專利名稱：一種基于磁流變脂的電動機軟啟動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電機動力傳動裝置，關于一種用于輸送機、提升機等大功率重載
設備的基于磁流變脂的電動機軟啟動裝置。
背景技術：
機械設備軟啟動是指動力機械在啟動時斷開負荷，動力機械運行正常后逐步施加負載緩慢平穩(wěn)地啟動。軟啟動技術對于機械傳動系統(tǒng)而言，可保證在啟動過程中作用在機械設備上的沖擊能量最小，延長動力機械及其它工作機構的使用壽命，因此對于大功率重載設備非常必要。目前軟啟動技術應用于礦山或港口碼頭的大型提升機和輸送機，工程設備的挖掘機、牽引機和起重機等。 液力啟動方式一般包括液力耦合軟啟動和液體粘性軟啟動。現(xiàn)有的液力耦合器利用液體來傳遞能量，泵輪在發(fā)動機的帶動下轉動，將機械能轉化為液體的動能，液體將能量傳遞給渦輪，渦輪帶動從動軸轉動。液力耦合器的能量傳遞效率低，特別在低速時，有近75%的能量被浪費，同時大容量的設備還須額外增加水冷系統(tǒng)，以降低在能量轉換中產(chǎn)生的熱能。液體粘性軟啟動器利用在主、從動輪摩擦片之間的油膜的粘性剪切作用力來傳遞動力。液體粘性軟啟動器在一定范圍內(nèi)能夠實現(xiàn)主、從動軸之間的無極調(diào)速和同步運行，能對傳動系統(tǒng)進行過載保護，但是電動機的動力通過粘性轉矩作用在負載上，而不是真正的空載啟動。當電動機處于負載啟動狀態(tài)，負載慣性較大而電動機轉子的轉速因負載慣性跟不上去，結果使過載電流大、電流沖擊時間長，出現(xiàn)短時電流沖擊現(xiàn)象。液體粘性軟啟動器的傳動效率低，功率損失大、發(fā)熱嚴重、且裝置復雜、制造和維護的成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有軟啟動方式存在的不足，提出一種控制方法簡單、力矩傳遞效率可調(diào)的基于磁流變脂的電動機軟啟動裝置。本發(fā)明的主電機使用電網(wǎng)電壓，不存在電壓切換時出現(xiàn)的短時電流沖擊的問題，同時設備結構簡單易于實現(xiàn)，制造和維護成本低廉。本發(fā)明的電動機軟啟動傳動裝置可廣泛用于輸送機、提升機等大功率重載設備，使電動機主電機啟動電流小于額定電流的條件下實現(xiàn)軟啟動。
本發(fā)明的技術方案如下 —種電動機軟啟動裝置，其特征在于它包括外殼、工作缸、勵磁線圈、輸入力矩轉軸和輸出力矩轉軸；其中所述工作缸設置在外殼內(nèi)且與外殼同軸，并可相對外殼轉動；工作缸外側壁與外殼內(nèi)側壁之間設置勵磁線圈；所述輸入力矩轉軸和輸出力矩轉軸均設置在外殼與工作缸的軸線上，輸入力矩轉軸一端連接電動機的轉子，輸入力矩轉軸另一端穿過外殼一端面和工作缸一端面到達工作缸的內(nèi)部，所述輸入力矩轉軸與外殼和工作缸轉動連接；輸出力矩轉軸一端固定在工作缸另一端面外部且與外殼轉動連接，輸出力矩轉軸另一端穿過所述外殼連接負載；工作缸內(nèi)側壁上縱向間隔設置多個徑向伸入的磁性通道環(huán)，將工作缸內(nèi)腔分為多個連通的艙室；所述工作缸內(nèi)填充磁流變脂；所述工作缸整體密封在所述外殼內(nèi)。 所述磁性通道環(huán)為永磁體。 所述磁性通道環(huán)通過內(nèi)花鍵設置在所述工作缸內(nèi)側壁上。 所述輸入力矩轉軸與所述工作缸和外殼均通過滾動軸承連接，所述輸出力矩轉軸與所述外殼通過滾動軸承連接。 每個所述艙室內(nèi)設置一片狀剪切環(huán)，所述剪切環(huán)與所述輸入力矩轉軸固定。
所述剪切環(huán)通過外花鍵設置在所述輸入力矩轉軸上。 所述工作缸外側壁與外殼內(nèi)側壁之間設置有隔離板，所述隔離板與所述外殼內(nèi)側壁之間的圓筒形空腔內(nèi)周向纏繞所述勵磁線圈。 所述工作缸另一端面的內(nèi)側面上設置有盲孔，所述輸入力矩轉軸另一端的末端置入該盲孔內(nèi)。 所述工作缸另一端面的外側面設置有凸出部，所述凸出部中心設置有凸出部孔，所述輸出力矩轉軸一端固定在該凸出部孔內(nèi)。 所述輸入力矩轉軸、輸出力矩轉軸和工作缸側壁采用非導磁材料，所述外殼、兩工
作缸端面、剪切環(huán)采用導磁材料。 本發(fā)明的技術效果如下 本發(fā)明的基于磁流變脂的電動機軟啟動裝置主要分為輸入力矩組件和輸出力矩組件，輸入力矩組件和輸出力矩組件之間通過磁流變脂相耦合。輸入力矩組件包括輸入力矩轉軸和其上設置的剪切環(huán)，輸出力矩組件包括工作缸、輸出力矩轉軸和磁性通道環(huán)，利用磁流變脂具有在磁場的作用下磁流變脂的粘度系數(shù)發(fā)生改變，磁流變脂傳力特性隨之改變的特性，將磁流變脂作為電動機向負載進行力矩傳遞的介質(zhì)，并利用勵磁線圈產(chǎn)生的勵磁磁場和磁性通道環(huán)產(chǎn)生的永磁磁場的合磁場，作為對磁流變脂作用的磁場，磁場大小由勵磁電流來控制。在電機啟動時，調(diào)節(jié)勵磁電流使作用于磁流變脂的合磁場減小，磁流變脂的粘度系數(shù)降低，從而降低電機負荷便于啟動電機；當電機正常工作以后，逐漸減小勵磁電流使作用于磁流變脂的合磁場逐漸增大，磁流變脂的粘度系數(shù)增大，使力矩傳遞效率增大，電機正常工作后的輸出力矩得以正常傳遞。同時利用永磁使得本裝置在正常使用條件下不需要外加能源，起到節(jié)能作用。與現(xiàn)有通過液力耦合的軟啟動裝置相比，本發(fā)明的電動機軟啟動裝置在正常工作后由于磁流變脂接近固化，因此具有力矩傳遞率大的特點，有效避免了運行過程中的轉速丟失；并且這種基于磁流變脂的軟啟動裝置的發(fā)動機工作在電網(wǎng)電壓下，不會存在變頻軟啟動中短時電流沖擊。 本發(fā)明通過設置在輸入力矩轉軸上的剪切環(huán)來剪切磁流變脂，當磁流變脂的粘度系數(shù)加大時，增加了工作缸中的整體性，更好地帶動工作剛旋轉實現(xiàn)輸入力矩的傳遞。同時由導磁材料做成的剪切環(huán)可增加磁通面積，從而增加磁場對磁流變脂阻尼系數(shù)的控制。
由于磁流變脂比磁流變液能提供更大的剪切屈服應力，且在離心力作用下不會發(fā)生沉降與板結，因此利用磁流變脂作為傳力介質(zhì)不會出現(xiàn)載體與可磁化粒子分離現(xiàn)象。
本發(fā)明由于在工作缸外側壁與外殼內(nèi)側壁之間設置隔離板，將勵磁線圈限制在隔離板的范圍之中，避免工作缸在軸向運動中受到勵磁線圈的影響，保證力矩的傳遞效率。本發(fā)明由于在工作缸另一端面的外側面設置有凸出部及凸出部孔，增強了輸出力矩轉軸在工作缸另一側面的外側面上的穩(wěn)定性，避免在工作狀態(tài)下輸出力矩轉軸左右移動，導致事故發(fā)生。


圖1是本發(fā)明電動機軟啟動傳動裝置的結構示意圖 其中，1-外殼；ll-外殼一端面；12-外殼另一端面；2-工作缸；21-工作缸一端面；22-工作缸另一端面；3-輸入力矩轉軸；4-輸出力矩轉軸；5-隔離板；6_勵磁線圈；7_滾動軸承；8-墊片；9-密封圈；10-磁性通道環(huán)；13_剪切環(huán)。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明進行說明。 如圖1所示，本發(fā)明主要包括外殼1、工作缸2、輸入力矩轉軸3、輸出力矩轉軸4，磁流變脂封閉于工作缸2中。外殼1為一圓柱形中空密封體，工作缸2為設置在外殼1內(nèi)部且與外殼1同軸的圓柱形中空密封體，工作缸2的外側壁與外殼1的內(nèi)側壁之間存在間距。外殼1的內(nèi)側壁與工作缸2的外側壁之間設置隔離板5，隔離板5與外殼1的內(nèi)側壁之間的圓筒形空腔內(nèi)周向纏繞勵磁線圈6。工作缸2可在隔離板5與外殼1形成的腔體中自由轉動。 輸入力矩轉軸3設置在外殼1與工作缸2的軸線上，一端伸出外殼l，與電動機的轉子連接；另一端穿過外殼一端面10與工作缸一端面21，經(jīng)過工作缸2的內(nèi)腔，其末端通過滾動軸承7設置于工作缸另一端面22內(nèi)側面上設置的盲孔中。輸入力矩轉軸3通過兩滾動軸承7分別與外殼一端面11和工作缸一端面21轉動連接，兩滾動軸承7之間剛性分隔。用一墊片8抵住設置在外殼端面10與輸入力矩轉軸3之間的滾動軸承7，并在墊片8和外殼端面10之間加防松螺釘固定，以防止?jié)L動軸承7相對輸入力矩轉軸3滑動。輸出力矩轉軸4也設置在外殼1和工作缸2的軸線上，工作缸另一端面22的外側面上設置一凸出部，凸出部中心有一凸出部孔，輸出力矩轉軸4一端固定在突出部孔內(nèi)，另一端穿過外殼另一端面12連接負載。輸出力矩轉軸4另一端在凸出部孔中的位置與輸入力矩轉軸3在工作缸另一端面22內(nèi)側面盲孔中的位置相對應。工作缸另一端面22外臺階狀突出部的外側面通過滾動軸承7與外殼另一端面12轉動連接，用一墊片8抵住設置在外殼另一端面12與工作缸另一端面22之間的滾動軸承7，并在墊片8和外殼另一端面12之間加防松螺釘固定，以防止?jié)L動軸承7相對工作缸2滑動。輸入力矩轉軸3與外殼一端面10上墊片8的接縫處，以及輸出力矩轉軸4與外殼另一端面12的接縫處均設置0型密封圈9，以保證外殼1內(nèi)部的整體密封。 N個中空的磁性通道環(huán)10通過內(nèi)花鍵間隔設置在工作缸2的內(nèi)側壁上，將工作缸2的內(nèi)腔分隔成N+1個艙室，每個艙室內(nèi)設置一個片狀的剪切環(huán)13，所有的剪切環(huán)13的中心部分均通過外花鍵間隔設置在輸入力矩轉軸3上，剪切環(huán)13與相鄰的磁性通道環(huán)10之間留有軸向間距，剪切環(huán)13可在輸入力矩轉軸3的帶動下，在艙室中做圓周運動。本實施例中的輸入力矩轉軸3、輸出力矩轉軸4、工作缸2的側壁采用非導磁材料制作，以增大磁阻；外殼1、工作缸2的兩端面、剪切環(huán)13采用低碳鋼的導磁材料，外殼1的側壁、工作缸2的兩端面、剪切環(huán)13與磁流變脂形成磁通回路；磁性通道環(huán)10為永磁材料制成的永磁體，可為工作缸2內(nèi)部提供原始磁場。
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綜上所述，輸入力矩轉軸3和剪切環(huán)13組成的輸入力矩組件固定連接，工作缸2、輸出力矩轉軸4和磁性通道環(huán)10組成的輸出力矩組件固定連接。輸入力矩轉軸3接受電動機轉子輸出的力矩，帶動剪切環(huán)13剪切工作缸2中的磁流變脂。由于磁流變脂的粘性和摩擦力的作用而帶動輸出力矩組件轉動，工作缸2通過帶動將力矩傳遞到輸出力矩轉軸4，由輸出力矩轉軸4連接負載。 當勵磁線圈6內(nèi)不通電時，只有磁性通道環(huán)10提供的原始磁場對磁流變脂發(fā)生作用，使得工作缸2中的磁流變脂處于類固體狀態(tài)，傳力特性隨之增大，從而通過工作缸2帶動輸出力矩轉軸4轉動，實現(xiàn)電機的軟啟動。當軟啟動裝置的勵磁線圈6內(nèi)通過控制系統(tǒng)輸入的時，勵磁線圈6產(chǎn)生的勵磁磁場與磁性通道環(huán)10產(chǎn)生的原始磁場方向相反，隨著電流的增大勵磁磁場增加，勵磁磁場逐漸與原始磁場抵消。當電流到達某一定值時，勵磁磁場和原始磁場大小剛好抵消，則工作缸2中的磁場為零；此時磁流變脂中由于沒有磁場的作用，
處于粘度系數(shù)幾乎為零的自由流動狀態(tài)，則傳遞力矩的作用很小，幾乎可以忽略，因此不能通過工作缸2帶動輸出力矩轉軸4轉動，力矩傳遞效率極低。隨著勵磁線圈6內(nèi)電流的逐
漸減小，作用于磁流變脂的原始磁場逐漸增加，磁流變脂的粘度系數(shù)隨著其中磁場的增加而增大，越來越接近與固體的性質(zhì)，具有逐漸增強的粘性和摩擦力，力矩傳遞效率也逐漸增加。 本實施例中勵磁線圈6的勵磁電流由控制系統(tǒng)控制，根據(jù)所需要的電動機轉速和現(xiàn)有電動機轉速之間的差值來決定是增加勵磁電流還是減小勵磁電流。當電動機現(xiàn)有轉速低于需要的轉速時，需要較高的傳遞率，則減小勵磁電流；而當電動機現(xiàn)有轉速高于需要的轉速時，需要較低的傳遞率，則增大電流。 應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發(fā)明創(chuàng)造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
權利要求
一種電動機軟啟動裝置，其特征在于它包括外殼、工作缸、勵磁線圈、輸入力矩轉軸和輸出力矩轉軸；其中所述工作缸設置在外殼內(nèi)且與外殼同軸，并可相對外殼轉動；工作缸外側壁與外殼內(nèi)側壁之間設置勵磁線圈；所述輸入力矩轉軸和輸出力矩轉軸均設置在外殼與工作缸的軸線上，輸入力矩轉軸一端連接電動機的轉子，輸入力矩轉軸另一端穿過外殼一端面和工作缸一端面到達工作缸的內(nèi)部，所述輸入力矩轉軸與外殼和工作缸轉動連接；輸出力矩轉軸一端固定在工作缸另一端面外部且與外殼轉動連接，輸出力矩轉軸另一端穿過所述外殼連接負載；工作缸內(nèi)側壁上縱向間隔設置多個徑向伸入的磁性通道環(huán)，將工作缸內(nèi)腔分為多個連通的艙室；所述工作缸內(nèi)填充磁流變脂；所述工作缸整體密封在所述外殼內(nèi)。
2. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述磁性通道環(huán)為永磁體。
3. 如權利要求2所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述磁性通道環(huán)通過內(nèi)花鍵設置在所述工作缸內(nèi)側壁上。
4. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述輸入力矩轉軸與所述工作缸和外殼均通過滾動軸承連接，所述輸出力矩轉軸與所述外殼通過滾動軸承連接。
5. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于每個所述艙室內(nèi)設置一片狀剪切環(huán)，所述剪切環(huán)與所述輸入力矩轉軸固定。
6. 如權利要求5所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述剪切環(huán)通過外花鍵設置在所述輸入力矩轉軸上。
7. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述工作缸外側壁與外殼內(nèi)側壁之間設置有隔離板，所述隔離板與所述外殼內(nèi)側壁之間的圓筒形空腔內(nèi)周向纏繞所述勵磁線圈。
8. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述工作缸另一端面的內(nèi)側面上設置有盲孔，所述輸入力矩轉軸另一端的末端置入該盲孔內(nèi)。
9. 如權利要求1所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述工作缸另一端面的外側面設置有凸出部，所述凸出部中心設置有凸出部孔，所述輸出力矩轉軸一端固定在該凸出部孔內(nèi)。
10. 如權利要求l-9之一所述的一種電動機軟啟動裝置，其特征在于所述輸入力矩轉軸、輸出力矩轉軸和工作缸側壁采用非導磁材料，所述外殼、兩工作缸端面、剪切環(huán)采用導磁材料。
全文摘要
一種基于磁流變脂的電動機軟啟動裝置，主要分為輸入力矩組件和輸出力矩組件，輸入力矩組件和輸出力矩組件之間通過磁流變脂相耦合。輸入力矩組件包括輸入力矩轉軸和其上設置的剪切環(huán)，輸出力矩組件包括工作缸、輸出力矩轉軸和磁性通道環(huán)，利用磁流變脂具有在磁場的作用下磁流變脂的粘度系數(shù)發(fā)生改變，磁流變脂傳力特性隨之改變的特性，將磁流變脂作為電動機向負載進行力矩傳遞的介質(zhì)，并利用勵磁線圈產(chǎn)生的勵磁磁場和磁性通道環(huán)產(chǎn)生的永磁磁場的合磁場，作為對磁流變脂作用的磁場，磁場大小由勵磁電流來控制。本發(fā)明的電動機軟啟動裝置在正常工作后由于磁流變脂接近固化，因此具有力矩傳遞率大的特點，有效避免了運行過程中的轉速丟失。
文檔編號H02P1/16GK101789730SQ20101013962
公開日2010年7月28日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者廖昌榮, 李興, 駱靜 申請人:重慶大學