一种直流变量定子永磁式集成动力装置的制作方法

本发明涉及能量转换技术领域，特别是一种直流变量定子永磁式集成动力装置。

背景技术：

液压动力源主要有三种，传统电机-泵组、屏蔽式电机泵和电液泵。前两者都是采用电机与液泵靠联传动轴器连接的方式，这种方式会带来许多的缺点：联轴器不同心带来的噪声和振动；轴向排布使得其体积和质量较大；多处连接和配合使得可靠性降低，有泄漏的风险；效率也很低。而且只能输出液压能，不能输出机械能以及能量之间的转换。

现有技术中，常见的是一种或者两种不同形式主要能量之间的转换的工具，在不同的工况、远距离户外作业或者选购备用工具中，往往需要采购多种类型的工具，大大提高了运输、采购以及资金需求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种直流变量定子永磁式集成动力装置，将直流电机与轴向斜盘式柱塞泵高度集成，电机转子与缸体变为一个整体，利用斜盘柱塞泵柱塞的往复运动，实现机械能与液压能之间的转换，转子线圈旋转切割磁感线实现电能和机械能之间的转换，液压能与电能之间的转换是通过机械能间接转换，利用变量系统调节排量，即将电机的转子和泵的转子合二为一，巧妙地结合起来，省去电机和泵的机械联结，定子采用直流励磁的方法增加磁场强度结构紧凑，传递效率高，而且机电液三种能量可以根据不同的需求任意转化和灵活调节，结构简单，工作噪声小，体积小，运行更稳定安全，适于远距离户外作业和选购备用工具。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种直流变量定子永磁式集成动力装置，包括支撑系统，还包括与支撑系统连接的机械能转化系统、液压能转化系统、变量系统和电能转化系统；

所述支撑系统包括壳体、后盖、上油路、下油路、密封圈和配流盘；壳体内设有一空腔，空腔开口一端依次设有配流盘和后盖，配流盘设有两配流窗口，两配流窗口分别与后盖内的上油路和下油路连通；

所述机械能转化系统包括传动轴、前轴承和后轴承，所述前轴承和后轴承分别固定设置在支撑系统内，传动轴的两端分别与前轴承和后轴承连接，且传动轴的动力端/输出端从壳体上的圆孔穿出；

所述液压能转化系统包括斜盘、回程盘、缸体、柱塞、缸套、滑履、压紧弹簧和球面弹簧座；所述球面弹簧座与传动轴连接，回程盘通过球面副与球面弹簧座接触，且回程盘内嵌套滑履，滑履的底面与斜盘的楔面接触，斜盘的两相对侧面均固定设有一支撑轴，两支撑轴对应安装在壳体上的支撑孔内，两支撑轴的轴线在一条直线上，且与传动轴的轴线垂直；所述缸体与传动轴固定连接，且与配流盘滑动连接，缸体与球面弹簧座之间设有压紧弹簧，沿缸体的轴线周向均匀分布有至少两个柱塞孔，柱塞孔内嵌有导套，导套内设置柱塞，柱塞的前端通过球副与滑履连接，柱塞的后端、缸体和配流盘形成泵腔；

所述变量系统包括调节缸、铰链、联接块、回程弹簧、调节柱塞和调节螺栓；所述调节缸固定设置在支撑系统内，调节缸内设置调节柱塞，调节柱塞的一端连接调节螺栓，调节螺栓的螺母位于后盖的外侧，所述调节柱塞的另一端通过铰链连接联接块的一端，联接块的另一端与固连在壳体上的回程弹簧连接，联接块与斜盘的一端球连接；

所述电能转化系统包括弹性体、电刷、换向器、转子线圈和两内表面为圆弧形永磁体；两所述永磁体在壳体内腔对称分布，且两永磁体的n极和s极相对，转子线圈嵌装在缸体的外柱面，转子线圈的一端连接两固连在缸体上的换向器，壳体的内壁固连两弹性体，弹性体上设有电刷，电刷与内表面与换向器外表面半径相等，电刷上有与外界连接的导线。

优选的，所述传动轴的中部设有外花键，外花键分别与缸体和球面弹簧座的内花键啮合。

优选的，所述壳体与传动轴的连接处设有密封圈，壳体的支撑孔上嵌有密封盖，支撑孔内嵌有轴瓦。

优选的，所述前轴承和后轴承是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承。

优选的，所述柱塞孔与导套过盈配合。

优选的，所述转子线圈的数量至少有六个，且各转子线圈之间绝缘。

优选的，所述泵腔内的流体是液体或者气体。

优选的，所述柱塞孔的数量是八个。

优选的，所述回程弹簧内设有支撑柱。

优选的，所述调节缸的一部分嵌装在壳体内，另一部分嵌装在后端盖内。

利用本发明的技术方案制作的一种直流变量定子永磁式集成动力装置，其有益效果是：实现了机械能、液压能和电能三者之间两两相互转化，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。本发明采用整体设计的思想，巧妙地实现了机电液的耦合和对应能量的相互转化，设计了调节排量的变量系统，机电液三种能量可以根据不同的需求任意转化和灵活调节，省去了电机和泵的机械联结，结构紧凑、能量转换率高，工作噪声小，体积小，运行更稳定安全，适于远距离户外作业和选购备用工具，应用需求和产业化前景广阔。

附图说明

图1为本发明一种直流斜盘变量定子永磁式集成动力装置剖开后的主视图；

图2为本发明一种直流斜盘变量定子永磁式集成动力装置剖开后的左视图；

图3为本发明一种直流斜盘变量定子永磁式集成动力装置斜盘固定图。

以上各图中，1、传动轴；2、密封圈；3、前轴承；4、壳体；5、斜盘；6、回程盘；7、；8、弹性体；9、电刷；10、换向器；11、转子线圈；12、缸体；13、配流盘；14、上油路；15、后盖；16、后轴承；17、下油路；18、柱塞；19、缸套；20、永磁体；23、滑履；24、调节缸；25、压紧弹簧；26、球面弹簧座；27、铰链；28、联接块；29、回程弹簧；30、调节柱塞；31、调节螺栓；32、密封盖；33、轴瓦。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种直流变量定子永磁式集成动力装置，包括支撑系统，还包括与支撑系统连接的机械能转化系统、液压能转化系统、变量系统和电能转化系统。

支撑系统包括壳体4、后盖15、上油路14、下油路17、密封圈2、配流盘13、密封盖32和轴瓦33。下根据图1-2所示的方位进行描述，壳体4是主要的支撑与包容件，有两个连通的内腔，小内腔嵌有变量系统的调节缸24的左半部分，大内腔容有液压能转化系统、电能转化系统及机械能转化系统的主要结构件。壳体4的左端有一孔，机械能转化系统的传动轴1从中穿出,该孔与传动轴1为间隙配合；该孔靠左端内壁上加工有环形槽,密封圈2放置其中,防止壳体4内的润滑油外漏；该孔右端为轴承座孔，机械能转化系统的前轴承3装在孔内，前轴承3的外圈与孔呈过渡或过盈配合。壳体4右边是后端盖15，与壳体4可通过螺栓等方式固联。后端盖15左端面、对着壳体4大内腔处固定有配流盘13，连接方式可以是螺钉连接、焊接、粘结等形式。后端盖15内的上油路14、下油路17分别联通到配流盘13的两个配流窗口。后端盖15左端、配流盘13右面中心部位有一轴承座孔，内装机械能转化系统的后轴承16。后端盖15左端、对着壳体4小内腔处有一孔，嵌有变量系统的调节缸24的右半部分，该孔右通一螺纹孔，拧有变量系统的调节螺栓31。壳体4的大内腔壁上固定有电能转化系统的两个永磁体20，两个永磁体20在壳体4大内腔对称分布，间隔角为180度。壳体4的大内腔壁上还固定两个电能转化系统的弹性体8。壳体4的左内腔壁上对着小内腔轴线的位置固定着变量系统的回程弹簧29。壳体4上还有两个支撑孔，孔端嵌有密封盖32，防止润滑油外漏，孔内嵌有轴瓦33，轴瓦33内支撑着液压能转化系统的斜盘5的两个支撑轴。

机械能转化系统包括传动轴1、前轴承3、后轴承16。传动轴1支撑在前轴承3、后轴承16内，与前轴承3、后轴承16的内圈为过渡或过盈配合。传动轴1左端(动力端或者输出端)从支撑系统的壳体4壁面上的圆孔穿出，可与负载或动力装置联结。传动轴1为阶梯轴，左边有一轴肩靠在前轴承3内圈的右沿，防止传动轴1向左移动；右边有一轴肩靠在后轴承16内圈的左沿，防止传动轴1向右移动。传动轴中部有外花键，外花键与液压能转化系统的缸体12、球面弹簧座26的内花键啮合，传动轴1与缸体12、球面弹簧座26同步转动。前轴承4、后轴承16可以是向心推力球轴承或圆锥滚子轴承等。

液压能转化系统包括斜盘5、回程盘6、缸体12、柱塞18、缸套19、滑履23、压紧弹簧25和球面弹簧座26。缸体12总体上呈柱状回转体，右端面与配流盘13接触，可以相对滑动。缸体12内制有内花键孔和多个柱塞孔，内花键孔的内花键与机械能转化系统的传动轴1上的外花键啮合，沿缸体12的轴线周向均匀分布有至少两个柱塞孔，本实施例中，柱塞孔的数量是八个，且相对缸体12轴线周向均匀分布。每个柱塞孔的底部都有一通油孔，一直通到配流盘13的左端面，通油孔到缸体12回转轴线的距离，与配流盘13上的配流窗口到缸体12回转轴线的距离一致。每个柱塞孔的前半部内嵌有导套19，柱塞孔与导套19过盈配合。导套19内是柱塞18，柱塞18与导套19为小间隙配合，导套19对柱塞18有导向和密封作用。柱塞18的右边(后端)、缸体12和配流盘13形成泵腔。柱塞18左端(前端)为球头，通过球铰与滑履23连接形成柱塞-滑履组件，结构与斜盘式柱塞泵的柱塞-滑履组件一致。滑履23的底面与斜盘5的楔面即上表面接触，楔面相对于机械能转化系统的传动轴1的轴线的垂直面有一定角度，该角度称为偏离角。回程盘6内嵌套滑履23且回程盘6与球面弹簧座26通过球面副接触，球面弹簧座26右部有弹簧座孔，内装压紧弹簧25，压紧弹簧25右边是缸体12，压紧弹簧25被球面弹簧座26和缸体12压缩并产生弹力，该弹力通过球面弹簧座26和回程盘6将滑履23始终压靠在斜盘5的楔面上，在参考图3，斜盘5的两相对侧面均固定设有一支撑轴，两支撑轴对应安装在壳体4上的支撑孔内，两支撑轴的轴线在一条直线上，且与传动轴1的轴线垂直，这样斜盘5可以在壳体4和后盖15组成的腔体内与滑履23配合旋转，斜盘5的偏离角及柱塞孔到缸体12回转轴线的距离决定了柱塞18行程的大小，当通过变量系统改变斜盘5的偏离角时，柱塞18的行程改变，本发明的排量也相应改变。缸体12外柱面及右端面开槽以固装电能转化系统的转子线圈11，外柱面上的槽沿外柱面轴线方向且相对外柱面轴线两两对称，每两个对称的槽又通过缸体12右端面的槽连通。配流盘13的结构与斜盘式柱塞泵的配流盘结构一致，有两个腰形配流窗，分别与后盖15内的上油路14或下油路17相通，当一个为进油窗口时，另一个为排油窗口。两个配流窗口之间的间隔宽度应大于柱塞孔右边的通油孔直径，以防上油路14与下油路17连通。

电能转化系统包括弹性体8、电刷9、换向器10、转子线圈11和永磁体20。永磁体20内表面为圆弧，该圆弧与缸体12同轴，外表面固联在壳体4的内壁上。两个永磁体20的n极和s极相对，如一个n极向内，则另一个s极向内，反之亦反之。电能转化系统的转子就是转子线圈11和液压能转化系统的缸体12。转子线圈11嵌装在缸体12外柱面和右端部的沟槽内，在外柱面沟槽内的部分呈180度对置，右端部沟槽内的部分可以各种路径连接，但不能导致液压泄漏。转子线圈11个数越多，电动力矩或产生的感生电压波动越小。转子线圈11的数量至少有六个，且各转子线圈11之间绝缘，本实施例中，转子线圈的数量有六个。转子线圈11左边两端分别连接两个换向器10，各转子线圈11之间绝缘。换向器10固联在缸体12上，与缸体12同步转动，各换向器10外周半径相同，两换向器之间的间隔距离小于电刷9的周向长度。电刷9有两个，其内表面与换向器10外表面半径相等，由于周向长度大于换向器10之间的间隔距离，任何时候至少有一个转子线圈11左端的换向器10与电刷9接触。两个电刷9上有导线引出，可与外边的直流电源正负极或负载连接。电刷9径向固有弹性体8，弹性体8与支撑系统的壳体4的大内腔的内壁固联。另外，本发明泵腔内的流体工作介质可以是油、水、气体等各种流体，实现了机械动力、液压动力和电动力的集成。

变量系统包括调节缸24、铰链27、联接块28、回程弹簧29、调节柱塞30和调节螺栓31。调节缸24为圆筒状结构，调节缸24固定设置在支撑系统内，左半部分和右半部分分别嵌装在支撑系统的壳体4与后盖15的腔孔内。调节缸24内孔装有调节柱塞30，两者小间隙配合。联接块28上有一球窝，与液压能转化系统的斜盘5的控制臂的球头配合。回程弹簧29内设有支撑柱，以避免回程弹簧29弯曲。调节柱塞30的一端连接调节螺栓31，调节螺栓31的螺母位于后盖15的右侧(外侧)，调节柱塞30的另一端通过铰链27连接联接块28的一端，联接块28的另一端与固连在壳体4上的回程弹簧29连接。假定斜盘5楔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17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，通过拧动调节螺栓31，改变调节缸24内的调节柱塞30的位置，再通过铰链27、联接块28带动斜盘5绕其两个支撑轴转动，从而调整偏离角大小和方向。当调节螺栓31向右时，回程弹簧29推动联接块28、铰链27及调节柱塞30右移，使调节柱塞30始终与调节螺栓31底端接触。联接块28带动斜盘5绕其两个支撑轴转动，调整偏离角大小和方向，进而改变本发明的排量和液压油的进出流向。另外，本发明泵腔内的流体工作介质可以是油、水、气体等各种流体，实现了机械动力、液压动力和电动力的集成。

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，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。任意两种能量相互转化是最基本工作模式，其余工作模式是最基本工作模式的衍生。并且，在结构的整体上，采用巧妙地设计思想，并没有因为增加了另外一种形式能量的转换系统而导致动力装置的整体尺寸大幅度增加，尤其体现在将电机的转子和泵的转子合二为一，省去电机和泵的机械联结，定子采用直流励磁的方法增加磁场强度，结构紧凑，传递效率高。

现以电能和液压能同时转化机械能为例说明：

在液压能转化为机械能时，当外界需要的机械能大于液压能所能提供的能量时，，通电产生磁场，进而产生促使传动轴转动的机械能，即两种能量叠加，将电能和液压能同时输出机械能。其他形式能量间的转化与上述相同,在此不做赘述。简而言之，需要的能量超过最大的单一输出能量之后，增加额外叠加的能量来满足需求。

本发明将电能转化为机械能时即为电动机，此时两个电刷9上外接直流电源的正负极，在转子线圈11上产生电流，受电磁场作用进而产生电磁力矩，带动缸体12同步转动，再通过花键驱动传动轴1同步转动对外输出机械能，实现电能向机械能的转化。本发明将机械能转化为电能时即为发电机，此时外部动力驱动传动轴1转动，再通过花键驱动缸体12、转子线圈11、换向器10同步转动，转子线圈11切割磁力线产生感生电压，通过换向器10和电刷9对外输出电能，实现机械能向电能的转化。

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，此时两个电刷9上外接直流电源的正负极，通过换向器10在转子线圈11上产生电流，受电磁场作用进而产生电磁力矩，带动缸体12、柱塞18、滑履23等同步转动，在斜盘5楔面的推力和压紧弹簧25的弹力作用下，柱塞18随缸体12周向转动的同时作轴向往复运动，当柱塞18向左运动时，低压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞18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13上的配流窗口、下油路17(或上油路14)对外输出，实现电能向液压能的转化。本发明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14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞18左移，由于斜盘5固定不动，受斜盘5楔面的推力作用，柱塞18与滑履23便带动缸体12和转子线圈11转动，柱塞18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13上相应的配流窗口，低压油不断由下油路17(或上油路14)流出。转子线圈11切割磁力线产生感生电压，通过换向器10和电刷9对外输出电能，实现液压能向电能的转化。

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1转动，再通过花键驱动缸体12、柱塞18、滑履23等同步转动，在斜盘5楔面的推力和压紧弹簧25的弹力作用下柱塞18往复运动，当柱塞18向左运动时，低压油不断由上油路14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔；当柱塞18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13上的配流窗口、下油路17(或上油路14)对外输出，实现机械能向液压能的转化。本发明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14(或下油路17)进入，经过配流盘13上的配流窗口，进入泵腔，推动柱塞18左移，由于斜盘5固定不动，受斜盘5楔面的推力作用，柱塞18与滑履23便带动缸体12转动，柱塞18转过一定角度后向右移动，泵腔内的液压油经过配流盘13上相应的配流窗口，低压油不断由下油路17(或上油路14)流出。缸体12转动，再通过花键驱动传动轴1同步转动对外输出机械能，实现液压能向机械能的转化。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。