（机械电子工程专业论文）液压电机泵中电机定子形状对电磁特性和温度场的影响.pdf

鼍”【卵i ：大学硕 学伊i 仑之 摘要 液压电机泵足将浸油电动机和液压采集成在一个壳体内的新型一体化电动液压动 力单元，电动机和液压泵共用同一根轴，省去冷却风扇，由油流冷却，转轴无外伸、无 需动密封，具有结构紧凑、噪声低等优点。 本文以电机泵中浸油电动机为研究对象，考虑缩小电机定子外形尺、j - ，以获得更紧 凑的液压电机泵，设计出了液压电机泵八边形电机。针对液压电机泵圆形电机和八边形 电机进行电磁特性和温度场仿真计算，并对结果进行对比分析。 本文的主要内容： 第1 章，阐述了本课题的研究背景和意义；概述了液压电机泵国内外的研究及发展 概况，并阐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；提出了本论义主要的研究内容。 第2 章，介绍了液压电机泵电机的结构特点，并阐述其工作原理。从基本电磁关系 出发，对液压电机泵浸油电机的功率关系和转矩关系进行分析，通过电磁关系建立浸油 电机的基本方程、等效电路和相量图。最后运用a n s o f lr m x p r t 模块分析了液压电机泵 浸油电机的电磁性能。 第3 章，运用a n s o f tr m x p r t 模块分析电机定子外径变化对电机性能的影响，在原液 压电机泵圆形电机的基础上对液压电机泵电机定子外形形状进行了设计，提出了八边形 电机结构。运用a n s o f tm a x w e l l 软件对不同外径的圆形电机和八边形电机进行电磁性能 仿真计算，分析对比其在空载和负载情况下的电磁性能。对数值计算结果进行处理，得 到不同电机的气隙磁感应强度，将其进行f f t 变换得到基波与高次谐波的分布情况。 第4 章，对液压电机泵圆形电机定子和八边形电机定子进行温度场分析。计算电机 定子各部分损耗值，利用流体力学理论计算其流道表面散热系数，采用a n s y s w o r k b e n c h 软件对圆形电机定子和八边形电机定子在负载情况下进行三维稳态温度场分 析，进而掌握不同电机定子负载稳态运行下的发热和散热情况。 第5 章，对第二代液压电机叶片泵电机定子温度场进行数值模拟，获得电机定子及 壳体负载运行的温度分布特征。通过对研制出的液压电机叶片泵样机不同位置布设温度 传感器的方式对温度场实时检测，获取其各个特征点的温度变化规律。 关键词：液压电机泵；浸油电机；定子形状；电磁特性；温度场 液j i f 亿机泵f t | 乜机j tr 形：队埘m 磁特一”和湍度场n 0 彩响 a b s t r a c t h y d r a u l i cm o t o r - p u m p i san e we l e c t r o h y d r a u l i c p o w e r u n i tw h i c hi n t e g r a t e s o i l - i m m e r s e dm o t o ra n dh y d r a u l i cp u m pi nt h eh o u s i n g i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s c o a x i a lc o m p o n e n t s ，f r e ec o o l i n gf a n ，c o o l e db yo i l ，f r e eo u t r i g g e rs h a f t ，f l e em o t i v es e a l ， m o r ec o m p a c ts t r u c t u r ea n dl o w e rn o i s e o i l i m m e r s e dm o t o ri st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t o c t a g o n a lm o t o ri sd e s i g n e d c o n s i d e r i n gt h ed e c r e a s eo fm o t o rs t a t o rd i m e n s i o nt o o b t a i nm o r ec o m p a c th y d r a u l i c m o t o r - p u m p t h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s a n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fc i r c u l a rm o t o ra n d o c t a g o n a lm o t o ra r es i m u l a t e da n ds o l v e d a n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s ： i nc h a p t e r1 t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h et h e s i sa r ep r e s e n t e d d o m e s t i ca n d o v e r s e a ss t u d ya n dd e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cm o t o r - p u m pa r es u m m a r i z e d t h ea p p l i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o do nm o t o ra n a l y s i sa n dd e s i g n a n di t sv a l u et ot h ei s s u ea r e s t a t e d a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h et h e s i si sp r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h em o t o rs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i cm o t o r - p u m pa n do p e r a t i n g p r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d t h ep o w e ra n dt o r q u er e l a t i o n si no i l i m m e r s e dm o t o ra r ea n a l y z e d b a s e do nb a s i ce l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n s t h eb a s i ce q u a t i o n s ，e q u i v a l e n tc i r c u i t ，a n dp h a s o r g r a p ha r es e tu pb ym e a n s o fe l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n s f i n a l l y , t h ee l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o ri sa n a l y z e db yu s i n ga n s o f tr m x p r t i nc h a p t e r3 t h ei n f l u e n c e so ft h ev a r i a t i o no fm o t o rs t a t o re x t e m a ld i a m e t e ro nt h e m o t o rf u n c t i o na r ea n a l y z e db ya n s o f tr m x p r t a n dt h e nc i r c u l a rm o t o ri sf u r t h e rd e s i g n e d ， a n do c t a g o nm o t o ri sd e s i g n e d t h ee l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c e so fc i r c u l a rm o t o ra n d o c t a g o nm o t o rw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra r es i m u l a t e da n ds o l v e db ya n s o f fm a x w e l l a n d e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e su n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fl o a da n du n l o a da r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d a i r - g a pm a g n e t i ci n d u c t i o n so fd i f f e r e n tm o t o ra r eo b t a i n e d ，a n dt r a n s f o r m e dt h e m i n t of f tt og e tt h ed i s t r i b u t i o no ff u n d a m e n t a lh a r m o n i ca n dh i g h e rh a r m o n i cd e a l i n gw i t h t h er e s u l t so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i nc h a p t e r4 ，s t e a d y s t a t ea n a l y s e so nt e m p e r a t u r ef i e l do fm o t o rc i r c u l a rs t a t o ra n d o c t a g o n a ls t a t o ra r ea n a l y z e d e a c hp a r t l o s so fs t a t o ri sc a l c u l a t e d a n ds u r f a c eh e a t d i s s i p a t i o nc o e f f i c i e n to ff l o wc h a n n e li s c a l c u l a t e db ym e a n so ff l u i dm e c h a n i c s 3 d s t e a d y s t a t et e m p e r a t u r eo fc i r c u l a rm o t o ra n do c t a g o n a lm o t o ru n d e r1 0 a di sa n a l y z e db y f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea ns y sw b r k b e n c h a n dt h eh e a t i n ga n dc o o l i n go fd i f f e r e n tm o t o ri n s t e a d y s t a t eo p e r a t i o na r eo b t a i n e d i nc h a p t e r5 t h et h r e e d i m e n s i o n a l s t e a d y s t a t et e m p e r a t u r e f i e l do ft h es e c o n d g e n e r a t i o nh y d r a u l i cm o t o rs t a t o rv a n ep u m pi ss i m u l a t e di nn u m e r i c a lm e t h o d a n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o t o rs t a t o ra n ds h e l li so b t a i n e di nl o a d t l l r o u 曲a r r a n g i n g t e m p e r a t u r es e n s o ra td i f f e r e n tp o s i t i o no nh y d r a u l i cm o t o rv a n ep u m pw h i c hw eh a v e d e v e l o p e d ，w eg e tr e a l t i m et e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i ci ne v e r y m o n i t o rp o i n t k e yw o r d s ：h y d r a u l i cm o t o r - p u m p ；o i l - i m m e r s e dm o t o r ；s t a t o rs h a p e ；e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c ；t e m p e r a t u r ef i e l d 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 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【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 和各利t 自动控制设备等领域巾获得广泛应用。尤其在重载、大功率驱动机电设备 和建设机械巾，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q 心脏”，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1 5 】，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l2 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 ) 独立电动机巾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 采用冷却风扇进行窄气冷却，由此引入了窄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 难根本消除，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 万吨。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 t 6 1 。 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 13 1 。 我国为实现国民经济和社会发展第十一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， 液压r 乜机泵i ，r n 机定子形状刘屯磁特性币u - “；i n i ，。oj ：场的影口l q 我国几个主要电网中，电动机所耗电能的比重，占整个工业用电的6 0 6 8 ， 这与工业发达同家的比重大致相仿。这些电能相当于2 亿多吨原煤，若电动机效 率提高1 ，则每年可节约的原煤量为2 0 0 多万吨，这相当于每年我围可少开采 2 0 0 多万吨原煤i l4 | 。 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高度重视。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。巾小型塑机和机床的 运动控制已被电气传动和机械传动所取代 j5 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【l 6 1 7 】。 a ) 液压电机叶片泵剖而图b ) 液压r f l 机叶片泵i 维造型 图1 1 液压电机叶片泉( 已获专利，2 0 0 7 ) 螽 黧 一 图1 2 第二代液压电机叶片泵三维图 图1 1 所示为液压电机叶片泵内部结构图，它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 n i t ) 一一液压电机叶片泵( h y d r a u l i c m o t o rv a n 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。 图1 2 所示为第二代液压电机叶片泵三维结构图。第二代液压电机叶片泵省 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。 同时液压电机叶片泵不需外伸出轴、密封可靠，因此不存在外泄漏；液压电机叶 片泵采用了油冷却方式，去除了电机中的风扇，因此去除了空气动力性噪声源， 由于集成了孔板离心式辅助泵，因此主泵吸油充足、消除了气穴噪声，由此整个 液压电机叶片泵具有优异的静音性能。具有静音、结构紧凑、效率高、冷- 去f j 方便、 没有外泄漏等优点，可以广泛用于液压系统巾作为动力泵，同时也非常适用于不 许外漏的介质输送。 液压电机叶片泵主要由浸油电机和叶片泵泵芯两大部分组成。浸油电机是液 压电机叶片泵的重要组成部分。浸油电机与普通电机在结构上主要有以下两点不 同：( 1 ) 浸油电机转子与普通电机转子的内径不同；( 2 ) 冷却方式不同。特制电机去 除了风扇，采用油冷冷却方式；普通电机多采用风冷方式。 为了获得更紧凑的液压电机叶片泵，木文钊。对液压电机泵浸油电机的结构进 行设计，通过缩小圆形电机定子外径尺。、j 并切边，设计出液压电机泵八边形电机。 在设计出一个新型电机之前，首先是应用电子计算机来进行电机的电磁计算 以及磁场和温度场的计算和零部件机械计算【1 8 】。由于液压电机泵八边形电机定_ 了 体积较圆形电机有所减小，其轭部尺、j 的变化会对电机电磁性能和热性能产生什 么影响目前对液压电机泵特制浸油电机，特别是异形电机的电磁场和温度场的研 究并不多见，因此研究液压电机泵特制异形电机的电磁场和温度场，并分析其可 行性是非常有意义的。 本论文以液压电机泵圆形电机和八边形电机为研究对象，采用理论分析和数 值仿真相结合的方法，从液压电机泵八边形电机的电磁结构计算到损耗温卅的计 算，分析液压电机泵八边形电机的可行性，并与液压电机泵圆形电机电磁性能和 热性能进行对比。 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，可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( 51 0 7 5 19 4 ) ， j 肃省科技支撑计划 ( 10 1 1g k c a 0 4 】) 。 1 2 液压电机泵研究现状与发展概述 液压电机泵的研究属于一种集成创新的研究，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。 国际上对液压电机泵的研究起步较早，主要集中在美国、日本、德国和巾国 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，已推出了 液压屯l 机泵一i t 电机；子形状对电磁特性和温度场的影响 相关产品。困内目前也在进行相关产品开发，兰州理工大学目前正在进行三相异 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l ij 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。 i 2 1 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性能和 企业的技术水平。 液压泵若以1 9 0 5 年w i l l i a m s 与j a n n 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，叶片泵及柱塞泵几乎没有突破性的变化【l 9 1 。 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，以达到高效、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 1 ，1 5 ，2 0 1 。基于这些发展趋势，并随着电予技术、计算机技术和总线技术的迅猛 发展，液压技术和电予信息技术的融合越来越深入，如博世力士乐公司开发的数 字控制变量泵【2 1 1 ，如图1 3 所示，泵上集成了变量头位置传感器、输出压力传感 器，进行泵的工作状态的检测，并开发了相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。 图1 3 数字控制变量泵( b o s c hr e x r o t h ) 此外，国外的b a n d i o l i & p a v e s i 公司开发的风扇驱动系统【2 2 】( h pf a nd r i v e s y s t 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，并将其传入电子控制单元，其控制着安 4 兰州理1 ：人学坝f j 学位论文 装在液压马达上的电磁阀，从而控制了马达和风扇的转速，达到最佳的冷却效果。 另外，电子控制单元与计算机相连时，还可以实现在线故障诊断等功能。m o o g 公司丌发的柱塞泵r k p d 【23 j ( r a d i a lp i s t o np u m pw i t hd i g i t a lc o n t r 0 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 公司也丌发了类似产品， 并具有c a n 、p r o f i b u s 等总线接口。a t o s 公司在负载敏感泵的基础上丌发了 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、哈尔滨工业大 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。p a r k e r 公司通过优化泵的壳体内部结构，降低了泵体振动引发的噪音， 提高了吸油性能，减少了气穴噪声。l i n d e 公司的柱塞泵产品在泵的出口部位增 加了降噪蓄能器，有效地降低了柱塞泵的噪音 2 1 1 。 图1 4 风扇驱动系统( b a n d i o l i & p a v e s i ) 图1 5r k p d ( m o o g ) 器 、，-t 毙r 、 “ 。触、蔫 九 孓，密第 单 ” 一 拂 渺，一 删vp黔、，一 、于 ，喇一 、瘾一， i ，1 1 | j i u f i l + , j ! 。 ，i u 【定r f ；状z t u 磁 1 。r f n 扎 f 蔓场n 0 i j 响 1 2 2 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、固防和公共设施 等领域。从1 9 世纪未到2 0 世纪| i i 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、步进电动机等各种电动机纷纷问世，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。与电动机相关的没计、 评价技术、测量技术、半导体控制器件技术、绝缘材料技术、制造加工技术等都 得到了提高和进步。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【2 引。 在以节能与环保为主题的今天，电机系统的节能已被列为我国“十一五”期 问的重点节能工程。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【25 1 。据业内有关专家估算，我国电机的总装机量已达5 亿多千瓦，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。在我国大中小各类在用电机中，有8 0 以上为o 5 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 年代术的y 系列电机不足7 0 ，具有8 0 年代水平的高效 电机所占比重更是微乎其微【26 1 。因此，变频调速异步电动机【27 1 、高效永磁电动机 及稀土永磁电动机 28 】等节能电机将得到广泛的应用与发展。 目前，普通三相异步电动机定子以圆形居多，异形感应电机并不多见。2 0 0 5 年，德国西门子公司申请了一项多边形结构的电机发明专利【2 9 】一种多边形结 构的直线感应电动机。2 0 1 0 年，河南省长葛市三荣电器有限公司申请了一项专利 【3 0 】一一方形电机定子冲片，它包括冲片本体，冲片本体内部具有线槽1 3 ，其特征 是冲片本体外部是方形结构。2 0 0 4 年，广州市南峰专利事务所有限公司申请了一 项电机定转子片( 多边形) 专利【3 1 1 。 1 2 3 电机泵的发展概况 液压电机泵具有广泛的应用需求及研究价值。电动机与液压泵集成的这种想 法很早就有，但是由于当时材料及制造加工条件等的限制，直到最近十几年电机 泵的研究与应用才真正开始。经文献检索发现，目前液压电机泵的研究主要集中 在一些发达国家和地区。由于技术保密等原因，检索的文献资料仅限于一些发明 专利和产品说明书，关于液压电机泵的性能、结构等方面研究的资料并不多见。 目前，国内进行液压电机泵研究的有兰州理工大学、北京航空航天大学、燕 山大学等高校及单位。兰州理工大学正在进行液压电机叶片泵的基础理论及实验 研究，北京航空航天大学正在开展直流伺服电机和内啮合齿轮泵一体化的研究， 燕山大学j 下在开展数字控制交流伺服变速变量轴向柱塞液压电机的研究。 6 兰j l l f 唯一rj j 。n 贞i 。f t 论乏 从2 0 世纪9 0 年代初一些发达国家和地区已经开始了液压电机泵的研究，并 陆续出现了液压电机泵的专利及样机，目前已经进入生产应用阶段。可以说2 0 世纪9 0 年代是液压电机泵的一个飞速发展的阶段。 19 9 2 年3 月同本公丌了一项液压电机叶片泵的发明专利 3 2 】，如图1 6 所示。 叶片泵与电动机转子安装在同一轴上，并且与电动机定子一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i b j 的间隙从下部的出油口流出，带走电机的部分热量。 图1 6 日本液压电机叶片泵专利 图1 7 美国v i c k e r s 公司i m p l 8 6 7l 3 4 l l i 图1 8v i c k e r s 液压电机泵占用体积对比 1 9 9 4 年美国v i c k e r s 公司开发出的新产品 i m p ( i n t e g r a t e d m o t o r p u m p ) 3 3 3 4 1 ，获得美国同期产品丌发金 产出将电动机输出轴和液压泵轴对接在 7 奖，如图1 7 所示。这是国外第一次生 一起的液压动力单元。将交流电动机与 液j 卡i u 机氽中i u 机定了形状对i u 舷特性干；址度场f f 勺影响 液压柱塞泵集成在同一一个密闭的壳体内，杜绝了外泄漏，去除了风阚，采用了油 冷却方式，消除了风扇噪声。据v i c k e r s 公司实验中心测试，一个6 0 h p 的集成动 力单元在噪声l 二比传统的三段式液压动力单元要小1o 12 d b 。 产品在占用体积上比传统的三段式液压动力单元要小3 0 5 0 ，如图1 8 所示，其中a 为传统电动机( 1 2 0 0 r p m ，6 0 h z ，6 0 h p ) 与p v h 9 8 泵组成的液压动力单 元，b 为传统电动机( 1 8 0 0 r p m ，6 0 h z ，6 0 h p ) - 与p v h 5 7 泵组成的液压动力单元，c 为 油冷却电动机( 18 0 0 r p m ，6 0 h z ，6 0 h p ) 与p v h 5 7 泵组成的液压电机泵( i m p ) ，液压电 机泵的长度显著小于传统液压动力单元。可见液压电机泵在体积、无泄漏、噪声 等方面占有优势，因此适用于如汽车制造业、机械加工业等节省空间和降低噪声 很重要的场合。由此液压动力单元的集成化向前迈出了一大步。 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一体化的电 动机驱动连接的液压泵【35 1 ，如图1 9 所示。它包括内设轴的箱体和安装在轴上可 以旋转的圆柱形缸体。电机的转子具有一个旋转支承，该轴承套使圆柱形缸体包 绕在箱体中。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，以便在电机通电后产 生变量泵的作用。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1 9v i c k e r s 电机柱塞泵专利 图1 1 0 电机柱塞泵 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，如图1 10 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 r p m ，两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 3 6 , 3 7 】。 9 0 年代末期s a u e rb i b u s 生产出一种液压电机柱塞泵【3 6 , 3 8 】，它是异步电动机和 变量轴向柱塞泵的集成体，如图1 11 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。 柱塞泵以恒定的速度运转，靠变量斜盘改变传递能量的大小。近几年，国际 上对电机泵的研究主要集中在日本、德国。 兰州理t 人学坝i j 学位论文 图1 1 1 s a u e rb i b u s 【乜机牲塞泵 德国于2 0 0 3 年公丌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 39 1 ，如图1 12 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。 _辫a 确a a a 越 a g 瓢& 舱醐豁 ，一 j 令；宅 函： 璃，馑 魁撕 粤：调禳瑟 冬骂剿 图1 1 2 集成液压动力单元图1 1 3 液压电机柱塞泵( 日本油研) 2 0 0 4 年同本油研公司推出了一种液压电机轴向柱塞泵【4 0 1 ，其主要特征是把旋 转电机输出轴与轴向柱塞泵的轴连为一体，省去了联轴器，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1o 15 分贝，其结构如图1 13 所示。 德国v o i t h 公司2 0 0 5 年推出了一种内啮合齿轮电机泵【4 1 1 ，是把内啮合齿轮 泵集成在电动机中，体积比常规电动机一齿轮泵液压动力单元减小5 0 ，其噪声 降低非常显著，16 台内啮合齿轮电机泵的噪声相当于1 台常规的电动机一齿轮泵 液压动力单元的噪声，如图1 1 4 所示。 图1 1 4 内啮合齿轮电机泵 誊 液肤i u ! j l 裂中i m - ) l 定7 彤状对i u 磁特性干滥成场n 勺影恫 2 0 0 6 年台湾中ij i 科学研究院与油晟公司合作研制丌发出了电液复合泵浦【42 1 ， 如图1 1 5 所示，将传统需要联轴器连接的电动机、柱塞泵整合为一体，在电动机 的转子体内嵌入柱塞泵结构，电动机转子与定子间充满了液压油，直接在液压油 内旋转，电动机旋转时不需要联轴器就可以带动液压泵。这种结构具有降低噪声， 减少了功率损失，安装简易等多项优点。针对样机进行实验测试、理论分析及软 件模拟，建立了电液复合泵浦的通用设计程序及模拟分析方法，为液压柱塞电机 泵的设计提供了理论基础及试验指导。 匿? 黪 图1 1 5 电机复合泵( 台湾) 日本油研公司开发的集成动力单元是将柱塞泵、电动机、油箱等集成在一个 立方形壳体中，还包括各种附件，如螺线管开关、方向阀、热传感器、压力开关 等，如图1 16 所示。各个组件间采用直接连接，实现了无管连接的理念，因此不 存在泄漏。特制的立方形壳体结构可以很方便的放置在各种机床中，同时减小了 振动和噪声。集成动力单元的能量损失比传统液压动力单元减小了10 ，具有较 好的冷却性能，可以使温升保持在一个很低的水平，整体温升比室温低1 2 度，因 此热辐射、热变形小。这种动力单元适用于矿物型油及合成型油液【4 3 , 4 4 】。 y p p a c k 一一、。，” 一 。一一、； ；强4 弛 y f p a c k y f p a c k ptd ： 西黼， 丫 l 歹ij i 猷 图1 1 6 油研集成动力单兀 2 0 0 5 年同本株式会社日立制作所申请了一项电机一体型内接齿轮泵及电子 设备发明专利【4 5 1 ，如图1 1 7 所示。它具有泵部分和电机部分。泵部的结构类似内 啮合齿轮泵，泵外壳布置有吸油口和排油口。电机部分构成泵外壳的一部分，它 是由非磁性材料的薄板状壳体、驱动上述外转子或者内转子的转子以及定子构成， 它适用于作为冷却液循环回路的送液装置，例如计算机的内部冷却装置。 1 0 兰州理t 人学硕i j 学位论文 此外，稚雷维尼集团、p a r k e r 公司、博世力士乐等公司都生产把液压泵、液 压阀、电动机、油箱等液压元件集成在一体的液压动力单元 4 6 - 4 8 】，主要应用于杠 杆式起重机、机床、压力机、装卸台、汽车起重机、扫雪机等多种领域。图1 1 8 为力士乐，产的集成液压动力单元，是柱塞泵、电动机、液压阀等的集成式液压 动力单元。涌镇液压机械有限公司等企业都有这样的集成液压动力单元。 图1 1 7 直流无刷电机齿轮泵计算机冷却系统 目前，国内液压动力单元一体化方面开展的研究工作还比较少，国内产业界 也没有充分重视。如：李大等 4 9 1 分别对使用联轴器和不使用联轴器的电机、泵系 统的轴进行扭转振动分析仿真；张大杰等【5 0 1 应用a n s y s 软件对带有不同冷却流 道的三种电机泵的定子模型对应的空载电磁场进行了数值计算，为新型轴向柱塞 液压电机泵定子的结构设计提供了依据。 1 2 4 液压电机叶片泵的研究概况 兰州理工大学现代液压元件研究团队从2 0 0 5 年至今一直从事电动机泵一体 化方面的研究工作，获得了多项关于电机泵方面的发明专利授权。文献【5 i 5 2 ，5 3 ”1 对液压电机叶片泵损耗机理进行了分析、电机的瞬态电磁场进行数值仿真、电机 泵的能量转化效率计算、气隙负载效应以及初期的试验测试与分析、内置矩形聚 四氟乙烯密封圈的密封机理研究、泵芯座变形仿真及电机泵内部流场的仿真。 发明和研制出一台液压电机叶片泵样机，建立了电机泵性能试验系统，获得 了样机的输入电量参数、输出液压能参数及内部转子转速和壳体内部压力等参数， 得到了液压电机叶片泵样机的转子转速、噪声、功率和效率等随输出压力变化的 特性，并与同等功率液压电机油泵组的试验结果进行了对比。试验发现：相比于 电机油泵组，电机叶片泵样机的体积减小5 0 、轴向尺寸减小6 1 ，噪声降低约 7 d b ；同时，也发现样机存在内部流道狭窄引起的气泡析出和内部密封不良引起额 外泄漏的问题。通过合理的理论分析及仿真计算找到了导致上述问题出现的原因， 并指导改进了样机内部部分零件，进一步改善了样机性能。目前，改进后的液压 电机叶片泵样机试验得到了较为理想的结果：1 5 m p a 时的容积效率达到了8 0 7 ， 并且噪声进一步降低了约4 分贝。目前，兰州理工大学液压课题组设计出的第二 代液压电机叶片泵样机已经研制完成，正在进行试验研究。 1 3 电机定子电磁场和温度场研究概况 电机电磁场的有限元计算属于较复杂的计算问题。币确合理地建立或选择数 学模型，取决于对电机内部电磁现象的深刻理解，取决于对近似程度的适当选择。 采用有限元法求解电机电磁场分布规律的边值问题，是对电磁场的定量计算及定 量描述。求解电磁场的的有限元法被广泛应用于电气设备产品开发的前期研究， 可以直接指导设计过程，尤其是一些对产品性能要求条件极高的设计方案的实现； 多种设计方案的比较；设计方案的调整；设计方案的优化及改进等。从而改变了 以往“设计试制修f ”的那种旧的产品设计路线，在时间和经济性上占有很大优 势。特别是采用人工智能及专家系统等现代方法，将能进一步提供实现更优化或 最优化设计方案的手段，这也是当今有限元法电磁计算中的一个新的发展方向与 趋势【55 1 。 有限元法在电磁计算中的广泛应用，除前述有限元法本身的特点外，还来自 于各种有限元法电磁计算商业化软件的不断推陈出新以及其获得的越来越多的用 户。使用者仅需对所需计算的问题进行参数设置，便能获得所需结果，并能在此 基础上不断对结果进行后处理，不需要了解有限元求解的详细过程，如网格剖分、 方程形成及求解等。 2 0 11 年，张晓晨等”6 】采用时步有限元法对比分析了定子铁心丌槽与否对电 机主磁路漏磁通影响及引起的各种损耗分布变化趋势。2 0 1 0 年，冯跃菲【5 7 】提出了 一种简单实用的铁芯有效轭部高度计算方法。19 9 8 年，吕晓春等【5 8 】对方形异步电 机的定子振动分析模型作了研究。2 0 0 8 年，s u j i nl e e 等【59 】采用有限元法( f e m ) 研究通过改变定子形状( 不同极数和定子槽数) 以降低永磁同步电机定子铁心损 耗。2 0 0 3 年，w e ic a i 等利用有限元法对五种不同形状定子的开关磁阻电机( s r m ) 进行了模态分析研究。2 0 10 年，j i a nl i 等 6 0 】对不同形状定子的开关磁阻电机 ( s r m ) 进行了电磁场和温度场的仿真计算，并分析对比了不同形状散热壳体的 温度。 就目前而言，电机温升的计算方法主要有：简化公式法、等效热路法、温度 场法和耦合场法【6 1 1 。温度场法是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求 解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。 由此可见，温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每 一点的温度和温升，对整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据， 从而更加准确、合理地指导对电机的设计。在电机温升的计算中，等效热路法、 网络拓扑法、有限差分法、有限元法都属于数值计算方法。但前两种方法本质上 是基于场路结合的思想，有限差分法、有限元法才是实际意义上温度场的数值计 1 2 ：! f 甲丁人f i i i f ! # f t 论之 算方法。 1 9 7 6 年，a f a r m o r ，c h a r im v k 首次利用有限元法对大型汽轮发电机定 子铁心进行了三维温度场计算【6 2 1 。j b t i n o u e nr ，m e z a n is 等学者利用有限元法对感 应电机的温度场分柿进行了计算，并与热网络法进行了比较【63 1 。r o s h a n io b r y a n ， k e t a ns h e t h 等学者利用有限元法对潜油电机的传热性能进行了验证【6 4 1 。 m a n z a n i l l ar ，m o r e n on 等学者对原油和潜油电机之间的热交换进行分析【65 1 。张 大为、汤蕴璎等学者利用有限元法求解了在考虑铁心各向异性导热系数情况下的 大型水轮发电机最热段定子的三维温度场分靠【66 i 。高殿荣，张大杰等学者利用有 限元法对不