CN1038550C - 多转子交流电动装置 - Google Patents

多转子交流电动装置

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Abstract

多转子交流电动装置，包括一个可产生旋转或交变磁场的定子及至少两个可在非同步转速产生电磁扭矩的转子，分别称为主转子及副转子。在所说电动机的低速工况下，副转子经传动部分将其电磁力矩放大后与主转子一道驱动输出件；在副转子加速到同步转速后，自动卸荷装置解除该副转子对输出件的驱动作用。所举示例涉及所说电动装置、数种电磁部分、数种传动部分及两种自动卸荷装置。

Description

多转子交流电动装置
本发明涉及一类交流电动装置，包括交流电动机及机器中使用交流电源的动力部份。所说电动装置包括一个定子，一个转子及一个被称为输出件的、用以拖动机械负载的传动件。所说定子具有用以导磁的铁芯及通以适当的交流电后能产生旋转或交变磁场的绕组；所说转子在交变或旋转磁场中可以在非同步转速下产生电磁扭矩；所说转子直接地或通过一个传动装置按固定速比驱动所说输出件旋转。
所谓‘可以在非同步转速下产生电磁扭矩的转子’包括主要依靠感生电流的电磁效应产生扭矩的‘感应式转子’、主要依靠铁芯材料的磁滞效应产生扭矩的‘磁滞式转子’以及其他类似的转子，例如具有整体钢质铁芯的转子。该转子在旋转或交变磁场作用下以非同步转速旋转时，既可因感生涡流的电磁效应产生扭矩，又可因铁芯钢材的磁滞效应产生扭矩。
现有用以拖动作功机械的电动装置中，以交流电动机应用最为普遍；而现有的交流电动机中，又以异步电动机，特别是鼠笼式电动机的应用最为广泛。异步电动机结构简单、工作可靠、寿命长、成本低，但是起动扭矩较小而起动电流甚大，过载能力不大，机械特性较硬，通常只能在很窄的速度范围内工作。故普通的异步电动机及类似的电动装置不宜用以拖动起动负荷较大或用于要求速度须随负荷在较大范围内变动的机械。
异步电动机的这一缺点可以用加大其转子绕组的电阻的方法加以改善。这种方法能够限制起动电流，并在一定程度上加大其起动扭矩和软化其特性，但是并不能使其最大扭矩得以增加，并且通常将使所说电动机的额定效率大大下降。因此，每当异步电动机及类似的电动装置的性能不能满足使用者的要求时，往往不能不改用诸如换向器电动机之类更为复杂的电动装置。但是，这些电动装置如果不是较为昂贵，就是工作可靠性与寿命较差。
为了弥补现有异步电动机及类似的电动装置的不足，本发明的目的是提供一种结构较为简单、工作可靠、具有较大起动扭矩和过载能力、并能在较大速度范围内有效地拖动机械负载的交流电动装置，用作工作机械的原动机或其动力部份。
为了实现这一目的，本发明所提供的电动装置包括电磁部份和传动部份。所说电磁部份包括一个产生旋转或交变磁场的定子及至少两个可在非同步转速产生旋转力矩的转子。所说转子其中之一称为主转子，其余则称为副转子。所说传动部份具有若干彼此间有固定速比的传动件，包括一个被称为输出件而用以拖动机械负载的传动件。所说各转子分别与所说传动件之一联接，从而可分别以各自不同的速比驱动输出件，并且，所说主转子对输出件的速比较之任何副转子对输出件的速比为小。这里所说某转子对输出件的速比是指该转子的转速对输出件转速之比。
在所说电动装置启动后，当各转子的转速均低于同步转速时，各转子均处于电动机状态，并共同驱动输出件。随着所说电动装置的加速，由于各副转子对输出件的速比大于主转子对输出件的速比，各副转子将陆续先于主转子达到同步转速而进入发电机状态并产生反向力矩，使所说电动装置的输出扭矩减小。有时，这种影响是轻微的；但很多时，也是不可忽视的。为了避免副转子产生所说影响，可以在所说电动装置内加设自动卸荷装置。当副转子加速到某一大约等于同步转速的既定速度时，所说自动卸荷装置立即使该转子失去对输出件的驱动作用，例如，解除该副转子与输出件间的传动联系、使之自由浮动，或使该副转子不再产生电磁力矩。
如上所述，所说电动装置在其低速工况下，即各副转子未全部加速到同步转速之前，输出轴受到各转子共同的驱动作用。此时，所说电动装置的输出扭矩是各转子所产生的电磁力矩按不同速比放大后的总和，其中包括了各副转子所产生的扭矩被传动放大了的部份。所以，本发明的电动装置较之现有的普通异步电动机及其类似的电动装置具有更大的起动扭矩和过载能力。
一般说来，与现有的异步电动机比较，本发明的电动装置由于副转子的转速较主转子的转速为高，在低速工况下，副转子的转差率较小，可以更有效地输出有功功率。故所说电动装置在低速工况下的效率较高，能够在较阔的速度范围内有效地拖动机械负载。
特别地，如果使本发明电动装置的副转子具有适当的铜耗或铁耗，即有如在所说电动装置的等效电路内增加了额外的转子电阻，这将可更好地限制所说电动装置的起动电流和加大起动扭矩。
又，由于对本发明的电动装置的特性有影响的结构因素远较普通异步电动机为多，包括各转子与定子间的电磁耦合关系、各转子的结构与尺寸比例、各转子对输出件的速比以及是否具有自动卸荷装置等，故采用本发明可以开发出多种具有不同特性的电动装置以适应各种用途的要求。
下面将结合附图列举示例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的一种包括两个副转子的电动装置的轴向剖面示意图。
图2和3是本发明的电动装置的两种电磁部份的立体剖视示意图。
图4和5是本发明的电动装置的两种电磁部份的横向剖面示意图。
图6、7、8和9是本发明电动装置的传动部份的轴向剖面示意图。
图10、11、12和13是本发明的电动装置的四种不同实施例的轴向剖视示意图，其中各电动装置除包括图2所示电磁部份外，还分别包括图6、7、8和9所示传动部份。
图14是本发明的电动装置的又一种实施例的轴向剖面示意图，其中包括图3所示电磁部份及图6所示传动部份。
图15是图14所示电动装置的电路图。
图16是本发明的一种包括图2所示电磁部份及图6所示传动部份的实施例的轴向剖面示意图。
如图1所示，一种本发明的电动装置包括电磁部份1及传动部份2。
所说电磁部份包括固定于机架3上，可产生旋转或交变磁场的定子6及可在非同步转速下产生扭矩的转子4、8和9分别称为主转子、第一副转子和第二副转子。所说定子及各转子分别具有各自的铁芯。转子4与8还分别具有导通感生电流的绕组或相当于绕组的导体5与7。定子6及转子8的一部份分别环绕转子4的不同部份，转子8的另一部份又环绕转子9，转子8和9的铁芯既未围绕定子6的铁芯，亦未为定子6的铁芯所围绕，从而所说电磁部份具有三条导通主磁通的闭合磁路。第一条磁路包括定子铁芯及转子4的铁芯之一部份，与转子绕组5交链；第二条磁路包括转子4的铁芯及转子8的铁芯各一部分，与转子绕组5及7交链；第三条磁路包括转子8的铁芯之另一部分及转子9的铁芯，与转子绕组7交链。
所说传动部份包括：传动轴10、12和14；作为输出件的传动轴16；齿轮11、13、15、17、19和20及作为自动卸荷装置的单向离合器18和21。传动轴10与12是空心轴。传动轴12可转动地安装在传动轴14上，传动轴10则可转动地安装在传动轴12上。齿轮11、13、15和17分别与传动轴10、12、14和16联接。齿轮19和20则分别通过单向离合器18和21与传动轴16联接。齿轮11、13和15分别与齿轮20、19和17啮合。
转子4作为主转子与传动轴14联接。转子8和9作为副转子分别与传动轴10和12联接。转子8和9按转子4的原定正向驱动传动轴16时，单向离合器18和21结合；反之，若分别固定转子8和9，而令转子4驱动传动轴16按原正向旋转，则单向离合器18和19将分别解脱。各转子驱动传动轴16的速比，以副转子9的最大，副转子8的次之，主转子4的最小。
所说电动装置接通适当的交流电源后，定子6即产生旋转或交变磁场；该磁场在绕组5内产生感生电流并使转子4产生扭矩；绕组5内的感生电流又在包括转子8的铁芯的磁路内感生出磁场并在绕组7内感生电流，转子8亦因而产生扭矩；绕组7内的电流又在包括转子9的铁芯的磁路内感生出磁场并使转子9也产生扭矩，从而所说三个转子均驱动传动轴16旋转。在所说电动装置加速过程中，副转子9与8按照对传动轴16的速比大小的顺序先后接近或达到同步转速后便不再加速，传动轴16在主转子4驱动下继续加速时，其速度将先后超越齿轮19与20，单向离合器18和21亦依次解脱，使副转子9与8先后进入浮动状态。
所说电动装置也可将传动轴14作为输出件。一般地说，本发明的电动装置可以将与主转子联接的传动件作为输出件，相应地，只须使各副转子通过传动部份驱动该输出件的速比大于1即可。
本发明所提供的电动装置的电磁部份可以包括少至一个的所说副转子，并且可以有多种不同的结构。
如图2所示，本发明的电动装置的一种电磁部份包括：可产生旋转或交变磁场的定子22，可在非同步转速产生扭矩的主转子26与副转子25。所说定子及各转子均具有各自的铁芯，所说主转子还具有导通感生电流的闭合绕组或相当于绕组的导体23。定子22与副转子25的铁芯分别环绕主转子铁芯的不同部份，但副转子25的铁芯并未为定子22的铁芯所围绕，亦未围绕定子22的铁芯，从而该电磁部份具有两条各自与主转子绕组23交链的闭合磁路。第一条所说磁路包括定子22的铁芯及主转子26的铁芯的一部份，并与定子绕组相交链；第二条所说磁路包括副转子25的铁芯及主转子26的铁芯的另一部份。在接通适当的交流电源之后，定子22即在所说第一条磁路内激发出磁通24；磁通24又在绕组23内产生感生电流并使主转子26产生扭矩；绕组23内的电流又在所说第二条磁路内激发出磁通27，从而使副转子25也产生扭矩。定子绕组内的电流不能直接地产生穿过副转子铁芯并推动副转子旋转的磁通。
所说副转子25的铁芯可以包括一个钢质或电工纯铁的整块。
如图3所示，本发明电动装置的另一种电磁部份包括可产生旋转或交变磁场的定子31，可在非同步转速产生扭矩的主转子28与副转子33。所说定子具有绕组30及铁芯，所说各转子亦具有各自的铁芯。定子31的铁芯的不同部份分别环绕转子28与33，从而使该电磁部份具有两条各自与定子绕组交链的闭合磁路。所说两条磁路中的第一条磁路包括主转子28的铁芯及定子31的铁芯的一部份；而第二条磁路则包括副转子33的铁芯及定子31的铁芯的另一部份。在接通适当的交流电源之后，所说定子绕组30内的电流即分别在所说两条磁路内激发出磁通29和32。在磁通29和32的作用下，所说转子28和33可产生扭矩。
如图4所示，本发明的电动装置的一种电磁部份包括可产生旋转或交变磁场的定子36及可在非同步转速产生扭矩的转子37和38。定子36具有绕组34及铁芯；转子38亦具有自己的铁芯；转子37具有一包围转子38的金属圆筒，而定子36又环绕该圆筒。从而使所说电磁部份具有包括定子36及转子38的铁芯、横穿转子37的金属圆筒壁并与定子绕组34交链的闭合磁路。在接通适当电源后，绕组34内的电流即在该磁路内产生磁通35，转子37和38即可在其作用下产生扭矩。
转子37的金属圆筒可以采用铁磁材料，例如电工纯铁、钢或半硬磁合金；亦可采用非铁磁金属，例如铜或铝。
如图5所示，本发明的电动装置的另一种电磁部份包括可产生旋转或交变磁场的定子43及可在非同步转速产生扭矩的转子41、42。定子43位于所说的电磁部份的中心，具有绕组39及铁芯；转子42具有一包围定子43的金属圆筒；转子41具有一包围转子42的所说金属圆筒的铁芯。从而，所说电磁部份具有包括定子43及转子41的铁芯、横穿转子42的金属圆筒壁、并与定子绕组39交链的闭合磁路。在接通适当的电源后，绕组39内的电流即在该磁路内产生磁通40，转子41和42即可在其作用下产生扭矩。
转子42的所说金属圆筒可以采用铁磁材料，如电工纯铁、钢或半硬磁合金；亦可采用非铁磁金属，如铜或铝。
本发明所提供的电动装置的传动部份也可具有多种不同的结构形式。
如图6所示，一种本发明的电动装置的传动部份包括：齿轮46、47、49和50及传动轴44、45和48。传动轴45是一种空心轴，可转动地安装在传动轴44上。齿轮46和47分别与传动轴45和44联接；齿轮49和50均与传动轴48联接。齿轮46和47分别与齿轮50和49啮合。如是，传动轴44、45和48间具有固定的传动速比。
如图7所示，本发明的电动装置的另一种传动部份包括齿轮53和54分别称为第一和第二齿轮；双联齿轮56；传动轴51和52分别称为第一和第二传动轴及固定的心轴55。传动轴52是一种空心轴，可转动地安装在传动轴51上。齿轮53和54分别与传动轴52和51联接。双联齿轮56可转动地安装在心轴55上，其两个齿圈分别与齿轮53和54啮合。如是，传动轴51及52间具有固定的传动速比。
如图8所示，本发明的电动装置的又一种传动部份包括：传动轴57，内齿轮59，行星架60，行星轮61及中心轮62。内齿轮59可转动地安装在传动轴57上，行星架60与传动轴57联接，行星轮61可转动地安装在行星架60上并同时与中心轮62及内齿轮59啮合，中心轮62与机架58联接。如此，内齿轮59具有对于传动轴57的大于1的固定速比。
如图9所示，本发明的电动装置的又一种传动部份包括：传动轴63，中心轮64，行星轮65，行星架66及内齿轮67。中心轮64可转动地安装在传动轴63上，行星架66与传动轴63联接，行星轮65可转动地安装在行星架66上并同时与中心轮64及内齿轮67啮合，内齿轮67与机架68联接。如此，中心轮64具有对于传动轴63的大于1的固定速比。
本发明的电动装置可以包括前述任何一种电磁部份，也可以包括前述任何一种传动部份。
图10示出了本发明的电动装置的一种实施例，该电动装置包括如图2所示的电磁部份及图6所示的传动部份。所说传动部份中的传动轴45和44分别与所说电磁部份中的主转子26及副转子25联接，从而使所说两个转子均可驱动作为输出件的轴48。主转子26对传动轴48的速比小于副转子25对传动轴48的速比。
一种所说电动装置具有作为其自动卸荷装置的单向离合器69。所说传动部份中的齿轮49通过该单向离合器69与传动轴48联接，该单向离合器69可在副转子25被固定而主转子26按原定正向旋转时脱离。在所说电动装置的加速过程中，副转子25的速度接近或达到同步转速后而主转子26继续加速时，单向离合器69便自动解脱，副转子25亦不再承受输出轴48上的负荷而自由浮动。
为了能使副转子25在加速到同步转速后能自由浮动，所说单向离合器69也可以安装在副转子25驱动作为输出件的传动轴48的传动链中的任何两个相联传动件间，例如用以联接传动轴44与齿轮47，或联接副转子25与传动轴44。
图11示出了包括如图2所示的电磁部份及图7所示的传动部份的本发明电动装置的另一个实施例。所说传动部份中的传动轴51和52分别与所说电磁部份中的主转子26及副转子25联接。传动轴51可作为所说电动装置的输出件，相应地，副转子25通过所说传动部份驱动传动轴51的速比大于1。
一种所说电动装置具有作为其自动卸荷装置的单向离合器70。所说传动部份中的齿轮54通过该单向离合器70与传动轴51联接，该单向离合器70可在副转子25被固定而主转子26按原定正向旋转时脱离。从而使副转子25在加速到其速度接近或达到同步转速后即可转入浮动状态。
图12示出了包括如图2所示的电磁部份及图8所示的传动部份的本发明的电动装置又一个实施例。所说传动部份中的传动轴57与内齿轮59分别与所说电磁部份中的主转子26及副转子25联接。传动轴57可作为所说电动装置的输出件。
一种所说电动装置具有作为其自动卸荷装置的单向离合器71。所说传动部份中的中心轮62通过该单向离合器71与机架联接，该单向离合器71可在副转子25被固定而主转子26按原定正向旋转时脱离。在所说电动装置的加速过程中，当副转子25的转速达到同步转速后，主转子26继续加速时，单向离合器71会自动脱离，副转子25亦将转入浮动状态。
图13示出了包括图2所示的电磁部份和图9所示的传动部份的本发明的电动装置的又另一个实施例。所说传动部份中的传动轴63和中心轮64分别与所说电磁部份中的主转子26和副转子25联接。传动轴63可作为所说电动装置的输出件。
一种所说电动装置具有作为自动卸荷装置的单向离合器72。所说内齿轮67通过该单向离合器72与机架联接，该单向离合器可在副转子25被固定而主转子26按原正向旋转时便自动解脱，如是，所说电动装置的加速过程中，当副转子25的速度接近或达到同步转后，该副转子将转入浮动状态。
图14和15示出了包括图3所示的电磁部份和图6所示的传动部份的本发明电动装置的另一个实施例。所说传动部份中的传动轴45和44分别与所说电磁部份中的所说转子28和33联接，从而使所说两转子均可驱动作为输出件的传动轴48。图中示出所说电动装置的主转子28和副转子33。主转子28对传动轴48的速比小于副转子33对轴48的速比。
一种所说电动装置具有自动卸荷装置，其副转子33具有线绕式绕组73。所说自动卸荷装置包括一套按照传动件转速操作的自动开关装置74，该种自动开关装置可为例如众所周知的离心开关或速度继电器。所说自动开关装置具有若干对常闭触点75，如图15所示。所说副转子的绕组的每一相闭合回路中都串接有至少一对所说常闭触点。在所说电动装置加速过程中，当副转子，即传动轴44的转速达到一个大约等于同步转速的预定速度时，所说开关装置的各对常闭触点75便会开断。从而使副转子的各相绕组73内的感生电流断流，所说副转子即不再产生电磁力矩，对所说电动机的输出也不再产生影响。
图16示出了一种包括图2所示电磁部份及图6所示传动部份的电动装置。
所说传动轴44具有螺纹及台阶93。所说副转子25相应地具有与之配合的螺纹及台阶。在轴44与转子25的螺纹组成的螺旋副94旋合后，二者的台阶被压紧，副转子25即与轴44联接，从而可以驱动所说输出轴48。在所说螺旋副94旋离后，副转子25可以自由转动。所说主转子26与所说传动轴45联接。主转子26驱动轴48的速比较之副转子25的为小。
所说螺旋副94的旋向设定为，若固定传动轴44而令副转子25沿既定正向旋转，该螺旋副将被施合而使台阶93被压紧。
如是，在所说电动装置的加速过程中，当所说副转子25的速度低于同步转速时。螺旋副94被旋合，所说主转子及副转子共同驱动输出轴。当副转子25的速度近于同步转速后，该副转子即不再加速，轴44的转速将超越该转子，所说螺旋副即被旋离，副转子25即转入浮动状态。
为使螺旋副94在所说电动装置的减速过程中，能自动地从旋离状态重新旋合，需要对副转子25旋加一个适当的，指向该副转子在螺旋副94旋合时的轴向运动方向的力。
为此，一种所说电动装置有弹簧95。该弹簧在所说螺旋副旋离时被迫变形，从而产生一个作用于副转子25并指向该副转子在所说螺旋副94旋合时的轴向运动方向的力。
另一种所说电动装置的主转子26的铁芯具有一个被副转子25的铁芯所包围的圆锥台形部份92。当所说螺旋副94旋合时，所说主转子的圆锥部份92与副转子间的气隙因副转子25的轴向移动而缩小。当这种电动装置工作时，所说转子26的圆锥台部份92与副转子25间的电磁力将包括一个作用于副转子25并指向该副转子在所说螺旋副94旋合时的轴向运动方向的分力。
显然，只须变更上述各种电磁部份与传动部份的组合，又或变更自动卸荷装置的种类或配置位置，还可以再作出多种不同于上述诸实施例的本发明的电动装置。本发明所涉及的技术领域内的普通熟练技术人员根据前述的透露，已可按这样的方法作出属于本发明专利案的权利要求所限定范围内的不同设计。

Claims (7)

  1. (1)一种多转子交流电动装置，所述多转子交流电动装置包括电磁部份、传动部份和支持所说电磁部份与传动部份的机架；所说电磁部份包括一个定子及至少两个在旋转或交变磁场中、在非同步转速下产生扭矩的转子；所说传动部份用以将所说转子所产生的动力传送到机械负载，具有一个用以拖动负载的、被称为输出件的传动件；所说定子及转子分别具有用以导磁的铁芯；所说定子还具有产生旋转或交变磁场的绕组；所说转子之一被称为主转子，具有用以导通感生电流的导体或闭合绕组；当所说定子绕组通以交流电时，由该电流激发的磁通穿越所说定子铁芯和所说主转子铁芯的至少一部份，并与所说主转子的导体或铁芯交链；所说磁通在所说主转子的所说导体或闭合绕组内感生电流并使所说主转子产生扭矩；
    其特征在于：除开所说主转子之外，所说转子中至少包括一个转子，称为副转子；所说副转子的铁芯或其一部份既未围绕所说定子的铁芯或其一部份，亦未被所说定子的铁芯或其一部份所围绕；但所说副转子的铁芯至少有一部份围绕另一个转子的铁芯的至少一部份或被另一个转子的铁芯的至少一部份所围绕；所说另一个转子具有用以导通感生电流的导体或闭合绕组。
  2. (2)按照权利要求1所说的电动装置，其特征在于：所说传动部份包括两个传动元件，所说两个传动元件分别具有固定的对所说输出件的速比；所说主转子和所说副转子分别与所说两个传动元件联接，从而分别以不同的速比驱动所说输出件；从所说主转子到输出件的速比较从所说副转子到所说输出件的速比为小。
  3. (3)按照权利要求2所说的电动装置，其特征在于：所说电动装置还包括一个自动卸荷装置，在所说电动装置的加速过程中，当所说副转子加速到一个既定速度时，所说自动卸荷装置自动地使所说副转子对所说输出件失去驱动作用。
  4. (4)按照权利要求3所说的电动装置，其特征在于：所说自动卸荷装置包括一个具有常闭触点的自动开关装置，而所说副转子具有线绕式绕组；所说绕组具有导通不同相电流的闭合回路；在每一所说闭合回路中都串接有最少一对所说常闭触点；当所说副转子加速到一个预定的转速时，所说各常闭触点自动开断，使所说转子绕组的各相闭合回路断路。
  5. (5)按照权利要求3所说的电动装置，其特征在于：所说自动卸荷装置包括一个单向离合器；所说传动部分中的一个传动件通过所说单向离合器与另外的传动件或机架联接；该单向离合器结合时，所说副转子可按固定速比驱动所说输出件；该单向离合器脱离时，所说副转子相对于所说输出件自由浮动；若固定所说副转子而令主转子按原定正向旋转时，该单向离合器脱离。
  6. (6)按照权利要求3所说的电动装置，其特征在于：所说自动卸荷装置包括一对螺旋副及一对台阶，该螺旋副的一个螺纹及该台阶对的一个台阶与所说副转子固联，该螺旋副的另一个螺纹与该台阶对的另一个台阶与所说传动件固联；所说螺旋副旋合时，固联于所说副转子的台阶与固联于所说传动件的台阶相互压紧，从而，所说副转子与所说传动件联接，可以驱动所说输出件；所说螺旋副旋离后，所说副转子可相对于所说传动件自由转动。
  7. (7)按照权利要求6所说的电动装置，其特征在于：所说电动装置的主转子的铁芯包括一个被所说副转子的铁芯所包围的圆锥台形部分；当所说螺旋副旋合时，所说主转子的圆锥台形部分上所说副转子间的气隙因所说副转子的轴向位移而缩小。
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