CN114687976A - 一种大流量紧凑型电液一体机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大流量紧凑型电液一体机，包括液压组件、电机的转子组件、电机的定子组件、转筒以及壳体组件，所述液压组件包括配流滑盘副和柱塞副，所述柱塞副包括缸体以及柱塞，所述转筒与电机的转子组件连接且与所述缸体同步旋转，所述缸体容纳在所述转筒内且作用在所述缸体的轴向液压力相互平衡或抵消，所述配流滑盘副包括斜盘以及支承在斜盘上的滑盘，所述滑盘为整体盘状结构，所述滑盘与斜盘之间形成静压油膜支承。本发明的电液一体机电液高度融合，具有结构紧凑、低噪声、高效节能、高功率密度、大流量、变量多样方便、长寿命等特点。
Description
技术领域
本发明属于动力传动和控制技术领域，特别涉及一种大流量紧凑型电液一体机。
背景技术
液压系统在现代工业技术中占有很重要的地位，特别是在高压大功率和快速响应方面，液压系统有着绝对优势。传统的液压系统中以电动机为原动机的液压动力单元多为多个分散的独立部件连接而成，如图1所示，液压传动单元包含液压泵1、电动机2、联轴器3等独立部件，其中电动机2提供机械能，带动液压泵1运转，将液压泵1机械能转换为液压能，液压泵1输出的液压能为执行机构提供液压能。与此同时，为适应大功率、大流量工况要求，与大功率电机连接的液压泵1需要串联两个液压泵才能满足要求。该结构存在结构复杂、占用体积大、功率密度低、效率低、装配误差大、噪声大、有潜在外泄漏途径等问题，具体表现在以下几个方面:
(1)体积大、功率密度低。如图1所示，电动机1、两个液压泵2、联轴器3等独立部件轴向排开，轴向长度长，占用空间大，不利于在移动机械、航空航天、舰船等空间有限的场合。虽然液压泵的功率密度较大，但如果计入电动机等能量转换部件，则功率密度较低。
(2)效率较低。电动机、液压泵、联轴器等独立部件多处连接使液压动力单元结构复杂，能量转换和动力传递环节较多，易产生机械摩擦损失、管路压力损失及泄漏损失等。
(3)易出现气穴噪声和振动。分散式动力单元中电动机和液压泵靠联轴器连接，其同轴度不能得到绝对保证，工作过程中易产生机械振动和噪声；复杂的管路连接造成流体阻力增加，极易产生局部负压而引起气泡析出，从而产生气穴噪声和振动。传统的液压动力单元的噪声控制往往以独立的电动机和液压泵为研究对象，降噪空间已不大、进一步降噪的难度很大，并且整体的降噪效果也不很明显。
(4)易出现外泄漏。液压泵与油箱之间的多处管路连接部位以及液压泵轴伸处的密封在长期工作条件下使密封装置腐化和磨损从而产生外泄漏，造成环境污染和管理维护不便。
(5)液压泵和电动机等壳体类零件成形工艺复杂。液压泵、电动机均为独立元件，壳体结构复杂，且需要分别铸造，增加了铸造和加工成本，同时也增加铸造过程中碳排放量。
现代液压传动技术逐渐向集成化、数字化方向发展。很多场合需要更加小型、轻便、低噪声的液压动力源，来应对复杂的环境条件。尤其是随着全球气候变暖、能源紧缺加剧，人们对节能降耗、清洁环保、低碳排放的要求不断提高，传统分散式液压动力单元的结构逐渐难以适应现代工业技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前传统液压传统中存在的问题，提供一种新型的具有大流量、结构紧凑、噪声低、高效节能、功率密度高、变量多样方便、经久耐用的电液一体机，旨在推动电液高度融合，实现一体化的电动液驱发展。
本发明技术的技术方案实现方式：一种大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：包括液压组件、电机的转子组件、电机的定子组件、转筒以及壳体组件，所述液压组件包括配流滑盘副和柱塞副，所述柱塞副包括缸体以及柱塞，所述转筒与电机的转子组件连接且与所述缸体同步旋转，所述缸体容纳在所述转筒内且作用在所述缸体的轴向液压力相互平衡或抵消，所述配流滑盘副包括斜盘以及支承在斜盘上的滑盘，所述滑盘为整体盘状结构，所述滑盘与斜盘之间形成静压油膜支承。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述缸体为两个在主轴上对置布置的分体式独立缸体结构，所述缸体具有以缸体中心轴心环向均匀分布的多个柱塞孔，所述缸体的柱塞孔为一端封闭、一端开口的盲孔结构，其中相互对置一侧的缸体端面封闭。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述主轴中部周向设置有向外凸出的主轴连接部，所述转筒中部周向设置有向内凸出的转筒连接部，所述转筒分别与主轴和电机的转子组件连接，使得所述转筒、主轴、缸体以及电机的转子组件同步旋转，所述相互对置且封闭一侧的缸体端部抵接在主轴连接部的两端，使得作用在两缸体端部的轴向液压力相互平衡。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述缸体为整体式结构，所述缸体两端具有以缸体中心轴心环向均匀分布的多个柱塞孔，所述缸体的柱塞孔为两端开口的通孔结构，所述转筒分别与缸体和电机的转子组件连接，使得所述转筒、缸体以及电机的转子组件同步旋转。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述配流滑盘副为双向高低压配流滑盘副，所述配流滑盘副中的斜盘支承在壳体组件的前端盖和后端盖上，所述斜盘上设置有低压配流窗口和高压配流窗口。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述变量机构设置为斜盘角度控制式变量结构，所述变量机构包括变量活塞、控制阀以及变量弹簧，所述斜盘上与前端盖和后端盖对置的支承面具有成形为圆柱形的圆柱滑弧面，所述变量活塞驱使所述斜盘在所述圆柱滑弧面上滑动，所述斜盘的圆柱滑弧面上具有构形为槽形的槽形低压口和槽形高压口，所述槽形低压口和槽形高压口分别与前端盖和后端盖上的进油口和出油口对应连通。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述变量机构设置为电机转速控制式变量结构，所述变量机构包括控制器，所述控制器为变频式控制器，所述电机的转子组件包括与转筒外周面连接的转子铁芯以及嵌套在所述转子铁芯内的转子绕组,所述电机的转子组件在所述控制器的控制作用下可变转速，从而实现可变的流量输出；
或者，所述控制器为伺服式控制器，所述电机的转子组件包括与转筒外周面连接的转子铁芯以及嵌套在所述转子铁芯内的永磁体,所述主轴一端与编码器连接，所述电机的转子组件在所述控制器的控制作用下可变转速，从而实现可变的流量输出。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述变量机构设置为斜盘角度控制式和电机转速控制式联合变量结构，所述变量机构包括控制器，所述控制器包括变频式或伺服式控制器，所述联合变量机构可使其根据实际情况合理匹配电机工况与负载变化。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其在所述壳体组件的壳体上设置有壳体进油口和壳体出油口，所述壳体进油口和壳体出油口分别与设置在壳体组件上的进油油道和出油油道以及斜盘上的低压配流窗口和高压配流窗口连通。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述液压组件为液压泵组件，所述电机为电动机，所述电机的转子组件在电磁力作用下带动缸体和转筒同步旋转，所述柱塞在缸体内往复运动，所述液压泵组件输出高压油液，电能转化为机械能并进一步转化为液压能。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述液压组件为液压马达组件，所述电机为发电机，外部高压油液输入电液一体机中，液压能驱动液压马达旋转，并带动转筒和电动机的转子组件同步旋转，所述电机处于发电模式，液压能转化为机械能并进一步转化为电能。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述液压组件为轴支承式结构，其还包括第一轴承和第二轴承，所述主轴的主轴轴心与缸体的缸体轴心重合，所述主轴一端贯穿配流滑盘副至前端盖并支承在第一轴承上，另一端贯穿配流滑盘副至后端盖并支承在第二轴承上，所述缸体支承在主轴上并与主轴通过键连接实现同步转动，所述柱塞在缸体的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作。
本发明所述的大流量紧凑型电液一体机，其所述液压组件为转筒支承式结构，其还包括第四轴承和第五轴承，所述第四轴承和第五轴承分别夹设在转筒与壳体组件之间，所述电机的转子组件与缸体通过转筒及第四轴承和第五轴承支承在壳体组件上并实现同步旋转，所述柱塞在缸体的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作。
基于上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明的体积小、功率密度高。传统的液压动力单元，电动机、两个液压泵、联轴器等独立部件轴向排开，轴向长度长，占用空间大，而本发明中的电液一体机，轴向长度减少60％以上，占用空间减少60％以上，电机与液压泵高度融合成一体，整体的功率密度大，尤其适合于在工程机械、电动汽车、机器人、航空航天、舰船等空间受限、要求功率密度大的场合。
(2)本发明的排量大。本发明将两个液压组件串联一起集成，共同集成在电机的壳体组件内，在相同壳体空间内，实现双倍高压油液的输出，可满足大排量、高压、大功率工况要求。
(3)本发明的轴向液压力相互平衡。本发明将缸体对置或设置成整体结构，轴向力相互平衡或抵消，使得电液一体机主轴上的轴承不受自身轴向液压力作用，有利于轴承使用寿命的提高。
(4)本发明的变量方便。本发明中采用的配流滑盘副，其结构将配流、变量倾斜、静压支承功能集成在配流滑盘副中，滑盘与斜盘之间采用现有最优的端面油膜支承方式、并兼具配流功能，同时还可通过改变斜盘的倾斜方式或电机变速等方式来实现的，实现变量多样方便。
(5)本发明的效率高。电动机、液压泵高度融合一体，省去了联轴器、风冷装置等连接部件，减少了能量转换和动力传递环节以及风冷装置的额外能量损失，大大降低了机械摩擦损失、管路压力损失及泄漏损失等。
(6)本发明显著降低了噪声及振动。传统的分散式动力单元中噪声及振动来源主要有：电动机、液压泵、联轴器连接同轴度误差产生的机械振动和噪声、复杂的管路连接造成流体阻力增加产生的气穴噪声和振动、电动机风冷装置产生的噪声和振动；本发明中的电液一体机高度融合一体，电动机、液压泵共轴、共壳，取消了联轴器、风冷装置、连接管路，根本上消除了以上三者对噪声及振动的影响，噪声显著降低。
(7)本发明的寿命长，可靠性高。本发明中的电液一体机高度融合一体，各机械部件高度集成、简化了结构复杂性；配流滑盘副中的滑盘为整体结构，柱塞副中的柱塞为锥形结构，两者独特的设计显著降低了柱塞作用在缸体的侧向力，显著改善了三大摩擦副的工况，提高了其油膜稳定性，使得液压转子部分具有更高速度、更高压力、更大流量、更长寿命。
(8)本发明减少了外泄漏。电液一体机高度融合，免去了多处管路连接部位以及液压泵轴伸处的密封在长期工作条件下使密封装置腐化和磨损从而产生外泄漏，造成环境污染和管理维护不便。
(9)本发明与未来工业技术发展趋势高度契合。本发明中的电液一体机高度融合，符合未来工业技术发展要求，即向环保节能、集成化、数字化、智能化方向发展。
附图说明
图1为传统的液压动力单元的结构示意图。
图2为本发明的电液一体机的结构示意图。
图3为本发明中电液一体机的一种实施例。
图4为本发明中图3中的A-A剖面图。
图5为本发明中滑盘一端的平面图。
图6为本发明中图5中滑盘结构的B-B剖面图。
图7为本发明中滑盘另一端的平面图。
图8为本发明中斜盘一端支承面的一种平面图。
图9为本发明中斜盘另一端支承面的一种平面图。
图10为本发明中转筒沿轴线的剖面图。
图11为本发明中转筒一侧的平面图。
图12为本发明中缸体整体式的电液一体机的一种实施例。
图13为本发明中为斜盘角度控制式电液一体机的实施例。
图14为本发明中为变频控制式电液一体机的实施例。
图15为本发明中为伺服控制式电液一体机的实施例。
图16为本发明中带补油泵的电液一体机的实施例。
图17为本发明中转筒支承式变量电液一体机实施例。
图18为本发明中图17中的A-A剖面图。
图19为本发明中转筒支承式定量滑盘内支承方式的电液一体机
图20为本发明中壳体进出油的电液一体机的实施例。
图中标记：1为液压泵，2为电机，3为联轴器，4为风冷装置，5为电液一体机，6为出线盒，7为吊环，8为电机的定子组件，8a为定子铁芯，8b为定子绕组，9为电机的转子组件，9a为转子铁芯，9b为转子绕组，9c为永磁体,9d为端环，10为主轴，10a为主轴连接部，10C为主轴轴心，11为转筒，12为转筒连接部，13为过油孔，14为转筒连接键，15为凸起部，16为第一挡块，17为第二挡块，18为连接销钉，21为第一轴承，22为第二轴承，23为第三轴承，24为第四轴承，25为第五轴承，26为补油泵，31为壳体，31a为壳体进油口，31b为壳体出油口，31c为壳体进油油道，31d为壳体出油油道，32为前端盖，32a为前端盖进油口，32b为前端盖出油口，32c为前端盖进油油道，32d为前端盖出油油道，33为后端盖，33a为后端盖进油口，33b为后端盖出油口，33c为后端盖进油油道，33d为后端盖出油油道，34为壳体空腔，40为斜盘，41为斜盘支承面，41a为支承挡部，42为配流油槽，43为低压配流窗口，44为高压配流窗口，45为圆柱滑弧面，46为槽形低压口，47为槽形高压口，49为轴销，50为滑盘，50C为滑盘轴心，51为滑盘静压支承面，52为滑盘凸台面，53为滑盘腰形孔，54为滑盘外密封部，55为滑盘内密封部，56为滑盘间隔密封部，58为柱塞球窝，60为压板，70为柱塞，71为柱塞球头，72为柱塞中心孔，73为锥形杆部，74为柱塞部，80为缸体，81为柱塞孔，100为中心弹簧，101为挡圈，102为球铰，110为斜盘角度控制式变量结构，111为变量活塞，112为控制阀，113为变量弹簧，141为卡簧，150为叶轮，160为编码器，161为保护罩，162为编码器接头，163为控制器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
尽管本发明容许有不同形式的实施例，但本说明书和附图仅仅公开了如本发明的示例的一些特定形式。然而本发明并不试图限于所述的实施例。本发明的范围在所附的权利要求中给出。
为了方便描述，本发明的实施例以典型的取向示出，所述取向使得当电液一体机5的主轴的中心轴线水平静置，以前端盖32一侧为左，后端盖33为右，描述中使用的“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”“水平”、“底”、“内”、“外”等术语都是参照这个位置而使用的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，应理解的是本发明可以不同于所述的位置的取向进行制造、存放、运送、使用和销售。
实施例1：
如图2至11所示，为本发明的电液一体机5的优选实施例，在所示的优选实施例中，所述电液一体机5为轴支承式结构，所述电液一体机5包括液压组件、电机的转子组件9、电机的定子组件8、转筒11、壳体组件、主轴10、第一轴承21和第二轴承22，所述液压组件包括柱塞副和配流滑盘副，所述柱塞副包含柱塞70和缸体80，优选地，所述柱塞70为中心设置有中心大孔的锥形结构；所述配流滑盘副包括斜盘40以及支承在斜盘40上的滑盘50，所述滑盘50为整体结构，所述滑盘50与斜盘40之间形成静压油膜支承。所述主轴10的主轴轴心10C与缸体80的缸体轴心重合，所述主轴10一端贯穿配流滑盘副至前端盖32并支承在第一轴承21上，另一端贯穿配流滑盘副至后端盖33并支承在第二轴承22上，所述缸体80支承在主轴10上并与主轴10通过键连接；所述转筒11与电机的转子组件9连接且与所述缸体80同步旋转，所述缸体80容纳在所述转筒11内且作用在所述缸体80的轴向液压力相互平衡或抵消，所述柱塞70在缸体80的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作，所述电液一体机输出高压油液，电液一体机实现从电能转化为机械能并进一步转化为液压能过程。
其中，所述电机为包含但不限于感应异步电动机、永磁直流电动机、永磁同步电动机等，优选地，所述电机为感应电机或永磁同步电机。
具体地，所述电机的定子组件8包括定子铁芯8a、定子绕组8b等部件，其中，所述定子铁芯8a为电机磁路的组成部分，由表面涂有绝缘漆的薄硅钢片冲制叠压而成，其外周面与壳体组件的壳体31固定连接，所述定子铁芯8a内周面上开设有多个槽口(未示出)，所述定子绕组8b嵌放所述定子铁芯8a的槽口上，用于产生旋转磁场，所述定子绕组8b由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制，所述定子绕组8b的出线端引至设置在壳体31上的出线盒6上。
具体地，所述电机的转子组件9包括转子铁芯9a、转子绕组9b等部件，其中，所述转子铁芯9a也为电机磁路的组成部分，也由表面涂有绝缘漆的薄硅钢片冲制叠压而成，其内周面与转筒11固定连接，所述转子铁芯9a两侧侧面通过第一挡块16抵接在转筒11的凸起部15以限制转子铁芯9a与转筒11的轴向位移，所述转子铁芯9a外周面上开设有多个槽口(未示出)，所述转子绕组9b嵌放所述转子铁芯9a的槽口上，用于产生感应电流，所述转子绕组9b包含但不限于鼠笼型结构和绕线型结构转子绕组，其中，鼠笼型结构是在转子铁芯9a上的槽插入铜条或铝条作为导条，并在两端用铜环或铝环连接起来，形成笼状结构。
其中，所述电机的定子组件8和电机的转子组件9之间保持一定的气隙，以保证电机运行时具有合理的功率因数及启动性能。可以替换地，该气隙也可以由壳体空腔34内的低压冷油填充，以消散电机的定子组件8和电机的转子组件9的热量。
具体地，所述缸体80为两个在主轴10上对置布置的分体式独立缸体结构，所述缸体80具有沿径向截面为圆形的柱状构形，并容纳在转筒11的空腔内，所述缸体80具有以缸体中心轴心环向均匀分布的多个柱塞孔81和在中心处用于容纳主轴10的主轴装配孔，所述缸体80的柱塞孔81为一端封闭、一端开口的结构。优选地，所述柱塞孔81数量一般设置为7个或9个。所述主轴10穿过缸体80的主轴装配孔并以其轴体外周面设置连接键方式与缸体80连接，所述缸体80以其与主轴10同步运动的方式支承在主轴10上。
应指出的是，所述缸体80端部不设置与其抵接的配流盘，因此减少了一个摩擦副，提高了其容积效率；由于未抵接配流盘，所述缸体80端部不需要精密加工，降低了制造和使用成本；所述缸体80端部无配流盘，即便是存在部分侧向力，也不会产生偏磨导致失效等问题。
具体地，所述转筒11外周面与电机的转子组件9连接，所述转筒11内侧设置有向内延伸的转筒连接部12，在所述转筒连接部12的环向设置有多个过油孔13，所述过油孔13连通两侧壳体空腔34使得左右两侧油液压力平衡。进一步地，所述转筒11上设置有用于约束轴向方向移动的约束装置，所述约束装置包括用于约束电机转子轴向位移的设置在转筒11两侧向外凸起的凸起部15以及夹设在电机转子和凸起部15之间的第一挡块16。
具体地，所述主轴10中部周向设置有向外凸出的主轴连接部10a，所述主轴连接部10a夹设在两缸体80之间，所述相互对置且封闭一侧的缸体端部抵接在主轴连接部10a的两端，使得作用在两缸体端部的轴向液压力相互平衡。所述主轴10的主轴连接部10a与转筒11的凸起部15连接，所述连接包含但不限于键连接、螺栓或连接销钉18连接、过盈配合连接等一种或组合方式。所述主轴10支承在第一轴承21和第二轴承22上，所述第一轴承21包含但不限于向心深沟球轴承、滚柱轴承、向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。当泵工作时，电机转子组件在电磁力的驱动作用下，带动电机的转子组件旋转，并通过主轴10进一步带动缸体80同步旋转，在轴向液压力作用力下，两侧缸体80端部抵接在主轴连接部10a上，轴向液压力相互抵消，径向力由支承在主轴10两端的第一轴承21和第二轴承22承担。
具体地，所述配流滑盘副包括滑盘50及支撑在前端盖32和后端盖33上的斜盘40，所述滑盘50的滑盘静压支承面51支承在斜盘40上，并与斜盘40的支承面保持紧密配合，所述滑盘50一端设置有多个滑盘腰形孔53，所述滑盘50另一端面设置有多个柱塞球窝58，所述滑盘50上的滑盘腰形孔53贯通至柱塞球窝58，所述斜盘40上设置有与后端盖33上的后端盖进油口33a和后端盖出油口33b相通的配流油槽42。进一步地，如图8所示，所述斜盘40与滑盘50上设置有分开的低压配流窗口43和高压配流窗口44。
其中，如图3和4所示，所述电液一体机5的壳体组件包括壳体31及与壳体31连接的前端盖32和后端盖33，所述壳体31与前端盖32和后端盖33围成具有用于容纳电机的转子组件9、电机的定子组件8以及液压组件的壳体空腔34，所述后端盖33用于封闭壳体31的一端开口，所述前端盖32用于封闭壳体31的另一端开口，所述前端盖32上设置有前端盖进油口32a和前端盖出油口32b，所述后端盖33上设置有后端盖进油口33a和后端盖出油口33b，所述低压配流窗口43和高压配流窗口44分别与前后端盖的进油口和出油口连通。
具体地，所述柱塞副包括柱塞70与缸体80的孔壁，所述柱塞70为锥形结构，柱塞设置有作为进出油且连通柱塞球窝58和柱塞孔81的大孔径柱塞中心孔72。
更具体地，所述滑盘50朝向缸体80一侧的端面的环周向与柱塞70相对位置设置有多个柱塞球窝58，如图5、图6和图7所示，所述柱塞球窝58在滑盘50端面形成开口大致成半球状的凹部，所述柱塞球窝58以滑盘轴心50C共同的圆周均匀间隔地分布的状态对柱塞球头71进行支承，在所述柱塞70安装在柱塞球窝58后，通过压板60将其固定在滑盘50的端面上，使得柱塞70相对滑盘50的端面的远离移动受到限制。特殊地，用于将柱塞70固定在滑盘50的端面的方式也不限于采用压板的方式，例如，也可以在滑盘50上设置有形状锁合的压紧装置(未示出)，该压紧装置可通过大于180度的包覆将柱塞球头71进行固定。
进一步地，所述滑盘50与斜盘40对置的端面上设置有滑盘静压支承面51，如图6所示，所述滑盘轴心50C与主轴轴心10C呈一定角度，所述滑盘静压支承面51支承在斜盘40上且始终与斜盘40保持滑动配合，所述滑盘静压支承面51上设置有多个构形为腰形的滑盘腰形孔53，优选地，所述滑盘腰形孔53以滑盘轴心50C为中心呈均匀分布在滑盘静压支承面51上，所述滑盘腰形孔53连通至柱塞球窝58。
进一步地，所述滑盘50与斜盘40对置的端面上设置有沿滑盘轴心50C向斜盘40一侧延伸的突起的滑盘凸台面52，该滑盘凸台面52是由内直径R1和外直径R2围成的区域构成，所述滑盘凸台面52与斜盘40支承面以能够滑动的方式相互抵接，在所述滑盘凸台面52上与柱塞球窝58位置对应处设置有多个滑盘腰形孔53，优选地，该滑盘腰形孔53是以滑盘轴心50C为中心的共同的圆周均匀间隔地分布在滑盘凸台面52上。
其中，所述滑盘凸台面52与斜盘40支承面之间形成有效的静压油膜支承，所述滑盘凸台面52上设置有用于密封油液作用的密封部，所述密封部以包围滑盘腰形孔53的状态设置在滑盘腰形孔53的内外周，所述密封部包括分布在滑盘腰形孔53径向内外的滑盘内密封部55、滑盘外密封部54以及分布在相邻滑盘腰形孔53之间的滑盘间隔密封部56，所述滑盘内密封部55是由滑盘腰形孔53内边缘与滑盘凸台面52的内直径R1围成的区域，所述滑盘外密封部54是由滑盘腰形孔53外边缘与滑盘凸台面52的外直径R2围成的区域，所述滑盘间隔密封部56是由相邻滑盘腰形孔53之间的间隔凸台面区域，所述滑盘凸台面52的密封部与斜盘40支承面之间始终保持一定合理的间隙使得油膜泄漏处于合理水平。
更具体地，所述柱塞70包括一端支承在滑盘50的柱塞球窝58上且经由压板60固定在滑盘端面的柱塞球头71、用于连通柱塞孔81和柱塞球窝58的柱塞中心孔72、外周面呈圆锥形的锥形杆部73以及与缸体80的柱塞孔壁间隙配合的且可在其往复运动的柱塞部74，所述柱塞球头71呈球状且能够滑动自如地支承在滑盘50的柱塞球窝58上；所述柱塞中心孔72为大孔径通孔结构，作为吸入和/或排出油液通道；在柱塞部74上往往设置至少一道密封圈用于密封液体，所述锥形杆部73是大致从柱塞球端向柱塞部74逐渐增加的锥形状，当柱塞70运动到某一位置时，所述锥形杆部73与柱塞孔81内环周面接触，起到传力作用。但需要说明的是，所述柱塞70不限于锥形柱塞类型，还可以包括两端均为球头的连杆-柱塞或者带万向铰的球面柱塞。
从以上分析可以知道，这种结构具有流量大、体积小、功率密度高、效率高、低噪声等特点。如图1所示，为传统的液压动力单元，其电动机1、两个液压泵2、联轴器3等独立部件轴向排开，轴向长度长，占用空间大，图2为本发明中的电液一体机，轴向长度减少60％以上，占用空间减少50％以上，电机与液压泵高度融合成一体，整体的功率密度大，尤其适合于在工程机械、电动汽车、机器人、航空航天、舰船等空间受限、要求功率密度大的且要求在大功率、大流量应用场合；电动机、液压泵高度融合一体，省去了联轴器、风冷装置等连接部件，减少了能量转换和动力传递环节以及风冷装置的额外能量损失，大大降低了机械摩擦损失、管路压力损失及泄漏损失等；电动机、液压泵共轴、共壳，取消了联轴器、风冷装置、连接管路，根本上消除了以上三者对噪声及振动的影响，噪声显著降低。
工作时，在缸体一端，液压力作用在缸体端部上，两缸体端部抵接在主轴的凸起连接部上，使得轴向液压力相互平衡抵消，因此主轴基本不受液压力作用。
工作时，在配流滑盘副一端，液压力作用在柱塞70上，并进一步传递至滑盘50，总体上，所述柱塞70作用在滑盘50上的轴向力大于斜盘40通过油膜反作用在滑盘50的支承力与柱塞70的回程力之和，因此，所述滑盘50始终通过一层油膜抵接在斜盘40上滑动。
考虑到柱塞泵在启动时，滑盘与斜盘之间仍然需要初始密封，以尽快建立油压，因此在配流滑盘副一侧须设置初始密封装置。
优选地，其中一种初始密封装置，如图14所示，在所述滑盘50与缸体80之间设置有弹簧预紧装置，该弹簧预紧装置使配流滑盘副与配流副之间具有一定的初始接触力。所述弹簧预紧装置包括中心弹簧100、挡圈101以及球铰102，所述中心弹簧100的预紧弹簧力一端通过球铰102作用在压板60上，并进一步传递至滑盘50上，另一端通过挡圈101将预紧力作用在缸体端部。
优选地，另一种初始密封装置，如图3和图4所示，也可以在所述滑盘50和/或缸体80上设置有约束装置，所述约束装置具有限制所述配流滑盘副的滑盘50远离斜盘40运动以及限制所述缸体80远离主轴连接部10a运动。
进一步地，所述约束装置包括在滑盘50靠近滑盘静压支承面51一侧具有向外侧凸起的斜盘止挡部以及在斜盘支承挡部41a上设置的卡合装置，所述止挡部用于限制第三轴承23的移动，所述卡合装置包括在支承挡部41a上、邻近第三轴承23处设置的卡合周槽以及在卡合内周槽上设置卡簧(未示出)，所述卡簧以约束第三轴承23向外移动的方式限制滑盘远离斜盘40端面。
可以预测地，在止挡部与第三轴承23之间或者在卡簧与第三轴承23之间也可以适当设置弹性垫片(未示出)，使得约束组件除了限制滑盘远离斜盘端面外，还具有一定的初始预紧力保持滑盘与斜盘的预紧状态。同理，所述卡合装置的约束方式还可以通过第三轴承23与斜盘的支承挡部41a的过盈配合来实现，在所述斜盘的支承挡部41a上、邻近第三轴承23处设置卡合周槽及与卡合周槽配合的卡簧起进一步约束作用。在缸体一侧，约束装置还包括卡簧141，该卡簧用于约束缸体端部远离止推盘运动。
实施例2：
如图13、14、15、17和18所示，与实施例1的不同之处在于电液一体机设置有变量机构，其他可参考实施例1所述结构。
优选的一种实施例，如图13所示，所述变量机构为斜盘角度控制式变量结构110，所述斜盘角度控制式变量结构110包括变量活塞111、控制阀112以及变量弹簧113，所述控制阀112与后端盖33连接，所述控制阀112内设置多个液流通道，所述控制阀112通过控制进入变量活塞的油液来控制变量活塞111的运动，实现斜盘角度的改变，所述控制阀112可设置为多种变量控制方式，包含但不限于恒压、恒流量、恒功率等方式，所述变量弹簧113起复位作用。
具体地，所述斜盘40上与后端盖33对置的支承面具有成形为圆柱形的圆柱滑弧面45，所述变量活塞111驱使所述斜盘40在所述圆柱滑弧面45上滑动，所述斜盘40的圆柱滑弧面45上具有构形为槽形的槽形低压口46和槽形高压口47，所述槽形低压口46和槽形高压口47分别与后端盖33上的后端盖进油口33a和后端盖出油口33b对应连通。
优选的另一种实施例，如图14所示，所述变量机构设置为电机转速控制式变量结构，所述变量机构包含控制器163，所述控制器163为变频式控制器，所述电机的转子组件9包括与转筒11外周面连接的转子铁芯9a以及嵌套在所述转子铁芯9a内的转子绕组9b,所述电机的转子组件9在所述控制器163的控制作用下可变转速，从而实现可变的输出流量。
优选的另一种实施例，如图15所示，所述变量机构设置为电机转速控制式变量结构，所述变量机构包含控制器163和编码器160，所述控制器163为伺服式控制器，所述电机的转子组件9包括与转筒11外周面连接的转子铁芯9a以及嵌套在所述转子铁芯9a内的永磁体9c,在所述永磁体9c两端设置有端环9d用于约束所述永磁体轴向移动；所述主轴10一端与编码器160连接，所述编码器160外周设置有保护罩161以防止编码器受到损坏、粉尘影响，所述保护罩161与前端盖32通过螺栓连接，在所述保护罩161外侧设置有编码器接头162，所述编码器接头162另一端与编码器160引线连接，所述电机的转子组件9在所述控制器163的控制作用下可变转速，从而实现可变的输出流量。
可以预测地，优选的另一种实施例，所述变量机构设置为斜盘角度控制式和电机转速控制式联合变量结构，所述变量机构包含控制器163，所述控制器163包括变频式或伺服式控制器，所述联合变量机构可使其根据实际情况合理匹配电机工况与负载变化。
实施例3：
如图16所示，示出了本发明的另一实施例，与其他实施例的不同之处在于主轴10端部设置有补油泵26。
在所示实施例中，所述主轴10的端部连接有一个补油泵26，所述补油泵26用于为液压系统供油或提供液压操作力；所述补油泵26与前端盖32和后端盖33通过螺栓连接，外接的补油泵26可以为齿轮泵或叶片泵等。
实施例4：
如图17、18和19所示，与其他实施例的主要区别在于该实施例的为转筒支承式电液一体机，其还包括第四轴承24和第五轴承25，所述第四轴承24和第五轴承25分别夹设在转筒11与壳体组件之间；特殊地，所述第四轴承24和第五轴承25还可分别夹设在转筒11与前端盖32或后端盖33之间。所述电机的转子组件9与液压组件通过转筒11及第四轴承24和第五轴承25支承在壳体组件上并实现同步旋转，所述柱塞70在缸体80的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作。
实施例5：
如图19所示，与其他实施例的主要区别在于该实施例中的滑盘支承方式为轴承内支承方式。
在所示的优选实施例中，所述滑盘50的静压支承面51支撑在斜盘40上，并与所述斜盘40工作面保持紧密配合，在斜盘40中部具有向外延伸的支承轴或支承轴销49，在所述斜盘支承轴或支承轴销49和滑盘50内侧之间夹设有第三轴承23，所述滑盘50以沿其径向受约束的状态支承在所述第三轴承23上，所述第三轴承23可以设置为包含但不限于向心推力球轴承、滚针轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、向心球轴承的一种，所述主轴10和缸体80在旋转工作时，所述柱塞70在缸体80的柱塞腔内做往复运动，实现泵或马达的吸排油工作。在本实施中，采用内支承可使电机转子径向尺寸更小，有利于转速的提高。
实施例6：
如图20所示，与其他实施例的主要区别在于该实施例中的进出油口的数量及方式不同。
在所示的优选实施例中，所述壳体31上设置有壳体进油口31a、壳体出油口31b、壳体进油油道31c以及壳体出油油道31d，所述前端盖32设置有前端盖进油油道32c和前端盖出油油道32d，所述后端盖33设置有后端盖进油油道33c和后端盖出油油道33d，所述壳体进油油道31c分别连通进油口以及前后端盖上的前端盖进油油道32c和后端盖进油油道33c，所述壳体出油油道31d分别连通出油口以及前后端盖上的前端盖出油油道32d和后端盖出油油道33d，所述壳体进油口31a和壳体出油口31b分别与斜盘40上的低压配流窗口43和高压配流窗口44连通。
实施例7：
与其他实施例的主要区别在于该实施例中的能量转化方式不同。
具体地，该电液一体机可逆向能量转化，其中液压组件为马达液压组件，电机为发电机，外部高压油液输入电液一体机5中，液压能驱动液压马达旋转，并带动缸体80、转筒11以及电动机的转子组件9同步旋转，电机处于发电模式，液压能转化为机械能并进一步转为电能。该结构尤其适用于风力发电等领域。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限与这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (13)
1.一种大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：包括液压组件、电机的转子组件(9)、电机的定子组件(8)、转筒(11)以及壳体组件，所述液压组件包括配流滑盘副和柱塞副，所述柱塞副包括缸体(80)以及柱塞(70)，所述转筒(11)与电机的转子组件(9)连接且与所述缸体(80)同步旋转，所述缸体(80)容纳在所述转筒(11)内且作用在所述缸体(80)的轴向液压力相互平衡或抵消，所述配流滑盘副包括斜盘(40)以及支承在斜盘(40)上的滑盘(50)，所述滑盘(50)为整体盘状结构，所述滑盘(50)与斜盘(40)之间形成静压油膜支承。
2.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述缸体(80)为两个在主轴(10)上对置布置的分体式独立缸体结构，所述缸体(80)具有以缸体中心轴心环向均匀分布的多个柱塞孔(81)，所述缸体(80)的柱塞孔(81)为一端封闭、一端开口的盲孔结构，其中相互对置一侧的缸体(80)端面封闭。
3.根据权利要求2所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述主轴(10)中部周向设置有向外凸出的主轴连接部(10a)，所述转筒(11)中部周向设置有向内凸出的转筒连接部(12)，所述转筒(11)分别与主轴(10)和电机的转子组件(9)连接，使得所述转筒(11)、主轴(10)、缸体(80)以及电机的转子组件(9)同步旋转，所述相互对置且封闭一侧的缸体端部抵接在主轴连接部(10a)的两端，使得作用在两缸体端部的轴向液压力相互平衡。
4.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述缸体(80)为整体式结构，所述缸体(80)两端具有以缸体中心轴心环向均匀分布的多个柱塞孔(81)，所述缸体(80)的柱塞孔(81)为两端开口的通孔结构，所述转筒(11)分别与缸体(80)和电机的转子组件(9)连接，使得所述转筒(11)、缸体(80)以及电机的转子组件(9)同步旋转。
5.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述配流滑盘副为双向高低压配流滑盘副，所述配流滑盘副中的斜盘(40)支承在壳体组件的前端盖(32)和后端盖(33)上，所述斜盘(40)上设置有低压配流窗口(43)和高压配流窗口(44)。
6.根据权利要求5所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述变量机构设置为斜盘角度控制式变量结构，所述变量机构包括变量活塞(111)、控制阀(112)以及变量弹簧(113)，所述斜盘(40)上与前端盖(32)和后端盖(33)对置的支承面具有成形为圆柱形的圆柱滑弧面(45)，所述变量活塞(111)驱使所述斜盘(40)在所述圆柱滑弧面(45)上滑动，所述斜盘(40)的圆柱滑弧面(45)上具有构形为槽形的槽形低压口(46)和槽形高压口(47)，所述槽形低压口(46)和槽形高压口(47)分别与前端盖(32)和后端盖(33)上的进油口和出油口对应连通。
7.根据权利要求5所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述变量机构设置为电机转速控制式变量结构，所述变量机构包括控制器(163)，所述控制器(163)为变频式控制器，所述电机的转子组件(9)包括与转筒(11)外周面连接的转子铁芯(9a)以及嵌套在所述转子铁芯(9a)内的转子绕组(9b),所述电机的转子组件(9)在所述控制器(163)的控制作用下可变转速，从而实现可变的流量输出；
或者，所述控制器(163)为伺服式控制器，所述电机的转子组件(9)包括与转筒(11)外周面连接的转子铁芯(9a)以及嵌套在所述转子铁芯(9a)内的永磁体(9c),所述主轴(10)一端与编码器(160)连接，所述电机的转子组件(9)在所述控制器(163)的控制作用下可变转速，从而实现可变的流量输出。
8.根据权利要求5所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述变量机构设置为斜盘角度控制式和电机转速控制式联合变量结构，所述变量机构包括控制器(163)，所述控制器(163)包括变频式或伺服式控制器，所述联合变量机构可使其根据实际情况合理匹配电机工况与负载变化。
9.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：在所述壳体组件的壳体(31)上设置有壳体进油口(31a)和壳体出油口(31b)，所述壳体进油口(31a)和壳体出油口(31b)分别与设置在壳体组件上的进油油道和出油油道以及斜盘(40)上的低压配流窗口(43)和高压配流窗口(44)连通。
10.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述液压组件为液压泵组件，所述电机为电动机，所述电机的转子组件(9)在电磁力作用下带动缸体(80)和转筒(11)同步旋转，所述柱塞(70)在缸体(80)内往复运动，所述液压泵组件输出高压油液，电能转化为机械能并进一步转化为液压能。
11.根据权利要求1所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述液压组件为液压马达组件，所述电机为发电机，外部高压油液输入电液一体机(5)中，液压能驱动液压马达旋转，并带动转筒(11)和电动机的转子组件(9)同步旋转，所述电机处于发电模式，液压能转化为机械能并进一步转化为电能。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述液压组件为轴支承式结构，其还包括第一轴承(21)和第二轴承(22)，所述主轴(10)的主轴轴心(10C)与缸体(80)的缸体轴心重合，所述主轴(10)一端贯穿配流滑盘副至前端盖(32)并支承在第一轴承(21)上，另一端贯穿配流滑盘副至后端盖(33)并支承在第二轴承(22)上，所述缸体(80)支承在主轴(10)上并与主轴(10)通过键连接实现同步转动，所述柱塞(70)在缸体(80)的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作。
13.根据权利要求1至11中任意一项所述的大流量紧凑型电液一体机，其特征在于：所述液压组件为转筒支承式结构，其还包括第四轴承(24)和第五轴承(25)，所述第四轴承(24)和第五轴承(25)分别夹设在转筒(11)与壳体组件之间，所述电机的转子组件(9)与缸体(80)通过转筒(11)及第四轴承(24)和第五轴承(25)支承在壳体组件上并实现同步旋转，所述柱塞(70)在缸体(80)的柱塞腔内做往复运动，实现吸排油工作。
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| CN202011636466.2A CN114687976A (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 一种大流量紧凑型电液一体机 |
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| CN202011636466.2A CN114687976A (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 一种大流量紧凑型电液一体机 |
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| CN114687976A true CN114687976A (zh) | 2022-07-01 |
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| CN (1) | CN114687976A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117927439A (zh) * | 2024-03-18 | 2024-04-26 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种一体式电动泵及车辆 |
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2020
- 2020-12-31 CN CN202011636466.2A patent/CN114687976A/zh active Pending
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