专利名称：机电液混合软启动无级调速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机电液混合软启动无级调速器。
背景技术：
电动机在负载启动时，会产生5 7倍额定电流强度的启动电流，对大功率电动机 来说，大启动电流会对电机和电网产生很大的冲击；而在停机时通过瞬时断电使转速速降 至零的控制方式也会给设备带来冲击，降低使用寿命，故在很多工况下不允许大功率机械 设备瞬时关机，需要平稳减速的停机；在工作中，同样需要考虑工况变化所引起的大功率机 械设备的平稳无级调速问题。要解决上述技术问题，就需要对大功率设备采用软启动/无 级调速技术，使其能够实现可控的软启动、软停机、无级调速，过载自动保护及多驱动功率 平衡等功能。 国内外在机械、电机和电子、液力和液压等多学科领域对软启动/无级调速技术 开展了深入和广泛的研究，开发出了多种多样的软启动/调速装置或设备，大体可归结为 液力偶合器软启动/调速、液体粘性软启动/调速、变频调速软启动、直流调速软启动、变电 阻调速、摩擦调速、液压调速等。这些软启动/调速传动装置或系统虽各有特点，但也都有 某些无法令用户完全接受的缺点。调速型液力偶合器可通过调节工作腔液体的充满度来改 变输出转速和转矩，具有一定软启动功能和调速能力。但长期的理论研究和应用实践表明， 其在软启动/调速的功能和性能上远远无法满足现实要求。液体粘性软启动/调速装置利 用存在于主、从动摩擦片之间油膜的粘性剪切作用力来传递动力。该装置在一定范围内能 够实现主、从动轴之间的无级调速和同步运行，能对传动系统进行过载保护。但在软启动 时，电动机处于负载启动状态，启动电流大，电流冲击时间长，电动机的动力通过粘性转矩 作用在负载上，不是真正的空载启动。传动效率较低，功率损失大，发热严重，且装置比较复 杂，制造和维护成本较高。变频调速软启动、直流调速软启动、变电阻调速、摩擦调速和液压 调速等在电器控制上一般均采用控制主驱动电机转速或转矩差以达到双向无级调速，保证 机械传动系统平滑过渡。但是，变频调速装置虽然实现了软启动，然大功率的变频控制器价 格极为昂贵，且其中的电路和电子元器件维修困难，维护成本高；直流无级调速/软启动的 主要问题在于大功率直流电动机体积庞大，且价格昂贵，特别是变电站的投资往往很大， 系统复杂。在潮湿或多尘的环境下，直流电动机的整流子、电刷装置及可控硅的控制部分需 要经常维护，维护费用也很高。目前，大功率直流调速系统的价格与大功率变频器的价格相 当。变电阻调速虽说也能实现软启动，但电能消耗大，功率越大则使用成本越高，控制系统 也越复杂，占用空间也越大；摩擦调速只适用于小功率，当使用在大功率时，摩擦制动力矩 大，摩擦发热问题无法解决，摩擦调速方式对于大中型功率主电机来说，还谈不上软启动； 现有的液压调速，虽说能实现软启动/无级调速，但设备易泄漏、噪声大、温度高、对环境有 污染，且效率低、故障多，因而整体工作性能不佳。此外，还有一些软启动器装置，主要用于 电动机的启动过程，其输出只改变电压而不改变频率，不具备无级调速和功率平衡等功能， 主要应用于非重要的中小功率传动场合。
大功率重载设备工作时，还必须解决一个对输出过载进行限矩保护的问题。许多 大型设备(如大功率皮带输送机)是由多台电动机驱动，在实际工作时，多驱动传动系统中 各个电动机的负载情况可能不一样。怎样在多驱动传动系统中采用无级调速减速传动装置 保证多驱动功率平衡，从而保障设备平稳工作也是一个问题。 综观上述各种软启动调速装置，没有一种既可做到在保持主电机转速不变的情况 下，实现输出转速双向无级调速且平滑过渡；又能使大功率机械设备主电机启动电流小于 额定电流而实现软启动；同时具备输出过载限矩保护和多驱动功率平衡等功能；并且还能 做到结构简单、工作性能可靠、制造和使用维护成本低廉。对于一些用于井下及易爆场所的 大功率设备，传动装置还必须能实现防爆功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、工作性 能可靠、制造和使用维护成本较低的机电液混合软启动无级调速器，以小功率辅助电机实 现大功率主电机的机械软启动，解决大功率设备启动时的大启动电流对电网产生冲击的问 题；以流体传动的连续可控性实现对机械传动连续控制，实现大功率设备工作中的频繁双 向平滑无级调速、软停机、输出过载限矩保护及多驱动功率平衡。 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种机电液混合软启动无级 调速器，包括通过滚子轴承固定在箱体两侧的高速级输入轴和低速级输出轴，该高速级输 入轴一端伸出箱体与主电机的转轴相连，其特征在于 A、所述高速级输入轴另一端开设第一内孔且其外部通过滚子轴承套设高速级行 星架，该第一内孔内设有渐开线花键内齿，该渐开线花键内齿与高速级太阳轮轴的一端外 齿连接构成齿隙浮动，该高速级太阳轮轴另一端通过一顶块轴向定位于低速级输入轴，该 低速级输入轴一端通过滚子轴承固定在箱体上，另一端伸入低速级输出轴的第二内孔内并 与固定在箱体上的低速级输出轴经一顶块有轴向定位； B、所述高速级行星架与低速级输入轴之间固定设置高速级行星轮轴，该高速级行 星轮轴外固定设置高速级行星轮，所述高速级太阳轮轴与高速级行星轮啮合，同时该高速 级行星轮与高速级内齿轮啮合，该高速级内齿轮同时与套设在低速级输入轴上的高速级齿 轮联轴节啮合； C、所述高速级齿轮联轴节同时固定连接调速机构大伞齿轮，该调速机构大伞齿轮
与通过滚子轴承固定在箱体上的调速机构小伞齿轮轴相啮合，该调速机构小伞齿轮轴的中
部设有花键外齿，该花键外齿与调速机构中间齿轮的花键内齿相啮合，该调速机构中间齿
轮经至少一个调速机构边齿轮与至少一个液压旋转功能元件相连接，该调速机构小伞齿轮
轴的末端经辅助电机联轴节与固设在箱体外部的辅助电机的输入轴连接； D、所述低速级输出轴位于箱体内的一端通过低速级行星轮轴设置低速级行星轮，
该低速级行星轮与套设在低速级输入轴一端的低速级太阳轮啮合，同时该低速级行星轮与
低速级内齿轮啮合，该低速级内齿轮同时与低速级齿轮联轴节啮合，该低速级齿轮联轴节
套设在低速级输出轴外侧且同时固定在箱体上。 所述高速级太阳轮轴一端通过 块与高速级输入轴实现轴向定位，另一端通过顶 块与低速级输入轴实现轴向定位。
所述液压旋转功能元件为油泵或液压马达。
所述液压旋转功能元件固定在箱体上。 当本发明安装使用时，应将大功率重载机械设备的工作部件与本发明装置的低速 级输出轴相连接，并将液压旋转功能元件(油泵或液压马达)出口压力信号输出到主电机 外接的控制电路中，然后才可进行工作。
本发明的具体工作原理阐述如下( — )软启动的实现工作时，首先启动小功率辅助电机慢速运转，经调速机构小 伞齿轮轴、调速机构大伞齿轮、高速级齿轮联轴节带动与高速级内齿轮啮合的高速级行星 轮转动。理论上，高速级内齿轮与高速级行星轮啮合可带动低速级输入轴和高速级太阳轮 轴转动，此时本发明传动装置成为一个单输入(高速级内齿轮输入)、双输出(低速级输入 轴和高速级太阳轮轴)的差动传动轮系。但由于通过低速级输出轴与低速级输入轴相连 的负载很大，小功率辅助电机的输入动力无法驱动低速级输入轴转动，这个单输入双输出 的差动传动轮系实际上变为一个低速级输入轴固定，高速级内齿轮输入，高速级太阳轮轴 输出的定轴轮系。这样，小功率辅助电机通过高速级内齿轮、高速级行星轮和高速级太阳轮 轴，再经高速级输入轴驱动大功率主电机转子克服启动时的堵转矩惯量转动。当小功率辅 助电机逐渐加速到控制转速时，主电机亦随之空载加速到额定转速。当主电机达到额定转 速时，自动接通主电机电源，关闭辅助电机电源，不再对主电机转子进行加速，故大功率主 电机的启动电流将非常小，主电机在真正的空载工况下启动，也就完成了大功率主电机的 空载软启动。 ( 二 )双向无级调速的实现在主电机接通电源的同时小功率辅助电机的电源被 切断。主电机在转向不变的情况下继续运转，动力原路返回，经高速级输入轴带动高速级太 阳轮轴作为动力输入，形成了一种单输入，双输出的动力分流状态一部分动力经差动传动 轮系的高速级内齿轮至调速机构大伞齿轮，驱动经调速机构小伞齿轮轴连接的液压旋转功 能元件(油泵或液压马达)工作，谓辅助输出；一部分动力经差动传动轮系的低速级输入 轴经低速级输出轴输出，驱动大功率重载设备工作部件，谓主输出。依据转速差平衡分流规 律，增大辅助输出端液压旋转功能元件的出口压力，使调速机构小伞齿轮轴的转动阻力矩
逐渐增大，则辅助输出的转速将逐渐减小，施加到主输出的工作部件上的动力将逐渐增大， 实现工作部件由零到额定转速的增速平滑过渡。当工作部件达到额定转速以后需要减速 时，减小辅助输出端液压旋转功能元件的出口压力，使调速机构小伞齿轮轴的转动阻力矩 变小，则辅助输出的转速将逐渐增大，则施加到主输出的工作部件上的动力将减小，实现工 作部件由额定转速到零的减速平滑过渡。这样便实现了主输出的由零到额定转速、以及由 额定转速到零的加、减速双向无级调速。(三)输出过载自动保护功能的实现根据设备工作机构的许用载荷(输出功率
转矩)设定液压旋转功能元件的许用压力，当系统的外载荷因某些原因而超过许用值时，
主输出转矩增大，辅助输出转矩相应增大，液压旋转功能元件出口压力因超过许用控制压
力而溢流，带动调速机构小伞齿轮轴产生差动滑移旋转，使主输出降速式停止，防止主电机
及机械传动系统过载损坏，当外负荷过大问题解决后，系统又可以恢复正常运行。(四)多驱动主电机功率平衡的实现根据设备各驱动点应承受的功率转矩来设
定各驱动点的软启动无级调速器的液压旋转功能元件出口压力控制值，当出现负载不均时，承受载荷较大的驱动点功率转矩增大，使该驱动点液压旋转功能元件出口压力相应增 大，当液压旋转功能元件出口压力超过许用控制压力时，通过液压旋转功能元件泄流，使调 速机构小伞齿轮轴产生差动滑移旋转，从而使主输出降速，直到其它低负荷驱动点接受到 一定的载荷而自动保持平衡为止。(五)软制动的实现在需要软停机时，无需关断主电机电源，依据主电机动力向 主输出和辅助输出分流的规律，按照预定的减压规律，逐步减少辅助输出端液压旋转功能 元件的出口压力，增加其动力输出，使低速级输出轴的转速按照预定的降速规律曲线渐渐 降为零，从而实现机械设备的软制动。与软启动的工作原理相同，软制动的制动时间也是可 调的。(六)节能功能若本发明应用于运行环境存在一定的运距梯度，且频繁上行和下 行的大功率机械设备(如矿井提升机和斜井带式输送机等)，在安全和可靠性得到保障的 条件下，可考虑利用其自身和负载自重产生的势能充当下行工况动力，节约能源。即下行工 况不启动主电机(此时主电机停机制动)，重物利用自重下放，相当于原主输出变为动力反 向输入，带动工作设备旋转，相当于动力反向输入低速行星差动轮系及高速行星差动轮系，
再经调速机构小伞齿轮轴，带动辅助输出端的液压旋转功能元件运转，此时液压旋转功能 元件为此动力的唯一输出负载。控制液压旋转功能元件出口压力，相当于增加负载，即可控 制重物自重下放的速度，使设备安全可控可靠下放。
与现有技术相比，本发明的有益效果为 本发明将软启动、无级调速、输出过载限矩保护和多功率驱动平衡功能等融于一 体，是一种多功能机电液一体化的调速器；②采用双向可控无级调速，使大功率重载设备可 工作在任意设定的速度上；③以小功率辅助电机实现大功率主电机的软启动，不仅能够大 幅度减轻传动系统本身受到的启动冲击，延长关键零部件的使用寿命，同时还能实现主电 机空载启动电流小于额定电流，避免大功率设备启动时对电网的冲击，减少供电设施的设 备投资；④本发明装置实现了输出过载限制保护，确保了安全运行。⑤本发明装置可实现 多驱动主电机功率平衡，为需多电机联合驱动设备的运行安全提供保障。⑥本发明装置如 应用于运行环境存在一定的运距梯度，且频繁上行和下行的大功率机械设备上，下行行程 可无需动力，依自重安全下放，节省电能。⑦本发明装置动力源可多样化，可以不受动力源 限制，除电力以外，其他动力源都可以实现机器的同等功能。方法是将控制液压油泵出口压 力的液压阀改为机械式溢流阀即可。⑧本调速器若配置于井下及其它易爆场所的大功率设 备，还容易实现防爆功能。
图1为本发明一种具体结构的正向剖视图。
具体实施例方式
参见图1，本发明包括箱体16及一通过滚子轴承固定在箱体16上的高速级输入轴 12，该高速级输入轴12 —端伸出箱体16与主电机的转轴相连，另一端开设第一内孔10且 其外部通过滚子轴承套设高速级行星架9。该高速级输入轴12的第一内孔10内设有渐开 线花键内齿，该渐开线花键内齿与高速级太阳轮轴13的外齿连接构成齿隙浮动。同时该高速级太阳轮轴13 —端通过挡块11与高速级输入轴12实现轴向定位，另一端通过顶块18 与通过滚子轴承固定在箱体16内的低速级输入轴20实现轴向定位。该低速级输入轴20 另一端伸入低速级输出轴30的第二内孔34内并与低速级输出轴30经一顶块31在轴向定 位。该低速级输出轴30通过滚子轴承固定在箱体16的另一侧，且该低速级输出轴30 —端 伸出箱体16外。 该高速级行星架9与低速级输入轴20之间固定设置高速级行星轮轴15，该高速级 行星轮轴15外通过滚子轴承设置高速级行星轮14。该高速级太阳轮轴13与高速级行星轮 14啮合，同时该高速级行星轮14与高速级内齿轮8啮合，该高速级内齿轮8同时与套设在 低速级输入轴20上的高速级齿轮联轴节17啮合。 该高速级齿轮联轴节17同时固定连接调速机构大伞齿轮19，该调速机构大伞齿 轮19与通过滚子轴承固定在箱体16上的调速机构小伞齿轮轴35相啮合。该调速机构小 伞齿轮轴35的中部设有花键外齿，该花键外齿与调速机构中间齿轮4的花键内齿相啮合， 该调速机构中间齿轮4经至少一个调速机构边齿轮5与至少一个液压旋转功能元件2相连 接(在本实施例中为两个调速机构边齿轮5与两个液压旋转功能元件2)。该液压旋转功能 元件2可为油泵或液压马达。该调速机构小伞齿轮轴35的末端经辅助电机联轴节36与固 设在箱体16外部的辅助电机1的输入轴连接。 该低速级输出轴30位于箱体16内的一端通过低速级行星轮轴26固定设置低速 级行星轮25。该低速级输入轴20的外侧还套设有低速级太阳轮33，该低速级太阳轮33与 低速级行星轮25啮合，同时该低速级行星轮25与低速级内齿轮24啮合，该低速级内齿轮 24同时与低速级齿轮联轴节23啮合，该低速级齿轮联轴节23也套设在低速级输出轴30外 侧且同时固定在箱体16上。
权利要求
一种机电液混合软启动无级调速器，包括通过滚子轴承固定在箱体两侧的高速级输入轴和低速级输出轴，该高速级输入轴一端伸出箱体与主电机的转轴相连，其特征在于A、所述高速级输入轴另一端开设第一内孔且其外部通过滚子轴承套设高速级行星架，该第一内孔内设有渐开线花键内齿，该渐开线花键内齿与高速级太阳轮轴的一端外齿连接构成齿隙浮动，该高速级太阳轮轴另一端通过一顶块轴向定位于低速级输入轴，该低速级输入轴一端通过滚子轴承固定在箱体上，另一端伸入低速级输出轴的第二内孔内并与固定在箱体上的低速级输出轴经一顶块有轴向定位；B、所述高速级行星架与低速级输入轴之间固定设置高速级行星轮轴，该高速级行星轮轴外固定设置高速级行星轮，所述高速级太阳轮轴与高速级行星轮啮合，同时该高速级行星轮与高速级内齿轮啮合，该高速级内齿轮同时与套设在低速级输入轴上的高速级齿轮联轴节啮合；C、所述高速级齿轮联轴节同时固定连接调速机构大伞齿轮，该调速机构大伞齿轮与通过滚子轴承固定在箱体上的调速机构小伞齿轮轴相啮合，该调速机构小伞齿轮轴的中部设有花键外齿，该花键外齿与调速机构中间齿轮的花键内齿相啮合，该调速机构中间齿轮经至少一个调速机构边齿轮与至少一个液压旋转功能元件相连接，该调速机构小伞齿轮轴的末端经辅助电机联轴节与固设在箱体外部的辅助电机的输入轴连接；D、所述低速级输出轴位于箱体内的一端通过低速级行星轮轴设置低速级行星轮，该低速级行星轮与套设在低速级输入轴一端的低速级太阳轮啮合，同时该低速级行星轮与低速级内齿轮啮合，该低速级内齿轮同时与低速级齿轮联轴节啮合，该低速级齿轮联轴节套设在低速级输出轴外侧且同时固定在箱体上。
2. 根据权利要求1所述的机电液混合软启动无级调速器，其特征在于，所述高速级太 阳轮轴一端通过挡块与高速级输入轴实现轴向定位，另一端通过顶块与低速级输入轴实现 轴向定位。
3. 根据权利要求1所述的机电液混合软启动无级调速器，其特征在于，所述液压旋转 功能元件为油泵。
4. 根据权利要求1所述的机电液混合软启动无级调速器，其特征在于，所述液压旋转 功能元件为液压马达。
5. 根据权利要求1所述的机电液混合软启动无级调速器，其特征在于，所述液压旋转 功能元件固定在箱体上。
全文摘要
一种机电液混合软启动无级调速器，其高速级输入轴一端与主电机的转轴相连，另一端与高速级太阳轮轴的外齿连接构成齿隙浮动，该高速级太阳轮轴通过与高速行星轮啮合而与低速级输入轴连接，该低速级输入轴另一端与低速级输出轴连接，该低速级输出轴伸出调速器箱体外，作为调速器的输出轴连接负载；该高速级行星轮轴外固定设置高速级行星轮，该高速级行星轮与高速级内齿轮啮合，该高速级内齿轮又与高速级齿轮联轴节啮合，高速级齿轮联轴节固定连接调速机构大伞齿轮，该调速机构大伞齿轮通过调速机构小伞齿轮轴、调速机构中间齿轮及调速机构边齿轮与液压旋转功能元件相连接，该调速机构小伞齿轮轴的末端与辅助电机的输入轴联接。本发明传动效率高、噪声小、性能可靠、成本低。
文档编号H02K7/116GK101694977SQ200910205048
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者彭翼, 李达, 王伏林, 肖建群, 阳芳南, 龚晓和 申请人:李本平;