一種轉速轉矩機械合成裝置的製作方法

2023-09-14 20:42:40 1

專利名稱：一種轉速轉矩機械合成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械動力合成裝置，更具體的涉及兩個或多個不同轉速轉矩的機械合 成裝置。
背景技術：
現有技術中，據統計，電力消費的70%左右用於驅動各類電動機，而多數電動機是 工作在不穩定負載情況下的，有些驅動電動機常常工作在逆向負載情況下，當電動機在額 定負載下工作時，其機械效率可達90%，但在低負荷或逆向負載下工作時，其運行效率只能 達到20% 30%。現行對電動機逆向負載工作情況的處理方法有二 一是對負載進行強制 「制動」，將負載的逆向動力以發熱的形式消耗掉。二是將負載的逆向動力通過直流發電機 發出直流電，再將直流電逆變為交流電反饋回電網。前一種處理方式造成了能源的大量損 耗和機械裝置(或電器裝置)的磨損發熱，後一種方式轉換裝置複雜，轉換效率低且帶來電 網的汙染和不穩定運行。因此需要對現有電動機的運轉負載進行穩定。另外現有技術中並 沒有將不同轉速、不同扭矩的兩動力軸的動力合成至同一轉動軸的裝置，儘管現有技術中 汽車的差速器能夠實現動力的分解，但卻沒有逆向的實現動力的合成。發明內容
本發明基於上述技術問題，提出一種將不同轉速轉矩的動力進行合成的裝置，該 裝置創新性的基於汽車「差速器」的逆向運行原理，將兩軸非同步動力合成到同一動力軸， 實現了軸功率的機械合成，同時也穩定了電動機的負荷，在電動機低負荷時將多餘負荷儲 存起來，在電動機高負荷下將儲存的能量釋放，從而不對電網回饋任何電能，只要求電網對 電動機用能進行補充，極大地提高了電動機的運行效率，延長了電動機的使用壽命。
本發明解決上述技術問題所採取的技術方案如下一種轉速轉矩機械合成裝置，包括第一電機齒輪、第二電機齒輪、行星齒輪支架、行星 齒輪和被動齒輪，所述的行星齒輪支架與所述第一電機齒輪同步運轉，所述行星齒輪設置 於所述行星齒輪支架上，所述行星齒輪的一側哨合於所述第一電機齒輪，另一側哨合於所 述第二電機齒輪，所述被動齒輪嚙合於所述第一電機齒輪，當所述第一電機齒輪和第二電 機齒輪同步運轉時，所述行星齒輪與第一電機齒輪和第二電機齒輪無相對運動，當所述第 一電機齒輪和第二電機齒輪存在轉速轉矩差時，所述行星齒輪與第一電機齒輪和第二電機 齒輪作相對運動，並將兩者的不同轉速轉矩動力合成傳遞給所述被動齒輪。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中所述第一電機齒輪包括同步運轉的大齒輪 和小齒輪，所述被動齒輪嚙合於所述大齒輪，所述行星齒輪的一側嚙合於所述小齒輪，所述 行星齒輪支架固定於所述大齒輪上。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中所述行星齒輪支架內上下對稱地設置有兩 個所述行星齒輪，每個所述行星齒輪的一側嚙合於所述小齒輪，另一側嚙合於所述第二電 機齒輪，兩個行星齒輪分別嚙合於所述小齒輪和第二電機齒輪的兩側，所述行星齒輪繞自身中心軸的轉動方向與所述第一電機齒輪和第二電機齒輪的轉動方向垂直。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中所述大齒輪、小齒輪、行星齒輪、第二電機 齒輪和被動齒輪整體具有圓臺形狀，並在圓臺的母線側面形成齒輪齒。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中所述第一電機齒輪通過軸承並經第一減速 機而連接於主動電機，所述第二電機齒輪通過軸承並經第二減速機而連接於輔助電機，所 述輔助電機連接於一電容器，還包括控制各部件工作的控制機構。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中還包括與所述輔助電機和電容器連接的發 電機，所述控制機構做如下操控當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作負功時，所述輔助電 機不輸出動力，所述主動電機的逆向負載餘能通過行星齒輪而傳遞至所述第二電機齒輪， 通過第二電機齒輪帶動發電機發電，並將其所發電能存儲於電容器；當所述轉速轉矩機械 合成裝置對外作正功時，所述主動電機向第一電機齒輪輸出主動力，同時所述電容器放電， 用儲存的電能驅動所述輔助電機向第二電機齒輪輸出動力，且所述第二電機齒輪和第一電 機齒輪的動力經所述行星齒輪調整後合成輸出至所述被動齒輪上。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中所述輔助電機是可逆的發電-電動機，所 述控制機構做如下操控當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作負功時，所述輔助電機作為 發電機，所述主動電機的逆向負載餘能通過行星齒輪而傳遞至所述第二電機齒輪，通過第 二電機齒輪帶動輔助電機發電，並將其所發電能存儲於電容器；當所述轉速轉矩機械合成 裝置對外作正功時，所述輔助電機作為電動機，所述主動電機向第一電機齒輪輸出主動力， 同時所述電容器放電，用儲存的電能驅動所述輔助電機向第二電機齒輪輸出動力，且所述 第二電機齒輪和第一電機齒輪的動力經所述行星齒輪調整後合成輸出至所述被動齒輪上。
進一步地根據本發明所述的裝置，其中還包括與所述被動齒輪連接的被動主軸， 所述被動齒輪接受的合成動力經被動主軸而向外輸出。
通過本發明所述的轉速轉矩機械合成裝置至少能夠達到以下技術效果I)、在現有技術的基礎上創新性的首次實現了兩個或多個不同轉速、不同扭矩動力的 合成輸出。
2)、通過本發明所述的裝置降低了主電動機的容量，實現了設備的小型化，有效地 調節了電動機的負載，對電動機不穩定的載荷譜曲線「消峰添谷」，極大地提高了電動機的 運行穩定性。
3)、本發明所述的裝置通過電容的充放電，將主電動機在低負載時的逆向負載餘 能儲存於電容，在主電動機高負載時將電容放電以驅動輔助電動機，從而在將兩個電動機 轉矩合成的同時降低了電網的運行荷載，提高了電動機的負載率，進而提高了電動機的運 行效率。
4)、本發明所述的裝置能夠以較低的成本取代變頻調速電動機，且能夠完全取代 現行的逆向負載發電逆變回電網的低效高費用系統，從而改善電網的諧波汙染，使電網供 電更加穩定。


附圖1為本發明所述轉速轉矩機械合成裝置的組成結構示意圖。
圖中各附圖標記的含義如下1、外部機構；2、被動主軸；3、主動電機；4、減速機；5、被動齒輪；6、主動電機大齒輪; 7、主動電機小齒輪；8、行星齒輪支架；9、行星齒輪；10、輔助電機小齒輪；11、減速機；12、輔 助電機；13、電容器；14、發電機；15、控制機構。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的技術方案進行詳細的描述，但並不以此為限。
首先說明本發明所述轉速轉矩機械合成裝置的技術出發點，其是藉助了汽車「差 速器」的原理，採用「差速器」逆運行的方式來實現，汽車的兩個驅動輪是通過一個動力軸驅 動的兩半軸實現的，當汽車在平直的道路上運行時，主動軸將動力平均分配給左右兩半軸， 兩半軸以等轉速等轉矩的方式向前運行。當汽車右轉時，通過差速器分配動力，右側半軸轉 速降低，左側半軸轉速提高，從而實現右轉功能；汽車左轉時，情況亦然。當汽車在泥濘路面 一側動力軸打滑時，另一側動力軸加強扭矩，從而保證了車輛正常運行。因此汽車差速器可 以將一動力軸的動力傳遞給兩半軸，而兩半軸可以是同轉速同扭矩的，亦可以是不同轉速 不同扭矩的。本發明所述裝置通過將汽車「差速器」創新性的進行逆向變換而得到，將不同 轉速不同扭矩的兩動力軸的動力，傳遞給同一轉動軸，獲得兩軸非同步動力合成到同一動 力軸的效果，進一步的兩動力軸的動力亦可基於同樣的原理由其他動力軸合成，從而達到 多非同步動力軸合成到同一動力軸上的動力合成效果，因此本發明所述的機械合成裝置在 現有技術基礎上首次實現了多個不同轉速、轉矩動力的合成輸出。
以下結合附圖1詳細描述本發明所述的轉速轉矩機械合成裝置的組成結構原理。 如附圖1所示，所述機械合成裝置包括被動主軸2、主動電機3、減速機4、被動齒輪5、主動 電機大齒輪6、主動電機小齒輪7、行星齒輪支架8、行星齒輪9、輔助電機小齒輪10、減速機 11、輔助電機12、電容器13、發電機14和控制機構15。所述主動電機3為系統的總動力源， 通過軸承經減速機4而連接於主動電機大齒輪6，向其提供主動力，所述減速機4將主動電 機3的輸出轉矩轉速調整到外部機構I (如抽油機升降機構)所需的轉矩轉速來驅動主動 電機大齒輪6,所述主動電機大齒輪6與被動齒輪5哨合,用於將主動電機3及輔助電機12 的輸出動力合成輸出到被動齒輪5上。所述被動齒輪5聯接與被動主軸2，所述被動主軸2 直接向外部機構I輸出軸動力，該外部機構I可為升降機的升降機構，該機構通過曲軸連杆 機構裝置來實現。所述主動電機大齒輪6上固設有與其同步運行的主動電機小齒輪7和行 星齒輪支架8，在所述行星齒輪支架8內上下對稱設置有兩個行星齒輪9，所述每個行星齒 輪9的一側哨合於主動電機小齒輪7,另一側哨合於輔助電機小齒輪10,兩個行星齒輪9分 別嚙合於主動電機小齒輪7的兩側、以及輔助電機小齒輪10的兩側，所述行星齒輪9在支 架8的支撐作用下整體與主動電機大小齒輪6、7 —同轉動(公轉)，且每個行星齒輪9在小 齒輪7、10的嚙合作用下繞自身的中心軸轉動(自轉)，所述主動電機小齒輪7、主動電機大 齒輪6以及輔助電機小齒輪10的轉動方向一致，且與所述行星齒輪9自身的轉動方向(自 轉)垂直。所述輔助電機小齒輪10通過軸承經減速機11而連接於輔助電機12，減速機11 用於將輔助電機12的輸出轉矩轉速調整到逆向差速器所需的轉矩轉速，所述輔助電機12 連接於電容器13和發電機14，三者互聯使得所述電容器13同時作為充放電設備，在系統作 負功時，通過發電機14將機械能轉化為電能儲存在電容器13上，在系統對外作正功時，電 容器13放電，用儲存的電能驅動輔助電機12轉動，附圖1中示出發電機14與輔助電機12分置於系統中，但實際上可將輔助電機做成可逆的發電-電動機以取消掉獨立的發電機， 也就是說附圖1中與減速機11依次連接的也可以是發電電動機和電容器。
控制機構15用於控制整個轉速轉矩機械合成裝置的具體工作過程當轉速轉矩 機械合成裝置對外作負功時(如抽油機下降過程中)，輔助電機12不輸出動力，所述輔助電 機小齒輪10作為主動電機3的負載穩定裝置，被主動電機小齒輪7通過行星齒輪9而帶動 運轉，輔助電機小齒輪10的轉動動能進一步傳輸至發電機14 (或發電-電動機)，經其轉 化為電能並對電容器13進行充電，從而將低負載時的逆向負載餘能儲存於電容器；當轉速 轉矩機械合成裝置對外作功時(如抽油機上升過程中)，主動電機3輸出主動力，同時電容器 13放電，用儲存的電能驅動輔助電機12，進而帶動輔助電機小齒輪10轉動，輔助電機小齒 輪10的轉動和主動電機3所驅動的主動電機小齒輪7的轉動經行星齒輪9調整合成後通 過主動電機大齒輪6而傳遞至被動齒輪5上，然後通過被動主軸2來實現對外做功，這樣通 過本發明中設置的行星齒輪9即實現了輔助電機與主動電機動力的合成輸出，在這個過程 中不論主動電機和輔助電機輸出的轉速轉矩是否相同，都能夠對其進行合成輸出，具體的 當兩電機12、3同步時，行星齒輪9與兩電機的小齒輪10、7無相對運動，當兩電機12、3存 在轉速差時，行星齒輪9與兩電機小齒輪10、7作相對運動，由於行星齒輪9同時與兩電機 小齒輪10、7相嚙合，能夠將其不同步的轉速調整合成在主動電機大齒輪6上，通過大齒輪6 與被動齒輪5的哨合來實現主動電機及輔助電機合成動力的輸出，最終利用該合成動力來 對外做功。
本發明所述裝置在對外做功的時候，能夠將低負載運行下存儲的餘能疊加到主動 電機輸出的動力上，極大地提高了電動機的負載率和運行效率，通過實踐驗證由於輔助電 機12的使用，可使主動電機3的容量減少1/3，如將其應用於起重機領域時，經試驗在其拉 升負荷工況下，比傳統運行節能約為35%。
本發明所述的轉速轉矩機械合成裝置優選為一種雙轉速轉矩機械合成裝置，完全 通過機械的辦法將兩個不同轉速轉矩的電動機軸功率合成到一個轉動軸上，首次實現了軸 功率的機械合成。
本發明所述裝置能夠達到的技術效果還包括降低了主電動機容量，實現設備小型化，調節電動機的負載，使電動機不穩定的載荷譜 曲線「消峰添谷」，提高了電動機運行穩定性，降低了電網的運行荷載，提高了電動機負載 率，從而提高電動機的運行效率，部分取代變頻調速電動機，通過電容的充放電，將主電動 機在低負載時的逆向負載餘能儲存於電容，在主電動機高負載時將電容放電驅動輔助電動 機，將兩個電動機轉矩合成，從而完全取代現行的逆向負載發電逆變回電網的低效高費用 系統，從而改善電網的諧波汙染，使電網供電更加穩定。
以上僅是對本發明的優選實施方式進行了描述，並不將本發明的技術方案限制於 此，本領域技術人員在本發明的主要技術構思的基礎上所作的任何公知變形都屬於本發明 所要保護的技術範疇，本發明具體的保護範圍以權利要求書的記載為準。
權利要求
1.一種轉速轉矩機械合成裝置，其特徵在於，包括第一電機齒輪、第二電機齒輪、行星齒輪支架(8 )、行星齒輪(9 )和被動齒輪(5 ),所述的行星齒輪支架(8 )與所述第一電機齒輪同步運轉，所述行星齒輪(9)設置於所述行星齒輪支架上，所述行星齒輪(9)的一側嚙合於所述第一電機齒輪，另一側哨合於所述第二電機齒輪，所述被動齒輪(5 )哨合於所述第一電機齒輪，當所述第一電機齒輪和第二電機齒輪同步運轉時，所述行星齒輪(9)與第一電機齒輪和第二電機齒輪無相對運動，當所述第一電機齒輪和第二電機齒輪存在轉速轉矩差時，所述行星齒輪(9)與所述第一電機齒輪和第二電機齒輪作相對運動，並將兩者的不同轉速轉矩動力合成傳遞給所述被動齒輪(5 )。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述第一電機齒輪包括同步運轉的大齒輪和小齒輪，所述被動齒輪(5)哨合於所述大齒輪,所述行星齒輪的一側(9)哨合於所述小齒輪，所述行星齒輪支架固定於所述大齒輪上。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述行星齒輪支架(8)內上下對稱地設置有兩個所述行星齒輪(9)，每個所述行星齒輪(9)的一側嚙合於所述小齒輪，另一側嚙合於所述第二電機齒輪，兩個行星齒輪(9 )分別嚙合於所述小齒輪和第二電機齒輪的兩側，所述行星齒輪(9)繞自身中心軸的轉動方向與所述第一電機齒輪和第二電機齒輪的轉動方向垂直。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述大齒輪、小齒輪、行星齒輪、第二電機齒輪和被動齒輪整體具有圓臺形狀，並在圓臺的母線側面形成齒輪齒。
5.根據權利要求1-4任一項所述的裝置，其特徵在於，所述第一電機齒輪通過軸承並經第一減速機(4)而連接於主動電機(3)，所述第二電機齒輪通過軸承並經第二減速機(11)而連接於輔助電機(12)，所述輔助電機(12)連接於一電容器(13)，還包括控制各部件工作的控制機構(15)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，還包括與所述輔助電機(12)和電容器(13)連接的發電機(14)，所述控制機構(15)做如下操控當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作負功時，所述輔助電機(12)不輸出動力，所述主動電機的逆向負載餘能通過行星齒輪而傳遞至所述第二電機齒輪，通過第二電機齒輪帶動發電機(14)發電，並將其所發電能存儲於電容器(13);當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作正功時，所述主動電機(3)向第一電機齒輪輸出主動力，同時所述電容器(13)放電，用儲存的電能驅動所述輔助電機(12)向第二電機齒輪輸出動力，且所述第二電機齒輪和第一電機齒輪的動力經所述行星齒輪(9)調整後合成輸出至所述被動齒輪(5)上。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述輔助電機(12)是可逆的發電-電動機，所述控制機構(15)做如下操控當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作負功時，所述輔助電機(12)作為發電機，所述主動電機的逆向負載餘能通過行星齒輪而傳遞至所述第二電機齒輪，通過第二電機齒輪帶動輔助電機(12)發電，並將其所發電能存儲於電容器(13);當所述轉速轉矩機械合成裝置對外作正功時，所述輔助電機(12)作為電動機，所述主動電機(3)向第一電機齒輪輸出主動力，同時所述電容器(13)放電，用儲存的電能驅動所述輔助電機(12)向第二電機齒輪輸出動力，且所述第二電機齒輪和第一電機齒輪的動力經所述行星齒輪(9)調整後合成輸出至所述被動齒輪(5)上。
8.根據權利要求1-4任一項、6或7所述的裝置，其特徵在於，還包括與所述被動齒輪(5)連 接的被動主軸(2)，所述被動齒輪(5)接受的合成動力經被動主軸(2)而向外輸出。
全文摘要
本發明提出一種轉速轉矩機械合成裝置，包括主動電機及其齒輪、輔助電機及其齒輪、行星齒輪、被動齒輪和電容器，所述行星齒輪分別嚙合於主動電機齒輪和輔助電機齒輪，所述被動齒輪嚙合於主動電機齒輪，當所述主動電機齒輪和輔助電機齒輪存在轉速轉矩差時，所述行星齒輪將兩者的不同轉速轉矩動力合成傳遞給所述被動齒輪，實現了動力的合成輸出，而且所述裝置通過電容器的充放電，將主電動機在低負載時的逆向負載餘能儲存於電容器，在主電動機高負載時將電容器放電以驅動輔助電動機，從而在合成電機動力的同時降低了電網的運行荷載，提高了電動機的負載率和運行效率。
文檔編號H02K7/116GK103047373SQ201310003400
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者張萬璐, 張穹希 申請人:張萬璐