阅读说明：本技术 一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器 (Electromagnetic auxiliary leather bag type constant-pressure energy accumulator ) 是由 马浩钦 高有山 鲍东杰 左旸 秦泽 王恺 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器,目的是解决传统气囊式蓄能器在液压油充油后期充油困难、造成部分能量无法存储以及在放油后期动力减弱、影响液压系统整体工作性能的技术问题。本发明的蓄能器包括壳体、设于壳体内的弹性体皮囊、设于壳体底部的端盖以及设于壳体顶部的气阀阀座；它还包括永磁体模块、四个线圈绕柱、两根导线以及与导线连接的数控电源；所述永磁体模块内置在弹性体皮囊的底部,所述四个线圈绕柱设在壳体的外壁上,所述每根导线的两端分别以逆时针和顺时针的方式缠绕在位于不同侧的两个线圈绕柱上。该蓄能器能够保证工作过程中输出油压的稳定性,提高蓄能器油液充放效率和能量回收效率,改善液压系统工作性能。(The invention relates to an electromagnetic auxiliary leather bag type constant-pressure energy accumulator, and aims to solve the technical problems that the traditional air bag type energy accumulator is difficult to charge oil in the later stage of oil charging of hydraulic oil, partial energy cannot be stored, the power is weakened in the later stage of oil discharging, and the overall working performance of a hydraulic system is influenced. The energy accumulator comprises a shell, an elastic leather bag arranged in the shell, an end cover arranged at the bottom of the shell and an air valve seat arranged at the top of the shell; the permanent magnet motor also comprises a permanent magnet module, four coil winding columns, two leads and a numerical control power supply connected with the leads; the permanent magnet module is arranged at the bottom of the elastic leather bag in a built-in mode, the four coil winding columns are arranged on the outer wall of the shell, and two ends of each lead are wound on the two coil winding columns on different sides in a counterclockwise and clockwise mode respectively. The accumulator can ensure the stability of output oil pressure in the working process, improve the oil charging and discharging efficiency and the energy recovery efficiency of the accumulator, and improve the working performance of a hydraulic system.)

一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器

技术领域

本发明属于液压传动控制技术与储能技术领域，具体涉及一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器。

背景技术

蓄能器是一种能把具有一定压力能的油液储存在耐压容器里，待需要时再将其释放出来的能量储存装置。蓄能器作为液压系统中的重要辅件，对保证液压系统正常运行、改善其动态品质、保持工作稳定性、延长设备的工作寿命、辅助能源、降低噪声等有着至关重要的作用。

蓄能器按加载方式可分为弹簧式、重力式和充气式。弹簧式和重力式因为其本身的局限性，现在已很少应用，目前使用更为广泛的是充气式蓄能器。充气式蓄能器以波义尔定律为理论基础，利用气体的可压缩性质转换、储存液压油的压力能。

但是，传统的充气式蓄能器在液压油充油后期因油腔压力升高而充油困难，造成部分能量无法存储在蓄能器；在放油后期因气腔压力降低，造成排油压力降低，动力减弱。特别的，当蓄能器排油压力低于系统压力时，蓄能器无法继续对外输出压力油，导致其整体储能密度低，影响液压系统整体工作性能。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器，该蓄能器能够保证工作过程中输出油压的稳定性，提高蓄能器油液充放效率和能量回收效率，改善液压系统工作性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器，它包括壳体、设于壳体内的弹性体皮囊、设于壳体底部的端盖以及设于壳体顶部的气阀阀座；所述弹性体皮囊将壳体内分割成气腔和液腔，所述气阀阀座上安装有与气腔连通的充气阀，所述端盖上设有与液腔连通的油侧接口；

它还包括永磁体模块、四个线圈绕柱、两根导线以及与导线连接的数控电源；所述永磁体模块内置在弹性体皮囊的底部，所述四个线圈绕柱设在壳体的外壁上，其中两个线圈绕柱位于壳体的一侧，另外两个线圈绕柱位于壳体的另一侧，所述每根导线的两端分别以逆时针和顺时针的方式缠绕在位于不同侧的两个线圈绕柱上。

进一步地，所述气腔和液腔内设有压力传感器，所述永磁体模块上设有位移传感器，所述导线上设有霍尔元件。

进一步地，它还包括控制系统，所述控制系统包括PC机、DSP、仿真器、若干转换模块和若干A/D；压力传感器、位移传感器、霍尔元件的输出信号通过转换模块转换后进入A/D，经A/D转换成数字信号输送给DSP，DSP的输出端通过转换模块与PC机的输入端连接，PC机的输出端通过仿真器与DSP的输入端连接，DSP的输出端通过转换模块与数控电源连接。

进一步地，所述永磁体模块由四个两两具有相同磁性的半圆形永磁体组成，每两个磁性不同的永磁体为一组形成一个圆形磁块，两个圆形磁块按照磁性不同的位置上下叠加即构成永磁体模块。

进一步地，所述永磁体的上下端面为弧面结构。

进一步地，所述端盖的上端面为弧面结构，弧面结构的弧度与永磁体的弧度相同。

进一步地，所述充气阀的外面设有气阀防护罩，且气阀防护罩与气阀阀座连接。

进一步地，所述壳体的外部设有线圈保护套。

进一步地，所述气阀阀座通过止动螺母固定在壳体的上端，气阀阀座的下端与壳体上端的内壁之间设有密封圈。

进一步地，所述壳体的上端设有技术指示套。

本发明的有益效果是：

1、本发明蓄能器可以持续输出一定数值范围内的恒定压力油。基于电磁学原理，利用通电状态的导线产生交替磁场，推动永磁体模块移动。通过改变磁场大小和弹性体皮囊内气体容量，可以改变永磁体模块的运动状态，实现蓄能器输出恒压油液的效果。

2、本发明中的永磁体模块的移动位置人为可控。在本发明蓄能器放油过程中，可以控制永磁体模块的位置，使其外部包裹的弹性体皮囊外表面与本发明蓄能器底部端盖的上端面贴合，增加了蓄能器的有效容积。在本发明蓄能器充油过程中，通过掌握永磁体模块的位置信息，可以避免永磁体模块过度挤压弹性体皮囊，缓解弹性体皮囊内部气体压力过高的问题，从而延长了弹性体皮囊的使用寿命，提高了设备安全性。

3、本发明可以将液压能转换为气体压力能和电能，提高能量回收效率。在本发明蓄能器充油过程中，包裹于弹性体皮囊中的永磁体模块基于物理学电磁感应原理，可以在导线形成的闭合电路中产生感应电动势，用以回收电能。受压缩的弹性体皮囊可将液压能转换为气腔内气体的压力能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为图1中A-A方向的剖视图；

图4为图1中B-B方向的剖视图；

图5为本发明永磁体模块的结构示意图；

图6为本发明永磁体模块的运动原理示意图；

图7为本发明控制系统原理图。

图中：1-气阀防护罩，2-充气阀，2.1-气阀密封帽，2.2-气阀阀芯，2.3-密封垫圈，2.4-充气阀体，3-气阀阀座，4-止动螺母，5-技术指示套，6-密封圈，7-壳体，8-弹性体皮囊，9-气腔，10-线圈保护套，11-导线，12.1、12.2、12.3、12.4-线圈绕柱，13-永磁体模块，13.1-永磁体S，13.2-永磁体N，13.3-永磁体N，13.4-永磁体S，14-液腔，15-O型密封圈，16-垫圈，17-螺纹环，18-螺钉，19-油侧接口，20-端盖。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示，本实施例所述的一种电磁辅助皮囊式恒压蓄能器，它包括壳体7、设于壳体7内的弹性体皮囊8、设于壳体7底部的端盖20以及设于壳体7顶部的气阀阀座3；所述气阀阀座3通过止动螺母4固定在壳体7的上端，气阀阀座3的下端与壳体7上端的内壁之间设有密封圈6，能起到密封作用。

所述弹性体皮囊8将壳体7内分割成气腔9和液腔14，所述气阀阀座3上安装有与气腔9连通的充气阀2，所述充气阀2与气阀阀座3采用螺纹连接，通过充气阀2为弹性体皮囊8充入气体。

所述充气阀2包括气阀密封帽2.1、气阀阀芯2.2、密封垫圈2.3、充气阀体2.4四部分。所述气阀密封帽2.1与所述气阀阀芯2.2采用螺纹连接。所述气阀密封帽2.1可以将所述气阀阀芯2.2内部气阀通道与外界环境隔离起来，保证所述气腔9工作时为密闭容积。所述充气阀体2.4的外侧面与所述气阀阀座3的内侧面采用螺纹连接，且所述气阀阀座3的外螺纹与所述止动螺母4进行螺纹连接，完成所述充气阀2在所述壳体7上的安装及位置固定。特别的，所述充气阀体2.4与所述气阀阀座3之间利用所述密封垫圈2.3进行密封。

所述充气阀2的外面设有气阀防护罩1，且气阀防护罩1与气阀阀座3之间采用螺纹连接。所述气阀防护罩1可以在本发明蓄能器非充气状态时保护所述充气阀2，减少工作环境和使用过程中对所述充气阀2造成的损坏。

所述端盖20与壳体7的底部内壁之间采用螺纹环17连接，螺纹环17可以通过螺钉18与外部设备连接，固定本发明蓄能器的空间位置。

所述端盖20与壳体7下端内壁配合的表面开设有凹槽，凹槽内设置O型密封圈15与垫圈16，可以起到密封作用，防止油液泄漏。

所述端盖20上设有与液腔14连通的油侧接口19，通过油侧接口19与液压系统相连接。

优选的，所述端盖20的上端面为弧面结构，弧面结构的弧度与永磁体的弧度相同。此设计的优点在于，端盖20的上端面可以与弹性体皮囊8的下端充分贴合，使蓄能器液腔排出油液的效率更高。

所述壳体7的上端设有技术指示套5，用来标识该蓄能器基本工作参数信息。

如图3和图4所示，本发明蓄能器还包括永磁体模块13、四个线圈绕柱12.1、12.2、12.3和12.4、两根导线11以及与导线11连接的数控电源；所述永磁体模块13内置在弹性体皮囊8的底部，所述永磁体模块13由四个两两具有相同磁性的半圆形永磁体13.1、13.2、13.3和13.4组成，每两个磁性不同的永磁体13.1和13.2或13.3和13.4为一组形成一个圆形磁块，两个圆形磁块按照磁性不同的位置上下叠加即构成永磁体模块13，圆形磁块的大小略小于所述壳体7的内截面，但不影响弹性体皮囊8在本发明蓄能器工作过程中的膨胀或收缩。

如图5所示，所述永磁体13.1、13.2、13.3和13.4的上下端面为弧面结构，上下端面的弧度相同且棱边倒圆角。此设计的优点在于，在弹性体皮囊8体积膨胀或收缩过程中，弧面结构更容易和弹性体皮囊8贴合，避免尖锐棱角划伤或刺破弹性体皮囊8，影响弹性体皮囊8的使用寿命。

优选的，所述永磁体采用稀土永磁材料制成。此设计的优点在于，此材料磁性能佳、机械性能好、精确度高、形状自由度大、比重轻，可以使本发明蓄能器获得较高的灵敏度。

所述四个线圈绕柱设在壳体7的外壁上，其中两个线圈绕柱12.1和12.3位于壳体7的一侧，另外两个线圈绕柱12.2和12.4位于壳体7的另一侧，所述每根导线11的两端分别以逆时针和顺时针的方式缠绕在位于不同侧的两个线圈绕柱12.1和12.2或12.3和12.4上。此设计的优点在于，交替缠绕的导线11通电以后可以产生交替改变磁极方向的多个磁场。

如图6所示，以所述线圈绕柱12.1和12.2为例，所述导线11以上文所述的特定方式缠绕于所述线圈绕柱12.1与所述线圈绕柱12.2之间。需要特别说明的是，图6所示为本发明永磁体模块的运动原理示意图，图中以一条导线11为例，阐述本发明永磁体运动的原理。实际应用中可采用多条所述导线11遵循图6所示原理和方法在所述线圈绕柱上缠绕并结合电源构造出多个缠绕方向不同的电磁线圈，通电状态的电磁线圈的磁极方向遵循物理学安培定则。

具体而言，当本发明蓄能器的使用场合需要所述液腔14的油液压力较低时，在所述气腔9内气体质量固定的前提下，可以采取减小导线11中通过的电流和电压的措施，由此来减小导线11通电后产生的磁场强度，相应的，减小了永磁体模块13在磁场中受到的力，所述液腔14油液的压力也随之改变。当本发明蓄能器使用场合需要所述液腔14的油液压力较高时，可以增大导线11中通过的电流和电压，由此来增加磁场强度，增大永磁体模块13在磁场中受到的力，所述液腔14内油液的压力也随之改变。当本发明蓄能器的使用场合所需液压油的压力值超过调整磁场强度所能达到的液压油压力范围时，可以改变所述气腔9内气体的压力来满足需求。但应注意到，为保证所述弹性体皮囊8的工作性能，所以所述气腔9内的气体压力存在一个数值区间，因而本发明蓄能器输出的工作压力也存在一个数值区间。

所述壳体7的外部设有线圈保护套10，可以保护其内部导线11，也可以防止设备运行时工作人员触电，提高设备安全性。

所述气腔9和液腔14内设有压力传感器，所述永磁体模块13上设有位移传感器，所述导线11上设有霍尔元件。

本发明的蓄能器还包括控制系统，所述控制系统包括PC机、DSP、仿真器、若干转换模块和若干A/D；压力传感器、位移传感器、霍尔元件的输出信号通过转换模块转换后进入A/D，经A/D转换成数字信号输送给DSP，DSP的输出端通过转换模块与PC机的输入端连接，PC机的输出端通过仿真器与DSP的输入端连接，DSP的输出端通过转换模块与数控电源连接。

以下结合图7，阐述本发明蓄能器控制原理：

PC机主要完成采集数据的显示，DSP输出信号经过转换模块传递给PC机，PC机将采集的数据显示出来。同时PC机还可以完成DSP程序编写，通过仿真器下载到DSP中。

DSP有四路输入：所述液腔14中的压力传感器检测所述液腔14中的油液压力；所述气腔9中的压力传感器检测所述弹性体皮囊8内的气体压力；所述永磁体模块13的位移传感器检测所述永磁体模块13的位移；霍尔元件检测所述导线11通电后产生的磁场大小。各传感器输出的信号通过转换模块、A/D，传递给DSP。

DSP根据预设程序输出信号，经转换模块转换信号，控制数控电源的工作状态，数控电源的电流和电压决定所述导线11的通电状态。根据物理学安培定则，所述导线11通电后产生的磁场与所述弹性体皮囊8中包裹的所述永磁体模块13相互作用，驱动所述永磁体模块13运动。

本发明蓄能器在充能和放能时具有不同的工作模式。

本发明蓄能器放能时，若需要较高的油液压力，DSP控制数控电源的输出，进而控制所述导线11产生相应的磁场，驱动所述弹性体皮囊8中包裹的所述永磁体模块13，为所述气腔9中下降的气体压力提供补充，使所述液腔14中油液的液压保持恒定。若需要的油液压力较低，可以通过改变所述弹性体皮囊8内的气体容量和所述导线11通电状态，实现输出恒压油液的工作目标。特别的，当实际工作中发生紧急状态时，例如所述充气阀2丧失密封性能，所述导线11通电产生的磁场可以继续驱动所述永磁体模块13，使所述液腔14继续输出具有一定压力的液压油，减少因事故产生的财产损失。

具体而言，假设所述气腔9内的气体物质的量固定，定义本发明蓄能器所述气腔9工作状态下体积最小时的气体压力为气体最高工作压力。定义本发明蓄能器所述气腔9工作状态下体积最大时的气体压力为气体最低工作压力。定义本发明蓄能器工作状态下所输出的恒定油液压力为所需油液压力。

当所需油液压力低于气体最低工作压力时。DSP控制数控电源使所述导线11断电，且所述导线11根据特定的缠绕方式形成多个独立的闭合回路。所述永磁体模块13受所述弹性体皮囊8推动，改变了空间位置。根据物理学法拉第电磁感应定律，所述导线11形成的多个独立的闭合回路中产生感应电动势，将所述能转换为了电能，可以储存起来。在此工作状态下，改变闭合回路回收的电能的量，就可以使所述液腔14输出恒定的液压油。这样，气体的压力能就转换成了电能和液压系统所需的压力能。若气体具有的压力能大于本发明蓄能器所能存储的电能和液压系统所需的压力能之和，则DSP控制数控电源，使所述导线11通电，控制所述永磁体模块13的运动状态，使所述永磁体模块13阻碍所述弹性体皮囊8膨胀，消耗气体具有的压力能，使所述液腔14输出恒定压力的油液。

当所需油液压力介于气体最高工作压力和气体最低工作压力之间时。本发明蓄能器工作状态按照所述气腔9内气体的实时压力大小分为两部分。当所述气腔9内气体的实时压力小于等于气体最高工作压力同时大于所需油液压力时，DSP控制数控电源使所述导线11断电，且形成多个独立的闭合回路用以回收电能。当所述气腔9内气体的实时压力小于等于所需油液压力同时大于等于气体最低工作压力时，DSP控制数控电源的输出，使所述导线11通电产生相应的磁场，驱动所述弹性体皮囊8中包裹的所述永磁体模块13，为所述气腔9中下降的气体压力提供补充，使所述液腔14中油液的液压保持恒定。

当所需油液压力高于气体最高工作压力时，DSP控制数控电源的输出，使所述导线11通电产生相应的磁场，驱动所述弹性体皮囊8中包裹的所述永磁体模块13，为所述气腔9中下降的气体压力提供补充，使所述液腔14中油液的液压保持恒定。

本发明蓄能器充能时，所述导线11断电，且形成多个独立的闭合回路。所述永磁体模块13受所述液腔14中的液压油推动，改变了空间位置。根据物理学法拉第电磁感应定律，所述导线11形成的多个独立的闭合回路中产生感应电动势，将液压能转换为了电能。同时，所述液腔14中的液压油挤压所述弹性体皮囊8，液压能转换为所述弹性体皮囊8内气体的压力能。改变所述导线11的回路通断状态和所述弹性体皮囊8内气体的压力状态，可以根据工作需要，选择回收能量的具体形式。

由此可见，本发明蓄能器具有输出压力恒定，有效容积大、工作参数范围广、工作寿命长、反应灵敏、能量回收率高等优点，可广泛应用于多种工作场合的液压系统中。

综上所述，结合常规液压蓄能器实际工作过程，阐述本发明蓄能器具体工作原理如下：

当本发明蓄能器接入液压系统，并输出压力油时。根据气体波义尔定律，所述弹性体皮囊8中的气体体积增加，气体压力下降，同时所述液腔14中的油液受到的压力下降。所述气腔9内的压力传感器检测到压力下降，将信号通过转换模块、A/D，传递给DSP芯片。DSP根据内部程序，输出信号，经过转换模块，控制数控电源。数控电源根据指令输出特定电流、电压。根据物理学安培定则，通电状态的所述导线11产生磁场与所述永磁体模块13相互作用，驱动所述永磁体模块13运动。

所述永磁体模块13运动情况如图6所示，以永磁体13.3为例进行说明。

某一刻所述导线11通电时产生的磁场状态如图6所示，所述永磁体13.3受前方异性磁极吸引、后方同性磁极排斥，产生了向前运动的趋势并向前移动一定位移到达新的位置。在下一时刻，DSP控制数控电源正负极互换，所述导线11通电后产生的磁场状态逆转，所述永磁体13.3在新的位置依然受前方异性磁极吸引、后方同性磁极排斥。这样，所述永磁体13就可以一直向前运动，并最终使永磁体模块13带动弹性体皮囊8与所述端盖20贴合。根据物理学原理，DSP通过控制数控电源，改变数控电源输出的电压、电流，可以产生不同强度和磁极方向的磁场，相应的就可以改变所述永磁体13.3所受力的大小和方向。所述永磁体模块13不同的运动状态可以弥补由所述气腔9内气体体积膨胀造成的所述液腔14内油液压力下降，使得所述液腔14内的油液达到恒定的压力值，以此来实现本发明蓄能器工作过程中输出恒压液压油的目标，并提高了蓄能器的容积效率。同时，依上述方法改变所述永磁体13模块的受力大小和方向，或改变所述弹性体皮囊8中气体含量，也可以改变所述液腔14内油液输出的恒定压力值的大小，因此本发明工作参数范围广，可应用与多种场合。

当本发明蓄能器接入液压系统，并吸收压力油时。DSP输出信号，通过转换模块，控制所述导线11断电，使所述导线11根据不同的缠绕方式形成多个独立的闭合回路。液压系统中的液压油通过所述油侧接口19进入本发明蓄能器所述液腔14，推动所述永磁体模块13移动并挤压所述弹性体皮囊8。由于所述永磁体模块13产生位移，根据物理学法拉第电磁感应定律，改变了磁场穿过所述导线11形成的闭合回路的磁通量，所述导线11形成的闭合回路中就会产生感应电动势，可以回收储存起来。这样，进入本发明蓄能器所述液腔14的油液的部分压力能就转换为了电能。同时所述弹性体皮囊8受到所述永磁体模块13挤压，根据气体波义尔定律，所述弹性体皮囊8内的气体体积减小，压力上升。进入本发明蓄能器液腔14的油液的部分压力能就转换为了气体的压力能。当不需要将液压能转化为电能时，DSP控制所述导线11为断路状态，则本发明蓄能器只回收油液的压力能。

特别的，当所述弹性体皮囊8采用磁性橡胶材料制作时，所述磁性橡胶弹性体皮囊其职能相当于本发明中的弹性体皮囊8和所述永磁体模块13职能的结合，但其工作原理和工作方式未作改变，所以本发明不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。应当理解，以上的描述意图在于说明而非限制。