CN107587992A - 一种直流定子励磁式机电液耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流定子励磁式机电液耦合器，包括支撑系统、机械能转化系统、液压能转化系统和电能转化系统；支撑系统包括壳体和配流盘等；液压能转化系统包括缸体、斜盘和柱塞等；电能转化系统包括转子线圈、定子铁芯、励磁绕组、引线端子等。定子铁芯及其励磁绕组固定在壳体内，传动轴与缸体通过花键连接同步转动，在斜盘作用下柱塞沿轴线往复移动吸入或输出液压油；具体工作时，引线端子外接直流电，实现机械能、液压能、电能三者之间的相互转化，具有结构紧凑、转换效率高、压力损失小等优势，机电液的耦合和对应能量的相互转化，其应用需求和产业化前景广阔。

Description

一种直流定子励磁式机电液耦合器

技术领域

本发明涉及能量转换技术领域，特别是一种直流定子励磁式机电液耦合器。

背景技术

液压动力源主要有三种，传统电机-泵组、屏蔽式电机泵和电液泵。前两者都是采用电机与液泵靠联传动轴器连接的方式，这种方式会带来许多的缺点：联轴器不同心带来的噪声和振动；轴向排布使得其体积和质量较大；多处连接和配合使得可靠性降低，有泄漏的风险；效率也很低；而且只能输出液压能，不能输出机械能以及能量之间的转换。

现有技术中，常见的是一种或者两种不同形式主要能量之间的转换的工具，在不同的工况、远距离户外作业或者选购备用工具中，往往需要采购多种类型的工具，大大提高了运输及采购成本，为此，亟待提出一种可实现多种能量之间的转换和灵活调节，且工作稳定、噪音小的机械结构设计。

发明内容

本发明目的在于提供一种直流定子励磁式机电液耦合器，将直流电机与轴向斜盘式柱塞泵高度集成，电机转子与缸体变为一个整体，利用斜盘柱塞泵柱塞的往复运动，实现机械能与液压能之间的转换，转子线圈旋转切割磁感线实现电能和机械能之间的转换，具有结构简单，工作噪声小、省去联结装置，体积减小等优势，运行更稳定安全。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种直流定子励磁式机电液耦合器，包括支撑系统以及与其连接的机械能转化系统、液压能转化系统和电能转化系统；

所述支撑系统包括壳体、固定栓和后盖；壳体内具有一内腔，壳体的左端设有一圆形通孔，该圆形通孔靠左端内壁上加工有环形槽，环形槽内设置有密封圈，圆形通孔右端为前轴承座孔；固定栓固定设置在壳体内腔的左壁上；后盖安装在壳体右端，后盖内还设置有上油路和下油路，在后盖的左端面还固定设置有配流盘，配流盘上设有两配流窗口，且两配流窗口分别与上油路和下油路连通，另外在后盖的中心部位设有一后轴承座孔；

所述机械能转化系统包括传动轴、前轴承和后轴承，传动轴为阶梯轴，其两端分别与前轴承和后轴承连接，传动轴的中部设有外花键，前轴承和后轴承分别固定设置在前轴承座孔和后轴承座孔内；传动轴从壳体左端的圆形通孔中穿出，且与该圆形通孔间隙配合；

所述液压能转化系统包括缸体、球面弹簧座、回程盘和斜盘；所述缸体设置在壳体内腔中与传动轴固定连接，且其右端与配流盘接触，且可与其相对滑动；球面弹簧座与传动轴相连，且球面弹簧座与缸体之间设有压紧弹簧，压紧弹簧被球面弹簧座和缸体压缩并产生弹力；所述回程盘通过球面副与球面弹簧座接触，压在滑履的上部，滑履的底面与斜盘的楔面接触，该楔面与传动轴的轴线的垂直面的夹角称为偏离角，斜盘固定在固定栓上；而且，缸体内设有与传动轴外花键啮合的内花键，且沿缸体的轴线周向均匀分布有多个柱塞孔，柱塞孔内嵌有导套，注塞孔与导套过盈配合，导套内设置柱塞，柱塞的前端通过球副与滑履连接，柱塞的后端、缸体和配流盘形成泵腔；

所述电能转化系统包括换向器、电刷、定子铁芯和转子线圈；所述换向器固连在缸体上，并与缸体同步转动，且各换向器外周半径相同；所述电刷包括两个，电刷径向固定有弹性体，弹性体与壳体内腔的内壁固连；定子铁芯固定设置在壳体的内腔内，定子铁芯沿缸体轴线对称设置有两个，定子铁芯的内表面为圆弧形，且与缸体同轴，其外表面固连在壳体的内壁上，定子铁芯外周绕有励磁绕组，两个励磁绕组串联且产生的磁场方向相同，并分别接出引线端子U1和引线端子U2；转子线圈嵌装在缸体的外柱面内，相对于缸体的回转轴线对称分布，转子线圈的一端连接两固连在缸体上的换向器。

进一步的，所述电刷的内表面与换向器外表面半径相等，并在两个电刷上有导线引出，以与外直流电源正负极或负载连接。

进一步的，各柱塞孔的底部均设有一通油孔，该通油孔与配流盘的左端面连通，且通油孔到缸体回转轴线的距离与配流盘上的配流窗口到缸体回转轴线的距离一致。

进一步的，所述配流盘的两个配流窗口为腰形结构，且两个配流窗口之间的间隔宽度大于柱塞孔右边的通油孔直径，以防止上油路和下油路连通。

进一步的，所述电刷的内表面与换向器的外表面半径相等，其周向长度大于两个换向器之间的间隔距离，以保证任何时候至少有一个转子线圈左端的换向器与电刷接触。

进一步的，所述缸体的外柱面及右端面上开设有槽孔，以固装转子线圈；外柱面上的槽孔沿外柱面轴线方向设置且相对外柱面轴线两两对称，外柱面上每两个对称的槽孔通过缸体右端面的槽孔连通。

进一步的，所述泵腔内的流体是液体介质或者气体介质。

进一步的，所述前轴承和后轴承为向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

进一步的，所述柱塞孔与导套过盈配合。

进一步的，所述转子线圈的数量至少有六个，且各转子线圈之间绝缘。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案提出的直流定子励磁式机电液耦合器，将电机的转子和泵的转子合二为一，省去电机和泵的机械联结；且定子采用直流励磁的方法增加磁场强度，结构紧凑，传递效率高；机电液三种能量可以根据不同的需求任意转化和灵活调节；实现了机械能、液压能和电能三者之间两两相互转化，任何一种形式的能量可以同时转化为另外两种形式的能量，任何两种形式的能量可以同时转化为另外一种形式的能量；

本方案采用整体归一化设计的思想，相互嵌合，巧妙地实现了机电液的耦合和对应能量的相互转化，流体工作介质可以是油、水、气体等各种介质，具有结构紧凑、转换效率高、压力损失小、体积小等优势，且省去联结装置，其运行更稳定安全，适于远距离户外作业和选购备用工具，应用需求和产业化前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例所述耦合器剖开后的主视结构示意图；

图2为本发明实施例所述耦合器剖开后的左视结构示意图；

其中，1、传动轴；2、密封圈；3、前轴承；4、壳体；5、斜盘；6、回程盘；8、弹性体；9、电刷；10、换向器；11、转子线圈；12、缸体；13、配流盘；14、上油路；15、后盖；16、后轴承；17、下油路；18、柱塞；19、缸套；20、永磁体；23、滑履；25、压紧弹簧；26、球面弹簧座；27、固定栓；U1、U2为引线端子。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，本实施例所述的左右等位置关系以图1所示为准，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

一种直流定子励磁式机电液耦合器，主体结构包括支撑系统、机械能转化系统、液压能转化系统和电能转化系统，具体的：

如图1和图2所示，所述支撑系统包括壳体4、固定栓27、后盖15、上油路14、下油路17、密封圈2、配流盘13等结构。壳体4是主要的支撑与包容件，具有基本呈圆柱形的内腔，内腔容有液压能转化系统、电能转化系统，及机械能转化系统的主要结构件。

从图1中可以看出，壳体4的左端中部有圆形通孔，机械能转化系统的传动轴1从中穿出,该圆形通孔与传动轴1为间隙配合,该圆形通孔内壁上靠左边加工有环形槽,密封圈2放置其中,以防止壳体4内的润滑油外漏；该圆形内壁上右边是前轴承座孔，机械能转化系统的前轴承3固定其中，轴承外圈与该圆形通孔呈过渡或过盈配合。壳体4内腔的左壁上固定有固定栓27，固定栓27的右边固定着液压能转化系统的斜盘5。壳体4右边为后盖15，与壳体4可通过螺栓或其它方式连接。后盖15左端面固定有配流盘13，连接方式可以是螺钉连接、焊接、粘结等形式。后盖15内的上油路14、下油路17分别联通到配流盘13的两个配流窗口。后盖15中心部位还有一后轴承座孔，内装机械能转化系统的后轴承16。壳体4的圆柱形内腔壁上固定有电能转化系统的两个定子铁芯20，两个定子铁芯20在壳体4内腔对称分布，另外在壳体4的圆柱形内腔壁上固定有电能转化系统的两个弹性体8。

另外，机械能转化系统包括传动轴1、前轴承3、后轴承16。传动轴1支撑在前轴承3、后轴承16内，与前轴承3、后轴承16的内圈为过渡或过盈配合。传动轴1左端从支撑系统的壳体4的圆形通孔中穿出，可与负载或动力装置联结，为机械能能输入输出端。传动轴1为阶梯轴，左边有一轴肩靠在前轴承3内圈的右沿，防止传动轴1向左移动；右边有一轴肩靠在后轴承16内圈的左沿，防止传动轴1向右移动，且在传动轴中部设有外花键，外花键与液压能转化系统的缸体12、球面弹簧座26的内花键啮合，传动轴1与缸体12、球面弹簧座26同步转动，所述前轴承4、后轴承16可以采用向心推力球轴承或圆锥滚子轴承等。

液压能转化系统包括斜盘5、回程盘6、缸体12、柱塞18、缸套19、滑履23、压紧弹簧25、球面弹簧座26等结构。缸体12总体上呈柱状回转体，右端面与配流盘13接触，可以相对滑动。缸体12内制有内花键孔和多个柱塞孔，柱塞孔一般6个以上，相对缸体12轴线周向均匀分布。每个柱塞孔的底部都有一通油孔，一直通到配流盘13的左端面，通油孔到缸体12回转轴线的距离，与配流盘13上的配流窗口到缸体12回转轴线的距离一致。每个柱塞孔的前半部内嵌有导套19，柱塞孔与导套19过盈配合。导套19内为柱塞18，柱塞18与导套19为小间隙配合，导套19对柱塞18有导向和密封作用。柱塞18右边的柱塞孔称为泵腔。柱塞18左端为球头，通过球铰与滑履23连接形成柱塞-滑履组件，结构与斜盘式柱塞泵的柱塞-滑履组件一致。

而且，滑履23的底面与斜盘5的楔面即上表面接触，楔面相对于机械能转化系统的传动轴1的轴线的垂直面有一定角度，该角度称为偏离角。滑履23的上部压有回程盘6，回程盘6与球面弹簧座26通过球面副接触，球面弹簧座26右部有弹簧座孔，内装压紧弹簧25，压紧弹簧25右边是缸体12，压紧弹簧25被球面弹簧座26和缸体12压缩并产生弹力，该弹力通过球面弹簧座26和回程盘6将滑履23始终压靠在斜盘5的楔面上。斜盘5的偏离角及柱塞孔到缸体12回转轴线的距离决定了柱塞18行程的大小，又由于柱塞18的端面积一定，所以该发明的排量为一定值。

缸体12外柱面及右端面开设有槽孔，以固装电能转化系统的转子线圈11，外柱面上的槽孔沿外柱面轴线方向设置且相对外柱面轴线两两对称，外柱面上每两个对称的槽又通过缸体12右端面的槽孔连通。配流盘13的结构与斜盘式柱塞泵的配流盘结构一致，有两个腰形配流窗，分别与后盖15内的上油路14或下油路17相通，当一个为进油窗口时，另一个为排油窗口。两个配流窗口之间的间隔宽度大于柱塞孔右边的通油孔直径，以防上油路14与下油路17连通。

另结合图2所示，电能转化系统包括弹性体8、电刷9、换向器10、转子线圈11、定子铁芯20、励磁绕组21、引线端子U1、引线端子U2等结构。定子铁芯20又称极靴，为导磁率比较好的片状体叠合而成，以减少电涡流生热；定子铁芯20的内表面为圆弧，该圆弧与缸体12同轴，外表面固联在壳体4的内壁上。定子铁芯20外周绕有励磁绕组21，两个励磁绕组21串联，接出两个引线端子U1、U2，外接直流电源正负极。励磁绕组21的线圈绕向要保证两个励磁绕组21产生的磁场方向相同，一个N极向内，则另一个S极向内，反之亦然。电能转化系统的转子就是转子线圈11和液压能转化系统的缸体12，电机转子与缸体变为一个整体，利用斜盘柱塞泵柱塞的往复运动。转子线圈11嵌装在缸体12外柱面和右端部的槽孔内，在外柱面槽孔内的部分呈180度对称设置，右端部槽孔内的部分可以各种路径连接，但不能导致液压泄漏。

明显的，转子线圈11个数越多，电动力矩或产生的感生电压波动越小。转子线圈11左边两端分别连接两个换向器10，各转子线圈11之间绝缘。换向器10固联在缸体12上，与缸体12同步转动，各换向器10外周半径相同，两换向器之间的间隔距离小于电刷9的周向长度。电刷9有两个，其内表面与换向器10外表面半径相等，由于周向长度大于换向器10之间的间隔距离，任何时候至少有一个转子线圈11左端的换向器10与电刷9接触。两个电刷9上有导线引出，可与外边的直流电源正负极或负载连接。电刷9径向固有弹性体8，弹性体8与支撑系统的壳体4的内壁固联。

本发明工作时，机械能、液压能、电能三者之间可以两两相互转化，任何一种形式的能量可以同时转化为另外两种形式的能量，任何两种形式的能量可以同时转化为另外一种形式的能量。任意两种能量相互转化是最基本工作模式，其余工作模式是最基本工作模式的衍生。

具体的，电能和机械能相互转化的原理如下：电能转化为机械能时，即为电动机，此时励磁绕组21的两个引线端子U1、U2外接直流电压，励磁绕组21和定子铁芯20产生电磁场。两个电刷9上外接直流电源的正负极，在转子线圈11上产生电流，受电磁场作用进而产生电磁力矩，带动缸体12同步转动，再通过花键驱动传动轴1同步转动对外输出机械能，实现电能向机械能的转化。而机械能转化为电能时，即为发电机，此时励磁绕组21的两个引线端子U1、U2外接直流电压，励磁绕组21和定子铁芯20产生电磁场，外部动力驱动传动轴1转动，再通过花键驱动缸体12、转子线圈11、换向器10同步转动，转子线圈11切割磁力线产生感生电压，通过换向器10和电刷9对外输出电能，实现机械能向电能的转化。

电能与液压能相互转化的原理如下：电能转化为液压能时，此时励磁绕组21的两个引线端子U1、U2外接直流电压，励磁绕组21和定子铁芯20产生固定的电磁场。两个电刷9上外接直流电源的正负极，通过换向器10在转子线圈11上产生电流，受电磁场作用进而产生电磁力矩，带动缸体12、柱塞18、滑履23等同步转动，在斜盘5楔面的推力和压紧弹簧25的弹力作用下，柱塞18随缸体12周向转动的同时作轴向往复运动，当柱塞18向左运动时，低压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞18向右运动时，泵腔内油压升高，高压油不断由泵腔经过配流盘13上的配流窗口、下油路17(或上油路14)对外输出，实现电能向液压能的转化。而液压能转化为电能时，此时励磁绕组21的两个引线端子U1、U2外接直流电压，励磁绕组21和定子铁芯20产生固定的电磁场。此时高压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞18左移，由于斜盘5固定不动，受斜盘5楔面的推力作用，柱塞18与滑履23便带动缸体12和转子线圈11转动，柱塞18转过一定角度后开始向右移动，泵腔内的液压油经过配流盘13上相应的配流窗口，低压油不断由下油路17(或上油路14)流出。转子线圈11切割磁力线产生感生电压，通过换向器10和电刷9对外输出电能，实现液压能向电能的转化。

机械能与液压能相互转化的原理如下：机械能转化为液压能时，即为液压泵，此时外部动力驱动传动轴1转动，再通过花键驱动缸体12、柱塞18、滑履23等同步转动，在斜盘5楔面的推力和压紧弹簧25的弹力作用下柱塞18往复运动，当柱塞18向左运动时，低压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞18向右运动时，泵腔内油压升高，高压油不断由泵腔经过配流盘13上的配流窗口、下油路17(或上油路14)对外输出，实现机械能向液压能的转化。而液压能转化为机械能时，即为液压马达，此时高压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞18左移，由于斜盘5固定不动，受斜盘5楔面的推力作用，柱塞18与滑履23便带动缸体12转动，柱塞18转过一定角度后向右移动，泵腔内的液压油经过配流盘13上相应的配流窗口，低压油不断由下油路17(或上油路14)流出。缸体12转动，再通过花键驱动传动轴1同步转动对外输出机械能，实现液压能向机械能的转化。

在本发明中另外还可以实现两种形式的能同时转化为另外一种形式的能，以机械能和电能同时转化液压能为例说明：在机械能转化为液压能时，当外界需要的液压能大于机械能所能提供的转矩时，通电产生磁场，使传动轴的转矩增加，将机械能和电能叠加同时输出为液压能。主要是需要的负载超过最大负载之后，单一的能量输出无法达到需要的负载，然后传动轴的转速就会有所下降，增加额外叠加的能量可以使传动轴转速保持或增大，因此可以实现两种能量叠加转化为另一种能量的情况。其他形式转化与上述相同,在此不做赘述。本发明实现了直流定量机电液的耦合和对应能量的相互转化，结构紧凑、能量转换率高，其应用需求和产业化前景广阔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流定子励磁式机电液耦合器，其特征在于，包括支撑系统及与其连接机械能转化系统、液压能转化系统和电能转化系统；

所述支撑系统包括壳体、固定栓和后盖；壳体内具有一内腔，壳体的左端设有一圆形通孔，该圆形通孔靠左端内壁上加工有环形槽，环形槽内设置有密封圈，圆形通孔右端为前轴承座孔；固定栓固定设置在壳体内腔的左壁上；后盖安装在壳体右端，后盖内还设置有上油路和下油路，在后盖的左端面还固定设置有配流盘，配流盘上设有两配流窗口，且两配流窗口分别与上油路和下油路连通，另外在后盖的中心部位设有一后轴承座孔；

所述机械能转化系统包括传动轴、前轴承和后轴承，传动轴为阶梯轴，其两端分别与前轴承和后轴承连接，传动轴的中部设有外花键，前轴承和后轴承分别固定设置在前轴承座孔和后轴承座孔内；传动轴从壳体左端的圆形通孔中穿出，且与该圆形通孔间隙配合；

所述液压能转化系统包括缸体、球面弹簧座、回程盘和斜盘；所述缸体设置在壳体内腔中与传动轴固定连接，且其右端与配流盘接触，且可与其相对滑动；球面弹簧座与传动轴相连，且球面弹簧座与缸体之间设有压紧弹簧；所述回程盘通过球面副与球面弹簧座接触，压在滑履的上部，滑履的底面与斜盘的楔面接触，该楔面与传动轴的轴线的垂直面的夹角称为偏离角，斜盘固定在固定栓上；而且，缸体内设有与传动轴外花键啮合的内花键，且沿缸体的轴线周向均匀分布有多个柱塞孔，柱塞孔内嵌有导套，导套内设置柱塞，柱塞的前端通过球副与滑履连接，柱塞的后端、缸体和配流盘形成泵腔；

所述电能转化系统包括换向器、电刷、定子铁芯和转子线圈；所述换向器固连在缸体上，并与缸体同步转动，且各换向器外周半径相同；所述电刷包括两个，电刷径向固定有弹性体，弹性体与壳体内腔的内壁固连；定子铁芯固定设置在壳体的内腔内，定子铁芯沿缸体轴线对称设置有两个，定子铁芯的内表面为圆弧形，且与缸体同轴，其外表面固连在壳体的内壁上，定子铁芯外周绕有励磁绕组，两个励磁绕组串联且产生的磁场方向相同，并分别接出引线端子U1和引线端子U2；转子线圈嵌装在缸体的外柱面内，相对于缸体的回转轴线对称分布，转子线圈的一端连接两固连在缸体上的换向器。

2.根据权利要求1所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述电刷的内表面与换向器外表面半径相等，并在两个电刷上有导线引出，以与外直流电源正负极或负载连接。

3.根据权利要求1所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：各柱塞孔的底部均设有一通油孔，该通油孔与配流盘的左端面连通，且通油孔到缸体回转轴线的距离与配流盘上的配流窗口到缸体回转轴线的距离一致。

4.根据权利要求3所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述配流盘的两个配流窗口为腰形结构，且两个配流窗口之间的间隔宽度大于柱塞孔右边的通油孔直径。

5.根据权利要求1所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述电刷的内表面与换向器的外表面半径相等，其周向长度大于两个换向器之间的间隔距离。

6.根据权利要求1所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述缸体的外柱面及右端面上开设有槽孔，以固装转子线圈；外柱面上的槽孔沿外柱面轴线方向设置且相对外柱面轴线两两对称，外柱面上每两个对称的槽孔通过缸体右端面的槽孔连通。

7.根据权利要求1-6任一项所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述泵腔内的流体是液体介质或者气体介质。

8.根据权利要求7所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述前轴承和后轴承为向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

9.根据权利要求8所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述柱塞孔与导套过盈配合。

10.根据权利要求9所述的励磁式机电液耦合器，其特征在于：所述转子线圈的数量至少有六个，且各转子线圈之间绝缘。