一种无级调速方法和无级调速器

摘要

本发明公开了一种实现无级调速的方法及无级调速器。该方法是以介质为高频传动开关，通过机械蓄能机构实现输出转速和转矩的转换；所述介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质；所述机械蓄能机构由重质的蓄能飞轮和轻质的传动盘组成，介质位于蓄能飞轮和传动盘之间；当施加电压或磁场时，介质发生固化从而将蓄能飞轮与传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，介质发生液化从而蓄能飞轮与传动盘之间无机械连接并各自进行自由转动，通过控制介质固态和液态时间比例，实现控制输出转速和转矩。实现本方法的无级调速器，具有调速范围宽、反应快、结构简单和输出功率稳定等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，特别涉及一种无级调速方法和无级调速器。

背景技术

一般交流电机在变频调速下转速调节范围较宽，但功率得不到很好的利用， 特别是降频调速时一般为恒扭矩输出，功率损失很大。无极调速器更好的满足 了电动机在最优工况下与传动系统的良好匹配。传统无级调速器主要分为液压 传动、机械传动和电力传动等方式。液压传动对调速器的制造精度要求高，价 格较贵，输出特性为恒转矩，滑动率较大，运转时容易发生漏油；机械传动对 调速器的零部件加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及耐冲击性较差， 有效调速范围小，一般适合于中、小功率传动；电力传动的调速器以交流电机 式为主，在降频低速时恒转矩输出，功率降低。总体上，目前无极调速器结构 复杂、工艺要求较高，局部性能有待提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种无级调速方法。

本发明的另一目的在于提供一种结构简单、变速范围大和输出功率稳定的 无极调速器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种无级调速方法，是以介质为高频传动开关，通过机械蓄能机构实现输 出转速和转矩的转换；所述介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的 介质；所述机械蓄能机构由重质的蓄能飞轮和轻质的传动盘组成，介质位于蓄 能飞轮和传动盘之间；当施加电压或磁场时，介质发生固化从而将蓄能飞轮与 传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，介质发生液化从而蓄能飞轮与传动盘 之间无机械连接并各自进行自由转动，通过控制介质固态和液态时间比例，实 现控制输出转速和转矩。

所述介质优选电流变液、电磁变液或可控磁粉，还包括可以实现快速可控 连断的其它介质。

一种无极调速器，包括按同轴串联排布的输入系统、变速传动系统和输出 系统；所述输入系统包括输入轴定位轴承1、输入轴2和蓄能飞轮3，所述传动 变速系统包括介质7、传动盘5和棘轮4，所述输出系统包括扭矩弹簧6、输出 轴定位轴承8和输出轴9；输入轴定位轴承1与输入轴2相嵌接，用于固定输 入轴2，输出轴定位轴承8与输出轴9相嵌接，用于固定输出轴9；输入轴2与 蓄能飞轮3同轴刚性连接；蓄能飞轮3与传动盘5之间放置有介质7，所述介 质7是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质，当施加电压或磁场时， 介质7会发生固化，从而将蓄能飞轮3与传动盘5连为一体，当失去电压或磁 场时，介质7会重新液化，从而蓄能飞轮3与传动盘5之间无机械连接，进行 独立自由转动；传动盘5通过扭矩弹簧6与输出轴9相连接；棘轮4的外侧固 定于外壳上，传动盘5的边缘与棘轮4的内侧棘齿相接触，棘轮4的棘齿方向 与蓄能飞轮3的转向相同，当传动盘5被蓄能飞轮3带动时，传动盘5与棘轮 齿保持滑动关系，当传动盘5脱离蓄能飞轮3并呈现反相复位转动趋势时，传 动盘5被棘轮齿锁死，并由输出轴9释放扭矩弹簧6的弹性势能。

所述介质7优选电流变液、电磁变液或可控磁粉，还包括可以实现快速可 控连断的其它介质。

蓄能飞轮3的质量远重于传动盘5；蓄能飞轮3为金属圆盘，传动盘5为 倒U形的薄钢板。

扭矩弹簧6为旋转方向上提供机械能存储，为输出轴9提供输出转距。

所述输入系统的动力源，可以是电动机、汽油发动机、柴油发动机或蒸汽 机等机械动力源。

所述棘轮4可以用电流变液或电磁变液代替，两组电流或电磁变液互补工 作。

采用电控系统来控制介质7的电压或磁场。所述电控系统包括数字处理系 统、转速扭矩检测系统、电源系统、驱动电路和一对电/磁极。其中，数字处理 系统可以是单片机、DSP、PLC或工控机为核心的数字处理系统，负责将采集 到的转速、扭矩等数据运算后，输出控制电流/电磁变液的电信号。转速扭矩检 测系统负责将输入、输出轴上传感器采集到的扭矩和转速信息变送处理，传递 给数字处理系统。电源系统为数字处理系统和驱动电路提供相应的工作电压。 驱动电路将数字处理系统输出的弱电控制信号放大和波形调整，产生驱动电流/ 电磁变液的电磁控制波形。一对正负极的电/磁极，将驱动波形施加在介质7之 上，完成固液两态变化。

本发明的工作原理为：

假设介质7的固态时间为t₁，液态时间为t₂，稳态工作时，介质7控制时间 周期为T，即：

T=t₁+t₂                  （1）

稳态后电动机或发动机工作在最优工况，其角速度为ω₁，输入轴2和蓄能 飞轮3为同轴刚性连接，具有相同的角速度。蓄能飞轮3为金属圆盘，假设转 动惯量足够大，当T足够小时，其角速度ω₁变化忽略不计，则t₁时间内蓄能飞轮 3通过固态介质7和传动盘5刚性连接，轻质的传动盘5获得相同角速度ω₁， 由于输出轴9连接负载具有一定惯性，扭矩弹簧6蓄能。在t₂时间传动盘5受 到棘轮4的约束不能反转，扭矩弹簧6释放势能，输出轴9继续牵引负载转动 对外做功。设负载惯性足够大，稳态时输出轴9转速ω₂变化忽略不计。

稳态时，一个周期T内蓄能飞轮3吸收和释放的能量相同，可以分析得出， 整个周期T内，蓄能飞轮3吸收来自输入轴2的机械能，而只在t₁时间内对传动 盘5释放能量，并受到扭矩弹簧6的反力矩M₂，但转速仍为ω₁：

${\int }_0^T{M}_1{\omega }_1-{\int }_0^{t_1}{M}_2{\omega }_1=0---\left(2\right)$

将式2展开可得：

M₁ω₁t₁+M₁ω₁t₂-M₂ω₁t₁＝0            （3）

进一步可推得：

$M_2=\frac{t_1+t_2}{t_1}{M}_1=\frac{T}{t_1}{M}_1---\left(4\right)$

式4中M₁为输入轴2的输入转矩，M₂为输出轴9的输出转矩。

视整个系统为理想材料，忽略损耗，则输入系统与输出系统功率守恒，输 出轴9转速ω₂表达为：

${\omega }_2=\frac{t_1}{T}{\omega }_1---\left(5\right)$

由此可见，当介质7在时间周期T内按照一定占空比固化时，该调速器工作 在减速状态；当t₁＝T时（即稳态时传动盘5与蓄能飞轮3连续刚性连接），输 出轴9可视为与电动机同轴连接，其转速ω₂＝ω₁，转矩M₂＝M₁。

由此可见，采用本发明的无极调速器，利用介质作为高频传动开关，依靠 机械蓄能机构实现输出转速和转矩的转换，可以使高速电机或发动机工作在最 佳工况情况下，实现恒功率或恒转距输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的原理与结构不同于目前的调速器，具有调速范围宽、调速反应 快、结构简单、输出功率稳定和转距可调等优点。

2、本发明的无级调速器利用电流变液或电磁变液作为高频传动连接介质， 性能优于一般机械或液压传动。

3、本发明利用机械能存储机构作为能量交换部件，同时起到能量传递作用， 整个系统具有较好的柔性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1、输入轴定位轴承；2、输入轴；3、蓄能飞轮；4、棘轮；5、传动 盘；6、扭矩弹簧；7、介质；8、输出轴定位轴承；9、输出轴。

图2为介质的电控系统原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。

实施例1

如图1所示，一种无级调速器，包括按同轴串联排布的输入系统、传动变 速系统和输出系统。所述输入系统包括输入轴定位轴承1、输入轴2和蓄能飞轮 3，所述传动变速系统包括介质7、传动盘5和棘轮4，所述输出系统包括扭矩 弹簧6、输出轴定位轴承8和输出轴9。介质7为电流变液。

输入轴定位轴承1与输入轴2相嵌接，用于固定输入轴2；输出轴定位轴 承8与输出轴9相嵌接，用于固定输出轴9。

输入轴2与蓄能飞轮3同轴刚性连接。介质7放置于蓄能飞轮3与传动盘 5之间，当施加电压时，介质7会发生固化，从而将蓄能飞轮3与传动盘5连 为一体，当失去电压时，介质7会重新液化，从而蓄能飞轮3与传动盘5之间 无机械连接，可以进行自由转动。蓄能飞轮3的质量远重于传动盘5；蓄能飞轮 3为金属圆盘，传动盘5为倒U形的薄钢板。

传动盘5通过扭矩弹簧6与输出轴9相连接，扭矩弹簧6为旋转方向上提 供机械能存储，为输出轴9提供输出转距。棘轮4的外侧固定于外壳上，传动 盘5的边缘与棘轮4的内侧棘齿相接触，棘轮4的棘齿方向与蓄能飞轮3的转 向相同，当传动盘5被蓄能飞轮3带动时，传动盘5与棘轮齿保持滑动关系， 当传动盘5脱离蓄能飞轮3并呈现反相复位转动趋势时，传动盘5被棘轮齿锁 死，并由输出轴9释放扭矩弹簧6的弹性势能。

当负载转矩M₂大于电动机额定转矩M₁时，调速器工作在减速运行状态，在 介质7两侧施加固化电压时间为t₁，则根据式4得：

$t_1=\frac{M_1}{M_2}T---\left(6\right)$

式6中T为设定控制时间周期，根据介质7特性而定。

通过测定输出轴9的实时转矩或电动机1的实时转速，通过控制电路控制 固化时间的占空比可以达到控制输入轴2恒功率降速输出效果。

实施例2

介质7是电磁变液，其它与实施例1相同。蓄能飞轮3和传动盘5表面做 隔磁处理。

实施例3

介质7是可控磁粉，其它与实施例1相同。

实施例4

将棘轮4用另一组电流/电磁变液代替，且与介质7互补固化工作，可实现 正反转变速输出。