CN1651760A - 带有旋转凸轮式液压动力机构的电动液压动力设备 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种电动液压动力设备，该设备包括充满液压流体的壳体。一液压动力机构设置在壳体内，且该动力机构有一机械动力轴。此外，一电机设置在壳体内与液压动力机构相邻处，电机设有固定在液压动力机构的机械动力轴上的一转子。壳体内的液压流体流过电机，从而冷却电机并提高其效率和改善其性能。

Description

带有旋转凸轮式液压动力机构的电动液压动力设备
相关申请的交叉引用
本发明是2004年2月6日提出的美国临时专利申请序列号第60/542,379号的延续。
技术领域
本发明涉及电动液压流体动力转换装置。更具体地说，本发明涉及包括耦合至液压机的电机。
背景技术
在材料搬运和其它相关的领域，经常采用自动装卸车来运输很重的材料。这样的装卸车经常使用大型的酸性铅蓄电池或类似的装置作为电源。自动装卸车一般还使用液压缸系统来抬升、放低、倾斜、延伸、换档以及其它的荷载操纵功能。对于传统的装卸车，通常使用电池供电的电动机来回转液压泵。在这种系统中，由泵产生液压力和流体流动，并通过阀系统来进行调节，所述的那些阀流体连接至一系列液压缸用以移动有效负载。
在现有技术中，人们熟知使用各种直流电动机。在固态功率电子学领域中的新近发展已能将交流(AC)电动机用在重型装卸车内执行各种功能。在重型装卸车中，这样的AC电动机及其固态控制装置具有不少优点，这是本技术领域中为人们所熟知的。
此外，在本技术领域中人们熟知使用与液压泵耦合的电动机。授予Kawafune等人的美国专利第5,591,013号揭示了现有技术的电动液压动力转换装置的一个例子。Kawafune等人的专利、以及这里所引述的现有技术揭示了一种旋转斜盘型轴向活塞泵，它被设置在电动机的转子中心内。对那些熟悉本技术领域的人们来说，这种设计的优点和缺点是显而易见的。
本发明通过提供如下所述的一种装置而在Kawafune等人的装置的基础上加以改进：该装置将诸如液压活塞机构之类的一旋转凸轮式液压机、更具体地说是一泵放置在与电机相同的壳体附近或之内。为了进一步改善Kawafuen等人的装置，使用一旋转凸轮式活塞液压动力机构。旋转凸轮式液压动力机的最佳的已知形式是摇摆盘式泵和径向活塞泵。在本发明中也可以使用其它各种旋转凸轮式液压动力机构。
本发明寻求依靠电动机和用于电池供电的重型装卸车的相关构件领域里的新近发展。本发明通过揭示一种带有旋转凸轮式液压动力机构的电动液压动力转换装置来实现这个目标，这种装置能提高效率、降低成本、缩小尺寸、简化安装且增强可靠性。
因此，本发明的一个主要的目的是揭示一种包括一旋转凸轮式液压动力机构的电动液压动力转换设备，这种设备能提高效率、降低成本、缩小尺寸、简化安装且增强可靠性。
本发明的还有另一个目的是提供这样一种设备，其中壳体充满液压流体，用以向电动机和泵构件提供冷却和润滑。
本发明的再一目的是提供一种整合设备，该设备包括功率电子元件用以控制电机的工作。这些控制器可选择地呈三相AC转换器的形式。
本发明的另一目的是提供一种设备，为了控制和调节由该设备提供动力的液压负荷的性能，在该设备内可供选择地包括电磁阀或其它阀。
本发明的再有的一个目的是提供一种设备，其中将单个动力机构缸或动力机构缸组用于车辆中的特殊功用。例如，如果该设备总共有九个缸，那么可以将六个缸相连以向重型装卸车的主起重汽缸提供液压流体，为此余下的三个汽缸可用来向车辆的倾斜、换档、延伸、抓握、转向或其它辅助功能提供流体流。
这些和其它的目的对熟悉本技术领域的人们将会变得很明显。
发明内容
揭示了一种电动液压动力设备，该设备包括充满液压流体的壳体。一液压动力机构设置在壳体内，且该动力机构有一机械动力轴。此外，一电机设置在壳体内与液压动力机构相邻处，电机设有固定在液压动力机构的机械动力轴上的一转子。壳体内的液压流体流过电机，从而冷却电机并提高其效率和改善其性能。
附图说明
图1示出本发明第一实施例的横截面图；
图2示出本发明第二实施例的横截面图；
图3示出本发明第一实施例的轴向活塞的剖视图；
图4示出穿过本发明壳体的连接电源导体的装置；
图5示出本发明的电动液压动力设备，且其带有用于电子连接螺线管和其它电子控制元件的一印刷电路板；
图6示出与图5所示印刷电路板一起使用的一螺线管；以及
图7示出包括两个液压机的本发明电动液压动力设备。
具体实施方式
请参见图1，一电动液压动力转换器10所示为带有一旋转凸轮式液压动力机构12。该机构12包括一壳体14、一电机16以及一液压机18。
壳体14较佳的是一钢管，并基本上充满液压流体。端盖20和22装配在壳体14上，从而形成旋转凸轮式液压动力机构12的一完整的壳体。该管子较佳的是利用一个或多个弹性体O形圈24对端盖密封。
也被称作电源装置的电机16较佳的是一交流(AC)感应电动机，但也可以是任何传统的电机，包括：交流(AC)电机，直流(DC)电机，感应电机，单相电机，三相电机，多相电机，变换磁阻电机(switched reluctance machine)，写入电极电机(written pole machine)，永久磁体交流(PMAC)电机，永久磁体直流(PMDC)电机，并励电机，串励电机，复绕式电机、同步电机，独立激励电机，无电刷电机，换向器电机，无刷直流电机以及横向磁通电机(transversal flux machine)。
通过在电子控制装置(未示出)控制该电源装置16，并使其可选择地以所要的速度和方向回转。该电子控制装置较佳的是三相交流逆变器。为了简化，该逆变器可以设计为可变电压/可变频率的逆变器。为了提高控制的精度，逆变器较佳的是矢量型或场定向控制器类型的逆变器。逆变器(未示出)较佳的是包含于预先装配在电源组内的固态电源开关。逆变器较佳的是与本文所述的电动液压动力设备成一体。或者，逆变器也可以远离本发明装置安装。
附图1所示，电源装置16包括定子26、由一组导体构成的定子绕组28、被称为转子的转动部分30、安装在转子上且包括所谓的“鼠笼”组件32的一组导体以及轴32。定子26较佳的是压配入壳体14。转子30包括有一倾斜表面的轴34。设计为将一推力轴承36附接到轴34对的倾斜表面上。当转子30转动时，推力轴承36会相对轴34发生“摇摆”。
如图1所示，液压机18是倾斜表面的轴向活塞机构。这种机构的一种形式被称为摇摆盘式泵。推力轴承36的摇摆运动将顺序地将各活塞38压入相应的缸膛40。如图3最清楚地示出，在缸膛40内设置弹簧42，以将活塞压回出缸膛40。以这种方式，使活塞38在转子30和推力轴承36旋转时进出缸膛40而作往复运动。
如图3所示，各活塞38设有入口止回阀44。或者，可以在端盖22中设置一入口止回阀。止回阀包括在一活塞38的锥形膛孔内的球46。设置保持板48以保持住球46。液压机18通过产生活塞的往复运动而藉此将流体从壳体内通过入口止回阀44抽吸入缸膛40来进行工作。允许流体穿过入口流体接头50进入壳体。在该结构中，流体较佳的是横穿电源装置16抽吸流体，从而冷却和润滑电气元件。
此外，各缸膛40设有一出口止回阀52。出口止回阀52根据应用场合而归组在一起。例如，如果该设备具有总共九个汽缸，则可能会连接六个汽缸40以向重型装卸车的起重汽缸供应液压流体，而其余的三个汽缸40则用于向重型装卸车的倾斜、换档、延伸、抓握、转向或其它功能提供流体流。图1的旋转凸轮式液压动力机构12揭示了从选出的多个出口止回阀52中分组输出流的一种方式。设置具有合适直径的孔54，以将所要的汽缸40集合在一起。孔54设有螺纹和O形圈凸起，以使孔54能打开或封闭。
设置一车轴型的轴56，以保持转子30在定子26的膛孔内位于中心。轴承58较佳的是滚针型的，被压入转子轴56，并使转子30能绕车轴56转动。设置一第二推力轴承60，以抵消由第一推力轴承36在转子30上所施加的纵向力。
车轴56压配入端盖22。如果该压配操作是利用普通几何形状的车轴56和端盖22来完成的，则该压配操作将会使缸膛40发生所不希望的扭曲，这样的扭曲可能妨碍到活塞38的运作。为了防止发生这样的干扰，车轴56设有直径减小的区域62，如图3所示。带有面积减小的区域62的车轴56压配入端盖22中的孔64。通过设置直径减小的区域62，两接触区域就保持轴与孔的压配合。通过将压配和相关的扭曲限制在两接触区域中，与压配操作相关联的扭曲就仅仅限制在接触区域中，并保持远离扭曲可能会致使活塞38有可能粘在缸膛40内的区域。
一电源导体66穿过壳体14的端盖20。导体66构成穿过壳体14传递电气连接的装置，且保持密封而不产生液压流体的泄漏，而同时又使导体66与壳体14的端盖22电气绝缘。如图4A-4C所示，导体66包括一金属螺栓68，该螺栓较佳的是用黄铜制成。如图4A所示，螺栓68将一第一较小的弹性体O形圈70压缩在一绝缘套管72上。导体66还将一第二较大的O形圈压缩在端盖22上。第二绝缘套管76通过螺纹螺母78固定在端盖22的相对端上。也可以选择在第二绝缘套管76和螺母78之间设置一垫圈80。导线82将导体66连接至定子绕组28。导线通过钎焊、点焊或铜焊工艺来附接至螺母68。较佳的是，第一接线端(未示出)点焊至绕组28，第二接线断(未示出)点焊至导电的黄铜螺母68。然后导线82连接两接线端。
或者，如图4B所示，第一套管72完全延伸穿过壳体14的端盖22。此外，第二套管84呈垫圈的形式，并压靠在端盖22的外侧。如图4C所示，示出了一传统型的导体66，从而将一玻璃物质86熔合在螺母68周围，以在导体66与端盖22之间形成流体密封的绝缘密封结构。
图2示出了采用径向活塞泵88的电动液压动力转换装置10的一个可替代的实施例。径向活塞泵88包括一轴90，该轴上固定有轴承92。当轴90回转时，偏心配合的轴承92使活塞94进出膛孔96而作往复运动。或者，如图2所示，一入口止回阀98流体连接至缸镗96。当活塞94往复运动到膛孔96中时，一出口止回阀(未示出)将液压流体排出至一液压电磁阀100或直接排出至活塞泵88的出口。当使用电磁阀100时，该电磁阀100有选择地将流体连接至液压负荷或使液体回到壳体14。当需要时，在端盖104内直接结合一安全阀102。设置多个泵排出口106，以向外部负荷供应流体。
电动液压动力转换装置10的该可替代实施例的电源装置16以与图1所示实施例相同的方式工作。端盖108封闭壳体14并保持住轴承110，这保证转子30在定子26内位于中心。可选择地安装一速度传感器112。速度传感器112较佳的是速度传感轴承。液压流体通过流体入口50进入活塞泵88，并经过电源装置16，从而冷却诸电气元件。
电动液压动力设备10的该可替代实施例包括一印刷电路板114，该印刷电路板114附接在端盖104上，并经由导体66电气连接到电源装置16。功率电子元件(power electronics)116安装在电路板114与端盖104之间。螺线管118可选择地附接或连接之电路板114。这些螺线管可以是直接机焊的，或者可以具有引线或整体的接头。电路板114可以包括超级电容(super capacitor)、超电容(ultra capacitor)、金质电容(gold capacitor)或气凝胶电容(Aerogelcapacitor)。此外，可以在电路板114上结合过载保护保险丝。合适的保险丝是由Littelfuse所制造的类型CNL或类型CNN的保险丝。
当使用多个电磁阀100时，重要的是提高向螺线管118传输电控制信号的互连导线的可靠性以及降低其制造成本。为此，如图5中最清楚地所示，在单块印刷电路板114上安装螺线管118。螺线管118可以自动焊接到电路板114的印刷痕迹上，从而比传统的布线线束降低很多成本而互连诸装置。此外，当螺线管118以这种方式直接安装在印刷电路板114上时，可以在同一板上设置其它的功率元件(power component)116，用于控制螺线管116。例如，可以将一控制器区域网(CAN)电路连接至电路板114，以控制多个螺线管116。如果不采用这种结构则需要将一系列的阀连接到一中心控制器上，而现在就不再需要由许多导线组成的布线线束。
在图6中示出了螺线管118的一种可能的设计。螺线管118与传统设计的螺线管的不同之处在于设置了可焊接的插脚119，用来电气和机械连接至电路板114。如图5所示，这种设计的单个和双个螺线管都考虑到了。
电动液压动力设备10的任一实施例可包括多个液压机18。如图7所示，与图1所示的设备相似，设备10的一端结合有一个旋转凸轮式液压动力机构，同时设备10的相对端结合有一个更为传统的旋转斜盘型轴向活塞泵120。
此外，为了改善电动液压动力设备10的冷却，可以安装止回阀122和124以引导流体的流动，如图7所示。这样的阀可以用任何传统的控制器(未示出)来加以控制，如美国专利第5,190,446号和第5,259,738号中的装置。以类似的方式，可以用一个或多个热操控阀(未示出)来代替止回阀122和124。
熟悉本技术领域的人们可以理解，图7所示的动力设备可以将其用作一泵的一第一泵送模式工作。图7所示的设备也可以一第二电动机运行模式工作。在泵送模式中，该设备用来向一负荷供应动力，如抬升连接至液压缸的一负荷。在第二电动机运行模式中，图7所示的设备用来从负荷吸收动力。可选择设置止回阀122和124，以改善图7所示的动力设备在这两种模式下工作时的工作性能。当以泵送模式工作时，止回阀124打开，从而允许该设备从液压贮槽抽吸液压流体。在泵送模式，止回阀122将保持关闭。在电动机运行模式中，流体从泵芯回到动力设备。在这种模式下，止回阀124将关闭，而止回阀122将打开。止回阀122的打开使该回流的液压流体能涌过动力设备的壳体。
为了更好地进行工作，人们希望可有热油或液压流体包围电机16以降低摩擦损耗，同时又不允许油过热。在正常工作循环的液压系统中，油温从不超过100℃。因此，用油来将电动机冷却，且其过载能力将稍有提高。还可以有效率方面的小幅提高。
转子30与定子26之间的小间隙126(图7)中的油或液压流体会导致功率损耗，该损耗会随着速度的增加而增加。大多数的电动液压动力设备10设计为用于中等速度范围、而不是使速度最大化。但当液压流体在启动电动液压设备10时就是冷的时候，即使在中等速度，功率损耗也很容易增加到十倍之大。这个问题的一种解决方案是使流过气隙126的油最少。这样，油立即被加热，从而功率损耗将减少到可接受的水平。但这种解决方案不允许电动机如前面所述地那样被冷却。此外，可能会发生油的局部过热。
因此，使油能冷却电机16的最佳方式是引导液压机16的抽吸流穿过转子一定子间隙126。这保证间隙126中永久存在液压流体交换。采用这种解决方案，就完全由间隙126中的摩擦来完成在启动阶段对所有油的加热。在正常的系统中，在较长的一段时间中通过所有相关构件不可避免的损耗来产生加热。在这个阶段中，电动液压设备10的可用输出功率极度降低。
电动液压设备10的两个实施例保持了对电机16进行油冷的那些优点，并使启动阶段的功率损耗减到最小。这是通过在液压流体已经变热时迫使液压流体仅通过转子30和定子26之间的间隙126来实现的。这通过一旁通通道128来完成，冷油穿过该通道，直至电机到达工作温度。旁通通道128较佳的是在壳体14中的一同轴螺母，它与定子26一起形成一通道。由于较高的流动阻力，冷油在启动阶段不会穿过间隙126。
当油变热时，一热膨胀元件(未示出)封闭旁通通道128。该膨胀机构较佳的是安装在定子26上的一双金属元件，但它也可以包括随着温度而变形的蜡制嵌入件。旁通通道128的关闭迫使油流过电机16的间隙126。这不要求通道128弯曲关闭以使流动转向，而是只要关闭得足够多，从而使穿过通道128的流动阻力到达高于穿过间隙126的流动阻力的值即可。
此外，可以使用一控制器130(图7)，该控制器130控制电动液压设备10的速度，以使电机10被液压流体充分地冷却。电机10包括各种开关116(图2)，这些开关在过高的温度下会发生故障或性能可能变差。只要设备10以足够的速度工作，液压流体就以足以冷却电机16和固态开关的速率流过电机16。如果设备10以太低的速度工作，则液压流体在电机16上的流动速率就会不够大。同样，如果设备10以太快的速度工作，则液压流体就无法有效地冷却电机16。因此，控制器130监控设备10的速度和电机16的温度，并对速度进行调节以保证适合的冷却。
或者，可以通过调节在其中流动的电流量来控制电机16的温度。电机16的温度与在其中流动的电流成正比。因此，控制器130可以设计成控制流过电机16的电流的最大值。控制器130还可以把设备10的速度和电机16的温度作为考虑因素。此外，可选择用一控制器130控制电动液压设备10的速度和/或电流，以使液压流体可充分地冷却电机16。电机16包括浸渍过或以其它方式进行绝缘的铜绕组以及固态电源开关(未示出)。这些零件在过高的温度下会发生故障或性能变差。
熟悉本技术领域的人们会理解本发明还具有其它的优点，即具有根据工作状态而沿着一路线有选择地引导液压动力机构的抽吸流的能力。特别是，根据设备或油的温度有选择地引导流动是人们所想要的。更具体地说，所希望的是提供一种控制转子—定子间隙中的液压流体的温度的措施。这是通过设置一种可使油到达泵的入口而不使油涌过间隙的装置来实现的。这可使间隙中的油能加热到减少粘性损耗的程度，但并不加热到会使油性能变差或对电动机造成热损坏。在一个实施例中，这是通过设置一双金属元件以使油能在定子—转子间隙周围旁通来实现的。或者，设置一蜡包膜恒温器或电磁阀。
熟悉本技术领域的人们会理解使本发明的动力设备具有附加的热控制能力方面的益处。因此揭示了一种动力设备的工作模式，其中感受动力设备的温度，并且当检测到过高的温度时，一控制器有选择地使动力设备以降低的功率工作。或者，系统控制器可根据当时的运作经历来估计温度，并在预测到过高的温度时降低工作功率。
因此，可以理解，通过在单个壳体中整合了电机和液压机并进一步使电机浸没在液压流体而实现了一种改进的电动液压设备，该设备的功率提高、成本降低、尺寸减小、安装简化且可靠性增加。

Claims (10)

1.一种电动液压动力设备，该设备包括：
一壳体；
设置在壳体内的一液压动力机构，所述动力机构有一机械动力轴；以及
位于壳体内与液压动力机构相邻处的一电机，所述电机设有固定在液压动力机构的机械动力轴上的一转子。
2.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，还包括一控制器，所述控制器与电机电子通讯，以限制流过电机的电流量。
3.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，壳体充满液压油，用于冷却电机。
4.如权利要求3所述的电动液压动力设备，其特征在于，还包括一控制器，所述控制器与电机和液压机电子通讯，以控制液压机的速度、并从而控制流过电机的液压流体的流动。
5.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，液压动力机构是旋转凸轮式摇摆盘液压泵。
6.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，液压动力机构是一旋转凸轮式径向活塞液压泵。
7.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，电机选择包括以下电机组：交流(AC)电机，直流(DC)电机，感应电机，单相电机，三相电机，多相电机，变换磁阻电机，写入电极电机，永久磁体交流(PMAC)电机，永久磁体直流(PMDC)电机，并励电机，串励电机，复绕式电机、同步电机，独立激励电机，无电刷电机，换向器电机，无刷直流电机以及横向磁通电机。
8.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，还包括与电机相邻并连接至机械动力轴的一第二液压动力机构。
9.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，还包括用于穿过壳体传送电力的一导体件，所述导体包括：
由延伸穿过壳体的通道接纳的绝缘件；
穿过绝缘件的一端螺栓；
使端螺栓和绝缘件相对壳体密封的装置；以及
固定于端螺栓的一紧固螺母，该螺母压缩密封装置以密封从而阻止穿过通道的流体流动的一紧固螺母。
10.如权利要求1所述的电动液压动力设备，其特征在于，机械动力轴设有固定于壳体的锥形直径部分。
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