一种基于行星齿轮传动的变频调速装置的制作方法

1.本发明涉及一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，属于变频调速技术领域。


背景技术：

2.行星的调速装置是一种基于行星齿轮差动调速与功率分流原理的高效率、高可靠性的机电一体化调速产品。它由行星差动调速机械本体、辅助电机、变频器(约总传递功率的20％容量)组成，利用行星差动调速原理来实现高效调速。
3.它具有如下优点：
4.第一，该装置中只有约20％的功率通过变频器驱动辅助电机的方式参与调速，其余约80％的功率以最高效的机械传动方式直接传递到负载，因此，加权综合调速效率极高；
5.第二，由于采用小容量变频器，与常规高压变频技术相比，更为成熟可靠，因此，该装置在运行可靠性上也得到了较大提升，后续维护量与费用也较小。
6.因此，行星调速装置是一种集高效、可靠、性能优于一体的设备。
7.公开号cn109450167a的专利公开了“一种机电一体化集成调速系统及其软启动方法”，该专利的行星变频调速产品用于锅炉给水泵调速节能，但存在的问题有：
8.1、调速范围窄；
9.2、运行模式不够灵活；
10.3、缺乏应对故障工况的手段。


技术实现要素：

11.本发明目的是为了解决现有机电一体化设备集成调速系统存在调速范围窄、运行模式不够灵活，以及缺乏应对故障工况的问题，提供了一种基于行星齿轮传动的变频调速装置。
12.本发明所述的一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，它包括：差动行星齿轮构件、调速系统和主驱动机；
13.齿圈、行星架、太阳轮和行星轮构成差动行星齿轮构件的行星齿轮传动差动结构，行星架上联接有外齿轮，外齿轮与第一行星架惰轮、调速级输入齿轮构成平行级齿轮传动结构；
14.主驱动机通过输入轴和第二联轴器与齿圈联接，作为一个驱动源；
15.调速系统通过调速级输入轴和第一联轴器与调速级输入齿轮联接，作为另一个驱动源；
16.被驱动负载通过输出轴和第三联轴器与太阳轮联接；
17.当主驱动机工频定速运行，驱动齿圈定速旋转时，调速系统能够通过无极变速的输出带动调速级输入齿轮无极变速旋转，进而带动平行级的行星架无极变速运转；定速的驱动件齿圈与无极变速的驱动件行星架通过行星齿轮传动差动结构进行驱动合成，进而驱动太阳轮的无极变速转动，使得与太阳轮联接的被驱动负载接收无极变速的输出。
18.优选的，它还包括齿圈外齿轮，所述齿圈外齿轮联接在齿圈上。
19.优选的，它还包括齿圈惰轮和离合器；
20.齿圈外齿轮和齿圈惰轮啮合，齿圈惰轮通过离合器与第一行星架惰轮联接。
21.优选的，它还包括齿圈惰轮、离合器和齿圈输入齿轮；
22.齿圈外齿轮和齿圈惰轮啮合，齿圈惰轮与齿圈输入齿轮啮合，齿圈输入齿轮与离合器的一端联接，离合器的另一端联接在调速级输入轴上，且位于第一联轴器和调速级输入齿轮之间。
23.优选的，它还包括齿圈惰轮、离合器和第二行星架惰轮；
24.所述齿圈惰轮设置在远离调速系统的位置；
25.齿圈外齿轮和齿圈惰轮啮合，齿圈惰轮通过离合器与第二行星架惰轮联接，第二行星架惰轮与行星架通过齿轮啮合联接。
26.优选的，所述调速系统包括多个，联接到对应行星架上的调速级输入齿轮、第一行星架惰轮与调速系统数量相同；
27.离合器的数量为1个或多个；
28.当离合器的数量为1个时，离合器设置在任意一个齿圈惰轮与相对应的第一行星架惰轮之间，或设置在任意一个齿圈输入齿轮与相对应的调速级输入轴之间，或设置在任意一个齿圈惰轮与相对应的第二行星架惰轮之间；
29.当离合器的数量为多个时，离合器设置在所有齿圈惰轮与相对应的第一行星架惰轮之间，或设置在所有齿圈输入齿轮与相对应的调速级输入轴之间，或设置在所有齿圈惰轮与相对应的第二行星架惰轮之间。
30.优选的，所述离合器采用穿轴端接式，设置在轴端。
31.优选的，所述输出轴上还包括输出轴分轴；
32.所述输出轴分轴包括第一附加输出端平行级齿轮和第二附加输出端平行级齿轮；
33.所述第一附加输出端平行级齿轮和第二附加输出端平行级齿轮设置在输出轴上，且联接在第三联轴器和太阳轮之间。
34.优选的，所述输入轴上还包括输入轴分轴；
35.所述输入轴分轴包括第一附加输入端平行级齿轮和第二输入端平行级齿轮；
36.所述第一附加输入端平行级齿轮和第二输入端平行级齿轮设置在输入轴上，且联接在第二联轴器和齿圈之间。
37.优选的，所述第一行星架惰轮和齿圈惰轮中至少一个采用双联齿轮结构的惰轮。
38.优选的，它还包括轴头泵驱动齿轮和轴头泵；轴头泵驱动齿轮与齿圈外齿轮啮合，齿圈外齿轮通过轴头泵驱动齿轮驱动轴头泵。
39.优选的，所述调速系统、主驱动机和被驱动负载均可以两两置换。
40.本发明提出了一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，提出了宽调速、高效率、高可靠性的新一代行星齿轮传动系统。具有如下优点：
41.1、通过机械的方式，降低了调速系统的容量，大部分功率是通过效率最高的机械传递的方式直接传递至被驱动负载，只有少部分功率参与调速，通过优选高效率调速方法(如变频)，实现了整体加权后调速效率最优化；
42.2、通过机械的方式，实现了调速系统容量的降低，在工程应用上即为降低变频器
的容量，也就是说，行星变频调速装置的电子元器件数量远低于主流高效率全容量变频方案，进而大大提升了调速装置的可靠性，并且后续维护工作大大减少，维护费用也大大降低；
43.3、本发明巧妙地实现了冗余设计，并且该冗余设计在实现“冗余”的同时，实际担负着行星变频调速装置功能实现的作用，可用性更高，避免了传统冗余设计在在系统不发生故障工况时的“浪费”及“实用性不佳”的问题；
44.4、通过离合器的应用，实现了可靠性更高、调速范围更广、运行模式更加灵活的调速装置，且该调速装置应对故障工况的手段也更多。
附图说明
45.图1是本发明所述基于行星齿轮传动的变频调速装置的结构示意图；
46.图2是第一行星架惰轮采用双联齿轮结构惰轮的变频调速装置结构示意图；
47.图3是在输出轴上设置输出轴分轴的变频调速装置结构示意图；
48.图4是在输入轴上设置输入轴分轴的变频调速装置结构示意图；
49.图5是驱动轴头泵的变频调速装置结构示意图；
50.图6是安装离合器的变频调速装置结构示意图；
51.图7是离合器采用穿轴端接式的变频调速装置结构示意图；
52.图8是安装离合器和齿圈输入齿轮的变频调速装置结构示意图；
53.图9是将通过第二行星架惰轮将齿圈惰轮设置在远离调速系统位置的变频调速装置结构示意图；
54.图10是设置两个调速系统、一个离合器的变频调速装置结构示意图；
55.图11是将本发明所述的变频调速装置应用于汽电双驱系统中的示意图。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
58.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
59.实施例1：
60.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，它包括：差动行星齿轮构件、调速系统11和主驱动机12；
61.齿圈2、行星架3、太阳轮4和行星轮6构成差动行星齿轮构件的行星齿轮传动差动结构，行星架3上联接有外齿轮，外齿轮与第一行星架惰轮7、调速级输入齿轮8构成平行级齿轮传动结构；
62.主驱动机12通过输入轴1和第二联轴器10-2与齿圈2联接，作为一个驱动源；
63.调速系统11通过调速级输入轴9和第一联轴器10-1与调速级输入齿轮8联接，作为
另一个驱动源；
64.被驱动负载13通过输出轴5和第三联轴器10-3与太阳轮4联接；
65.当主驱动机12工频定速运行，驱动齿圈2定速旋转时，调速系统11能够通过无极变速的输出带动调速级输入齿轮8无极变速旋转，进而带动平行级的行星架3无极变速运转；定速的驱动件齿圈2与无极变速的驱动件行星架3通过行星齿轮传动差动结构进行驱动合成，进而驱动太阳轮4的无极变速转动，使得与太阳轮4联接的被驱动负载13接收无极变速的输出。
66.进一步的，第一行星架惰轮7可以采用双联齿轮结构的惰轮。
67.如图2所示，是将第一行星架惰轮7替换为双联齿轮结构惰轮14的结构示意图，这种结构的适应性更好。利用双联齿轮的特点实现在同中心距下宽速比范围的调整，从而实现行星变频调速装置的壳体的通用性，更有利于产品的系列化。
68.本实施方式中，行星架3上联接的外齿轮，可以是在行星架3上加工外联的外齿轮，也可以是行星架3上固联的外齿轮。
69.本实施方式中，运行时，主驱动机12工频定速运行，驱动齿圈2定速旋转，同时，调速系统11在其变频器的控制下，输出转速可无极变速，从而带动行星架3无极变速，太阳轮4联接被驱动负载13，根据被驱动负载13的工况调速需求，通过控制调节行星架3的转速，实现太阳轮4(被驱动负载13)的工况调速需求。在实际工程实施中，通过控制调速系统11中变频器的输出频率可实现太阳轮4(被驱动负载13)的工况调速需求，现有技术变频器输出频率步长可以做的很小，故其调速精度很高，足以满足各种泵、风机、压缩机的调速精度要求。
70.实施例2：
71.下面结合图3-图4说明本实施方式，本实施方式所述另一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，如图3所示，输出轴5上还包括输出轴分轴；
72.所述输出轴分轴包括第一附加输出端平行级齿轮15和第二附加输出端平行级齿轮16；
73.所述第一附加输出端平行级齿轮15和第二附加输出端平行级齿轮16设置在输出轴5上，且联接在第三联轴器10-3和太阳轮4之间。
74.本实施方式中，通过第一附加输出端平行级齿轮15和第二附加输出端平行级齿轮16，能够实现输出轴5的非同轴布置。
75.进一步的，如图4所示，输入轴1上还包括输入轴分轴；
76.所述输入轴分轴包括第一附加输入端平行级齿轮17和第二输入端平行级齿轮18；
77.所述第一附加输入端平行级齿轮17和第二输入端平行级齿轮18设置在输入轴1上，且联接在第二联轴器10-2和齿圈2之间。
78.本实施方式中，通过第一附加输入端平行级齿轮17和第二输入端平行级齿轮18，能够实现输入轴1的非同轴布置。
79.本实施方式中，在实施例1的基础上，增加了分轴布置的设计，能够适应某些特殊应用场合(如技改工程)要求。
80.实施例3：
81.下面结合图5-图9说明本实施方式，本实施方式所述另一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，如图5所示，它还包括齿圈外齿轮19，所述齿圈外齿轮19联接在齿圈2上。
82.本实施方式中，齿圈2上联接的齿圈外齿轮19，可以是在齿圈2上加工外联的齿圈外齿轮19，也可以是齿圈2上固联的齿圈外齿轮19。
83.进一步的，如图5所示，它还包括轴头泵驱动齿轮20和轴头泵21；轴头泵驱动齿轮20与齿圈外齿轮19啮合，齿圈外齿轮19通过轴头泵驱动齿轮20驱动轴头泵21。
84.本实施方式中，通过齿圈外齿轮19和轴头泵驱动齿轮20，能够实现轴头泵21的设置。在既有轴头泵驱动齿轮20与齿圈惰轮22时，轴头泵驱动齿轮20可与齿圈惰轮22合并设置，也可分开设置。本实施方式中，给出了一种轴头泵21的布置方案，优点为轴头泵21由定速运行的主驱动机12驱动，不会因为工况的变化导致轴头泵21供油的变化，有助于机组轴系运行的稳定。
85.再进一步的，如图6所示，它还包括齿圈惰轮22和离合器23；
86.齿圈外齿轮19和齿圈惰轮22啮合，齿圈惰轮22通过离合器23与第一行星架惰轮7联接。
87.本实施方式中，提出了一种加强基本型结构，实现齿圈惰轮22与第一行星架惰轮7或双联齿轮结构惰轮14的接脱功能，从而实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能。离合器23可选单向超越离合器、摩擦式离合器或实现离合功能的其它类型离合器。
88.在应用中，离合器23的接脱与主驱动机12的状态相关，当主驱动机12处于非投运状态时，离合器23处于接合状态，当主驱动机12处于投运状态时，离合器23处于脱开状态。当离合器23处于接合状态时(主驱动机12未投运)，调速系统11同时与行星架3、齿圈2有固定的传递关系，此时行星齿轮差动轮系转变为定速比轮系，调速系统11拥有无极变速功能，经行星齿轮定速比轮系传递，可实现输出轴5(太阳轮4、输出轴5)的无极变速功能，由于调速系统11的功率、扭矩的限制，在工程应用中，在轴系盘车或者0～50％范围调速采用此方式运行；当离合器23处于脱开状态时(主驱动机12投运)，行星架3、齿圈2解除耦合关系，是典型的行星齿轮差动轮系，齿圈2由主驱动机12定速驱动，行星架3由调速系统11可调速控制，满足行星齿轮差动轮系n
太阳轮
＝(1+k)n
行星架-kn
内齿轮
一般方程，通过调节行星架3的转速，可满足输出轴5、太阳轮4的调速需求，工程应用中，在50％～100％范围调速采用此方式运行。
89.再进一步的，如图7所示，离合器23采用穿轴端接式，设置在轴端。
90.本实施方式中，离合器23设置在轴端，便于行星变频调速装置的壳体上为离合器23单独设置观察孔/盖，便于后续对其维护、检修。
91.再进一步的，如图8所示，它还包括齿圈惰轮22、离合器23和齿圈输入齿轮24；
92.齿圈外齿轮19和齿圈惰轮22啮合，齿圈惰轮22与齿圈输入齿轮24啮合，齿圈输入齿轮24与离合器23的一端联接，离合器23的另一端联接在调速级输入轴9(调速级输入齿轮8)上，且位于第一联轴器10-1和调速级输入齿轮8之间。
93.本实施方式中，提出了第二种结构用于实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能。第一行星架惰轮7和齿圈惰轮22中至少一个可以采用双联齿轮结构的惰轮。有助于在保持尺寸基本不变的前提下实现宽速比的调整。
94.再进一步的，如图9所示，它还包括齿圈惰轮22、离合器23和第二行星架惰轮25；
95.所述齿圈惰轮22设置在远离调速系统11的位置；
96.齿圈外齿轮19和齿圈惰轮22啮合，齿圈惰轮22通过离合器23与第二行星架惰轮25联接，第二行星架惰轮25与行星架3通过齿轮啮合联接。
97.本实施方式中，提出了第三种结构用于实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能。当结构或尺寸限制，不便采用上述两种方式实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能时，可采用该种结构配置方式，在调速系统11的远端某个位置布置齿圈惰轮22与第二行星架惰轮25，二者通过离合器23联接，实现接脱，从而间接实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能，该结构有利于轴系整体布置，实现紧凑化设计，充分利用立体空间进行结构布置。
98.实施例4：
99.下面结合图10说明本实施方式，本实施方式所述另一种基于行星齿轮传动的变频调速装置，所述调速系统11包括多个，联接到对应行星架3上的调速级输入齿轮8、第一行星架惰轮7与调速系统11数量相同；
100.离合器23的数量为1个或多个；
101.当离合器23的数量为1个时，离合器23设置在任意一个齿圈惰轮22与相对应的第一行星架惰轮7之间，或设置在任意一个齿圈输入齿轮24与相对应的调速级输入轴9之间，或设置在任意一个齿圈惰轮22与相对应的第二行星架惰轮25之间；
102.当离合器23的数量为多个时，离合器23设置在所有齿圈惰轮22与相对应的第一行星架惰轮7之间，或设置在所有齿圈输入齿轮24与相对应的调速级输入轴9之间，或设置在所有齿圈惰轮22与相对应的第二行星架惰轮25之间。
103.本实施方式中，调速系统11可以设置多个，对称或者非对称布置，图10是当设置两个调速系统11的结构示意图。两个调速系统11可平均分配功率扭矩，有利于调速系统11的小型化设计。这种方式具有如下优势：当某个调速系统11出现故障停运时，另一个调速系统11仍可正常运行，但受限于调速系统11的功率、扭矩，不能将被驱动负载13带至满负荷，即使如此，相比单调速系统方案，可靠性仍旧得到了提升，这对某些对可靠性要求严苛的应用环境尤为有利。另外，当调速系统11设置为两个或者多个时，为实现行星架3与齿圈2的耦合/解耦功能，离合器23的布置有多种方式可选，一种方式是：离合器23只设置一个，布置在任意一个齿圈惰轮22与第一行星架惰轮7/双联齿轮结构惰轮14之间；第二种方式：离合器23布置在每个齿圈惰轮22与第一行星架惰轮7/双联齿轮结构惰轮14之间；第三种方式：离合器23可不设置在调速系统11与行星架3、调速系统11与齿圈外齿轮19之间，单独设置联接机构用以联接行星架3与齿圈外齿轮19。图10是第一种布置方式的结构示意图。
104.更进一步的，所述调速系统11、主驱动机12和被驱动负载13均可以两两置换。
105.本实施方式中，调速系统11、主驱动机12和被驱动负载13均可以两两置换。例如，调速系统11可联接到太阳轮4，被驱动负载13相应地联接到行星架3，相关结构布置作适应性调整。
106.本发明中，所述调速系统11采用无极变速运行驱动机，例如变频电机。所述主驱动机12采用恒速运行驱动机，例如工频同步/异步电机。所述被驱动负载13为为了节能而采用的变速运行的负载，例如泵、压缩机、风机等。所述离合器23采用单向超越离合器、摩擦式离合器或实现离合功能的其它类型离合器。
107.本发明中，如图11所示，是将本发明所述的变频调速装置应用于汽电双驱系统中的示意图，在汽电双驱系统中行星变频调速装置反向应用，作为变速
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定速应用的实例。在工程应用中，透平驱动装置26变速运行，驱动被驱动负载13，由于透平驱动装置26功率输出大于被驱动负载13的实际需求，图示中主驱动机12为电机，多余的功率通过电机(主驱动机
12)发电消纳，在此应用中，透平驱动装置26变速输入经过行星变频调速装置输出到电机(主驱动机12)的转速始终恒定，应用此功能，使电机(主驱动机12)直接并网成为了可能。
108.此外，本发明的行星变频调速装置并不限定三个外接端(齿圈2、行星架3、太阳轮4)输入、输出端的定义，为了更好的适应工程应用，齿圈2、行星架3、太阳轮4的输入、输出端定义可按实际应用场合来确定，如齿圈、太阳轮作为输入端，行星架作为输出端设计，可实现低速无极调速，如行星架、太阳轮作为输入端，齿圈作为输出端设计，可实现中速无极调速，齿圈、行星架作为输入端，太阳轮作为输出端设计，可实现高速无极调速，本发明限于篇幅仅列出了其中一种应用方式。
109.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。