CN107002717A - 自给式节能液压致动器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的自给式节能液压致动器系统包括：液压缸、伺服电机、泵以及电磁阀，伺服电机配置为产生从零RPM至最大额定RPM的额定扭矩，转子速度/位置反馈至伺服电机，电磁阀使得液压缸能够保持其位置而不需要电机运行。该系统能够通过使用电磁阀来保持负载的位置，而不需要电机运行，因此通过最小化电机运行时间来节省能量并延长电机寿命。

Description

自给式节能液压致动器系统
本申请基于并要求于2014年10月10日提交的标题为“Self-Contained EnergyEfficient Hydraulic Actuator System(自给式节能液压致动器系统)”的美国申请序列号14/511,463的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文公开和教导的发明总体而言涉及自给式致动器系统，并且具体地涉及自给式节能液压致动器系统。
背景技术
致动器是这样的机构：控制系统通过致动器而作用于环境。它由能量源(通常为电流、电机、以及将能量转化为运动的液压流体压力或气动压力)来运行。
液压致动器通常由使用液压动力以促进机械运行的缸组成。机械运动给出了有关线性运动、旋转运动或振荡运动的输出。液压缸包括中空的圆管，活塞能够沿所述圆管滑动。当在活塞的每一侧施加压力时，使用液压缸双作用。活塞两侧之间的压力差导致活塞向任一侧移动。当流体压力仅施加至活塞的一侧时，使用液压缸单作用。如果活塞仅沿一个方向移动，则弹簧频繁用于为活塞给予返回冲程。
传统上，液压线性致动器经由封闭的管道和控制阀网络而连接至加压液压流体的远程供应。然而，存在这样的应用：其期望液压线性致动器是独立的和可移动的，具有原动机、液压泵和封闭的液压流体控制系统，它们全部与线性致动器整合在一起并设置为接近线性致动器。这种紧凑的独立式致动器特别适用于工业阀门应用和这些阀门可能位于的远程位置。
在McLeod的美国专利第2,640,323号和第2,640,426号、Scanderbeg等人的美国专利第5,144,801号、Ramsey等人的美国专利第8,336,613号和Silva等人的美国专利第6,892,534号中公开了现有技术的独立液压致动器。
具有封闭的液压系统的独立液压致动器系统可以包括伺服阀。伺服阀改变系统中流体的方向，从而控制双作用液压缸的移动。使用伺服阀改变流体方向的缺点之一是伺服阀的持续内部泄漏，使得需要从原动机驱动泵持续地供应液压流体。液压伺服阀也可能由于颗粒污染(其被带到伺服阀的移动部件之间的紧密间隙中)而产生故障。
自给式液压致动器系统还可以包括液压泵(例如，双向液压泵)。这些系统需要双向电机来驱动液压泵。当流体流过系统时，双作用液压缸的移动由液压泵的速度和方向控制。
Debus的公开的美国专利申请No.2007/0101711公开了由变频驱动(VFD)驱动的AC感应电机的使用，并且液压泵的速度和方向由电机控制。然而，VFD驱动的电机在低RPM下适用有限扭矩，不能在负载下启动，并且抵抗快速的RPM和方向改变。虽然Debus申请公开了使用旁路泄漏路径(当致动器处于静止状态时，所述旁路泄漏路径允许电机以某些最小RPM运行)，但是即使在保持位置的情况下，电机也需要持续地运行，因为没有单独提供负载锁定。电机的持续运行导致耗费不必要的能量，缩短电机的寿命，频繁的维修和最终的额外成本。
Arbel的美国专利第7,640,736号描述了一种液压线性致动器系统，其包括配置为以基本恒定的速度沿单方向旋转的泵。Arbel使用单向电机和双向步进电机来改变泵的方向和流体的流动。通过调节泵的定子与转子之间的位置关系来控制流体的方向和流速。然而，Arbel没有提供负载锁定。Arbel的另一个缺点在于，泵和原动机两者必须运行，以保持静止的致动器位置。
Scanderbeg等人的美国专利第5,144,801号公开了一种独立的电动液压致动器，其具有设置于液压流体储液罐并连接以驱动液压流体泵的电动机。Scanderberg公开了电机“按需求”驱动液压泵。按需求基础与“只产生所需的压力和流量”的电机速度变化相关，但不会循环开启和关闭。当致动器达到期望位置时，电机减速，但继续缓慢地运行以保持位置。Scanderberg无法单独提供负载锁定。
Duff的美国专利RE39,158公开了一种液压系统歧管，其具有体部、体部中的平衡件以及体部中的流量控制器。Duff的专利涉及这样一种致动器：通过使用具有平衡件和机械流量锁定阀的歧管来提供负载锁定，而无需使用电机。Duff的流量锁定阀在系统或管线压力下运行，并在电机关闭时保持致动器位置。然而，先导式止回阀引入了定位精度问题。Glomeau的美国专利第4,766,728号利用公开的流量匹配阀克服了先导式止回阀的定位精度问题。
存在与现有技术中的公开内容相关联的许多缺点。一个主要缺点在于，致动器保持能力完全取决于原动机或机械控制阀的持续运行，以将流体锁定于液压缸。常规的独立的液压线性致动器通常不具有用于完成负载锁定的任务的必要的电机、泵和/或阀构造，因此由原动机保持流体压力来进行负载锁定。由于原动机和泵需持续地运行，所以增加了功耗并降低了部件寿命。
另一个主要缺点在于，原动机和泵频繁地运行，并且在某些应用中持续地运行以补偿伺服阀泄漏速率。这大大限制了致动器的频率响应以及定位精度和重复性。
因此，本领域需要提供一种这样的能够沿任何方向运行的节能致动器系统：其提供负载锁定而不需要伺服阀，并且系统具有使得电机停止在活塞的静止状态并在负载下从零RPM重新启动电机的性能。
发明内容
本公开涉及一种自给式节能液压致动器系统。原动机(电机)、液压储液罐和所有其他的液压元件都整合在一起，并形成液压动力源(hydraulic power source，HPS)。该系统创造性地利用至少一个电磁阀(优选地两个电磁阀)，在不需要电机运行的情况下保持负载的位置。具体地，本发明提供了一种双向液压泵，其可运行地联接至伺服电机。控制器与液压泵/伺服电机和电磁阀结合，进行顺序流动运行。伺服电机和双向液压泵相应地运行以控制流体流动和方向，而电磁阀执行致动器系统的锁定功能。
根据本发明，致动器的最终速度是液压泵的位移和液压缸的位移的函数。
在第一实施方案中，所公开的自给式节能液压致动器系统包括至少一个活塞和至少一个双向液压泵，至少一个双向液压泵与活塞流体连通，以向活塞提供液压流体并控制活塞的位置。所述双向液压泵具有至少一个液压流体入口和至少一个液压流体出口以及可运行地联接至泵以驱动泵的伺服电机，至少一个电磁阀配置为控制活塞与双向泵之间的液压流体。该致动器系统具有用于控制电磁阀和伺服电机的控制器(控制器单元)，使得当伺服电机不驱动泵时可以保持活塞的位置。
优选地，液压缸具有双杆端活塞，其在活塞的两个表面上设置了形成于液压缸中的相等的环形区域或腔室，以在活塞向缸中的任一方向移动时最小化位移的体积差。
根据另一个优选的实施方案，第一优选的实施方案中的双向液压泵为可反转齿轮泵。
根据另一个优选的实施方案，需要来自双向液压泵的平滑或无脉冲的输出。
根据另一个优选的实施方案，第一优选的实施方案中的电磁阀配置为在不需要伺服电机运行的情况下保持负载。
根据另一个优选的实施方案，第一优选的实施方案中的伺服电机为AC无刷永磁电机。
根据另一个优选的实施方案，第一优选的实施方案的控制器包括控制电子单元和伺服驱动单元，其配置为向伺服电机的伺服电机反馈单元、电磁阀和位置传感器发送控制信号并从它们接收控制信号，所述位置传感器附接至液压缸并且配置为感测致动器/活塞/杆和液压缸的位置。
根据另一个优选实施方案，第一优选的实施方案还包括密封储液罐，其配置为补偿由于液压流体和系统的热膨胀和收缩引起的体积变化。
根据又一个实施方案，提供了一种降低具有伺服电机和至少一个电磁阀的液压致动器系统的能量消耗的方法。该方法包括以下步骤：在控制器处接收与系统的期望的运行功能相对应的输入信号，由控制器确定系统的运行限制(即，致动器/活塞/杆的位置)；并在运行限制下同时控制伺服电机和电磁阀。该方法的液压致动器系统具有至少一个活塞；至少一个双向液压泵，其与活塞流体连通，以向活塞提供液压流体并控制活塞的位置；泵，其具有至少一个液压流体入口和至少一个液压流体出口；伺服电机，其可运行地联接至泵以驱动泵；至少一个电磁阀，其配置为控制所述活塞与所述双向泵之间的液压流体；以及所述控制器，其控制电磁阀和伺服电机，其中，当伺服电机不驱动泵时能够保持活塞的位置。
可以看出，通过本发明的液压致动器系统来实现和获得本发明的若干优点，通过本发明的液压致动器系统可以通过使用电磁阀在不需要伺服电机运行的情况下保持负载的位置，可以产生从零RPM至最大RPM扭矩，以及可以在负载下从零RPM启动。显著地，在零RPM，伺服电机不使用能量，从而节省能源并延长伺服电机的寿命，同时使伺服电机的运行时间最小化。本发明的致动器可以进一步在没有占空比限制的情况下快速且持续地改变RPM和方向。
本发明的另一个优点是，可以通过控制原动机(即，伺服电机)动力来调节输入至液压泵的动力，从而控制液压流体压力，进而不需要进行机械压力调节。
本发明的另一个优点在于，致动器的输出速度由变速伺服电机来进行电子控制。这使得加速度、速度和减速度可变，从而优化每个单独的应用的性能。
另一个优点在于，由于伺服电机的速度与所需的致动器移动成比例，所以原动机(即，伺服电机)仅在致动器移动时才运行，从而降低原动机的能耗并延长原动机的使用寿命。
附图说明
在本文中，仅通过示例的方式而参照附图描述了本发明，其中：
图1是自给式节能液压致动器系统的优选实施方案的示意图。
图2是自给式节能液压致动器系统的另一个优选实施方案的示意图。
具体实施方式
本发明为一种自给式节能液压致动器系统100，其具有伺服电机4、双向液压泵1和液压缸2；伺服电机4和双向液压泵1的泵送组件是可调节的，以控制流体流动通过系统的速度和方向；液压缸2响应于流体流动。
本发明提供了一种液压系统，其包括至少一个致动器(即，具有活塞14和杆15的液压缸2)，其具有经由第一缸端口12(入口)和第二缸端口13(入口)的至少一个液压流体输入和至少一个液压流体输出，以使液压流体进入或离开；至少一个双向液压泵1，其与液压缸2流体连通，以将液压流体提供至液压缸2并且控制杆15的位置；伺服电机4，其可运行地联接至双向液压泵1以驱动液压泵1；以及控制器单元6，其用于控制液压致动器系统100。致动器输出和速度由控制器单元6来进行电控制，控制器单元6通过伺服驱动单元6B而控制电子单元6A来改变伺服电动机4的速度。这使得加速度、速度和减速度可变，以优化对每个单独应用的性能。
双向液压泵1和伺服电机4直接地且持续地联接。来自双向液压泵1的平滑或无脉冲的输出是优选的。对此，由于压力/流动脉冲，活塞式泵将是有问题的。它是一对一的耦合比，意味着双向液压泵1的RPM和方向始终等于伺服电机的RPM和方向。液压致动器系统100可以使用具有变化位移的不同尺寸的伺服电机和双向液压泵。例如，额定功率分别为0.25、0.81和1.64马力，以及额定扭矩分别为3.9、12.77和25.87英寸磅的伺服电机。上述电机有用的双向液压泵包括例如分别具有每转0.0098、0.0321和0.065立方英寸的位移的双向液压泵。伺服电机4和液压泵1不一定需要连接齿轮或变速器，而是可以根据需要进行调整。
通过控制伺服电机4的功率来调节输入到双向液压泵2的动力，从而控制或限制液压流体压力。双向液压泵1具有至少两个端口(即，第一端口8和第二端口9)，并且能够通过端口(用于使液压流体进入或离开)而沿两个方向泵送流体。双向液压泵1可运行地连接到液压缸2。由于双向液压泵1将液压流体泵送出，所以液压流体驱动液压缸2的活塞14和杆15，并且通过改变压力差来控制液压致动器系统100的移动和位置。
如本文所使用的，伺服电机4包括通过改变其速度或其它运行参数而响应控制信号的任意电机。根据本发明，伺服电机4用于控制双向液压泵1。伺服电机4具有瞬时地和持续地反转方向、改变速度以及保持固定的RPM的能力。伺服电机4配置为产生使在负载下从零RPM至最大额定RPM的额定扭矩。
如本文所使用的，包括控制电子单元6A和伺服驱动单元6B的控制器单元6监测来自位于液压缸2的位置传感器22的位置反馈信号，并且持续地调节与预期行为的偏离。可以考虑许多类型的装置用作位置传感器22。例如，电位计可以用作位置传感器22。伺服驱动单元6B用于运行伺服电机4，并且在负载增加和负载超限的情况下保持电机RPM，以及利用传至伺服电机反馈单元5和来自伺服电机反馈单元5的信号来提供伺服电机的伺服电机转子位置、方向和速度的闭环控制。伺服电机的转子(即，伺服电机的整个旋转部分)包括附接至双向液压泵1的输出轴。伺服电机4的伺服电机反馈单元5利用数字编码器来向伺服驱动单元6B提供转子速度、方向和位置反馈。数字编码器(未示出)是伺服电机反馈单元5内的数字装置，其连接至伺服电机4的转子的端部。数字编码器向伺服驱动器单元6B提供伺服电机速度、方向和转子角位置反馈。然而，瞬时液压致动器系统100不一定需要转子反馈信息的角位置部分，而仅需要转子的速度和方向来运行。伺服电机反馈单元5控制电子单元6A和伺服驱动单元6B，确保在可变负载条件下的精确RPM控制。通过调节输入至与液压泵1连接的伺服电机4的动力来控制或限制液压流体压力，从而不需要机械压力调节器或蓄能器。蓄能器是在压力下储存液压流体的储能装置，例如，液压电池。根据本发明，蓄能器可用于紧急关闭(Emergency Shut Down，ESD)情况，但正常运行不需要。这意味着液压致动器系统100能够利用蓄能器的储存的能量，在某些条件下(例如，电力损耗)，将其阀或装置定位至指定的位置。
本双向液压泵1和伺服电机4组合起来用作伺服阀，以控制流体流速和方向，从而不需要伺服阀。
如本文所使用的，电磁阀3是机电运行的阀。电磁阀3由经由电磁阀的电流来控制。使用电磁阀3使得致动器系统能够在不需要伺服电机4运行的情况下保持负载的位置，并且不需要运行伺服电机4来保持位置。
伺服电机4/液压泵1在电磁阀3致动/打开之前几毫秒开始。执行该定时和排序以使电磁阀3的背侧上的压力与负载侧的压力相等，因此不存在瞬时的向后移动。
此外，目前所要求保护的致动器可以使用电磁阀抵抗负载而保持位置，或者可以不使用任何阀来保持位置，从而在双模式(或二重模式)运行中起作用。当电磁阀关闭时，借助于在液压缸2内产生的液压锁来保持第一模式位置。在第二运行模式中，通过仅控制原动机(即，伺服电机)4/液压泵1的速度来保持位置。伺服电机4/液压泵1仅以在第二模式中取代液压泵1的内部泄漏所需的速度来旋转。然而，在第一模式中，利用至致动器缸或来自致动器缸的零流体流量来对保持位置所需的精确压力进行维持。致动器的频率响应和定位精度不受电磁阀3的响应时间和每个响应的最小流体流量的限制。
因为电磁阀是机械装置，所以从电信号发送到电磁阀3以及当电磁阀3实际上移动或打开时存在延迟或滞后。这主要是由于机械部件的物理惯性。尽管延迟时段非常短(即，毫秒)，但是延迟仍将影响致动器对控制信号的变化的响应速度。
频率响应是液压致动器系统100在给定时间周期内能够响应多少变化的度量，时间周期通常以秒测量(即，每秒周期数或赫兹)。滞后或等待电磁阀动作所花费的时间越短，则在给定的时间周期中致动器移动的变化越大或频率响应更高。
由致动器在给定的输入信号变化中可以通过的最小量的流体确定精度。由于电磁阀3具有打开的滞后时间和关闭的滞后时间，所以存在流体可以流过电磁阀3的最小时间周期。该最小量的流体确定了使用电磁阀3的情况下致动器移动的最小量或分辨率。不关闭或使用阀消除了对精度和频率响应的限制。因此，控制器单元6根据输入信号的变化频率而使用或不使用电磁阀3。
根据本发明，运行顺序如下：从静止的液压致动器系统100开始，控制器单元6的控制电子单元6A具有内部比较器装置(未示出)，其持续地比较液压缸2内的杆15/活塞14的位置(通过由值表示的位置传感器22的位置传感器反馈信号22A)与发送至控制器单元6的输入控制信号(来自远程源，即工厂控制室(未示出)的4mA-20mA)。当输入控制信号改变并且与位置传感器反馈信号22A的不同大于允许偏差的量(超过死区)时，控制器单元6的控制电子单元6A开始向伺服电机反馈单元5传递控制电子信号6C，使得伺服电机4沿着特定的方向移动。基于输入控制信号和位置传感器反馈信号22A的大小和方向变化，控制电子单元6A首先确定伺服电机4的速度和方向，即“运行速度”。
第二，控制电子单元6A将控制电子信号6D发送至电磁阀3，使得电磁阀3打开以提供压力平衡。
第三，电磁阀3打开并且在几分之一秒内(即，基本上同时)，伺服电机4斜升至之前确定的运行速度。杆15/活塞14正在移动至其新的指令位置，并且当杆15位于其新位置目标的5％内时，随着通过附接至液压缸2的位置传感器22进行测量，位置传感器将位置传感器反馈信号22A提供至控制电子单元6A，控制电子单元6A将控制电子信号6C发送至伺服电机反馈单元5，从而发信号通知伺服电机4开始使速度倾斜下降。在达到指令位置时，致动器通过运行得足够快(非常低的RPM)的伺服电机4/液压泵1来保持位置，以克服液压泵1的内部泄漏并保持液压缸2中的压力，同时电磁阀3保持打开。这是在一段可调节的时间周期内完成的。可选地，在本发明的构思过程中，当达到新位置并且满足电磁阀3的可调节时间常数时，伺服电机4关闭。伺服电机4的速度在杆15的最后“5％”行程中从全速行驶速度斜降至“锁定”速度。斜坡主要用于避免位置过冲，如果电机始终以全速运行至新位置然后简单地关闭，则难以控制。
如果输入控制信号在超出可调整时间周期(即，可调时间常数)后保持在新位置的死区内，则电磁阀3关闭，并且伺服电机4的RPM变为零。液压致动器系统100再次静止，等待新的输入控制信号改变(即，移动指令)。这种可调整的时间常数使得致动器能够更快地响应持续输入的控制信号变化，因为液压致动器系统100不必等待电磁阀3打开的响应时间或电磁阀3打开之前的压力平衡。这增加了用于持续地调制应用的致动器的频率响应。控制器单元6的控制电子单元6A是完全数字的，因为它们将模拟输入控制信号和模拟致动器反馈信号两者转换成用于比较器评估的数值。
根据本发明的一个实施方案，伺服电机4具有霍尔效应伺服电机反馈单元5，其将转子速度和方向信息从伺服电机反馈单元5发送至伺服电机驱动器6B。
参照图1和图2以及所附描述可以更好地理解根据本发明的自给式节能液压致动器系统的原理和运行。
图1示出了一种自给式节能液压致动器系统，其包括：双向液压泵1、液压缸2、电磁阀3、伺服电机4，它们都由控制器单元6控制，控制器单元6包括控制电子单元6A和伺服驱动单元6B。
双向液压泵1具有第一端口8和第二端口9，并且具有在任一方向上泵送流体的能力。第一端口8和第二端口9分别连接至第一液压流体管线10和第二液压流体管线11。第一液压流体管线10和第二液压流体管线11分别通过第一缸端口12和第二缸端口13进一步与液压缸2连通。液压缸2包括活塞14和附接至活塞14的杆15，并且活塞14将液压缸2的内部分成第一室20和第二室21。第一缸端口12和第二缸端口13分别位于液压缸2的相对端，并且分别与第一室20和第二室21相连。当双向液压泵1将液压流体泵送出第二端口9时，液压流体通过第二管线11和第二缸端口13而移动至第二室21，并且活塞14朝向第一室20移动(或抵抗负载)；同时，液压流体移出第一室20，行进通过第一缸端口12和第一管线10，并通过第一端口8进入液压泵1。当双向液压泵1改变方向时，液压流体被泵送出第一端口8，并且驱动活塞14朝向第二室21移动。双向泵1通过改变活塞14的两侧之间的压力差来控制活塞14的移动和位置。在一个优选的实施方案中，双向液压泵1是可反转的齿轮泵。还优选的是，液压缸2使用双杆端活塞14，以在活塞14的两个表面上提供相等的环形面积，从而在活塞14在液压缸2中向任一方向移动时保持相等的体积。
伺服电机4理想地适用于控制用于该应用的液压泵(双向泵)1，这是因为其可以在没有占空比限制的情况下快速且持续地反转方向、改变速度并保持固定的RPM。因而，伺服电机4可以提供无限制的启动/停止和加速/减速(调制占空比)的功能，而没有例如具有占空比限制的感应电机所需的停机时间。
伺服电机的能力对于所要求保护的发明是至关重要的，因为它使得在致动器运行时能量可以为受控可变速率耗散。因此，至关重要的是，使用配置为在负载下产生从零RPM至最大额定RPM的额定扭矩的伺服电机4，以及运行伺服电机4所需的伺服驱动单元6B。伺服电机4具有伺服电机反馈单元5，其通过反馈信号6C而经由其数字编码器将转子速度和转子方向反馈提供给伺服驱动单元6B，这将确保在可变负载条件下的精确的RPM控制。具体地，基于来自伺服电机反馈单元5的反馈信号6C，伺服驱动单元6B在负载增加和负载超限情况下保持伺服电机RPM，并且提供转子方向和转子速度的闭环控制。本质上，液压泵1和伺服电机4组合起来用作定向伺服阀，以控制流体流动速率和方向，因此该组合不需要伺服阀。在一个优选的实施方案中，伺服电机4是AC无刷永磁电机。
通过调节经由伺服电机4输入至双向液压泵1的动力来控制或限制液压流体压力，这使得不需要机械压力调节器或蓄能器。
电磁阀3配置为控制液压缸2与双向液压泵1之间的流体连通。
电磁阀3的使用使得致动器系统能够保持负载的位置而不需要运行伺服电机4，并且不需要伺服电机运行以保持致动器的位置。这种能力使得能量消耗最小化并延长了伺服电机4和双向液压泵1的寿命。
该液压致动器系统还具有双模式运行的能力，其中，致动器可在使用或不使用电磁阀3的情况下抵抗负载并保持位置。在第一模式中，当电磁阀3关闭时，借助于在液压缸2内产生的液压锁来保持活塞15、22的位置。在第二运行模式中，通过控制伺服电机4和双向液压泵1的速度来保持活塞15、22。伺服电机4和液压泵1仅以替代液压泵1的内部泄漏所需的速度旋转，并保持利用来自液压缸2或至液压缸2的零流量来维持保持位置所需的精确压力。频率响应和定位精度不受限于电磁阀3的响应时间和每个响应的最小流体流量。
致动器系统还包括控制器单元6，其包括控制电子单元6A。如本文所使用的，控制电子单元6A可以包括手动或自动装置，其用于启动和停止伺服电机、选择正向或反向旋转、选择和调节速度、调节或限制扭矩，以及防止过载和故障。
控制器单元6(包括控制电子单元6A和伺服驱动单元6B)从液压缸2的位置传感器22接收活塞传感器反馈信号22A，并将控制电子信号6D发送至电磁阀3和/或从其接收，以及将控制电子信号6C发送至伺服电机反馈单元5和/或从其接收。因此，控制器单元6具有同时运行伺服电机4和电磁阀3的能力，使得伺服电机4和电磁阀3分别开始/停止和打开/关闭。
控制器单元6的控制电子单元6A可以编程为同时(在毫秒之内)关闭电磁阀3并停止伺服电机4，或者打开电磁阀3并使伺服电机4几乎同时产生在负载下从零RPM至最大额定RPM的额外扭矩。控制电子单元6A还具有从附接至液压缸2的位置传感器22接收活塞传感器反馈信号22A的能力；通过感测活塞/杆14、15和/或液压缸2的位置，控制电子单元6A可以将控制电子信号发送至伺服驱动单元6B，并且控制伺服电机4的方向和速度。因此，伺服电机4和双向液压泵1在电磁阀3致动/打开之前几毫秒开始。这种定时和排序是为了使在电磁阀3的背面上的压力与负载侧的相等，从而不存在瞬时的向后移动。实质上，伺服电机4在打开电磁阀3之前几分之一秒内启动压力，从而避免了系统内液压压力的初始瞬时下降。
液压流体储液罐7是优选的，但不是必需的。当使用时，液压流体储液罐7被密封，并且仅具有由于液压流体和系统的热膨胀和收缩导致的体积变化所需的体积。当致动器系统运行时，流体不被泵送至或泵送出储液罐7，仅从液压缸2的一侧至另一侧。密封的液压致动器系统消除了所有外部流体污染源，从而最小化了周期性流体变化的需要。
图2提供了自给式节能液压致动器系统的另一个优选的实施方案的示意图，其包括双向液压泵1、液压缸2、电磁阀3、3’、3”以及伺服电机4，它们都由控制器单元6控制，控制器单元6包括控制电子单元6A和伺服驱动单元6B。图2还提供了止回阀，其包括用于保持致动器系统内部的内部液压流体压力的吸入止回阀26。如图2所示，止回阀26’和26”可以用于防止经由过滤器F1的回流。类似地，也可以使用其它的止回阀来防止经由过滤器F2的回流。
如上所述，伺服电机4具有伺服电机反馈单元5，其向控制器单元6的伺服驱动单元6B提供转子速度和位置反馈信号6C，这将确保在可变负载条件下的精确的RPM控制。具体地，基于来自伺服电机反馈单元5的位置反馈信号6C，伺服驱动单元6B在负载增加和负载超限情况下保持电机RPM，并且提供转子位置和速度的闭环控制。
电磁阀3配置为控制液压缸2与液压泵(双向泵)1之间的流体连通。如上所述，控制电子单元6A可以运行伺服电机4和电磁阀3两者，使得伺服电机4和电磁阀3分别启动/停止和打开/关闭。图2还示出了优选但不是必需的液压流体储液罐7。
图2还示出了第二电磁阀3’，其可以添加至液压缸2的另一端以保持液压缸2内部的压力。也可以使用第三电磁阀3”来引入紧急关闭回路；在紧急情况下，电磁阀3”打开，并且液压流体绕过液压泵1和电磁阀3、3”，直接从液压缸2的一侧(即，第二室21)行进至液压缸2的另一侧(即，第一室20)。电磁阀3、3’和3”从控制电子单元6A(图2中由虚线6D示出)接收控制电子信号。出于紧急关闭(ESD)的目的，电磁阀3”还通过粗虚线而与第一线路10和第二线路11选择性地通信。
自给式节能液压致动器系统100将所有部件整合在一起，并且作为一个单元安装于需要机械移动的装置或阀。它也可以设计为模块化单元，并且可以由标准组件组装，通过选择适当的动力单元和液压缸2来满足施加力和速度要求，从而制造完整的致动器。
在下面的说明性实施例中，将当前要求保护的致动器系统的能量效率与现有技术的系统进行比较。
当比较所要求保护的致动器系统与现有技术的致动器系统之间的能量消耗时，必须考虑致动器的设计及其应用中的许多变量。电机且因此致动器的效率高度依赖于电机运行的负载和速度。为了说明示例的系统之间的许多变量，以下考虑因素包括在能量消耗计算中：50％的致动器移动占空比，即，致动器在计算时间周期的50％移动并50％处于静止；当致动器运行或移动时，其在满载和稳定的负载下运行，或其原动机(电机)正在产生其额定输出或马力；示例是基于每天24小时、每周7天的1年的运行计划；示例1的伺服电机效率在全输出下等于85％；示例2和3具有AC感应电机，其效率在全输出(额定RPM)下为80％，在额定RPM的1/4下，其AC感应电机效率为75％；示例3的系统在变化的负载下以100％RPM运行，当致动器移动时以100％负载运行，静止时以20％负载运行，并且在20％负载下以70％的电机效率运行；示例2的系统在变化的RPM下持续地运行电机，在致动器移动时以100％RPM运行，在致动器静止时以25％的电机RPM运行。
示例1至3在相同的电压下运行，即220VAC，3相，1马力等于745瓦特，功率消耗为千瓦小时(kWh)。
基于它们都消耗大约相同的功率的原理，所以由控制电子装置使用的功率在所有三个示例中被省略。所有三个示例基于相同的负载而对于所有致动器具有相同的电机马力输出。
示例1：基于本发明的致动器系统的以瓦特为单位的功率使用量；
(1.5马力/0.85效率)×(745瓦/马力)＝1,314瓦特
(1,314瓦特)×(365天)×(24小时)/1000＝11,510kWh
11,510kWh/50％＝5,755 kWh/年。
示例2：基于在公开的美国专利申请第2007/0101711号中公开的致动器系统的以瓦特为单位的功率使用；
(1.5马力/0.80效率)×(745瓦/马力)＝1,396瓦特
(1,396瓦特)×(365天)×(24小时)/1000(0.5运行时间)＝6,114kWh
+(1.5马力/0.75效率)×(745w/马力)×((365天)×(24小时)/1000)×(0.5关闭时间)
＝12,640 kWh/年。
示例3：基于在美国专利第7,640,736号中呈现的致动器系统的以瓦特为单位的功率使用量；
(1.5马力/0.80效率)×(745瓦/马力)＝1,396瓦特
((1,396瓦特)×(365天)×(24小时))/(1000×(0.5运行时间))＝6,114kWh
+((1.5马力/0.70效率)×(745瓦/马力)×((365天)×(24小时))/1000)×(0.5关闭时间)＝13,106kWh/年。
已经准备了理解为用于真实的能量消耗比较的示例，数据源自于具有可比较情况的实际装置。然而，本发明的致动器系统可以在致动器不移动时关闭电机，从而提供很高的效率。如示例1所呈现的，目前要求保护的致动器系统的功率使用提供了随时间的显著节能。值得注意的是，示例1在计算期间提供了超过50％的功率使用量减少。
该描述没有尝试穷尽地列举所有可能的变体。该替代的实施方案可能不是针对本发明的特定部分呈现的，并且可以由所描述的部分的不同组合产生，或者其他未描述的替代实施方案可以适用于一部分，不被认为是那些替代实施方案的放弃。应当理解的是，那些未描述的实施方案的一些在所附权利要求的文字范围之内，并且其它的实施方案是相同的。

Claims (25)

1.一种液压致动器系统，其包括：
至少一个活塞；
至少一个双向液压泵，其与活塞流体连通，以向活塞提供液压流体并且控制活塞的位置，泵具有至少一个液压流体入口和至少一个液压流体出口；
伺服电机，其能够运行地联接至泵以驱动所述泵；
至少一个电磁阀，其配置成控制所述活塞与所述双向泵之间的液压流体，以及
控制器，其用于控制电磁阀和伺服电机，
其中，当伺服电机不驱动泵时，能够保持活塞的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括控制电子单元和伺服驱动单元。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述伺服电机能够在满载下从零加速至最大每分钟转数。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，在伺服电机在每分钟零转下不使用能量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，控制器能够基本上同时打开电磁阀并启动伺服电机，或关闭电磁阀并停止伺服电机。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，液压缸包括所述活塞。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述活塞包括至少一个杆。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁阀配置为在不需要伺服电机运行的情况下保持负载。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述伺服电机包括伺服电机反馈单元。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述伺服电机为交流无刷永磁电机。
11.根据权利要求6所述的系统，其中，所述液压缸具有位置传感器。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述液压缸包括第一室和第二室。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵通过第一液压流体管线和第二液压流体管线而与活塞流体连通。
14.根据权利要求6所述的系统，其中，所述液压缸包括第一缸端口和第二缸端口。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器配置为同时从传感器和伺服电机反馈单元接收信号，并将控制信号发送至伺服电机和电磁阀。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器配置为从伺服电机和电磁阀接收反馈信号。
17.根据权利要求1所述的系统，进一步包括密封储液罐，其配置为补偿由于液压流体和系统的热膨胀和收缩而引起的体积变化。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述伺服电机具有约0.1马力至约2.0马力，约3至约28英寸磅的扭矩，以及约4000至约5000的最大每分钟转数。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述双向液压泵具有每转大约0.0080吨的位移，约0.08立方英寸。
20.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个吸入止回阀和至少一个过滤器。
21.一种用于降低液压致动器系统的能量消耗的方法，所述液压致动器包括伺服电机和至少一个电磁阀，所述方法包括以下步骤：在控制器处接收与系统期望的运行功能相对应的输入信号；由控制器来确定运行限制；以及同时控制权利要求1所述的液压致动器系统的伺服电机和至少一个电磁阀。
22.一种降低液压致动器系统的能量消耗的方法，所述方法包括以下步骤：
i)在控制器处接收与系统期望的运行功能相对应的输入信号，
ii)由控制器来确定系统的运行限制；以及
iii)在运行限制下同时控制伺服电机和电磁阀，其中，液压致动器系统包括：至少一个活塞、至少一个双向液压泵、泵、伺服电机、至少一个电磁阀以及控制器，至少一个双向液压泵与活塞流体连通，以将液压流体提供至活塞并且控制活塞的位置，所述泵具有至少一个液压流体入口和至少一个液压流体出口，所述伺服电机能够运行地联接至泵以驱动所述泵，至少一个电磁阀配置为控制所述活塞与所述双向泵之间的液压流体，所述控制器控制电磁阀和伺服电机，其中，当伺服电机不驱动泵时活塞的位置能够得到保持。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述伺服电机能够在满载下从零加速至最大每分钟转数。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述伺服电机在每分钟零转下不使用能量。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，控制器能够基本上同时打开电磁阀并启动伺服电机，或者关闭电磁阀并停止伺服电机。
CN201580066917.4A 2014-10-10 2015-10-08 自给式节能液压致动器系统 Pending CN107002717A (zh)

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