮输出动力，且所述第二电机齿轮和第一电机齿轮的动力经所述行星齿轮调整后合成输出至所述被动齿轮上。

进一步地根据本发明所述的装置，其中所述辅助电机是可逆的发电-电动机，所述控制机构做如下操控：当所述转速转矩机械合成装置对外作负功时，所述辅助电机作为发电机，所述主动电机的逆向负载余能通过行星齿轮而传递至所述第二电机齿轮，通过第二电机齿轮带动辅助电机发电，并将其所发电能存储于电容器；当所述转速转矩机械合成装置对外作正功时，所述辅助电机作为电动机，所述主动电机向第一电机齿轮输出主动力，同时所述电容器放电，用储存的电能驱动所述辅助电机向第二电机齿轮输出动力，且所述第二电机齿轮和第一电机齿轮的动力经所述行星齿轮调整后合成输出至所述被动齿轮上。

进一步地根据本发明所述的装置，其中还包括与所述被动齿轮连接的被动主轴，所述被动齿轮接受的合成动力经被动主轴而向外输出。

通过本发明所述的转速转矩机械合成装置至少能够达到以下技术效果：

1）、在现有技术的基础上创新性的首次实现了两个或多个不同转速、不同扭矩动力的合成输出。

2）、通过本发明所述的装置降低了主电动机的容量，实现了设备的小型化，有效地调节了电动机的负载，对电动机不稳定的载荷谱曲线“消峰添谷”，极大地提高了电动机的运行稳定性。

3）、本发明所述的装置通过电容的充放电，将主电动机在低负载时的逆向负载余能储存于电容，在主电动机高负载时将电容放电以驱动辅助电动机，从而在将两个电动机转矩合成的同时降低了电网的运行荷载，提高了电动机的负载率，进而提高了电动机的运行效率。

4）、本发明所述的装置能够以较低的成本取代变频调速电动机，且能够完全取代现行的逆向负载发电逆变回电网的低效高费用系统，从而改善电网的谐波污染，使电网供电更加稳定。

附图说明

附图1为本发明所述转速转矩机械合成装置的组成结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1、外部机构；2、被动主轴；3、主动电机；4、减速机；5、被动齿轮；6、主动电机大齿轮；7、主动电机小齿轮；8、行星齿轮支架；9、行星齿轮；10、辅助电机小齿轮；11、减速机；12、辅助电机；13、电容器；14、发电机；15、控制机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，但并不以此为限。

首先说明本发明所述转速转矩机械合成装置的技术出发点，其是借助了汽车“差速器”的原理，采用“差速器”逆运行的方式来实现，汽车的两个驱动轮是通过一个动力轴驱动的两半轴实现的，当汽车在平直的道路上运行时，主动轴将动力平均分配给左右两半轴，两半轴以等转速等转矩的方式向前运行。当汽车右转时，通过差速器分配动力，右侧半轴转速降低，左侧半轴转速提高，从而实现右转功能；汽车左转时，情况亦然。当汽车在泥泞路面一侧动力轴打滑时，另一侧动力轴加强扭矩，从而保证了车辆正常运行。因此汽车差速器可以将一动力轴的动力传递给两半轴，而两半轴可以是同转速同扭矩的，亦可以是不同转速不同扭矩的。本发明所述装置通过将汽车“差速器”创新性的进行逆向变换而得到，将不同转速不同扭矩的两动力轴的动力，传递给同一转动轴，获得两轴非同步动力合成到同一动力轴的效果，进一步的两动力轴的动力亦可基于同样的原理由其他动力轴合成，从而达到多非同步动力轴合成到同一动力轴上的动力合成效果，因此本发明所述的机械合成装置在现有技术基础上首次实现了多个不同转速、转矩动力的合成输出。

以下结合附图1详细描述本发明所述的转速转矩机械合成装置的组成结构原理。如附图1所示，所述机械合成装置包括被动主轴2、主动电机3、减速机4、被动齿轮5、主动电机大齿轮6、主动电机小齿轮7、行星齿轮支架8、行星齿轮9、辅助电机小齿轮10、减速机11、辅助电机12、电容器13、发电机14和控制机构15。所述主动电机3为系统的总动力源，通过轴承经减速机4而连接于主动电机大齿轮6，向其提供主动力，所述减速机4将主动电机3的输出转矩转速调整到外部机构1（如抽油机升降机构）所需的转矩转速来驱动主动电机大齿轮6，所述主动电机大齿轮6与被动齿轮5啮合，用于将主动电机3及辅助电机12的输出动力合成输出到被动齿轮5上。所述被动齿轮5联接与被动主轴2，所述被动主轴2直接向外部机构1输出轴动力，该外部机构1可为升降机的升降机构，该机构通过曲轴连杆机构装置来实现。所述主动电机大齿轮6上固设有与其同步运行的主动电机小齿轮7和行星齿轮支架8，在所述行星齿轮支架8内上下对称设置有两个行星齿轮9，所述每个行星齿轮9的一侧啮合于主动电机小齿轮7，另一侧啮合于辅助电机小齿轮10，两个行星齿轮9分别啮合于主动电机小齿轮7的两侧、以及辅助电机小齿轮10的两侧，所述行星齿轮9在支架8的支撑作用下整体与主动电机大小齿轮6、7一同转动（公转），且每个行星齿轮9在小齿轮7、10的啮合作用下绕自身的中心轴转动（自转），所述主动电机小齿轮7、主动电机大齿轮6以及辅助电机小齿轮10的转动方向一致，且与所述行星齿轮9自身的转动方向（自转）垂直。所述辅助电机小齿轮10通过轴承经减速机11而连接于辅助电机12，减速机11用于将辅助电机12的输出转矩转速调整到逆向差速器所需的转矩转速，所述辅助电机12连接于电容器13和发电机14，三者互联使得所述电容器13同时作为充放电设备，在系统作负功时，通过发电机14将机械能转化为电能储存在电容器13上，在系统对外作正功时，电容器13放电，用储存的电能驱动辅助电机12转动，附图1中示出发电机14与辅助电机12分置于系统中，但实际上可将辅助电机做成可逆的发电-电动机以取消掉独立的发电机，也就是说附图1中与减速机11依次连接的也可以是发电电动机和电容器。

控制机构15用于控制整个转速转矩机械合成装置的具体工作过程：当转速转矩机械合成装置对外作负功时（如抽油机下降过程中），辅助电机12不输出动力，所述辅助电机小齿轮10作为主动电机3的负载稳定装置，被主动电机小齿轮7通过行星齿轮9而带动运转，辅助电机小齿轮10的转动动能进一步传输至发电机14（或发电-电动机），经其转化为电能并对电容器13进行充电，从而将低负载时的逆向负载余能储存于电容器；当转速转矩机械合成装置对外作功时（如抽油机上升过程中），主动电机3输出主动力，同时电容器13放电，用储存的电能驱动辅助电机12，进而带动辅助电机小齿轮10转动，辅助电机小齿轮10的转动和主动电机3所驱动的主动电机小齿轮7的转动经行星齿轮9调整合成后通过主动电机大齿轮6而传递至被动齿轮5上，然后通过被动主轴2来实现对外做功，这样通过本发明中设置的行星齿轮9即实现了辅助电机与主动电机动力的合成输出，在这个过程中不论主动电机和辅助电机输出的转速转矩是否相同，都能够对其进行合成输出，具体的当两电机12、3同步时，行星齿轮9与两电机的小齿轮10、7无相对运动，当两电机12、3存在转速差时，行星齿轮9与两电机小齿轮10、7作相对运动，由于行星齿轮9同时与两电机小齿轮10、7相啮合，能够将其不同步的转速调整合成在主动电机大齿轮6上，通过大齿轮6与被动齿轮5的啮合来实现主动电机及辅助电机合成动力的输出，最终利用该合成动力来对外做功。

本发明所述装置在对外做功的时候，能够将低负载运行下存储的余能叠加到主动电机输出的动力上，极大地提高了电动机的负载率和运行效率，通过实践验证由于辅助电机12的使用，可使主动电机3的容量减少1/3，如将其应用于起重机领域时，经试验在其拉升负荷工况下，比传统运行节能约为35%。

本发明所述的转速转矩机械合成装置优选为一种双转速转矩机械合成装置，完全通过机械的办法将两个不同转速转矩的电动机轴功率合成到一个转动轴上，首次实现了轴功率的机械合成。

本发明所述装置能够达到的技术效果还包括：

降低了主电动机容量，实现设备小型化，调节电动机的负载，使电动机不稳定的载荷谱曲线“消峰添谷”，提高了电动机运行稳定性，降低了电网的运行荷载，提高了电动机负载率，从而提高电动机的运行效率，部分取代变频调速电动机，通过电容的充放电，将主电动机在低负载时的逆向负载余能储存于电容，在主电动机高负载时将电容放电驱动辅助电动机，将两个电动机转矩合成，从而完全取代现行的逆向负载发电逆变回电网的低效高费用系统，从而改善电网的谐波污染，使电网供电更加稳定。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (7)

1.一种转速转矩机械合成装置，其特征在于，包括第一电机齿轮、第二电机齿轮、行星齿轮支架（8）、行星齿轮（9）和被动齿轮（5），所述的行星齿轮支架（8）与所述第一电机齿轮同步运转，所述行星齿轮（9）设置于所述行星齿轮支架上，所述行星齿轮（9）的一侧啮合于所述第一电机齿轮，另一侧啮合于所述第二电机齿轮，所述被动齿轮（5）啮合于所述第一电机齿轮，当所述第一电机齿轮和第二电机齿轮同步运转时，所述行星齿轮（9）与第一电机齿轮和第二电机齿轮无相对运动，当所述第一电机齿轮和第二电机齿轮存在转速转矩差时，所述行星齿轮（9）与所述第一电机齿轮和第二电机齿轮作相对运动，并将两者的不同转速转矩动力合成传递给所述被动齿轮（5）,所述第一电机齿轮通过轴承并经第一减速机（4）而连接于主动电机（3），所述第二电机齿轮通过轴承并经第二减速机（11）而连接于辅助电机（12），所述辅助电机（12）连接于一电容器（13），所述转速转矩机械合成装置还包括控制各部件工作的控制机构（15）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电机齿轮包括同步运转的大齿轮和小齿轮，所述被动齿轮（5）啮合于所述大齿轮，所述行星齿轮（9）的一侧啮合于所述小齿轮，所述行星齿轮支架固定于所述大齿轮上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述行星齿轮支架（8）内上下对称地设置有两个所述行星齿轮（9），每个所述行星齿轮（9）的一侧啮合于所述小齿轮，另一侧啮合于所述第二电机齿轮，两个行星齿轮（9）分别啮合于所述小齿轮和第二电机齿轮的两侧，所述行星齿轮（9）绕自身中心轴的转动方向与所述第一电机齿轮和第二电机齿轮的转动方向垂直。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述大齿轮、小齿轮、行星齿轮、第二电机齿轮和被动齿轮整体具有圆台形状，并在圆台的母线侧面形成齿轮齿。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述辅助电机（12）和电容器（13）连接的发电机（14），所述控制机构（15）做如下操控：当所述转速转矩机械合成装置对外作负功时，所述辅助电机（12）不输出动力，所述主动电机的逆向负载余能通过行星齿轮而传递至所述第二电机齿轮，通过第二电机齿轮带动发电机（14）发电，并将其所发电能存储于电容器（13）；当所述转速转矩机械合成装置对外作正功时，所述主动电机（3）向第一电机齿轮输出主动力，同时所述电容器（13）放电，用储存的电能驱动所述辅助电机（12）向第二电机齿轮输出动力，且所述第二电机齿轮和第一电机齿轮的动力经所述行星齿轮（9）调整后合成输出至所述被动齿轮（5）上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助电机（12）是可逆的发电-电动机，所述控制机构（15）做如下操控：当所述转速转矩机械合成装置对外作负功时，所述辅助电机（12）作为发电机，所述主动电机的逆向负载余能通过行星齿轮而传递至所述第二电机齿轮，通过第二电机齿轮带动辅助电机（12）发电，并将其所发电能存储于电容器（13）；当所述转速转矩机械合成装置对外作正功时，所述辅助电机（12）作为电动机，所述主动电机（3）向第一电机齿轮输出主动力，同时所述电容器（13）放电，用储存的电能驱动所述辅助电机（12）向第二电机齿轮输出动力，且所述第二电机齿轮和第一电机齿轮的动力经所述行星齿轮（9）调整后合成输出至所述被动齿轮（5）上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，还包括与所述被动齿轮（5）连接的被动主轴（2），所述被动齿轮（5）接受的合成动力经被动主轴（2）而向外输出。