CN101082370A - 开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统，包括液压缸，液压缸内有活塞，其特征在于，液压缸两端通过管路连接有定量泵，该定量泵由开关磁阻电动机驱动，开关磁阻电动机以正反转来实现液压缸的往返运动，管路上还通过液控单向阀和单向阀连接有油箱。本发明采用开关磁阻伺服电动机的系统，因而避免了节流、溢流和卸荷损耗，提高了电动机的效率和改善功率因数，这是其它液压调速方式无法解决的。

Description

开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统

                        技术领域

本发明属于成形设备制造领域，具体涉及开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统。

                        背景技术

在进入90年代以后，随着世界各国在环境保护，如能耗、噪声、泄漏等控制方面日益严格的要求，节能已经成为电液系统的主要研究方向和研究重点之一。因此进行新的液压传动及控制方式的研究显得尤为重要。

在实际应用中的液压传动控制系统中，大部分是需要对执行机构的速度进行控制的，可以说调速回路是液压系统的核心。液压系统的调速方式很多，但是总体而言可以分为两大类：节流调速回路和容积调速回路。

现在进行液压机电液系统改进大多是采用传统的电液伺服系统。电液伺服系统由于充分发挥电子与液压两方面的优点，既能控制很大的惯量和产生很大的力或者力矩，又具有高精度、快速响应能力，并有较好的灵活性和适应能力，因而得到了广泛的应用。电液伺服系统最初广泛地应用于武器、舰船、航空、航天等国防工业部门，而后迅速推广到冶金、石油、机械等民用部门。传统的电液伺服系统主要由电子电气元件、电液伺服阀、电液比例阀、液压执行元件、反馈检测元件和控制对象组成。

阀控伺服系统具有高精度、高频响等优良控制特性，所以应用范围极其广泛。但是，使用伺服阀的系统也有其固有的缺陷：

(1)、电液伺服阀对油液污染特别敏感。工作油液的污染将加快电液伺服阀的磨损并产生故障，从而导致电液伺服系统工作可靠性和性能稳定性的降低。因此，必须强化和完善过滤技术，提高液压油的清洁度，这样也就提高了电液伺服系统的成本；

(2)、电液伺服系统需要一套泵站系统提供恒压油源，因此增大了系统的体积，提高了系统的复杂程度，增加了系统的成本；

(3)、电液伺服系统的电液伺服阀提供的负载压力最大只有油源压力的三分之二，因此系统能量浪费严重；

(4)、电液伺服阀加工精度高，价格贵，维修不方便，在特殊场合(如高温)其性能不稳定。

而电气传动具有噪音小、污染低、能耗低、无需二次能量转换等优点。但是，目前电气传动还存在着一些不足之处，例如无法实现集中控制，很难实现高精度的控制等。

在传统的液压调速技术存在着效率低下，或者结构复杂的情况下，考虑将电机变频调速技术用于液压系统，即变转速液压控制技术，通过控制电机的转速，由此带动定量泵，通过改变电机的转速而使泵的流量发生变化，以达到容积式控制的效果。这种液压传动方式可以克服传统阀控式液压系统的缺点，可大大简化液压回路，减少液压系统的能量损失，提高系统效率，降低噪声等。其中最重要的是减少液压系统的能量损失，提高整个系统的效率。

随着电力电子技术和制造技术的发展，开关磁阻电机(SwitchedReluctance Driver motor)技术已取得了日新月异的进步。开关磁阻电机具有如下优点：

(1)、电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

(2)、结构简单、成本低。

开关磁阻电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单，其突出的优点是转子上没有绕组，因此不会有鼠笼式感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的段条等问题。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简单。

(3)、转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。

(4)、功率主电路简单可靠。

开关磁阻电机转矩方向只与各相通电顺序有关，而和绕组电流的方向无关，即只需要单方向绕组电流，故功率主电路每相至少只需一个功率开关，而感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的变频器中功率电路每相需要两个功率开关。

(5)、起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

(6)、调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。

开关磁阻电机的主要运行控制参数和常用方法有：起始导通角、关断角、电流PWM、电压PMW等。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电机要求和电机的情况，采用不同控制方法和参数值，既可以使之运行于最佳状态(如：输出力大、效率高等)，还可以使之实现各种不同的功能和特性曲线。

(7)、在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。

(8)、效率高、损耗小。

正是开关磁阻电机具有以上优点，就利用开关磁阻电机的优点来设计液压机的动力系统。

                        发明内容

本发明的目的在于，开发一种开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统，该系统既能继承电液伺服阀系统高精度、高频响应的控制的优势，又能克服电液伺服阀对油液要求较严格、系统复杂的缺点。该系统具有良好的低速稳定性；节能效果显著，可有效降低生产成本。

本发明的开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统，摒弃了传统的由各个控制阀-定量泵-蓄能器-自动卸荷阀的恒压能源结构，而采取直接驱动的液压能源系统。但交流伺服电机国产功率小，价格比开关磁阻电机高2～4倍。日本目前生产的交流伺服电动机功率可达250kW，但国内目前技术成熟的交流伺服电动机的功率最大仅为5kW，为其在无阀液压传动系统应用带来困难。国外在大功率交流伺服电动机制造技术向中国封锁，而销往中国的大功率交流伺服电动机价格高的惊人，无法应用于国内伺服泵直接驱动液压传动系统之中。

该系统由开关磁阻电机提供动力，是交流调速技术和液压技术相结合的产物。最重要的特点就是使用开关磁阻电动机代替传统的伺服阀。不是靠改变泵的排量而是改变泵的转速来改变其输出流量，达到调节执行元件速度的目的。另外，与传统液压传动方式相比它不但结构简单紧凑、可靠性好、机械效率高。同时，由于采用开关磁阻交流伺服电机驱动所以它能实现较高的精度，使工件受力均匀，进而提高了产品质量，节省了原材料。而且其开关磁阻电机容积调速回路具有调速范围宽、分辨率高、节能性好、抗污能力强、易于实现计算机控制等一系列优点。因此，未来在一般技术性能要求的伺服装置上，该直接伺服泵控式液压传动方式必将代替使用电液伺服阀的传统液压传动方式。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统，包括液压缸，液压缸内有活塞，其特征在于，液压缸两端通过管路连接有轴向栓塞泵，该轴向栓塞由开关磁阻电动机驱动，开关磁阻电动机以正反转来实现液压缸的往返运动，管路上还通过液控单向阀和单向阀连接有油箱。

该系统克服了传统电液伺服系统的难以克服的缺点，具有重要的实用价值。该系统采用开关磁阻伺服电动机驱动轴向栓塞泵带动液压缸进行容积调速，没有节流和溢流损失，轴向栓塞泵是浸在油箱的油中的。轴向栓塞泵的噪音被油吸收，使得轴向栓塞泵运转时极其安静。因此具有节能、降噪、高效、环保等优越性。系统简单、可靠性高、能实现较高的精度。通过调节电动机电流调节轴向栓塞泵输出油压大小，通过开关磁阻伺服电动机的正反转可以调节活塞的上行或下行，通过开关磁阻伺服电动机极低速度运转进行补油。

本发明采用开关磁阻伺服电动机组成的新型泵控式液压传动系统，因而避免了节流、溢流和卸荷损耗。但是这种系统优于容积调速的是因为它能提高了电动机的效率和改善功率因数，这是其它液压调速方式无法解决的。

                        附图说明

图1开关磁阻电动机伺服驱动定量泵的无阀新型液压传动系统原理图；其中图(a)为工作压制过程，(b)为回程过程。

图2液压缸的压力动态响应曲线。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述

                        具体实施方式

本发明的开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统原理图如图2所示，该系统包括液压缸，液压缸内有活塞，其特征在于，液压缸两端通过管路连接有轴向栓塞泵，该轴向栓塞泵由开关磁阻电动机驱动，开关磁阻电动机以正反转来实现液压缸的往返运动，管路上还通过液控单向阀和单向阀连接有油箱。

其工作原理是，开关磁阻电动机带动轴向柱塞泵工作，给低压油加压。低压油经加压后流入液压缸，推动活塞做功。由于活塞两边面积不同，导致在活塞运动过程中，低压油的排出量小于高压油的流入量。对于轴向栓塞泵来说会出现低压油不足，为了解决这一问题，在低压油回路和油箱之间安装单向阀。当低压油不足时，回路中油压降低，单向阀会自动打开通过吸油方式向低压回路补油(图2(a))。由于伺开关磁阻电动机调速非常容易实现，因此可以采用调节电机转速的方式，来实现活塞在各个工况，不同的速度、转矩的要求。

完成一次冲压后，开关磁阻电动机反转，液压油会从油缸左部经B点流入定量泵，经轴向栓塞泵加压后推动活塞回程。同样由于活塞左右两边面积不同，液压缸内的液压油的流出量大于流入量，在B点与油箱之间安装液控单向阀，此时A处压力增高，则液控单向阀反向打开，进行卸油，使轴向栓塞泵的流入流出液压油量平衡(如图2(b))。

从图2的液压缸的压力动态响应曲线可以看出，该系统具有响应快、稳定性好的优点。

本申请的独到之处就是将原来泵阀控制系统中阀的很多功能用开关磁阻式电动机来控制驱动轴向栓塞泵来实现液压机规定的功能。

(1)传统的液压传动系统采用的泵阀控制系统实现液压机油缸中的活塞运动方向的转换是依靠方向控制阀换向来实现的。而本发明的开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统则是依靠开关磁阻电动机正反转来实现的，因为开关磁阻电机允许频繁的正反转，这种电机开停动作响应只有几十个毫秒最多上百个毫秒，这样足以满足液压机正常工作对换向时间几秒响应的要求。

(2)传统的泵阀控制系统实现系统中油缸活塞运动速度的变化是通过节流阀或变量泵进行其排量调节来完成的，这种方式耗能、控制复杂。开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统是通过开关磁阻电动机转速的调节来驱动排量不变的轴向栓塞泵，实现轴向栓塞泵输出流量Q的变化来实现的，这种方式的系统更简单可靠。

(3)传统泵阀控制系统实现系统中油缸输出液压力是通过手动或电动减压阀或伺服阀或溢流阀来调节油压P来实现的。而开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统则依靠开关磁阻电动机在额定转速以下恒扭矩的特性，而该扭矩大小又和控制电流成正比，通过调节电机控制电流来实现控制电机输出扭矩，而电机输出扭矩M＝PQ，这样可实现通过调节电流来控制油压的目的。

(4)传统的泵阀传动方式在液压系统液压缸活塞不动或处于停止工作状态时，电机一直带动电机在旋转，而油泵从油箱中吸油然后再由油泵出口排油时，油由溢流阀或卸荷阀将油排回油箱，既浪费能源又会使液压油发热。而开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统中活塞不动或系统不工作时，开关磁阻电动机不转，轴向栓塞泵不转，自然节能，因为开关磁阻电机允许频繁开停，且响应动作很快。

(5)传统的泵阀传动方式实现液压系统活塞保压功能时，利用单向阀封闭或小流量补油高压泵的工作来完成，系统构成复杂。而开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统则利用开关磁阻电动机以极低速运转方式来补油，当液压机中的油的压力达到规定保压上限值时，开关磁阻电动机停止运转，压力降低到某一下限值时，开关磁阻电动机又低速运转，以很小的流量输出到液压缸中进行保压。

综上所述，这种新的开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统只需伺服电机或开关磁阻电机、液压缸部件、轴向栓塞泵及两个单向阀即可。

而该系统的独到之处也表现在上述五个方面，从而彻底打破传统泵阀组合控制液压系统的设计思想，以一种极简单的新观念，改变目前泵阀液压传动的现状，实现节能降噪，特别是将价格比交流伺服电动机低的多的可国产的开关磁阻电机用于液压机之中，更具有独到之处。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电动机直接伺服驱动新型泵控式液压传动系统，包括液压缸，液压缸内有活塞，其特征在于，液压缸两端通过管路连接有定量泵，该定量泵由开关磁阻电动机驱动，开关磁阻电动机以正反转来实现液压缸的往返运动，管路上还通过液控单向阀和单向阀连接有油箱。

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