CN113098192A - 一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，包括壳体、转子、定子、主轴、负载轴、惯性组件，定子安装在壳体内壁上，转子安装在主轴上并置于壳体内，主轴通过轴承进行旋转支撑，负载轴一端设置在壳体内并通过轴承进行旋转支撑、一端穿出壳体壁面作为输出端，惯性组件设置在壳体内，主轴、负载轴和惯性组件传动连接。负载轴作为输出端，当外接负载转矩增大时，主轴所连接的转子因为不能瞬时提供增大的转矩，从而在一般的场合下，主轴和负载轴会开始降速，当增大部分的负载转矩撤除后，转子提供多于负载的转矩，使其回复原始转速，惯性组件增大主轴、负载轴的转动惯量，使得受到波动的转矩变化时，升降速波动幅度减轻。

Description

一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体为一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机。
背景技术
电机是一种使用非常广泛的做功机械，在电机之中，又根据结构与电磁原理分为交流异步电机、永磁直流电机等等，其中，永磁直流电机因为其驱动电流稳定，从而电磁力不像交流驱动一样产生周期波动，从而驱动转矩稳定，对于一些需要稳定主轴转矩的场合尤为适用，但是，电机使用过程中，负载也可能存在短时间的增大或者减小的情况，负载的变化也会引起转速的转化：
对于转矩减小的工况，电机中的定转子则可以较快速的适应性减小输出扭矩，主轴上多余的瞬时转速能量会较多耗散为热量，从而转速的提升并不显著，一般不予考虑；
而对于负载增大的工况，电机的电磁转换效率不能快速随之提升，从而导致输出转矩不够平衡负载转矩，引起输出轴的转速下降，这一下降很可能使得电机的转速偏离额定值1～2％，对于一些重要场合使用的电机，这一转速波动是不被允许的，所以，会有复杂的调速系统来确保转速稳定。
现有技术中，往往通过电机外部的系统进行转速调定，会有复杂的PLC控制以及反馈处理电路来进行辅助，传感器识别转轴转速发生变化后，反馈给直流电机的驱动电源，通过控制输入电流的来控制电机轴转矩，以便于负载转矩平衡，稳定转速，这样的调配方式复杂，控制逻辑繁琐，非常考验现场维护人员。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，包括壳体、转子、定子、主轴、负载轴、惯性组件，定子安装在壳体内壁上，转子安装在主轴上并置于壳体内，主轴通过轴承进行旋转支撑，负载轴一端设置在壳体内并通过轴承进行旋转支撑、一端穿出壳体壁面作为输出端，惯性组件设置在壳体内，主轴、负载轴和惯性组件传动连接。负载轴作为输出端，当外接负载转矩增大时，主轴所连接的转子因为不能瞬时提供增大的转矩，从而在一般的场合下，主轴和负载轴会开始降速，当增大部分的负载转矩撤除后，转子提供多于负载的转矩，使其回复原始转速，惯性组件增大主轴、负载轴的转动惯量，使得受到波动的转矩变化时，升降速曲线斜率减小，从而减轻转速的波动幅度。
进一步的，电机还包括差速传动组件，差速传动组件安装在主轴和负载轴之间作为传动部件，惯性组件与负载轴传动连接，差速传动组件识别主轴与负载轴的转速差异来调整惯性组件和负载轴的转速比：当主轴与负载轴的转速差增大时，惯性组件和负载轴的转速比减小。惯性组件储存一部分的动能在其中，其内部的能量在负载轴转速下降时用于补充主轴的能量输入，从而让整体的负载轴的转速下降速度减小，常规的惯性组件与负载轴固定连接，惯性组件与负载轴的转速一致，而本申请中，改变惯性组件和负载轴的传动比，正常运行状态下，主轴与负载轴、惯性组件是定量的传动关系，当负载轴上负载增大时，其转速开始降低，而主轴因为与负载轴之间是条件性的差速传动，主轴转速不发生变化，负载轴与主轴转速差逐渐增大，差速传动组件识别转速差增大过程，调小惯性组件和负载轴的转速比，即负载轴转速所对应的惯性组件的预期转速是减小的，而此时惯性组件处于高于其预期转速的状态，所以，有惯性组件上有更多的转动能量转移往负载轴，即负载轴从惯性组件上“榨取”更多的转动能量来补偿自身，从而实现主轴上的输入能量尚未提升至需求前的能量补充，以减轻负载轴的转速降低，达到控制转速的目的。
进一步的，差速传动组件包括中间齿轮、差速壳，主轴靠近负载轴的一端设置主轴齿轮，负载轴靠近主轴的一端设置负载齿轮，负载轴与主轴共轴设置，差速壳通过阻尼轴承安装到壳体内壁上，差速壳的转动轴线为主轴，差速壳径向朝内设置若干个中间齿轮，中间齿轮、主轴齿轮、负载齿轮均为锥齿轮，中间齿轮分别与主轴齿轮、负载齿轮啮合，差速壳转速变大时，差速壳给到惯性组件信号使其与负载轴的转速比减小。主轴和负载轴之间设置中间齿轮和差速壳，主轴和负载轴的传动需要通过中间齿轮进行，中间齿轮可以自由进行绕其安装位置的自转，而差速壳则不能进行顺畅的、绕主轴的公转，因为差速壳的旋转支撑带有阻尼，这也是阻尼轴承名称的由来，阻尼轴承对差速壳进行旋转支撑的同时，使其转动不能顺畅进行，从而，当电机启动时刻，主轴开始进行旋转，负载轴则有较大阻力而前期不转动，中间齿轮一边进行自转，一边拖拽差速壳进行公转，而差速壳旋转带有阻力，所以，这一阻力就开始驱动负载轴进行缓慢旋转，负载轴开始启动，只要负载轴与主轴存在转速差异，那么，差速壳的公转就不会停下，主轴与负载轴的转速差就会进一步减小，直至转速差为零时，差速壳公转停止，中间齿轮原地自转，负载轴与主轴转速相等，方向相反，差速壳的公转速度就是用来识别主轴和负载轴的转速差异的参数量，主轴与负载轴的转速差越大，则差速壳的公转速度就越大。
进一步的，惯性组件包括转动体、原位传动组件、差速轮，负载轴上设置一垂直于轴线的负载盘，负载盘位于壳体内，转动体通过轴承安装到壳体内壁上，转动体的转动轴线为负载轴轴线，转动体包括重块和重块齿轮，重块齿轮安装在重块一端，原位传动组件包括传动齿轮和套筒，传动齿轮安装在套筒一端，套筒轴线垂直于负载轴，传动齿轮与重块齿轮啮合连接，套筒远离传动齿轮的一端设置可沿套筒滑动的差速轮，差速轮轮面与负载盘相接触，差速轮获取差速壳公转速度信号而调整自身的径向位置来改变负载盘与传动齿轮的转速比。本申请中分析位置所使用的径向向内向外均指的以主轴为轴线的径向方向，当差速壳进行公转时，差速轮改变径向位置，从而差速轮的自转速度与负载盘的转速比值产生变化，具体的是，差速轮径向向内运动时，差速轮的自转速度与负载盘的转速比值增大，因为差速轮与套筒是滑套式直连，差速轮的自转速度即是传动齿轮的转速，传动齿轮原地将其自转速度转移到转动体上，完成变速传动过程，变速比例的参考值来自于差速壳的公转速度。
进一步的，差速传动组件还包括滑动斜台、离心球、包边，滑动斜台安装在差速壳外表面并可沿外表面滑动，滑动斜台带有径向外侧带有斜面，滑动斜台的滑动方向沿主轴轴线，差速壳外表面径向伸出包边，包边和滑动斜台之间设置离心球，滑动斜台的斜面靠近包边的一端半径大于另一侧半径；
惯性组件还包括内推弹簧和推杆，推杆一端与差速轮的径向内端旋转连接，推杆另一端抵在滑动斜台外表斜面上，内推弹簧设置在套筒内，内推弹簧将差速轮径向朝内推挤。
当差速壳公转速度提升时，离心球径向向外运动，推动滑动斜台移动，推动推杆径向向外运动，从而差速轮的径向向外移动，差速轮与负载盘的转速比减小。当差速壳的公转速度减小时，离心球径向向内移动，内推弹簧将差速轮、推杆均向内推挤，重新提高差速轮与负载盘的转速比，以便储存能量下次用于补偿。
进一步的，阻尼轴承包括滚珠和油封，油封封堵滚珠所在空间，滚珠所在空间注满胶体态油。滚珠所在的空间注入了满腔的胶体态油，当差速壳进行公转时，滚珠也进行转动实现轴承作用，而滚珠转动的过程中，会鼓动胶体态油，空间内充满的胶体态油会成为滚珠的转动阻力，胶体态油可以是半粘稠状态的脂肪油。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过惯性组件来储存一定的转动能量，在负载轴上受到变大的负载时，惯性组件输出动能进行补偿，负载轴与转子芯部的主轴分体连接，通过差速传动组件进行传动，用来隔开主轴与直接的负载，使得可以通过主轴与负载轴的转速差异来判别负载扭矩升降类型，差速传动组件中的差速壳在正常运行过程中不进行公转，当主轴与负载轴产生转速差时，差速壳的公转速度可以反应转速差大小，用来调小惯性组件与负载轴的转速比，以便让惯性组件上更多的转动能量转移往负载轴实现转速补偿，控制转速稳定。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明惯性组件及与其相连接部件的结构示意图；
图3为图2中的视图A；
图4是本发明差速传动组件的原理示意图；
图5为图1中的视图B；
图中：1-壳体、21-转子、22-定子、3-主轴、31-主轴齿轮、4-负载轴、41-负载齿轮、42-负载盘、5-惯性组件、51-转动体、511-重块、512-重块齿轮、52-原位传动组件、521-传动齿轮、522-套筒、53-内推弹簧、54-差速轮、55-推杆、6-差速传动组件、61-中间齿轮、62-差速壳、63-滑动斜台、64-离心球、65-包边、7-阻尼轴承、71-滚珠、72-油封。
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。
请参阅图1-5，本发明提供技术方案：
一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，包括壳体1、转子21、定子22、主轴3、负载轴4、惯性组件5，定子22安装在壳体1内壁上，转子21安装在主轴3上并置于壳体1内，主轴3通过轴承进行旋转支撑，负载轴4一端设置在壳体1内并通过轴承进行旋转支撑、一端穿出壳体1壁面作为输出端，惯性组件5设置在壳体1内，主轴3、负载轴4和惯性组件5传动连接。负载轴4作为输出端，当外接负载转矩增大时，主轴3所连接的转子因为不能瞬时提供增大的转矩，从而在一般的场合下，主轴3和负载轴4会开始降速，当增大部分的负载转矩撤除后，转子3提供多于负载的转矩，使其回复原始转速，惯性组件5增大主轴3、负载轴4的转动惯量，使得受到波动的转矩变化时，升降速曲线斜率减小，从而减轻转速的波动幅度。
电机还包括差速传动组件6，差速传动组件6安装在主轴3和负载轴4之间作为传动部件，惯性组件5与负载轴4传动连接，差速传动组件6识别主轴3与负载轴4的转速差异来调整惯性组件5和负载轴4的转速比：当主轴3与负载轴4的转速差增大时，惯性组件5和负载轴4的转速比减小。惯性组件5储存一部分的动能在其中，其内部的能量在负载轴4转速下降时用于补充主轴3的能量输入，从而让整体的负载轴4的转速下降速度减小，常规的惯性组件5与负载轴4固定连接，惯性组件4与负载轴4的转速一致，而本申请中，改变惯性组件5和负载轴4的传动比，正常运行状态下，主轴3与负载轴4、惯性组件5是定量的传动关系，当负载轴4上负载增大时，其转速开始降低，而主轴3因为与负载轴4之间是条件性的差速传动，主轴3转速不发生变化，负载轴4与主轴3转速差逐渐增大，差速传动组件6识别转速差增大过程，调小惯性组件5和负载轴4的转速比，即负载轴4转速所对应的惯性组件5的预期转速是减小的，而此时惯性组件5处于高于其预期转速的状态，所以，有惯性组件5上有更多的转动能量转移往负载轴，即负载轴4从惯性组件5上“榨取”更多的转动能量来补偿自身，从而实现主轴3上的输入能量尚未提升至需求前的能量补充，以减轻负载轴4的转速降低，达到控制转速的目的。
差速传动组件6包括中间齿轮61、差速壳62，主轴3靠近负载轴4的一端设置主轴齿轮31，负载轴4靠近主轴3的一端设置负载齿轮41，负载轴4与主轴3共轴设置，差速壳62通过阻尼轴承7安装到壳体1内壁上，差速壳62的转动轴线为主轴3，差速壳62径向朝内设置若干个中间齿轮61，中间齿轮61、主轴齿轮31、负载齿轮41均为锥齿轮，中间齿轮61分别与主轴齿轮31、负载齿轮41啮合，差速壳62转速变大时，差速壳62给到惯性组件5信号使其与负载轴4的转速比减小。如图1、4所示，主轴3和负载轴4之间设置中间齿轮61和差速壳62，主轴3和负载轴4的传动需要通过中间齿轮61进行，中间齿轮61可以自由进行绕其安装位置的自转，而差速壳62则不能进行顺畅的、绕主轴3的公转，因为差速壳62的旋转支撑带有阻尼，这也是阻尼轴承7名称的由来，阻尼轴承7对差速壳62进行旋转支撑的同时，使其转动不能顺畅进行，从而，当电机启动时刻，主轴3开始进行旋转，负载轴4则有较大阻力而前期不转动，中间齿轮61一边进行自转，一边拖拽差速壳62进行公转，而差速壳62旋转带有阻力，所以，这一阻力就开始驱动负载轴4进行缓慢旋转，负载轴4开始启动，只要负载轴4与主轴3存在转速差异，那么，差速壳62的公转就不会停下，主轴3与负载轴4的转速差就会进一步减小，直至转速差为零时，差速壳62公转停止，中间齿轮61原地自转，负载轴4与主轴3转速相等，方向相反，差速壳62的公转速度就是用来识别主轴3和负载轴4的转速差异的参数量，主轴3与负载轴4的转速差越大，则差速壳62的公转速度就越大。
惯性组件5包括转动体51、原位传动组件52、差速轮54，负载轴4上设置一垂直于轴线的负载盘42，负载盘42位于壳体1内，转动体51通过轴承安装到壳体1内壁上，转动体51的转动轴线为负载轴4轴线，转动体51包括重块511和重块齿轮512，重块齿轮512安装在重块511一端，原位传动组件52包括传动齿轮521和套筒522，传动齿轮521安装在套筒522一端，套筒522轴线垂直于负载轴4，传动齿轮521与重块齿轮512啮合连接，套筒522远离传动齿轮521的一端设置可沿套筒522滑动的差速轮54，差速轮54轮面与负载盘42相接触，差速轮54获取差速壳62公转速度信号而调整自身的径向位置来改变负载盘42与传动齿轮521的转速比。本申请中分析位置所使用的径向向内向外均指的以主轴3为轴线的径向方向，如图2所示，当差速壳62进行公转W4时，差速轮54改变径向位置，从而差速轮54的自转速度W5与负载盘42的转速W2比值产生变化，具体的是，差速轮54径向向内运动时，差速轮54的自转速度W5与负载盘42的转速W2比值增大，因为差速轮54与套筒522是滑套式直连，差速轮54的自转速度即是传动齿轮521的转速，传动齿轮521原地将其自转速度W5转移到转动体51上成为转速W6，完成变速传动过程，变速比例的参考值来自于差速壳62的公转速度W4。
差速传动组件6还包括滑动斜台63、离心球64、包边65，滑动斜台63安装在差速壳62外表面并可沿外表面滑动，滑动斜台63带有径向外侧带有斜面，滑动斜台63的滑动方向沿主轴3轴线，差速壳62外表面径向伸出包边65，包边65和滑动斜台63之间设置离心球64，滑动斜台63的斜面靠近包边65的一端半径大于另一侧半径；
惯性组件5还包括内推弹簧53和推杆55，推杆55一端与差速轮54的径向内端旋转连接，推杆55另一端抵在滑动斜台63外表斜面上，内推弹簧53设置在套筒522内，内推弹簧53将差速轮54径向朝内推挤。
如图2、3所示，当差速壳62公转速度W4提升时，离心球64径向向外运动，推动滑动斜台63移动，推动推杆55径向向外运动，从而差速轮54的径向向外移动，差速轮54与负载盘42的转速比减小。当差速壳62的公转速度W4减小时，离心球64径向向内移动，内推弹簧53将差速轮54、推杆55均向内推挤，重新提高差速轮54与负载盘42的转速比，以便储存能量下次用于补偿。
阻尼轴承7包括滚珠71和油封72，油封72封堵滚珠71所在空间，滚珠71所在空间注满胶体态油。如图5所示，滚珠71所在的空间注入了满腔的胶体态油，当差速壳62进行公转时，滚珠71也进行转动实现轴承作用，而滚珠71转动的过程中，会鼓动胶体态油，空间内充满的胶体态油会成为滚珠的转动阻力，胶体态油可以是半粘稠状态的脂肪油。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述电机包括壳体(1)、转子(21)、定子(22)、主轴(3)、负载轴(4)、惯性组件(5)，所述定子(22)安装在壳体(1)内壁上，所述转子(21)安装在主轴(3)上并置于壳体(1)内，所述主轴(3)通过轴承进行旋转支撑，所述负载轴(4)一端设置在壳体(1)内并通过轴承进行旋转支撑、一端穿出壳体(1)壁面作为输出端，所述惯性组件(5)设置在壳体(1)内，所述主轴(3)、负载轴(4)和惯性组件(5)传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述电机还包括差速传动组件(6)，所述差速传动组件(6)安装在主轴(3)和负载轴(4)之间作为传动部件，所述惯性组件(5)与负载轴(4)传动连接，所述差速传动组件(6)识别主轴(3)与负载轴(4)的转速差异来调整惯性组件(5)和负载轴(4)的转速比：当主轴(3)与负载轴(4)的转速差增大时，惯性组件(5)和负载轴(4)的转速比减小。
3.根据权利要求2所述的一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述差速传动组件(6)包括中间齿轮(61)、差速壳(62)，所述主轴(3)靠近负载轴(4)的一端设置主轴齿轮(31)，所述负载轴(4)靠近主轴(3)的一端设置负载齿轮(41)，负载轴(4)与主轴(3)共轴设置，所述差速壳(62)通过阻尼轴承(7)安装到壳体(1)内壁上，差速壳(62)的转动轴线为主轴(3)，差速壳(62)径向朝内设置若干个中间齿轮(61)，所述中间齿轮(61)、主轴齿轮(31)、负载齿轮(41)均为锥齿轮，中间齿轮(61)分别与主轴齿轮(31)、负载齿轮(41)啮合，差速壳(62)转速变大时，差速壳(62)给到惯性组件(5)信号使其与负载轴(4)的转速比减小。
4.根据权利要求3所述的一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述惯性组件(5)包括转动体(51)、原位传动组件(52)、差速轮(54)，所述负载轴(4)上设置一垂直于轴线的负载盘(42)，所述负载盘(42)位于壳体(1)内，所述转动体(51)通过轴承安装到壳体(1)内壁上，转动体(51)的转动轴线为负载轴(4)轴线，所述转动体(51)包括重块(511)和重块齿轮(512)，所述重块齿轮(512)安装在重块(511)一端，所述原位传动组件(52)包括传动齿轮(521)和套筒(522)，所述传动齿轮(521)安装在套筒(522)一端，所述套筒(522)轴线垂直于负载轴(4)，所述传动齿轮(521)与重块齿轮(512)啮合连接，所述套筒(522)远离传动齿轮(521)的一端设置可沿套筒(522)滑动的差速轮(54)，所述差速轮(54)轮面与负载盘(42)相接触，差速轮(54)获取差速壳(62)公转速度信号而调整自身的径向位置来改变负载盘(42)与传动齿轮(521)的转速比。
5.根据权利要求4所述的一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述差速传动组件(6)还包括滑动斜台(63)、离心球(64)、包边(65)，所述滑动斜台(63)安装在差速壳(62)外表面并可沿外表面滑动，滑动斜台(63)带有径向外侧带有斜面，滑动斜台(63)的滑动方向沿主轴(3)轴线，所述差速壳(62)外表面径向伸出包边(65)，所述包边(65)和滑动斜台(63)之间设置离心球(64)，滑动斜台(63)的斜面靠近包边65的一端半径大于另一侧半径；
所述惯性组件(5)还包括内推弹簧(53)和推杆(55)，所述推杆(55)一端与差速轮(54)的径向内端旋转连接，推杆(55)另一端抵在滑动斜台(63)外表斜面上，所述内推弹簧(53)设置在套筒(522)内，内推弹簧(53)将差速轮(54)径向朝内推挤。
6.根据权利要求5所述的一种精确转速调节控制的永磁无刷直流电机，其特征在于：所述阻尼轴承(7)包括滚珠(71)和油封(72)，所述油封(72)封堵滚珠(71)所在空间，滚珠(71)所在空间注满胶体态油。
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