概述：惯性气动马达是一种全新结构的压缩空气动力设备，其结构特征是：中轴是支撑轴不能转动，气缸等工作部件安装在可以转动的支架上，动力是通过与转动支架固定连接的主传动轮来输出，该马达有高能效、低噪音、大功率、低成本等优点。
一; 惯性气动马达的结构及工作原理原理uan达的工作过程是
（1）惯性气动马达的整体结构
气动马达种类较多，有活塞式、叶片式、齿轮式、旋转汽缸式等，而惯性气动马达结构不同于上述的气动马达，其结构如图1
图1
图1中，1气罐，2转动支架，3摆杆，4主传动轮，5汽缸，6传动链，7逆止器，8中轴，9基座，10气体活接头。
图1中，中轴8被基座9固定不能转动，压缩气体是通过气体活接头10送到气罐1内，转动支架2、主传动轮4利用轴承安装在中轴上可以同步转动，汽缸5、气罐1等安装在转动支架2上，中轴8上安装有逆止器7，逆止器7上固定安装有摆杆3，摆杆3顶端与汽缸5活塞杆端连接，汽缸5无杆端盖摆动安装在转动支上。
汽缸5工作时，活塞杆伸出受摆杆3、逆止器7的限制，汽缸5产生向后的运动，推动转动支架2按顺时针方向转动，与转动支架2固定连接的主传动轮4也按顺时针方向转动，通过传动链6输出动力。
（2）单作用循环气缸结构
惯性气动马达的动力由汽缸产生，分布在转动支架上的汽缸是一种特殊结构的单作用循环汽缸，其结构如图2
附图2
图2中，1无杆腔端盖，2缸套，3活塞，4有杆腔端盖，5活塞杆，6中心气门弹簧，7气门，8弹簧顶针。
与一般单作用汽缸不同的是，该汽缸的有杆腔与无杆腔之间的活塞3有中心气孔和气门7，气门7的尾部安装在活塞杆5中，在活塞杆5的中心孔内有一个中心气门弹簧6，当有杆腔和无杆腔的气体压力接近时，中心气门弹簧6会顶开气门7，使有杆腔与无杆腔内的压力趋于一致。气体由无杆腔端盖1进入无杆腔，活塞杆5伸出，压缩气体膨胀做功后，压力下降，气门7开启，在外力的作用下，活塞杆5回位，活塞3快要到达无杆腔端盖1时，由弹簧顶针8提前封闭气门产生气腔压力，避免活塞3撞击无杆腔端盖1，膨胀做功后的气体在有杆腔内被下一次活塞3工作时从有杆腔端盖4排出。这种循环汽缸循环气体件结构有特殊的工作效能。
（3）惯性气动马达的工作过程：
压缩气体通过中轴上的气体活接头送到转动支架上的气罐中，气罐的作用是为了减少管道阻力，为汽缸工作时需要较大的瞬时流量储备压缩空气。压缩空气由可控气阀送入气缸。气缸处于初始状态时，活塞贴近与无杆腔端盖位置，中心气门在弹簧顶针和外置的汽缸弹簧作用力作用下处于闭合状态，当可控气阀开启时，压缩气体从无杆腔端盖面输入，腔内压力增加，活塞杆伸出对外做功，当活塞杆伸出到汽缸行程的1/3.5~1/4.5时（气体压力约0.6MPa），气控阀关闭，压缩气体继续膨胀做功，活塞杆继续伸出向外做功，当压缩气体膨胀到与有杆腔压力接近时，活塞停止做功，在气门弹簧的作用下顶开气门，活塞二侧压力趋于一致，此时活塞杆在外置弹簧力的作用下，活塞杆回位，气体从无杆腔排出到有杆腔内。活塞接近无杆腔端盖时，弹簧顶针提前封闭中心气门，可控气阀再次开启，汽缸进入下一周期做功。
汽缸每次的进、排气使活塞杆往复伸缩做功，由图1知道，由转到支架、主传动轮和和转动支架上的汽缸、气罐、配气机构等组成了一个惯量转动体，当汽缸活塞杆伸出做功时，由于活塞杆受力作用在摇杆上，而摇杆安装在逆止器的外圈上，受逆止器的限制作用，活塞杆的反作用力使转动支架顺时针方向产生切向力，这种切向力一部分被转动支架形成的惯量体吸收，一部分通过主传动轮输出。当活塞做功行程结束时，活塞杆中心气门开启，受外置弹簧力的作用，活塞杆缩会，在活塞杆缩回的过程中，气缸不对外做功，由于转动支架惯量体吸收了汽缸做功而具有惯性力，此时惯性力会维持转动支架转动并继续对外做功。在下一次汽缸做功时，形成一个做功周期。汽缸全程做功使转动支架转动了55~65°，汽缸活塞杆回程时，转动支架在惯性力的作用下继续转动55~65°，汽缸工作一个周期，主传动轮转动角约为120°，汽缸做功的次数与惯性气动马达转动角的关系是120°/次，为使惯性气动马达的工作性能稳定和增大输出功率，转动支架上可以设置多个汽缸组，各汽缸组做功相位错开，使输出功率增加、动力波动幅度减少。
二：惯性气动马达的工作效能
（1）惯性气动马达动力特性：
惯性气动马达没有采用曲轴、连杆等构件，其动力特征如图3
在图3的单组汽缸做功时动力输出F-ω图中，纵坐标为汽缸输出动力值，横坐标为转动支架的转动角度，汽缸产生的动力随活塞的行程而变化，与活塞行程相关联的是转动支架的转动角度，实际效果是随着转动支架角度变化汽缸活塞杆受力也在发生变化。粗实线为汽缸活塞杆的动力曲线，粗实线与横坐标围成的面积为汽缸做功，由于有转动支架惯量体的存在，主传动轮实际动力输出特征为虚线，主传动轮对外做功输出为虚线与坐标围成的面积。
在双组汽缸做功动力输出F-ω图中，二组汽缸错位做功，主传动轮动力做功输出为虚线与坐标围成的面积，其做功为单组汽缸做功的二倍。
（2）汽缸活塞动力转换为转动力矩特性：
汽缸活塞工作是直行运动，而惯性气动马达对外输出的是转动力矩，它们之间的关系如图4所示。
图4
图4（a）中，汽缸开始工作时，活塞杆与摆杆间的初始夹角为100°，图4（b）中，为汽缸活塞杆伸出最大长度时夹角为45°，转动支架所受的切向力FQ
与汽缸活塞杆输出力F之间的关系是正弦角度的关系。
FQ=F*Sinβ (1)
汽缸活塞杆做功和转动支架对外做功由图5所示。
图5
图5中汽缸活塞杆与摇杆的夹角由100°变小为45°，当活塞杆与摆杆夹角为100°时，转动支架所受切向力为活塞杆受力的98.5%，当活塞杆伸出到与摆杆夹角为90°时，气缸活塞杆输出力100%转换为转动支架切向力，当活塞杆伸出到最大位置时，于摆杆夹角为45°，此时转动支架所受切向力为活塞杆输出力的70.7%，由于活塞杆在伸出较长位置时的输出力已经很小了，所以活塞杆输出力尽管转换损失比例较大但损失力的绝对值是较小的。
图5细实线为气缸活塞杆受力曲线，粗实线为转动支架切向受力曲线，二根曲线与坐标围成的面积分别为汽缸做功和转动支架对外做功值，由重积分计算可以算出其面积差值不超过2%，就是说汽缸活塞杆的输出功有98%转换为转动支架的切向力矩。
汽缸做功分为二个行程，即做功行程和排气行程，而做功行程又分为进气做功行程和膨胀做功行程，进气做功行程是可控气阀开启到关闭时气缸活塞杆的做功行程，进气行程为总行程的1/3.5~1/4.0（压力为0.6MPa左右），可控气阀关闭后，汽缸中的压缩空气靠膨胀继续做功，这是一个变容降压做功过程，膨胀做功过程是可控气阀关闭至中心气门开启时气缸活塞杆做功过程，总的做功行程的长度是可变的，这与负载、进气压力、压缩空气的含水量、排气背景压力有关。单从负载的方面看，负载大，进气行程过程中汽缸内压力接近于气源压力，膨胀行程长，负载小，进气压力小，进气行程过程中汽缸内低压气源压力，膨胀行程短。气缸实际做功过程中，活塞行程的长短是不确定的，行程长短的变化总体上对功率输出的影响较小，因为功率的输出是很多气缸多次做功的平均结果。
排气行程是活塞气门开启后，在外置弹簧的作用下活塞的复位过程，当活塞接近气缸无杆端盖时，由无杆端盖上的弹簧顶针顶住气门，提前封闭气门，气门封闭后，由于活塞、活塞杆惯性力的作用，气腔空间进一步缩小致使气腔内压力增加，最终使活塞停止运动，这一过程为排气行程。
（3）惯性气动马达的级：
传统的气动马达通常是在0.5~0.8Mpa的压力下工作，在新能源的开发利用中，通常要将压缩空气提升至更高的压力，如将压缩空气加压至2~20Mpa储能，或将压缩空气加压至30Mpa供空气动力汽车使用等，高压压缩空气的能量利用需要将高压至中压、中压至低压、低压至大气压降压过程中的体积功、膨胀功都利用起来，高压压缩空气的能量才能得到有效利用，这就需要设立不同压力级别的汽缸来做功，这称为惯性气动马达的级。
惯性气动马达中共用一个逆止器的汽缸为一个汽缸组，一个汽缸组只能适合在相同的压力下工作，对于高、中压的压缩空气就需要建立高、中压汽缸组，如果利用20Mpa的压缩空气来产生动力，就需要采用降压比为5.5*6*6的三级汽缸组来工作，当然也可以分为更多的降压梯级，但梯级增加会使设备复杂，这里只是为了说明降压的梯级的方式。20Mpa的压缩空气如果按20Mpa→3.6Mpa→0.6Mpa→0.1Mpa的降压梯级来做功，那惯性气动马达须由三个汽缸组组成，分别工作在不同的压力级别上，其工作原理如图6所示：
图 6
图6中：惯性气动马达的转动支架上安装了三个汽缸组，二个独立的热交换器，二组不同压力的气罐和相关的气控设备等。这些部件均安装在转动支架上，20Mpa压缩空气通过气体活接头送入到转动支架上，首先通过20Mpa高压汽缸组做功，排出气体的背景压力为3.6Mpa左右，暂存在3.6Mpa的气罐内。通过3.6Mpa的热交换器升温后进入3.6Mpa的中压气缸组做功，排出气体的背景压力为0.6Mpa左右，低压压缩空气暂存于0.6Mpa的汽罐内，通过0.6Mpa的热交换器升温后进入0.6Mpa的低压气缸组做功，排出气体背景压力为正常大气压，3.6MPa、0.6 MPa的气罐是压缩空气的缓冲区间，其容积为在给气缸供气时压力幅度波动不大于10%为宜。
由结构看出，每一组汽缸即可以单独工作又可以同时工作，三个汽缸组同时工作输出功率是单组汽缸组工作的三倍，惯性气动马达可以通过调节汽缸进气的频率和汽缸组的独立或协同工作来控制输出功率的，在未来的空气动力汽车发动机的应用中该种处理方式有很大的实用价值。
三：惯性气动马达的参数
气动马达工作的几个主要参数是，输出功率、扭矩、耗气量和转速。
现选几款市场上的气动马达，看看其主要参数。
|
型号
|
功率(kw)
|
转速(r/min)
|
力矩(N.M)
|
耗气量(L/min)
|
厂家
|
|
M11
|
1.0
|
1450
|
6.57
|
1740
|
台湾：通又顺
|
|
M18
|
23
|
1500
|
155
|
25354
|
台湾：通又顺
|
|
MP2250E
|
16.1
|
32~328
|
45.5~48.6
|
19200
|
广州：太恩
|
|
4AN4551
|
1.3
|
3000
|
4.1
|
1700
|
上海：保占
|
气动马达的能耗主要指标为输出功率与耗气量的比值，一定温度、一定体积和一定压力状况下的压缩空气的焓值是固定的，压力为P=0.6Mpa、V=1m3的压缩空气，其体积功与膨胀功之和的做功值为W0.6。
W0.6=PV+PV/(K-1)[1-(P0/P)^0.2857]=1214.8KJ=0.337KWH (1)
公式（1）中，k=1.4为空气绝热膨胀过程指数。
在不考虑其他损耗的情况下，耗气量为7m3/h（1m3、0.6Mpa的压缩空气在正常大气压情况下的体积为7m3）时可以产生0.337kw的功率，即kw耗气量约为5.8L/S。
表1中，功率较大、能效较好的M18气动马达的耗气量为25345L/min，kw耗气量为18.3L/S，能效利用率为31.7%，气动马达做功的主要损耗有管道压力损耗、漏气损耗、尾气损耗和机械摩擦损耗，其中尾气损耗最大，所以气动马达工作时噪音特别大。
惯性气动马达的汽缸工作原理与活塞式膨胀机有相似之处，以活塞式膨胀机PZK14.3/40-6为例，其指标大致如下：
正常情况下 进气压力1.96Mpa，排气压力0.588Mpa，平均产气量365m3/h，转速300r/min，制动电机175kw。
按公式(1)计算，其活塞膨胀机等熵能效约为74.3%。由于活塞式膨胀机的结构复杂，无法作为普通的空气动力设备广泛使用，而只能在制气行业中主要用于制取冷量，其应用范围受限。
惯性气动马达的汽缸做功与活塞膨胀机做功相同，而动力输出架构不同，惯性气动马达的尾气排放损耗和机械动力输出性能优于活塞式膨胀机。所以惯性气动马达的整体性能应优于活塞式膨胀机效能。现以已经制作的一台约11kw的惯性气动马达为例，其结构由二组共六个汽缸组成，二个汽缸组均工作在相同压力状态下，汽缸均为Ф125*180mm，控制转速为80r/min，进气行程为40mm，进气压力为0.6Mpa。理论计算耗气量为4947L/min。按公式（1）计算得到理论做功为13.85kw，综合损耗算15%，其输出功率约为11.77kw，单位kw输出的耗气量约为7L/s ，由此看出惯性气动马达的kw耗气量远比气动马达的kw耗气量要低，当然最终要有试验数据来验证。
（2）转速：
根据压缩空气动力特性显示：汽缸工作频率要处于中、低范围才有很好的能效输出,这是因为汽缸工作频率太快，供气量就要增大，管道阻力会明显增加，进气阀的节流降压效果也会增加，压缩空气进入汽缸做功的能效就会下降，一般情况下汽缸工作频率为5次/S以下，由惯性气动马达的结构可知，汽缸工作1次，主传动轮转动角度约为120°，汽缸按5次/S频率工作，惯性气动马达的转速为100转/min,现试验样机的工作频率约为80转/min,随着对样机的改进和优化，在有负载的情况下转速达到100转/min较为理想。
（3）扭矩：
惯性气动马达的扭矩是一个变数，如果将惯性气动马达旋转一圈所做的功平均分配到转距中去，可以得到一个平均的扭矩力。以上述的惯性气动马达样机为例，当动力输出功率P=11.77kw时，如转速Z=80转/min,由单位时间所做的功的定义推知扭矩力T:
T=P/2ΠZ=1405 N.M (2)
这是平均扭矩力，这个扭矩现对汽车发动机的扭矩力要大很多，但由于其转速有限，所以总功率输出还是较小。
惯性气动马达还有一个最大扭矩力，该扭矩力由所有汽缸在同时受力最大时产生，设该情况下的扭矩力为T1:
T1=6Πr2P0.6 g R=8657 N.M (3)
公式(3)中r为汽缸半径，P0.6为压缩空气压力，g为重力常量。R=0.2M为力臂长度,此扭矩力在启动情况下有特别意义。
（4）重量：
惯性气动马达与传统马达在质量上进行比较不具有优势，这是惯性气动马达的唯一缺点，在相同功率情况下，惯性气动马达的质量、体积数倍于传统的气动马达，随着惯性气动马达的技术成熟，其重量会有所下降。
（5）大功率
惯性气动马达还具有一个明显的优点是可以集成和大功率化，惯性气动马达的集成是将转到支架、气缸、摆杆、逆止器及配气系统做成一个具有一定功率的模块，其配比、尺寸关系都是确定的，根据实际的需求来确定轴和气罐的尺寸，如果需要输出的功率很大，就可以用很多组大功率的模块来配备轴和气罐，而不是每个组件都需要重新设计、制造、加工，用这种方式可以制造的惯性气动马达功率可以达到5~8MW级。
结论：
惯性气动马达是一种全新的压缩空气动力设备，该设备具有以下几个优点。
1.能效较高：
该设备由于采用了逐级变容降压做功和高比例向外输出汽缸做功并使尾气压力损耗降到极小等方式，使压缩空气能效利用率大幅提高。
2.噪音很小：
有于设备转速较慢，尾气排出压力很低，致使噪音大幅度减低，所以该设备在使用中的环境界面很好。
3：经济性好：
它的结构相对简单，技术构成要素不高，对制造加工和材料要求不高，所以其经济性好。
4：大功率：
传统气动马达最大功率为50kw，由于能耗和噪音太大的原因，再增大功率也没有实用价值，而在一个惯性气动马达上，可以集成安装多个汽缸组，可以采用大口径汽缸使功率增加，大口径的汽缸有现成的汽缸可以借用，所以惯性气动马达的大功率化是很容易的做到的。
在新能源的开发利用中，压缩空气由于有容易获取、容易存储、容易输送和洁净环保等优点，在未来的新能源领域中，惯性气动马达作为高效的压缩空气动力设备起到的作用将是难以估量的。
惯性气动马达的样机的视频链接：
http://www.tudou.com/programs/view/rVWrFRoAGDI/
