（机械电子工程专业论文）液压电机叶片泵的电磁场及温度场的数值解析.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 传统液压动力单元的效率低、噪声大、泄漏等缺点已经成为制约其发展和应用的主 要问题。液压电机叶片泵是将电动机和液压叶片泵整合为一体的一种新型液压动力单 元，具有结构紧凑、噪声低、效率较高和无外泄漏等优点。由于电动机转子内部嵌入了 叶片泵，浸油电机转子内径增大。并且其处于浸油环境，因此电机的磁场强度、气隙磁 密、铁芯损耗等都将产生变化。 本论文以电机泵中的浸油电机为研究对象，采用理论分析、数值解析和试验相结合 的方法，对浸油电机和普通电机的静态和瞬态电磁场进行解析，发现起动过程中浸油电 机漏磁现象要比普通电机严重，导条中的涡电流使得转子上的磁力线主要集中在转子的 上部；对不同转子内径的浸油电机进行了电磁场的数值解析，结果表明转子内径增大时 电机转速变慢，转子内径在6 0 m m 1 0 5 m m 之间时，浸油电机空载性能较好。并对液压 电机叶片泵的温度场进行计算和分析。 论文的主要内容： 第1 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、 有限元分析方法在电机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 本论文的主要研究内容。 第2 章，概述了电磁场的基本理论和电磁场数值计算方法、有限元法的原理和求解 方法；基于电机电磁场有限元计算与分析的理论基础，建立了液压电机叶片泵中浸油电 机性能分析的理论依据。 第3 章，针对提出的液压电机叶片泵结构模型，阐述了其基本工作原理。基于液压 电机叶片泵的基本假设，运用有限元方法对普通电机和浸油电机的瞬态和静态电磁场进 行了解析。获得了无负载时浸油电机和普通电机的磁力线及磁感应强度的分布、磁通密 度随着转子转动角度的变化曲线。计算表明普通电机的铁芯损耗都高于浸油电机；当转 子内径增大时，气隙磁密的波形变化较大，谐波较大。 第4 章，阐述了浸油电机的等效电路及电磁参数计算方法。介绍了浸油电机的参数、 边界及其模型生成的过程。对不同转子内径时浸油电机的性能进行了仿真，发现转子内 径在6 0 m m 到1 1 0 m m 之间，电机空载性能变化不大。 第5 章，阐述了液压电机叶片泵温度场计算的基本理论，针对液压电机叶片泵的温 度场进行了分析，计算表明液压电机叶片泵的冷却效果很好。并对计算得出的功率损耗 进行了试验验证。并简单介绍液压电机叶片泵的试验系统及其原理。 关键词：液压电机泵：叶片泵；电磁场；温度场；数值解析 液压电机叶片泵的电磁场及温度场的数值解析 a bs t r a c t t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e ru 面ti sl o we f n c i e n c ya n dm g hn o i s ea n ds oi tl i m i t si t su s e a n dd e v e l o p m e n ta tp r e s e m an e wd e s i g nw l l i c hc a l l e dt h eh y d r a u l i cm o t o r - v a n ep u m p ( 日mp ) i sp u tf o n a r d t h ee l e c t r i cm o t o ra n dv a n ep u m pa r ec o m b i n e da saw h o l eu n “w l l i c h d o n tn e e dc o u p l e r t h e n ep u m pi ss k i l l m l l yi n t e 野a t e di n t ot h er o t o ro fe l e c t r i cr r l o t o r i n s i d e t h e r e f o r e ，t h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i c ，t h ea l i 卜g a pi n d u c t i o n a i l dc o r el o s s e sw i l lp m d u c e m c hc h a n g e s i i lt h et h e s i s ，t h en u m e r i c a ls i i i 】【u l a t i o n 、t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s m e t h o dc o m b i n e dt o g e t h e ra r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h es t a t i ca n dt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c 最e l do fe l e c t d cm o t o ri nhmpa n di n d u c t i o nm o t o r nt u m so u tt h ep h e n o m e n o no fn u x l e a k a g ei nt h ee l e c t r i cm o t o ro fh mpi sm o r es e r i o u st h a ni n d u c t i o nm o t o rm l r i n gs t a n i n g t i m e a n df l u xl i n e so nt h eb a ro fr o t o rg a t h e r e do nt h et o po fr o t o rb e c a u s eo fe d d y 饥盯e n ti n t h eb a r t h es p e e db e c o m e s l o wa st h ei n c r e a s eo fi n t e m a ld i a m e t e r t h e r ei sl i t t l ec h a n g eo n t h ef l o n 1 0 a dp e r f 0 m a n c eo fe l e c t r i cm o t o ri nhm pw h e nt h ed i a m e t e ro fr o t o ri sa m o n g 6 0 m ma n d1 0 5 m m t h et e m p e r a t u r ef i e l do f h n i sa n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t so ft 1 1 et h e s i sa r ea sf 0 1 l o w s ： i l lc h a p t e rl ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n m 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 r y 锄d c u r r e n tr e s e a r c hp r o 野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 a r c h s u b j e c t sa r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h eb a s i ct h e o r ya n dn u m e r i c a l 锄a l y s i sa b o u tt h ee l e c t l o m a g n e t i cf i e l da r e 鲫m m a r i z e d t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta r ei n t r o d u c e dm a i n l y t h et h e o r yo f t h ep e 怕r m a n c eo fe l e c t r i cm o t o ri nhm p ，b a s i n go nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di n e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，i se s t a b l i s h e d i nc h a p t e r3 ，t h eb a s i cw o 凼n gp r i n c i p l eo fm 皿i se x p o u n d e d t h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l db o t ht r a n s i e n t 锄ds t a t i c0 nt h et i l r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ra i l dm o t o ro f m 但i s a n a l v z e di nd e t a i l t h ed i s t m u t i o no fm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi ss i m u l a t e d 锄dt h ec u r v e o ft h e d e n s i t ya st h er o t a t i n ga n 9 1 ei sd r a w n t h ec o r el o s s e si nt h et l l r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r i sh i g h e rt h a nm o t o ro fhmp t h en u xd e n s i t yi na i 卜g a pa n dt h eh 锄o i l i cw a 、，ec h a r 塔e s 盯e a t l va st h ei n c r e a s eo ft h er o t o rd i a m e t e r i nc h a p t e r4 ，e q u i v a l e mc i r c u i ta n de l e r o m a g n e t i cp a r a m e t e r so fm o t o ri nh i v 田i s i n t r o d u c e d t h es e t t i n go fp a r a m e t e ra n db o u n d a r yo fm o t o ri nhm pi sd e t a i l e d t h e r ei sl i t t l e c h a n g eo nt h ep e r f b r m a n c eo fe l e c t r i cm o t o ro fhm pw h e nt h ed i a m 酏e ro fr o t o ri sa m o n g 6 0 m ma n d1 1 0 m m i i lc h a p t e r5 ，t h et h e o r yo ft e m p e r a t u r ef i e l di ss t a t e d t h ct e m p e r a t u r ef i e l do fh m 口i s a n a l v z e d w ec a nd r a wac o r l c l u s i o nt h a tt h ee f i e c to fo i lc o o l i n gi sb e t t e rt h a nt h a to fw i n d c o o l i n g a n d t h ec 0 m p u t i n gp o w e ri o s so fh m pi s c o m p a f e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e 跚l t s t h e r ei sae r r o rb e t w e e nc o m p u t i n gr e s u l t s 锄de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h et e s tm e t h o do f h v d r a u l i cm o t o rp u i i 】l pa n dt e s td e v i c e s 孤ei m r o d u c e d k e yw o r d s ： h y d 豫u l i c m o t o r p u m p ， v a n e p u m p ，e l e c t m m a g n e t i cn e l d ， t e m p e r a t u r e6 e i d ， n u m e r i c a la n a l y s i s 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：而辱丹耳日期：歹口。罗年 月口日 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：许丹再 导师签名：葛皂 日期：二口口罗年6 月t 日 日期：砷年6 月，。日 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 液压泵将向高压化、信息化智能化控制、与原动机合一及纯水液压泵的四大方向发 展【l 】。由于液压传动存在多次能量转换，能耗较电气传动和机械传动大，而且液压油造 成潜在环境污染和油的损耗，加上液压系统的噪声较大，因此，液压技术必需不断克服 上述缺点，同时移植相关领域的先进技术，提高液压传动与控制的性能，才能适应可持 续发展及节能和环保的需求，才能提高与电气传动、机械传动的竞争能力【2 l 。与此同时， 小型化集成化也是液压技术的发展趋势之一1 3 1 。液压电机叶片泵的出现适应了液压泵与 原动机合一的发展方向以及液压技术高效、节能、环保、低噪声、小型化集成化的发展 趋势。 1 1 1 传统液压动力单元【4 j 液压动力单元是液压系统的“心脏”，是决定系统性能的关键部件。目前液压动力单 元主要是“三段式”结构，即由独立的电动机( 或内燃机) 、联轴器和独立的液压泵组成， 电动机将电能转化为机械能，再通过联轴器传递到液压泵，然后由液压泵将机械能转化 为液压能输出。 在传统“三段式”液压动力单元中，电动机将电能转化为机械能，再通过联轴器传递到 液压泵，然后由液压泵将机械能转化为液压能输出。因此，“三段式”液压动力单元在不 同程度上存在如下问题： ( 1 ) 体积和重量较大；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。由独 立电动机和独立的液压泵构成的液压动力单元，一般需要联轴器、运动转换机构、泵架 等辅助机构及装置。 ( 3 ) 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彻底 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。 ( 4 ) 独立电动机中的冷却风扇也使得整个动力单元噪声增大。 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 o l 4 0 0 0 关于环保的标准。 以上这些问题在不同程度上制约了液压动力单元在空间有限以及环境清洁度要求 较高等特殊场合( 如医药、食品加工、造纸等) 或特殊流体高压输送领域的发展与应用。 堡些：些! ：圣墼：璧丝尘兰耋丝墼墼：i 墼兰 1 12 液压电机泵 液压电机泵是基于把电动机与液压泵中的关键运动件合二为一的思想，改变 l 独立 的电动机、联轴器和独立的液压泵组成液压动力单元的传统模式，使液压泵、电动机集 成在一个壳体内，省去了冷却风扇，形成新型的集成式液压动力单元一液压电机泵。与 传统的“三段式”液压动力单元相比，体积较小；不存在外伸的轴，避免了因泵轴伸出潜 在的泄漏：去除了联轴嚣，减少了连接及配合，提高了能量转化效率和可靠性：去除电 机中的冷却风扇，采用油冷却，降低了噪声，提高了功率p l 。图11 为同等功率下“三段 式”液压动力单元与液压电机r 片泵体积的比较图液压电机叶片泵体积要比“三段式” 液压动力单元小很多。液压电机泵减少了体积，无外泄漏，降低了噪声，因此它的出现 适应了液压技术小l ，化集成化、环保、低噪声的发展趋势。 r 毗：批曼i l ： ( a y = 段式”液压动力单j lf b ) 液压电机叶片 图ll 传统“i 段式”液压动力单元和液压【u 机叶j i 泉体积比较 使液压叶片泵泵芯直接集成在特制电动机内部，电动机转子与叶片泵泵芯合二为一 构成新型的液压动力单元( h y d r a u l l cp o w e ru n i t ) 液压电机叶片泵( h y d r a u l l cm o t o r v a n 。p u m p ) ，使之具有结构紧凄、噪声低、效率较高、无外泄漏等突出优点。其三维结 构图如图12 所示。 鬻囱 兰州理工大学硕士学位论文 却方式；普通电机采用风冷冷却方式。 电机运行时，在定转子电流的作用下，在电机内部空间存在复杂的电磁场。电磁场 在不同媒质中的分布、变化以及与电流的交链等情况决定了电机的运行状态和性能。因 此研究电机中的电磁场电机设计和分析具有重要意义m 】。 本论文以液压电机叶片泵为研究对象，采用理论分析和数值解析相结合的方法，对 浸油电机和普通电机的电磁场进行数值解析，并对油冷和风冷两种情况下的温度场进行 了计算和分析。并通过试验验证理论分析的可行性。目前对液压电机泵的电磁场及温度 场的研究并不多见，因此液压电机叶片泵的电磁场及温度场数值分析对液压电机泵的设 计和研究有着重要的意义。 本课题来源于国家自然科学基金项目“液压电机叶片泵的基础理论及实验 ( 5 0 6 0 5 0 3 0 ) 。 1 2 液压电机泵研究现状与发展概况 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 型的液压泵与电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、液压 泵在结构上基本没有大的变化【4 】。目前，除电机油泵组外，常见的动力单元的集成结构 还有液压自由活塞发动机、潜油电泵、屏蔽电泵、燃油电泵等。 以上所述集成液压动力单元尤其是电机油泵组并不是真正意思上的液压电机泵，它 们仅仅是在结构上简单的组合，但却在某种程度上为液压电机泵的发展奠定了技术和理 论基础。 1 2 1 液压电机泵的结构特点 常用液压泵的类型有叶片泵、轴向柱塞泵、径向柱塞泵、内啮合齿轮泵、外啮合齿 轮泵。按照原理和结构，电动机可以分为直流电机、交流电机、交直流两用电机( 即通 用电机) 、开关磁阻电机等。每种液压泵都可以和其中的某一种电动机集成一体，这样 就有多种集成方案。图1 3a ) 为不同种类的电机与液压泵的集成方案，图中箭头所示为 柱塞泵和伺服电机的集成方案。 液压电机泵有两种布置结构形式，液压泵可以集成在电动机内部的左侧或右侧，也 可以集成在电动机内部的中部。图1 3b ) 为柱塞泵与电动机的集成布置结构，柱塞泵可 以集成在电动机的左侧、中部和右侧。并不是每种集成方式和布置结构都可获得性能良 好的集成动力单元。这需要从结构的合理性( 体积、重量等) 、性能参数、应用领域等方 面对其进行综合评价p 】。 3 ：! 些些i ：! ! ：塑! ! 彗j 蓦莓哥孵干泌”翟“11 莎r ”_ = 丰司纛r 1 广一 熊兰釜 a 图l3 液压泵一电动机集成型式及布置结构示意图 122 液压电机泵的发展概况 液压电机泵的研究具有广泛的应用需求及研究价值。电动机与液压泉集成的这种想 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 究与应坩才真正开始。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，困内进行液压电机泵研究的有有兰州【理工大学、北京航空航天大学、燕山大 学等高校。兰州理工大学正在进行研究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。燕山大学正在开展数 字控制交流伺服变速变量轴向柱塞液压电机的研究。 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 现丫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。 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p l ，如图l4 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、转子间的 间隙从下部的出油口流出，带走电机的部分热量。 圈l _ 4 日本液压电机叶片泵专利 1 9 9 4 年美国v t c k e r s 公司开发出的新产品唧( i n t 。g r m e d m 0 t o r p u m p ) o 1 1 1 ”，获得 美国同期产品开发金奖，如图15 所示。这是国外第一次生产出将电动机输出轴和液压 泵轴对接在一起的液压动力单元。将交流电动机与液压柱塞泵集成在同一个密闭的壳体 。圄引圄到圄 。翻 。国 鱼，铡。 译驾 兰州理工大学硕士学位论文 内，杜绝了外泄漏，去除了风扇，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上比传统的三段式液压动力单元要 小1 0 1 2 d b 。 图1 5 美国c k e 稻公司i m p 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 6 所示， 其中a 为传统电动机( 1 2 0 0 r p i l l 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 驰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 ( 1 8 0 0 r p i i l ，6 0 h z ，6 0 h p ) 与p v h 5 7 泵组成的液压电机泵( m 但) ，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。 3 默 s 动 口3 0 6 _ d 孕1 辱 1 2 2 口 2 e 二溶f 3 8 4 8 图1 6 c k 懿液压电机泵占用体积对比 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【1 3 】，如图1 7 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 5 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。 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18 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 f 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“】。 向 泵 近几年 图l9s a u c r b l b u s 电机柱塞泵 图l1 0 集成液压动力单元 图il l 液压电机柱塞泵( 日本油研) 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6 】，如图l1 0 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 年日本油研公司推出了一种液压电机轴向柱塞泵【1 ”琪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 l o 1 5 分贝，其结构如图1 1 1 所示。 德国v 0 i t h 公司2 0 0 5 年推出了一种内啮合齿轮电机泵m 舯l ，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，1 6 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 2 所示。 圈1 1 2 内啮台齿轮电机泵 2 0 0 6 年台湾中山科学研究院与油晟公司合作研制开发出了电液复合泵浦唧 2 ”，如图 l1 3 、图1 1 4 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，电动机转子与定予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。台湾黄闽宗、吴有章、谢圣平发表了一篇关于油膜效应论文电液复合泵浦 气隙油膜效应模拟分析。台湾成铭德等发表了一篇名为电液复合泵之电马达性能分 析的论文，但检索不到全文。这是目前所检索到的关于液压电机柱塞泵的最详尽的资 料。目前国内的四川朝康液压设备有限公司和东莞市油圣商贸有限公司等都有销售。 黪+ 斟姆 图11 3 柱塞式液压电机泵( 台湾)图11 4 台湾液压柱塞电机泵 鹜些些：2 ：! ! ! ! 塑1 2 氅! 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115 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1 0 ，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口2 捌。 图l1 6 直流无刷电机齿轮泵计算机冲却系统 图l1 7 力士乐集成动力单元 此外，布雷维尼集团、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集成式液压动力单元m 。3 0 】，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11 7 为力士乐生产 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。 兰州理工大学硕士学位论文 1 2 3 液压电机叶片泵的研究现状 兰州理工大学正在进行液压电机叶片泵的基础理论及试验研究。目前已经完成了结 构设计、理论分析，现正在进行液压电机泵的性能测试实验。 通过液压电机叶片泵，使得电能直接转化为液压能输出。电机定子中装有电机绕组， 电机转子内部压装了转子套，带动主轴转动，主轴带动叶片泵转子运动，低压油液由进 油口进入液压电机叶片泵内，经过特制电动机壳内的流道及定转子间的气隙，在转子套 上前置辅助泵离心力的作用下把低压油加压输送至泵芯座底部的通油孔，进而进入叶片 泵的吸油窗口，经过叶片泵工作腔的压缩，从出油口排出高压油。油液在液压电机泵内 部形成了循环油流，可以冷却电机泵的发热，由于省掉了普通电机的散热风扇，并且设 置了孔板式离心辅助泵，因此液压电机叶片泵具有优良的静音性能。由于电机泵没有外 伸轴，因此杜绝了外泄漏的可能。转子套开设斜孔，组成了前置辅助泵，利用离心力的 作用增大叶片泵的吸油能力，改善了叶片泵的吸油性能，可以降低由于吸油不充足而出 现的气穴、噪声等问题。由于不需单独的辅助泵，因此由液压电机叶片泵构成的液压动 力单元体积很小。液压电机叶片泵具有静音、结构紧凑、效率高、冷却方便、没有外泄 漏、工艺性好等优点，可以广泛用于液压系统中作为动力单元，同时也非常适用于不允 许外漏的介质输送。 1 3 液压电机泵的关键技术和发展 1 3 1 液压电机泵的关键技术 设计性能优越的液压电机泵及开展液压电机泵的基础理论及实验的研究工作，还应 解决以下关键技术问题【4 】： ( 1 ) 特制电机转子与液压泵的转子合二为一的结构方案，液压电机泵在交流电作用 下的运动学及动力学行为基础理论。通过对液压电机泵内部的旋转电磁场进行数值模 拟，及液压电机泵结构对其运动学、动力学行为的影响的研究，建立包括主要结构参数， 工作参数在内的液压电机泵驱动力矩数学模型。 ( 2 ) 研究液压电机泵的能量转化效率，分析能量损失机理，建立能力转换效率与主 要参数之间的数学关系。液压电机泵中的特制的电机定子和转子的结构形式、配合气隙、 摩擦副润滑状态、工作参数等，是影响电磁能量转换、机械效率、容积效率的重要因素， 通过能量损失的分析计算，多参数寻优拟合方法，分析各参数对效率的影响权重，确定 效率数学表达式中的系数。 ( 3 ) 研究液压电机泵的流体噪声控制方法。电机泵采用液压油直接冷却方式，去除 独立电机中的冷却风扇，消除了空气动力性噪声源，因此整个动力单元的噪声主要来自 于液压泵和电磁振动。叶片泵在配流过程中的配流冲击及气穴是主要流体噪声源，考虑 9 液压电机叶片泵的电磁场及温度场的数值解析 油液压缩性的影响，提出最佳配流解决方案。 ( 4 ) 电磁噪声的控制。综合采用短矩绕组、增加气隙、转子斜槽、近槽配合等方法 降低液压电机叶片泵中特制电机的电磁噪声。 ( 5 ) 液压电机叶片泵内部油液冷却循环流动分析，通过流场仿真方法优化电机泵壳 体内部的流道，减小流动阻力，提高电机散热效率。 1 3 2 液压电机泵的发展 液压电机泵的设计和研究没有较成熟的理论指导，需要我们自主开发研究一套液压 电机泵的设计方法。目前我们已经完成了液压电机叶片泵的结构设计和部分理论分析， 在设计过程中，尽可能采用标准件，以降低液压电机叶片泵的生产成本，提高通用性， 理论分析表明电机叶片泵特制电机的效率与普通电机的相差不大。目前，样机已加工完 成，并利用样机对液压电机叶片泵性能参数进行了测试，取得了国内第一手实验数据。 下一步，将利用实验数据的进一步分析结果，与理论分析相结合进行反复的验证分析， 进而创立液压电机叶片泵的基础理论。为研制开发具有自主知识产权的高效低噪的液压 电机泵奠定基础，推动液压动力单元向小型化、集成化及高效化发展。 现有的液压动力单元的集成结构集中在电动机和液压泵的集成方式上，将电动机、 液压泵、液压阀、油箱等集成在一起，形成集成液压系统单元，也是液压动力单元的发 展趋势之一。将新材料、新工艺应用于液压电机叶片泵中，研发出高性能的液压电机泵。 电动机与液压泵的集成是液压动力单元的发展方向。液压电机叶片泵具有噪声低， 结构紧凑，便于安装，无外泄漏等优点，因此液压电机泵的研究是非常有意义的。要实 现动力单元集成化，当然要实现这一目标，尚有大量的工作要做。目前，德国、日本、 台湾等国家和地区已经开始投入生产液压电机泵，但是国内还没有液压电机泵的设计理 论、设计分析及实验研究作为指导，目前兰州理工大学、北京航空航天大学、燕山大学 等高校正在开展相关的研究。国外对电机泵的研究和实验处于领先的地位，他们有一套 自己的设计及试验方法，其产品资料出于技术保密，对外加以封锁。国内对电机泵的研 究无论是广度和深度与国外相比都存在较大的差距。如果能尽早开发液压电机叶片泵这 一产品并取得成功，可为研制开发具有自主知识产权的高效低噪的液压电机泵奠定基 础，推动液压动力单元向小型化、集成化及高效化发展。 1 4 有限元分析在电机电磁场分析中的应用【3 1 3 3 】 工程应用中的许多空间分布规律，在数学物理方法上都可归结为边值问题的求解。 随着计算科学技术的发展以及实际应用中对设计精度要求的不断提高，设计要求逐渐的 提高，因此，数值计算变的越来越复杂。与此同时，在电气工程的具体应用中，各物理 现象间错综复杂的联系，使得必须把它们综合起来同时考虑，才能达到现代设计的要求 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 和标准。 有限元法是目前电气工程中解决电磁场边值问题的强有力手段，它有效地解决了电 磁场计算中的通用性与精确性的问题，在工程中获得了广泛应用。从当前电磁计算的前 沿发展来看，有限元法不仅本身在应用方面具有很大的潜力，而且结合其它的理论和方 法还有更广阔的发展前景。 电机电磁场的有限元计算属于较复杂的计算问题。正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“设计试制修正”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。 目前，有限元法电磁计算在电气工程中的应用非常广泛，包括其各个方面，内容极 其丰富，如电机的电场分布、电磁力、变形、转子转动、动态变化过程以及电力电子装 置相结合等情况下的分析和特性预测及电机参数的计算等。近年来较新的内容，如传动 调节器的计算等。还有变压器以及其他电力系统元件，如高压绝缘子、高压线圈、输电 线电缆等的分析。 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。 通常的有限元法电磁计算商业化软件包含场域几何尺寸处理模块、介质物理参数选 择模块、网格剖分生成模块、方程形成及求解模块、后处理及用户界面等五个主要部分。 在当前的商业化软件中，基本上都包含了二维或三维电磁场计算选择、外源激励的处理、 非线性介质物理参数的数据库、网格的自适应剖分、线性或非线性以及稀疏或满元方程 组的自动优化处理、位函数场量与所需分析量的转化及与温度场、应力场的耦合处理等 功能。此外，还具有与计算机辅助设计软件的接口，并设有多种让用户参与的通道。因 此，既减轻了用户采用有限元法的大部分工作量，又为用户提供了大量的选择余地，极 大程度地方便了用户。 目前，电磁场数值计算己经取得大量应用研究和工程分析、设计的成果，各种电磁 场商业化软件进入相关的研究部门、生产企业，产生明显的经济效益并推动电磁场数值 计算的发展。国外的有限元商业化软件有美国的m s c e m a s ，a n s y s ，m a g s o r 以及以及 a n o s o f tc o 叩公司的m a x w e l l 软件等。国内的上海大学、华中理工大学、哈尔滨工业大 液压电机叶片泵的电磁场及温度场的数值解析 学以及中科院都在这方面进行了研究，并向市场推出了国产的有限元商业化软件，其中 中科院的“飞箭公司的研究已开始市场化。 1 5 本论文主要研究内容 根据液压电机叶片泵的理论研究需要，确定本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 液压电机叶片泵中浸油电机是根据传统电机的设计方法进行设计的。采用理论 分析与数值模拟相结合的方法，对交流电作用下液压电机叶片泵浸油电机内部的旋转磁 场进行有限元分析。 ( 2 ) 基于液压电机叶片泵的浸油电机转子与普通电机转子结构的不同点，对无外负 载下浸油电机和普通电机的磁力线及磁感应强度的分布进行数值解析。 ( 3 ) 分析浸油电机转子内径对电机电磁场分布的影响。 ( 4 ) 对磁通密度随转子转动角度的变化进行研究分析，基于浸油电机气隙间磁密的 分析，得出浸油电机转子和普通电机的磁密分布的不同点，并运用f f t 函数对气隙谐波 进行傅立叶分析。 ( 5 ) 解析浸油电机转子内径对电机性能的影响。 ( 6 ) 由液压电机叶片泵温度场的计算，对液压电机叶片泵在风冷和油冷情况下的温 度场进行分析。并对其总损失功率进行试验验证。 1 2 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章电机电磁场的基本理论及计算方法 电机是一种电磁能和机械能的转换装置，它包含有能流的电系统和机械系统两方 面。两个系统的能量依靠磁场作为媒介进行能量转换。磁场是由电机的定子绕组和转子 绕组共同作用而产生的，它在不同媒质中的分布、变化以及电流的交链情况，决定了电 机的电磁参数、运行性能和状态【6 3 。因此，电机电磁场的分析及计算对电机性能的分 析具有重要意义。 2 1 电机电磁场分析概述 传统的电机电磁参数、运行性能分析与计算都是在一定的简化条件下进行的，如电 磁参数的确定采用了平均磁路的概念；温升的求解是将求解对象简化为均质等温体。这 些假设使得电机性能分析计算不够严密，只是粗略的估计电机的运行性能。随着电机结 构的复杂化，电机分析和计算需要一种精确、可靠的有效的分析方法【3 4 1 。 从物理上来说，电磁场可以由一系列描述场量的旋度和散度的方程( 即麦克斯韦方 程) 以及描述场量连续性的方程来控制。根据不同的物理条件是否随时间变化、高 频还是低频，可以将场分为三类【3 习：第一类，场量不随时间变化或者变化频率足够低因 而从实用角度看可以忽略，分别称之为静态场和准静态场；第二类，变化频率较低，但 存在感应电流或者涡流；第三类，变化频率足够高以至于位移电流和波特性不能被忽略。 在计算电机电磁场时，由于激励源的交变频率比较低，可以忽略位移电流和波的传播。 电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看，大致可分为：( 1 ) 气隙磁场；( 2 ) 凸 极同步电机磁极间的磁漏场或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；( 3 ) 槽内漏磁场；( 4 ) 绕组端部电磁场；( 5 ) 叠片铁芯中的磁场；( 6 ) 实心转子( 包括阻尼条) 中的电磁场等。但是， 从理论分析的角度来看，电机内各部分电磁场的差别仅在于具有不同的边界条件，所考 虑的区域中有无场源，媒质是否导磁、导电或兼而有之，以及电磁场是否随时间而变化。 对于电机中的交变电磁场，由于其变化频率很低，电磁场的源点与场点间的距离比电磁 波的波长要小很多，因此位移电流可以忽略不计，属于似稳电磁场的范畴【6 ，3 4 】。 所有的低频电磁场现象都可以用泊松方程( 无源区域可使用拉普拉斯方程) 或者扩散 方程来描述。对静态场( 非时变) 可用泊松方程，对涡流问题则使用扩散方程。电磁场的 边值问题实际上是求解给定边界条件下的麦克斯韦方程组及由方程组演化出的其他偏 微分方程问题。从求解问题的技术手段上来说，它可以分为解析求解和数值求解两大类。 对于简单模型，有时可以得到方程的解析解。若模型复杂度增加，则往往很难获得模型 的解析解。这些边界条件可能是在材料交界面上描述场量的连续性或跃变的交界条件， 或者是场量值已知的点、线、面。电机的几何结构非常复杂，所使用的材料也往往是各 1 3 液厂e 电机叶片泵的电磁场及温度场的数值解析 向异形和非线性的。另外，电机中的源分布往往也很复杂，如电流密度通常沿边界面以 及非常复杂的方式分布。数值方法的优点在于：可以解决任意形状、任意类型的边界条 件以及复杂的源分布所带来的问题而无需额外的设置p 1 ，3 6 1 。 2 2 电机内电磁场的数值分析方法 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，随着计算技术，特别是高速大容量电子计算机的发展， 电磁场数值分析己深入到工业生产领域，解决问题的面越来越广，分析问题也日趋复杂。 电磁场数值分析是一门综合性的学科，涉及到电磁场理论、数值分析、计算方法、计算 机基础知识及高级语言等多个方面。电机内物理场的数值分析方法的种类很多，主要包 括微分方程法( 有限元法和有限差分法) 和积分方程法( 体积分方程法和边界积分方程 法)