无级调矩三相异步电动机的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种无级调矩三相异步电动机，用来解决大多数三相异步电动机在额定工作状态下，尤其是在额定电流状态下，所输出的转矩不可调节的问题。本实用新型可以仍在额定电流状态下工作、却能够根据负载的变化而主动的、准确的调节所输出的转矩，而且是无级的调节。本实用新型采用平面圆盘形转子，其两侧平面上固定有由铜或铝制作的导电层；在靠近转子的两侧平面附近布置有镶嵌着三组线圈的铁芯；三组线圈通入三相交流电后产生移动磁场致使转子旋转；改变铁芯及线圈相对于圆盘形转子半径的位置，就可以调节转子输出的转矩和转速；其输出为恒功率特性。本实用新型采取模块化组合，可以用较少规格的零部件装配成较多规格的产品。
【专利说明】
无级调矩三相异步电动机
技术领域
[0001]本实用新型属于一种三相异步电动机，尤其是能够无级的调节输出转矩的三相异步电动机。
【背景技术】
[0002]目前各电动机厂家生产的大多数三相异步电动机，在额定工作状态下，尤其是在额定电流状态下，所输出的转矩都是恒定的、不可调节的。另有一些以调节速度为目的的三相异步电动机在调节速度时，要么其所输出的转矩仍然是恒定的，要么随着速度的变化，转矩会被动的、不确定的变化。而且它们往往在调节速度、转矩被动和不确定变化的过程中，效率或输出功率都会有较大的降低。产生这种降低的原因在于:为了调节速度的需要，人为的增加了转子或定子电路的电阻、或复杂的耗电元件，或人为的限制了相关电路的电压或电流。因此，之前的大部分单台三相异步电动机，其适用负载阻力矩范围较窄，通常还须配套机械减速机或机械变速器来适应不同的负载阻力矩。这无疑增加了设备的成本。
[0003]上述三相异步电动机的不足之处，在各种三相异步电动机手册的有关参数中都能体现出来。
【实用新型内容】
[0004](—)、本实用新型所要解决的技术问题，就是上述【背景技术】中所提到的:三相异步电动机在额定工作状态下，尤其是在额定电流状态下，所输出的转矩不可调节的问题。本实用新型提供一种仍在额定电流状态下工作、且效率和功率的降低相对轻微、却能够根据负载的变化，而主动的、准确的改变所输出转矩的三相异步电动机。
[0005](二)、本实用新型的技术方案如图4所示，现介绍如下:
[0006]1、转子I为平面圆盘形状，与转子轴20制作成一体或固结在一起;转子I的主体结构由电工纯铁或硅钢制作，并且在其两侧平面上，通过铆接或熔融，固定有由铜或铝制作的导电层；
[0007]在靠近转子I的左侧平面附近，布置有后铁芯12;后铁芯12的几何对称平面通过转子I的轴线；后铁芯12由梳齿状硅钢片叠成，并包括有在其四个齿隙中镶嵌的三组线圈；线圈的端面平行于转子I的平面；线圈的端面形状为跑道形，且各线圈的跑道形直边互相平行;三组线圈的直边所形成的几何对称中心平面与后铁芯12的几何对称平面重合;后铁芯12还包括有轴线在其几何对称平面上并与转子I的平面互相平行的两个圆孔，以及固定在圆孔中的后光孔导向套8和后内螺纹套10;通过后光孔导向套8和后内螺纹套10，后铁芯12被安装在后导向轴7和后螺纹轴9上;后导向轴7与后光孔导向套8的配合、以及后螺纹轴9与后内螺纹套10的配合，均为间隙配合;后导向轴7的两端固定在机座壳体上;后螺纹轴9则通过其上靠近两端布置的轴承安装在机座壳体上，能够灵活旋转;后铁芯12安装到位后，与转子I的平面靠近但不接触，而是留有空气间隙；
[0008]位于转子I右侧平面附近布置的前铁芯14、前光孔导向套19、前内螺纹套17、前导向轴18、前螺纹轴16，除前螺纹轴16比安装有从动锥齿轮6的后螺纹轴9其靠近转子I的轴线处一端，亦即内端，其长度要短、并缺少从动锥齿轮6之外，尺寸与后铁芯12、后光孔导向套
8、后内螺纹套10、后导向轴7、后螺纹轴9完全相同，且位置对称于转子I两侧平面的对称中心面；
[0009]后螺纹轴9的内端固定有从动锥齿轮6，其与固定在调矩轴4上的主动锥齿轮5啮合;调矩轴4通过轴承安装在机座壳体上，可以灵活旋转;调矩轴4的另一端，亦即后端，与伺服微电机2的前端输出轴伸联结，可以由伺服微电机2带动旋转;伺服微电机2的后端输出轴伸上固定有手轮3，可以用来手动旋转伺服微电机2，进而使调矩轴4旋转;伺服微电机2的定子端面固定在本实用新型主机的后端机座壳体上;手轮3、伺服微电机2、调矩轴4、转子1、转子轴20，五者共轴线；
[0010]后螺纹轴9远离转子I轴线的一端，亦即外端，固定有后齿轮11;后齿轮11与通过轴承和短轴安装在机座壳体上的过桥齿轮13相啮合;过桥齿轮13又与转子I右侧的前螺纹轴16外端上固定的前齿轮15相啮合;三个齿轮中，后齿轮11、前齿轮15的模数、齿数均相同，而过桥齿轮13的模数相同，但齿数可以相同也可以不相同。
[0011]2、转子平面附近布置的每只铁芯及相关的导向轴、螺纹轴、齿轮，这些主要零件装配在一起，共同构成一组定子单元;根据电动机所需提供的功率、转矩、以及对体积和重量的限制要求，定子单元可以在转子平面附近围绕转子轴线辐射状的布置成I组、2组、3组、4组、直到8组;转子平面同侧附近布置的各组定子单元，组成一套定子部件;转子平面两侧相对于转子两侧平面的对称中心面各对称布置一套定子部件。
[0012]3、由转子I及转子轴20、转速传感器21、一套定子部件、与定子单元数量相等的过桥齿轮、前端机座壳体这些主要零部件装配成前端模块；由另外的转子及转子轴、两套定子部件、与定子单元数量相等的过桥齿轮、中间机座壳体这些主要零部件装配成中间模块；由一套定子部件、与定子单元数量相等的从动锥齿轮6、主动锥齿轮5及调矩轴4、伺服微电机
2、手轮3、后端机座壳体这些主要零部件装配成后端模块;然后可以由前端模块、中间模块、后端模块灵活组合成四种规格的无级调矩三相异步电动机;前端模块与后端模块可以组合成基本规格;在基本规格上每增加一个中间模块，就成为一个新的规格。
[0013]4、配备有自动控制系统;其自动控制系统所包含的主要元件除了起执行作用的伺服微电机2之外，还有转速传感器21、电流传感器、电压传感器、可编程控制器、电流显示表、电压显示表、功率显示表，以及转矩设定及显示表、转速设定及显示表;这些相关元件都集成在控制盒中。
[0014](三)、本实用新型的有益效果是:①、在额定的电压、电流、输出功率的前提下，能够输出较宽广范围的转矩，并且对输出转矩能够进行自动的、无级的调节;②、在额定的电压、电流、输出功率的前提下，不但能够输出较宽广范围的转矩，还能够输出较宽广范围的转速，并且对输出转速也能够进行自动的、无级的调节;③、由于以上两点，本实用新型在与其它机械设备配套时，通常不需再配套机械减速机或机械变速器来适应不同的负载阻力矩，这无疑降低了设备的成本;④、由于定子单元的数量及中间模块的数量，在一定的范围内可以进行灵活的加减与组合，这使得用较少规格的零部件，可以制造较多规格的无级调矩三相异步电动机;这无疑有利于增加产量、降低成本。
【附图说明】
[0015]图1至图3分别为本实用新型由前端模块、后端模块组合后的外形主视图、左视图、俯视图；
[0016]图4为图2沿A-A剖开后的视图，但对伺服微电机2、手轮3未进行剖分，并且隐去了水平布置的定子单元；
[0017]图5为图4沿B-B剖开后的放大视图；
[0018]图6至图8分别为铁芯的主视图、左视图、俯视图；其中图6为图7沿C-C剖开后的视图；
[0019]图9为用以叠成铁芯的梳齿形硅钢片及线圈通电后铁芯中产生的磁力线横向穿过转子圆盘的示意图，但隐去了线圈；
[0020]图1O至图12分别为前端壳体的主视图、左视图、俯视图；其中图10为图11沿E-E剖开后的视图；
[0021]图13为图10沿D-D剖开后的视图；
[0022]图14至图16分别为中间壳体的主视图、左视图、俯视图；其中图14为图15沿G-G剖开后的视图；
[0023 ]图17为图14沿F-F剖开后的视图；
[0024]图18至图20分别为后端壳体的主视图、左视图、俯视图；其中图18为图19沿1-1剖开后的视图；
[0025 ]图21为图18沿H-H剖开后的视图；
[0026]图22为前端模块的主剖视图，但隐去了水平布置的定子单元及齿轮罩；
[0027]图23为中间模块的主剖视图，但隐去了水平布置的定子单元及齿轮罩；
[0028]图24为后端模块的主剖视图，但对伺服微电机2、手轮3未进行剖分，并且隐去了水平布置的定子单元及齿轮罩；
[0029]图25为前端模块、后端模块的待组合示意图；
[0030]图26为前端模块、中间模块、后端模块的待组合示意图；
[0031 ]图27为如端I旲块、中间I旲块、后端I旲块组合完成后的不意图；
[0032]图28为控制系统原理不意图。
【具体实施方式】
[0033]前面介绍的本实用新型的技术方案，基本体现了本实用新型的【具体实施方式】;至于其工作原理和其它细节，则如下所述。
[0034](一)、转矩的产生和调节
[0035]在图4中，当我们给铁芯的三组线圈中分别通入三相交流电时，每只线圈所包裹的梳齿中就产生了磁场并有磁力线穿出或穿入，代表了磁通量的密度和方向，亦即磁感应强度。通电时，我们使通入转子I两侧的对称线圈中电流相位和方向都一致，这样所产生的磁力线就会从一侧铁芯出来横向穿过转子I的圆盘后进入另一侧的铁芯并形成回路。其磁力线回路如图9所示。由于通入的是三相交流电，于是就产生了移动的磁场和磁力线，造成了转子I两侧面的导电材料切割磁力线的效果，于是在两侧面的导电材料中产生了感生电流。而根据安培定律，感生电流在磁场中要受到力的作用，于是转子I产生旋转并通过转子轴20对外输出转矩和转速。这与常用的三相异步电动机的工作原理是相同的，只不过将后者作用于笼形转子圆周导电条上的电磁力被作用于转子I两侧平面导电材料中的电磁力所替代。
[0036]转子轴20输出转矩的大小，除与转子I两侧平面上产生的电磁力的大小有关外，还与此电磁力作用在转子I两侧平面上不同的半径位置有关。电磁力大小一定的前提下，作用在转子I两侧平面上的半径越大，转子轴20输出转矩就越大;反之则越小。
[0037]当通过伺服微电机2或手轮3使调矩轴4旋转时，固定在调矩轴4上的主动锥齿轮5就带动从动锥齿轮6旋转，则与从动锥齿轮6固结在一起的后螺纹轴9随着一起旋转。而后铁芯12通过后光孔导向套8和后内螺纹套10被安装在后导向轴7和后螺纹轴9上;但后导向轴7限制了后铁芯12的旋转，因此当后螺纹轴9旋转时，后铁芯12就沿着后螺纹轴9和后导向轴7轴向移动，因此就改变了相对于转子I两侦U平面的半径位置，进而调节了转子轴20的输出转矩。
[0038]当后螺纹轴9带动后铁芯12轴向移动的同时，其外端固定的后齿轮11同时带动过桥齿轮13旋转;过桥齿轮13又通过前齿轮15带动前螺纹轴16—起旋转;进而，前铁芯14也沿着前螺纹轴16和前导向轴18产生轴向移动，改变了相对于转子I的半径位置。由于设计和制作时使后齿轮11与前齿轮15的齿数均相同，后螺纹轴9与前螺纹轴16的旋向、螺距、螺纹外径也相同，安装时使后铁芯12与前铁芯14相对于转子I两侧平面上的半径初始位置也相同；因此，在调矩轴4被旋转时，后铁芯12和前铁芯14同向移动，始终处在转子I两侧的对称位置，同步的调节着转子轴20输出转矩的大小。
[0039]同样的道理，各组定子单元均是这样的状况。
[0040]由于螺纹轴上的螺纹是连续的，所以铁芯在螺纹轴上的移动是无级的，因而对转子轴20输出转矩的调节也是无级的;故本实用新型的名称中强调了“无级”调矩。
[0041](二)、转速的调节
[0042]参见图4，本实用新型在调节转子轴20输出转矩的同时，还产生了改变转子轴20输出转速的效果;因而也具有调节转速的功能。
[0043]因为通常三相交流电的频率是固定的，所以铁芯及线圈产生的磁场和磁力线移动的线速度也是固定的；而一般情况下，转子I平面上对应铁芯所在半径处的线速度要低于移动磁场的线速度，两者之间有差值，这就是所谓的“异步”。但在正常的额定工作状况下，这个差值也是一定的。换言之，转子I平面上对应铁芯所在半径处的线速度也是一定的。所以，固定线速度的移动磁场和磁力线，作用于转子I平面上不同的半径处，便产生了转子I不同的角速度，进而改变了转子轴20的输出转速。半径越大，转子轴20输出转矩越大，输出转速则越小；半径越小，转子轴20输出转矩越小，输出转速则越大。但两者相乘之积，即输出功率，则基本是恒定的。
[0044]由于本实用新型具有恒功率输出性质，所以特别适用于卷绕设备、机床主轴、起重设备、走行驱动等机械设备。
[0045](三)、模块化设计与组合
[0046]如图22所示，由转子I及转子轴20、转速传感器21、一套定子部件、与定子单元数量相等的过桥齿轮、前端机座壳体这些主要零部件装配成前端模块;转子I其圆盘中心制作有花键孔，前端机座壳体左端制作有外止口。
[0047]如图23所示，由另外的转子及转子轴、两套定子部件、与定子单元数量相等的过桥齿轮、中间机座壳体这些主要零部件装配成中间模块;其转子圆盘中心制作有花键孔，右端转子轴头则制作有花键轴，中间机座壳体左端制作有外止口，中间机座壳体右端则制作有内止口。
[0048]如图24所示，由一套定子部件、与定子单元数量相等的从动锥齿轮6、主动锥齿轮5及调矩轴4、伺服微电机2、手轮3、后端机座壳体这些主要零部件装配成后端模块;其后端机座壳体右端则制作有内止口。
[0049]各模块机座壳体联结耳片上，右端的均制作有光孔，左端的均制作有螺纹孔。
[0050]在设计和制作时，各机座壳体止口的配合、相关齿轮的啮合、花键的配合、铁芯的位置，均予以了充分的考虑。因此各模块组合时，只要先将各铁芯调整到最靠近转子轴线的位置，然后将壳体的底座平面互相平齐，并将壳体的止口对上，各齿轮便会正确啮合，铁芯与转子盘的空气间隙便会正确到位，花键孔与花键轴也会正确配合，机座壳体上的联结耳孔也会正确就位。这时只要将联结螺钉拧紧，将线圈的引出线头正确连接，选用配套的齿轮罩将齿轮密封，再装上配套的控制盒，无级调矩三相异步电动机的组合便告完成。
[0051](四)、自动控制
[0052]本实用新型的自动控制分两种模式，一种是以调节转矩为目的，另一种是以调节转速为目的。其控制原理及过程分述如下。
[0053]①、调节转矩控制
[0054]电动机一旦制造完成，其结构和材料就确定了它有一个最佳的工作状态，我们一般用一组额定值来体现它。其中额定转矩、额定转速、额定电流就是三个互相影响、互相协调的额定值。对于本实用新型，额定转矩、额定转速不是固定的单值，而是有着较大的调整区间；但额定电流是一定的。短时间高于额定电流工作是允许的，比如电动机启动时。但如果长时间高于额定电流工作，将使电动机过分发热，影响绝缘强度甚至烧毁。如果长时间低于额定电流工作，则电动机的功率得不到充分发挥，也是一种浪费。
[0055]当本实用新型拖动设备工作时，如果负载的阻力矩，其与铁芯此刻在转子某半径处所产生的输出力矩相等，则电动机在额定电流下工作。
[0056]参见图4，如果负载的阻力矩增大了，转子的转速势必就有减慢的趋势；而铁芯及线圈产生的磁场和磁力线移动的线速度是固定的，移动磁场的线速度与转子I平面上对应半径处的线速度之差就会增大;按照法拉第电磁感应定律，在转子平面的导电材料上感应的电流就会增加，此电流所产生的磁通量也会增加，铁芯线圈中也会增加电流去反抗转子磁通量的增加。电流传感器就会将铁芯线圈中电流增加的讯号送给可编程控制器，可编程控制器就会接通伺服微电机2的电源，使伺服微电机2旋转，进而通过调矩轴4、主动锥齿轮
5、从动锥齿轮6、后螺纹轴9带动铁芯移动，增大相对于转子I的半径位置，进而增加了输出转矩，直到与阻力矩平衡、移动磁场的线速度与转子I平面上对应半径处的线速度之差回到正常状态、电流也回到额定值。
[0057]如果负载的阻力矩减小了，转子的转速势必就有加快的趋势；而铁芯线圈产生的磁场和磁力线移动的线速度是固定的，移动磁场的线速度与转子I平面上对应半径处的线速度之差就会减小；按照法拉第电磁感应定律，在转子平面的导电材料上感应的电流就会减小，此电流所产生的磁通量也会减小，铁芯线圈中也会减小电流去反抗转子磁通量的减小。电流传感器就会将电流减小的讯号送给可编程控制器，可编程控制器就会反向接通伺服微电机2的电源，使伺服微电机2反向旋转，进而通过调矩轴4、主动锥齿轮5、从动锥齿轮
6、后螺纹轴9带动铁芯移动，减小相对于转子I的半径位置，进而减小了输出转矩，直到与阻力矩平衡、移动磁场的线速度与转子I平面上对应半径处的线速度之差回到正常状态、电流也回到额定值。
[0058]由之前所述可知，调节过程中各组定子单元均同步动作。
[0059]从上述分析可以看出，本实用新型能够在控制系统的作用下，自动的根据负载阻力矩的变化而调节输出转矩，并且可无级调节，使之适应负载，而且使电动机仍然在额定电流下工作。
[0060]另外，也可以按机器设备的工作需要，向可编程控制器预先输入一条电动机的输出转矩随时间的变化曲线，令其按预定的曲线进行调节。
[0061]在负载阻力矩变化不频繁且变化范围也不大的情况下，本实用新型也可以不配备控制系统及伺服微电机2，而直接将手轮3安装在调矩轴4上，通过手动旋转手轮3而人工调节电动机的输出转矩。这样，既能满足无级调矩的需要，又能降低电动机成本。
[0062]②、调节转速控制
[0063]由于本实用新型具有恒功率输出性质，在各种转速下，都有与之相对应的最大允许负载阻力矩;故此，在调节转速的模式下，须确保负载不超过其工作转速时的最大允许阻力矩;否则，电动机将会在大于额定电流的状态下运行。
[0064]参见图4，转速的调节相对较为简单。可以预先给可编程控制器输入一个设定转速值，而后转速传感器21随时将实际转速输入可编程控制器进行比较;根据比较结果，可编程控制器按不同的方向和时间长短给伺服微电机2通电，从而改变铁芯相对于转子I的半径位置，进而调节转子I的输出转速，直到与设定转速值一致。
[0065]另外，也可以按机器设备的工作需要，向可编程控制器预先输入一条电动机的输出转速随时间的变化曲线，令其按预定的曲线进行调节。
[0066]与转矩调节相类似，在负载所需转速变化不频繁的情况下，本实用新型也可以不配备控制系统及伺服微电机2，而直接将手轮3安装在调矩轴4上，通过手动旋转手轮3而人工调节电动机的输出转速。这样，既能满足无级调速的需要，又能降低电动机成本。
【主权项】
1.一种无级调矩二相异步电动机，其特征是: 转子(I)为平面圆盘形状，与转子轴(20)制作成一体或固结在一起;转子(I)的主体结构由电工纯铁或硅钢制作，并且在其两侧平面上，通过铆接或熔融，固定有由铜或铝制作的导电层； 在靠近转子(I)的左侧平面附近，布置有后铁芯(12);后铁芯(12)的几何对称平面通过转子(I)的轴线;后铁芯(12)由梳齿状硅钢片叠成，并包括有在其四个齿隙中镶嵌的三组线圈；线圈的端面平行于转子(I)的平面；线圈的端面形状为跑道形，且各线圈的跑道形直边互相平行；三组线圈的直边所形成的几何对称中心平面与后铁芯(12)的几何对称平面重合;后铁芯(12)还包括有轴线在其几何对称平面上并与转子(I)的平面互相平行的两个圆孔，以及固定在圆孔中的后光孔导向套(8)和后内螺纹套(10);通过后光孔导向套(8)和后内螺纹套(10)，后铁芯(12)被安装在后导向轴(7)和后螺纹轴(9)上;后导向轴(7)与后光孔导向套(8)的配合、以及后螺纹轴(9)与后内螺纹套(10)的配合，均为间隙配合；后导向轴(7)的两端固定在机座壳体上;后螺纹轴(9)则通过其上靠近两端布置的轴承安装在机座壳体上，能够灵活旋转;后铁芯(12)安装到位后，与转子(I)的平面靠近但不接触，而是留有空气间隙； 位于转子(I)右侧平面附近布置的前铁芯(14)、前光孔导向套(19)、前内螺纹套(17)、前导向轴(18)、前螺纹轴(16)，除前螺纹轴(16)比安装有从动锥齿轮(6)的后螺纹轴(9)其靠近转子(I)的轴线处一端，亦即内端，其长度要短、并缺少从动锥齿轮(6)之外，尺寸与后铁芯(12)、后光孔导向套(8)、后内螺纹套(10)、后导向轴(7)、后螺纹轴(9)完全相同，且位置对称于转子(I)两侧平面的对称中心面； 后螺纹轴(9)的内端固定有从动锥齿轮(6)，其与固定在调矩轴(4)上的主动锥齿轮(5)啮合;调矩轴(4)通过轴承安装在机座壳体上，可以灵活旋转；调矩轴(4)的另一端，亦即后端，与伺服微电机(2)的前端输出轴伸联结，可以由伺服微电机(2)带动旋转;伺服微电机(2)的后端输出轴伸上固定有手轮(3)，可以用来手动旋转伺服微电机(2)，进而使调矩轴(4)旋转;伺服微电机(2)的定子端面固定在本实用新型主机的后端机座壳体上;手轮(3)、伺服微电机(2)、调矩轴(4)、转子(1)、转子轴(20)，五者共轴线； 后螺纹轴(9)远离转子(I)轴线的一端，亦即外端，固定有后齿轮(11);后齿轮(11)与通过轴承和短轴安装在机座壳体上的过桥齿轮(13)相啮合;过桥齿轮(13)又与转子(I)右侧的前螺纹轴(16)外端上固定的前齿轮(15)相啮合;三个齿轮中，后齿轮(11)、前齿轮(15)的模数、齿数均相同，而过桥齿轮(13)的模数相同，但齿数可以相同也可以不相同。2.如权利要求1所述的无级调矩三相异步电动机，其附加特征是:配备有自动控制系统;其自动控制系统所包含的主要元件除了起执行作用的伺服微电机(2)之外，还有转速传感器(21)、电流传感器、电压传感器、可编程控制器、电流显示表、电压显示表、功率显示表，以及转矩设定及显示表、转速设定及显示表;这些相关元件都集成在控制盒中。
【文档编号】H02K17/32GK205430010SQ201521013040
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】王培森
【申请人】王培森