專利名稱：用于泵和風扇的聯合變速驅動和減速器的制作方法
申請人要求美國專利申請?zhí)枮?0/046,035和60/046,765的懸而未決臨時的專利申請的權利，這兩個專利申請于1997年5月8日同時提交。
本發(fā)明的背景本發(fā)明領域本發(fā)明一般涉及一種用于泵和風扇的變速驅動系統(tǒng)，更加具體來說，是涉及一種用于泵和風扇的聯合變速驅動和減速器，其使用一個將來自一個主電動機和一個輔助電動機/發(fā)電機的軸輸出進行聯合的變速器。
背景技術：
的討論只是在美國，風扇和泵每年的能量消耗就達到上百億美圓。在世界范圍，其每年的消耗大約超過了上千億美圓。工程師和設計者投入了大量的精力開發(fā)改善風扇和泵的能力的電力和機械的方法，但是大多數風扇和泵仍然在穩(wěn)定的流量下工作。
在很多應用中，控制風扇和泵的轉速是一個減少能量消耗的重要因素。流體傳輸設備通常在功率和轉速之間具有立方的關系。在同一時刻流量直接與轉速成比例。這些關系意味著在一半轉速下運行風扇或泵具有一半的流量，但是只使用了設計輸入功率的八分之一。其它例如節(jié)流閥、入口葉片等減少流量的裝置比變速風扇和泵給出了更加少的能量節(jié)省和通常具有更高的噪音水平。
另外，通常需要在低速運行風扇和泵，甚至在設計條件下。例如，當使用大直徑低轉速的風扇傳輸相同的空氣流量時，效率和噪音水平很快下降。具有較低速的一般設備包括低速電動機，其費用高并且在使用中有所限制。皮帶驅動是一個費用低的選擇，但是要求經常維護并降低了可靠性。一些時候也使用齒輪驅動，其比皮帶驅動具有較高的可靠性，但是在很多情況下增加了費用。
幾種系統(tǒng)被用于控制風扇和泵的轉速。在更加一般的情況下，是多級變速電動機，帶有感應電動機的變頻驅動和電磁離合器。周轉齒輪作為變速驅動的一部分已被廣泛應用。這些設備在以下美國專利中已被應用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。
其它申請已開發(fā)出一種使用將來自兩個電動機的輸入聯合的機械變速器的驅動。在最早提及這種方法的專利中是愛迪生的美國專利號為436,127的專利，其描述了用于驅動街道汽車的系統(tǒng)。
津斯邁耶(Zinsmeyer)的專利號為4,514,991的美國專利描述了用于在蒸汽壓縮系統(tǒng)中的離心壓縮機的一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不適合用于風扇和泵，因為它特別設計用于壓縮氣體，而不是傳輸流體。對照于電動機輸入轉速，它也被設計以提高壓縮機速度。
本發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個目的是提供一個用于風扇和泵的新的改進的變速驅動系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個用于改善現有風扇和泵系統(tǒng)的變速驅動。
本發(fā)明的進一步的目的是提供一個減少功率消耗的變速泵和風扇驅動系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的提供一個可靠的小型的和低成本的變速驅動。
簡要來說，本發(fā)明的這些和其它目的可以通過提供一個運行在恒定速度的主電動機、和一個能夠在不同速度下運行的輔助電動機/發(fā)電機來實現。一個變速器連接兩個帶有泵或風扇葉輪的電動機。變速器包括周轉齒輪。
本發(fā)明具體提供了變速的流體傳輸裝置，其包括一個通過旋轉傳輸流體的葉輪，一個在預定的恒定轉速下運行的主電動機，一個在可控的變速下運行的輔助電動機/發(fā)電機和一個用于將所述主電動機和所述輔助電動機/發(fā)電機驅動連接到所述葉輪上的變速器，以便于所述輔助電動機/發(fā)電機的轉速的變化可以改變所述葉輪的轉速。


通過結合附圖參考以下的詳細描述，將容易獲得和更好的理解本發(fā)明更加全面的評價及其附帶的優(yōu)點，其中圖1是本發(fā)明的一般方框圖；圖2本發(fā)明第一實施例的簡圖；圖3是用于改善一個現有系統(tǒng)的本發(fā)明第二實施例的簡圖；圖4是風扇的轉速對照于功率的曲線圖；
圖5是流量對照于輸入功率的曲線圖。
優(yōu)選實施例的描述圖1是一個方框圖，顯示了本發(fā)明的基本布置。主電動機1和輔助電動機/發(fā)電機3連接到變速器裝置2。變速器將兩個輸入合并為一個輸出以驅動葉輪4。
盡管可能為多級變速電動機或其它類型的電動機，主電動機1通常為一個恒轉速的感應電動機。固定轉速感應電動機的主要優(yōu)點是其相對低的費用、簡單、可靠和高效率。
輔助電動機/發(fā)電機3通常為一個帶有一個變頻驅動的感應電動機，其也可以作為一個發(fā)電機運行。其它選項是其只作為電動機運行或只作為發(fā)電機運行。在變頻感應電動機是最可能選擇時，其它可能的驅動是多級變速感應電動機、直流電動機、轉換磁抗電動機或高轉差感應電動機。如后面所描述的，盡管專門地使用一個發(fā)電機也是一個好的選擇，使用一個能夠作為電動機和發(fā)電機二者的驅動系統(tǒng)具有一些優(yōu)點，即減小了設備的尺寸。
變速器裝置2將來自主電動機的軸輸入20與來自輔助電動機/發(fā)電機的軸輸入22結合一起成為一個對于葉輪4的輸出。變速器裝置通常包括周轉齒輪。它也可以包括皮帶驅動，特別是對現有皮帶驅動設備的改型。從變速器最大的輸出轉速通常是與主電動機的轉速相同或較低。
該變速器的一個優(yōu)點是可能減少主電動機的大小和費用。電動機的重量大約與其扭矩成比例，對于給定的輸出功率，其與轉速成反比例關系。這個分析意謂著對于相同的功率等級，1200轉/分鐘的電動機材料重量和費用大約是3600轉/分鐘電動機的三倍。變速器降低到較低輸出轉速的能力將允許使用較高速的電動機，其將轉換為電動機材料費用的節(jié)省。較小的尺寸也將幫助將系統(tǒng)安裝到現有電動機所占有的空間和應當減少安裝和庫存的花費。
在操作中，主電動機1將在一個恒定的轉速下運行以驅動變速器2。輔助電動機/發(fā)電機3將在一個可變的轉速下工作以改變變速器2的輸出轉速，從而可變地降低葉輪4的轉速。
圖2顯示了用于實現大的減速的新系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。主電動機1驅動一個行星齒輪系統(tǒng)中的恒星齒輪5。輔助電動機/發(fā)電機3連接到齒輪8，齒輪8驅動環(huán)形齒輪7。行星齒輪架6驅動葉輪4。制動器9能夠手動操作以防止環(huán)形齒輪的轉動。這個設置能夠容易實現一個2∶1到3∶1的減速。主電動機可以是一個兩極的感應電動機并且輔助電動機/發(fā)電機能夠使用變頻驅動運行到3600轉/分鐘或更高的轉速。
優(yōu)選實施例按以下操作運行。主電動機1基本運行在一個恒定的轉速并且驅動以一個恒定的轉速驅動恒星齒輪5。輔助電動機/發(fā)電機3改變環(huán)形齒輪7的速度。行星齒輪架6將來自環(huán)形齒輪和恒星齒輪的輸入相加，這意謂著輔助電動機/發(fā)電機的速度的變化將改變行星齒輪架的速度。因為行星齒輪架連接到葉輪4上，葉輪的速度也響應輔助電動機/發(fā)電機的速度而變化。葉輪的最大速度對應于該電動機/發(fā)電機作為一個電動機向該變速器增加功率的情況。在最小速度下，對應于該電動機/發(fā)電機作為一個發(fā)電機從該變速器吸收功率的情況。制動器9防止環(huán)形齒輪轉動并且允許主電動機以一個中間的速度驅動葉輪。
一個可選的配置是將電動機/發(fā)電機連接到行星齒輪架上而由環(huán)形齒輪驅動葉輪。增加附加齒輪以調節(jié)輸入到或從變速器輸出的速度也是所希望的。
另外一個可能是具有一個變速器，其具有一個與主電動機的速度緊密配合的最大輸出速度。這個布置在改善現有保存的電動機的情況下是有用的。對此有很多方法能夠實現。
圖3顯示了用于改善現有裝置的適合的優(yōu)選實施例。它使用兩個行星齒輪系統(tǒng)。輸入軸14被連接到主電動機1和第一恒星齒輪5。恒星齒輪5依次驅動一對行星齒輪17，行星齒輪17圍繞著恒星齒輪和驅動行星齒輪架10旋轉。這個行星齒輪架圍繞著輸入軸自由旋轉并且支持著兩個系統(tǒng)的行星齒輪。輔助電動機/發(fā)電機3驅動齒輪13，齒輪13驅動第一環(huán)形齒輪7。制動器9防止在輔助電動機/發(fā)電機不運行的情況下第一環(huán)形齒輪進行轉動。第二環(huán)形齒輪11不旋轉并且可以連接到主電動機的基座或其它適合的支撐。該行星齒輪架驅動第二套行星齒輪16，第二套行星齒輪16與第二環(huán)形齒輪嚙合并且驅動一個第二恒星齒輪12。輸出軸15與該第二恒星齒輪12和葉輪4相連接。輸出軸15是空心的，在輸入軸的周圍裝配，并且圍繞著輸入軸自由旋轉。這個實施例的意義是在做最少的改變和可以使用現有的電動機作為主電動機的情況下進行改型。
如果用于兩個行星齒輪系統(tǒng)的齒輪是相同的，于是該電動機/發(fā)電機將優(yōu)選只作為一個發(fā)電機來運行。當輔助發(fā)電機軸沒有轉動時，葉輪最大的速度與主電動機的速度將是相同的。
一個可選的設置將允許輔助電動機/發(fā)電機在兩個方向運行并具有葉輪的最大速度等于主電動機的最大速度。這將要求兩個行星齒輪系統(tǒng)的齒輪傳動比具有微小的差別，以便當輔助軸沒有轉動時提供一個小的減速。兩個配置在改進直接驅動風扇和泵中特別有用并且允許使用現有的主電動機。
變速器一般將包括一個制動器以防止來自輔助電動機/發(fā)電機的軸的旋轉。這個制動器在輔助電動機/發(fā)電機失效的情況下能夠被手動或自動操作，以便允許主電動機以一個恒定速度驅動葉輪。
用于當輔助電動機/發(fā)電機只作為電動機運行時的情況的另外一個選擇是使用一個制動器以防止輔助軸的反向旋轉。這個用于在變速驅動失效的情況下的連續(xù)工作的簡單的低成本的設備是本發(fā)明的主要優(yōu)點。
根據具有相對于速度的立方的功率的關系確定用于風扇或泵的輔助電動機/發(fā)電機的大小，Paux＝Pout，0(Nout/Nout，0)2(Nout/Nout，0-1)其中，Paux＝輔助電動機/發(fā)電機功率，Pout，0＝當輔助軸速度為零時的輸出功率，Nout＝輸出軸速度，和Nout，0＝當輔助軸速度為零時的輸出速度。
圖4顯示了輔助輸入功率與輸出軸速度具有如何的函數變化關系。參考條件對應于一個為零的輔助輸入軸速度。對于低于這個點的輸出速度，輔助功率是負的，這意謂著輔助軸從驅動移去功率。輔助功率在參考速度的2/3處達到輸出功率的一個最小值(最大絕對值)-4/27。
在高于參考速度的輸出速度處，輔助功率是一個正值，這意謂著給驅動增加功率。在輸出速度為參考速度的1.118處輔助功率達到參考功率的+4/27。這個速度對應于為一個參考功率1.4倍的輸出功率。
這個分析能夠被用于確定輔助輸入的大小。在是發(fā)電機的情況下，當輔助軸停止時就會出現最大風扇速度。產生的最大熱量發(fā)生在全輸出速度的2/3處和對應于全負荷風扇功率的的4/27處。這樣對于100馬力的風扇，發(fā)電機將具有操縱14.8馬力的能力。
對于一個輔助電動機/發(fā)電機能夠在兩個方向旋轉的情況，它的功率需求就更加減小了。如果測定輔助軸輸入的大小以在任一方向操縱相同的功率，可通過一個因子1.4來減小需求。凈結果是對于稍微超過總全負荷輸出的10％，能夠測定輔助輸入的大小。這個分析意謂者一個90馬力固定速度的電動機和10馬力變速電動機/發(fā)電機能夠對100馬力的風扇供應動力。
圖5顯示了相對于現有系統(tǒng)本發(fā)明是如何提供極高的工作效率的。周轉齒輪能夠獲得99％的效率，這意謂著從固定速度電動機到風扇幾乎沒有損失。因為輔助電動機/發(fā)電機是這樣小以至于它的損失也小。結果是對于變風扇或泵速度的一個系統(tǒng)比任一其它現有商業(yè)應用的系統(tǒng)更有效率。
本發(fā)明一個附加的好處是減少了與變頻驅動相關聯的電力噪音。用于輔助電動機/發(fā)電機的驅動的現有要求比驅動主電動機的要求小一個數量級。結果是生產的電力噪音有一個相應的減小，這將對在靠近計算機、聯系齒輪和其它敏感設備的應用具有顯著的好處。
權利要求
1.一個變速流體傳輸設備，其包括一個通過旋轉傳輸流體的葉輪；一個主電動機，其在一個預定的恒定的轉速下運行；一個輔助電動機/發(fā)電機，其在可控的變化速度下運行；變速器裝置，其將所述主電動機和所述輔助電動機/發(fā)電機驅動地連接到所述葉輪上，以便于所述輔助電動機/發(fā)電機的轉速的變化改變了所述葉輪的轉速。
2.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述變速器裝置包括周轉齒輪。
3.如權利要求2所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述周轉齒輪包括一個恒星齒輪，該恒星齒輪驅動地連接到所述主電動機，一個行星齒輪架，該行星齒輪架驅動地連接到所述葉輪，和一個環(huán)形齒輪，該環(huán)形齒輪驅動地連接到所述輔助電動機/發(fā)電機。
4.如權利要求2所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述周轉齒輪包括一個恒星齒輪，該恒星齒輪驅動地連接到所述主電動機，一個行星齒輪架，該行星齒輪架驅動地連接到所述輔助電動機/發(fā)電機，和一個環(huán)形齒輪，該環(huán)形齒輪驅動地連接到所述葉輪。
5.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中一個所述輔助電動機/發(fā)電機的設計輸出功率是在最大葉輪速度時葉輪功率的5％和20％之間。
6.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述輔助電動機/發(fā)電機還包括一個制動裝置。
7.如權利要求6所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述制動裝置是可手動接合以防止所述輔助電動機/發(fā)電機的轉動。
8.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述變速器裝置包括一個制動裝置，其用于防止所述輔助電動機/發(fā)電機旋轉。
9.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述電動機/發(fā)電機裝置包括一個具有變頻驅動的交流電動機/發(fā)電機，其用于控制轉速和旋轉方向。
10.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述輔助電動機/發(fā)電機只作為一個發(fā)電機。
11.如權利要求10所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中一個所述輔助發(fā)電機的設計軸功率是所述葉輪設計功率的10％和20％之間。
12.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述電動機/發(fā)電機只作為一個電動機。
13.如權利要求12所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述輔助電動機的設計功率由以下公式大約確定P輔助＝P葉輪(N葉輪，最大-N葉輪，最小)/N葉輪，最大其中P輔助＝所述輔助電動機的設計功率，P葉輪＝所述葉輪的設計功率N葉輪，最大＝所述葉輪的最大速度，和N葉輪，最?。剿鋈~輪的最小速度。
14.如權利要求12所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中一個制動器防止所述輔助電動機的反向旋轉。
15.如權利要求2所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中該變速器裝置還包括一個皮帶驅動。
16.如權利要求1所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中當該輔助電動機-發(fā)電機的一個轉速為零時，葉輪的轉速不會超過所述主電動機的轉速。
17.如權利要求2所述的變速流體傳輸設備，其特征是，其中所述周轉齒輪包括兩套行星齒輪。
18.一個用于將可變速度控制增加到一個現有電動機驅動流體葉輪的方法，包括以下步驟提供一個輔助軸輸入裝置，提供一個變速器裝置，其具有兩個軸輸入和一個軸輸出，將一個所述變速器的所述軸輸入連接到一個現有的電動機上，將另一個所述變速器裝置的所述軸輸入連接到所述輔助軸輸入裝置，將所述變速器裝置的輸出連接到所述流體葉輪，和通過輔助軸輸入裝置的速度變化控制流體葉輪的速度。
19.如權利要求18所述的方法，其特征是，其中還包括將一個制動裝置加入到所述變速器上以防止所述輔助軸輸入的轉動的步驟。
20.如權利要求19所述的方法，其特征是，其中還包括將一個制動裝置加入到所述軸輸入裝置中的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，其特征是，其中所述輔助軸輸入裝置包括一個電動機/發(fā)電機。
22.一個用于將可變速度控制增加到一個現有的流體葉輪中的方法，該葉輪由接受來自電動機功率的皮帶驅動的所驅動，該方法包括以下步驟提供一個輔助軸輸入裝置，提供一個變速器裝置，其具有兩個輸入和一個輸出，將一個所述變速器插入到所述電動機和所述葉輪之間，以使所述現有的電動機被驅動地連接到所述變速器裝置輸入中一個上并且所述變速器裝置的輸出被驅動地連接到所述葉輪上，將所述輔助軸輸入連接到所述變速器的其它輸出上，和調節(jié)在所述皮帶驅動中的滑輪直徑的比率以實現想要得到的最大葉輪速度。
23.如權利要求22所述的方法，其特征是，還包括還包括將一個制動裝置加入到所述變速器上以防止所述輔助軸輸入轉動的步驟。
24.如權利要求22所述的方法，其特征是，還包括將一個制動裝置加入到所述軸輸入裝置中的步驟。
25.如權利要求22所述的方法，其特征是，所述輔助軸輸入包括一個電動機/發(fā)電機。
全文摘要
將一個葉輪(4)通過一個周轉齒輪變速器(2)連接到一個主電動機(1)和一個輔助電動機/發(fā)電機(3)上。該主電動機(1)運行在一個恒定的速度上而該輔助電動機/發(fā)電機(3)被控制頻率以變化葉輪(4)的速度。
文檔編號F16H3/72GK1261425SQ98806513
公開日2000年7月26日 申請日期1998年5月4日 優(yōu)先權日1997年5月8日
發(fā)明者威廉·L·科普科 申請人:沃克斯馬特能量實業(yè)公司