CN110230577B - 一种塔式起重机起升机构能量回收装置 - Google Patents

一种塔式起重机起升机构能量回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种塔式起重机起升机构能量回收装置，包括传动控制单元、能量转换单元。所述传动控制单元用于实现对能量转换单元的输入轴（即传动轴）的单方向增速驱动。所述能量转换单元的实质是一个重力负载驱动的三相发电机，包括感应线圈、定子磁轭、转子铁芯、永磁体，用于将重力势能回收转换为电能输出。所述能量转换单元通过电刷与外部整流器、直流稳压器相连，将发电机回收势能获得的交流电整流并存储。本发明提供一种基于法拉第电磁感应定律，将塔机吊具下降过程中的重力势能加以回收并储存的方案，用于塔机照明、传感器等弱电装置的驱动，有助于塔式起重机的节能运行。

Description

一种塔式起重机起升机构能量回收装置
技术领域
本发明属于塔机能量回收领域，涉及一种塔式起重机起升机构能量回收装置。
背景技术
随着我国城市化水平的不断提升，用于高层甚至超高层建筑的大型塔式起重机需求旺盛，塔式起重机通常为大功率发动机驱动。塔机工作时，起升机构需要频繁空钩下降，白白损耗吊具下降的重力势能，甚至还需额外功率对吊具下降加以控制而耗费能量。而按照人类现有技术水平，能源消耗的结果往往导致生态环境日益恶化，带来严重后果。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种塔式起重机起升机构能量回收装置，基于法拉第电磁感应定律，将塔机吊具下降过程中的重力势能加以回收并储存，用于塔机照明、传感器等弱电装置的驱动。该发明有助于塔式起重机的节能运行，对用户节约使用成本具有现实的经济效益，由此减少的碳排放对环境保护又具有长久的社会效益。
本发明为上述技术问题提供了一种解决方案：
一种塔式起重机起升机构能量回收装置，包括传动控制单元、能量转换单元；所述传动控制单元用于实现对传动轴的单方向增速驱动；传动控制单元包括超越离合器、行星齿轮、行星架、啮合齿轮、太阳轮、卷筒内齿圈，所述超越离合器的外表面与卷筒的内壁贴合连接，超越离合器的内表面设有卷筒内齿圈，卷筒内齿圈与行星轮啮合，行星轮与行星齿轮轴的一端连接，行星齿轮轴的另一端与啮合齿轮连接，啮合齿轮与传动轴上的太阳轮啮合，行星齿轮轴通过行星架与传动轴连接；所述能量转换单元用于将塔式起重机起升机构的重力势能回收转换为电能输出；能量转换单元包括转子、定子，转子包括转子铁芯、永磁体，定子包括感应线圈、定子磁轭，转子铁芯的内端固定在传动轴上，转子铁芯的外端与永磁体连接，定子磁轭固定在卷筒的内壁，定子磁轭内设置若干感应线圈，永磁体与定子磁轭之间具有一定距离。
进一步地，所述超越离合器包括超越离合器外圈、超越离合器内圈，所述超越离合器外圈的外表面与卷筒的内表面固定贴合，在超越离合器内圈的外表面加工若干楔形槽，在超越离合器内圈的内表面上加工卷筒内齿圈，超越离合器外圈将滚柱封闭在超越离合器内圈外表面的楔形槽中，形成具有单向传动特性的超越离合器。
进一步地，所述能量回收装置的动力传递路线为：卷筒-超越离合器外圈-超越离合器内圈-卷筒内齿圈-行星轮-啮合齿轮-太阳轮-传动轴，两级齿轮啮合，卷筒与传动轴转向相反。
进一步地，所述能量转换单元共布置八组永磁体，相连的两个永磁体的磁极方向相反布置。
进一步地，所述能量转换单元共布置六组感应线圈，六组感应线圈分组串联，接头用三角形连接的方式进行连接，引出三相电流接线柱，六个感应线圈两两串联后形成的三组线圈，以一组线圈的末端和相邻一组线圈的始端按顺序连接起来，形成一个三角形回路，再从U、V、W三个连接点引出三根导线，通过电刷与外接电路相连。
本发明的有益效果是：塔式起重机起升机构能量回收装置借助线圈在磁场中切割磁力线产生电流原理，将吊具下降产生的重力势能转化为电能存储。当释放负载时，负载下降带动卷筒一起旋转，此时超越离合器摩擦接合，超越离合器的内圈和外圈同步旋转，从而将力矩传递给增速齿轮系，齿轮最终带动定子磁极旋转，使得线圈组切割磁场线产生交流电，经整流器、稳压器转换为稳定的直流电用蓄电池储存，结构简单可靠，无需对原塔机起升机构做大的改动，具有一定的先进性。
这种新型塔式起重机起升装置与现有起升设备相比，具有能量回收的节能特性：借助作品工作时必须具有的构件旋转特性，利用线圈在磁场中切割磁力线产生电能原理，将重力势能加以回收和储存，用于塔机照明、传感器等弱电装置的驱动。弥补了现有塔式起重机起升设备不足，特别对重力势能的回收，具有很强的可行性和普适性。对现有设备进行特点归纳和对比分析，可用线圈在封闭磁场中切割磁力线产生电流原理实现塔机吊具下降时的势能回收，提出了一套结构简单、安全可靠且生产成本很低的能量回收装置。
附图说明
图1为本发明一种塔式起重机起升机构能量回收装置的剖面示意图。
图2为本发明传动控制单元爆炸视图。
图3为能量转换单元中感应线圈和磁极布置示意图。
图4为能量转换单元中内转子永磁体布局示意图。
图5为三角形连接线路图。
图中：1为超越离合器；2为行星齿轮；3为行星架；4为啮合齿轮；5为卷筒；6为支腿；7为底板；8为转子；9为定子；10为太阳轮；11为卷筒内齿圈；12为传动轴；13为行星齿轮轴；14为滚柱；15为楔形槽；1a为超越离合器外圈；1b为超越离合器内圈；8a为转子铁芯；8b为永磁体；9a为感应线圈；9b为定子磁轭。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
一种塔式起重机起升机构能量回收装置，包括传动控制单元、能量转换单元。传动控制单元是保证能量转换单元在负载下降时高速工作，当负载下降驱动卷筒5转动时，超越离合器1接合，将卷筒5的转动传递至能量转换单元输入轴，即传动轴12；当负载起升时，超越离合器1脱开，切断卷筒5与传动轴12间的动力传递。本发明的卷筒5以及其外部的结构（即支腿6和底板7）均为原塔式起重机起升机构的组成部件。
如图1和2所示，整个装置的动力传递路线为：卷筒5-超越离合器外圈1a-超越离合器内圈1b-卷筒内齿圈11-行星轮2-啮合齿轮4-太阳轮10-传动轴12。由于两级齿轮啮合，使得卷筒5与传动轴12转向相反，二者相对转速增大，有利于发电。
如图2所示，传动控制单元中，在卷筒5内表面作为超越离合器外圈1a，在超越离合器内圈1b外表面加工若干楔形槽15，在超越离合器内圈1b内表面上加工卷筒内齿圈11，超越离合器外圈1a将滚柱14封闭在超越离合器内圈1b外表面楔形槽15中，形成具有单向传动特性的超越离合器1。考虑到发电机输出电流与线圈切割磁力线的速度有关，卷筒内齿圈11与行星轮2增速，考虑此时行星轮2相对卷筒内齿圈11公转，其输出轴（即行星齿轮轴13）不宜直接驱动发电机转子铁芯8a，故行星齿轮轴13通过啮合齿轮4与传动轴12上的太阳轮10啮合，从而实现卷筒5和传动轴12转向相反，由此形成超越离合器控制下的行星轮系传动单元。
如图4所示，能量转换单元的实质是一个重力负载驱动的三相发电机，包括转子8和定子9；转子8包括转子铁芯8a、永磁体8b，定子9包括感应线圈9a、定子磁轭9b，利用永磁体8b在卷筒5内部建立磁场，吊有重物的绳子缠绕在卷筒5上，释放重物，重物下降带动卷筒5一起旋转，此时传动控制单元中的超越离合器1摩擦接合，通过行星轮系增速传动，实现转子8与定子9间快速地相对转动，使得感应线圈9a切割磁场磁力线形成电流，将负载下降的重力势能回收并转换为电能，经电能控制单元中的整流器、直流稳压器转换为稳定的直流电用蓄电池储存。
为了增加发电能力，装置总共布置六组感应线圈9a，感应线圈9a和永磁体8b磁极的布置图如图3所示。六组感应线圈9a从a到f，依次编号，其中a组与d组线圈串联，b组与e组串联，c组与f组串联。串联时注意各组线圈的电流方向，防止电动势互相抵消。最后将U1、V1、W1、U2、V2、W2接头用三角形连接的方式进行连接，引出U、V、W三相电流接线柱，如图5所示。
如图4所示，能量转换单元采用内转子永磁体布局，采用了多凸极结构，其气隙中的磁通方向与转子轴心垂直，即径向磁通，当磁极与感应线圈正对时，通过感应线圈的磁通量最大，在进入正对前磁通逐渐增加，退出正对后磁通逐渐减小，当感应线圈接近下一个磁极后，通过感应线圈的磁感线反向，因此本设计产生的是近似正弦交变电流。
如图5所示，六组感应线圈两两串联后形成的三组线圈，以一组线圈的末端和相邻一组线圈的始端按顺序连接起来，形成一个三角形回路，再从三个连接点引出三根导线，通过电刷与外接电路相连。

Claims (3)

1.一种塔式起重机起升机构能量回收装置，其特征在于：包括传动控制单元、能量转换单元；所述传动控制单元用于实现对传动轴（12）的单方向增速驱动；传动控制单元包括超越离合器（1）、行星齿轮（2）、行星架（3）、啮合齿轮（4）、太阳轮（10）、卷筒内齿圈（11），所述超越离合器（1）的外表面与卷筒（5）的内壁贴合连接，超越离合器（1）的内表面设有卷筒内齿圈（11），卷筒内齿圈（11）与行星轮（2）啮合，行星轮（2）与行星齿轮轴（13）的一端连接，行星齿轮轴（13）的另一端与啮合齿轮（4）连接，啮合齿轮（4）与传动轴（12）上的太阳轮（10）啮合，行星齿轮轴（13）通过行星架（3）与传动轴（12）连接；所述能量转换单元用于将塔式起重机起升机构的重力势能回收转换为电能输出；能量转换单元包括转子（8）、定子（9），转子（8）包括转子铁芯（8a）、永磁体（8b），定子（9）包括感应线圈（9a）、定子磁轭（9b），转子铁芯（8a）的内端固定在传动轴（12）上，转子铁芯（8a）的外端与永磁体（8b）连接，定子磁轭（9b）固定在卷筒（5）的内壁，定子磁轭（9b）内设置若干感应线圈（9a），永磁体（8b）与定子磁轭（9b）之间具有一定距离；所述超越离合器（1）包括超越离合器外圈（1a）、超越离合器内圈（1b），所述超越离合器外圈（1a）的外表面与卷筒（5）的内表面固定贴合，在超越离合器内圈（1b）的外表面加工若干楔形槽（15），在超越离合器内圈（1b）的内表面上加工卷筒内齿圈（11），超越离合器外圈（1a）将滚柱（14）封闭在超越离合器内圈（1b）外表面的楔形槽（15）中，形成具有单向传动特性的超越离合器（1）。
2.根据权利要求1所述的一种塔式起重机起升机构能量回收装置，其特征在于：所述能量转换单元共布置八组永磁体（8b），相连的两个永磁体（8b）的磁极方向相反布置。
3.根据权利要求1所述的一种塔式起重机起升机构能量回收装置，其特征在于：所述能量转换单元共布置六组感应线圈（9a），六组感应线圈（9a）分组串联，接头用三角形连接的方式进行连接，引出三相电流接线柱，六个感应线圈（9a）两两串联后形成的三组线圈，以一组线圈的末端和相邻一组线圈的始端按顺序连接起来，形成一个三角形回路，再从U、V、W三个连接点引出三根导线，通过电刷与外接电路相连。
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