CN111649013B

CN111649013B - 一种基于直线电机的主动式液压储能装置

Info

Publication number: CN111649013B
Application number: CN202010547262.5A
Authority: CN
Inventors: 肖广鑫; 贺湘宇; 蒋瑛; 贺尚红; 谭丽莎
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2040-06-16
Also published as: CN111649013A

Abstract

本发明提供一种基于直线电机的主动式液压储能装置，该储能装置包括有控制器、液压储能单元、电储能单元和气体储能单元，利用电储能单元中直线电机的工作原理，将液压储能单元、电储能单元和气体储能单元三者联合起来进行能量储存，同时利用控制器根据主油路工作情况对相应的阀进行控制，有效的回收外界装置产生多余的能量和实现能源的再利用，不仅提高了常规液压蓄能器的能量密度，而且克服了常规液压蓄能器油液在释放时油液压力不可控制等问题。

Description

一种基于直线电机的主动式液压储能装置

技术领域

本发明涉及液压系统节能控制技术领域，具体的说，涉及一种基于直线电机的主动式液压储能装置。

背景技术

液压储能装置是一种广泛应用于工程机械、车辆、海洋能利用、重型机床等领域的液压元件。其中，液气蓄能器是应用最广泛的液压储能装置。但是，液气蓄能器适用于平稳工况条件，但面对复杂工况条件，液气蓄能器仍存在如下技术问题：1）被动式工作机制，工况适应性差；2）工作压力波动大，系统稳定性低；3）压缩气体储能导致比能量低，能量回收效率低。

因此，为了解决上述问题，国内外均开展了相关的研究工作。

专利号CN201910275132.8，名称为一种主动式液压储能装置的公开发明专利，提出利用能量转换模块实现液压缸模块中的液压能与气压缸模块中的气体压缩能、电储能模块中的电能的相互转换。该方案专门针对工程装备液压能量再生的应用，能够有效改善现有液压蓄能器能量密度低、被动式工作等缺点。但是由于能量转换过程相对单一，各能量模块之间不能进行能量交换，导致能量的储存处于不可控制状态，因此其能量密度低，能量回收效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直线电机的主动式液压储能装置，一种基于直线电机的主动式液压储能装置，包括：控制器、活塞杆、液压储能单元、电储能单元和气体储能单元；其中液压储能单元包括换向阀、二位三通换向阀a、液压缸、二位三通换向阀b、单向阀a、单向阀b和液压缸活塞；电储能单元包括直线电机定子、直线轴承、永磁铁、线圈、蓄电池和电机控制器；气体储能单元包括气囊a、换向阀a、气缸、气缸活塞、换向阀b和气囊b；所述换向阀和二位三通换向阀a分别和液压缸相连接，二位三通换向阀a与油箱相连接，液压缸的无杆腔底部设有一个进/出油口与二位三通换向阀b相连接，所述二位三通换向阀b分别与单向阀a和单向阀b相连接，并最终连接至油箱；液压缸内的液压缸活塞安装在活塞杆一端上，活塞杆中部位置安装有永磁铁，活塞杆通过直线电机定子，同时通过安装在直线电机定子内部两端的两个直线轴承，其中直线电机定子上均匀分布有线圈，所述线圈电机控制器、蓄电池依次连接；所述活塞杆的另一端安装有气缸活塞，气缸的底部两侧设置有两个气口，其中一个气口与换向阀a、气囊a依次相连，另一个气口与换向阀b、气囊b依次相连。

控制器分别与换向阀、二位三通换向阀a、二位三通换向阀b、换向阀a、换向阀b、电机控制器和三位四通换向阀连接；利用活塞缸可实现液压储能单元中液压能、电储能单元中电能和气体储能单元中的气体压缩能之间的相互转化；当控制器向换向阀a、换向阀b发出控制信号，气缸与气囊a、气囊b相通，可实现对气缸的预压力调整。

其中换向阀、二位三通换向阀a、两位三通换向阀b、换向阀a、换向阀b中“常态位”为远离控制端的位置，“控制位”为靠近控制端的位置，三位四通换向阀的中位为“常态位”，左位和右位为“控制位”，“常态位”是指控制器没有发出控制信号的位置，“控制位”是指控制器发出控制信号的位置。

采用上述技术方案的一种直线电机可控型储能装置，与现有技术相比，该技术的有益效果在于：各能量模块之间可以进行能量交换，使得能量的储存处于可控制状态，因此，直线电机可控型储能装置的能量密度高，能量回收效率高。

附图说明

结合说明书里的并形成说明书一部分的附图显示了本发明的若干方面，并且附图与下面的描述一起来阐述本发明的工作原理。在附图中：

图1是一种直线电机可控型储能装置与应用对象升降液压缸工作原理图。

图2 是能量转换模式列表。

图3是应用对象叉车结构图。

在上述附图中：1、控制器，2、活塞杆，10、液压储能单元，11、换向阀，12、二位三通换向阀a，13、液压缸，14、二位三通换向阀b，15、单向阀a，16、单向阀b，17、液压缸活塞，20、电储能单元，21、直线电机定子，22、直线轴承，23、永磁铁，24、线圈，25、蓄电池，26、电机控制器，30、气储能单元，31、气囊a，32、换向阀a，33、气缸，34、气缸活塞，35、换向阀b，36、气囊b、40、主油路单元，41、升降液压缸a，42、升降液压缸b，43三位四通换向阀，44、溢流阀，45、发动机，46、变量泵，47、单向阀，48、油箱。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做一个详细的说明。

本发明提供一种直线电机可控型储能装置，其特征在于：包括有控制器1、活塞杆2、液压储能单元10、电储能单元20和气体储能单元30。

所述液压储能单元10包括换向阀11、二位三通换向阀a12、液压缸13、二位三通换向阀b14、单向阀a15、单向阀b16和液压缸活塞17。

所述电储能单元20包括直线电机定子21、直线轴承22、永磁铁23、线圈24、蓄电池25和电机控制器26。

所述气体储能单元30包括气囊a31、换向阀a32、气缸33、气缸活塞34、换向阀b35和气囊b36。

换向阀11和二位三通换向阀a12同时与液压缸13相连接，其中二位二通换向阀a12还与油箱48相连，液压缸13无杆腔底部另设有一个进/出油口和二位三通换向阀b14相连，其中二位三通换向阀b14又分别与单向阀a15和单向阀b16相连，最后都接通油箱48。

液压缸13内的液压缸活塞17安装在活塞杆2一端上，活塞杆2中部位置安装有永磁铁23，活塞杆2通过直线电机定子21，同时通过安装在直线电机定子21内部两端的两个直线轴承22，其中直线电机定子21上均匀分布有线圈24，然后与蓄电池25连接。

在活塞杆2的另一端上，将气缸活塞34安装在上面，气缸33的底部两侧设置了两个气口，其中一个气口与换向阀a32和气囊a31依次连接，另一个气口与换向阀b35和气囊b36依次连接。

控制器1分别与换向阀11、二位三通换向阀a12、二位三通换向阀b14、换向阀a31、换向阀b36和三位四通换向阀43连接，当控制器1向换向阀a32、换向阀b35发出控制信号，气缸33与气囊a31、气囊b36相通，可实现对气缸33的预压力调整，其中换向阀11、二位三通换向阀a12、两位三通换向阀b14、换向阀a32、换向阀b35中“常态位”为远离控制端的位置，“控制位”为靠近控制端的位置，三位四通换向阀43的中位为“常态位”，左位和右位为“控制位”，“常态位”是指控制器1没有发出控制信号的位置，“控制位”是指控制器1发出控制信号的位置。

液压缸13内的液压缸活塞17可在液压缸13中平滑运动，且密封性很好，无杆腔油液不会泄露到液压缸13有杆腔，同时气缸33内的气缸活塞34可在气缸33中平滑运动，且密封性很好，无杆腔内气体不会泄露到气缸33有杆腔，安装在活塞杆2中部位置的永磁铁23可在直线电机定子21内部平滑移动，且直线轴承22达到导向和封闭的效果。

利用活塞杆2可实现液压储能单元10中液压能、电储能单元20中电能和气体储能单元30中的气体压缩能之间的相互转化。

可控型主动式液压储能装置的能量转换的工作原理为：

1）能量回收

模式一，控制器1向二位三通换向阀a12、三位四通换向阀43发出控制信号，升降液压缸a41和升降液压缸b42下降，它们的无杆腔的液压油通过二位三通换向阀a12进入液压缸13的无杆腔，液压缸活塞17推动推动活塞杆2，第一路，活塞杆2依次带动直线轴承22、永磁铁23、线圈24，产生的电能经过电机控制器26储存于蓄电池25中，实现液压能到电能的转换，第二路，与活塞杆2另一端相连接的气缸活塞34同时运动，推动气缸活塞34压缩气体并储存于气缸33，实现液压能到气体压缩储能的转换。

模式二，控制器1向二位三通换向阀a12、三位四通换向阀43发出控制信号，升降液压缸a41和升降液压缸b42下降，它们的无杆腔的液压油通过二位三通换向阀a12进入液压缸13的无杆腔，液压缸活塞17推动推动活塞杆2，与活塞杆2另一端相连接的气缸活塞34同时运动，推动气缸活塞34压缩气体并储存于气缸33，实现液压能到气体压缩储能的转换，此模式下，电储能单元20不工作。

2）能量释放

模式三，控制器1向换向阀11、三位四通换向阀43发出控制信号，第一路，储存于蓄电池25中电能经过电机控制器26进入线圈24，推动永磁铁23、直线轴承22、活塞杆2、液压缸活塞17，实现电能到液压能的转换，第二路，气缸33中压缩气体推动气缸活塞34、活塞杆2、液压缸活塞17，实现气体压缩能到液压能的转换，最后，液压缸13无杆腔中液压油经过换向阀11，与液压泵46中输出液压油一起进入升降液压缸a41和升降液压缸b42的无杆腔，推动负载上升。

模式四，控制器1向换向阀11发出控制信号，气缸33中压缩气体推动气缸活塞34、活塞杆2、液压缸活塞17，实现气体压缩能到液压能的转换，最后，液压缸13无杆腔中液压油经过换向阀11，与液压泵46中输出液压油一起进入升降液压缸a41和升降液压缸b42的无杆腔，推动负载上升，此模式下，电储能单元20不工作。

3）能量交换

模式五，控制器1向两位三通换向阀b14发出控制信号，气缸33中压缩气体推动气缸活塞34、活塞杆2、直线轴承22、永磁铁23、线圈24，产生的电能经过电机控制器26储存于蓄电池25中，实现气体压缩能到电能的转换，液压缸13无杆腔中液压油经过两位三通换向阀b14、单向阀b16流入油箱48。

模式六，储存于蓄电池25中电能经过电机控制器26进入线圈24，推动永磁铁23、直线轴承22、活塞杆2，推动气缸活塞34压缩气体并储存于气缸33，实现电能到气体压缩储能的转换。

Claims

1.一种基于直线电机的主动式液压储能装置，包括：控制器（1）、活塞杆（2）、液压储能单元（10）、电储能单元（20）和气体储能单元（30）；

所述液压储能单元（10）包括换向阀（11）、二位三通换向阀a（12）、液压缸（13）、二位三通换向阀b（14）、单向阀a（15）、单向阀b（16）和液压缸活塞（17）；

所述电储能单元（20）包括直线电机定子（21）、直线轴承（22）、永磁铁（23）、线圈（24）、蓄电池（25）和电机控制器（26）；

其特征在于：

气体储能单元（30）包括气囊a（31）、换向阀a（32）、气缸（33）、气缸活塞（34）、换向阀b（35）和气囊b（36）；

所述换向阀（11）和二位三通换向阀a（12）分别和液压缸（13）相连接，二位三通换向阀a（12）与油箱（48）相连接，液压缸（13）的无杆腔底部设有一个进/出油口与二位三通换向阀b（14）相连接，所述二位三通换向阀b（14）分别与单向阀a（15）和单向阀b（16）相连接，并最终连接至油箱（48）；

液压缸（13）内的液压缸活塞（17）安装在活塞杆（2）一端上，活塞杆（2）中部位置安装有永磁铁（23），活塞杆（2）通过直线电机定子（21），同时通过安装在直线电机定子（21）内部两端的两个直线轴承（22），其中直线电机定子（21）上均匀分布有线圈（24），所述线圈（24）、电机控制器（26）、蓄电池（25）依次连接；

所述活塞杆（2）的另一端安装有气缸活塞（34），气缸（33）的底部两侧设置有两个气口，其中一个气口与换向阀a（32）、气囊a（31）依次相连，另一个气口与换向阀b（35）、气囊b（36）依次相连；

控制器（1）分别与换向阀（11）、二位三通换向阀a（12）、二位三通换向阀b（14）、换向阀a（32）、换向阀b（35）、电机控制器（26）和三位四通换向阀（43）连接；

利用活塞杆（2）可实现液压储能单元（10）中液压能、电储能单元（20）中电能和气体储能单元（30）中的气体压缩能之间的相互转化；

一种基于直线电机的主动式液压储能装置的能量转换的工作原理为：

1）能量回收

模式一：控制器（1）向二位三通换向阀a（12）、三位四通换向阀（43）发出控制信号，升降液压缸a（41）和升降液压缸b（42）下降，它们的无杆腔的液压油通过二位三通换向阀a（12）进入液压缸（13）的无杆腔，液压缸活塞（17）推动活塞杆（2），第一路：活塞杆（2）依次通过直线轴承（22）、永磁铁（23）、线圈（24），产生的电能经过电机控制器（26）储存于蓄电池（25）中，实现液压能到电能的转换；第二路：与活塞杆（2）另一端相连接的气缸活塞（34）同时运动，推动气缸活塞（34）压缩气体并储存于气缸（33），实现液压能到气体压缩能的转换；

模式二：控制器（1）向二位三通换向阀a（12）、三位四通换向阀（43）发出控制信号，升降液压缸a（41）和升降液压缸b（42）下降，它们的无杆腔的液压油通过二位三通换向阀a（12）进入液压缸（13）的无杆腔，液压缸活塞（17）推动活塞杆（2），与活塞杆（2）另一端相连接的气缸活塞（34）同时运动，推动气缸活塞（34）压缩气体并储存于气缸（33），实现液压能到气体压缩能的转换，此模式下，电储能单元（20）不工作；

2）能量释放

模式三：控制器（1）向换向阀（11）、三位四通换向阀（43）发出控制信号，第一路：储存于蓄电池（25）中电能经过电机控制器（26）进入线圈（24），推动永磁铁（23）、直线轴承（22）、活塞杆（2）、液压缸活塞（17），实现电能到液压能的转换；第二路：气缸（33）中压缩气体推动气缸活塞（34）、活塞杆（2）、液压缸活塞（17），实现气体压缩能到液压能的转换，最后，液压缸（13）无杆腔中液压油经过换向阀（11），与液压泵（46）中输出液压油一起进入升降液压缸a（41）和升降液压缸b（42）的无杆腔，推动负载上升；

模式四：控制器（1）向换向阀（11）发出控制信号，气缸（33）中压缩气体推动气缸活塞（34）、活塞杆（2）、液压缸活塞（17），实现气体压缩能到液压能的转换，最后，液压缸（13）无杆腔中液压油经过换向阀（11），与液压泵（46）中输出液压油一起进入升降液压缸a（41）和升降液压缸b（42）的无杆腔，推动负载上升，此模式下，电储能单元（20）不工作；

3）能量交换

模式五：控制器（1）向二位三通换向阀b（14）发出控制信号，气缸（33）中压缩气体推动气缸活塞（34）、活塞杆（2）、直线轴承（22）、永磁铁（23）、线圈（24），产生的电能经过电机控制器（26）储存于蓄电池（25）中，实现气体压缩能到电能的转换，液压缸（13）无杆腔中液压油经过二位三通换向阀b（14）、单向阀b（16）流入油箱（48）；

模式六：储存于蓄电池（25）中电能经过电机控制器（26）进入线圈（24），推动永磁铁（23）、直线轴承（22）、活塞杆（2），推动气缸活塞（34）压缩气体并储存于气缸（33），实现电能到气体压缩能的转换。

2.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的主动式液压储能装置，其特征在于：当控制器（1）向换向阀a（32）、换向阀b（35）发出控制信号，气缸（33）与气囊a（31）、气囊b（36）相通，可实现对气缸（33）的预压力调整。

3.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的主动式液压储能装置，其特征在于：换向阀（11）、二位三通换向阀a（12）、二位三通换向阀b（14）、换向阀a（32）、换向阀b（35）中“常态位”为远离控制端的位置，“控制位”为靠近控制端的位置，三位四通换向阀（43）的中位为“常态位”，左位和右位为“控制位”，“常态位”是指控制器（1）没有发出控制信号的位置，“控制位”是指控制器（1）发出控制信号的位置。