CN110878742B - 一种基于压力能的动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压力能的动力系统，包括压力源机构和动力输出机构，压力源机构包括至少两个电磁活塞组件，电磁活塞组件包括活塞缸和活塞，活塞缸上电磁线圈组，活塞为磁敏材料，且位于活塞缸的内部，活塞缸为非磁敏材料和非导电材料，且活塞缸内储存有气体或液体，动力输出机构包括压力储罐和至少一个动力组件，活塞缸的出口连通压力储罐的进口，动力组件包括双向控制阀和液压马达，压力储罐的出口通过双向控制阀连通液压马达的进油端，液压马达的出油端连通活塞缸的进口。本发明避免了电能直接驱动电机工作的所带来的能够损耗严重的问题，大大的提高了电机的输出效率，进而在使用相同电能的条件下提高了输出效率，提高了电能的有效使用。

Description

一种基于压力能的动力系统
技术领域
本发明涉及电机输出技术领域，具体涉及一种基于压力能的动力系统。
背景技术
电能的有效使用一直以来都是人们追求的目标，特别是纯电动汽车的出现，如何提高电能的有效使用率，提高续航里程，更是成为了重点研发对象，由于移动蓄电池的电量有限，目前普遍设计使用的纯电动汽车的动力系统都是通过电能驱动电机，然后使用电机直接或通过变速机构驱动汽车，这种驱动设计存在以下问题：在电机将电能转换为机械能时，内部能量损耗比较大，导致机械能转换效率低下，极大的浪费了输入的电能，使得电动汽车的里程非常有限。
发明内容
为了解决现有电动汽车采用电能直接驱动电机所带来的能量转换效率低下的问题，本发明的目的在于提供一种能量转换效率高的基于压力能的动力系统。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于压力能的动力系统，包括压力源机构和动力输出机构，其中，所述压力源机构用于将电能转换为压力能，并作为所述动力输出机构的动力源；
所述压力源机构包括至少两个电磁活塞组件，其中，每个电磁活塞组件包括活塞缸和活塞，且所述活塞缸上设有通电的电磁线圈组；
所述活塞为磁敏材料，且位于所述活塞缸的内部；
所述活塞缸为非磁敏材料和非导电材料，且所述活塞缸内储存有气体或液体；
所述动力输出机构包括压力储罐和至少一个动力组件，其中，所述压力储罐的进口分别连通两个活塞缸的出口；
每个动力组件包括双向控制阀和液压马达，其中，所述压力储罐的出口通过所述双向控制阀连通所述液压马达的进油端，所述液压马达的出油端分别连通两个活塞缸的进口；
针对每个电磁活塞组件，所述活塞在所述电磁线圈组的作用下，在活塞缸中做往复运动，将活塞缸内部的气体或液体挤压至所述压力储罐中，使电能转换为压力能。
优化的，针对每个活塞缸，其内部设有两个活塞室，其中，气体或液体储存在两个活塞室内；
所述活塞通过所述电磁线圈组，在两个活塞室之间做往复运动；
两个活塞室的出口连通所述压力储罐的进油端，所述液压马达的出油端分别连通两个活塞室的进口。
优化的，所述电磁线圈组包括两个电磁线圈，两个电磁线圈的位置分别与两个活塞室一一对应，且每个电磁线圈将对应侧的活塞缸包裹。
优化的，针对每个活塞缸，其内部两个活塞室的出口分别通过两根第一管道连通所述压力储罐的进口，且每根第一管道上均设有第一单向阀；
针对每个活塞缸，其内部两个活塞室的进口分别通过两根第二管道连通所述液压马达的出油端，且每根第二管道上均设有第二单向阀。
优化的，所述液压马达的出油端连通有过滤器，所述过滤器通过所述回油罐连通所有第二管道的进口。
优化的，所述压力储罐中设有检测气压或液压的压力检测机构。
优化的，所述活塞由电磁铁或永磁铁制成。
优化的，所述活塞缸为玻璃材质或陶瓷材质。
优化的，所述活塞缸内储存的液体为液压油。
本发明的有益效果为：
(1)本发明为一种基于压力能的动力系统，本发明将电能转换为压力能，通过压力能驱动液压马达工作，进而通过液压马达驱动负载，实现电能转换与拖动负载分离的功能，具体原理如下：
通电的电磁线圈组产生电磁力，而活塞为磁敏材料，再通过改变电磁线圈组上通过的电流，使活塞在活塞缸中实现往复运动，而活塞缸中储存有气体或液体，活塞在进行往复运行时，会将内部的气体或液体压出活塞缸，并使气体或液体进入压力储罐，使压力储罐内部压强增大，进而将电能转换为压力能，而液压马达的进油端连通压力储罐的出口，当压力储罐中的压力达到预设值时，即可作为液压马达的动力来源，驱动液压马达工作，进而利用液压马达驱动外部负载，达到使用液压能驱动负载的功能。
通过上述设计，本发明将电能转化为压力能后，在使用压力能驱动负载工作，实现了电能转换与驱动分离的功能，避免了电能直接驱动电机工作的所带来的能够损耗严重的问题，大大的提高了电机的输出效率，进而在使用相同电能的条件下提高了输出效率，提高了电能的有效使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于压力能的动力系统的结构示意图。
图2是本发明提供的活塞进入活塞缸中其中一个活塞室中的工作状态图。
图3是本发明提供的活塞进入活塞缸中其另一个活塞室中的工作状态图。
图4是本发明提供的具有两个动力输出机构时的动力装置的结构示意图。
附图标记，1-电磁活塞组件；2-活塞缸；3-活塞；4-电磁线圈组；5-压力储罐；6-动力组件；7-双向控制阀；8-液压马达；9-活塞室；10-第一管道；11-第一单向阀；12-第二管道；13-第二单向阀；14-过滤器；15-回油罐。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
此外，特定特征、结构、功能或特性可以以任何适合的方式组合到一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以结合第二实施例，只要与这两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不互相排斥。
实施例一
如图1～4所示，本实施例所提供的基于压力能的动力系统，包括压力源机构和动力输出机构，其中，所述压力源机构用于将电能转换为压力能，并作为所述动力输出机构的动力源。
所述压力源机构包括至少两个电磁活塞组件1，其中，每个电磁活塞组件1包括活塞缸2和活塞3，且所述活塞缸2上设有通电的电磁线圈组4。
所述活塞3为磁敏材料，且位于所述活塞缸2的内部。
所述活塞缸2为非磁敏材料和非导电材料，且所述活塞缸2内储存有气体或液体。
所述动力输出机构包括压力储罐5和至少一个动力组件6，其中，所述压力储罐5的进口分别连通两个活塞缸2的出口。
每个动力组件6包括双向控制阀7和液压马达8，其中，所述压力储罐5的出口通过所述双向控制阀7连通所述液压马达8的进油端，所述液压马达8的出油端分别连通两个活塞缸2的进口。
针对每个电磁活塞组件1，所述活塞3在所述电磁线圈组4的作用下，在活塞缸2中做往复运动，将活塞缸2内部的气体或液体挤压至所述压力储罐5中，使电能转换为压力能。
如图1～3所示，下面对基于压力能的动力系统进行具体结构的描述：
首先，在本实施例中，电磁活塞组件1是将电能转换为压力能，并作为动力输出机构的动力源，且电磁活塞组件只负责将电能转换为压力能进行储存，并保持稳定的压力，为动力输出机构提供充足的动力。
而在本实施例中，采用至少两个电磁活塞组件1的原因为：由于电与磁转换过程中无法避免的磁阻现象，必须使用二个电磁活塞组件1组成基础双缸交替工作模态，以避免磁阻现象的影响则可以保证整个动力系统连续的工作。
而动力输出机构则使用压力能驱动液压马达8工作，进而驱动外部负载，即电能不直接驱动电机，具体的实现原理如下：
在本实施例中，在每个活塞缸2的内部储存有气体或液体，且在每个活塞缸2上设置有电磁线圈组4，同时为了实现采用电磁线圈组4推动其对应的活塞缸2中的活塞3运动，本实施例将活塞3设置为磁敏材料，即通电后，电磁线圈组4会产生电磁力，进而实现活塞3的运动，另外，为了保证活塞3在活塞缸2中做往复运动，本实施例会改变电磁线圈组4上的电流，通过改变电流实现磁性导体的往复运动，为现有技术，在此不多加赘述。
当每个活塞3在对应的活塞缸2中做往复运动时，其内部的气体或液体会被挤压出活塞缸2，从而进入到压力储罐5中，使压力储罐5内的压强增大，实现电能与压力能的转换。
当压力储罐5中的压力达到预设范围时(可根据实际使用而定)，会直接接通压力储罐5出口与液压马达8进油端之间的连通，进而利用压力储罐5中的压力，作为液压马达8的动力源，实现液压马达8的工作，而液压马达8则是作为动力输出机构的输出端，带动外部负载做工(如电动汽车)，最后进入液压马达8内的液体或气体又会从出油端回流至活塞缸2，实现压力源源不断的补充，保证液压马达8的持续工作。
在本实例中，双向控制阀7则是用于控制液压马达8的转速以及方向。
通过上述设计，本发明将电能转化为压力能后，在使用压力能驱动负载工作，实现了电能转换与驱动分离的功能，避免了使用电能直接驱动电机工作的所带来的能量损耗严重的问题，大大的提高了电机的输出效率，进而在使用相同电能的条件下提高了输出效率。
下面对为何使用电能不直接驱动电机，可减少能量损耗，提高输出效率做出具体的阐述：
在《内蒙古科技与经济》杂志的2019年第8期中的《重新定义电机及其设计方法》论文中，提出了实际实现率和不确定使用占比两个新的概念，以及电量设计法，具体如下：
电量设计法：以单位时间提供或消耗电能的量Wdt作为电机设计、计算、控制依据的方法。
首先，单位时间提供或消耗电能的量Wdt，叫电量，即“电量”二字本身就隐含了单位时间电能的使用量这一概念于其中，正因为有了这一“量”，才得以进行设计与计算出其对应的功率的其它参数；性能与指标。
其表达方式是：
Wd-dt＝Wj-dt＝Wg-dt＝Wc-dt…＝Wo-dt(理想关系式)
其中：Wd-dt是单位时间dt使用消耗(或提供)的电量；
Wj-dt是单位时间dt电能转换为的机械能的量；
Wc-dt是单位时间dt电能转换为的磁能的量；
Wo-dt是单位时间dt电能转换为其它形式能的量；
至于电量在转换过程中的损失量可用Ws-dt表示(其为各损失影响因素的组成之和)、则实际使用中的关系式是：
Wd-dt＝Wj-dt+Ws-dt
Wd-dt＝Wc-dt+Ws-dt
Wd-dt＝Wo-dt+Ws-dt
这就是目前乃至未来所看到的任何电机结构形式的真实能量转换关系式。
实际实现率为：
电机(系统)单位时间实际付出电能的量与实际完成转换能的量之比X。
即：
X＝Wj-dt/Wd-dt
实际实现率与我们通常所说的电机效率是由重大区别的。电机效率是指电机的有效输入功率与有效输出功率之比，即电机系统的设计计算效率可能很高，但完成实际的实现率X不一定很高。
而不确定使用占比为：
系统在使用过程中；不在设计范围内工作的时间与标准设计工作时间之比。
上述论文总结出：电量设计法的核心为:
用电量设计思想来解决电机结构实现电量控制需求，其对电机的具体设计如下：
是将电机应用作为一个动力拖动系统来考虑的，而非传统意义上的通用型设计，其追求以使用系统整体实际实现率X的最大化，而非单一的转换效率的问题、它更能满足未来个性化使用设计的需求。用多种能的量转换形式的选择对比，来达成最佳实际实现率X值。
具体来说：
第一步：确定实际工况系统的电量需求曲线；从而得出最小与最大电量需求范围Px～Pd。
第二步：从第一步就可知，现有的所有类型电机没有一种的电机结构能满足“电量需求曲线”；它们只能从拖动控制上解决(变频技术)。这也是电量设计法最核心的东西。
第三步：电机系统的控制，必然是按“电量需求曲线”是思路，来控制电量的输出，从而不会出现“变频技术”所带来额外能耗问题。控制电量输出的电路更简单；更廉价，更具市场竞争等“变频技术”无法相比的优势。
综上，从上述论文中可知道：解决纯电动移动动拖动系统，即驱动系统在不可预见使用条件下，不确定因素的出现；不会对拖动系统产生影响或严重影响的最有效方法；就是电能不能直接用于拖动，而只能间接使用，即是本实施例所实现的电能转换与驱动分离的功能。
所以本发明将电能转换为压力能，通过压力能驱动液压马达8工作，利用液压马达8驱动或拖动外部负载，即实现了电能间接驱动液压马达8工作，减少了能量损耗，提高了输出效率，在使用相同电量情况下，能够提高转换效率，进而提高电能的有效使用。
实施例二
如图1～4所示，本实施例为实施例一中基于压力能的动力系统的一种具体实施方式。
首先，阐述活塞缸2的具体结构：
针对每个活塞缸2，其内部设有两个活塞室9，其中，气体或液体储存在两个活塞室9内。
所述活塞3通过所述电磁线圈组4，在两个活塞室9之间做往复运动。
两个活塞室9的出口连通所述压力储罐5的进油端，所述液压马达8的出油端分别连通两个活塞室9的进口。
如图1、图2、图3所示，下面介绍其中一个电磁活塞组件1的工作过程，也就是一个活塞3的工作工程：
在本实施例中，在活塞缸2内设置两个活塞室9，即如图2和图3所示。
活塞缸2内的气体或液体则储存在两个活塞室9中，活塞3在电磁线圈组4的作用下，则在两个活塞室9中做往复运动，具体如下：
如图2和图3所示，当活塞3往右边的活塞室9中移动时，则会将处于右边的活塞室9中的气体或液体挤压至压力储罐5中，同理，当活塞3处于位于左边的活塞室9中时，则在会将处于左边的活塞室9中的气体或液体挤压至压力储罐5中，实现电能与压力能的转换。
如图2和图3所示，下面对电磁线圈组4的结构进行具体的阐述：
所述电磁线圈组4包括两个电磁线圈，两个电磁线圈的位置分别与两个活塞室9一一对应，且每个电磁线圈将对应侧的活塞缸2包裹。
在本实施例中，每个电磁线圈组4包括两个电磁线圈，即一个活塞缸2对应一个电磁线圈组4，而一个活塞缸2中的一个活塞室9则对应一个电磁线圈，即图2和图3中，C1代表处于左边的活塞室9对应的电磁线圈，C2代表处于右边的活塞室9所对应的电磁线圈。
当需要活塞3往左运动时，即只接通左边活塞室9对应的电磁线圈与电源的电连接；同理，当需要活塞3往右运动时，即只接通处于右边的活塞室9对应的电磁线圈与电源的电连接。
通过上述设计，即可实现活塞3在两个活塞室9之间做往复运动。
同时，为了保证活塞室9中气体或液体的流动，本实施例做出了以下设置：
针对每个活塞缸2，其内部两个活塞室9的出口分别通过两根第一管道10连通所述压力储罐5的进口，且每根第一管道10上均设有第一单向阀11。
针对每个活塞缸2，其内部两个活塞室9的进口分别通过两根第二管道12连通所述液压马达8的出油端，且每根第二管道12上均设有第二单向阀13。
如图1所示，在本实施例中，阐述一个活塞缸2中液体或气体的流动，另外一个活塞缸2中气体或液体的流动原理相同，不多加阐述：
首先，活塞缸2中的活塞室9的出口分别通过两根第一管道10连通压力储罐5的进口，即无论活塞3是在哪个活塞室9中，挤压出的液体或气体均从第一管道10中进入压力储罐5中，而经过液压马达8后，气体或液体则会通过第二管道12回流至两个活塞室9中，保证两个活塞室9中的气体或液体保持不间断，进而实现压力能不断的补充，实现液压马达8的持续工作。
在本实施例，在第一管道10上设置第一单向阀11，在第二管道12上设置第二单向阀13，均是为了防止气体或液体倒流。
同时在本实施例中，还设置有过滤器14，具体如下：
所述液压马达8的出油端连通有过滤器14，所述过滤器14通过所述回油罐15连通所有第二管道12的进口。
通过设置过滤器14，可实现回流的液体和气体中杂质的过滤，减小回流至活塞室9中的气体或液体与活塞3的摩擦。
在本实施例中，当活塞室9中存储为气体时，则使用气体过滤器，当存储为液体时，则为液体过滤器。
在本实施例中，所述活塞缸2内储存的液体为液压油。而气体举例为空气。
在本实施例中，为了实时监测压力储罐5中的压力，本实施例作出以下具体设置：
所述压力储罐5中设有检测气压或液压的压力检测机构。
通过上述设计，可实现压力储罐5中压力的实时监测，在达到预设要求时，即可将压力储罐5内的气体或液体输送至液压马达8中。
在本实施例中，压力检测机构可使用压力传感器等现有电子器件实现，同时还可在压力储罐5的出口出设置电磁阀，进而在压力储罐5内的压力达到预设压力时，实现其内部气体或液体的自动输出。
在本实施例中，所述活塞3由电磁铁或永磁铁制成，进而可与电磁线圈组4配合，实现活塞3的往复运动。
在本实施例中，为了保证活塞3对活塞室9中气体或液体的挤出效果，可增大活塞3的体积。
在本实施例中，所述活塞缸2为玻璃材质或陶瓷材质。通过采用玻璃材质或陶瓷材质等非磁敏材料和非导电材料，可避免在电磁线圈组4通电时，活塞缸2产生涡流，影响活塞3的正常工作。
同理，另一个电磁活塞组件1也是采用相同的工作原理，且两个电磁活塞组件1的工作过程为：交替工作，即其中一个工作时，另外一个电磁活塞组件1工作。
以上就为基于压力能的动力系统的一个具体实施方式。
实施例三
如图4所示，本实施例为当动力组件6为四个时，基于压力能的动力系统的具体结构：
如图4所示，当动力组件6为四个时，其工作过程、产生的技术效果与实施例一或实施例二相同，于此不多加赘述。
另外，在本实施例需要注意的是，多个液压马达完成多目标的驱动，但所有的液压马达之和的最大流量应小于两个电磁活塞组件1所能提供的最大流量。否则只能以增加电磁活塞组件1组成的数量或改变系统电磁活塞组件1的结构尺寸来满足驱动需求。
综上所述，采用本发明提供的基于压力能的动力系统，具有如下技术效果：
(1)本发明将电能转化为压力能后，在使用压力能驱动负载工作，实现了电能转换与驱动分离的功能，避免了电能直接驱动电机工作的所带来的能够损耗严重的问题，大大的提高了电机的输出效率，进而在使用相同电能的条件下提高了输出效率，提高了电能的有效使用。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于压力能的动力系统，其特征在于：包括压力源机构和动力输出机构，其中，所述压力源机构用于将电能转换为压力能，并作为所述动力输出机构的动力源；
所述压力源机构包括至少两个电磁活塞组件(1)，其中，每个电磁活塞组件(1)包括活塞缸(2)和活塞(3)，且所述活塞缸(2)上设有通电的电磁线圈组(4)；
所述活塞(3)为磁敏材料，且位于所述活塞缸(2)的内部；
所述活塞缸(2)为非磁敏材料和非导电材料，且所述活塞缸(2)内储存有气体或液体；
所述动力输出机构包括压力储罐(5)和至少一个动力组件(6)，其中，所述压力储罐(5)的进口分别连通两个活塞缸(2)的出口；
每个动力组件(6)包括双向控制阀(7)和液压马达(8)，其中，所述压力储罐(5)的出口通过所述双向控制阀(7)连通所述液压马达(8)的进油端，所述液压马达(8)的出油端分别连通两个活塞缸(2)的进口；
针对每个电磁活塞组件(1)，所述活塞(3)在所述电磁线圈组(4)的作用下，在活塞缸(2)中做往复运动，将活塞缸(2)内部的气体或液体挤压至所述压力储罐(5)中，使电能转换为压力能；
针对每个活塞缸(2)，其内部设有两个活塞室(9)，其中，气体或液体储存在两个活塞室(9)内；
所述活塞(3)通过所述电磁线圈组(4)，在两个活塞室(9)之间做往复运动；
两个活塞室(9)的出口连通所述压力储罐(5)的进油端，所述液压马达(8)的出油端分别连通两个活塞室(9)的进口；
所述电磁线圈组(4)包括两个电磁线圈，两个电磁线圈的位置分别与两个活塞室(9)一一对应，且每个电磁线圈将对应侧的活塞缸(2)包裹。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：针对每个活塞缸(2)，其内部两个活塞室(9)的出口分别通过两根第一管道(10)连通所述压力储罐(5)的进口，且每根第一管道(10)上均设有第一单向阀(11)；
针对每个活塞缸(2)，其内部两个活塞室(9)的进口分别通过两根第二管道(12)连通所述液压马达(8)的出油端，且每根第二管道(12)上均设有第二单向阀(13)。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：所述液压马达(8)的出油端连通有过滤器(14)，所述过滤器(14)通过回油罐(15)连通所有第二管道(12)的进口。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：所述压力储罐(5)中设有检测气压或液压的压力检测机构。
5.根据权利要求1所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：所述活塞(3)由电磁铁或永磁铁制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：所述活塞缸(2)为玻璃材质或陶瓷材质。
7.根据权利要求1所述的一种基于压力能的动力系统，其特征在于：所述活塞缸(2)内储存的液体为液压油。
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