专利名称：用于泵和风扇的联合变速驱动和减速器的制作方法
申请人要求美国专利申请号为60/046,035和60/046,765的悬而未决临时的专利申请的权利，这两个专利申请于1997年5月8日同时提交。
本发明的背景本发明领域本发明一般涉及一种用于泵和风扇的变速驱动系统，更加具体来说，是涉及一种用于泵和风扇的联合变速驱动和减速器，其使用一个将来自一个主电动机和一个辅助电动机/发电机的轴输出进行联合的变速器。
背景技术：
的讨论只是在美国，风扇和泵每年的能量消耗就达到上百亿美圆。在世界范围，其每年的消耗大约超过了上千亿美圆。工程师和设计者投入了大量的精力开发改善风扇和泵的能力的电力和机械的方法，但是大多数风扇和泵仍然在稳定的流量下工作。
在很多应用中，控制风扇和泵的转速是一个减少能量消耗的重要因素。流体传输设备通常在功率和转速之间具有立方的关系。在同一时刻流量直接与转速成比例。这些关系意味着在一半转速下运行风扇或泵具有一半的流量，但是只使用了设计输入功率的八分之一。其它例如节流阀、入口叶片等减少流量的装置比变速风扇和泵给出了更加少的能量节省和通常具有更高的噪音水平。
另外，通常需要在低速运行风扇和泵，甚至在设计条件下。例如，当使用大直径低转速的风扇传输相同的空气流量时，效率和噪音水平很快下降。具有较低速的一般设备包括低速电动机，其费用高并且在使用中有所限制。皮带驱动是一个费用低的选择，但是要求经常维护并降低了可靠性。一些时候也使用齿轮驱动，其比皮带驱动具有较高的可靠性，但是在很多情况下增加了费用。
几种系统被用于控制风扇和泵的转速。在更加一般的情况下，是多级变速电动机，带有感应电动机的变频驱动和电磁离合器。周转齿轮作为变速驱动的一部分已被广泛应用。这些设备在以下美国专利中已被应用463,127；711,663；854,721；855,623；1,197,789；1,235,132；1,270,028；1,409,061；1,442,217；1,500,860；1,594,396；1,828,944；2,133,365；2,384,776；2,390,240；2,390,487；2,397,062；2,436,936；2,440,614；2,485,126；2,578,837；2,581,886；2,666,876；2,693,080；2,757,856；3,405,572；3,729,957；3,853,432；4,086,019；4,441,462；4,514,991；4,467,230；4,525,655；4,579,019和4,916,894。
其它申请已开发出一种使用将来自两个电动机的输入联合的机械变速器的驱动。在最早提及这种方法的专利中是爱迪生的美国专利号为436,127的专利，其描述了用于驱动街道汽车的系统。
津斯迈耶(Zinsmeyer)的专利号为4,514,991的美国专利描述了用于在蒸汽压缩系统中的离心压缩机的一个系统。这个系统不适合用于风扇和泵，因为它特别设计用于压缩气体，而不是传输流体。对照于电动机输入转速，它也被设计以提高压缩机速度。
本发明概述因此，本发明的一个目的是提供一个用于风扇和泵的新的改进的变速驱动系统。
本发明的另一个目的是提供一个用于改善现有风扇和泵系统的变速驱动。
本发明的进一步的目的是提供一个减少功率消耗的变速泵和风扇驱动系统。
本发明的另一个目的提供一个可靠的小型的和低成本的变速驱动。
简要来说，本发明的这些和其它目的可以通过提供一个运行在恒定速度的主电动机、和一个能够在不同速度下运行的辅助电动机/发电机来实现。一个变速器连接两个带有泵或风扇叶轮的电动机。变速器包括周转齿轮。
本发明具体提供了变速的流体传输装置，其包括一个通过旋转传输流体的叶轮，一个在预定的恒定转速下运行的主电动机，一个在可控的变速下运行的辅助电动机/发电机和一个用于将所述主电动机和所述辅助电动机/发电机驱动连接到所述叶轮上的变速器，以便于所述辅助电动机/发电机的转速的变化可以改变所述叶轮的转速。
通过结合附图参考以下的详细描述，将容易获得和更好的理解本发明更加全面的评价及其附带的优点，其中图1是本发明的一般方框图；图2本发明第一实施例的简图；图3是用于改善一个现有系统的本发明第二实施例的简图；图4是风扇的转速对照于功率的曲线图；
图5是流量对照于输入功率的曲线图。
优选实施例的描述图1是一个方框图，显示了本发明的基本布置。主电动机1和辅助电动机/发电机3连接到变速器装置2。变速器将两个输入合并为一个输出以驱动叶轮4。
尽管可能为多级变速电动机或其它类型的电动机，主电动机1通常为一个恒转速的感应电动机。固定转速感应电动机的主要优点是其相对低的费用、简单、可靠和高效率。
辅助电动机/发电机3通常为一个带有一个变频驱动的感应电动机，其也可以作为一个发电机运行。其它选项是其只作为电动机运行或只作为发电机运行。在变频感应电动机是最可能选择时，其它可能的驱动是多级变速感应电动机、直流电动机、转换磁抗电动机或高转差感应电动机。如后面所描述的，尽管专门地使用一个发电机也是一个好的选择，使用一个能够作为电动机和发电机二者的驱动系统具有一些优点，即减小了设备的尺寸。
变速器装置2将来自主电动机的轴输入20与来自辅助电动机/发电机的轴输入22结合一起成为一个对于叶轮4的输出。变速器装置通常包括周转齿轮。它也可以包括皮带驱动，特别是对现有皮带驱动设备的改型。从变速器最大的输出转速通常是与主电动机的转速相同或较低。
该变速器的一个优点是可能减少主电动机的大小和费用。电动机的重量大约与其扭矩成比例，对于给定的输出功率，其与转速成反比例关系。这个分析意谓着对于相同的功率等级，1200转/分钟的电动机材料重量和费用大约是3600转/分钟电动机的三倍。变速器降低到较低输出转速的能力将允许使用较高速的电动机，其将转换为电动机材料费用的节省。较小的尺寸也将帮助将系统安装到现有电动机所占有的空间和应当减少安装和库存的花费。
在操作中，主电动机1将在一个恒定的转速下运行以驱动变速器2。辅助电动机/发电机3将在一个可变的转速下工作以改变变速器2的输出转速，从而可变地降低叶轮4的转速。
图2显示了用于实现大的减速的新系统的优选实施例。主电动机1驱动一个行星齿轮系统中的恒星齿轮5。辅助电动机/发电机3连接到齿轮8，齿轮8驱动环形齿轮7。行星齿轮架6驱动叶轮4。制动器9能够手动操作以防止环形齿轮的转动。这个设置能够容易实现一个2∶1到3∶1的减速。主电动机可以是一个两极的感应电动机并且辅助电动机/发电机能够使用变频驱动运行到3600转/分钟或更高的转速。
优选实施例按以下操作运行。主电动机1基本运行在一个恒定的转速并且驱动以一个恒定的转速驱动恒星齿轮5。辅助电动机/发电机3改变环形齿轮7的速度。行星齿轮架6将来自环形齿轮和恒星齿轮的输入相加，这意谓着辅助电动机/发电机的速度的变化将改变行星齿轮架的速度。因为行星齿轮架连接到叶轮4上，叶轮的速度也响应辅助电动机/发电机的速度而变化。叶轮的最大速度对应于该电动机/发电机作为一个电动机向该变速器增加功率的情况。在最小速度下，对应于该电动机/发电机作为一个发电机从该变速器吸收功率的情况。制动器9防止环形齿轮转动并且允许主电动机以一个中间的速度驱动叶轮。
一个可选的配置是将电动机/发电机连接到行星齿轮架上而由环形齿轮驱动叶轮。增加附加齿轮以调节输入到或从变速器输出的速度也是所希望的。
另外一个可能是具有一个变速器，其具有一个与主电动机的速度紧密配合的最大输出速度。这个布置在改善现有保存的电动机的情况下是有用的。对此有很多方法能够实现。
图3显示了用于改善现有装置的适合的优选实施例。它使用两个行星齿轮系统。输入轴14被连接到主电动机1和第一恒星齿轮5。恒星齿轮5依次驱动一对行星齿轮17，行星齿轮17围绕着恒星齿轮和驱动行星齿轮架10旋转。这个行星齿轮架围绕着输入轴自由旋转并且支持着两个系统的行星齿轮。辅助电动机/发电机3驱动齿轮13，齿轮13驱动第一环形齿轮7。制动器9防止在辅助电动机/发电机不运行的情况下第一环形齿轮进行转动。第二环形齿轮11不旋转并且可以连接到主电动机的基座或其它适合的支撑。该行星齿轮架驱动第二套行星齿轮16，第二套行星齿轮16与第二环形齿轮啮合并且驱动一个第二恒星齿轮12。输出轴15与该第二恒星齿轮12和叶轮4相连接。输出轴15是空心的，在输入轴的周围装配，并且围绕着输入轴自由旋转。这个实施例的意义是在做最少的改变和可以使用现有的电动机作为主电动机的情况下进行改型。
如果用于两个行星齿轮系统的齿轮是相同的，于是该电动机/发电机将优选只作为一个发电机来运行。当辅助发电机轴没有转动时，叶轮最大的速度与主电动机的速度将是相同的。
一个可选的设置将允许辅助电动机/发电机在两个方向运行并具有叶轮的最大速度等于主电动机的最大速度。这将要求两个行星齿轮系统的齿轮传动比具有微小的差别，以便当辅助轴没有转动时提供一个小的减速。两个配置在改进直接驱动风扇和泵中特别有用并且允许使用现有的主电动机。
变速器一般将包括一个制动器以防止来自辅助电动机/发电机的轴的旋转。这个制动器在辅助电动机/发电机失效的情况下能够被手动或自动操作，以便允许主电动机以一个恒定速度驱动叶轮。
用于当辅助电动机/发电机只作为电动机运行时的情况的另外一个选择是使用一个制动器以防止辅助轴的反向旋转。这个用于在变速驱动失效的情况下的连续工作的简单的低成本的设备是本发明的主要优点。
根据具有相对于速度的立方的功率的关系确定用于风扇或泵的辅助电动机/发电机的大小，Paux＝Pout，0(Nout/Nout，0)2(Nout/Nout，0-1)其中，Paux＝辅助电动机/发电机功率，Pout，0＝当辅助轴速度为零时的输出功率，Nout＝输出轴速度，和Nout，0＝当辅助轴速度为零时的输出速度。
图4显示了辅助输入功率与输出轴速度具有如何的函数变化关系。参考条件对应于一个为零的辅助输入轴速度。对于低于这个点的输出速度，辅助功率是负的，这意谓着辅助轴从驱动移去功率。辅助功率在参考速度的2/3处达到输出功率的一个最小值(最大绝对值)-4/27。
在高于参考速度的输出速度处，辅助功率是一个正值，这意谓着给驱动增加功率。在输出速度为参考速度的1.118处辅助功率达到参考功率的+4/27。这个速度对应于为一个参考功率1.4倍的输出功率。
这个分析能够被用于确定辅助输入的大小。在是发电机的情况下，当辅助轴停止时就会出现最大风扇速度。产生的最大热量发生在全输出速度的2/3处和对应于全负荷风扇功率的的4/27处。这样对于100马力的风扇，发电机将具有操纵14.8马力的能力。
对于一个辅助电动机/发电机能够在两个方向旋转的情况，它的功率需求就更加减小了。如果测定辅助轴输入的大小以在任一方向操纵相同的功率，可通过一个因子1.4来减小需求。净结果是对于稍微超过总全负荷输出的10％，能够测定辅助输入的大小。这个分析意谓者一个90马力固定速度的电动机和10马力变速电动机/发电机能够对100马力的风扇供应动力。
图5显示了相对于现有系统本发明是如何提供极高的工作效率的。周转齿轮能够获得99％的效率，这意谓着从固定速度电动机到风扇几乎没有损失。因为辅助电动机/发电机是这样小以至于它的损失也小。结果是对于变风扇或泵速度的一个系统比任一其它现有商业应用的系统更有效率。
本发明一个附加的好处是减少了与变频驱动相关联的电力噪音。用于辅助电动机/发电机的驱动的现有要求比驱动主电动机的要求小一个数量级。结果是生产的电力噪音有一个相应的减小，这将对在靠近计算机、联系齿轮和其它敏感设备的应用具有显著的好处。
权利要求
1.一个变速流体传输设备，其包括一个通过旋转传输流体的叶轮；一个主电动机，其在一个预定的恒定的转速下运行；一个辅助电动机/发电机，其在可控的变化速度下运行；变速器装置，其将所述主电动机和所述辅助电动机/发电机驱动地连接到所述叶轮上，以便于所述辅助电动机/发电机的转速的变化改变了所述叶轮的转速。
2.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述变速器装置包括周转齿轮。
3.如权利要求2所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述周转齿轮包括一个恒星齿轮，该恒星齿轮驱动地连接到所述主电动机，一个行星齿轮架，该行星齿轮架驱动地连接到所述叶轮，和一个环形齿轮，该环形齿轮驱动地连接到所述辅助电动机/发电机。
4.如权利要求2所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述周转齿轮包括一个恒星齿轮，该恒星齿轮驱动地连接到所述主电动机，一个行星齿轮架，该行星齿轮架驱动地连接到所述辅助电动机/发电机，和一个环形齿轮，该环形齿轮驱动地连接到所述叶轮。
5.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中一个所述辅助电动机/发电机的设计输出功率是在最大叶轮速度时叶轮功率的5％和20％之间。
6.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述辅助电动机/发电机还包括一个制动装置。
7.如权利要求6所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述制动装置是可手动接合以防止所述辅助电动机/发电机的转动。
8.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述变速器装置包括一个制动装置，其用于防止所述辅助电动机/发电机旋转。
9.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述电动机/发电机装置包括一个具有变频驱动的交流电动机/发电机，其用于控制转速和旋转方向。
10.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述辅助电动机/发电机只作为一个发电机。
11.如权利要求10所述的变速流体传输设备，其特征是，其中一个所述辅助发电机的设计轴功率是所述叶轮设计功率的10％和20％之间。
12.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述电动机/发电机只作为一个电动机。
13.如权利要求12所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述辅助电动机的设计功率由以下公式大约确定P辅助＝P叶轮(N叶轮，最大-N叶轮，最小)/N叶轮，最大其中P辅助＝所述辅助电动机的设计功率，P叶轮＝所述叶轮的设计功率N叶轮，最大＝所述叶轮的最大速度，和N叶轮，最小＝所述叶轮的最小速度。
14.如权利要求12所述的变速流体传输设备，其特征是，其中一个制动器防止所述辅助电动机的反向旋转。
15.如权利要求2所述的变速流体传输设备，其特征是，其中该变速器装置还包括一个皮带驱动。
16.如权利要求1所述的变速流体传输设备，其特征是，其中当该辅助电动机-发电机的一个转速为零时，叶轮的转速不会超过所述主电动机的转速。
17.如权利要求2所述的变速流体传输设备，其特征是，其中所述周转齿轮包括两套行星齿轮。
18.一个用于将可变速度控制增加到一个现有电动机驱动流体叶轮的方法，包括以下步骤提供一个辅助轴输入装置，提供一个变速器装置，其具有两个轴输入和一个轴输出，将一个所述变速器的所述轴输入连接到一个现有的电动机上，将另一个所述变速器装置的所述轴输入连接到所述辅助轴输入装置，将所述变速器装置的输出连接到所述流体叶轮，和通过辅助轴输入装置的速度变化控制流体叶轮的速度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征是，其中还包括将一个制动装置加入到所述变速器上以防止所述辅助轴输入的转动的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其特征是，其中还包括将一个制动装置加入到所述轴输入装置中的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其特征是，其中所述辅助轴输入装置包括一个电动机/发电机。
22.一个用于将可变速度控制增加到一个现有的流体叶轮中的方法，该叶轮由接受来自电动机功率的皮带驱动的所驱动，该方法包括以下步骤提供一个辅助轴输入装置，提供一个变速器装置，其具有两个输入和一个输出，将一个所述变速器插入到所述电动机和所述叶轮之间，以使所述现有的电动机被驱动地连接到所述变速器装置输入中一个上并且所述变速器装置的输出被驱动地连接到所述叶轮上，将所述辅助轴输入连接到所述变速器的其它输出上，和调节在所述皮带驱动中的滑轮直径的比率以实现想要得到的最大叶轮速度。
23.如权利要求22所述的方法，其特征是，还包括还包括将一个制动装置加入到所述变速器上以防止所述辅助轴输入转动的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其特征是，还包括将一个制动装置加入到所述轴输入装置中的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，其特征是，所述辅助轴输入包括一个电动机/发电机。
全文摘要
将一个叶轮(4)通过一个周转齿轮变速器(2)连接到一个主电动机(1)和一个辅助电动机/发电机(3)上。该主电动机(1)运行在一个恒定的速度上而该辅助电动机/发电机(3)被控制频率以变化叶轮(4)的速度。
文档编号F16H3/72GK1261425SQ98806513
公开日2000年7月26日 申请日期1998年5月4日 优先权日1997年5月8日
发明者威廉·L·科普科 申请人:沃克斯马特能量实业公司