專利名稱：用于電動機起動的渦輪氣動輔助裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及一種原動機，尤其涉及一種用于輔助電動機原動機起動的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工業(yè)中，使用原動機為其他機械或機械系統(tǒng)的操作提供原動力。典型的原 動機包括往復式內(nèi)燃機(汽油機和柴油機)、燃氣輪機或電動機。往復式內(nèi)燃機和燃氣輪 機使用石油燃料，產(chǎn)生有害的廢氣排放物和其他多種燃燒副產(chǎn)物。隨著政府對排放物和污 染的管控越來越嚴格，以及可揮發(fā)分裂燃料成本的不斷增加，使用基于石油燃料的原動機 變得越來越?jīng)]有吸引力。除了污染、廢氣排放物和燃料成本以外，往復式內(nèi)燃機和燃氣輪機 還產(chǎn)生噪聲污染，從而使得其在近鄰社區(qū)或需要工廠(邏輯上說)的地方的使用越發(fā)困難。 此外，與電動機原動機相比，基于石油燃料的原動機具有更短的服務(wù)壽命、眾多的移動部件 和更高的維護成本。使用電動機作為原動機則可以消除基于石油燃料為動力的原動機的許 多相關(guān)問題。 電動機可以提供超過20，000馬力的機械動力。然而，使用高功率電動機的一個問 題在于初始起動能量和電流牽引導致使用電動機產(chǎn)生沖擊電流(in-rushcurrent)，其能量 比電動機在固定負荷電流(FLC)下的穩(wěn)態(tài)能量高6-8倍。高起動能量消耗部分的由電動機 在起動時電動機的電樞從完全停止狀態(tài)加速經(jīng)受大量沖擊電流而造成。在完全停止或穩(wěn)定 狀況下，還有一種已知的"鎖定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩"(LRT)狀態(tài)，電動機的動作很類似于短路，因此，在 起動時需要或經(jīng)受大量沖擊電流。在電動機達到旋轉(zhuǎn)速度時，其功率需要和電流牽引就快 速按指數(shù)律下降了。 另一個附加到大馬力電動機起動時峰值能量的消耗是該種裝置本身以及從動裝 置趨于具有或者具有大量轉(zhuǎn)動慣量。大量慣量反作用于電動機的電樞加速，并且抑止電動 機達到其以低的多的FLC運行的穩(wěn)態(tài)運行速度。同樣的，大量慣量也會延長電樞從靜止到 加速達到其以低的多的FLC運行的穩(wěn)態(tài)運行速度的時間，因此，使得電動機在延長的時間 段內(nèi)受到?jīng)_擊和高強電流的作用。 這種高強電流的高程度能量消耗存在問題。過量的電流使得供電系統(tǒng)為電動機供 電時過熱而導致電路開關(guān)跳閘。高強電流通過電動機時造成電動機集聚熱量從而導致電動 機壽命下降。高費用的可變頻率裝置(VFDs)和軟起動(soft-start)設(shè)備以及電容器經(jīng)常 用于處理這種過熱并且防止電動機受損。同樣，無效的"需求波峰(demand spikes)"(電 功要求指數(shù)律高的功率)會產(chǎn)生更高的峰值能量消耗，并會造成所有用戶能量價格的增加 或者過量。 與燃燒功率相比，電力公用事業(yè)公司必須提供足夠多的額外功率容量用于設(shè)備起 動，否則就會由于設(shè)備起動引起的峰值能量消耗而造成電力公用事業(yè)公司的其他用戶從電 網(wǎng)脫離的風險。電源故障降低少了電力公用事業(yè)公司在競爭能源市場上的可靠性。實際上， 技術(shù)名稱"峰化器(peakers)"或"脈沖整形器(peak-shavers)"指的是公用事業(yè)公司必須 投資增加的額外容量或功率產(chǎn)生容量，其用于在電網(wǎng)的功率需要超出可用供應(yīng)時提供可靠電功率。用戶選擇電動機作為原動機經(jīng)常要等到電力公用事業(yè)公司對安裝和使用電動機后
的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造完成后才可以使用。這個等待時間增加了安裝設(shè)施或新設(shè)備所需的時
間而可能導致減產(chǎn)。此外，在使用現(xiàn)場，用戶通常必須為其設(shè)施提供尺寸過大的供電部件并
且向電力公用事業(yè)公司支付升級電網(wǎng)的費用，從而進一步增加資本成本。 此外，即使是在穩(wěn)態(tài)運行時期，需求波峰也極大的決定了用戶的電力成本。商業(yè)可
帶來波峰功率需求，特別是在高需求期間，其需要支付雙倍的電力額外費用(需求波峰使
用比率和需求波峰時期比率調(diào)節(jié))。在多數(shù)情況下，盡管高峰起動消耗在電動機整個運行壽
命或?qū)檬聵I(yè)公司付費周期(utility billingcycle)中只占到很短的時期，但是其額外
費用也占到電動機所有電力消耗的一定比例。 典型地，一分鐘的起動消耗率決定其占整個費用期間的比率，在起動后電動機
100%的使用大概運行720小時。這種處理就是大型電動機要在卸載或沒有需求(以避免
由于起動消耗帶來的高峰率)的時候連續(xù)運行而更具效率的原因?？傊?，這種波峰需求因
素使得電動機的使用效率更低，并且與可選的燃燒原動機相比競爭力更低。 尋找使其費用最小的運行方式。同樣，公用事業(yè)公司也在尋找更好的管理功率分
配和對服務(wù)用戶資金費用的管理方式。 進一步，如果不具備充足電網(wǎng)的電力供應(yīng)，這種高峰需求也會抑止電動機在第二 列工業(yè)國中新興工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。此外，如果電網(wǎng)供應(yīng)電動機起動的電力不具備足夠的 安培容量，則沖擊電流會造成共用線路的電壓降，而引起線路擾動。這種線路擾動會給其他 用戶帶來問題，比如電燈閃爍或其他使得用戶煩惱和給電力供應(yīng)商帶來麻煩的嚴重問題。
然而，使用電動機更具效率，其對比燃燒原動機的相同輸出具有重大的優(yōu)勢。大型 (高馬力)原動機尤其如此。 因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，存在著對于電力原動機需要一種裝置，其可消除與電動機起 動相關(guān)的一個或多個問題，并且增加使用大型電動機作為原動機的整體效率。本發(fā)明則提 供這樣一種裝置。本發(fā)明的這種或其他優(yōu)勢，以及附加的發(fā)明特征，將會在以下提供的發(fā)明 描述中明顯體現(xiàn)出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新型改進的原動機系統(tǒng)及其方法，其克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的上 述一個或多個問題以及其他問題。特別的，本發(fā)明提供一種新型電動機原動機，其在電動 機起動時具有減少的沖擊電流。本發(fā)明提供一種氣起動輔助系統(tǒng)，其輔助電動機的起動從 而減少電動機開動時產(chǎn)生類似短路的作用。氣起動輔助系統(tǒng)以壓縮空氣而不是電流進行操 作。大量沖擊電流和能量消耗的減少一般與使用電力進行起動的電動機相關(guān)。
本發(fā)明的一個實施例提供一種原動機，其包括電動機和用于電動機輔助起動的氣 動馬達。 一個機械驅(qū)動系統(tǒng)將氣動馬達與電動機連接起來。更特別的，機械驅(qū)動裝置將氣 動馬達和電動機的電樞連接起來。 該連接包括齒輪、帶、鏈/鏈輪或CVT。離合器設(shè)置在驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)，其處于起動馬達 和電動機的電樞之間，而使得氣動馬達的旋轉(zhuǎn)部件可選擇的與電樞隔離旋轉(zhuǎn)。進一步，離合 器可設(shè)置運行電樞超越氣動馬達的旋轉(zhuǎn)部件運行，而無需加速電樞或者驅(qū)動氣動馬達的部 件，從而防止氣動馬達部件的不必要的磨損。
可提供一種控制器，其用于控制開動或者停用氣動馬達，允許設(shè)置同步正時/RPM 設(shè)定點。控制器可進一步設(shè)置使得離合器可與位于氣動馬達和電樞間的任一個轉(zhuǎn)矩傳動裝 置接合或分開。 在一種實施方式中，新型改進的起動電動機的方法是不使用電力而使得電動機的 電樞開動旋轉(zhuǎn)從而輔助起動電動機。這種方法可以減少初始高峰電能消耗和電動機原動機 起動期間經(jīng)歷的沖擊電流。更具體的，該方法包括啟動起動馬達并且機械驅(qū)動帶有氣動馬 達的電動機。在通過機械裝置使得電樞旋轉(zhuǎn)后，電樞至少部分的被電力驅(qū)動。在優(yōu)選的方 法中，該方法包括啟動氣動馬達并且將氣動馬達通過例如接合離合器的方式而操作連接到 電樞上。在另一種方法中，在沒有電力驅(qū)動電動機的時候，采用原始機械方式驅(qū)動電樞。在 進一步的方法中，在電動機被驅(qū)動后，通過例如離合器的裝置或防止空氣流經(jīng)過氣動馬達 的方式停用氣動馬達，從而防止氣動馬達不必要的磨損和損耗。 本發(fā)明的其他方面，目的和優(yōu)點在下面結(jié)合相關(guān)附圖的詳細描述后而變得更加清 楚。


結(jié)合構(gòu)成說明書的一部分的

本發(fā)明的一些方面，并且其與說明書一起用 于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明教導的一個連接負載的原動機系統(tǒng)實施例的簡化圖；
圖2是圖1中的原動機的分解圖；禾口 圖3是一個流程圖，圖示了一個根據(jù)本發(fā)明的起動電力原動機系統(tǒng)的方法的步 驟。 盡管結(jié)合某些優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但這并不是意圖將本發(fā)明限定 為這些實施例。而正好相反，通過附加權(quán)利要求所限定的主旨和范圍，本發(fā)明應(yīng)該涵蓋所有 的可選方式，變型和等同物。
具體實施例 參考圖l，顯示了一個原動機系統(tǒng)10實施例的簡化圖。原動機系統(tǒng)IO操作連接 并且驅(qū)動負載12。負載12可為任意極限負載，例如壓縮機、泵、傳送機、磨碎機、磨床等等。 這個列表不是為了窮盡或限制，僅僅提供舉例而言。原動機系統(tǒng)10為電動機原動機，并且 包括電動機18用于提供原動力而驅(qū)動負載12。作為原動機的系統(tǒng)10包括電動機18作為 原動機的主動力，原動機系統(tǒng)IO提供基于電力系統(tǒng)的所有社會生態(tài)和維護的優(yōu)點。然而， 原動機系統(tǒng)10的實施例有利于消除許多上述提到的電動機原動機的相關(guān)問題。原動機系 統(tǒng)10消除或者根本減少了電動機18起動期間相關(guān)的沖擊電流和高峰能力消耗，這將在以 下進行詳盡解釋。 為了消除或者根本減少電動機18在最初開動和起動期間的問題， 一個氣動起動 輔助系統(tǒng)16用于輔助電動機18的起動。類似的，氣動起動輔助系統(tǒng)16操作連接電動機 18。氣動起動輔助系統(tǒng)16使得電動機轉(zhuǎn)子以電動機18的電樞20的形式開始轉(zhuǎn)動，而不需 要施加電力或使電動機18通入電流。將在以下進行詳盡描述，在一個實施例中，只是在電 樞20旋轉(zhuǎn)后才施加電力驅(qū)動電動機18，并且特別的是在電樞20達到預定轉(zhuǎn)速(電力施加速度)后。與用電力使得電動機從停止到起動相比，這種結(jié)構(gòu)大大減少起動時的有害峰值 電能消耗和沖擊電流。 氣動起動輔助系統(tǒng)16包括操作連接到電動機18的氣動馬達22。壓縮氣體，特別 是空氣(圖示為箭頭24)，通入并為氣動馬達22提供動力。為了簡化余下的說明，壓縮氣體 24—般確定為空氣24。然而，普通技術(shù)人員可以意識到其它的壓縮氣體例如天然氣、甲烷、 氮氣可以根據(jù)本發(fā)明的原理用于其它實施例。在一個實施例中，流動的壓縮空氣24旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動渦輪轉(zhuǎn)子26，該渦輪轉(zhuǎn)子連接氣動馬達22中內(nèi)馬達齒輪系28從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動輸出。渦輪 轉(zhuǎn)子26的轉(zhuǎn)動輸出操作的傳遞到電樞20，從而機械驅(qū)動電樞20。在電樞20達到電力施加 速度后，再施加電力驅(qū)動電樞20。電力施加速度足夠快以至于可以基本減少沒有完全消除 的電動機18出現(xiàn)類似短路的時間，從而減少當電樞20供應(yīng)電力時的峰值沖擊電流和能量 消耗。然而可能的是，電力施加速度不必為電樞20的最終穩(wěn)態(tài)運行速度。典型的電力施加 的速度大約為穩(wěn)態(tài)運行速度的65-70%就可以取得大部分的益處。 在圖示實施例中，氣動馬達22包括自身具有的整體氣動馬達齒輪系28，并且電動 機18包括輔助電動機齒輪系30。這些齒輪系28和30構(gòu)成一個位于渦輪轉(zhuǎn)子26和電樞20 之間的齒輪系系統(tǒng)，從而操作的將渦輪轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到電樞20。整體氣動馬達齒 輪系28進一步位于氣動馬達22的殼體內(nèi)。氣動馬達齒輪系28和電動機齒輪系30的結(jié)構(gòu) 使得氣動馬達22可以驅(qū)動電樞20達到電力施加速度，并且產(chǎn)生適當程度的轉(zhuǎn)矩從而克服 電樞20的質(zhì)量慣性。盡管圖示的實施例包括用于氣動馬達22和電動機18的分離齒輪系， 但是本發(fā)明的說明對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯可以在機械連接渦輪轉(zhuǎn)子26和電樞20 之間應(yīng)用其它的齒輪系結(jié)構(gòu)，例如一個單齒輪系和/或組合齒輪系。 如圖所示，氣動馬達齒輪系28包括一個小齒輪34，該小齒輪連接并且驅(qū)動電動機 齒輪系30的齒輪36。氣動馬達齒輪系28可構(gòu)成為改變小齒輪34相對渦輪轉(zhuǎn)子26的轉(zhuǎn)動 輸出比率，從而根據(jù)指定應(yīng)用增加或減少所需轉(zhuǎn)矩或速度而適當驅(qū)動齒輪36。
從動齒輪36連接電樞20的輸入軸38，這樣從動齒輪36的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電樞20。盡 管從動齒輪36圖示為簡化形式直接連接到輸入軸38，但是從動齒輪36也可以驅(qū)動電動機 齒輪系30內(nèi)的其它齒輪，并且可間接連接到電樞20或者輸入軸38。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言很明顯可以根據(jù)實際應(yīng)用，例如速度減少或轉(zhuǎn)矩增加，采用其它電動機齒輪系結(jié)構(gòu)。
此外，盡管齒輪系28， 30描述為使用齒輪_至_齒輪的接口而將一個部件的旋轉(zhuǎn) 傳遞到另一個部件上，也就是從渦輪轉(zhuǎn)子26到電樞20，但是可以預見，也可以使用其它的 結(jié)構(gòu)，例如帶和滑輪系統(tǒng)。因而，術(shù)語"齒輪系"應(yīng)該足夠廣義的包括其它轉(zhuǎn)矩傳遞系統(tǒng)，例 如帶和滑輪、液壓聯(lián)軸節(jié)系統(tǒng)等，這些僅僅為舉例而絕不是限制于此。 此外，從動齒輪36和電動機齒輪系30設(shè)置在電動機18相對電動機18輸出軸60 的相反側(cè)。輸出軸60適合的連接到負載12。典型地，輸出軸60連接負載12的輸入軸62。 輸出軸60操作的將電動機18的旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到負載12。氣動起動輔助系統(tǒng)16不必一定 設(shè)置在電動機18作為輸出軸60的相反側(cè)，并且其可根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)置在電動機18作為輸 出軸60的同側(cè)。例如，如果以這樣起動輔助系統(tǒng)16而改造電動機，就可以直接將起動輔助 系統(tǒng)16連接到輸出軸60上，從而可適用于只能適合起動輔助系統(tǒng)16連接電樞20的地方。
在電動機18開動并被電力驅(qū)動后，這時有利于將氣動馬達22的旋轉(zhuǎn)部件從電樞 20上脫開。為了方便將氣動馬達22從電樞20上脫開，圖示實施例的氣動馬達齒輪系28包括一個離合器42。在接合狀態(tài)下，離合器42機械地將渦輪轉(zhuǎn)子26與小齒輪34連接從而將 渦輪轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)傳遞到小齒輪34上。 在脫開狀態(tài)時，離合器42機械將渦輪轉(zhuǎn)子26從小齒輪34上脫開。在這個狀態(tài)下， 當氣動馬達22啟動時，渦輪轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)不能傳遞到小齒輪34。 此外，在一個實施例中，離合器42可為超程或單向離合器，這樣當從動齒輪36的 旋轉(zhuǎn)開始快于小齒輪34時，例如在電力施加到電動機18上或氣動馬達22停用的時候，離 合器42不會將小齒輪34的轉(zhuǎn)矩傳遞到氣動馬達22的余下旋轉(zhuǎn)部分上。這種超程功能防 止電動機18驅(qū)動氣動馬達22。也防止離合器42在當氣動馬達22停用而電動機18穩(wěn)態(tài)運 行時驅(qū)動氣動馬達22的部件。通過防止氣動馬達22的不必要的磨損以及電動機18不必 要的附加負載，延長了運行時間和維護間隔。離合器42可包括例如慣性離合器、超越離合 器、單向離合器、摩擦離合器或其類似物。 盡管離合器42圖示為氣動馬達齒輪系28的一部分，但離合器42也可以可選的為 電動機齒輪系30的一部分。 供氣管46的功能用于將壓縮氣體24從氣源48連通到氣動馬達22。氣源48可包 括但不限定為壓縮空氣儲氣罐(未顯示)或供應(yīng)壓縮天然氣(所有地方和聯(lián)邦規(guī)定使用的 供應(yīng)天然氣)的管路(未顯示)，并且被標準主動力驅(qū)動的壓縮機(未顯示)用于補充氣源 48。當由電動機18驅(qū)動的負載或系統(tǒng)為氣體壓縮機站時，來自壓縮機站管道的壓縮氣體可 用于驅(qū)動氣動馬達而不需要安裝獨立專門的氣源。 來自氣源48的壓縮氣體24通過進口 49進入到氣動馬達22。進口49典型的包括 或連接供給閥50，該供給閥控制壓縮氣體流入并經(jīng)過氣動馬達22。 隨著供給閥50打開，壓縮機氣體經(jīng)過進口 49流入到氣動馬達22。流動的壓縮氣 體24經(jīng)過渦輪轉(zhuǎn)子26并且通過出口 54流出。流動壓縮氣體24將流動能量傳遞給渦輪轉(zhuǎn) 子26。這種機械流動能量最終用于驅(qū)動電樞20。 本實施例的有利之處在于驅(qū)動媒質(zhì)為壓縮空氣?？芍苯酉虼髿馀懦隹諝舛恍枰?回流管路、廢氣燃燒通道或其它需要遵守排放規(guī)定的方法。然而，如果需要或必須遵守壓縮 天然氣供應(yīng)安全和排放規(guī)定的時候，可選的實施例可包括排氣軟管將排出空氣引離臨近電 動機的地方。 此外，這種結(jié)構(gòu)可供應(yīng)循環(huán)無止的運行媒質(zhì)，并且不需要傳輸或存儲分離的潛有 害的運行媒質(zhì)。氣動馬達進一步的優(yōu)勢在于消除使用有毒氣體或發(fā)生污穢氣體從電動機附 近泄漏或清潔環(huán)境的風險。 在圖示實施例中，原動機系統(tǒng)10包括控制器58?？刂破?8連接氣動馬達22和電 動機18?？刂破?8控制氣動馬達22的開動和停用。同樣，控制器58連接供氣閥50可控 制打開供氣閥50從而開動氣動馬達22，并且可控制關(guān)閉供氣閥50從而停用氣動馬達22。 供氣閥50位置可變而改變氣流24，從而改變渦輪轉(zhuǎn)子26的速度?？刂破?8可設(shè)置為控制 /改變供氣閥50的位置。 連同控制氣動馬達22的開動和停用一起，控制器58或第二控制器可控制離合器 42的接合或脫開。 在圖示實施例中，控制器58也可連接到電動機18上?？刂破?8可在電樞20 — 旦達到電力施加速度時啟動向電動機18供應(yīng)電力，從而減少或消除前述的大量沖擊電流。向電動機18提供電力后，控制器58可通過關(guān)閉供氣閥50接著停用氣動馬達22。可選的， 供氣閥50的關(guān)閉可與向電動機18供應(yīng)電力基本同時進行。控制器58可為電子或機械控 制器。由于電樞20存在較大的轉(zhuǎn)動慣性，因此可先于供應(yīng)電力之前關(guān)閉氣動馬達22?？刂?器可包括內(nèi)存、電子電路和/或處理器，用于控制供氣閥并啟動向電動機18供應(yīng)電力。
如圖所示，離合器66將輸出軸60操作的連接到輸入軸62。與離合器42類似，離 合器66可處于傳遞轉(zhuǎn)矩的接合狀態(tài)或處于不傳遞轉(zhuǎn)矩的脫開狀態(tài)。更具體的，在接合狀態(tài) 時，輸出軸60的旋轉(zhuǎn)傳遞到負載輸入軸62，而在脫開狀態(tài)時，輸出軸60的旋轉(zhuǎn)不能傳遞到 負載輸入軸62。其能夠從接合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到脫開狀態(tài)而輔助起動。離合器66可脫開防止工 作負載12加載到氣動馬達22上，從而克服電動機18初始起動的困難。 一旦電動機18達 到足夠的旋轉(zhuǎn)速度(加載速度)時，接入離合器使得旋轉(zhuǎn)的輸出軸60驅(qū)動輸入軸62，并且 由此驅(qū)動負載12。而且，離合器66可設(shè)置防止或允許超限運轉(zhuǎn)并且防止反過來驅(qū)動電樞 20。進一步，控制器58可進一步設(shè)置控制離合器66的接合和脫開。 圖2圖示一個根據(jù)本發(fā)明教導的氣動馬達22實施例的分解圖。圖示實施例包括 一個主驅(qū)動裝置72、齒輪裝置74和離合器裝置76。前述齒輪系28的實施例可包括任一或 者所有這些部件而用于將渦輪轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)傳送到氣動馬達22旋轉(zhuǎn)輸出上。應(yīng)該注意到 這是氣動馬達的一個示例性實施例，在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，其可選的或改變的氣動馬達 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是十分明顯的。例如，如果電動機齒輪系30包括前述討論的離合 器，那么氣動馬達22的可選實施例就可不包括整體離合器裝置了。 主驅(qū)動裝置72包括渦輪轉(zhuǎn)子26和渦輪噴嘴78，壓縮空氣通過該噴嘴流入而將流 動壓縮氣體的流動動能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能。渦輪轉(zhuǎn)子26可旋轉(zhuǎn)的安裝在渦輪機殼體80 內(nèi)。壓縮空氣通過進口 49進入，流經(jīng)渦輪噴嘴78和渦輪轉(zhuǎn)子26，然后通過排氣出口排出。 渦輪軸82操作的連接渦輪轉(zhuǎn)子26，使得渦輪轉(zhuǎn)子26的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成渦輪軸82的旋轉(zhuǎn)。渦輪 軸82包括連接端84，該連接端84將驅(qū)動裝置72連接到齒輪裝置74上。
齒輪裝置74包括多個旋轉(zhuǎn)支承在支架軸88上的行星齒輪86 (圖示只有一個)。 行星齒輪86與渦輪軸82嚙合并被其驅(qū)動。行星齒輪86可與環(huán)形齒輪90嚙合。在運行時， 環(huán)形齒輪90通常保持固定，而行星齒輪86和渦輪軸82旋轉(zhuǎn)。支架軸88將齒輪裝置74連 接到離合器76。 離合器裝置76包括一個斜撐圈(sprag race) 94，其安裝到支架軸88上。斜撐離
合器裝置96騎跨在斜撐圈94的外表面上，并且內(nèi)部具有斜撐軸98。斜撐離合器裝置96、
斜撐圈94和斜撐軸98的相互作用使得斜撐軸98可以超越支架軸裝置88，而不傳遞轉(zhuǎn)矩到
支架軸裝置88上。斜撐軸98包括可與小齒輪(例如圖1所示的小齒輪34)嚙合的花鍵端
部99，或自身可設(shè)置作為驅(qū)動齒輪而嚙合從動齒輪，例如圖l所示的齒輪36。 以上是渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從本發(fā)明的說明中意
識到其它氣動馬達可用于本發(fā)明的實踐中，例如，葉片、裂片、螺紋、或齒輪氣動馬達。 盡管以上實施例僅包括單氣動馬達、一個原動機系統(tǒng)的實施例可包括多個操作連
接到電動機轉(zhuǎn)子上的氣動馬達。在這種結(jié)構(gòu)中，每個氣動馬達受控基本與機械驅(qū)動轉(zhuǎn)子同
步，或者其被單獨驅(qū)動而由此提供備用冗余(back-upredundancy)。同樣，單個的氣動馬達
可由分開的多個供氣系統(tǒng)驅(qū)動，或由單個氣源系統(tǒng)用于所有氣動馬達。 進一步，當使用多個氣動馬達時，每個氣動馬達可包括其具有的整體齒輪系。此外，使用多個氣動馬達可在初始起動原動機系統(tǒng)期間增加驅(qū)動的負載(例如，轉(zhuǎn)子重量、尺 寸、慣性等等)。 在運行期間，原動機系統(tǒng)10使用氣動起動輔助系統(tǒng)16而初始起動電動機18，從而 降低起動高峰沖擊電流和能量消耗。氣動起動輔助系統(tǒng)16也可幫助克服電樞20靜止時的 慣性。由此，以下參考圖1和3提供根據(jù)本發(fā)明的起動電動機原動機的方法。
在啟動100中，起動馬達22被啟動，通常，原動機系統(tǒng)10的部件處于初始靜止。為 了啟動氣動馬達22，打開靠近氣動馬達22進口 49的供氣閥50。可用控制器58打開供氣 閥50或者可選的手動打開。 —旦供氣閥50打開，壓縮氣體24從氣源48流經(jīng)氣動馬達22并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn) 子26。旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子26驅(qū)動氣動馬達齒輪系28。 典型地，離合器42在啟動100中處于脫開狀態(tài)，因此電樞20在啟動100的初始 時間內(nèi)保持靜止。在某些實施例中，僅氣動馬達22的啟動100才能造成離合器42的接合 102?？蛇x的實施例要求渦輪轉(zhuǎn)子26先于離合器的接合而達到預定離合器接合速度。 一旦 離合器42接合102，氣動馬達22就機械驅(qū)動并且加速104電樞20。 本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明說明中明顯得知，可選的實施例可不包括這樣一個離合 器或離合器已經(jīng)在氣動馬達22的啟動100中接合，而不需要離合器42接合的步驟102。在 這樣一個結(jié)構(gòu)中， 一旦啟動步驟100發(fā)生，機械驅(qū)動電樞20的步驟104就基本同步發(fā)生。有 些輕微的延遲會發(fā)生，直到足夠的氣流流入到渦輪轉(zhuǎn)子26中。 隨著離合器42的接入和氣動馬達22機械驅(qū)動電樞20，電樞20被加速。 一旦電樞 20達到預定電力施加速度，電力就供給到電動機18從而電力驅(qū)動106電樞20。如上所述， 控制器58能設(shè)置為控制向電動機提供電力。由于當電流引入而電力驅(qū)動106電動機18時 電樞20已經(jīng)旋轉(zhuǎn)，所以當電動機18與電樞被平穩(wěn)地通電時電動機18沒有經(jīng)受較大的涌入 電流。電力驅(qū)動106電樞20可在電樞20達到穩(wěn)態(tài)運行速度之前、之后或與其同步?？刂?器可選的選用設(shè)定，或根據(jù)給定條件下提供電力的情況而預先設(shè)定。 隨著電力驅(qū)動電樞20，通過氣動馬達22機械驅(qū)動電樞20可以終止108。為了終 止108機械驅(qū)動電樞20，離合器42可脫開。這樣可防止渦輪轉(zhuǎn)子26不被電樞20傳動。附 加和/或可選的，供氣閥50可關(guān)閉，從而停用110氣動馬達22。起動馬達22的停用110防 止不需要的磨損和防止運行壽命的降低。應(yīng)該注意到，離合器42的脫開(即終止108)在 氣動馬達22的停用110之前、之后或與其同步。進一步，機械驅(qū)動電樞20的停用108可以 在電樞20達到穩(wěn)態(tài)運行速度之前執(zhí)行，并且可在氣動馬達一旦達到停用速度時執(zhí)行。在一 個實施例中，馬達停用速度基本等于電力施加速度。 在進一步的方法中，終止108驅(qū)動電樞20和停用IIO氣動馬達的步驟在電力驅(qū)動 106電樞20的步驟之前或與其同步。電樞20的巨大旋轉(zhuǎn)慣性基本保持電樞20的旋轉(zhuǎn)速 度，因此，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電樞20的時間段內(nèi)，不管用起動輔助系統(tǒng)16驅(qū)動還是用電力驅(qū)動106 都不能有效減少在施加電力驅(qū)動106電樞20之前的馬達速度。同樣，控制器58可設(shè)置或 程序設(shè)計何時終止108機械驅(qū)動或停用110氣動馬達22。 在某些點上，電樞20將驅(qū)動114負載12。在執(zhí)行典型方法的過程中，電動機在離 合器66處于電樞20輸出軸60和負載12輸入軸62之間處于脫開狀態(tài)時起動。同樣，典 型的方法包括離合器66接合116的步驟，從而驅(qū)動114負載12。驅(qū)動114負載12和接入116離合器66的步驟在電樞20達到預定負載驅(qū)動速度時進行。這些步驟在開始進行電力 驅(qū)動步驟106之后進行或者與其同步，并且可在停用110氣動馬達22之前或之后進行。典 型的，預定負載驅(qū)動速度要充分有效，以至于施加到電動機18上的負載12不會使得電動機 18過載而停機。 如果每個參考是單獨的，則在這里將所有的參考物，包括出版物、專利申請和引用
專利結(jié)合為同一內(nèi)容，并且特別指明將參考結(jié)合并聲明作為一個整體。 除非特別指明或與其內(nèi)容明確矛盾，術(shù)語"一個"或"一種"和"這種"以及類似指
代語的使用在本發(fā)明的描述內(nèi)容中(特別是以下權(quán)利要求的內(nèi)容中)應(yīng)理解既為單數(shù)也為
復數(shù)。術(shù)語"由......組成"、"具有"、"包括"和"包含"除非另有所指，應(yīng)理解為非封閉性
的術(shù)語(即，意為"包括，但不限于此")。這里數(shù)值范圍的表述除非其它特別指明，應(yīng)理解 僅作為參考落入這個范圍內(nèi)的每個獨立值個體的簡略表達方式，并且如果這里引用的數(shù)值 為獨立值，則每個獨立值應(yīng)該結(jié)合到說明書中。這里描述的所有方法除非特別指明或與其 內(nèi)容明確矛盾，可以以任意適合次序執(zhí)行。除非有其它聲明，這里提供所有例子或示例性的 語言(例如，"比如")應(yīng)該僅為更好的闡述本發(fā)明之意，而不是對本發(fā)明范圍的限制。說明 書中沒有語言可以理解出非權(quán)利要求所指示的部件對于本發(fā)明的實施是必不可少的。
這里描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括對于發(fā)明者實施本發(fā)明的最佳類型。這些優(yōu)選 實施例的變型對于那些閱讀前述說明的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。發(fā)明者可以預 計本領(lǐng)域技術(shù)人員可以各種恰當形式實施本發(fā)明，并且可以不同于說明書表述的其它方式 實施本發(fā)明。因此，這里提交的本發(fā)明權(quán)利要求的主題在適用法律的允許下應(yīng)包括所有的 變型和等同物。此外，除非特別指明或與其內(nèi)容明確矛盾，本發(fā)明還應(yīng)包括所有所有可能變 型中的上述部件和其結(jié)合物。
權(quán)利要求
一種起動電動機的方法，其包括步驟為機械啟動氣動馬達；驅(qū)動帶有氣動馬達的電動機轉(zhuǎn)子；以及電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括將氣動馬達的旋轉(zhuǎn)輸出操作連接到轉(zhuǎn)子的步驟。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括將氣動馬達的旋轉(zhuǎn)輸出從轉(zhuǎn)子上操作解除連 接的步驟。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中將氣動馬達的旋轉(zhuǎn)輸出從轉(zhuǎn)子上操作解除連接的步 驟在電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟之前進行。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟在機械驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟開始之 后進行。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟在轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)態(tài)運行速度的大 約65% _70%時開始進行。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括停用氣動馬達的步驟。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中停用氣動馬達的步驟在電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟開始時 進行。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中停用氣動馬達的步驟在電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟之前進行。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中停用氣動馬達的步驟在電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子的步驟開始 之后前進行。
11. 一種用于向負載提供動力的原動機系統(tǒng)，該原動機系統(tǒng)包括 具有轉(zhuǎn)子的電動機，該轉(zhuǎn)子適合操作連接負載；以及 產(chǎn)生第一旋轉(zhuǎn)輸出的第一氣動馬達； 可操作將第一旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到轉(zhuǎn)子上的齒輪系。
12. 如權(quán)利要求11所述的原動機系統(tǒng)，進一步包括離合器，該離合器具有將第一旋轉(zhuǎn) 輸出傳遞到轉(zhuǎn)子的第一狀態(tài)，和將第一旋轉(zhuǎn)輸出不傳遞到轉(zhuǎn)子的第二狀態(tài)。
13. 如權(quán)利要求12所述的原動機系統(tǒng)，其中離合器適合防止轉(zhuǎn)子從驅(qū)動的第一氣動馬 達上脫開。
14. 如權(quán)利要求11所述的原動機系統(tǒng)，進一步包括離合器，該離合器操作的連接到轉(zhuǎn) 子上，適合將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到處于第一狀態(tài)下的負載，并且防止轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)輸出傳 遞到處于第二狀態(tài)下的負載。
15. 如權(quán)利要求11所述的原動機系統(tǒng)，其中齒輪系包括第一氣動馬達的整體齒輪系和 與電動機操作連接在一起的輔助齒輪系。
16. 如權(quán)利要求11所述的原動機系統(tǒng)，進一步包括控制器，其構(gòu)造成控制閥門以控制 壓縮空氣氣流通過第一氣動馬達。
17. 如權(quán)利要求11所述的原動機系統(tǒng)，進一步包括控制器，其構(gòu)造成控制氣動馬達的 啟動。
18. 如權(quán)利要求17所述的原動機系統(tǒng)，進一步包括離合器，其具有將第一旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到轉(zhuǎn)子的第一狀態(tài)和將第一旋轉(zhuǎn)輸出不傳遞到轉(zhuǎn)子的第二狀態(tài)，其中控制器構(gòu)造成將離 合器在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。
全文摘要
提供一種電動機原動機(10)以及起動電動機原動機的方法。該原動機包括電動機、氣動馬達和操作連接氣動馬達與電動機(18)轉(zhuǎn)子的機械連接。氣動馬達通過在向電動機施加電能之前驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)子而初始起動電動機。在轉(zhuǎn)子達到足夠旋轉(zhuǎn)速度后，再向電動機施加電力而驅(qū)動轉(zhuǎn)子。使用氣動馬達(22)允許轉(zhuǎn)子在電力開始施加到電動機時就旋轉(zhuǎn)起來，從而防止或大大減少沖擊電流。本發(fā)明還提供一種氣起動輔助系統(tǒng)。
文檔編號H02P1/02GK101728997SQ20081017788
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者C·小迪帕斯夸爾 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責任公司