CN103422981B - 星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达。本发明星旋式流体机械通过将多个星旋式转动装置串联起来，在其中一个星旋式转动装置处于其死点的角度区间时，由其他星旋式转动装置产生的推力来推动该星旋式转动装置继续向前运动，从而实现了应用星旋式转动装置的星旋式流体机械的无死点运行。

Description

星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达

技术领域

本发明涉及机械行业中发动机、流体马达、压缩机及泵等技术领域，尤其涉及一种由多个星旋式转动装置所组成的星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达。

背景技术

本发明的申请人于2010年6月10日提交了星旋式流体马达或发动机和压缩机及泵的专利申请(专利申请号：201010196950.8)。在上述专利申请的技术方案中，提出了一种前所未有的星旋式转动装置。该星旋式转动装置包括：含圆筒空腔的缸体和由缸体两侧的缸体密封端盖支撑的主轴，中心太阳轮滚筒套设于主轴上；中心太阳轮滚筒的外圆筒面及缸体的内圆筒面构成环形活塞空间；环形活塞空间可通过第一组通孔与流体进/出口相连通，可通过第二组通孔与流体出/进口相连通；行星活塞轮以滚动方式置于环形活塞空间内，其伸出环形活塞空间外的两端通过连接件连接到主轴上；所述行星活塞轮为圆柱滚轮。该星旋式转动装置由于采用了圆环型液压(气压)缸，最大限度利用了机器外圆周空间，不仅半径大出力转矩大，流量大，出力恒定。

在上述专利申请中，由于在环形气缸的360°空间里安装了多个星轮和对应数量的旋阀片，每一个星轮在环形气缸中的做功角度便会受到限制，尤其是星轮的大小和膨胀比有极大关系，且每个星轮通过旋阀片区间时容积变化式驱动气缸失效，造成整个机器的运转有效驱动扭矩输出降低。特别是当星旋式流体马达机构运用于内燃机时，由于多星轮构造把360°环形气缸均匀分割成多个圆弧空间。在这有限角度的空间里，要完成喷气(进氧)、喷油和点火的顺序动作，燃气的燃烧和膨胀过程的时间变得非常短，对内燃机的运行非常不利，转子每转一周的阀门开闭和燃烧循环频度过高，直接影响到内燃机系统运行的可靠性、可控性和寿命。在这种情况下，单星轮星旋式转动装置就有其独特的优势，其能够达到环形气缸星轮和阀门配合形成的容积变化空间的最大膨胀比。

需要说明的，上述专利申请中，已经提出了一种应用单星轮星旋式转动装置的流体压缩机，如图1所示。然而，由于压缩机是有外部提供动力来带动滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内运动，其根本不存在星旋式转动装置的死点，即装置不能正常连续工作的点，的问题。而在将单星轮星旋式转动装置应用于发动机和流体马达时，单星轮星旋式转动装置是向外输出扭矩的装置，其就不会像星旋式压缩机那样简单。图2为现有技术将单星轮星旋式转动装置应用于发动机或流体马达时其临界区间角的示意图。如图2所示，在行星活塞轮旋转到接触隔离机构的时刻，如第一位置所示，其动能已经消耗殆尽，在这种情况下，如果没有外来的力来推动它，势必会导致其在隔离机构处停止转动，出现死点。死点的出现极大的影响了单星轮星旋式转动装置的正常使用。

本申请的申请人于2011年3月17日还提交了星旋式转动装置、发动机、气动马达及压缩机的专利申请(专利申请号：201110065260.3)。该专利申请对星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮直径与环形活塞空间中线直径之比做了非常详细的论述，提出了滚柱行星活塞轮直径与环形活塞空间中线直径之比介于1：4至1：20之间，并具体给出了以下几种具体的比例关系1：7、1：4.35、1：3.9、1：3.5、1：20。此外，在该专利申请中，还提出了压于中心太阳轮外圆筒面的旋阀片与通过旋阀片支撑芯轴中心点的环形活塞空间直径的夹角介于20°至45°之间，并具体给出了以下几种具体的夹角：45°、40°、35°和20°。根据上述讨论，在该专利申请中提出了一种星旋式转动装置的优化构造，星旋式转动装置的环形活塞空间的直径ΦB已经大于临界尺寸4.35d，其中d为行星活塞轮的直径，如图3所示。同样，在研发实践过程中，申请人发现上述对滚柱行星活塞轮直径与环形活塞空间中线直径的比例设置并没有达到最优的结果，从而影响到星旋式转动装置的效率。尤其是单星轮星旋式转动装置有其自身的特点和规律，寻找适合单星轮星旋式转动装置自身的特点和规律和各部分尺寸/角度也成为单星轮转动装置在大规模应用过程中的关键问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达，以解决单星轮星旋式转动装置在运行过程中容易出现死点，不能正常连续工作的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种星旋式流体机械，包括：共用同一主轴的N台星旋式转动装置，其中：该N台星旋式转动装置中的任一台星旋式转动装置包括：环形活塞空间，环绕主轴设置，其环形横截面与主轴的中心轴线垂直；其可通过第一组通孔与流体进/出口相连通，可通过第二组通孔与流体出/进口相连通；隔离机构，位于环形活塞空间内，第一组通孔和第二组通孔之间，用于将环形活塞空间隔离为两个容积可变工作空间；滚柱行星活塞轮，在两个容积可变工作空间的流体压力差的作用下沿环形活塞空间内运动，其伸出环形活塞空间外的两端通过一连接件连接到主轴上，与主轴联动；N台星旋式转动装置中至少两台星旋式转动装置的相位角θ相互错开的角度大于临界区间角θ₁，其中：临界区间角θ₁是指：星旋式转动装置滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自接触隔离机构至脱离隔离机构所滚动的角度；星旋式转动装置的相位角θ是指：对应的滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自脱离隔离机构之后沿环形活塞空间滚动的角度。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种发动机，包括上述的星旋式流体机械，该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与燃烧室相连通，第二组通孔与废气排出口相连通；

根据本发明的又一个方面，还提供一种流体马达，包括上述的星旋式流体机械，该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与高压流体进口相连通，第二组通孔与低压流体排出口相连通。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明星旋式流体机械及其应用的发动机和流体马达具有以下有益效果：

(1)通过将多个星旋式转动装置串联起来，在其中一个星旋式转动装置处于其死点的角度区间时，由其他星旋式转动装置产生的推力来推动该星旋式转动装置继续向前运动，使其顺利通过死点的角度区间，实现了应用单星轮星旋式转动装置的星旋式流体机械的无死点运行；

(2)同时，在达到单星轮星旋式转动装置无死点运行的基础上，提出了其中星旋式转动装置之间的优选相位差，从而避免了星旋式转动装置输出扭矩时大时小，实现了应用单星轮星旋式转动装置的星旋式流体机械输出扭矩的稳定性；

(3)为了利于星旋式流体机械装配，将两星旋式转动装置相向的两行星活塞轮固定法兰一体化设置，减少了零件数量，提高了装配精度；

(4)在星旋式流体机械结构设计中，对星轮直径、太阳轮直径和缸体直径的尺寸比例关系导入黄金分割优选法，机构设计更加和谐和平衡；

(5)由于主轴转动时每360°星轮只经过旋阀片临界区1次。因此星轮的有效驱动角度大为增加，输出扭矩更为平稳；由于转子每转一周，旋阀片仅摆动一次，降低了噪音，延长了旋阀片的工作寿命；单星轮的星旋式流体机械的零件数减少，构造更为简单，降低了制造成本，提高了机器的性能；单星轮的有效驱动角度加大，时间延长，旋阀片开启次数减少，特别有利于发动机油气阀门控制的精度提高，热机工作稳定。

附图说明

图1为现有技术应用单星轮星旋式转动装置的流体压缩机的动作原理示意图；

图2为现有技术单星轮星旋式转动装置临界区间角的示意图；

图3为现有技术中环形活塞空间的直径大于行星活塞轮的直径4.35倍时星旋式转动装置的结构示意图；

图4A为本发明第一实施例星旋式流体机械的结构示意图；

图4B为图4A所示星旋式流体机械中第一单星轮星旋式转动装置中第一滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图；

图4C为图4A所示星旋式流体机械中第二单星轮星旋式转动装置中第一滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图；

图5A为本发明第二实施例星旋式流体机械的结构示意图；

图5B为图5A所示星旋式流体机械中第一单星轮星旋式转动装置中第一滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图；

图5C为图5A所示星旋式流体机械中第二单星轮星旋式转动装置中第一滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图；

图6为本发明第三实施例星旋式流体机械的结构示意图；

图7为本发明第四实施例星旋式流体机械的结构示意图；

图8A为本发明第五实施例星旋式流体机械中星旋式转动装置气缸半径与太阳轮半径关系的示意图；

图8B为本发明第六实施例星旋式流体机械中星旋式转动装置气缸半径与太阳轮半径关系的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。为方便理解，首先将本申请文件中所涉及主要元件进行编号说明，如下所示：

10-第一星旋式转动装置；20-第二星旋式转动装置；

102，202-旋阀片机构；102a′-第一芯轴右轴承；

102a-第一芯轴左轴承；202a′-第二芯轴左轴承；

202a-和第二芯轴右轴承；104，204-行星活塞轮；

30-主轴；106，206-行星活塞轮固定法兰；

302-主轴轴承；301，303-两侧主轴轴承

401，403-缸体密封端盖；；

60-一体缸体；50-中间固定法兰；

70-旋阀片芯轴轴承中间固定座。

如在背景技术中提到的那样，在先前的研发实践中，主要着重于避免在星旋式转动装置中出现死点，实现星旋式转动装置的无死点连续运行，对星旋式转动装置死点的情况并没有详细的说明。然而，随着研发的深入，申请人逐渐发现，有死点的星旋式转动装置仍然有其不可替代性，其在发动机、流体马达等流域具有相当大的实用价值，其中的关键问题就是克服星旋式转动装置的死点，即，必须要在从行星活塞轮旋转到接触隔离机构，如第一位置所示，到离开隔离机构，如第二位置所示，的这个角度区间θ内，有其他的力量来推动行星活塞轮向前运动，如图2所示。为了实现单星轮星旋式转动装置无死点连续运行，本发明提出以下三种方法，并对其中的一种方法进行详细说明。

(一)引用固定法兰系统的惯性，或者加装飞轮，使星轮在通过旋阀片临界区域时有一定惯性力量驱动，可以简单地实现单星轮流体马达得到连续运转，该方法为机械领域通常采用的方法，此处不再详细说明。

(二)可在单星轮星旋式流体机械上加装星轮位置传感器，以保证发动机熄火位置不在滚柱行星活塞轮通过旋阀片临界区的位置上，保证再起动时容积式气缸原理发挥作用。

(三)本发明提出了一种星旋式流体机械。该星旋式流体机械包括共用同一主轴的N台星旋式转动装置。N台星旋式转动装置中的任一台星旋式转动装置包括：环形活塞空间，环绕主轴设置，其环形横截面与所述主轴的中心轴线垂直；其可通过第一组通孔与流体进/出口相连通，可通过第二组通孔与流体出/进口相连通；隔离机构，位于环形活塞空间内，所述第一组通孔和所述第二组通孔之间，用于将环形活塞空间隔离为两个容积可变工作空间；滚柱行星活塞轮，在两个容积可变工作空间的流体压力差的作用下沿环形活塞空间内运动，其伸出环形活塞空间外的两端通过一连接件连接到主轴上，与主轴联动；所述N台星旋式转动装置中至少两台星旋式转动装置的相位角θ相互错开的角度大于临界区间角θ₁，其中：所述临界区间角θ₁是指：星旋式转动装置滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自接触所述隔离机构至脱离所述隔离机构所滚动的角度；星旋式转动装置的相位角θ是指：对应的滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自脱离所述隔离机构之后沿环形活塞空间滚动的角度。

举例来说，设N台星旋式转动装置中两台星旋式转动装置为：第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置。第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的相位角θ错开的角度大于θ₁，在第一星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮处于旋阀片临界区间内的任意一点时，第二星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮肯定处于旋阀片临界区间之外。这样，第二星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮的扭矩就可以通过第二连接件传递至主轴，第二星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮在连接至主轴的第一连接件的推动下，继续向前运动，从而顺利的通过临界区间。推而广之，对于N台星旋式转动装置除第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置外的任意一台的第三星旋式转动装置，当其滚柱行星活塞轮位于其旋阀片临界区间时，至少有第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置中的其中之一的滚柱行星活塞轮位于其旋阀片临界区间之外，从而该台星旋式转动装置能够推动第三星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮顺利通过旋阀片临界区间，从而实现星旋式流体机械的无死点运行。

需要说明的是，上述技术方案并没有对滚柱行星活塞轮和隔离机构的数量做出限定，即说明上述技术方案不仅适用于单星轮的星旋式转动装置，并且适用于双星轮、三星轮的星旋式转动装置，从应用最广泛的范例来讲，该星旋式流体机械中的星旋式转动装置包括：一个滚柱行星活塞轮和一个隔离机构，即下文中提到的单星轮星旋式转动装置；两个滚柱行星活塞轮和一个隔离机构；或三个滚柱行星活塞轮和两个隔离机构。需要消除误解的是，每一隔离机构与一对的第一组通孔和所述第二组通孔相对应，即如果有两个隔离机构，就会有两对的第一组通孔和所述第二组通孔相对应，如前所述的多篇在先申请(专利申请号：201010196950.8；201110065260.3)描述的那样。此外，还需要说明的是，如果星旋式流体机械中一个星旋式转动装置中的滚柱行星活塞轮的数目多于一个，则两星旋式转动装置中对应的滚柱行星活塞轮是指相位角相差最小的两滚柱行星活塞轮。

由于主轴为直线形的，考虑到整台星旋式流体机械的整体强度，星旋式转动装置的宽度不能太宽，因此2≤N≤8，优选地，N＝2、3或4。此外，为了保证整台星旋式流体机械在不同时刻输出扭矩的一致性及整台星旋式流体机械的转动惯量的平衡，所述N台星旋式转动装置中任意两台星旋式转动装置的相位角相互错开的角度相同，均为360°/N。综合上述讨论，几种优选的方案如下：

(1)当星旋式流体机械包括2台单星轮的星旋式转动装置，即第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置，则第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的相位角相互错开180°；

(2)当星旋式流体机械包括3台单星轮的星旋式转动装置，即第一星旋式转动装置、第二星旋式转动装置和第三星旋式转动装置，则该3台单星轮的星旋式转动装置两两相互错开120°。

以下用包括2台单星轮的星旋式转动装置的星旋式流体机械为例对本发明进行说明，包括N台单星轮的星旋式转动装置的星旋式流体机械的工作原理与此类似，将不再重复描述。

图4A为本发明第一实施例星旋式流体机械的结构示意图。如图4A所示，本发明星旋式流体机械的单星轮星旋式转动装置包括：含圆筒空腔的缸体，中心太阳轮滚筒套设于主轴上；中心太阳轮滚筒的外圆筒面、缸体的内圆筒面及缸体两侧的行星活塞轮固定法兰构成环形活塞空间。本发明星旋式流体机械的单星轮星旋式转动装置中，连接件可以为行星活塞轮固定法兰，也可以通过除所述行星活塞轮固定法兰以外的其他连接件连接，如通过曲轴等本领域常用的连接件。下面的实施例中主要以连接件为行星活塞轮固定法兰为例进行说明。如图4A及图5A所示，第一星旋式转动装置10中滚柱行星活塞轮104的运动通过相应活性活塞空间两侧的滚柱行星活塞轮固定法兰106传递至主轴30。第二星旋式转动装置20中滚柱行星活塞轮204的运动通过相应环形活塞空间两侧的滚柱行星活塞轮固定法兰206传递至主轴30。其他的类似结构不再重述，同样应当包括在本发明的保护范围之内。

同理，本发明星旋式流体机械的单星轮星旋式转动装置中，隔离机构可以为：旋阀片结构，可参见专利文献1(专利申请号：201120193099.3)；闸阀结构，可参见专利文献2(专利申请号：201120404319.2)；或旋阀结构，可参见专利文献3(专利申请号：201120181345.3)。各结构的原理大致相同，本发明主要以旋阀片结构为例对星旋式流体机械进行说明，其他的类似结构不再重述，同样应当包括在本发明的保护范围之内。当隔离机构为旋阀片结构时，所述缸体的内圆筒面设有凹槽，所述第一组通孔设置在所述凹槽内，所述凹槽通过第一组通孔与流体进/出口相连通；所述第二组通孔设置在所述缸体的内圆筒面上，与所述凹槽相邻；所述隔离机构包括：旋阀片和旋阀片芯轴；所述旋阀片芯轴设置于所述凹槽的一端，与所述主轴轴向中心线平行设置，所述旋阀片设置于所述凹槽内；所述旋阀片通过旋阀片芯轴在闭合位置和张开位置之间摆动，当所述旋阀片处于所述闭合位置时，所述旋阀片顶端的中部压在所述中心太阳轮滚筒的外圆筒面上，从而将所述环形活塞空间隔离为两个容积可变的工作空间。

图4A为本发明第一实施例星旋式流体机械的结构示意图。如图4A所示，该星旋式流体机械包括：同为单星轮星旋式转动装置的第一星旋式转动装置10和第二星旋式转动装置20，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置共用同一主轴30，该主轴由位于星旋式流体机械两侧的缸体密封端盖支撑。第一星旋式转动装置的旋阀片结构102和第二星旋式转动装置的旋阀片结构202，均设置于垂直向上的位置。

图4B为图4A所示星旋式流体机械中第一单星轮星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图。图4C为图4A所示星旋式流体机械中第二单星轮星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图。以通过主轴向上的环形活塞空间半径方向为基准方向，穿过第一星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₁；穿过第一星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮中心的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₁；穿过第二星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₂；穿过第二星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₂。其中，α₁和α₂是不变的，如图4A及图4B所示，取α₁＝α₂；β₁和β₂是变化的，在优选的实施例中，︱β₁-β₂︱＝180°。

通常的设置α₁＝α₂＝0°。此处，本领域的技术人员也可以根据星旋式流体机械的整体强度和布局，来设置α₁和α₂的值，只要保证α₁＝α₂即可。

图5A为本发明第二实施例星旋式流体机械的结构示意图。如图5A所示，该星旋式流体机械包括：第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置均为单星轮的星旋式转动装置。该第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置与图4A中第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置结构相同，此处不再重述。图5B为图5A所示星旋式流体机械中第一单星轮星旋式转动装置中滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图。图5C为图5A所示星旋式流体机械中第二单星轮星旋式转动装置中第一滚柱行星活塞轮在环形活塞内运动的示意图。同样采用实施例一中对角度的定义。如图5A和图5B所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，α₁和α₂是不变的，︱α₁-α₂︱＝180°；β₁和β₂是变化的，在优选的实施例中，︱β₁-β₂︱＝0°，即两滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内的位置是相同的。

通常的设置α₁＝0°；α₂＝180°。此处，本领域的技术人员也可以根据星旋式流体机械的整体强度和布局，来设置α₁和α₂的值，只要保证︱α₁-α₂︱＝180°即可。

在第二实施例的这种结构中，由于滚柱行星活塞轮在同一方向位置上，整个星旋式流体机械的转动部分的质量就会偏心。为了减少转动部分旋转时的偏心力振动，就要对星旋式流体机械进行平衡配重，本领域技术人员应当了解进行平衡配重的相关方法，此处不再重述。因此，第一实施例的星旋式流体机械比第二实施例的星旋式流体机械的实用性要强。

图6为本发明第三实施例星旋式流体机械的结构示意图。本实施例与实施例一的区别之处在于，该星旋式流体机械还包括：中部主轴轴承302，环绕设置于第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置之间的主轴，其两侧分别固定在第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置朝向内侧的缸体密封端盖，用于为主轴提供支撑，防止由于主轴过长而导致的主轴刚度不足问题。此外，优选地，该星旋式流体机械还包括：两侧主轴轴承301和303，环绕设置于第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置两侧的主轴，分别固定在第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置朝向外侧的缸体密封端盖401和403，同样用于增强主轴的刚度。需要说明的是，虽然该中部主轴轴承和两侧主轴轴承结合具体的星旋式转动方式进行了说明，但是，本领域技术人员应当清楚的了解，其同样可以应用于其他结构的星旋式转动装置中。

图7为本发明第四实施例星旋式流体机械的结构示意图。该星旋式流体机械中，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的相邻侧的行星活塞轮固定法兰一体成型，称为中间固定法兰50。进一步的，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的缸体一体成型，称为一体缸体60。

如图7所示，在一体缸体上开有贯穿缸体的旋阀片凹槽，在其中间位置分别设置第一轴承固定座和第二轴承固定座。在第一轴承固定座上设置第一芯轴右轴承(102a′)。在第二轴承固定座上设置第二芯轴左轴承(202a′)。在旋阀片凹槽两侧分别设置第一芯轴左轴承(102a)和第二芯轴右轴承(202a)。第一星旋式转动装置的旋阀片芯轴的一侧插置于第一芯轴左轴承(102a)内，另一侧插置于第一芯轴右轴承(102a′)内。第二星旋式转动装置的旋阀片芯轴的一侧插置于第二芯轴右轴承(202a)内，另一侧插置于第二芯轴左轴承(202a′)内。其中，第一轴承固定座和第二轴承固定座连为一体，成轴承固定座(70)，该轴承固定座镶在旋阀片凹槽中部。通过这样，可以减轻在旋阀片摆动过程中对旋阀片芯轴的磨损。

本实施例中，只用一个缸体和一个转子就可以构成单星轮星旋式转动装置的串联，不仅减少了零件，减低了成本，而且，由于装配面的减少，还提高了装配精度。

此外，为了解决滚柱行星活塞轮直径与环形活塞空间中线直径的比例设置并没有达到最优的结果，从而影响到星旋式转动装置的效率的问题，申请人还创造性的将黄金律的理念引入至星旋式转动装置中，以优化缸体、太阳轮及滚柱行星活塞轮的尺寸，提高星旋式转动装置的运行效率。众所周知，黄金分割又称为黄金律，最著名的例子是优选学中的0.618法，这个数值的作用广泛用于艺术领域和工程领域，其体现了和谐、平衡、舒适的大自然美。

需要说明的是，上述的黄金分割构造，其比例只要大致遵循黄金律即可，经过申请人多次严格验证，该比例系数在0.618附近取值，例如0.59≤t≤0.65均可以取得较好的效果。

采用黄金分割的优化比例系数0.618处理计算后得到的结构图如图8A和8B所示。在图8A和8B中：R-缸体半径；r-太阳轮半径；d-星轮直径。

(1)图8A为本发明第五实施例星旋式流体机械中星旋式转动装置气缸半径与太阳轮半径关系的示意图。其中，上述的缸体半径等同于环形活塞空间的外围半径，而太阳轮的半径等同于环形活塞空间的内围半径。对气缸的半径R进行黄金分割，取：

太阳轮半径r＝0.618R

滚柱行星活塞轮直径d＝R-r＝R-0.618R＝0.382R

在图8A中可以看到，这是一个匀衡的几何构造，膨胀比约为8，适合于需要通过压力气体的膨胀做功的耦合，可以使用在空气发动机、蒸汽发动机和内燃机上。

(2)图8B为本发明第六实施例星旋式流体机械中星旋式转动装置气缸半径与太阳轮半径关系的示意图。如图8B所示，对气缸的半径R进行黄金分割，取

滚柱行星活塞轮直径d＝0.618R

太阳轮直径r＝R-d＝R-0.618R＝0.382R

在图8B中可以看到，这也是一个均衡的几何构造，膨胀比约为6，在保证太阳轮有一定直径以包容主轴的前提下，增大了滚柱行星活塞轮的直径，从而有较大的推力和输出扭矩，膨胀比约为6，适合于需要通过压力气体的膨胀做功的场合，可以使用在空气发动机和内燃机上。

本实施例可以运用于非压缩气体，如油、水等流体的星旋式流体机械上，并表现出不同的特性，在强调节能节流时采用(1)的构造为宜，在强调低速大扭矩时以(2)的构造为宜。

(3)在上述缸体半径R、太阳轮半径r、滚柱行星活塞轮直径d满足黄金律的基础上，旋阀片与通过旋阀片顶端的环形活塞空间的半径的夹角ω也应当满足黄金律的关系，即ω＝(1-0.618)×90°，如图8A和图8B所示。

需要说明的是，上述的黄金分割构造，其比例只要大致遵循黄金律即可，经过申请人多次严格验证，该比例系数在0.618附近取值，例如0.55≤t≤0.70，优选地0.59≤t≤0.65均可以取得较好的效果。

以下给出一应用黄金律的星旋式流体机械中星旋式转动装置中各部件的具体尺寸，以验证上述的黄金律关系，在本实施例中：

缸体半径R＝26.26mm；

太阳轮半径r＝16.2mm；

滚柱行星活塞轮直径d＝10.03mm；

环形活塞的中径P.C.＝42.48。

而旋阀片与通过旋阀片滚轮中心的缸体直径的夹角ω：

ω＝(1-0.618)×90°＝34.38°。

按此比例制成了能够连续圆滑运转的气动马达和水压马达，气体马达的转速实测结果良好，当气压为0.7MPa时，转速达到1185rpm；用水压驱动时，不到0.2MPa的压力即可启动，还按照此比例放大，制成了滚柱行星活塞轮直径为40mm的大型流体马达，空载空气压力驱动最低启动压力仅为0.02MPa。

还需要补充说明的是，该黄金律不仅可以应用于多个单星轮星旋式转动装置组成的星旋式流体机械，并且还可以应用于多星轮的星旋式转动装置。此外，作为本发明的具体应用：

本发明还需要保护一种发动机。该发动机包括上述的星旋式流体机械。该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与燃烧室相连通，第二组通孔与废气排出口相连通；

本发明还需要保护一种流体马达。该流体马达包括上述的星旋式流体机械。该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与高压流体进口相连通，第二组通孔与低压流体排出口相连通。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种星旋式流体机械，包括：共用同一主轴的N台星旋式转动装置，其中N≥2；

该N台星旋式转动装置中的任一台星旋式转动装置包括：

环形活塞空间，环绕所述主轴设置，其环形横截面与所述主轴的中心轴线垂直；其可通过第一组通孔与流体进/出口相连通，可通过第二组通孔与流体出/进口相连通；

隔离机构，位于所述环形活塞空间内，所述第一组通孔和所述第二组通孔之间，用于将环形活塞空间隔离为两个容积可变工作空间；

滚柱行星活塞轮，在所述两个容积可变工作空间的流体压力差的作用下沿环形活塞空间内运动，其伸出环形活塞空间外的两端通过一连接件连接到主轴上，与主轴联动；

所述N台星旋式转动装置中至少两台星旋式转动装置的相位角θ相互错开的角度大于临界区间角θ₁，其中：所述临界区间角θ₁是指：星旋式转动装置滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自接触所述隔离机构至脱离所述隔离机构所滚动的角度；所述星旋式转动装置的相位角θ是指：对应的滚柱行星活塞轮在环形活塞空间内转动过程中，自脱离所述隔离机构之后沿环形活塞空间滚动的角度。

2.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，N＝2、3或4。

3.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，所述N台星旋式转动装置中任意两台星旋式转动装置的相位角θ相互错开的角度相同，均为360°/N。

4.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，所述星旋式转动装置包括：一个滚柱行星活塞轮和一个隔离机构；两个滚柱行星活塞轮和一个隔离机构；或三个滚柱行星活塞轮和两个隔离机构。

5.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，星旋式转动装置包括：含圆筒空腔的缸体，中心太阳轮滚筒套设于主轴上；中心太阳轮滚筒的外圆筒面、缸体的内圆筒面及缸体两侧的行星活塞轮固定法兰构成环形活塞空间；

所述滚柱行星活塞轮伸出环形活塞空间外的两端通过行星活塞轮固定法兰连接到主轴上，与主轴联动。

6.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，所述隔离机构为以下结构其中之一：旋阀片结构；闸阀结构；或旋阀结构。

7.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，所述N＝2，所述2台星旋式转动装置为包括同一主轴的第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置；所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置相位角相互错开的角度为180°；所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置均包括：一个滚柱行星活塞轮和一个隔离机构；

星旋式转动装置包括：含圆筒空腔的缸体，中心太阳轮滚筒套设于主轴上；中心太阳轮滚筒的外圆筒面、缸体的内圆筒面及缸体两侧的行星活塞轮固定法兰构成环形活塞空间；所述滚柱行星活塞轮伸出环形活塞空间外的两端通过行星活塞轮固定法兰连接到主轴上，与主轴联动。

8.根据权利要求7所述的星旋式流体机械，其中，所述隔离机构为旋阀片结构；

所述缸体的内圆筒面设有凹槽，所述第一组通孔设置在所述凹槽内，所述凹槽通过第一组通孔与流体进/出口相连通；所述第二组通孔设置在所述缸体的内圆筒面上，与所述凹槽相邻；

所述旋阀片结构包括：旋阀片和旋阀片芯轴；所述旋阀片芯轴设置于所述凹槽的一端，与所述主轴轴向中心线平行设置，所述旋阀片设置于所述凹槽内；所述旋阀片通过旋阀片芯轴在闭合位置和张开位置之间摆动，当所述旋阀片处于所述闭合位置时，所述旋阀片顶端的中部压在所述中心太阳轮滚筒的外圆筒面上，从而将所述环形活塞空间隔离为两个容积可变的工作空间。

9.根据权利要求8所述的星旋式流体机械，其中，该星旋式流体机械还包括：

中部主轴轴承，环绕设置于第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置之间的主轴，其两侧分别固定在第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置朝向内侧的缸体密封端盖。

10.根据权利要求9所述的星旋式流体机械，其中，该星旋式流体机械还包括：

第一主轴轴承，环绕设置于第一星旋式转动装置的外侧主轴，固定在第一星旋式转动装置朝向外侧的缸体密封端盖；及

第二主轴轴承，环绕设置于第二星旋式转动装置的外侧主轴，固定在第二星旋式转动装置朝向外侧的缸体密封端盖。

11.根据权利要求8所述的星旋式流体机械，其中，以通过主轴向上的环形活塞空间半径方向为基准方向；

穿过第一星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₁；穿过第二星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₂；其中：︱α₁-α₂︱＝180°；

穿过第一星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮中心的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₁；穿过第二星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₂；其中，︱β₁-β₂︱＝0°。

12.根据权利要求11所述的星旋式流体机械，其中，α₁＝0°；α₂＝180°。

13.根据权利要求8所述的星旋式流体机械，其中，以通过主轴向上的环形活塞空间半径方向为基准方向；

穿过第一星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₁；穿过第二星旋式转动装置中旋阀片芯轴的环形活塞空间半径与基准方向的角度为α₂；其中：α₁＝α₂；

穿过第一星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮中心的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₁；穿过第二星旋式转动装置的滚柱行星活塞轮的环形活塞空间半径与基准方向的角度为β₂；其中，︱β₁-β₂︱＝180°。

14.根据权利要求13所述的星旋式流体机械，其中，所述α₁＝α₂＝0°。

15.根据权利要求13所述的星旋式流体机械，其中，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的相邻侧的行星活塞轮固定法兰一体成型。

16.根据权利要求13所述的星旋式流体机械，其中，所述第一星旋式转动装置和第二星旋式转动装置的缸体一体成型。

17.根据权利要求16所述的星旋式流体机械，其中，在一体成型的缸体上开有贯穿缸体的旋阀片凹槽，在其中间位置分别设置第一轴承固定座和第二轴承固定座，在第一轴承固定座上设置第一芯轴右轴承，在第二轴承固定座上设置第二芯轴左轴承；

在旋阀片凹槽两侧分别设置第一芯轴左轴承和第二芯轴右轴承，

第一星旋式转动装置的旋阀片芯轴的一侧插置于第一芯轴左轴承内，另一侧插置于第一芯轴右轴承内；第二星旋式转动装置的旋阀片芯轴的一侧插置于第二芯轴右轴承内，另一侧插置于第二芯轴左轴承内。

18.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，该N台星旋式转动装置中的任一台星旋式转动装置中，

所述环形活塞空间的外围半径R与环形活塞空间的内围半径r满足以下关系：r＝t×R，或r＝(1-t)×R，其中，0.55≤t≤0.70。

19.根据权利要求1所述的星旋式流体机械，其中，该N台星旋式转动装置中的任一台星旋式转动装置中，

旋阀片与通过旋阀片顶端的环形活塞空间的半径的夹角ω满足以下关系：ω＝(1-t)×90°，其中，0.55≤t≤0.70。

20.根据权利要求18或19所述的星旋式流体机械，其中，0.60≤t≤0.63。

21.根据权利要求20所述的星旋式流体机械，其中，t＝0.618。

22.一种发动机，包括权利要求1至19中任一项所述的星旋式流体机械，该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与燃烧室相连通，第二组通孔与废气排出口相连通。

23.一种流体马达，包括权利要求1至19中任一项所述的星旋式流体机械，该星旋式流体机械中N台星旋式转动装置中的任何一台星旋式转动装置中：第一组通孔与高压流体进口相连通，第二组通孔与低压流体排出口相连通。