CN107630798A - 一种变量式交流同步机电液耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变量式交流同步机电液耦合器，包括机械能组件、斜盘液压能组件、斜盘液压能调节组件、电能组件；具体具有如下部件壳体、斜盘、连杆、活塞杆、定子绕组、控制缸、定子铁芯、转子、后端盖、配流盘、缸体、柱塞、膜片弹簧、回程盘、滑履、球面弹簧座、传动轴、后轴承、引线端子(U1、U2、U3)等组成。控制缸的活塞杆往复移动通过连杆调整斜盘的偏离角和排量，传动轴与缸体、柱塞‑滑履组件、转子同步转动，定子铁芯及其定子绕组固定在壳体的腔壁上，定子绕组串联且有引线端子(U1、U2、U3)从中接出。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，排量可调、结构紧凑、能量转换率高，应用需求和产业化前景广阔。

Description

一种变量式交流同步机电液耦合器

技术领域

本发明涉及本发明属于能量转换、传递和输出领域，涉及一种变量式交流同步机电液耦合器。

背景技术

发电机、电动机、斜盘式液压泵或液压马达、电动机-液压泵组合系统等动力装置目前广泛在用，相应的专利也枚不胜举，但上述装备存在系列弊端：(1)功能都比较单一，如发电机将其它形式能量转化为电能，电动机将电能转化为机械能，斜盘式液压泵或液压马达实现液压能和机械能的相互转化，电动机-液压泵组合系统实现电能向液压能的转化，等等；(2)电动机-液压泵等组合系统结构比较松散，能量转化传递环节多，效率低，也存在匹配不合理问题；(3)上述动力装置无法同时提供多种动力，而同时需要电能、液压能或机械能的场合又比较多，如汽车、工程机械等；(4)交通运输和工程施工领域的电动化趋势日益显著，电能的占比越来越高，电能与其它形式能量相互转化的动力装置的需求越来越迫切，而上述动力装置还无法灵活地满足这种需求；(5)还没有哪一种动力装备能同时实现机电液三种能量的相互转化，更好地实现重型车辆制动能的回收再利用。

发明内容

本发明的目主要在于克服上述液压动力装置结构松散、体积大、能量转换效率低、适应性差等弊端，形成一种结构高度集成，可实现电能、机械能、液压能三种能量相互耦合、相互转化的动力装置，并具有斜盘液压能组件排量调节功能。

本发明所采取的技术方案如下：

一种变量式交流同步机电液耦合器，包括壳体，所述壳体前端设置与壳体一体的前端盖，前端盖上设置通孔，后方通过螺栓连接有后端盖；所述壳体内部设置机械能组件、斜盘液压能组件、斜盘液压能调节组件、电能组件；所述机械能组件包括由前后轴承支撑的传动轴，传动轴的前端由前端盖通孔伸出，传动轴伸出部分设置键槽；传动轴上设置有导向锥形面；

所述斜盘液压能组件包括：斜盘、缸体、配流盘；所述斜盘卡合在锥形面，并沿着锥形面滑动；所述缸体通过键连接在传动轴上；

在缸体内设有贯穿缸体的柱塞孔，每个柱塞孔内均设有与柱塞孔滑动密封的柱塞，所述柱塞的头部设有滑靴，所述滑履的底面与斜盘的楔面紧贴，并沿着斜盘的斜面滑动；所述缸体的后方紧贴配流盘；

所述配流盘紧贴后端盖设置，后端盖内的上油路、下油路分别联通到配流盘的两个配流窗口；

所述斜盘液压能调节组件包括控制缸、活塞杆、连杆；所述控制缸设置在缸体的一侧；所述连杆的一端与活塞杆铰接，另一端与斜盘铰接；所述活塞杆在控制缸内伸缩使斜盘倾斜角度变化；

所述电能组件包括定子铁芯，转子；定子绕组；绕组连接孔；引线端子U1；引线端子U2；引线端子U3；

定子铁芯为三个，其中两个固定在壳体的内壁上、第三个固定在控制缸外壁上，三个定子铁芯等间距设置；定子铁芯外周绕有定子绕组，三个定子绕组串联，绕组之间接出引线端子U1、U2、U3，引线端子U1、U2、U3通过绕组连接孔引出；转子为两个，对称固定在缸体外壁；转子为永磁铁，两转子的极向颠倒相反设置；

机械能组件、斜盘液压能组件、电能组件分别产生的机械能、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；斜盘液压能调节组件改变斜盘液压能组件排量。

进一步的：所述滑履的上部压有回程盘，回程盘与球面弹簧座通过球面副接触，球面弹簧座右部止口内装有膜片弹簧，膜片弹簧右边是缸体，膜片弹簧被球面弹簧座和缸体压缩并产生弹力，所述球面弹簧座通过键连接固定在传动轴上。

进一步的：所述柱塞孔的前半部内嵌有缸套，柱塞孔与缸套过盈配合，缸套内径小于等于柱塞孔后半部内径；缸套与柱塞为小间隙配合。

进一步的：所述的键连接为花键连接。

进一步的：所述的缸体上至少设置的个柱塞孔。

进一步的：所述的传动轴与前后轴承的内圈过渡或过盈配合。

进一步的：所述的定子铁芯采用与缸体同轴的极靴。

进一步的：所述的壳体上设置有卸油口。

进一步的：前轴承是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

进一步的：后轴承是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

有益效果

本发明实现了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，应用需求和产业化前景广阔。

附图说明

图1为本发明一种变量式交流同步机电液耦合器剖开后的主视图。

图2为本发明一种变量式交流同步机电液耦合器剖开后的左视图。

图3为本发明一种变量式交流同步机电液耦合器斜盘固定结构图。

图中标号：壳体1、斜盘2、连杆3、活塞杆4、定子绕组5、缸盖6、活塞7、控制缸8、定子铁芯9、转子10、缸密封圈11、螺栓12、上油路13、后端盖14、下油路15、配流盘16、缸体17、卸油口18、缸套19、柱塞20、膜片弹簧21、回程盘22、滑履23、球面弹簧座24、前轴承25、壳密封圈26、传动轴27、密封盖28、轴瓦29、绕组连接孔30、后轴承35、引线端子U1、U2、U3。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

一种变量式交流同步机电液耦合器，包括壳体1，壳体1前端设置与壳体一体的前端盖，前端盖上设置通孔，后方通过螺栓连接有后端盖14；壳体1内部设置机械能组件、斜盘液压能组件、斜盘液压能调节组件、电能组件；机械能组件包括由前后轴承支撑的传动轴27，传动轴27的前端由前端盖通孔伸出，传动轴伸出部分设置键槽；传动轴上设置有导向锥形面。

斜盘液压能组件包括：斜盘2、缸体17、配流盘21；斜盘2卡合在锥形面，并沿着锥形面滑动；缸体17通过键连接在传动轴21上；在缸体17内设有贯穿缸体的柱塞孔，每个柱塞孔内均设有与柱塞孔滑动密封的柱塞，柱塞的头部设有滑靴4，所述滑履23的底面与斜盘2的楔面紧贴，并沿着斜盘2的斜面滑动；缸体17的后方紧贴配流盘；配流盘16紧贴后端盖14设置，后端盖14内的上油路13、下油路15分别联通到配流盘16的两个配流窗口；壳体1上还有两个支撑孔，孔端嵌有密封盖28，防止润滑油外漏，孔内嵌有轴瓦29，轴瓦29内支撑着液压能转化系统的斜盘2的两个支撑轴。

斜盘液压能调节组件包括控制缸8、活塞杆4、连杆3；控制缸8设置在缸体17的一侧；连杆3的一端与活塞杆4铰接，另一端与斜盘2铰接；活塞杆4在控制缸8内伸缩使斜盘2倾斜角度变化。

电能组件包括定子铁芯9，转子10；定子绕组5；绕组连接孔30；引线端子U1；引线端子U2；引线端子U3；定子铁芯9为三个，其中两个固定在壳体1的内壁上、第三个固定在控制缸8外壁上，三个定子铁芯等间距设置；定子铁芯9外周绕有定子绕组11，三个定子绕组5串联，绕组之间接出引线端子U1、U2、U3，引线端子U1、U2、U3通过绕组连接孔30引出；转子10为两个，对称固定在缸体17外壁；转子10为永磁铁，两转子的极向颠倒相反设置。

机械能组件、斜盘液压能组件、电能组件分别产生的机械能、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；斜盘液压能调节组件改变斜盘液压能组件排量。斜盘2的上表面与机械能转化系统的传动轴27的垂直面之间的夹角为斜盘2的偏离角，斜盘2的上表面与传动轴27垂直时偏离角为零。偏离角大小与柱塞孔到缸体17回转轴线之间的距离决定了柱塞20行程的大小，从而决定了本发明的排量。假定斜盘2上表面向左倾斜时偏离角为正，则向右倾斜时偏离角为负，反之亦反之。偏离角正负决定了上油路13、下油路15内液压油的进出流向。偏离角绝对值越大，本发明的排量越大，偏离角为零时本发明的排量为零。调整偏离角大小和方向时，通过控制缸8内的活塞7左右移动，带动活塞杆4左右移动，再通过铰链3带动斜盘2绕其两个支撑轴转动，从而调整偏离角大小和方向。

本发明机械能转化为电能或是液压能通过传动轴转动，与电能组件耦合或是与斜盘液压能组件耦合完成机械能与电能、液压能的单独转化或是同时转化，逆向亦可行；电能组件通过带动传动轴旋转与斜盘液压能组件耦合完成电能向液压能的转化，逆向亦可行；同时传动轴伸出法兰盘的部分可以完成机械能的转化，逆向可行；在液压能的转化过程中增加了斜盘液压能调节组件用以改变斜盘液压能组件排量，调节液压能的大小，使用更加灵活可靠。

具体的转化过程分为机械能与液压能、液压能与电能、电能与机械能的转化：

机械能与液压能相互转化过程如下：

本发明将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27转动，再通过花键驱动缸体17、柱塞20、滑履23等同步转动，在斜盘2上表面的推力和膜片弹簧21的弹力作用下柱塞20往复运动，当柱塞20向左运动时，低压油不断由上油路13(或下油路15)进入，经过配流盘16上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞20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16上的配流窗口、下油路15(或上油路13)对外输出，实现机械能向液压能的转化。

逆向的将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13(或下油路15)进入，经过配流盘16上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞20左移，由于斜盘2偏离角调整好后即固定不动，受斜盘2上表面的推力作用，柱塞20与滑履23便带动缸体17转动，柱塞20转过一定角度后向右移动，泵腔内的液压油经过配流盘16上相应的配流窗口，低压油不断由下油路15(或上油路13)流出。缸体17转动，再通过花键驱动传动轴27同步转动对外输出机械能，实现液压能向机械能的转化。

电能与液压能相互转化过程如下：

本发明将电能转化为液压能时，与电动机-液压泵组合系统的功能相同，此时引线端子U1、U2、U3外接三相交流电压，定子绕组5和定子铁芯9产生旋转的电磁场，带动转子10同步转动，进而带动缸体17、柱塞20、滑履23等同步转动，在斜盘2上表面的推力和膜片弹簧21的弹力作用下，柱塞20随缸体17周向转动的同时作轴向往复运动，当柱塞20向左运动时，低压油不断由上油路13(或下油路15)进入，经过配流盘16上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞20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16上的配流窗口、下油路15(或上油路13)对外输出，实现电能向液压能的转化。

逆向的将液压能转化为电能时，与液压马达-发电机组合系统的功能相同，此时高压油不断由上油路13(或下油路15)进入，经过配流盘16上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞20左移，由于斜盘2偏离角调整好后即固定不动，受斜盘2上表面的推力作用，柱塞20与滑履23便带动缸体17和转子10转动，柱塞20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16上相应的配流窗口，低压油不断由下油路15(或上油路13)流出。转子10的转动产生旋转的电磁场，定子绕组5和定子铁芯9内的磁场强度变化，定子绕组5产生同步感生电压并通过引线端子U1、U2、U3外接输出，实现液压能向电能的转化。

电能与机械能相互转化过程如下：

本发明将电能转化为机械能时即为电动机，此时引线端子U1、U2、U3外接三相交流电压，定子绕组5和定子铁芯9产生旋转的电磁场，进而带动转子10和缸体17转动，再通过花键驱动传动轴27同步转动对外输出机械能，实现电能向机械能的转化。

逆向的将机械能转化为电能时即为发电机，外部动力驱动传动轴27转动，再通过花键驱动缸体17和转子10同步转动，转子10的转动产生旋转电磁场，定子绕组5和定子铁芯9内的磁场强度变化，定子绕组5产生同步感生电压并通过引线端子U1、U2、U3外接输出，实现机械能向电能的转化。

在本发明中还可以实现两种形式的能同时转化为另外一种形式的能，现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27的转矩增加，将机械能和电能叠加同时输出为液压能。

其他形式转化与上述相同,在此不做赘述。

为了保证滑履23与斜盘2紧密贴合，滑履23的上部压有回程盘22，回程盘22与球面弹簧座24通过球面副接触，球面弹簧座24右部止口内装有膜片弹簧21，膜片弹簧21右边是缸体17，膜片弹簧21被球面弹簧座24和缸体17压缩并产生弹力，所述球面弹簧座24通过键连接固定在传动轴上。

此结构可以通过膜片弹簧21的弹力作用将滑履23紧密的压合在斜盘2上，进而避免柱塞与柱塞孔配合不够严密，而漏油的情况。

为了提高柱塞20运行的稳定与准确性，柱塞孔的前半部内嵌有缸套19，柱塞孔与缸套19过盈配合，缸套19内径小于等于柱塞孔后半部内径；缸套19与柱塞20为小间隙配合。

所述的键连接为花键连接。理论上来说任意的键连接形式都可行，但是花键的力矩传递均匀，多个花键共同作用，使用寿命长。

缸体17上至少设置的6个柱塞孔。

本发明装置尤其适用于混合动力汽车中使用，实现多种需要，适应性更好。

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)

1.一种变量式交流同步机电液耦合器，包括壳体(1)，所述壳体(1)前端设置与壳体一体的前端盖，前端盖上设置通孔，后方通过螺栓连接有后端盖(14)；其特征在于，所述壳体(1)内部设置机械能组件、斜盘液压能组件、斜盘液压能调节组件、电能组件；

所述机械能组件包括由前后轴承支撑的传动轴(27)，传动轴(27)的前端由前端盖通孔伸出，传动轴伸出部分设置键槽；传动轴上设置有导向锥形面；

所述斜盘液压能组件包括：斜盘(2)、缸体(17)、配流盘(21)；所述斜盘(2)卡合在锥形面，并沿着锥形面滑动；所述缸体(17)通过键连接在传动轴(27)上；

在缸体(17)内设有贯穿缸体的柱塞孔，每个柱塞孔内均设有与柱塞孔滑动密封的柱塞，所述柱塞的头部设有滑靴(4)，所述滑履(23)的底面与斜盘(2)的楔面紧贴，并沿着斜盘(2)的斜面滑动；所述缸体(17)的后方紧贴配流盘；

所述配流盘(16)紧贴后端盖(14)设置，后端盖(14)内的上油路(13)、下油路(15)分别联通到配流盘(16)的两个配流窗口；

所述斜盘液压能调节组件包括控制缸(8)、活塞杆(4)、连杆(3)；所述控制缸(8)设置在缸体(17)的一侧；所述连杆(3)的一端与活塞杆(4)铰接，另一端与斜盘(2)铰接；所述活塞杆(4)在控制缸(8)内伸缩使斜盘(2)倾斜角度变化；

所述电能组件包括定子铁芯(9)，转子(10)；定子绕组(5)；绕组连接孔(30)；引线端子U1；引线端子U2；引线端子U3；

定子铁芯(9)为三个，其中两个固定在壳体(1)的内壁上、第三个固定在控制缸(8)外壁上，三个定子铁芯(9)等间距设置；定子铁芯(9)外周绕有定子绕组11，三个定子绕组(5)串联，绕组之间接出引线端子U1、U2、U3，引线端子U1、U2、U3通过绕组连接孔(30)引出；转子(10)为两个，对称固定在缸体(17)外壁；转子(10)为永磁铁，两转子的极向颠倒相反设置；

机械能组件、斜盘液压能组件、电能组件分别产生的机械能、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；斜盘液压能调节组件改变斜盘液压能组件排量。

2.根据权利要求1所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述滑履(23)的上部压有回程盘(22)，回程盘(22)与球面弹簧座(24)通过球面副接触，球面弹簧座(24)右部止口内装有膜片弹簧(21)，膜片弹簧(21)右边是缸体(17)，膜片弹簧(21)被球面弹簧座(24)和缸体(17)压缩并产生弹力，所述球面弹簧座(24)通过键连接固定在传动轴上。

3.根据权利要求2所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述柱塞孔的前半部内嵌有缸套(19)，柱塞孔与缸套(19)过盈配合，缸套(19)内径小于等于柱塞孔后半部内径；缸套(19)与柱塞(20)为小间隙配合。

4.根据权利要求3所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述的键连接为花键连接。

5.根据权利要求4所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述的缸体(17)上至少设置的6个柱塞孔。

6.根据权利要求5所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述的传动轴与前后轴承的内圈过渡或过盈配合。

7.根据权利要求6所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述的定子铁芯(9)采用与缸体(17)同轴的极靴。

8.根据权利要求7所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：所述的壳体(1)上设置有卸油口(18)。

9.根据权利要求8所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：前轴承(25)是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

10.根据权利要求9所述的变量式交流同步机电液耦合器，其特征在于：后轴承(35)是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。