（机械电子工程专业论文）液压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 液压电机叶片泵将特制电动机与叶片泵泵芯集成一体，形成一种新型液压动力单 元。它具有结构紧凑、噪音小、无外泄漏、效率较高等优点。液压电机泵是当前液压动 力单元发展的重要方向。 本文针对液压电机叶片泵的负载效应和性能试验，采用数值模拟、试验分析和理论 分析相结合的方法进行了深入的研究。建立了液压电机泵的总功率平衡式；建立了液压 电机泵气隙负载转矩的理论分析模型，分析了浸油电机转子半径、浸油电机铁芯长度、 气隙大小、油液粘性、转速、油液粘度对气隙负载转矩的影响；研制出了国内第一台液 压电机叶片泵样机，搭建完成其性能测试试验台，并获得了液压电机叶片泵样机工作性 能的试验数据；通过对液压电机叶片泵样机的容积效率和浸油电机效率的计算，分析出 容积效率和浸油电机效率偏低导致液压电机叶片泵样机总效率降低。通过对泵芯座和聚 四氟乙烯密封圈变形的计算，分析出高压下泵芯座与泵芯的配合间隙偏大和聚四氟乙烯 密封圈密封性能失效是导致液压电机叶片泵样机容积效率下降幅度较大的主要原因；未 按设计要求加工电机及油液粘性损耗是导致浸油电机效率偏低的原因。 论文的主要内容： 第l 章，阐述了本课题研究的背景和意义；概述了液压电机泵的研究及发展概况； 概述了有限元分析方法在电机的分析和设计中的应用现状及其对本课题研究的应用价 值；概括了本论文的主要研究内容。 、 第2 章，提出了一种电机内嵌叶片泵的液压电机泵结构，并阐述了其工作原理，建 立了液压电机泵的总功率平衡式。 第3 章，建立了液压电机泵气隙负载转矩的理论分析模型，推导出了气隙负载转矩 公式，分析了浸油电机转子半径、浸油电机铁芯长度、气隙大小、油液粘性、转速、油 液粘度对气隙负载转矩的影响。同时对浸油电机的性能进行了分析与计算。 第4 章，简述了液压电机叶片泵样机的试验原理及其测试装置。分析了液压电机叶 片泵样机测量系统的误差来源。通过对液压电机叶片泵样机的效率、输出压力、转速、 流量、功率因数与输出功率关系的分析，得出液压电机叶片泵样机运行过程中的主要性 能指标和主要运行参数的变化规律，进而建立了液压电机泵工作特性的分析方法；通过 对叶片泵效率和泵芯座、聚四氟乙烯密封圈变形的计算和分析，分析出泵芯座之间配合 间隙偏大与高压下泵芯座径向变形和泵芯是液压电机叶片泵样机容积效率下降幅度较 大的主要原因。 关键词：液压电机泵；叶片泵；气隙；负载效应；性能试验 液压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验 a bs t r a c t an o v e ld e s i g no fh y d r a u l i cm o t o rp u m p ( 1 茁m 口) i sp r o p o s e dw h i c ht h eh e a r to fv a n e p u m pi si m e g r a t e di nt h ei n t 锄a lo ft h er o t o ro fe l e c t r i cm o t o f h m ph a sm a n ya d v a m a g e s 肌c ha st h ec o m p a c ti nd i m e n s i o i l ，l o w e rn o i s e ，a n dn 0e ) ( t e m a l l e a k a g e ni s 觚i m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nh y d r a u l i cp o w e ru n i ta tp r e s e n t i nt h et h e s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o i l ， e x p e r i m e m a l咖d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s a r e m b i n e dt o g e t h e ft 0i n v e s t i g a t et h ee f r e c to fv i s c o u sl o a d 孤dp e 墒衄a n c et e s tf o rh m p t h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o no f 玎诳i se s t a b l i s h e d t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fa i 卜g 印l o a d t o r q u eo f m 口i sb u i h m a n yf a c t o r sh a v ei n f l u e n c eo nl o a d e dt o r q u ew n ha i r _ g 印，跚c ha s r a d i a lo fr o t o r ，t h es i z eo fa i r - g a p ，l e n 舒ho ft h es t a t o rc o r e ，s p e e do fr o t a t i o na n dv i s c o s i t yo f o i l t h ef i r s tp r o t o t y p eo f 啪i sb u i hu ps u c c e s s f h l l yi nt h ec o u n t 巧n sp e f f o m a n c e t e s t - b e di ss e tu p 锄de x p e r i m e n t sa l r ec a u r r i e do u t t h ei i e s t i g a t i o n ss h o wt h a tt h e r ea r e 锕o m a i nr e a s o n sf o rl a 唱ed e c l i n i n go fv o l u m e t r i ce m c i e n c yo fp r o t o t ”eb yb i gm a r g i nu n d e r l l i g hp r e s s u r e ，o i sf a i l u r e0 fp t f es e a l i n g ，t h e0 t h e ri si 鹕ef i tc l e a r a n c ea n dr a d i a l d e f o m a t i o no nt h es e a to ft h eh e a r to fv a n ep u m pu n d e rh i 曲p r e s s u r e l o we m c i e n c yo f e l e c t r i cm o t o ri si n d u c e db yt h eu i l r e a s o n a b l em a n u f a c t u r eo fe l e c t r i cm o t o ra n dv i s c o u sl o s s o f o i l t h em a i nc o m e n t so ft h et h e s i s ： 1 1 1c h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n d 锄ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i si sp r e s e n t e d t h eh i s t o 巧a n d c u n e mr e s e a r c hp r o 伊e s so nh y d r a u l i cm o t o rp u m pa r er e v i e w e d t h ea p p l i c a t i o no ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oi n v e s t i g a t et h ee l e c t r i cm o t o ri ss u m m a r i z e d l a s t l y ，t h em a i nr e s e 2 u r c h s u b je c t sa r ep r e s e n t e d i i l c h a p t e f2 ，an e wd e s i g no f 卸i sp u tf o n a r d ，肌di t sp r i n c i p l ei sp r e s e m e d t h e e n e i i g yt r a n s f o r m a t i o no f 肿i s s e tu p i nc h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt ot h es t m m l r eo f ，t h et h e o r e t i c a im o d e lo fl o a d e dt o r q u e w i t ha i r g 印i sp r o p o s e d t h ei n n u e n c eo fr a d i a lo fr o t o r ，t h es i z eo fa i r g a p ，l e n 醇ho ft h e s t a t o rc o r e ，s p e e d0 fr o t a t i o n 锄dv i s c o s i t yo fo i lo n1 0 a d e dt o r q u e 谢t ha i r - g a pa r e 锄a l y z e d i i lc h 印t e r4 ，t h et e s tm e t h o do ft h ep r o t o t ) ，p eo fh m p 肌dt e s td e v i c e sa r ei n t r o d u c e d t h es o u r c e so fe r r o ri l lt h ee x p e r i m e m a lm e a s u r e m e ma r ea n a l y z e d t h ep e 而m l a n c e p a r a m e t e r so ft h ep r o t o t y p ea r e 肌a l y z e dm c ha st h ee f f i c i e n c yo fo ft h ep r o t o t y p e ，o u t p u t p r e s 娜r e ，s p e e do fm t a t i o i l a n dp o w e r 触o rv a r y i n gw i t ho u t p u tp o w e r ，e t c b yc a l c u l a t i n g e 硒c i e n c yo ft h eh e a r to fv a n ep u i n pa n dt h ed e f o r m a t i o no f t h es e a ta i l dp t f e ，i tc o n c l u d e s t h a tt h ef a i l u r eo fp t 王吧s e a l i n g ，l 鹕emc l e a r a n c e 锄dr a d i a ld e f o r m a t i o no nt h es e a to ft h e h e 砒o fv a n ep u m pu n d e r h i g hp r e s 眦r ec a nl e a dt od e c r e a s i n gv o l u m ee f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cm o t o rp u m p ； v a n ep u m p ； a i l 。_ g a p ； v i s c o u sl o a de f f e c t ； p e r f b r m a n c et e s t 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：烈、磊日期：叼年 月纱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：刎7 1 年 日期：妒 月夕日 月f 口日 锄伊专临鸳 吃毋 兰州理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章摘要：阐述了本课题研究的背景和意义；概述了液压电机泵国内外的研究及发展概况：概述了 有限元分析方法在电机设计与分析中的应用现状及其对本课题研究的应用价值；概括了本论文的主 要研究内容。 1 1 课题研究的目的及意义 液压技术具有功率密度大、元件布置灵活、控制方便、动态特性好、易于实现直线 运动等突出优点，是现代化传动与控制的关键技术之一【卜3 1 。其应用范围几乎覆盖了各 行各业，如航天、国防、矿山、船舶、建筑、机械、农业、生活与娱乐等诸方面1 4 1 。液 压技术在较大驱动功率的场合如工程机械、启闭装置、压力机和各种自动控制设备等领 域中获得广泛应用。尤其在重载、大功率驱动机电设备和建设机械中，液压传动及控制 技术的应用目前处于垄断地位。 液压动力单元是液压系统的险脏”，是决定液压系统性能的关键部件。目前传统的 液压动力单元主要是“三段式”结构【5 1 ，即由独立的电动机( 或内燃机) 、联轴器和独立 的液压泵构成，这种“三段式”液压动力单元主要存在如下问题： ( 1 ) 体积和重量大：作为液压动力单元核心的液压泵的体积和重量只有同等功率电 动机的1 2 左右，电动机占据整个液压动力单元体积的绝大部分。 ( 2 ) 多处连接及配合降低了能量转化效率和可靠性，增加了动力单元的复杂性。 ( 3 ) 独立电动机中的冷却风扇也使整个动力单元噪声增大。独立的电动机普遍采用 冷却风扇进行空气冷却，由此引入了空气动力性噪声和机械噪声，随着液压噪声控制的 进步，空气动力噪声对整个液压动力单元的影响日益突出。 ( 4 ) 由于液压泵有外伸泵轴，因此存在外部泄漏途径。泵轴动密封处的泄漏很难消 除，即使初始密封状态良好，长时间运行后因磨损所造成的泄漏也会出现。这不仅污染 环境，浪费资源，不能满足用户洁净生产的要求，还易造成停机损失、系统效率下降等。 据欧洲统计，野外作业的工程机械、农业机械、林业机械和铁路车辆用润滑油及工作油 的损失每年约6 0 万t 。日本还对液压系统漏油的主要部件进行研究，结果是：管路占 4 4 5 ，液压缸占2 8 ，液压泵和马达占7 。5 【6 】。 近年来，节能与环保问题受到高度重视，世界各国和企业在节省能耗、开发可再生 能源、减少环境污染等方面做了大量工作，并制定了相应的法律和规定，如国际标准化 组织( i s o ) 制定了i s 0 1 4 0 0 0 关于环保的标准【7 d 3 1 。 我国为实现国民经济和社会发展第十个五年规划纲要中规定的单位g d p 能 耗降低2 0 左右的约束性目标，实施了十大重点工程，其中电机系统( 液压动力单元属 液压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验 于这一范畴) 被作为节能工程的重要领域。因为，在我国每年总发电量中约有6 0 的电 能是通过电动机转换为机械能而做功的，据有关部门调查，我国几个主要电网中，电动 机所耗电能量的比重，占整个工业用电的6 0 6 8 ，这与工业发达国家的比重大致相 仿。这些电能相当于2 亿多吨原煤，若电动机效率提高l ，则每年可节约的原煤量为 2 0 0 多万吨，这相当于每年我国可少开采2 0 0 多万吨原煤【1 4 1 。 由于传统液压动力单元具有上述缺点和社会对节能环保的重视。液压传动与控制技 术面临着电气传动、机械传动的强有力的竞争。中小型塑机和机床的运动控制已被电气 传动和机械传动所取代【1 1 。为提高液压传动的竞争力，现代液压动力单元正向集成化、 节能化、高效率化( 低能耗) 方向发展陋1 6 1 。 o1 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 6 0 07 0 08 0 0 l juil jul jl jul j l jl jl jl jl jul jl ju l jl jl jill a ) 液压电机叶片泵外形图 b ) 传统“三段式”液压动力单元 图1 1 液压电机叶片泵与传统动力单元体积的比较 本课题提出的液压电机叶片泵，是基于把电动机与液压叶片泵中的关键运动件合二 为一的思想，把液压叶片泵直接集成在特制的电动机转子内部，构成新型的液压动力单 元( h y d r a u l i cp o w e ru m t ) 液压电机叶片泵( h y d r a u l i cm o t o r v a i l ep u m p ) 。它具有 结构紧凑、体积小、重量轻、噪音小、效率较高、无外泄漏等一系列突出的优点，特别 适合在静音、洁净等场合应用。如图1 1 所示，为相同功率的传统液压动力单元和液压 电机叶片泵体积的比较图，从图中可以明显地看出，液压电机叶片泵体积要小很多，特 别适用于对安装空间要求很严格的场合。如图1 - 2 所示，液压电机叶片泵的这种集成方 式，省掉了电动机的风扇，液压油带走了电动机产生的热量，由于绝大部分液压系统中 带有热交换器，必将大大提高电机的冷却效果，从而使电机运行的更安全、更平稳。 这种新型液压动力单元除具有结构紧凑、噪音小、无外泄漏及效率较高等突出优点 外，同时也将产生一系列新的课题，如特殊结构的电机设计方法，电机和液压泵的匹配 关系，电机转子在液压油中运行时产生的负载效应，噪声控制方法和液压油冷却效果的 2 兰些堡圭奎兰竺占兰竺尘圣 分析和计算等问题。 图1 2 液压电机叶片泵三维造型( 专利，兰州理工大学，2 0 0 8 ) 本论文针对液压电机叶片泵的这种集成方式采用理论分析和数值仿真相结合的方 法，分析了液压电机泵气隙间的负载效应对浸油电机效率的影响；对研制出的液压电机 叶片泵样机进行了测试获得了液压电机叶片泵样机的输山压力、输“ 流量、功率因数、 效率与输卅功率的变化关系，并对液压电机叶片象样机的效率进行了详细分析。 液压电机泵这种新型液压动力单元的研究，符合液压元件和系统小型化和节能化的 发展方向，为我国具有自主知识产权的电机泵的发展奠定理论基础和实验基础。 本课题来源于国家自然科学基金项目“液压电机l 十片泵的基础理论及实验 ( 5 0 6 0 5 0 3 0 ) ”。 2 液压电机泵的研究与发展概况 液压电机泵属于种集成创新的研究，同时集成化也是液压元件一个重要发展方 向。文献检索表明：目前动力单元的集成结构存在于各个领域，常见的结构有液压自由 活塞发动机、潜油电泵、屏蔽电泵、燃油电泵、电机油泵组、液压电机泵、隔膜泵等， 这些都是动力单元集成方面的例子，为液压电机泵的发展奠定了技术基础。 围际上对液压电机泵的研究起步较早，主要集中在美国、日本、德国和中国台湾等 发达国家和地区，主要进行柱塞泵、齿轮泵与电机的集成研究，已推出，相关产品。国 内目前也在进行相关产品开发，兰州理工大学目前i t ：在进行三相异步电动机和叶片泵集 成的研究，北京航空航天大学进行的是直流伺服电机和内啮合齿轮泵的研究，燕山大学 进行的是数字控制交流伺服变速变量轴向柱塞液压电机泵方面的研究，相关企业对液压 电机泵的研制也陆续展开。 l2 l 液压泵的发展概况 液压泵起着向液压系统提供液压动力的作用，是液压系统不可缺少的核心元件。它 将原动机输出的机械能转换为工作介质的压力能，是一种能量转换装置。液压泵的性能 堡星皇垫呈量墼堇堡叁塑鍪堡垒垡! ! 堡璧兰兰 好坏直接影响着液压系统的性能、寿命、可靠性等，因此液压泵在液压系统中占有很重 要的地位，其产品性能技术水平也体现了液压系统的| 生能和企业的技术水平， 液压泵若以1 9 0 5 年w i l 】i a m s 与j 猢e 首次应用了液压油为介质并推出了轴向柱塞 泵为开端，迄今已有百年历史了。在这百年之中，液压泵的3 种主要型式即齿轮泵，叶 片泵及柱塞泉几乎没有突破性的变化【l ”。 2 1 世纪液压泵将向高压化、信息化、智能化控制、集成化及小型化的方向发展，阻 达到高效、节能、环保( 减少噪声与环境污染) 及高度信息化智能化的目的【1 8 ，l “”，”瑚”。 基于这些发展趋势，并随者电了技术、计算机技术和总线技术的迅猛发展，液压技术和 电子信息技术的融合越米越深入，如博士力士乐公司开拉的数字控制变量泵口”如图 1 - 3 所示，泵上集成r 变量头位置传感器、输出压力传感器，进行泵的工作状态的检测， 并开发了 h 应的专用控制器和程序指令编辑器，具有和计算机通讯的能力，可以实现本 地控制和计算机远程控制。 削l - 3 数半控制娈量泵( b o s c hr e ) d m ) 此外，国外的b a n d i o u p a s i 公司开发的风扇驱动系统吲( h pf a nd n v e s y n e m ) 主要由液压马达、电子控制单元和温度传感器构成，如图1 4 所示，其工作原 理为：温度传感器采集温度信号，井将其传入电子控制单元，其控制着安装在液压马达 上的l 乜磁阀，从而控制，马达和风扇的转速，达到了最佳的冷却效果。另外，电子控制 单兀与计算机相连时，还可以实现在线故障诊断等功能。m o o g 公司开发的柱塞泵 r k p - d 1 2 m ( r a d l a ip l s t o np u m pw i t hd l g i t a ic o n t r 。1 ) 以其极高的可靠性、丰富的控制功 能、紧凑的设计、快速的响应及低噪声等优点，在注塑机等许多行业获得了广泛应用， 如图1 5 所示。e a t o n 公司也开发了类似产品，并具有c a n 、p r o f m u s 等总线接口。 a t o s 公司在负载敏感泵的基础上开发了相应数字控制产品，取得了很好的效果。国内 北京航空航天大学、哈尔滨工业人学等也进行了研究，取得了一定成果但均未形成产 品，需进一步推进。 液压泵除在信息化和智能化等方向得到了发展外，在噪声控制方面也取得了进步。 兰i 理工大 硕_ _ 学位硷文 p a r k e r 公司通过优化泵的壳体内部结构，降低r 裂体振动引发的噪音，提高，吸油降 能，减少r 气穴噪声。l i n d e 公司的柱雍泉产品在泉的出口部位增加了降噪蓄能器，有 效地降低了柱塞泵的噪音 。 ：uj 控制t p 元 珥胜+ ? 感8 翻b 一、 “i 图1 4 风扇驱动系统( b a n d l 0l i p v e s i ) 遮 一_ _ 幽幽幽豳酗_ 。啦 幽l - 5r k p d r m o o g l l22 电动机的发展概况 电动机作为各种设备的动力源，被广泛应用于工业、农业、国防和公共设施等领域。 从1 9 世纪末到2 0 世纪前半叶为电动机实用化技术的成长期，直流电动机、感应电动机、 同步电动机、步进电动机等各种屯动机纷纷问世，也使电动机步入实用化时期。2 0 世纪 后半叶是电动机技术的成熟期。与电动机相关的设计、评价技术、测量技术、半导体控 制器件技术、绝缘材料技术、带惜加工技术等都得到，提高和进步。与这些提高和进步 相关的电动机小型化、高效化、大转矩、低振动、高可靠性等技术也有所进步1 2 。 在以节能与环保为主题的今天电机系统的节能己被列为我国“十一五”期间的重 点节能工程。目前电动机的用电量平均占世界各国的总用电量的5 0 以上，占工业用电 量的7 0 以上口“。据业内有关专家估算，我国电机的总装机量已达5 亿多t 瓦，年耗电 量达8 0 0 0 1 0 0 0 0 亿千瓦时，约占全国总用电量的6 0 ，占工业耗电量的7 5 左右。在 越 攀罐 瘦压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验 我国大中小各类在用电机中。有8 0 以上为o5 5 2 0 0 千瓦的中小型异步电动机，其中 相当于世界上5 0 年代技术水平的j 0 2 系列的电机约占2 0 ，相当于7 0 年代末的y 系 列电机不足7 0 ，具有8 0 年代水平的高敬电机所占比重更是微乎其微断1 。因此，变频 调速异步电动机州、高效永磁电动机1 2 8 1 及稀土永磁电动机2 ”1 1 等节能电机将得到广泛的 应用与发展。 l23 电机泵的发展概况 2 0 世纪8 0 年代将液压泵的轴直接插入电动机的输出轴内，是国内外厂家在电动机 与液压泵合一方面的尝试。国内外包括上海高压油泵厂、启东高压油泵厂都生产过这种 类型的液压泵与l b 动机组装的液压动力单元。但由于电动机需要特殊订货，成本有所增 高，市场上未被大量接受与推广，此时的液压动力单元可称为“电机油泵组”，电动机、 液胝泉在结构上基本没有大的变化。 1 9 9 2 年3 月日本公开了一项液压电机叶片泵的发明专利叫，如图1 6 所示。叶片泵 与电动机转子安装在同一轴上，并且与电动机定子 起集成在一个壳体内，进出油口分别设在壳体的两 侧，工作时液压油由壳体上部的进油口流入，经过电 动机定、转子n 帕九l j 隙从r 部的出油几流出，带走电 机部分热量。 1 9 9 4 年美国v l c k e r s 公司开发出种新的产品i m 旷( i n t e g r 札e d m o t o r p u m p 工并获得美 国同期产品开发金奖”，1 ，这是国外第一次把电机输出轴和液压泵轴对接在一起作为 一个液压动力单兀，如图1 7 所示。 图l - 7 i n 衄f a 刚m oc o r p 唧( 美国c k 茁s ) 这种新型的液压动力单元把一个交流电机和一个标准的v i c k 盯s 柱塞泵集成在 起，电机输出轴与泵轴对接在一起，减小了体积、降低了噪声。这种液压电机策尤其适 用于需要节省空间和静音要求较高的场合，如：汽车制造业和机械加工工厂。这种集成 设计减少了外泄漏和维修保养的费用而且在同等性能条件下，噪声比传统的液压动力 单元降低了1 0 1 2 d b ( a 1 ，体积减小r3 0 4 5 。福特汽车公司发动机分厂对传统的 液压动力单元和新型液压电机泵做了测试，结果硅示，在同样1 8 0 0 r p m 的转速下，传统 的动力单元的噪声为8 7 d b ( a ) ，而新型液压电机泵的噪声为7 8 d b ( a ) 9 “。 兰”理丁大学硕士学位论文 1 9 9 7 年v i c k e r s 公司申请了一项液压电机柱塞泵的发明专利体化的电动机驱 动连接的液压泉口“，如图1 8 所示。它包括内设轴的箱体，安装；l 午轴上能旋转的圆柱形 缸体。电机的转子具有一个旋转支承，该轴承套使圆柱形缸体包绕在箱体叶1 。轴套上的 齿与圆柱形缸体上的齿槽相啮合以便使转子和圆柱形缸体旋转接合。活塞与圆柱形缸体 活动连接，并与斜盘相连接，用以调整斜盘倾角，进而达到改变泵排量的目的。液体进 口和出口使液体经过箱体流向圆柱形缸体和活塞，又从圆柱形缸体流向出口。 图t 罐c k e r s 电机柱塞泵专利 罔l _ 9 航空用电机柱塞泵( 美国c k e r s ) 此外v i c k e r s 公司还设计了一种应用于飞行器的液压电机柱塞泵，如罔l 一9 所示， 由两个异步电动机和两个轴向柱塞泵单元组成。异步电动机工作在7 0 0 0 坤m ，伪个轴向 柱塞泵集成在两个电机转子的内部。斜盘用来调节两个柱塞的行程”l ”】。 9 0 年代末期s a u e rb l b u s 生产出一种液压电机柱塞泵【1 t ”】，它是异步电动机和变量 轴向柱塞泵的集成体，如图1 1 0 所示。柱塞缸体固定在电动机转子内部，减小了电机 柱塞泵的轴向尺寸。柱塞泵轴两端用滑动轴承支承。壳体比较厚重，减小了噪声的传播 外泄。柱塞泵以博定的速度运转，靠变量斜盘改变传递能量的大小。 j 一毒晕：= 。 i 簧菌圈鲈 - | | | 一 簿蓬，。，。毒 崮l - l o g r a t e d r “o rp l l m p ( s 跏盯b l b m ) 德国于2 0 0 3 年公开了一项液压内啮合齿轮电机泵发明专利，它包括电动机，液压 内啮合齿轮泵】，如图1 1 l 所示。内啮合齿轮泵与电动机的转子和定子同心。从轴向 剖面图看，电动机转子是“u ”型结构。“u ”型转子在右侧的内齿与泵轴的外齿相啮 合，电动机转子由内啮合齿轮泵泵体支撑。泵体固定在壳体上。液压油起冷却电动机的 作用。泵轴右侧装有叶轮，用来将油液从电动机输入到内啮合齿轮泵内。 2 0 0 4 年，日本油研公司开发了一种液压电机轴向柱塞泵，如图1 1 2 所示，其主要特 鎏星皇堡些垒量墼兰墼垒墼鍪壁垒童! ! 丝璧薹彗 征是把旋转电机输出轴与轴向柱塞泵的轴联为一体，省去了连轴器，并集成在一个电机 的壳体中，省去了电动机冷却风扇。体积比常规的电动机一柱塞泵液压动力单元减小3 0 ，噪声降低1 0 15 分贝h ”。 图l 1 4 电机复合泵浦( 台湾) 布雷维尼集团、p a 蛔公司、博世力士乐等多数公司还生产把液压泵、液压阀、电 动机、油箱等集成在一体的集成式液压动力单元陋删。 除了一般工业上的应用以外，有些电机泵电可以应用在一些特殊的场合。图1 1 5 兰州理工大学硕士学位论文 为2 0 0 5 年日本日立制作所申请的直流尢刷电机内接齿轮泉p ”。由于此液压电机泵体积 很小而且具有很高的可靠性，所以通用于作为冷却液循环回路的送液装置，如对计算机 内部商密度发热的电子部件进行内部冷却。图1 1 6 中8 0 即为直流无刷电机齿轮泵。国 内南京客拉客液压设备厂生产的c d y 系列轻载微型直流液压动力单元p2 】主要由直流电 机、油箱和电磁阀构成，它的体积小( 4 5 0 m m x 2 2 0m m x 2 1 5m m ) ，重量轻( 1 6 b ) ， 但压力高( 2 1 m p a ) ，主要应用在卡车自卸用液压系统里，如图l 1 7 所示。 圈1 15 直流尢刷”u 机内接齿轮泉j 刳】一1 6 亡| 竹机液胝冷却，彷环川蹄 图1 1 7 直流液压动力单元 124 液压电机叶片泵的研究概况 兰州理工大学已获得关于液压电机叶片泵发明专利和实用型专利的多项授权，文献 f 5 3 1 对液压电机叶片泵损耗机理进行，分析、电机的瞬态电磁场的数值仿真、电机泵内 部流场的仿真以及电机泵的能量转化效率的计算。 目前，研制出一台液压电机叶片泵样机，设计并搭建完成电机泵的测试试验台，获 得了压力、流量、噪音、转速、输入电流和输入电压等试验数据，为进一步完善电机泵 的设计理论提供了可靠的试验数据。 13 有限元法在电动机分析及设计中的应用 有限元法( f m n ee l e m e n tm e t h o d ) 是近2 0 年来发展起来的技术，作为一种强有力 液压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验 的工程分析方法，被广泛的应用于各种研究领域( 机械、电子、电磁场、流体力学、热 分析等) ，有着较强的处理能力，可以解决工程电磁场领域诸如电磁分布、电磁力、结 构变形、次级运动过程等问题。概括起来，有限元法可以处理的问题可以分为三类：静 磁场，涡流场和高频磁场。其突出的优点在于： ( 1 ) 场域离散化过程保持了明显的物理意义基于物理的最小作用原理； ( 2 ) 解题能力强，这主要表现在：a 。能够处理边界几何形状复杂，场域中存在多种 媒质的问题；b 对于第二和第三类边界不必作单独处理；c 能够自动满足不同媒质分界 面上的边界条件；d 离散点分布具有随意性；e 计算精度高；f 程序通用性强； ( 3 ) 有限元法拓宽了微分方程的求解方法，推动了泛函分析、计算方法的发展。 有限元的思想最早由c o u 瑚t 于1 9 4 3 年提出。五十年代初期，由于工程分析的需要， 有限元法在复杂的航空结构分析中最先得到应用，而有限元法这个名称则由c l o u g h 于 1 9 6 0 年在其著作中首先提出。1 9 6 5 年w i n s l o w 首先将有限元法应用于电气工程问题， 7 0 年代初，p p s i l v e s t e f 等人把有限元法引入到电磁场数值计算领域中，并应用于电机 工业，得出了电机电磁场问题的第一个通用非线性变分表述以及相应的有限元法的构造 【5 7 】。j a w a df a i z 【5 8 】等人利用有限元法确定了异步电动机转子短条的位置，提出了转子 短条位置是影响转子断条故障诊断的决定性因素。y s c h e n 【5 9 】等人开发了一种有限元模 块，用来分析感应电动机系统的动态特性及平衡效果，这种方法不仅可以解决现实的轴 振动疲劳问题，还可以让设计者在设计电动机系统阶段就能更好的掌握电机的性能。文 献【6 0 】采用a n s o r 公司的有限元软件m a ) 【、e u2 d 对直线异步电动机进行了电磁分析和 彷真研究，获得了电动机的电磁场分布及电动机瞬态性能。文献 6 1 】对异步电动机的空 载稳态电磁场以及起动瞬态电磁场进行了数值计算。总之，有限元法被广泛应用于电动 机电磁场的仿真计算。为分析本课题中的浸油电机的性能，提供了软件基础。 1 4 论文的主要内容 本论文围绕液压电机叶片泵的气隙负载效应和性能试验展开研究，采用了试验分 析、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，形成液压电机叶片泵的结构设计准则及方 法。论文主要内容如下： ( 1 ) 基于电机泵为电动机和液压叶片泵集成创新的特点，运用电机学和液压基本理 论分析液压电机泵的功率损耗，建立液压电机泵的能量转换效率模型，为电机泵的设计 和研制提供一定的理论基础。 ( 2 ) 基于电机泵的结构和工况，采用环形缝隙粘性流动模型和电磁场有限元分析方 法，对电机气隙及油液粘度对电机泵效率的影响进行解析。建立电机泵气隙负载转矩的 理论分析模型，推导气隙负载转矩公式，得出影响气隙负载转矩大小的因素，据此计算 出液压电机泵中的浸油电机的负载效应，为电机泵的设计和研制提供定的理论依据。 ( 3 ) 研制出一台电机泵样机，并搭建其性能测试试验台，测试样机性能和主要参数， 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 如电机泵的效率、输出压力、输出功率、转速、流量、功率因数等。把试验结果与理论 模型预测结果进行比较，得出影响样机性能的主要因素，进而提出修正方案，初步形成 液压电机泵的结构设计准则及方法。 堡里皇里兰竺垂塑兰矍垒塑垫壁垒堑! ! 堡璧望墼 第2 章液压电机叶片泵的理论分析 本章摘要：提出了一种电机内嵌叶片泵的液压电机泵结构，并阐述了其工作原理。从流体的粘性理 论分析了液压电机泵的气隙负载效应；运用电机学和液压元件知识分析了液压电机泵的功率损耗， 并建立丁液捱电机泵的总功率平衡式；同时对电磁场理论及其分析软件a n s o n 进行了介绍，为渡压 电机泵的研究与设计提供了定的理论基础。 21 液压电机叶片泵的结构及工作原理 如图2 一l 所示，液压电机叶片泵是由电动机与液压叶片泵集成一体构成的，液压叶 片泵的泵芯插装在电机转子内部，整个电机和泵在一个壳体中。 l 泵矗座2m 油口* 3 滑动轴承4 叶片x i 芯转于5i 体6 转 套 7 液自机叶片泵转于8 液压电机叶片泵定子9 定子绕组l o 泵盖l l 滚动轴承1 2 泵轴1 3 叶片泵泵芯i 通油槽i i 出油口泵芯排油 进油口v 泵芯吸油腔气晾 液压电机叶片泵定子8 叶1 装有二相正弦定子绕组9 ，用于产生励磁电磁场；液压电 机泵转，7 采用铜笼转子结构，内部压装转于套6 ，转子套和泵轴1 2 通过花键连接，泵 轴由装在泵盖l o 中的滚动轴承1 1 和叶片泵泵芯1 3 中的滑动轴承3 支撑，泵芯安装在 泵芯座1 中。当定子绕组通电后，在气隙中产生旋转磁场，则在闭台的转子导条中产 生感应电动势和感应电流，旋转磁场和转子导体中的感应电流相互作用产生电磁转矩， 兰州理工大学硕士学位论文 电机转子旋转；同时，电机转子带动转子套和泵轴及通过花键和泵轴连接在一起的泵芯 转子4 旋转，完成泵的吸、排油过程。吸油时，油液由进油口经过泵体5 内的通油槽 i 到达转子套的左腔，转子套中开有斜孔，低压油在转子套离心力的作用下输送至和泵 芯的吸油窗口相通的吸油腔v ；排油时，叶片泵工作腔中的高压油通过泵芯的排油窗口 排至排油腔，最后，经出油口压盖上2 的出油口i i 排出高压油。在液压电机叶片泵工 作时，由于油液在泵内部形成了循环油流，带走了电机定、转子产生的热量，省掉了普 通电机的散热风扇，消除了风扇产生的噪声，所以具有优良的低噪声性能。另外，由于 液压电机叶片泵无外伸轴，不存在外泄途径，杜绝了外泄漏。 由液压电机叶片泵的工作原理可知，电机泵的研究与分析涉及到流体力学、材料学、 电机学、电磁场理论、电子电力和材料加工成型技术等多学科。本论文仅涉及到流体力 学、电磁场的数值分析和电机学的基本理论。 2 2 流体的粘性【6 3 卅】 粘性是流体所具有的重要属性。流体是不能承受剪切力的，即在任何微小剪切力的 作用下流体也要不断的变形。不同流体在相同的剪切力作用下，其变形速度不同。不同 的变形速度反映了抵抗剪切变形的能力有差异，这种能力就是粘性。 例如两块相距不大的无限大平板，中间充满一定粘性的液体，粘附在平板上的一层 液体与平板一起，在固定外力作用下以匀速d ( d 不高) 运动，粘附在下平板上的一层 液体与下平板一样，处于静止状态，两板中间的各液体层速度不同，近似于线性变化， 如图2 2 所示。由于液体分子间距离很小，内聚力大，相邻流层间以不同速度运动时出 现了阻碍运动的力，这是发生在流体内部，称为内摩擦力或称为粘性力。 内摩擦力总是成对出现的，运动较快的流层带动运动较慢的流层。因而施加在较慢 流层上有一个与运动方向相一致的力。相反，运动较慢的流层阻碍运动较快的流层，施 液压电机叶片泵的气隙负载效应及样机性能试验 加在运动较快流层上是一个与运动方向相反的阻力，这两个力大小相等，方向相反。 粘性内摩擦力或粘性阻力产生的原因，必须从分子的微观运动来加以说明。概括地 说，这种阻力是由分子间的相互吸引力和分子不规则运动的动量交换产生的阻力组合而 成。 ( a ) 分子间吸引力产生的阻力：当相邻的两液层要产生相对运动时，必然要破坏原 来分子间的平衡状态，引起相邻分子间距的加大。这种间距的加大艘分子间的吸引力明 显地表现出来，即快速运动的分子层拖动慢速的分子层使其加快运动，而慢速运动的分 子层反过来阻滞快速层的运动，这种相互作用的结果，宏观表现为内摩擦力。 ( b ) 分子不规则运动的动量交换产生的阻力：当流体定向或不定向流动时，由于分 子总在不规则运动，总会有分子作层与层间的跳跃迁移。这种迁移的结果不可避免的将 导致动量交换。 1 6 8 6 年，牛顿通过大量实验总结出“牛顿内摩擦定律”即：流体的内摩擦力与作 用面垂直方向的速度变化率d 训胁，即单位高度上的速度变化量成正比；与作用面积彳 成正比，并与流体的性质有关，可写成为 厂= 肚罢 ( 2 1 ) q 仃 或单位面积上的内摩擦力r d z ， f = “ 。曲 式中：为内摩擦力，n ；彳为作用面积， 的系数，称为动力粘度，n s m 2 或p a s o ( 2 - 2 ) m 2 ；d 洲曲速度梯度；与流体性质有关 流体的粘性通常以粘度来度量，粘度常用以下三种方法表示。 在理论分析和工程计算中，常用动力粘度和流体密度p 的比值来度量流体的粘度， 称为运动粘度，以符号y 标记，v 的单位：m 2 s 1 ，：兰 ( 2 3 ) p 运动粘度没有明确的物理意义，不能像那样直接表示粘性切应力的大小。它的引 入只是因为在理论分析和工程计算中常常出现与p 的比值，引入1 ，以后可使其分析、 计算简便而已。之所以称为运动粘度，是因为在量纲中仅有运动学因素。 符合“牛顿内摩擦定律”的流体为牛顿流体，反之称为非牛顿流体。本论文中提到 的液压油限于牛顿流体。 温度和压力对流体的粘度有所影响。实验证明，在压力变化范围不大的情况下，压 力对粘度的影响比较小，而温度对粘度有较大的影响。 基于以上理论可知：当液压电机泵转子直接在液压油中运转时，由于液压油具有粘 性，液压油粘附于转子外表面和定子内表面，紧贴于转子外表面上的液压油质点以与转 1 4 兰州理工大学硕士学位论文 子相同的角速度旋转，紧贴于定子内表面的质点速度为零。由于定、转子间流体层的速 度各不相同，运动快的流层带动运动慢的流层，反之，运动慢的流层阻滞运动快的流层， 流体层之间就产生了内摩擦力，并产生阻碍转子转动的转矩，此转矩需消耗一定的液压 电机泵输入功率，从而降低了液压电机泵的效率，此即气隙负载效应。 2 3 液压电机泵电机的基本理论 液压电机泵主要由液压泵和电动机集成一体构成，因此液压电机泵中电机的设计与 分析也是基于异步电动机的基本理论。 异步电机又称感应电机是交流电机的一种。与其它旋转电机相比，它具有结构简单， 制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高，价格较低等优点。随着电动机相关的设 计、评价技术、测量技术、材料技术和半导体技术的进步，电动机小型轻量化、高效率 化，大转矩、低噪声、低振动、高可靠性、长寿命等电动机技术也有进步。 2 3 1 液压电机泵电机的基本结构 ( 1 ) 液压电机泵定子 液压电机泵定子主要包括定子绕组、铁芯和泵体三部分。 定子铁芯是电机磁路的一部分，用于放置对称的三相定子绕组。由于旋转磁场以同 步速度相对于定子旋转，因此，定子铁芯中的磁通大小和方向都是变化的，为了减少其 涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯用导磁性较好的硅钢片叠压而成，硅钢片厚为0 5 n u n ， 片间有绝缘层。整个定子铁芯为一内圆周上均匀带有齿 槽的环形柱状铁芯