阅读说明：本技术 一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统 (Liquid-electricity hybrid power system based on magnetic force lead screw ) 是由 张丽慧 夏永明 方攸同 卢琴芬 颜文俊 郑军 袁国堂 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统,包括液压缸和电动机；所述液压缸包括缸体和活塞杆；所述活塞杆包覆有动子永磁体并定义为磁力丝杆动子,所述动子永磁体呈螺旋形；所述磁力丝杆动子外可转动地套设有磁力丝杆转子,所述磁力丝杆转子包括转子永磁体,所述转子永磁体呈螺旋形；所述电动机用于驱动所述转子永磁体转动。本发明一方面通过液-电混合的驱动方式提升了驱动效率,另一方面提升了节能回收的效率。(The invention discloses a magnetic lead screw-based hydraulic-electric hybrid power system, which comprises a hydraulic cylinder and a motor, wherein the hydraulic cylinder is connected with the motor through a hydraulic cylinder; the hydraulic cylinder comprises a cylinder body and a piston rod; the piston rod is coated with a rotor permanent magnet and defined as a magnetic lead screw rotor, and the rotor permanent magnet is spiral; the magnetic screw rotor comprises a rotor permanent magnet, and the rotor permanent magnet is spiral; the motor is used for driving the rotor permanent magnet to rotate. According to the invention, on one hand, the driving efficiency is improved through a liquid-electricity hybrid driving mode, and on the other hand, the energy-saving recovery efficiency is improved.)

一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统

技术领域

本发明涉及挖掘机动力技术领域，具体涉及一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统。

背景技术

中国属于基建大国，挖掘机被大量使用，挖掘机的能效直接关系到能源利用率与环境保护，因此，挖掘机节能研究始终属于产业研究重点。

传统的液压缸挖掘机采用势能回收的方式提高节能效率，若不采用势能回收，在挖掘机臂下落的过程中，挖斗内重物降落过程中势能降低，该势能被转换为液压缸内油的热能，使温度升高，具体的，挖斗内重物下降过程中，为了控制下降速度，液压缸必须产生一个与重力方向相反的力，重物下降将油压出油缸，控制压出阀门的大小，控制压出流量，压出的过程油温升高。而在具有势能回收的挖掘机中该势能被回收转变为电能，可以再次利用，具体的，传统的液压缸挖掘机在原液压缸的基础上，再增加一个油缸，该油缸与液压发电机组成势能回收系统；液压缸的活塞杆下移过程中出油控制阀门可以打开至最大，出油的阻力来自液压发电机，发电电流越大阻力越大，这个过程会把重物势能转换成电能。

而混合动力挖掘机节能方法有：回转电机取代液压泵，回收回转动能；回收动臂势能储能并再利用；采用高效发动机；提高能量分配管理和降低液压损耗等。

然而，目前仅在回转机构上实现了电动，挖掘机臂仍采用液压驱动。液压驱动的低效极大限制了挖掘机效率的进一步提高，挖掘机臂无法使用混合动力节能成为混合动力挖掘机亟待解决的问题。

目前，存在的一个迫切需要解决的问题是挖掘机臂无法采用电动或者混合驱动节能，突破30％节能瓶颈。尽管电缸在越来越多场合替代了液压缸，例如Volvo在其概念机EX2中也采用了电缸，然而，目前的电缸技术已被证实无法适应挖掘机的恶劣工作环境。

尽管电缸在许多场合下有逐渐取代液压缸的趋势，但在挖掘机中，仍无法取代液压缸。主要原因有：1、易损坏，堵载工况极易损坏滚珠丝杆；2、难集成，滚珠丝杆的螺旋槽无法与满足密封要求的液压缸活塞杆相集成；3、回收能效低，高载荷电缸中的小螺距丝杆无法实现直线运动至旋转运动的高效转换，即若采用电缸，在动力臂下降过程中，将无法实现势能至电能的高效转换。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统，以实现重载或恶劣工况下的混合动力驱动方式，并解决混合动力的挖掘机无法实现高效节能的问题。

为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统，包括液压缸和电动机；

所述液压缸包括缸体和活塞杆；

所述活塞杆包覆有动子永磁体并定义为磁力丝杆动子，所述动子永磁体呈螺旋形；

所述磁力丝杆动子外可转动地套设有磁力丝杆转子，所述磁力丝杆转子包括转子永磁体，所述转子永磁体呈螺旋形；

所述电动机用于驱动所述转子永磁体转动。

进一步地，所述转子永磁体内表面任意位置沿轴向包括至少一个N极和至少一个S极。

进一步地，所述转子永磁体和动子永磁体在平衡位置时，所述转子永磁体内表面的N极与所述动子永磁体的S极位置一一对应；所述转子永磁体内表面的S极与所述动子永磁体的N极位置一一对应。

进一步地，所述磁力丝杆转子还包括转子外壳，所述转子外壳呈圆环状，所述转子永磁体设置于所述转子外壳的内壁上。

进一步地，所述转子外壳采用导磁材料制成。

进一步地，所述转子外壳通过轴承可转动地设置于所述缸体靠近活塞杆的一端，使得所述磁力丝杆转子套设于所述磁力丝杆动子外。

进一步地，所述电动机的输出端与所述磁力丝杆转子通过皮带或齿轮传动。

进一步地，所述电动机固定设置于所述缸体外侧。

进一步地，所述活塞杆采用实心导磁材料制成。

进一步地，所述磁力丝杆动子外套设有不锈钢管。

本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：

1、本发明通过磁力丝杆的结构实现了挖掘机中液-电混合的驱动方式，克服了机械丝杆与液压动力难以混合的难题，机械丝杆在动力传动过程通过的是机械刚性接触，在动力过程中很难分别控制电动力与液压力；机械丝杆在重载下极容易损坏，不适合在挖掘机恶劣工况下；机械丝杆在小极距下，无法实现直线运动到旋转运动的转换。而磁力丝杆采用无机械接触式磁力传动，堵载工况下更稳定；并且易集成，磁力丝杆没有螺旋槽，易与液压缸活塞杆相集成。

2、本发明安全性高，结合两种不同的动力源，在一种动力源失效的情况下，仍能由另一种动力源驱动。

3、本发明通过引入磁力丝杆，具备了机械丝杆所不具备的能效可回收性，磁力丝杆在小导程下，仍具有直线运动至旋转运动转换的高效性。

4、本发明可通过液压缸和电机的双节能，解决束缚挖掘机效率进一步提升的挖掘机臂无法使用混合动力节能的瓶颈问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、缸体；2、电动机；3、磁力丝杆动子；4、磁力丝杆转子；5、动子永磁体；6、转子永磁体；7、轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。

实施例：一种基于磁力丝杆的液-电混合动力系统，如图1所示，包括液压缸和电动机2，其中液压缸包括缸体1和活塞杆，缸体1内的液压油可推动活塞杆做轴向移动。

活塞杆外包覆有动子永磁体5，形成磁力丝杆动子3，磁力丝杆动子3外包覆有不锈钢管(图中未示出)，该不锈钢管用于保护及加固动子永磁体5。磁力丝杆动子3外套设有磁力丝杆转子4，磁力丝杆转子4包括转子外壳和固定设置于转子外壳内壁的转子永磁体6。

上述结构中，磁力丝杆转子4通过轴承7可转动地设置于缸体1靠近活塞杆的一端，使得磁力丝杆转子4套设于磁力丝杆动子3外，并与磁力丝杆动子3间保留一定间隙。电动机2的输出端通过皮带与磁力丝杆转子4传动，电动机2工作时，带动磁力丝杆转子4转动。

在本发明的其它实施例中，电动机2与磁力丝杆转子4也可以是通过齿轮传动。

具体而言，本实施例中活塞杆和转子外壳均采用实心导磁材料制成，例如碳钢等。动子永磁体5和转子永磁体6均呈N极和S极依次交替的螺旋形，其中转子永磁体6内表面任意一点沿轴向可以包括一个N极和一个S极，也可以包含多个依次交替的N极和S极。

本发明中，当磁力丝杆转子4和磁力丝杆动子3处于平衡位置时，转子永磁体6和动子永磁体5的导程相同，转子永磁体6的N极与动子永磁体5的S极一一对应，转子永磁体6的S极与动子永磁体5的N极一一对应，此时磁力丝杆动子3上不产生任何轴向力。

本实施例中动子永磁体5和转子永磁体6可以由小永磁体拼装而成，也可以由特殊加工工艺加工而成，如本发明的发明人参与设计的中国发明专利：一种永磁体丝杆装置及其拼装方法(专利号为CN201510668709.3)。

本实施例中，当磁力丝杆转子4在电动机2带动下转动一个角度时，转子永磁体6的N极或S极将在轴向上移动一个位移，则转子永磁体6将吸引动子永磁体5产生一个轴向的拉力。配合液压驱动方式，可实现挖掘机的液-电混合的动力系统，利用高效电驱动提升液压驱动效率，同时保持液压驱动优点，解决传统电缸机械丝杆无法适应挖掘机应用问题。本发明利用磁力丝杆非机械磁力传动，有机结合液压传动与电传动；磁力丝杆力密度可高达225kN/m²，可确保混合缸结构紧凑；其力与转矩比达到300，输出力与液压力相当，确保液压缸与电机额定工作范围匹配。

本发明在挖掘机轻负荷工作时，可以仅采用电驱动；在超重负载时，可以液压和电动同时采用；在生活区工作时，可以采用电驱动，降低噪声。

本发明除了能够提升驱动效率，在势能回收方面也具有优势。液压缸的势能回收可采用背景技术中所提到的传统方式，该传统的液压发电机势能回收方法已经得以商业化，本实施例中不作赘述。本发明的磁力丝杆电驱动方式中，在小导程下，仍具有磁力丝杆动子3的直线运动至磁力丝杆转子4的旋转运动转换的高效性，从而就使得针对电驱动的挖掘机臂势能的高效回收得以有实现的可能。具体的，本实施例中的电动机2可以是电动发电一体机，也可以另外设置一个与磁力丝杆转子4连接的发电机，并且电动发电一体机或发电机连接有蓄电池或电容，用以存储回收的电能；当挖斗内重物下降，磁力丝杆动子回退，带动磁力丝杆转子4高度旋转，进而带动电动发电一体机或发电机进行发电，从而实现势能回收。并且磁力丝杆转子4高速旋转过程中能够在磁力丝杆动子3上产生与重力相反的作用力，阻碍重物下降，控制发电电流大小，可以控制反作用力大小，调节重物下降速度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。