CN111463961A - 一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，包括机壳、定子、主轴、转子、气驱辅助组件，定子安装在机壳内表面，转子安装在主轴上，转子与定子径向面对面，主轴通过轴承支撑安装在机壳内壁上；气驱辅助组件包括气驱轮组件，气驱轮组件直接或间接传动连接至主轴，气驱轮组件对主轴施加根据主轴转速而变化的旋转力矩。气驱辅助组件还包括惯量配重组件，惯量配重组件直接或间接传动连接至主轴，惯量配重组件带有随主轴转速升高而增加的转动惯量。通过气驱轮组件在主轴上叠加一个与电磁力矩相独立的驱动力矩，气驱轮组件叠加的力矩随主轴转速或转速变化率而变化，维持主轴转速在额定值。

Description

一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体是一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机。

背景技术

电机在工业中被广泛应用。现有技术中，除去复杂的电气信号控制的同步电机外，无法实现精确的电机转速调节，电机转速在负载变化时，难免会发生波动。

在一些对转速敏感而出于成本考虑不设置同步电机的场合，急需一种转速在较小范围内轻微波动的电机来填补使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，包括机壳、定子、主轴、转子、气驱辅助组件，定子安装在机壳内表面，转子安装在主轴上，转子与定子径向面对面，主轴通过轴承支撑安装在机壳内壁上；气驱辅助组件包括气驱轮组件，气驱轮组件直接或间接传动连接至主轴，气驱轮组件对主轴施加根据主轴转速而变化的旋转力矩。

机壳、定子、主轴、转子作为电机基本结构，实现电磁旋转作用，使用过程中，在负载转矩在一定周期内的平均值作为转子需要的输入力矩的平均值，该值决定输入电机的平均电流的大小，当负载转矩在短时间内快速变化时，输入电机的电流反应大大滞后，所以，如果没有调速结构的话，会引起主轴转速的变化，具体是：负载转矩变化后大于当时的转子提供的力矩，则主轴以及与主轴相连接的负载轴减速，如果负载转矩变化后小于转子转矩，则主轴增速，角加速度乘以主轴以及与其传动连接的所有转动部件的整体转动惯量就是转矩差。

主轴上的转速变化可以通过传感器的方式获取，也可以是的通过一些机械的方式获得转速变化信号，气驱轮组件受到信号作用而加载一个变化的力矩在主轴上，实际上是：本电机精确的转速是撤销气驱辅助组件后，仅以电磁力作为驱动的主轴转速略微增加后的转速，气驱辅助组件是在运行过程一直做功出力的，根据转速的变化趋势获得负载转矩变化情况，而调配由气驱辅助组件输入到主轴上的力矩。

进一步的，气驱轮组件包括涡轮、轮壳，涡轮直接或间接传动连接至主轴，涡轮外包裹轮壳，轮壳外壁固定至机壳内壁上，轮壳上开设进气口、和出气口，进气口沿涡轮径向外缘进气并驱动涡轮旋转，进气口通过一根穿过机壳壁面的进气管接入外部压力气源，出气口汇集涡轮排出的气体并通过一根穿过机壳壁面的出气管排出装置外；涡轮进气通道上设有随主轴转速变化的过流阻力调节结构。

涡轮将由其进口进入其内的压力气体的机械能转换为自身的旋转能量，是风机的反向原理使用，在汽车的尾气涡轮增压系统以及一些电厂热气回收场合使用较多，其转矩的获得随气体通过其的流量而定，单位时间内气体流量越高，则涡轮的加载到主轴上的转矩越多，而气体流量可以通过进气通道上的过气阻力进行调节，所以涡轮进气通道上设有随主轴转速变化的过流阻力调节结构，主轴转速有降低趋势，则增大涡轮进气量，提高主轴转矩来平衡掉负载升高的转矩部分。

过流阻力调节结构可以是很多种结构，本申请给出两种结构：

为过流阻力调节结构的一种结构：设置在进气管上的调压阀，主轴由一个转速传感器获取转速信号并传递给调压阀进行开度调节。

另一种结构是：过流阻力调节结构为滚球，涡轮过气流道中带有一段径向延伸并由中心往外逐渐变小的直流道，滚球放置在直流道内，滚球直径介于直流道起始端与终止端内切圆直径之间。

两种结构存在一定的使用差异，传感器作转速识别核心的过流阻力调节结构，在处理过程中可以进行转速变化微分处理获得角加速度，从而与主轴转速变化的过程中同步进行涡轮进气调整，但在设置上会牵扯到电信号以及信号微分电路、处理器等等，结构较为繁琐；而滚球式的纯机械方式，在主轴转速提高后，滚球受到的离心力变大，从而抵抗吹入涡轮内的压力气体而到达较大的径向位置，在靠近涡轮外缘的位置处，堵住更大部分的进气流道，从而达到缩减进气量，缩小涡轮传递往主轴的转矩，使其转速回落，这一过流阻力调节结构设置简单，没有任何电气控制，不需要维护，但是，因为滚球是在主轴转速提高后才离心前往涡轮外缘从而堵住一部分进气流道，所以，在转速调节的反应过程中，其实是滞后于主轴转速变化的，即：主轴转速已经变化了，它才开始产生作用，减少主轴转矩输入，使得转速回落。具体使用时，根据精度等级而选择合适的过流阻力调节结构。

进一步的，气驱辅助组件还包括惯量配重组件，惯量配重组件直接或间接传动连接至主轴，惯量配重组件带有随主轴转速升高而增加的转动惯量。

主轴转速升高，是因为主轴上有富余的转矩，如果主轴以及与其相连接的转动部件的整体转动惯量保持不变，那么富余转矩除以转动惯量就是主轴的角加速度，本申请中，在主轴上或者与其相连接的转动部件上设置了惯量配重组件，惯量配重组件随着主轴转速的升高而具有增大的转动惯量，从而使主轴“增速困难”，原先的角加速度是一个定值，而本申请加入惯量配重组件后，角加速度变成了一个不断减小的值，即：在同一转矩差值作用相同的时间下，转速增加越来越慢。

进一步的，主轴上设有第一齿轮，气驱辅助组件还包括第二齿轮、副轴，副轴双端通过轴承支撑安装在机壳内壁上，副轴与主轴轴线平行，副轴上固连第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮啮合传动，第二齿轮中心圆直径小于第一齿轮；惯量配重组件和气驱轮组件均设置在副轴上。

主轴上的转速是用来做功的转速，本申请旨在使其在极小的范围内变化，而例如惯量配重组件和气驱轮组件是要去识别自身转速而进行相应的转动惯量变化和气驱力度变化，所以，本申请通过主副轴分列的方式，进行增速传动，将主轴的转速变化在副轴上进行放大，放大比例就是第二齿轮与第一齿轮的传动比，转速变化放大后，副轴具有较大的转速变化，从而在副轴上构造更大程度、更加灵敏的转动惯量变化和气驱力度变化。

进一步的，惯量配重组件包括套筒、径向筒、弹簧、离心块，套筒套设在副轴上，套筒径向连接若干圆周均布的径向筒，径向筒内部设置径向孔，径向孔内壁上设置限位凸环，离心块设置在径向孔内并可沿径向孔滑动，离心块位于限位凸环的径向外侧，离心块径向外侧通过弹簧朝径向中心抵紧。

套筒套设在副轴上，跟随副轴旋转，套筒外径向设置的径向筒、弹簧、离心块也是跟随副轴旋转，离心块受到朝内的弹簧力而具有静止状态下抵靠限位凸环的趋势，旋转过程中，则是由于离心力的作用而在远离副轴轴线的径向位置，离心力越大，径向位置越远，离心力根据转速而变化，转速越大，离心力越大，另一方面，径向位置越大，惯量配重组件中处于较大旋转半径处的质量越多，整体的转动惯量也越大，从而在更高的速度下，转速增加约困难。

进一步的，惯量配重组件还包括螺塞，径向孔的外端内壁上设有螺纹，螺塞旋入螺纹并接触弹簧一端，螺塞将弹簧朝向离心块压紧。螺塞配合螺纹，可以方便的进行离心块的更换，配置合适质量的离心块。

作为优化，第一齿轮和第二齿轮为斜齿轮。斜齿轮传动稳定，振动小，力矩传递均匀。

作为优化，防爆管从外部引来压力惰性气体充入机壳内部。防爆管引来的压力气体充满机壳内部，使其内部成为正压状态，防止环境气体进入，在大多数的防爆场合使电机具备防爆性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过气驱轮组件在主轴上叠加一个与电磁力矩相独立的驱动力矩，气驱轮组件叠加的力矩随主轴转速或转速变化率而变化，在额定转速以上时，气驱轮组件加载的力矩减小，拉回主轴转速，而主轴转速提高时，提高气驱轮组件加载的力矩，拉升主轴转速；惯量配重组件在转速提高时增大自身的转动惯量，使得转速提高变慢，而转速降低时，自身转动惯量较小，使得气驱轮组件加载的力矩更容易拉升主轴的转矩；副轴与主轴刚性传动，且副轴转速高于主轴，主轴的转速变化在副轴上被放大，系统灵敏度提高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明气驱辅助组件的结构示意图；

图3为本发明气驱轮组件的结构示意图；

图4为本发明副轴转动惯量、副轴转速、主轴转速、主轴转矩、转子转矩、副轴转矩在经历一个负载转矩阶跃变化后的变化分析图。

图中：1-机壳、2-定子、3-主轴、4-转子、5-第一齿轮、6-气驱辅助组件、61-第二齿轮、62-副轴、63-惯量配重组件、631-套筒、632-径向筒、6321-径向孔、6322-限位凸环、6323-螺纹、633-螺塞、634-弹簧、635-离心块、64-气驱轮组件、641-涡轮、642-轮壳、643-进气口、644-出气口、645-调压阀、646-滚球、71-进气管、72-出气管、73-防爆管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，包括机壳1、定子2、主轴3、转子4、气驱辅助组件6，定子2安装在机壳1内表面，转子4安装在主轴3上，转子4与定子2径向面对面，主轴3通过轴承支撑安装在机壳1内壁上；气驱辅助组件6包括气驱轮组件64，气驱轮组件64直接或间接传动连接至主轴3，气驱轮组件64对主轴3施加根据主轴3转速而变化的旋转力矩。

机壳1、定子2、主轴3、转子4作为电机基本结构，实现电磁旋转作用，使用过程中，在负载转矩在一定周期内的平均值作为转子4需要的输入力矩的平均值，该值决定输入电机的平均电流的大小，当负载转矩在短时间内快速变化时，输入电机的电流反应大大滞后，所以，如果没有调速结构的话，会引起主轴3转速的变化，具体是：负载转矩变化后大于当时的转子提供的力矩，则主轴3以及与主轴3相连接的负载轴减速，如果负载转矩变化后小于转子4转矩，则主轴3增速，角加速度乘以主轴1以及与其传动连接的所有转动部件的整体转动惯量就是转矩差。

主轴3上的转速变化可以通过传感器的方式获取，也可以是的通过一些机械的方式获得转速变化信号，气驱轮组件64受到信号作用而加载一个变化的力矩在主轴3上，实际上是：本电机精确的转速是撤销气驱辅助组件6后，仅以电磁力作为驱动的主轴3转速略微增加后的转速，例如，常见的两极异步电机转速约为2900～2950rpm，根据负载情况而有所波动，负载大则转速靠近2900rpm，本电机在加入气驱辅助组件6后，目标将转速稳定在2960rpm，气驱辅助组件6是在运行过程一直做功出力的，根据转速的变化趋势获得负载转矩变化情况，而调配由气驱辅助组件6输入到主轴3上的力矩。

如图3所示，气驱轮组件64包括涡轮641、轮壳642，涡轮641直接或间接传动连接至主轴3，涡轮641外包裹轮壳642，轮壳642外壁固定至机壳1内壁上，轮壳642上开设进气口643、和出气口644，进气口643沿涡轮641径向外缘进气并驱动涡轮641旋转，进气口643通过一根穿过机壳1壁面的进气管71接入外部压力气源，出气口644汇集涡轮641排出的气体并通过一根穿过机壳1壁面的出气管72排出装置外；涡轮641进气通道上设有随主轴3转速变化的过流阻力调节结构。

涡轮641将由其进口进入其内的压力气体的机械能转换为自身的旋转能量，是风机的反向原理使用，在汽车的尾气涡轮增压系统以及一些电厂热气回收场合使用较多，其转矩的获得随气体通过其的流量而定，单位时间内气体流量越高，则涡轮641的加载到主轴3上的转矩越多，而气体流量可以通过进气通道上的过气阻力进行调节，所以涡轮641进气通道上设有随主轴3转速变化的过流阻力调节结构，主轴3转速有降低趋势，则增大涡轮641进气量，提高主轴3转矩来平衡掉负载升高的转矩部分。

过流阻力调节结构可以是很多种结构，本申请给出两种结构：

如图3所示，为过流阻力调节结构的一种结构：设置在进气管71上的调压阀645，主轴3由一个转速传感器获取转速信号并传递给调压阀645进行开度调节。

另一种结构是：过流阻力调节结构为滚球646，涡轮641过气流道中带有一段径向延伸并由中心往外逐渐变小的直流道，滚球646放置在直流道内，滚球646直径介于直流道起始端与终止端内切圆直径之间。

两种结构存在一定的使用差异，传感器作转速识别核心的过流阻力调节结构，在处理过程中可以进行转速变化微分处理获得角加速度，从而与主轴3转速变化的过程中同步进行涡轮641进气调整，但在设置上会牵扯到电信号以及信号微分电路、处理器等等，结构较为繁琐；而滚球646式的纯机械方式，在主轴3转速提高后，滚球646受到的离心力变大，从而抵抗吹入涡轮641内的压力气体而到达较大的径向位置，在靠近涡轮641外缘的位置处，堵住更大部分的进气流道，从而达到缩减进气量，缩小涡轮641传递往主轴3的转矩，使其转速回落，这一过流阻力调节结构设置简单，没有任何电气控制，不需要维护，但是，因为滚球646是在主轴3转速提高后才离心前往涡轮641外缘从而堵住一部分进气流道，所以，在转速调节的反应过程中，其实是滞后于主轴3转速变化的，即：主轴3转速已经变化了，它才开始产生作用，减少主轴3转矩输入，使得转速回落。具体使用时，根据精度等级而选择合适的过流阻力调节结构。

如图1、2所示，气驱辅助组件6还包括惯量配重组件63，惯量配重组件63直接或间接传动连接至主轴3，惯量配重组件63带有随主轴3转速升高而增加的转动惯量。

主轴3转速升高，是因为主轴3上有富余的转矩，如果主轴3以及与其相连接的转动部件的整体转动惯量保持不变，那么富余转矩除以转动惯量就是主轴3的角加速度，本申请中，在主轴3上或者与其相连接的转动部件上设置了惯量配重组件63，惯量配重组件63随着主轴3转速的升高而具有增大的转动惯量，从而使主轴3“增速困难”，原先的角加速度是一个定值，而本申请加入惯量配重组件63后，角加速度变成了一个不断减小的值，即：在同一转矩差值作用相同的时间下，转速增加越来越慢，例如原先由于撤销一定负载后，转速可能由2960rpm增大到2970rpm，但是，由于随着转速升高而增大的转动惯量，实际只会增大到2965rpm。

主轴3上设有第一齿轮5，气驱辅助组件6还包括第二齿轮61、副轴62，副轴62双端通过轴承支撑安装在机壳1内壁上，副轴62与主轴3轴线平行，副轴62上固连第二齿轮61，第二齿轮61与第一齿轮5啮合传动，第二齿轮61中心圆直径小于第一齿轮5；惯量配重组件63和气驱轮组件64均设置在副轴62上。

主轴3上的转速是用来做功的转速，本申请旨在使其在极小的范围内变化，而例如惯量配重组件63和气驱轮组件64是要去识别自身转速而进行相应的转动惯量变化和气驱力度变化，所以，本申请通过主副轴分列的方式，进行增速传动，将主轴3的转速变化在副轴62上进行放大，放大比例就是第二齿轮61与第一齿轮5的传动比，转速变化放大后，副轴62具有较大的转速变化，从而在副轴62上构造更大程度、更加灵敏的转动惯量变化和气驱力度变化。

如图2所示，惯量配重组件63包括套筒631、径向筒632、弹簧634、离心块635，套筒631套设在副轴62上，套筒631径向连接若干圆周均布的径向筒632，径向筒632内部设置径向孔6321，径向孔6321内壁上设置限位凸环6322，离心块635设置在径向孔6321内并可沿径向孔6321滑动，离心块635位于限位凸环6322的径向外侧，离心块635径向外侧通过弹簧634朝径向中心抵紧。

套筒631套设在副轴62上，跟随副轴62旋转，套筒631外径向设置的径向筒632、弹簧634、离心块635也是跟随副轴62旋转，离心块635受到朝内的弹簧力而具有静止状态下抵靠限位凸环6322的趋势，旋转过程中，则是由于离心力的作用而在远离副轴62轴线的径向位置，离心力越大，径向位置越远，离心力根据转速而变化，转速越大，离心力越大，另一方面，径向位置越大，惯量配重组件63中处于较大旋转半径处的质量越多，整体的转动惯量也越大，从而在更高的速度下，转速增加约困难。

如图2所示，惯量配重组件63还包括螺塞633，径向孔6321的外端内壁上设有螺纹6323，螺塞633旋入螺纹6323并接触弹簧634一端，螺塞633将弹簧634朝向离心块635压紧。

螺塞633配合螺纹6323，可以方便的进行离心块635的更换，配置合适质量的离心块635。

第一齿轮5和第二齿轮61为斜齿轮。斜齿轮传动稳定，振动小，力矩传递均匀。

防爆管73从外部引来压力惰性气体充入机壳1内部。防爆管73引来的压力气体充满机壳1内部，使其内部成为正压状态，防止环境气体进入，在大多数的防爆场合使电机具备防爆性能。

本电机的主要原理过程是：如图4所示，定转子正常励磁，在主轴3上输入不变的力矩T4，负载转矩T3在微量减小后，主轴3上具备富余转矩，使得主轴转速n3提高，副轴62与主轴3刚性传动，而且放大主轴3转速n3成为副轴转速n62，惯量配重组件63离心力增大，离心块635离心运动，副轴62的转动惯量I62增大，阻碍副轴62、主轴3转速进一步提高，此外，气驱轮组件64进气流道被堵住部分，进气减小，气驱轮组件64输入到副轴62上的转矩T64减小，从而失去主轴3转速提高的原始驱动，种种条件在主轴3上混合后，使得主轴3转速n3快速回落。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述特种电机包括机壳(1)、定子(2)、主轴(3)、转子(4)、气驱辅助组件(6)，所述定子(2)安装在机壳(1)内表面，所述转子(4)安装在主轴(3)上，转子(4)与定子(2)径向面对面，所述主轴(3)通过轴承支撑安装在机壳(1)内壁上；所述气驱辅助组件(6)包括气驱轮组件(64)，所述气驱轮组件(64)直接或间接传动连接至主轴(3)，气驱轮组件(64)对主轴(3)施加根据主轴(3)转速而变化的旋转力矩。

2.根据权利要求1所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述气驱轮组件(64)包括涡轮(641)、轮壳(642)，所述涡轮(641)直接或间接传动连接至主轴(3)，所述涡轮(641)外包裹轮壳(642)，所述轮壳(642)外壁固定至机壳(1)内壁上，所述轮壳(642)上开设进气口(643)、和出气口(644)，所述进气口(643)沿涡轮(641)径向外缘进气并驱动涡轮(641)旋转，进气口(643)通过一根穿过机壳(1)壁面的进气管(71)接入外部压力气源，所述出气口(644)汇集涡轮(641)排出的气体并通过一根穿过机壳(1)壁面的出气管(72)排出装置外；所述涡轮(641)进气通道上设有随主轴(3)转速变化的过流阻力调节结构。

3.根据权利要求2所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述过流阻力调节结构为设置在进气管(71)上的调压阀(645)，所述主轴(3)由一个转速传感器获取转速信号并传递给调压阀(645)进行开度调节。

4.根据权利要求2所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述过流阻力调节结构为滚球(646)，所述涡轮(641)过气流道中带有一段径向延伸并由中心往外逐渐变小的直流道，所述滚球(646)放置在直流道内，滚球(646)直径介于直流道起始端与终止端内切圆直径之间。

5.根据权利要求1所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述气驱辅助组件(6)还包括惯量配重组件(63)，所述惯量配重组件(63)直接或间接传动连接至主轴(3)，所述惯量配重组件(63)带有随主轴(3)转速升高而增加的转动惯量。

6.根据权利要求5所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述主轴(3)上设有第一齿轮(5)，所述气驱辅助组件(6)还包括第二齿轮(61)、副轴(62)，所述副轴(62)双端通过轴承支撑安装在机壳(1)内壁上，所述副轴(62)与主轴(3)轴线平行，所述副轴(62)上固连第二齿轮(61)，所述第二齿轮(61)与第一齿轮(5)啮合传动，所述第二齿轮(61)中心圆直径小于第一齿轮(5)；所述惯量配重组件(63)和气驱轮组件(64)均设置在副轴(62)上。

7.根据权利要求6所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述惯量配重组件(63)包括套筒(631)、径向筒(632)、弹簧(634)、离心块(635)，所述套筒(631)套设在副轴(62)上，套筒(631)径向连接若干圆周均布的径向筒(632)，所述径向筒(632)内部设置径向孔(6321)，所述径向孔(6321)内壁上设置限位凸环(6322)，所述离心块(635)设置在径向孔(6321)内并可沿径向孔(6321)滑动，离心块(635)位于限位凸环(6322)的径向外侧，离心块(635)径向外侧通过弹簧(634)朝径向中心抵紧。

8.根据权利要求7所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述惯量配重组件(63)还包括螺塞(633)，所述径向孔(6321)的外端内壁上设有螺纹(6323)，所述螺塞(633)旋入螺纹(6323)并接触弹簧(634)一端，螺塞(633)将弹簧(634)朝向离心块(635)压紧。

9.根据权利要求6所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述第一齿轮(5)和第二齿轮(61)为斜齿轮。

10.根据权利要求1所述的一种气驱辅助旋转速度精确的特种电机，其特征在于：所述机壳(1)侧壁上还连接有一根防爆管(73)，所述防爆管(73)从外部引来压力惰性气体充入机壳(1)内部。

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