CN1054150A - 液、气控制无级调速电动机装置及其调速方法 - Google Patents

Abstract

一种液、气控制无级调速电动机装置及其调速方 法。该电动机包括第一转子、第二转子和外壳，第二 转子围绕着第一转子并可相对于第一转子及外壳转 动。该两个转子或其中一个转子的轴端与一个液力 或气压气动装置在机械上连接。通过调节高压液、气 管路中的流量控制装置，可调节流量，改变一个转子 的负载转矩，从而平滑调节连接外部机械负载的另一 个转子从零到额定值的转速并加大低转速输出转 矩。该电动机第一、第二转子电磁结构与现有技术交 流或直流电动机转子、定子相同。

Description

本发明涉及到调速电动机装置及其调速方法，具体说涉及到液力或压力气体控制的无级调速电动机装置及其调速方法。

众所周知，在工、农业及其它领域中广泛使用各种型式的交、直流电动机，由于其负载机械的要求，需要对电动机的转速进行调节。特别是随着现代生产过程自动化的发展，要求电动机能在很宽范围内调速，同时力求调节平滑，以达到无级调速。

由于感应电动机的调速性能不如直流电动机，所以，尽管感应电动机具有重量轻，成本低、节约有色金属材料、维护简便、节能效果显着等许多优点，其应用范围仍受到限制;尤其在对调速性能要求高的设备中，不能代替直流电动机，因此提高感应电动机的调速性能就成为一个重要课题。以前采用的各种直流电动机调速手段中，调磁调速的调速范围较大，调速平滑，但仍不能在某些负载要求的低转速额定负载工况下长时间正常运行，所以在应用条件要求必须使用直流电动机的场合，进一步提高其调速性能也是实际的需要。

近代发展较快的交流感应电动机的变频调速，其调速范围大，平滑性好，但需要专门的复杂的变频设备，价格昂贵且可靠性不高，其应用受到很大限制。还有人提出采用转差变频实现交流电机的无级调速，如在题为“交流电机无级调速的方法和这种电机”的中国专利申请（申请号CN85100607）中已有叙述。这种调速方案是将转差电机，变频电机等多台异步机组合在一起，使转差电机转子带动变频电机转子转动，且使该转差电机转子的感应电流在变频电机内产生一个旋转磁场，该旋转磁场频率与变频电机转子机械转动频率叠加，又对另一个转子产生适当频率的旋转磁场，以达到对电机调速。这种调速方法改善了电机调速性能，但结构复杂、成本高，从而也给生产厂家制造工艺带来一定困难。

本发明的目的是提供一种液、气控制型无级调速电动机装置，该型电动机装置可在零到额定转速整个范围内平滑调速，且使电动机能在低转速拖动额定负载工况下长时间正常运行;同时可达到高效率。

本发明的另一个目的是提供一种液、气控制型无级调速电动机装置，该型电动机装置结构简单、成本低，且适于制造厂家利用现有的制造设备进行各种容量的该型交、直流调速电动机的制造。

本发明的再一个目的是提供一种采用液力或压力气体控制的电动机无级调速的方法，该方法使调节平滑，且电动机能在零到额定转速整个范围内调速，并能在低转速下拖动额定负载长时间正常运行。

本发明的液、气控制无级调速电动机装置及其调速方法，不但性能优良且结构简单、成本低廉，易于制造厂家利用现有制造设备进行产品更新，所以可广泛采用;尤其是该型电动机装置在很大程度上可以取代直流调速电动机，因而可以获得很大经济效益。另外，某些工、农业领域中，由于大量使用的感应电动机调速性能差而限制了对生产设备的改造;因此，采用本发明的电动机装置有助于消除这种限制，从而推动技术革新进程。

本发明的液控无级调速电动机装置包括第一转子、第二转子和一个电动机外壳。第一转子位于外壳内中心部位，可围绕轴线转动;第二转子位于第一转子外侧围绕着第一转子，并与其按同一轴线可转动地安装，此二转子之间有一定间隙并存在电磁耦合。电动机外壳位于第二转子外侧围绕着第二转子，并与其按同一轴线可转动地安装。第二转子可相对于外壳转动，外壳通过其底座可固定在装设处。在两个转子的轴上设有将转子绕组连至外部电源的集电装置;对直流电动机，在第一转子的轴上设有换向器，第二转子端段上设有滑环，以便该两个转子上的绕组分别通过它们中的一个连至外部直流电源;对交流鼠笼型感应电动机，在第二转子的端段上设有滑环，以将第二转子的绕组通过它连至外部交流电源。其中一个转子的轴端与一个液力装置的轴在机械上连接;而另一个转子的轴端连接外部机械负载，或同时也与液力装置在机械上连接。该液力装置可以是现有技术的柱塞泵、轴流泵、液力马达等液力机械或是它们的组合。该液力装置具有高、低压液管，如该装置为单一的泵时，此高、低压液管间泵的液流输出端通过一个控制液体流量的控制装置连接起来;如该装置为多台泵与一台液动装置（如液力马达或液力耦合器）时，则高、低压液管将多台泵与液动装置在液路上连接，并在液流输出侧高压液管的液路中设置流量控制装置。该流量控制装置可以调整到完全截断液路联系的第一控制状态和将液路接通而无任何节流的第二控制状态，且可在此二状态之间对流量进行无级、平滑的调节。

本发明的第一转子和第二转子的电磁结构分别与现有技术一般电动机（例如鼠笼式交流感应电动机、直流电动机等）的转子和定子相同;此二转子之间的电磁作用关系亦与现有技术一般电动机转子与定子间的电磁作用关系相同;其不同点是在机械结构上，第二转子可相对于外壳及第一转子转动。通过流量控制装置调节流量来调节作为其中一个转子负载的液力装置的负载转矩，改变该转子的转速，从而调节另一个连接外部机械负载的转子的转速。

本发明的优点及特征，通过对下边例举的最佳实施例的描述将更易于明瞭;附图中示出了各实施例，其中：

图1为本发明的第一个实施例纵向剖面示意图，示出一台液控交流感应无级调速电动机装置;

图2为本发明的第二个实施例纵向剖面示意图;示出一台液控直流无级调速电动机装置;

图3为本发明的液控无级调速电动机装置第三个实施例的侧视示意图，示出了电动机第二转子所连接的液力装置中多台液力泵和一台液动装置的液路连接关系;

图4为一局部纵向剖面图，示出了第三个实施例的液力装置与电动机第一及第二转子轴端的连接。

各图中，相同部件都以相同的编号表示。

图1示出了本发明的第一个最佳实施例。图中，本发明的液控无级调速电动机装置：包括鼠笼式第一转子2和具有三相平衡绕组3的第二转子4，以及电动机外壳5。其中，第一转子2及第二转子4在电磁结构上分别与现有技术的三相鼠笼式交流感应电动机的转子和定子相同。第二转子4位于第一转子2的外侧围绕着第一转子，并与其为同一轴线;第二转子4的轴向两个端段7、8环绕着第一转子2的轴9，并靠轴承装置6与轴9可转动地安装，该第一和第二转子之间有一定间隙并存在电磁耦合;外壳5位于第二转子4的外侧围绕着第二转子，并靠其两端的轴承装置10与第二转子按同一轴线可转动地安装;在第二转子4内侧的第一转子2的轴9的一个端段上，装有第一转子的风叶12;在电动机装置1轴向与安装第一转子2风叶12相对的另一侧，在第二转子4外侧的端段7上，装有第二转子的风叶13，且在该风叶13的轴向附近还装有用于将外部三相交流电源连至第二转子4上三相平衡绕组3的三相滑环装置14。第一转子2的轴9从外壳5的轴向的一端开口延伸到外壳5以外，以连接外部机械负载;第二转子4的端轴15通过外壳5的轴向另一端开口与液力装置16（如一台柱塞泵）的轴17按同一轴线刚性连接;为了提高第二转子4的强度，以耐受在旋转时的离心力，在该转子铁心外周面上装有套箍18。液力装置16具有高压液管19和低压液管20，且此高、低压液管之间的液流输出端通过一个流量控制装置21（如节流阀）进行液路连接。通过注液口22向液力装置16内注入液体，而后可将该注液口22密封。应指明，本发明使用的液力装置16即为现有技术的液力泵（如一台柱塞泵），但使用方式与常规方式不同，即在液流出口侧用流量控制装置21进行节流。

当流量控制装置21处于将液力装置16的高、低压液管19、20间的液路联系完全截断的第一控制状态时，液力装置16对电动机装置的第二转子4的轴端15呈现最大负载转矩，该最大的负载转矩，在电动机装置1，第一转子2的轴9带有额定外部机械负载情况下，足以对第二转子4进行制动，使其处于静止状态;此时第一转子2和第二转子4之间旋转磁场产生的相互作用力只是使第一转子2带着额定的外部机械负载以额定转速旋转。这种运行工况下，第二转子4即相当于现有技术三相鼠笼感应电动机的定子，该电动机的运行工况与三相鼠笼感应电动机完全相同。当流量控制装置21处于无节流的第二控制状态时，液力装置16对电动机装置1的第二转子4的轴端15呈现最小负载转矩;此时第一转子2所连接的额定的外部机械负载转矩足以对第一转子2进行制动，使其处于静止状态，而两个转子间旋转磁场产生的相互作用力只是使第二转子4带着液力装置16以与第一转子2相反的转动方向旋转;此时外部电源供给电动机装置1的功率用于带动第二控制状态下的液力装置16旋转，这个负载很小，电动机装置1消耗的功率接近于第一转子2空载状态下的空载损耗。通过上述可以理解，在上述两个状态之间借助流量控制装置21控制液力装置16的高、低压液管19、20之间的节流状态，平滑地调节液力装置16的负载转矩，即实现了对第一转子2从零到额定转速的无级平滑调节，且在低转速下无过载问题。另外，第一转子2低转速时，它和第二转子4之间仍然维持相对高速旋转，所以保证了运行的稳定性。

图2示出了本发明的第二个最佳实施例。图中，本发明的液控无级调速电动机装置1包括的第一转子2及第二转子4在电磁结构上分别与现有技术的直流电动机的转子和定子相同。第一转子2、第二转子4和外壳5在机械结上的相互关系与第一实施例中相应的这三个部件的描述相同。第一转子连接外部机械负载，第二转子连接液力装置16。在第一转子2的轴上，装设有将外部直流电源连至第一转子2的电枢绕组的转向器装置23。在第二转子4的端段上，装设有将外部直流电源连至第二转子4的磁场绕组的滑环装置24。

上述第一及第二实施例的液力装置16，还可以移至图1及2右侧，与第一转子的轴9按同一轴线刚性连接，而将第二转子的端轴15连至外部机械负载，以加大输出转矩。

图3表示本发明液控无级调速电动机装置的第三个实施例，示出了电动机的第二转子所连接的液力装置中多台液力泵25（如柱塞泵）和一台液动装置26（如液力马达）的液路连接关系。第二转子的端轴15借助传动机构（如齿轮传动）与多台泵25在机械上连接（未示出），带动多台泵25旋转，在泵25液路并联后的液流输出侧的高压液管19液路中装设流量控制装置21，而后再连接液动装置26，如图4示，该液动装置26轴27与第一转子轴9按同一轴线刚性连接。

在调节流量控制装置21，加大流量、减小液力装置16的负载转矩时，第一转子2处于低转速;为了维持外部机械负载的功率，此时第一转子2的输出转矩增大。由于此时第二转子4处于反向高转速（与第一转子转向相反）状态，所以液力泵25驱动液动装置26以正向旋转，从而对第一转子的轴9施加一个附加转矩，叠加在由于第一和第二转子2、4间旋转磁场产生的使第一转子2旋转的转矩上，从而起到在第一转子2低转速时加大其输出转矩、稳定转速的作用。在调节流量控制装置21、减小流量，以致完全截断液力泵25与液动装置26的液路联系时，液力装置16对第二转子4呈现最大负载转矩，第一转子2处于高速旋转，第一转子输出转矩比低转速时小，此时液力泵25对液动装置26无驱动作用，该液动装置26只作为第一转子2的负载被第一转子带着旋转。这时负载很小，对效率无大影响。这种以多台泵25和一台液动装置26组合的液力装置16，用于大功率的液控无级调速电动机装置。

尽管以上通过所例举的实施例对本发明进行了叙述，但本技术领域的专业人员仍可作出各种改动或改型，如将液力装置更换为气压、气动装置（如现有技术的气泵），而不脱离本发明的精神实质，仍属本发明范围之内。

Claims (12)

1、一种液气控制无级调速电动机装置1，其特征在于包括：

第一转子2、第二转子4、电动机外壳5；第一转子2位于外壳5内中心部位，可围绕轴线转动；第二转子4位于第一转子2外侧以一定间隙围绕着该第一转子，並与其按同一轴线可转动地安装；外壳5位于第二转子4的外侧围绕着该第二转子，並与其按同一轴线可转动地安装；在两个转子的轴上分别设有将转子绕组连至外部电源的集电装置；

上述第一和第二转子2、4或其中一个转子的轴端与液力或气压气动装置16的轴在机械上连接；液力或气压气动装置16具有高、低压液管或气管19、20，且在液流或气流输出侧的高压液管或气管的液或气路上装设有调节流量的流量控制装置21。

2、根据权利要求1的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述第一转子2的电磁结构为现有技术交流感应电动机转子的电磁结构;上述第二转子4的电磁结构为与上述第一转子2相对应的现有技术交流感应电动机定子的电磁结构;上述集电装置为装设在第二转子4的端段7上的一个滑环装置14，以通过它将第二转子4上的绕组3连至外部交流电源。

3、根据权利要求1的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述第一转子2的电磁结构为现有技术直流电动机转子的电磁结构;上述第二转子4的电磁结构为与上述第一转子2相对应的现有技术直流电动机定子的电磁结构;上述集电装置为装设在第一转子2轴9上的一个换向器装置23以及在第二转子4端段7上的滑环装置24，以将两个转子上的绕组分别通过它们中的一个连至外部直流电源。

4、根据权利要求2或3的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述其轴端与液力或气压气动装置16在机械上连接的转子为第二转子。

5、根据权利要求2或3的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述其轴端与液力或气压气动装置16在机械上连接转子为第一转子。

6、根据权利要求2至5中任何一个的一种液、气控制无级调速电动机装置，其特征在于：

上述液力或气压气动装置16为一台现有技术的液力泵或气泵。

7、根据权利要求2至5中任何一个的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述液力或气压气动装置16包括多台液力泵或气泵25和一台液动或气动装置26;在该多台液力泵或气泵25液路或气路並联后的液或气流输出侧的高压液或气管19液或气路中，装设该液动或气动装置26的流量控制装置21，而后连接液动或气压气动装置26;上述与液力或气压气动装置16连接的转子的轴是与多台泵25通过传动机构在机械上连接;而液动或气动装置26与另一个转子的轴端按同一轴线刚性连接。

8、根据权利要求7的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述液动或气动装置26为一台液力马达或气泵。

9、根据权利要求7的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述液动装置26为一台液力耦合器。

10、根据权利要求8或9的一种液、气控制无级调速电动机装置1，其特征在于：

上述流量控制装置21为一个节流阀。

11、一种电动机的液、气控制无级调速方法，该电动机包括第一转子2、第二转子4、电动机外壳5;第一转子2位于外壳5内中心部位，可围绕轴线转动;第二转子4位于第一转子2外侧以一定间隙围绕着该第一转子，並与其按同一轴线可转动地安装;外壳5位于第二转子4的外侧围绕着该第二转子，並与其按同一轴线可转动地安装;在两个转子的轴上设有将转子绕组连至外部电源的集电装置;该液、气控制无级调速方法的特征在于：

将上述一个或两个转子的轴端与液力或气压、气动装置16在机械上连接;通过调节液力或气压气动装置16的高、低压液、气管19、20液、气路中装设的流量控制装置21调节液力或气压气动装置16的流量，改变与该流量控制装置21连接的转子的负载转矩，利用两个转子之间的电磁作用力来调节连接外部机械负载的另一个转子的转速。

12、根据权利要求9的一种电动机的液、气控制无级调速方法，其特征在于：

上述流量装置21可调节到将上述高、低压液、气管的液、气路联系完全截断的第一控制状态和将液、气路接通到无节流的第二控制状态，且在此二状态之间平滑地调节流量，以达到上述连接外部机械负载的转子从零到额定转速的平滑调节。

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