CN1055627A - 双转子调速电动机装置及其调速方法 - Google Patents

Abstract

一种双转子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第一转子及外壳转动。该两 个转子中至少有一个在机械上连至一个调速装置，通 过控制该调速装置产生的对其中一个转子转子转动 的阻尼转矩改变其转速，从而平滑调节另一个连至外 部机械负载转子的转速。该电动机第一、二转子与现 存技术交或直流电动机转、定子电磁结构相同，适于 制造厂产品更新。

Description

本发明涉及到调速电动机装置及其调速方法，具体说涉及到双转子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。

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、节能效果显著等许多优点，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CN85  1  00607）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双转子结构的调速电动机装置，该型电动机装置可以做成在宽转速范围内平滑调速，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双转子结构的调速电动机装置，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双转子结构的电动机调速的方法，该方法使调节平滑，且能够使电动机在宽转速范围内调速，并能在低转速下拖动额定负载长时间运行。

本发明的双转子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。

本发明的双转子结构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。在两个转子的端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，以使该两个转子上的绕组通过分别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。其中一个转子与一个调速装置在机械上连接;而另一个转子的轴端连接外部机械负载，或同时也与调速装置在机械上连接。该调速装置可以包括齿轮传动装置和转速控制装置;该齿轮传动装置分别与第二转子及第一转子在机械上连接，以使得两个转子按照该齿轮传动装置的传动比以彼此相及的方向转动;该转速控制装置与电动机外壳固定安装，并在机械上与齿轮传动装置可转动地连接，以控制齿轮传动装置的传动比。上述调速装置也可以只包括与电动机外壳固定的转速控制装置，该转速控制装置直接与第二转子在机械上连接，以控制两个转子转速的比例关系。

本发明的第一转子和第二转子的电磁结构可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。通过转速控制装置调节齿轮传动装置的传动比，或直接对两个转子转速的比例关系进行调节，从而也就调节了连接外部机械负载的转子的转速。

本发明的优点及特征，通过对下边列举的最佳实施例的描述将更易于明了;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，示出一台双转子交流感应调速电动机装置，其中的调速装置包括一个控制电动机和齿轮传动装置;

图2为图1中沿A-A线的侧视剖面示意图，示出了齿轮传动装置;

图3为本发明的第二个实施例纵向剖面示意图;示出一台双转子交流感应调速电动机装置，其中的调速装置包括一个电磁离合器和齿轮传动装置;

图4为本发明的第三个实施例纵向剖面示意图，示出一台双转子交流感应调速电动机装置，其中的调速装置包括一个电磁离合器;

图5为本发明的第四个实施例纵向剖面示意图，示出一台双转子直流调速电动机装置。

图6为本发明的第五个实施例纵向剖面示意图，它是将图3中的转速控制装置（电磁离合器）换为一个液力泵。

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，本发明的双转子调速电动机装置20包括鼠笼式第一转子10和具有三相平衡绕组的第二转子9，以及电动机外壳2。其中，第一转子10及第二转子9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转子和定子相同。第二转子9位于第一转子10的外侧围绕着第一转子，并与其为同一轴线;第二转子9的轴向两个端环绕着第一转子10的轴18，并靠两侧的轴承装置12与轴18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2位于第二转子9的外侧围绕着第二转子，并靠其两端的轴承装置16与第二转子按同一轴线可转动地安装;在第二转子9的一个端段上，装有风叶14;且在该风叶14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9上三相平衡绕组的三相滑环装置13。第一转子10的轴18从外壳2的轴向的一侧开口延伸到外壳2以外，以连接外部机械负载;在外壳2内与该侧轴向相对的另一侧，第二转子9的一端与调速装置19的圆筒形侧壁21为固定安装。为了提高第二转子9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（未示出）。图中编号3、8、11、15、17为各端盖。

图2的侧示剖面图示出了调速装置19中齿轮传动装置的传动关系。与侧壁21固定装接的齿圈6与四个外齿轮22啮合，而外齿轮22与固定装接在第一转子轴18上的中心齿轮7啮合，这样的啮合关系保证了与齿圈6刚性固定的第二转子9及与中心齿轮7刚性固定的第一转子轴18的旋转方向相反。四个外齿轮22与圆筒形齿轮架5为枢轴连接。图1的调速装置19中的转速控制装置为一个控制电动机23，它固定在外壳2的端盖1内侧，且该电动机23的轴与齿轮架5刚性连接。

现在说明利用控制电动机23控制电动机装置20转速的过程。该电动机23可以选择为低转速的电动机，当电动机23与外部电源断开时，第一转子10所连接的额定的外部机械负载转矩足以对第一转子10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9通过齿圈6带动外齿轮22、齿轮架5及电动机23转动，此时第二转子9与第一转子10正常转向相反，而内齿轮7静止不动;这个负载很小，电动机装置20消耗的功率接近于第二转子9静止而第一转子10空载转动状态下的空载损耗。

当电动机23加上外部电源且调节其输出转矩（用现有技术的方法）时，则电动机23的输出轴对齿轮架5施加与其转动方向F相反的转矩，从而使其转速下降，随着电动机23输出的反向转矩上升，使齿轮架的转速减到零进而变为如图2所示G方向的转动。由于电动机23输出的反向转矩通过齿轮架5、外齿轮22作用到齿圈6上，所以在齿轮架5转速下降同时，齿圈6转速也下降，而按照两个转子之间旋转磁场的频率，第一转子10要维持与第二转子9一定速度的相对转动，因此，第一转子10开始以与第二转子9相反的方向转动，待齿轮架5在电动机23作用下以G方向转动并增加到一定转速时，齿圈6转速减到零，第一转子10升到额定转速。此时电动机装置20的运行工况与现有技术三相鼠笼式感应电动机完全相同。可见，通过电动机23对齿轮架6的控制而改变齿圈6对中心齿轮7的传动比，实现了对第一转子10从零到额定转速的调节，且在低转速下无过载问题。另外，第一转子10低转速时，它和第二转子9之间仍然维持相对高速旋转，所以保证了运行的稳定性。而且在旋转磁场力作用下两个转子旋转都通过第一转子10的轴18向机械负载输出功率。

图3示出了本发明的第二个最佳实施例。图中，调速装置19中的转速控制装置为一个电磁离合器4，通过改变外加电流（未示出）来调节对齿轮架5所施加的阻尼转矩，以改变齿轮架5的转速。当外加电流足够大时，使齿轮架5停止转动，此时的第一转子达到最高转速，该转速值取决于齿轮架5停止转动时齿轮传动装置的传动比。在齿轮传动装置中各外齿轮和中心齿轮均采用斜齿轮且外齿轮22的安装要使其有一定轴向移动量。当第一转子10外部负载减小时，第一转子10的转速趋向上升，此时斜齿的方向是使中心齿轮7对外齿轮22的轴向作用力加大，因而使外齿轮22带动电磁离合器4的外套向着远离电磁部件方向移动，使阻尼转矩减小，则使第二转子9转速上升，而使第一转子10转速下降，反之当第一转子10外部负载加大而使其转速为下降趋势时，也通过斜齿轮作用又使其转速恢复上升;也就是说构成一个机械负反馈系统，起到稳定转速的作用。

图4示出了本发明第三个最佳实施例，与第二个最佳实施例不同点在于其中的调速装置19仅包括转速控制装置，且该转速控制装置为一个电磁离合器24。控制该电磁离合器的外加电流，改变它产生的对第二转子阻尼可以使第二转子9的转速从零到最大，从而实现第一转子10的转速从额定到零全范围的调节。该实施例中，由于去掉齿轮传动装置，第一转子10输出功率只由旋转磁场的电磁作用供给。

图5为本发明第四个最佳实施例，示出为一台双转子直流调速电动机。图中，电动机装置20包括的第一转子10及第二转子9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10、第二转子9和外壳2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，第二转子连接调速装置19。在第一转子10的轴18上，装设有将外部直流电源连至第一转子10的电枢绕组的换向器装置25。在第二转子9的端段上，装设有将外部直流电源连至第二转子9的磁场绕组的滑环装置24。

图6为本发明第五的实施例，其中的转速控制装置为一个液力泵26。该液力泵具有高压液管27和低压液管28，且在高低压液管之间通过一个截流阀29进行液路连接;当将截流阀29完全关闭时，液力泵26对齿轮架5呈现最大阻尼转矩，使齿轮架5处于静止状态，第一转子10为最大转速;当逐渐打开截流阀29时，其所呈现的阻尼转矩减小，齿轮架5转速上升;当阀29完全打开到无截流状态时，其所呈现的阻尼转矩最小，此时第一转子10被外部机械负载制动而停止转动。

尽管以上通过所列举的实施例对本发明进行了叙述，但很显然，本专业技术领域内的技术人员可作出各种改动或改型，而不脱离本发明的精神实质;如将第二转子连接外部机械负载，而将第一转子连接调速装置，将电磁离合器换为永磁耦合器，通过调整耦合间隙控制电动机转速等等;凡属这些改动或改型仍属本发明范围之内。

Claims (10)

1、一种双转子调速电动机装置20，其特征在于包括：第一转子10、第二转子9、电动机外壳2；第一转子10位于外壳2内中心部位，可围绕轴线转动；第二转子9位于第一转子10外侧以一定间隙围绕着该第一转子，并与其按同一轴线可转动地安装；外壳2位于第二转子9的外侧围绕着该第二转子，并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；

上述第和第二转子10、9中至少一个转子与调速装置在机械上连接。

2、根据权利要求1的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：

上述第一转子10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9的电磁结构为与上述第一转子10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9上的一个滑环装置13，以通过它将第二转子9上的绕组连至外部交流电源。

3、根据权利要求1的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：

上述第一转子10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9的电磁结构为与上述第一转子10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一转子10轴18上的一个换向器装置25以及在第二转子9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的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述调速装置19包括：

齿轮传动装置，该装置分别与第二及第一转子在机械上连接，以使得两个转子按照该齿轮传动装置的传动比以彼此相反的方向转动;

转速控制装置，该装置与电动机外壳2固定安装，并在机械上与齿轮传动装置可转动地连接，通过控制该装置产生的对齿轮传动装置转动的阻尼转矩，控制齿轮传动装置的传动比。

5、根据权利要求2或3的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述电磁装置19包括：

转速控制装置，该装置与电动机外壳2固定安装，并对第二转子9的转动产生阻尼转矩，通过改变阻尼转矩大小控制第二转子9的转速。

6、根据权利要求4的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述转速控制装置为一个电动机23。

7、根据权利要求4的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述转速控制装置为一个电磁离合器4。

8、根据权利要求4的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述转速控制装置为一个液力泵26，该液力泵具有高压液管27和低压液管28，且在此高、低压液管之间通过一个可以调节截流状态的截流阀29进行液路连接。

9、根据权利要求5的一种双转子调速电动装置20，其特征在于：上述转速控制装置为一个电磁离合器24。

10、一种双转子调速电动机的调速方法;该电动机包括第一转子10、第二转子9、电动机外壳2;第一转子10位于外壳2内中心部位，可围绕轴线转动;第二转子9位于第一转子10外侧以一定间隙围绕着该第一转子，并与其按同一轴线可转动地安装;外壳2位于第二转子9的外侧围绕着该第二转子，并与其按同一轴线可转动地安装;在两个转子端轴上设有将转子绕组连至外部电源的集电装置;该调速方法的特征在于：

将上述第一及第二转子10、9中至少一个在机械上与一个调速装置在机械上连接，通过控制该调速装置产生的对其中一个转子转动的阻尼转矩，改变其转速，从而平滑调节连至外部机械负载的另一个转子的转速。

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