CN104533745A - 直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，泵模块包括直线谐振电机，在直线谐振电机动子的内部设有弹簧。通过直线谐振电机驱动柱塞，再与双蝶形配流阀块的油路配合使用，实现流量泵送。本发明提供的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵具有高动态调节能力，同时通过动子与弹簧的配合使用，动子与弹簧构成质量—弹簧谐振系统，能够减小电机动子减速过程的绕组电流，提高集成泵的总体效率。

Description

直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵

技术领域

本发明涉及液压泵技术领域，尤其涉及一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵。

背景技术

目前工程领域的研究对象有很多是高度复杂的系统，这类系统大多涉及到众多学科的理论，因此多学科集成设计及优化是现代技术领域的重要方向之一。对于液压系统来说，液压泵接收外部输入的扭矩，通过液压传动介质输出流量和压力，是液压系统中完成机械能到液压能转换的元件，现有液压泵主要包括柱塞泵、叶片泵、齿轮泵等形式。上述传统的液压泵主要应用于开式液压系统，其特点是不管负载的需求如何，泵和电机组一直高速运转完成电能到液压能的转换，通过蓄能器和溢流阀维持系统压力的稳定，给末端的伺服阀或比例阀提供充足的液压功率，这种系统的功率损失严重，整体效率低。伴随着对高能源效率、低重量体积、模块化设计、机电一体化等方向需求的发展，容积控制液压系统是一个发展方向，一种典型应用就是航空航天领域的电静液作动器。

传统的纯机械结构液压泵在持续稳定的机械能到液压能转换需求下是一种很好的技术路径，但容积控制液压系统中液压泵不仅实现机械功率到液压功率的转换，还要完成对后端作动器液压功率的控制，由于其旋转轴系惯量大，配流结构固定，无法实现对后端负载压力与流量的高动态调控，因此旋转电机驱动旋转液压泵的这种系统架构在泵控系统的高动态需求下发展潜力有限。以应用最为广泛的斜盘式轴向柱塞泵为例，柱塞在公转圆上的运动通过斜盘倾角得到柱塞的往复运动，从而实现柱塞吸排油容腔体积的周期性变化，通过配流盘的吸油口与排油口实现对泵的油液流动方向的限定。其存在的缺陷是需要通过复杂的机构将柱塞在公转圆上的旋转运动转换为往复运动，由此造成柱塞泵的内部传动环节及摩擦副多。对于泵控液压系统的应用需求，柱塞泵需要改变转动部件的旋转方向来改变油液的流向，或者动态调节斜盘倾角来改变油液的流向，结构的复杂性造成旋转运动部件的转动惯量大，这样其对系统流量和压力的动态调节能力有限，不能满足泵控系统的高动态需求。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的是提供一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵。

本发明提供一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，泵模块包括直线谐振电机，直线谐振电机的两端均连接有配流阀，配流阀的壳体与直线谐振电机的壳体固定连接，配流阀的阀芯与直线谐振电机的动子连接，每一配流阀上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞，柱塞与阀芯一体连接，直线谐振电机包括缠绕有线圈的定子，定子内滑动设置有动子，动子具有通孔，通孔的两端分别设置有导向轴，导向轴与定子固定连接，导向轴与动子滑动导向配合，通孔的中部设置有凸起，凸起与导向轴之间夹装有弹簧。

本发明提供的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，泵模块包括直线谐振电机，在直线谐振电机动子的内部设有弹簧。通过直线谐振电机驱动柱塞，再与双蝶形配流阀块的油路配合使用，实现流量泵送。与现有技术相比，本发明提供的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵具有如下的优点：

1、通过本发明通过在动子内部设置弹簧，使动子与弹簧构成质量—弹簧谐振系统，进而可以减小电机动子减速过程的绕组电流，显著地提高集成泵的总体效率；

2、泵由模块化的多个单元构成，各个单元具有相似性，加工及装配工艺性好；

3、吸排油柱塞由直线谐振电机动子直接驱动，与传统的斜盘柱塞泵相比不需要通过缸体、滑靴、斜盘等部件得到柱塞的往复运动，减少了摩擦副对数，并且没有斜盘倾斜角度带来的侧向力问题，摩擦损耗更小；

4、通过调节直线谐振电机动子的往复运动幅值、频率和两个单元运动函数的相位差，可以调节泵的流量大小及方向。传统液压泵根据排量是否可变及变排量的模式可以分为三类：定量泵、离线变排量、实时变排量；其中实时变排量泵一般是通过改变斜盘倾角来改变排量，调节动态响应时间长，且变量机构具有复杂的机械结构。而本发明各单元动子往复运动幅值调节响应时间短，因此本发明具有高动态的流量调节能力，更能适应泵控系统需求；

5、泵的泵油方向可以主动调节，而单向阀配流的往复泵一旦安装完成，泵的流量方向也就固定，即本发明提供的是一种双向泵；

6、可以增加泵单元的数量，提高泵单元的功率。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明实施例提供的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵的立体图；

图2为本发明实施例提供的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵的半机械原理图；

图3为本发明实施例提供的第一泵模块与第二泵模块运动相位差为π/2时的流量曲线图；

图4为本发明实施例提供的第一泵模块与第二泵模块运动相位差为-π/2时的流量曲线图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

如图1所示，本发明提供了一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，包括至少一个泵单元，泵单元包括两个泵模块，两泵模块通过双蝶形配流阀块30进行油路连接，如图2所示，泵模块包括直线谐振电机11，直线谐振电机11的两端均连接有配流阀12，配流阀12的壳体与直线谐振电机11的壳体固定连接，配流阀12的阀芯121与直线谐振电机11的动子111连接，每一配流阀12上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞121，柱塞121与阀芯121一体连接，直线谐振电机11包括缠绕有线圈的定子112，定子112内滑动设置有动子111，动子111具有通孔，通孔的两端分别设置有导向轴1111，导向轴1111与定子112固定连接，导向轴1111与动子111滑动导向配合，通孔的中部设置有凸起，凸起与导向轴1111之间夹装有弹簧1112。

在本实施例中，直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵包括至少一个泵单元，可通过增加泵单元的个数来提高泵的功率，从而可以满足不同功率的需求；每个泵单元包括两个泵模块，分别为第一泵模块10和第二泵模块20，两泵模块之间通过双蝶形配流阀块30进行油路连接，本发明采用模块化设计，便于加工和装配；泵模块包括直线谐振电机11，直线谐振电机11的两端均连接有配流阀12，配流阀12的壳体与直线谐振电机11的壳体固定连接，配流阀12的阀芯121与直线谐振电机11的动子111连接，具体地，在动子111端部固定安装动子111连接件，配流阀12的阀芯121与直线谐振电机11的动子111连接件连接；每一配流阀12上连接有吸排油柱塞壳，吸排油柱塞壳内设置有柱塞121，柱塞121与阀芯121一体连接，该结构不仅可以实现柱塞121和阀芯121的作用，还可以避免柱塞121与阀芯121之间发生磨损，收到了意想不到的效果，同时柱塞121由直线谐振电机11动子111直接驱动，与传统的斜盘柱塞泵相比不需要通过缸体、滑靴、斜盘等部件得到柱塞121的往复运动，减少了摩擦副对数，并且没有斜盘倾斜角度带来的侧向力问题，摩擦损耗更小；直线谐振电机11包括缠绕有线圈的定子112，定子112内滑动设置有动子111，动子111具有通孔，通孔的两端分别设置有导向轴1111，导向轴1111与定子112固定连接，导向轴1111与动子111滑动导向配合，通孔的中部设置有凸起，凸起与导向轴1111之间夹装有弹簧1112，由于动子111与弹簧1112可构成质量—弹簧1112谐振系统，进而可以减小电机动子111减速过程的绕组电流，显著地提高集成泵的总体效率。

优选地，导向轴1111与动子111之间设置有测量动子111移动量的位移传感器1113。

如图2所示，在本实施例中，通过在导向轴1111与动子111之间设置有测量动子111移动量的位移传感器1113，可及时了解动子111移动量信息并反馈到控制器中，便于流量的控制。

优选地，配流阀12为两位三通阀。

如图2所示，在本实施例中，配流阀12优选为两位三通阀，该结构具有三个各不相通的接口，而且可以和系统中不同油路的油口相连，只有通过控制阀芯121才能实现部分接口连通。该结构简单，阀芯121可与柱塞121整体设计，实现阀芯121的往复运动，从而达到控制配流阀12块中油路开关的作用。

优选地，吸排油柱塞壳与配流阀12的壳体为一体结构的壳体，一体结构的壳体内具有在同一直线方向上相互连通的吸排油腔和阀芯腔，阀芯腔设置有三个环形油槽，阀芯腔靠近直线谐振电机11，柱塞121与阀芯121为一体的柱体结构，主体的中部设置有环槽，环槽选择性的与两相邻的环形油槽连通。

如图2所示，在本实施例中，柱塞壳与配流阀12的壳体为一体结构的壳体，实现模块化设计，可避免不同壳体在连接时出现的不紧密等问题，也利用各个单元具有相似性，便于加工及装配。在阀芯腔设置有三个环形油槽，三个环形油槽的形状大小相同且等间距设置，吸排油腔、阀芯腔和直线谐振电机11依次连接，柱塞121与阀芯121为一体的柱体结构，主体的中部设置有环槽，环槽选择性的与两相邻的环形油槽连通。

优选地，四个一体结构的壳体呈2×2矩阵的方式布置，沿顺时针方向依次为第一壳体13、第二壳体14、第三壳体21和第四壳体22；第一壳体13上设置有与第一壳体13的吸排油腔连通的A_C1油口，与第一壳体13的阀芯腔连通的T₁油口、A₁油口和P₁油口；第二壳体14上设置有与第二壳体14的吸排油腔连通的B_C1油口，与第二壳体14的阀芯腔连通的C₁油口、B₁油口和D₁油口；第三壳体21上设置有与第三壳体21的吸排油腔连通的B_C2油口，与第三壳体21的阀芯腔连通的C₂油口、B₂油口和D₂油口；第四壳体22上设置有与第四壳体22的吸排油腔连通的A_C2油口，与第四壳体22的阀芯腔连通的T₂油口、A₂油口和P₂油口；两所述泵模块通过双蝶形配流阀块30进行油路连接，具体为：A_C1油口与A₂油口连通，T₁油口与P₂油口连通，A₁油口与A_C2油口连通，P₁油口与T₂油口连通，C₁油口与D₂油口连通，B₁油口与B_C2油口连通，D₁油口与C₂油口连通，B_C1油口与B₂油口连通，P₁油口和C₁油口与双蝶形配流阀块30的X油口连通，P₂油口和C₂油口与双蝶形配流阀块30的Y油口连通。

如图2所示，在本实施例中四个一体结构的壳体优选2×2矩阵的方式布置，不仅便于安装和拆卸，而且体积小，节约制造成本；在第一至第四壳体22中，每个壳体分别设有与相连的吸排油腔连通的油口，与对应的阀芯腔连通的三个油口，再通过位于在第一泵模块10和第二泵模块20之间的双蝶形配流阀块30内部的油路，实现了油液在不同泵模块之间的传送，具体地，通过调节直线谐振电机11动子111的往复运动幅值、频率和两个单元运动函数的相位差，利用上述的油液传送方式，便可以调节泵的流量大小及方向。

优选地，动子111通过直线轴承滑动安装在导向轴1111上。

如图2所示，在本实施例中动子111通过直线轴承滑动安装在定子112内，具体地，在动子111的两端表面上设有环形槽，直线轴承滑动安装于平面槽上，可便于动子111的运动。

优选地，动子111的外周面与定子112之间设置有滑动间隙。

如图2所示，在本实施例中动子111的外周面与定子112之间设置有滑动间隙，以便避免动子111在运动时与定子112的内表面产生磨损，进而避免导致装置受到损害。

根据上述对双蝶形配流阀块油路的描述，利用数学语言对直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵的工作原理进行说明。直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵的两个直线谐振电机11动子111均驱动两端的吸排油塞体和配流阀12做往复运动，二者的运动需要保证一定的相位差，相位差不同，泵的流量曲线不同。

定义泵的X油口的流量为Q_X，定义Y油口的流量为Q_Y，流量方向均为流出油口为正，流入油口为负，定义图2中向右为位移正方向，当配流阀处于中位时位移为零，定义第一泵模块10的直线谐振电机11动子111及柱塞121位移为x¹，运动速度为v¹，定义第二泵模块20的直线谐振电机11动子111及柱塞121位移为x²，运动速度为v²。定义吸排油塞体的作用面积为A_p。

定义符号函数sign(x)为

$\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}-1,x<0\\ 0,x=0\\ 1,x>0\end{array}\right.$

按照上述的定义，则其运动状态具有如下四种工况：(1)x₁＞0且x₂＞0；(2)x₁＞0且x₂＜0；(3)x₁＜0且x₂＜0；(4)x₁＜0且x₂＞0。不讨论x₁＝0或x₂＝0的情况，是因为此时配流阀关断，相对于4个状态的时间长度，这只是各个状态的切换时刻，与轴向柱塞泵的柱塞容腔闭死的时刻相似，不影响泵的工作原理阐述。下面分四种工况说明，得到泵的几何流量函数。

当x₁＞0且x₂＞0时，A₁油口与P₁油口连通，B₁油口与D₁油口连通；A₂油口与P₂油口连通，B₂油口与D₂油口连通。吸排油容腔经四个配流阀连接至X油口的连通方式为：A_C2—A₁—P₁—X—D₂—B₂—B_C1，此时A_C2油口与B_C1油口作用于泵的X油口，X油口的流量为A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经四个配流阀连接至Y油口的连通方式为：A_C1—A₂—P₂—Y—D₁—B₁—B_C2，此时A_C1油口与B_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为-A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＞0且x₂＜0时，A₁油口与P₁油口连通，B₁油口与D₁油口连通；A₂油口与T₂油口连通，B₂油口与C₂油口连通。吸排油容腔经配流阀连接至X油口的连通方式为：A_C1—A₂—T₂—X—P₁—A₁—A_C2，此时A_C1油口与A_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为-A_pv₁-A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至Y油口的连通方式为：B_C1—B₂—C₂—Y—D₁—B₁—B_C2，此时B_C1油口与B_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为A_pv₁+A_pv₂。

当x₁＜0且x₂＜0时，A₁油口与T₁油口连通，B₁油口与C₁油口连通；A₂油口与T₂油口连通，B₂油口与C₂油口连通。吸排油容腔经配流阀12连接至X油口的连通方式为：A_C1—A₂—T₂—X—C₁—B₁—B_C2，此时A_C1油口与B_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为-A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经配流阀12连接至Y油口的连通方式为：A_C2—A₁—T₁—Y—C₂—B₂—B_C1，此时A_C2油口与A_C1油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为A_pv₁-A_pv₂。

当x₁＜0且x₂＞0时，A₁油口与T₁油口连通，B₁油口与C₁油口连通；A₂油口与P₂油口连通，B₂油口与D₂油口连通。吸排油容腔经配流阀连接至X油口的连通方式为：B_C1—B₂—D₂—X—C₁—B₁—B_C2，此时B_C1油口与B_C2油口作用于泵的X油口，泵X油口的流量为A_pv₁+A_pv₂；吸排油容腔经配流阀连接至Y油口的连通方式为：A_C1—A₂—P₂—Y—T₁—A₁—A_C2，此时A_C1油口与A_C2油口作用于泵的Y油口，Y油口的流量为-A_pv₁-A_pv₂。

动子111往复运动的一个周期内包含上述四种工况，结合已经定义的符号函数sign(x)，得到双蝶形协同配流泵X油口与Y油口几何流量的数学描述为：

Q_X＝sign(x₂)·A_pv₁-sign(x₁)·A_pv₂

Q_Y＝-sign(x₂)·A_pv₁+sign(x₁)·A_pv₂

从数学描述可以看出Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

若两个动子111做正弦往复运动，相位差为π/2，定义正弦运动幅值为±S_p，角频率为ω，则运动函数的数学描述为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=S_p\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ x_2=S_p\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&pi;}/2)\end{array}\right.,$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{x}_1=S_p\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ x_2=S_p\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\end{array}\right.$

则运动速度为

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1={\mathrm{\&omega;S}}_p\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\\ v_2={-\mathrm{\&omega;S}}_p\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)\end{array}\right.$

将运动函数公式代入泵的流量公式，得到泵X油口与Y油口流量的数学描述为

Q_X＝sign[S_pcos(ωt)]·ωA_pS_pcos(ωt)+sign[S_psin(ωt)]·ωA_pS_psin(ωt)

Q_Y＝-sign[S_pcos(ωt)]·ωA_pS_pcos(ωt)-sign[S_psin(ωt)]·ωA_pS_psin(ωt)

如图3所示，当第一泵模块10与第二泵模块20运动相位差为π/2时，第一泵模块10和第二泵模块20中的柱塞皆做正弦运动，且第二泵模块20中柱塞位移运动领先第一泵模块10中柱塞位移运动四分之一周期，第二泵模块20中柱塞速度运动领先第一泵模块10中柱塞速度运动四分之一周期，Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

如图4所示，当第一泵模块10与第二泵模块20运动相位差为-π/2，第一泵模块10和第二泵模块20中的柱塞皆做正弦运动，且第一泵模块20中柱塞位移运动领先第二泵模块10中柱塞位移运动四分之一周期，第一泵模块20中柱塞速度运动领先第二泵模块10中柱塞速度运动四分之一周期，Y油口流量与X油口流量大小相等，方向相反。

根据流量曲线可以看出两个单元的相位差决定了泵油的流量方向，流量脉动的频率为动子111运动频率的4倍。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，其特征在于，包括至少一个泵单元，所述泵单元包括两个泵模块，两所述泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，所述泵模块包括直线谐振电机，所述直线谐振电机的两端均连接有配流阀，所述配流阀的壳体与所述直线谐振电机的壳体固定连接，所述配流阀的阀芯与所述直线谐振电机的动子连接，每一所述配流阀上连接有吸排油柱塞壳，所述吸排油柱塞壳内设置有柱塞，所述柱塞与所述阀芯一体连接，所述直线谐振电机包括缠绕有线圈的定子，所述定子内滑动设置有动子，所述动子具有通孔，所述通孔的两端分别设置有导向轴，所述导向轴与所述定子固定连接，所述导向轴与所述动子滑动导向配合，所述通孔的中部设置有凸起，所述凸起与所述导向轴之间夹装有弹簧。

2.根据权利要求1所述的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述导向轴与所述动子之间设置有测量所述动子移动量的位移传感器。

3.根据权利要求1或2所述的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述配流阀为两位三通阀。

4.根据权利要求3所述的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述吸排油柱塞壳与所述配流阀的壳体为一体结构的壳体，所述一体结构的壳体内具有在同一直线方向上相互连通的吸排油腔和阀芯腔，所述阀芯腔设置有三个环形油槽，所述阀芯腔靠近所述直线谐振电机，所述柱塞与所述阀芯为一体的柱体结构，所述主体的中部设置有环槽，所述环槽选择性的与两相邻的所述环形油槽连通。

5.根据权利要求4所述的直线谐振电机驱动的双蝶形协同配流泵，其特征在于，四个所述一体结构的壳体呈2×2矩阵的方式布置，沿顺时针方向依次为第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体；

所述第一壳体上设置有与第一壳体的吸排油腔连通的A_C1油口，与第一壳体的阀芯腔连通的T₁油口、A₁油口和P₁油口；

所述第二壳体上设置有与第二壳体的吸排油腔连通的B_C1油口，与第二壳体的阀芯腔连通的C₁油口、B₁油口和D₁油口；

所述第三壳体上设置有与第三壳体的吸排油腔连通的B_C2油口，与第三壳体的阀芯腔连通的C₂油口、B₂油口和D₂油口；

所述第四壳体上设置有与第四壳体的吸排油腔连通的A_C2油口，与第四壳体的阀芯腔连通的T₂油口、A₂油口和P₂油口；

两所述泵模块通过双蝶形配流阀块进行油路连接，具体为：

A_C1油口与A₂油口连通，T₁油口与P₂油口连通，A₁油口与A_C2油口连通，P₁油口与T₂油口连通，C₁油口与D₂油口连通，B₁油口与B_C2油口连通，D₁油口与C₂油口连通，B_C1油口与B₂油口连通，P₁油口和C₁油口与双蝶形配流阀块的X油口连通，P₂油口和C₂油口与双蝶形配流阀块的Y油口连通。

6.根据权利要求1或2所述的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述动子通过直线轴承滑动安装在所述导向轴上。

7.根据权利要求6所述的双蝶形协同配流泵，其特征在于，所述动子的外周面与所述定子之间设置有滑动间隙。