專利名稱：機電液混合軟啟動無級調速器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機電液混合軟啟動無級調速器。
背景技術：
電動機在負載啟動時，會產生5 7倍額定電流強度的啟動電流，對大功率電動機 來說，大啟動電流會對電機和電網產生很大的沖擊；而在停機時通過瞬時斷電使轉速速降 至零的控制方式也會給設備帶來沖擊，降低使用壽命，故在很多工況下不允許大功率機械 設備瞬時關機，需要平穩(wěn)減速的停機；在工作中，同樣需要考慮工況變化所引起的大功率機 械設備的平穩(wěn)無級調速問題。要解決上述技術問題，就需要對大功率設備采用軟啟動/無 級調速技術，使其能夠實現可控的軟啟動、軟停機、無級調速，過載自動保護及多驅動功率 平衡等功能。 國內外在機械、電機和電子、液力和液壓等多學科領域對軟啟動/無級調速技術 開展了深入和廣泛的研究，開發(fā)出了多種多樣的軟啟動/調速裝置或設備，大體可歸結為 液力偶合器軟啟動/調速、液體粘性軟啟動/調速、變頻調速軟啟動、直流調速軟啟動、變電 阻調速、摩擦調速、液壓調速等。這些軟啟動/調速傳動裝置或系統(tǒng)雖各有特點，但也都有 某些無法令用戶完全接受的缺點。調速型液力偶合器可通過調節(jié)工作腔液體的充滿度來改 變輸出轉速和轉矩，具有一定軟啟動功能和調速能力。但長期的理論研究和應用實踐表明， 其在軟啟動/調速的功能和性能上遠遠無法滿足現實要求。液體粘性軟啟動/調速裝置利 用存在于主、從動摩擦片之間油膜的粘性剪切作用力來傳遞動力。該裝置在一定范圍內能 夠實現主、從動軸之間的無級調速和同步運行，能對傳動系統(tǒng)進行過載保護。但在軟啟動 時，電動機處于負載啟動狀態(tài)，啟動電流大，電流沖擊時間長，電動機的動力通過粘性轉矩 作用在負載上，不是真正的空載啟動。傳動效率較低，功率損失大，發(fā)熱嚴重，且裝置比較復 雜，制造和維護成本較高。變頻調速軟啟動、直流調速軟啟動、變電阻調速、摩擦調速和液壓 調速等在電器控制上一般均采用控制主驅動電機轉速或轉矩差以達到雙向無級調速，保證 機械傳動系統(tǒng)平滑過渡。但是，變頻調速裝置雖然實現了軟啟動，然大功率的變頻控制器價 格極為昂貴，且其中的電路和電子元器件維修困難，維護成本高；直流無級調速/軟啟動的 主要問題在于大功率直流電動機體積龐大，且價格昂貴，特別是變電站的投資往往很大， 系統(tǒng)復雜。在潮濕或多塵的環(huán)境下，直流電動機的整流子、電刷裝置及可控硅的控制部分需 要經常維護，維護費用也很高。目前，大功率直流調速系統(tǒng)的價格與大功率變頻器的價格相 當。變電阻調速雖說也能實現軟啟動，但電能消耗大，功率越大則使用成本越高，控制系統(tǒng) 也越復雜，占用空間也越大；摩擦調速只適用于小功率，當使用在大功率時，摩擦制動力矩 大，摩擦發(fā)熱問題無法解決，摩擦調速方式對于大中型功率主電機來說，還談不上軟啟動； 現有的液壓調速，雖說能實現軟啟動/無級調速，但設備易泄漏、噪聲大、溫度高、對環(huán)境有 污染，且效率低、故障多，因而整體工作性能不佳。此外，還有一些軟啟動器裝置，主要用于 電動機的啟動過程，其輸出只改變電壓而不改變頻率，不具備無級調速和功率平衡等功能， 主要應用于非重要的中小功率傳動場合。[0004] 大功率重載設備工作時，還必須解決一個對輸出過載進行限矩保護的問題。許多 大型設備(如大功率皮帶輸送機)是由多臺電動機驅動，在實際工作時，多驅動傳動系統(tǒng)中 各個電動機的負載情況可能不一樣。怎樣在多驅動傳動系統(tǒng)中采用無級調速減速傳動裝置 保證多驅動功率平衡，從而保障設備平穩(wěn)工作也是一個問題。 綜觀上述各種軟啟動調速裝置，沒有一種既可做到在保持主電機轉速不變的情況 下，實現輸出轉速雙向無級調速且平滑過渡；又能使大功率機械設備主電機啟動電流小于 額定電流而實現軟啟動；同時具備輸出過載限矩保護和多驅動功率平衡等功能；并且還能 做到結構簡單、工作性能可靠、制造和使用維護成本低廉。對于一些用于井下及易爆場所的 大功率設備，傳動裝置還必須能實現防爆功能。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、工 作性能可靠、制造和使用維護成本較低的機電液混合軟啟動無級調速器，以小功率輔助電 機實現大功率主電機的機械軟啟動，解決大功率設備啟動時的大啟動電流對電網產生沖擊 的問題；以流體傳動的連續(xù)可控性實現對機械傳動連續(xù)控制，實現大功率設備工作中的頻 繁雙向平滑無級調速、軟停機、輸出過載限矩保護及多驅動功率平衡。 為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是一種機電液混合軟啟動 無級調速器，包括通過滾子軸承固定在箱體兩側的高速級輸入軸和低速級輸出軸，該高速 級輸入軸一端伸出箱體與主電機的轉軸相連，其特征在于 A、所述高速級輸入軸另一端開設第一內孔且其外部通過滾子軸承套設高速級行 星架，該第一內孔內設有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與高速級太陽輪軸的一端外 齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸另一端通過一頂塊軸向定位于低速級輸入軸，該 低速級輸入軸一端通過滾子軸承固定在箱體上，另一端伸入低速級輸出軸的第二內孔內并 與固定在箱體上的低速級輸出軸經一頂塊有軸向定位； B、所述高速級行星架與低速級輸入軸之間固定設置高速級行星輪軸，該高速級行 星輪軸外固定設置高速級行星輪，所述高速級太陽輪軸與高速級行星輪嚙合，同時該高速 級行星輪與高速級內齒輪嚙合，該高速級內齒輪同時與套設在低速級輸入軸上的高速級齒 輪聯(lián)軸節(jié)嚙合； C、所述高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)同時固定連接調速機構大傘齒輪，該調速機構大傘齒輪
與通過滾子軸承固定在箱體上的調速機構小傘齒輪軸相嚙合，該調速機構小傘齒輪軸的中
部設有花鍵外齒，該花鍵外齒與調速機構中間齒輪的花鍵內齒相嚙合，該調速機構中間齒
輪經至少一個調速機構邊齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接，該調速機構小傘齒輪
軸的末端經輔助電機聯(lián)軸節(jié)與固設在箱體外部的輔助電機的輸入軸連接； D、所述低速級輸出軸位于箱體內的一端通過低速級行星輪軸設置低速級行星輪，
該低速級行星輪與套設在低速級輸入軸一端的低速級太陽輪嚙合，同時該低速級行星輪與
低速級內齒輪嚙合，該低速級內齒輪同時與低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)嚙合，該低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)
套設在低速級輸出軸外側且同時固定在箱體上。 所述高速級太陽輪軸一端通過擋塊與高速級輸入軸實現軸向定位，另一端通過頂 塊與低速級輸入軸實現軸向定位。[0013] 所述液壓旋轉功能元件為油泵或液壓馬達。 所述液壓旋轉功能元件固定在箱體上。 當本實用新型安裝使用時，應將大功率重載機械設備的工作部件與本實用新型裝 置的低速級輸出軸相連接，并將液壓旋轉功能元件(油泵或液壓馬達)出口壓力信號輸出 到主電機外接的控制電路中，然后才可進行工作。 本實用新型的具體工作原理闡述如下( — )軟啟動的實現工作時，首先啟動小功率輔助電機慢速運轉，經調速機構小 傘齒輪軸、調速機構大傘齒輪、高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)帶動與高速級內齒輪嚙合的高速級行星 輪轉動。理論上，高速級內齒輪與高速級行星輪嚙合可帶動低速級輸入軸和高速級太陽輪 軸轉動，此時本實用新型傳動裝置成為一個單輸入(高速級內齒輪輸入)、雙輸出(低速級 輸入軸和高速級太陽輪軸)的差動傳動輪系。但由于通過低速級輸出軸與低速級輸入軸相 連的負載很大，小功率輔助電機的輸入動力無法驅動低速級輸入軸轉動，這個單輸入雙輸 出的差動傳動輪系實際上變?yōu)橐粋€低速級輸入軸固定，高速級內齒輪輸入，高速級太陽輪 軸輸出的定軸輪系。這樣，小功率輔助電機通過高速級內齒輪、高速級行星輪和高速級太陽 輪軸，再經高速級輸入軸驅動大功率主電機轉子克服啟動時的堵轉矩慣量轉動。當小功率 輔助電機逐漸加速到控制轉速時，主電機亦隨之空載加速到額定轉速。當主電機達到額定 轉速時，自動接通主電機電源，關閉輔助電機電源，不再對主電機轉子進行加速，故大功率 主電機的啟動電流將非常小，主電機在真正的空載工況下啟動，也就完成了大功率主電機 的空載軟啟動。 ( 二 )雙向無級調速的實現在主電機接通電源的同時小功率輔助電機的電源被 切斷。主電機在轉向不變的情況下繼續(xù)運轉，動力原路返回，經高速級輸入軸帶動高速級太 陽輪軸作為動力輸入，形成了一種單輸入，雙輸出的動力分流狀態(tài)一部分動力經差動傳動 輪系的高速級內齒輪至調速機構大傘齒輪，驅動經調速機構小傘齒輪軸連接的液壓旋轉功 能元件(油泵或液壓馬達)工作，謂輔助輸出；一部分動力經差動傳動輪系的低速級輸入 軸經低速級輸出軸輸出，驅動大功率重載設備工作部件，謂主輸出。依據轉速差平衡分流規(guī) 律，增大輔助輸出端液壓旋轉功能元件的出口壓力，使調速機構小傘齒輪軸的轉動阻力矩
逐漸增大，則輔助輸出的轉速將逐漸減小，施加到主輸出的工作部件上的動力將逐漸增大， 實現工作部件由零到額定轉速的增速平滑過渡。當工作部件達到額定轉速以后需要減速 時，減小輔助輸出端液壓旋轉功能元件的出口壓力，使調速機構小傘齒輪軸的轉動阻力矩 變小，則輔助輸出的轉速將逐漸增大，則施加到主輸出的工作部件上的動力將減小，實現工 作部件由額定轉速到零的減速平滑過渡。這樣便實現了主輸出的由零到額定轉速、以及由 額定轉速到零的加、減速雙向無級調速。(三)輸出過載自動保護功能的實現根據設備工作機構的許用載荷(輸出功率
轉矩)設定液壓旋轉功能元件的許用壓力，當系統(tǒng)的外載荷因某些原因而超過許用值時，
主輸出轉矩增大，輔助輸出轉矩相應增大，液壓旋轉功能元件出口壓力因超過許用控制壓
力而溢流，帶動調速機構小傘齒輪軸產生差動滑移旋轉，使主輸出降速式停止，防止主電機
及機械傳動系統(tǒng)過載損壞，當外負荷過大問題解決后，系統(tǒng)又可以恢復正常運行。(四)多驅動主電機功率平衡的實現根據設備各驅動點應承受的功率轉矩來設
定各驅動點的軟啟動無級調速器的液壓旋轉功能元件出口壓力控制值，當出現負載不均時，承受載荷較大的驅動點功率轉矩增大，使該驅動點液壓旋轉功能元件出口壓力相應增 大，當液壓旋轉功能元件出口壓力超過許用控制壓力時，通過液壓旋轉功能元件泄流，使調 速機構小傘齒輪軸產生差動滑移旋轉，從而使主輸出降速，直到其它低負荷驅動點接受到 一定的載荷而自動保持平衡為止。(五)軟制動的實現在需要軟停機時，無需關斷主電機電源，依據主電機動力向 主輸出和輔助輸出分流的規(guī)律，按照預定的減壓規(guī)律，逐步減少輔助輸出端液壓旋轉功能 元件的出口壓力，增加其動力輸出，使低速級輸出軸的轉速按照預定的降速規(guī)律曲線漸漸 降為零，從而實現機械設備的軟制動。與軟啟動的工作原理相同，軟制動的制動時間也是可 調的。(六)節(jié)能功能若本實用新型應用于運行環(huán)境存在一定的運距梯度，且頻繁上行 和下行的大功率機械設備(如礦井提升機和斜井帶式輸送機等)，在安全和可靠性得到保 障的條件下，可考慮利用其自身和負載自重產生的勢能充當下行工況動力，節(jié)約能源。即下 行工況不啟動主電機(此時主電機停機制動)，重物利用自重下放，相當于原主輸出變?yōu)閯?力反向輸入，帶動工作設備旋轉，相當于動力反向輸入低速行星差動輪系及高速行星差動 輪系，再經調速機構小傘齒輪軸，帶動輔助輸出端的液壓旋轉功能元件運轉，此時液壓旋轉 功能元件為此動力的唯一輸出負載?？刂埔簤盒D功能元件出口壓力，相當于增加負載，即 可控制重物自重下放的速度，使設備安全可控可靠下放。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果為 本實用新型將軟啟動、無級調速、輸出過載限矩保護和多功率驅動平衡功能等融 于一體，是一種多功能機電液一體化的調速器；②采用雙向可控無級調速，使大功率重載設 備可工作在任意設定的速度上；③以小功率輔助電機實現大功率主電機的軟啟動，不僅能 夠大幅度減輕傳動系統(tǒng)本身受到的啟動沖擊，延長關鍵零部件的使用壽命，同時還能實現 主電機空載啟動電流小于額定電流，避免大功率設備啟動時對電網的沖擊，減少供電設施 的設備投資；④本實用新型裝置實現了輸出過載限制保護，確保了安全運行。⑤本實用新型 裝置可實現多驅動主電機功率平衡，為需多電機聯(lián)合驅動設備的運行安全提供保障。 本 實用新型裝置如應用于運行環(huán)境存在一定的運距梯度，且頻繁上行和下行的大功率機械設 備上，下行行程可無需動力，依自重安全下放，節(jié)省電能。⑦本實用新型裝置動力源可多樣 化，可以不受動力源限制，除電力以外，其他動力源都可以實現機器的同等功能。方法是將 控制液壓油泵出口壓力的液壓閥改為機械式溢流閥即可。⑧本調速器若配置于井下及其它 易爆場所的大功率設備，還容易實現防爆功能。

圖1為本實用新型一種具體結構的正向剖視圖。
具體實施方式
參見圖l，本實用新型包括箱體16及一通過滾子軸承固定在箱體16上的高速級 輸入軸12，該高速級輸入軸12 —端伸出箱體16與主電機的轉軸相連，另一端開設第一內 孔10且其外部通過滾子軸承套設高速級行星架9。該高速級輸入軸12的第一內孔10內設 有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與高速級太陽輪軸13的外齒連接構成齒隙浮動。同時該高速級太陽輪軸13 —端通過擋塊11與高速級輸入軸12實現軸向定位，另一端通過頂 塊18與通過滾子軸承固定在箱體16內的低速級輸入軸20實現軸向定位。該低速級輸入 軸20另一端伸入低速級輸出軸30的第二內孔34內并與低速級輸出軸30經一頂塊31在 軸向定位。該低速級輸出軸30通過滾子軸承固定在箱體16的另一側，且該低速級輸出軸 30 一端伸出箱體16外。 該高速級行星架9與低速級輸入軸20之間固定設置高速級行星輪軸15，該高速級 行星輪軸15外通過滾子軸承設置高速級行星輪14。該高速級太陽輪軸13與高速級行星輪 14嚙合，同時該高速級行星輪14與高速級內齒輪8嚙合，該高速級內齒輪8同時與套設在 低速級輸入軸20上的高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)17嚙合。 該高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)17同時固定連接調速機構大傘齒輪19，該調速機構大傘齒 輪19與通過滾子軸承固定在箱體16上的調速機構小傘齒輪軸35相嚙合。該調速機構小 傘齒輪軸35的中部設有花鍵外齒，該花鍵外齒與調速機構中間齒輪4的花鍵內齒相嚙合， 該調速機構中間齒輪4經至少一個調速機構邊齒輪5與至少一個液壓旋轉功能元件2相連 接(在本實施例中為兩個調速機構邊齒輪5與兩個液壓旋轉功能元件2)。該液壓旋轉功能 元件2可為油泵或液壓馬達。該調速機構小傘齒輪軸35的末端經輔助電機聯(lián)軸節(jié)36與固 設在箱體16外部的輔助電機1的輸入軸連接。 該低速級輸出軸30位于箱體16內的一端通過低速級行星輪軸26固定設置低速 級行星輪25。該低速級輸入軸20的外側還套設有低速級太陽輪33，該低速級太陽輪33與 低速級行星輪25嚙合，同時該低速級行星輪25與低速級內齒輪24嚙合，該低速級內齒輪 24同時與低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)23嚙合，該低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)23也套設在低速級輸出軸30外 側且同時固定在箱體16上。
權利要求一種機電液混合軟啟動無級調速器，包括通過滾子軸承固定在箱體兩側的高速級輸入軸和低速級輸出軸，該高速級輸入軸一端伸出箱體與主電機的轉軸相連，其特征在于A、所述高速級輸入軸另一端開設第一內孔且其外部通過滾子軸承套設高速級行星架，該第一內孔內設有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與高速級太陽輪軸的一端外齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸另一端通過一頂塊軸向定位于低速級輸入軸，該低速級輸入軸一端通過滾子軸承固定在箱體上，另一端伸入低速級輸出軸的第二內孔內并與固定在箱體上的低速級輸出軸經一頂塊有軸向定位；B、所述高速級行星架與低速級輸入軸之間固定設置高速級行星輪軸，該高速級行星輪軸外固定設置高速級行星輪，所述高速級太陽輪軸與高速級行星輪嚙合，同時該高速級行星輪與高速級內齒輪嚙合，該高速級內齒輪同時與套設在低速級輸入軸上的高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)嚙合；C、所述高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)同時固定連接調速機構大傘齒輪，該調速機構大傘齒輪與通過滾子軸承固定在箱體上的調速機構小傘齒輪軸相嚙合，該調速機構小傘齒輪軸的中部設有花鍵外齒，該花鍵外齒與調速機構中間齒輪的花鍵內齒相嚙合，該調速機構中間齒輪經至少一個調速機構邊齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接，該調速機構小傘齒輪軸的末端經輔助電機聯(lián)軸節(jié)與固設在箱體外部的輔助電機的輸入軸連接；D、所述低速級輸出軸位于箱體內的一端通過低速級行星輪軸設置低速級行星輪，該低速級行星輪與套設在低速級輸入軸一端的低速級太陽輪嚙合，同時該低速級行星輪與低速級內齒輪嚙合，該低速級內齒輪同時與低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)嚙合，該低速級齒輪聯(lián)軸節(jié)套設在低速級輸出軸外側且同時固定在箱體上。
2. 根據權利要求1所述的機電液混合軟啟動無級調速器，其特征在于，所述高速級太陽輪軸一端通過擋塊與高速級輸入軸實現軸向定位，另一端通過頂塊與低速級輸入軸實現軸向定位。
3. 根據權利要求1所述的機電液混合軟啟動無級調速器，其特征在于，所述液壓旋轉功能元件為油泵。
4. 根據權利要求1所述的機電液混合軟啟動無級調速器，其特征在于，所述液壓旋轉功能元件為液壓馬達。
5. 根據權利要求1所述的機電液混合軟啟動無級調速器，其特征在于，所述液壓旋轉功能元件固定在箱體上。
專利摘要一種機電液混合軟啟動無級調速器，其高速級輸入軸一端與主電機的轉軸相連，另一端與高速級太陽輪軸的外齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸通過與高速行星輪嚙合而與低速級輸入軸連接，該低速級輸入軸另一端與低速級輸出軸連接，該低速級輸出軸伸出調速器箱體外，作為調速器的輸出軸連接負載；該高速級行星輪軸外固定設置高速級行星輪，該高速級行星輪與高速級內齒輪嚙合，該高速級內齒輪又與高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)嚙合，高速級齒輪聯(lián)軸節(jié)固定連接調速機構大傘齒輪，該調速機構大傘齒輪通過調速機構小傘齒輪軸、調速機構中間齒輪及調速機構邊齒輪與液壓旋轉功能元件相連接，該調速機構小傘齒輪軸的末端與輔助電機的輸入軸聯(lián)接。本實用新型傳動效率高、噪聲小、性能可靠、成本低。
文檔編號H02K7/116GK201528295SQ20092024476
公開日2010年7月14日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權日2009年10月16日
發(fā)明者彭翼, 李達, 王伏林, 肖建群, 陽芳南, 龔曉和 申請人:李本平