CN105556063B - 具有使用可压缩介质驱动的齿轮传动的旋转马达 - Google Patents

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Abstract

一种具有使用可压缩介质驱动的齿轮传动的旋转马达，所述马达含有定子(1)，所述定子(1)具有至少一个优选为两个对周围环境密封并具有圆化尖端(121)的三角形空腔(12)，用于可压缩介质出入的至少一个管道(41)从圆化尖端(121)引入至其中的每一个空腔，其中在每一个空腔(12)中以这种方式嵌入具有椭圆形横截面的旋转活塞(2)，即旋转活塞(2)的平行于旋转元件(7)的轴线(Oc)的纵向轴线(Op)关于定子(1)的内腔(12)的纵向轴线(Os)位移偏心距(e)的值，以便达到旋转活塞(2)即在旋转活塞(2)的纵向轴线(Op)沿着以偏心距(e)为半径的圆位移期间的行星运动，其中本发明的本质事实上是旋转活塞(2)与从动机构(9)的相互联接通过将旋转活塞(2)的随动销(21)引出到定子(1)的空腔(12)外来实现，在那里它们具有旋转齿轮(6)，所述旋转齿轮(6)与同所述从动机构(9)连接的带齿的椭圆形的旋转元件(7)相互联接。

Description

具有使用可压缩介质驱动的齿轮传动的旋转马达
技术领域
本发明涉及具有使用可压缩介质驱动的齿轮传动的旋转马达，特别是由可压缩的气体或蒸汽驱动的马达的构造。
背景技术
目前，含有曲柄机构和可逆移动活塞的传统空气或蒸汽马达的构造是众所周知的，所述马达的缺点是在活塞方向变化时的能量损失。类似的解决方案也是其中曲柄系统由弯曲板代替的马达。旋转气动马达的另外的已知解决方案利用转子的偏心安装且使用可移动密封薄片，正如例如在文件US 5174742、JP 11173101或JP 7247949中所描述的。在这些解决方案中，不使用用于能量转移的整个旋转路径，并借此降低总效率。这些马达以可压缩介质的高消耗、密封薄片的低的陀螺力矩和生命周期在高旋转区域运行。
下一个已知解决方案是具有两个或更多成形转子的旋转气动马达系统，所述转子在旋转期间形成可变的灵活的工作空间，正如通过例如根据文件JP 6017601、CS 173441、CZ 296486或US 4797077的构造。通过这些解决方案，再一次地不能利用整个旋转路径以用于能量转移。必需密封的大的面积以及具有高生产要求的马达的更大的总重量也是缺点。
最后，有具有旋转活塞的系统的已知解决方案，所述旋转活塞与两个或更多偏心桩连接，所述偏心桩的运动用齿轮控制，正如例如在文件US 3221664、US 1700038或WO 91/14081中所描述的。这些系统确实使用了整个旋转路径，但是是以更高的结构复杂性和生产要求为代价。有根据文件WO 2010012245的同样已知的解决方案，该方案来自专利CZ302294并描述了用于可压缩介质的旋转马达，所述旋转马达包含转子和安装在两个相互联接且平行放置的支承板之间的定子，所述支承板被改造以用于转子的两侧制曲柄的安装，在所述曲柄上安装有旋转活塞，所述旋转活塞安装在具有密封盖的定子腔室中。该马达的旋转活塞具有椭圆形的横截面并安装在对称形的三角形腔室中，所述三角形腔室具有圆化的尖端，每个圆化的尖端具有至少一个用于可压缩介质的进出的通道，然而有中央齿轮在驱动轴上安装到支承板中的一个，围绕所述中央齿轮的周缘均匀放置三个卫星齿轮，所述三个卫星齿轮牢固地设置在在支承板中旋转安装的桩上并在随动销的帮助下与定子联接，所述销关于桩轴线偏心地固定到定子。这种设计的缺点是马达的结构相当复杂，所述结构包含许多结构零件，如包括轴承的轴承主体和具有偏心的随动销的卫星齿轮，因此在对相互啮合的零件的设计的准确性有显著要求的情况下提高了生产复杂性。
本发明的目的是引入全新且简单的旋转马达设计，该旋转马达具有最少数量的生产要求不高的移动零件，所述零件具有高的操作效率和可靠性，所述设计取代根据文件CZ302294的马达的解决方案，并且基本上除去所有在操作试验期间发现的缺陷。
发明内容
所限定的目的通过具有使用可压缩介质的齿轮传动的旋转马达的发明达到，所述马达含有定子，该定子具有至少一个优选为两个三角形空腔，所述空腔对周围环境密封并具有圆化的尖端供可压缩介质进出的至少一个通道从该圆化的尖端引入每个空腔中，其中，每个空腔中以这种方式被嵌入具有椭圆形横截面的旋转活塞：其与旋转元件的轴线平行的纵向轴线相对于定子的内腔的纵向轴线以偏心值被移位，以实现旋转活塞在旋转活塞纵向轴线沿着以偏心为半径的圆的位移期间的行星运动。本发明的本质是旋转活塞与从动机构的相互耦合通过将旋转活塞的随动销导出到定子的空腔外来实现，那里所述旋转活塞与同从动机构连接的带齿轮的椭圆形旋转元件被相互耦合。
在一个有利的设计中，定子的空腔的形状以这种方式形成：即该定子由三个对称部分构成，所述三个对称部分的圆化的尖端相互转过120°且在外接圆的半径(Rv)上形成，所述外接圆半径具有值
Rv＝a+e，
其中(a)是旋转活塞的椭圆的半长轴的长度，(e)是由定子的空腔的轴线和旋转活塞的旋转轴线的位移给出的偏心距，然而不仅空腔的尖端的圆与旋转活塞的圆相对应，而且空腔的与尖端相反的壁在内接圆的半径Rs上形成，所述的内接圆半径具有值
Rs＝b+e
其中(b)是旋转活塞的椭圆短的半短轴的长度，(e)是偏心距，而且空腔的上尖端和壁之间的表面的过渡部分由移动旋转活塞的包络线形成。
当旋转齿轮和椭圆形旋转元件以这种方式在尺寸上形成时是同样有利的，即齿轮的节圆的半径(kr)具有尺寸，所述尺寸与针对具有偶数个齿的选定齿轮模块而修改的值(Rs)相对应，该椭圆形旋转元件具有与齿轮相同数量的齿并以这样的方式形成，即节椭圆的半长轴(ar)、节椭圆的半短轴(br)和偏心距(e)之间具有关系
ar＝br+2e
而节椭圆的长轴(ar)的尺寸由节圆的选定半径(kr)和偏心距(e)限定为关系
ar＝kr+e
且旋转元件的旋转轴线距定子的空腔的纵向轴线的距离(t)具有值
t＝kr+ar–e
最后，当齿轮传动在旋转齿轮和椭圆形旋转元件上的位置以这样的方式执行时是有利的，即当带齿轮的旋转元件的半长轴(ar)以及半短轴(br)定位至与空腔的轴线的连线(So)平行的位置中时，旋转活塞的半长轴(a)相互转过45°。
采用这种新的马达解决方案，最大限度地利用两个相互转向的旋转活塞的运动以及当在旋转活塞的一次旋转期间总计有六次可压缩介质的传入脉冲而且相互重叠时所述旋转活塞与用于陀螺力矩的直接传输的带齿轮的椭圆形的驱动旋转元件的连接。因此旋转活塞的运动也达到动态平衡，当带齿轮的驱动旋转元件一次旋转有十二个这些冲动时可压缩介质的特定输入脉冲也完全重叠。因此，旋转活塞的运行轨迹被完美地利用，且完全没有换向或者卡死。
优点是在工作介质输入时已有即时陀螺力矩而不必有启动器或离合器。最大陀螺力矩已在低转速下达到，且因此在最小量摩擦副情况下被给予工作介质的低消耗和机械部分的长使用寿命。
这种解决方案的进一步的优点是能使用旋转活塞的轴的运动来控制可压缩介质的机械或电磁传入阀和传出阀，可能改变所述阀的定时以用于优化发动机的性能或反转。特别对蒸汽驱动有利的是，完全在工作空间外安置齿轮和轴承。发动机的整体解决方案非常简单且容易生产，具有使用现代技术和材料用于生产该马达的特定部件的可能性。
建议的解决方案甚至可以作为用于气态物质压缩的压缩机来操作，而从环境保护问题的角度，该解决方案的下一个优点是操作过程中相对较低的马达运行噪音和无有害空气污染物。当合适的材料被使用时，完全没有润滑的必要性。
附图说明
根据本发明的马达设计的特定的例子在附图中示意性地描述，其中：
图1是马达从齿轮传动的一侧看的基本设计的正视图，
图2是在分解设计中从图1看的马达的轴测图，
图3和图4是说明旋转活塞的椭圆的两个端位置和主半轴转过45°的旋转元件的设置的马达的几何示意图，
图5是说明基本功能元件的定子的一个空腔的几何示意图的细节，
图6和图7是马达的正视示意图，示出了在通道在空腔尖端部分中的可选耦接方案中，马达空腔的特定相位，
图8是在分解设计中的马达的可选设计的轴测图，其定子由两个独立主体形成，
图9是来自图8的马达从旋转元件的一侧看的轴测图，其说明了定子的基板的轴承桩的安装的可选解决方案，以及
图10是在从动机构的轴上安装有旋转元件的马达的可选解决方案的轴测图。
具体实施方式
在根据图1和2的基本设计中，马达包括定子1，所述定子1由成形主体11形成，所述成形主体11具有两个三角形空腔12，在所述两个三角形腔12的每一个中嵌入具有椭圆形横截面的旋转活塞2，所述旋转活塞2在其旋转轴线Op中设有随动销21。主体11在空腔12的中心轴线Os之间的距离的中间具有轴承销3，所述轴承销3平行于旋转活塞2的随动销21定位。定子1的空腔12两侧封闭并用后盖14和前盖5密封，所述后盖和前盖以可拆卸的方式(优选地拧下)固定到主体11的表面。后盖4具有六个通道41以用于工作介质的流动，且这些通道通向空腔12的尖端部分。前盖5不仅具有供随动销21可能自由通过的两个中心开口51，而且还具有供轴承销3通过的一个中央开口52。
在前盖5的后面，在随动销21上安装(例如压上)旋转齿轮6，所述旋转齿轮6与嵌入在轴承8上的带齿轮的椭圆形旋转元件7相互耦接，所述轴承8被放置在轴承销3上。在图5中示意性示出的定子1的空腔12的形状以这样的方式形成：其由三个对称零件构成，所述三个对称零件的圆化的尖端121相互转过120°，并在外接圆的半径Rv上形成，该半径具有值
Rv＝a+e
其中a是旋转活塞2的椭圆的半长轴长度，e是由定子1的空腔12的轴线Os和旋转活塞2的旋转轴线Op的运动限定的偏心距。空腔12的尖端121的圆与旋转活塞2的圆相对应。空腔12的与尖端121的相反的壁122在内接圆的半径Rs上形成，该半径具有值
Rs＝b+e
其中b是旋转活塞2的椭圆的半短轴长度，e是如上所述的偏心距。空腔12的在尖端121和壁122之间的表面的过渡部分123由移动旋转活塞2的包络线形成。从上述结果，定子1的三角形空腔12是由旋转活塞2的椭圆的尖端部分的包络线形成，所述旋转活塞2执行行星运动，在此期间椭圆的中心，从而轴线Op以特定角度α以偏心距e为半径绕圈运动，同时椭圆的轴a，从而旋转活塞2，在相反方向转过半角α/2，如从图3至图5中清晰可见的。
在旋转活塞2的椭圆形状和定子1的三角形空腔12的形状的形成期间，对于旋转马达的尺寸确定而言的主要参数是偏心率e的可选值，从而是定子1的三角形空腔12的轴线Os关于旋转活塞2的轴线Op的位移。在旋转活塞2的横截面的选择的最优方案中，所述椭圆的半长轴长度a是偏心距值e的六倍，然后半短轴b不得不在旋转活塞2转过90°时接触定子1的三角形空腔12的壁，因此它比偏心距e的两倍要低，正如从图5看明显的。因此也给出如上所述的定子1的空腔12的外接圆半径Rv。
旋转活塞2的未标记宽度以及因此同样的定子1的三角形空腔12的深度是根据工作空间124的最大需求容量的可选值。最优值应与椭圆的半长轴a的大小相对应。
旋转齿轮6和椭圆形旋转元件7以这样的方式形成尺寸：即齿轮6的节圆的半径kr具有的尺寸与针对具有偶数个齿的选定齿轮模块而修改的值Rs相对应。椭圆形旋转元件7与齿轮6具有相同的齿数并以这样的方式形成，即在节椭圆的半长轴ar、节椭圆的半短轴br和偏心距e之间具有关系
ar＝br+2e,
然而节椭圆的半长轴ar的尺寸由节圆的选定半径kr和偏心距e以下述关系给出
ar＝kr+e.
与轴承销8的轴线Oc距定子1的空腔12的纵向轴线Os的距离相同的旋转元件7的旋转轴线Oc到定子1的空腔12的纵向轴线Os的距离t具有值
t＝kr+ar–e,
正如从图3和图4中看明显的。
根据图6和7的马达的行动可能从旋转活塞2的开始位置确定，所述旋转活塞2以其一个圆处于定子1的空腔12的尖端121的一个之中，在那里密封了用于可压缩介质进入的后盖4的恰当的通道41，然而以其前表面两侧对称地接触两个盖4、5的两壁。在旋转活塞2转动后，如图6所示，它与空腔12的两壁的接触点开始分开，并在空腔12中出现工作空间124，工作介质在所述工作空间中通过相邻通道41经由未示出的阀开始流动，工作介质随着其扩张而向上转动旋转活塞2直到在旋转活塞2转动90°后的最大可能容量。同时在旋转活塞2的相反部分上通过经由恰当通道41和未示出的阀排空的第二尖端121在工作空间124中完成之前的工作循环。在排空之后，旋转活塞2由该尖端121进入到开始位置，并且该过程在那里以上述方式重复。鉴于定子1的空腔12的三角形形状，因此可压缩介质继续与旋转活塞2的转动方向相反而进入即总是在其转动60°之后，从而一转六次。显而易见的是，在恰当的尖端121的工作空间124中进行的特定工作循环相互重叠，这是因为最大工作空间124在工作活塞转动90°后达到，但是已经是在其转60°之后由相邻尖端121开始下一个工作循环。
基于椭圆形旋转元件7的旋转运动的旋转活塞2的行星运动的传递利用了这个事实，即在旋转活塞2的半长轴a相互转动90°且它们在同一方向上运动时，关于空腔12的中心轴线Os的连线So近似对称，且齿轮6的周缘后退了偏心距e的两倍。齿轮6的行星运动在旋转运动上的传递由椭圆形旋转元件7的椭圆横截面获得，所述椭圆形旋转元件7位于空腔12的中心轴线的Os的连线So的中间。
旋转齿轮6和椭圆形旋转元件7上的啮合位置以这样的方式进行，即在将带齿轮的旋转元件7的半长轴ar和半短轴br转动至平行于中心轴线Os的连线So的位置之后使旋转活塞2的半长轴a互相转动45°，正如从图3和图4看明显的。
因此得到的不仅是基于旋转元件7的旋转运动的齿轮6的行星运动的传递，而且是旋转活塞2与齿轮6的行星运动的动态平衡，而且然后工作介质的特定脉冲也完全重叠。
所述结构设计不是根据本发明的旋转马达的唯一可能的设计，当基于尺寸和需求的性能时，马达的定子1可以由安装在一个基板13上的两个独立主体11形成，正如在图9和图10中所建议的，或者后盖4可以是定子1的主体11的后壁的一体形成的实体部分。轴承销3不必被安装在定子1的主体11中，而是可以如图8所示在前盖5中，并且多于一个优选为两个通道41可以被引入到定子1的空腔12的每个尖端部分中，所述通道41不必平行于旋转活塞2的旋转轴线Op而穿过后盖4定向而是在垂直于那些旋转轴线Op的方向上穿过定子1的主体11的侧壁，正如从图6和图7看明显的。旋转活塞2的随动销21也可以被设计成像通轴，所述通轴通过旋转活塞2的中心，通过后盖4导出，用于控制马达的阀。最后椭圆形旋转元件7，而不是轴承销3，可安装在从动机构9的未标记轴上，例如在交流发电机、传动装置上，如图10所示放在公用的基板13上。该轴承销3不必根据图2在定子1的主体11上形成，而是如图8所示可以在前盖5上形成，或者如图9所示可以安装在基板13上。当在根据图2的解决方案中时，主体11将具有轴承8，且椭圆形旋转元件7具有轴承销3，从马达的功能角度来看同样是不相关的。明显的是，不影响解决方案的本质可能根据马达的使用改变定子1的轮廓设计，这依赖于其中应放置马达的构建区域的尺寸。
从上述清楚的是，所述旋转马达的一般性描述仅普遍地进行，并没有解决下一个相关且未说明的结构结点例如阀，包括它们的控制和供给、润滑、冷却、飞轮、传动装置轮廓的具化等等，这些对本解决方案的实质没有影响。
工业效率
根据本发明所述的旋转电机有可能在工业和运输的不同分支中使用，诸如机械、车辆和其他设备的生态清洁驱动单元。
附图标记列表
1 定子
11 主体
12 空腔
121 尖端
122 壁
123 表面的过渡部分
124 工作空间
2 旋转活塞
21 随动销
3 轴承销
4 后盖
41 通道
5 前盖
51 中心开口
52 中央开口
6 旋转齿轮
7 椭圆形旋转元件
8 轴承
9 从动机构
Rv 外接圆半径
Rs 内切圆半径
a 旋转活塞的半长轴
b 旋转活塞的半短轴
e 偏心距
Op 旋转活塞的旋转轴线
Os 空腔的轴线
kr 节圆的半径
ar 节椭圆的半长轴
br 节椭圆的半短轴
Oc 节元件的旋转轴线
So 空腔的轴线的连线

Claims (6)

1.一种具有使用可压缩介质驱动的齿轮传动的旋转马达，所述马达包含定子(1)，所述定子(1)具有至少一个对周围环境密封并具有圆化的尖端(121)的三角形空腔(12)，供可压缩介质出入的至少一个通道(41)从所述圆化的尖端(121)引入至每个空腔中，其中在每一个所述空腔(12)中以这种方式嵌入具有椭圆形横截面的旋转活塞(2)：即所述旋转活塞(2)的平行于旋转元件(7)轴线(OC)的纵向轴线(Op)关于定子(1)内部的空腔(12)的纵向轴线(Os)位移偏心距(e)的值，以便获得所述旋转活塞(2)的行星运动，即在旋转活塞(2)的纵向轴线(Op)沿着以偏心距(e)为半径的圆的位移期间的行星运动，其中，所述旋转活塞(2)与从动机构(9)的相互联接通过将所述旋转活塞的随动销(21)引出到所述定子(1)的所述空腔(12)外来实现，在所述空腔(12)外，所述随动销装备有旋转齿轮(6)，所述旋转齿轮(6)与同所述从动机构(9)连接的带齿轮的椭圆形的所述旋转元件(7)相互耦接。
2.根据权利要求1所述的旋转马达，其特征在于，所述定子(1)的所述空腔(12)的形状以这种方式形成：即，其由三个对称部分构成，所述三个对称部分的所述圆化的尖端(121)相互转过120°，且形成在外接圆半径(Rv)上，所述外接圆半径具有值
Rv＝a+e
其中，a是所述旋转活塞(2)的椭圆的半长轴的长度，e是由所述定子(1)的所述空腔(12)的所述纵向轴线(Os)和所述旋转活塞(2)的纵向轴线(Op)的位移给出的偏心距，不仅所述空腔(12)的所述尖端(121)的圆与所述旋转活塞(2)的圆相对应，而且所述空腔(12)的与所述尖端(121)相反的壁(122)形成在内切圆半径(Rs)上，所述内切圆半径(Rs)具有值
Rs＝b+e
其中b是所述旋转活塞(2)的椭圆的半短轴的长度，e是所述偏心距，且同样所述空腔(12)的在所述尖端(121)和所述壁(122)之间的表面的过渡部分(123)由移动的所述旋转活塞(2)的包络线形成。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的旋转马达，其中，所述旋转齿轮(6)和椭圆形的所述旋转元件(7)以这种方式形成尺寸：即，其中所述齿轮(6)的节圆的半径(kr)具有的尺寸与针对具有偶数个齿的选定齿轮模块而修改的内接圆半径(Rs)的值相对应，椭圆形的所述旋转元件(7)与齿轮(6)具有相同的齿数，并以这样的方式形成：即，节椭圆的半长轴(ar)、节椭圆的半短轴(br)和所述偏心距(e)之间具有关系
ar＝br+2e,
而所述节椭圆的半长轴(ar)的大小由节圆的选定半径(kr)和所述偏心距(e)以下述关系给出
ar＝kr+e，
所述旋转元件(7)的旋转轴线(Oc)到所述定子(1)的所述空腔(12)的所述纵向轴线(Os)的距离(t)具有值
t＝kr+ar–e。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的旋转马达，其中，在所述旋转齿轮(6)和椭圆形的所述旋转元件(7)上的啮合位置以这样的方式确定：在带齿轮的所述旋转元件(7)的半长轴(ar)以及半短轴(br)定位至平行于空腔(12)的纵向轴线(Os)的连线(So)的位置后，旋转活塞(2)的半长轴(a)相互转过45°。
5.根据权利要求3所述的旋转马达，其中，在所述旋转齿轮(6)和椭圆形的所述旋转元件(7)上的啮合位置以这样的方式确定：在带齿轮的所述旋转元件(7)的半长轴(ar)以及半短轴(br)定位至平行于空腔(12)的纵向轴线(Os)的连线(So)的位置后，旋转活塞(2)的半长轴(a)相互转过45°。
6.根据权利要求1或2所述的旋转马达，其中，所述定子(1)具有两个所述三角形空腔(12)。
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