CN115306665A - 一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵 - Google Patents

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CN115306665A CN202210907532.8A CN202210907532A CN115306665A CN 115306665 A CN115306665 A CN 115306665A CN 202210907532 A CN202210907532 A CN 202210907532A CN 115306665 A CN115306665 A CN 115306665A
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刘会祥
魏娟
于斌
董春雷
王伟
苗克非
孙东宁
李红岩
温金蓉
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Abstract

本发明公开了一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵包括：永磁同步电机Ⅰ、双向定量柱塞泵芯Ⅱ和电机泵壳体1；永磁同步电机定子2采用过盈方式置于电机泵壳体1第二腔体内，并利用第一平键8防止周向旋转；双向定量柱塞泵芯Ⅱ、第一轴承11、永磁同步电机转子组件3、第二轴承12、旋转变压器10从左至右轴向串联在电机泵轴9上；后端盖4与电机泵壳体1由双道第一密封圈5形成径向密封，在后端盖4右侧有可方便拆卸的电连接器端盖6，与双道第二密封圈7形成径向密封。本发明保证了配流副油膜的局部均匀，减少了配流副的磨损与泄漏，在满足流量要求的情况下，通过提高工作转速，缩小了体积和重量，达到高功率密度的指标。

Description

一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵
技术领域
本发明涉及一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，属于伺服电机技术领域。
背景技术
伺服电机泵是伺服系统的液压动力单元，广泛应用在机电静压伺服系统中。机电静压伺服机构(EHA,Electro-Hydraulic Actuators)是未来大推力矢量伺服控制的优选技术方案。目前典型的EHA采用变转速定排量型，即通过控制伺服电机转速、转向来改变双向定量泵输出液压油的流量、流向，从而达到控制作动器输出速度、方向的目的。将伺服电机与双向定量泵在结构上设计成一个整体，称为伺服电机泵(也称伺服电动泵、电液泵等)。伺服电机泵是EHA的核心动力元件。
鉴于EHA对减重的极端要求，必须尽可能使用体积小、重量轻的伺服电机泵，迫使伺服电机泵向着高速化方向发展，即：通过高速化减小自身排量，缩小外形尺寸，使整个系统更加小型化、轻量化。国际上先进的EHA中，泵转速一般不低于10000r/min，美国Eaton公司PV3-003型高转速柱塞泵能达到22500r/min。
但目前国产柱塞泵在高转速工况下，常发生倾覆现象，具体表现为：泵缸体底面磨损，输出流量降低，容积效率降低，严重时甚至无法实现执行机构的动作变化。国产柱塞泵与国外产品在高转速性能方面，存在较大差距，我国对高转速柱塞泵进口依赖度居高不下。
传统斜盘式柱塞泵多采用“球面浮动泵缸体+球面固定配流盘”方式，提高工作转速。虽然球面结构增大了泵缸体与配流盘的接触面积，降低了摩擦副的线速度，但没有从根本上解决倾覆问题，高速旋转的泵缸体仍会因受力不平衡而发生位置倾斜。此时，若泵缸体与配流盘的加工精度匹配度较差，二者将无法保持紧密贴合，长时工作将造成配流副严重磨损，泄漏量增大而有效输出流量减小。并且，由于球面泵缸体上的凹球面具有尺寸公差、形位公差精度高的特点，导致泵缸体制造工艺难度大，实际加工成品往往无法满足伺服系统性能要求。
面对不断多元的应用需求，针对日趋严苛的小型化、轻质化、高功率密度的指标要求，亟待研制高转速、高性能、电机和柱塞泵集成的伺服电机泵新型单元产品。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，保证了配流副油膜的局部均匀，减少了配流副的磨损与泄漏，在满足流量要求的情况下，通过提高工作转速，缩小了体积和重量，达到高功率密度的指标。
本发明的技术解决方案是：
本发明公开了一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，包括：永磁同步电机、双向定量柱塞泵芯和电机泵壳体；
电机泵壳体包括：第一腔体和第二腔体；
永磁同步电机包括：永磁同步电机定子、永磁同步电机转子组件、后端盖、第一密封圈、电连接器端盖、第二密封圈、第一平键、电机泵轴、旋转变压器、第一轴承、第二轴承；
永磁同步电机定子采用过盈方式置于电机泵壳体第二腔体内，并利用第一平键防止周向旋转；双向定量柱塞泵芯置于电机泵壳体第一腔体内；双向定量柱塞泵芯、第一轴承、永磁同步电机转子组件、第二轴承、旋转变压器从左至右轴向串联在电机泵轴上；后端盖与电机泵壳体由双道第一密封圈形成径向密封，在后端盖右侧有可方便拆卸的电连接器端盖，与双道第二密封圈形成径向密封。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述双向定量柱塞泵芯包括：球面浮动配流组件、平衡式泵缸体组件、螺钉固定式回程组件，三者从左至右依次串联；球面浮动配流组件与电机泵壳体固定连接；球面浮动配流组件包括球面配流盘，平衡式泵缸体组件包括泵缸体、第二平键，球面配流盘与泵缸体平面接触；螺钉固定式回程组件包括斜盘、滑靴柱塞组件、第二定位销，滑靴柱塞组件包括柱塞和滑靴，柱塞和滑靴固定连接，柱塞插入泵缸体中的柱塞孔内。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述电机泵轴利用第二平键带动平衡式泵缸体组件旋转运动；利用第二定位销，防止模块相对电机泵壳体发生旋转运动。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述球面浮动配流组件包括球面端盖、第三密封圈、球头销、球面配流盘；球面端盖与电机泵壳体固定连接；球面配流盘第一端面为平面结构，与泵缸体平面接触；第二端面为凸球面结构，与球面端盖球面接触；球面配流盘与球面端盖上均设有进油、出油腰形槽，提供油液流通通道。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述球面端盖上设有异形密封槽，安装第三密封圈，用于实现油液密封并提供预压紧力，在电机泵未建压或未起动时，使球面配流盘自动贴紧泵缸体。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述球头销的一端为圆柱面结构，设于球面端盖中，对球面配流盘进行限位，防止球面配流盘相对球面端盖发生旋转运动，所述球头销的另一端为球面结构，设于球面配流盘中，实现球面配流盘旋转；当泵缸体因电机泵轴弯曲变形而发生旋转运动时，球面配流盘随之发生旋转。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述泵缸体近球面配流盘端面为平面结构，与球面配流盘贴紧后，形成平面配流结构；泵缸体通过第二平键实现泵缸体与电机泵轴连接，利用键槽侧面传递转矩；泵缸体与电机泵轴沿轴向方向固定连接。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，利用所述第二平键、螺母，实现泵缸体与电机泵轴无相对运动；电机泵轴上的第一轴承、第二轴承承担作用在泵缸体上的轴向偏载力、柱塞离心力，实现泵缸体受力平衡，解决因泵缸体受力不平衡而发生倾覆运动的问题。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，螺钉固定式回程组件还包括挡圈、套筒、螺钉、压板、卡盘、垫盘、斜盘、第一定位销；斜盘安装在电机泵壳体第一腔体内，利用第二定位销防止斜盘相对电机泵壳体旋转；垫盘安装在斜盘内，利用第一定位销防止垫盘相对斜盘旋转；压板与斜盘通过螺钉固定连接，形成一个由压板、垫盘组成的空腔结构。
在上述球面浮动配流式高转速伺服电机泵中，所述滑靴柱塞组件的滑靴和卡盘置于所述空腔结构内，卡盘安装在压板下方，滑靴穿过卡盘上的安装孔，与垫盘平面接触；被螺钉固定的压板，限位滑靴与垫盘分离，约束滑靴沿平行于垫盘的方向移动；利用挡圈、套筒约束斜盘与电机泵壳体第一腔体分离。
本发明与现有技术的有益效果在于：
(1)本发明采用球面浮动配流结构：创新设计了球面端盖+球面配流盘+固定式泵缸体结构。配流盘一侧与高速旋转的泵缸体形成平面配流结构，一侧与静止的端盖形成球面配流结构。当泵缸体因转轴弯曲变形而发生微小倾斜时，保持“浮动状态”的配流盘也能发生微小倾斜，保证配流副油膜的局部均匀。当配流盘发生微小倾斜时，由于球面结构自位性能好，配流盘与端盖仍能保持良好接触，减少油液泄漏。泵缸体与轴刚性联接，轴承平衡了作用在缸体上的轴向偏载力、柱塞离心力，增强了缸体抗倾覆能力与稳定性，提高了工作转速。同时，泵缸体结构因为取消花键而得到简化，生产工艺性更好。
(2)本发明采用螺钉拧紧式定间隙回程机构：通过拧紧螺钉限位卡盘，通过调整垫盘厚度调整滑靴副油膜间隙，这种不采用弹簧作为柱塞回程的结构，增强了滑靴的抗倾覆能力，减少了滑靴副的磨损和泄漏，也避免了因弹簧长期使用而使泵寿命下降的现象，提高了工作可靠性。
(3)本发明采用通轴、共壳高集成化结构：柱塞泵与伺服电机采用通轴设计，直线排列且共用一根轴，结构紧凑。永磁同步电机和双向定量柱塞泵芯共用一个壳体，获得紧凑结构的同时，解决了柱塞泵轴封机械密封漏油问题。
(4)本发明伺服电机泵壳体上采用双道径向密封，提高密封可靠性。
(5)本发明增强了柱塞泵的抗倾覆能力与稳定性，可实现双向高转速指标，兼具动力与控制功能，直接驱动作动器做功。该球面浮动配流式高转速伺服电机泵，在满足流量要求的情况下，提高了工作转速，缩小了体积和重量，达到高功率密度的指标。该球面浮动配流式伺服电机泵转速高，功率密度大，可靠性高，对特殊用途(如航空、航天、小型机器人等)的场合具有较强应用性。
附图说明
图1为本发明球面浮动配流式高转速伺服电机泵组成结构图；
图2为本发明永磁同步电机定子安装图；
图3为本发明高可靠性密封结构图；
图4为本发明双向定量柱塞泵芯结构图；
图5为本发明球面浮动配流结构图；
图6为本发明平衡式泵缸体结构图；
图7为本发明螺钉固定式回程结构图。
图中标号说明：Ⅰ-永磁同步电机；Ⅱ-双向定量柱塞泵芯；1—电机泵壳体；2—永磁同步电机定子；3—永磁同步电机转子组件；4—后端盖；5—第一密封圈；6—电连接器端盖；7—第二密封圈；8—第一平键；9—电机泵轴；10—旋转变压器；11—第一轴承；12—第二轴承；13—球面配流盘；14—球面端盖；15—第三密封圈；16—球头销；17—球面配流盘；18—泵缸体；19—第二平键；20—螺母；21—挡圈；22—套筒；23—螺钉；24—压板；25—卡盘；26—垫盘；27—斜盘；28—滑靴柱塞组件；29—第一定位销；30—第二定位销。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明专利做进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，包括：永磁同步电机Ⅰ、双向定量柱塞泵芯Ⅱ和电机泵壳体1；
电机泵壳体1包括：第一腔体和第二腔体；
永磁同步电机Ⅰ包括：永磁同步电机定子2、永磁同步电机转子组件3、后端盖4、第一密封圈5、电连接器端盖6、第二密封圈7、第一平键8、电机泵轴9、旋转变压器10、第一轴承11、第二轴承12；
永磁同步电机定子2采用过盈方式置于电机泵壳体1第二腔体内，并利用第一平键8防止周向旋转，见图2；双向定量柱塞泵芯Ⅱ置于电机泵壳体1第一腔体内；双向定量柱塞泵芯Ⅱ、第一轴承11、永磁同步电机转子组件3、第二轴承12、旋转变压器10从左至右轴向串联在电机泵轴9上；后端盖4与电机泵壳体1由双道第一密封圈5形成径向密封，在后端盖4右侧有可方便拆卸的电连接器端盖6，与双道第二密封圈7形成径向密封，见图3。永磁同步电机Ⅰ和双向定量柱塞泵芯Ⅱ采用同轴、共壳高集成化设计，结构紧凑，有利于缩小外形尺寸，同时避免了机械密封结构，解决了机械密封漏油问题。并且，对外密封均采用双道径向密封，提高了密封可靠性。
双向定量柱塞泵芯Ⅱ包括：球面浮动配流组件a、平衡式泵缸体组件b、螺钉固定式回程组件c，三者从左至右依次串联，见图4；球面浮动配流组件a与电机泵壳体1通过螺钉固定连接；球面浮动配流组件a包括球面配流盘17，平衡式泵缸体组件b包括泵缸体18、第二平键19，球面配流盘17与泵缸体18平面接触；螺钉固定式回程组件c包括斜盘27、滑靴柱塞组件28、第二定位销30，滑靴柱塞组件28包括柱塞和滑靴，柱塞和滑靴固定连接，柱塞插入泵缸体18中的柱塞孔内。电机泵轴9利用第二平键19带动平衡式泵缸体组件b旋转运动；利用第二定位销30，防止模块c相对电机泵壳体1发生旋转运动。
球面浮动配流组件a包括球面端盖14、第三密封圈15、球头销16、球面配流盘17；球面端盖14与电机泵壳体1通过螺钉固定连接；球面配流盘17第一端面为平面结构，与泵缸体18平面接触；第二端面为凸球面结构，与球面端盖14球面接触；球面配流盘17与球面端盖14上均设有进油、出油腰形槽，提供油液流通通道。球面端盖14上设有异形密封槽，安装第三密封圈15，用于实现油液密封并提供预压紧力，在电机泵未建压或未起动时，使球面配流盘17自动贴紧泵缸体18。当伺服电机泵工作后，高压油液对球面配流盘17的液压力F1略大于柱塞腔中的高压油对柱塞腔底部的液压力F2，使球面配流盘17始终压紧泵缸体18。
球头销16的一端为圆柱面结构，设于球面端盖14中，对球面配流盘17进行限位，防止球面配流盘17相对球面端盖14发生旋转运动，球头销16的另一端为球面结构，设于球面配流盘17中，实现球面配流盘17旋转；当泵缸体18因电机泵轴9弯曲变形而发生小角度旋转运动时，球面配流盘17也随之发生旋转，保证配流副油膜的局部均匀，见图5。当球面配流盘17发生微小旋转时，由于球面结构自位性能好，球面配流盘17与球面端盖14仍能保持良好接触，减少油液泄漏，提高了密封性。
泵缸体18近球面配流盘17端面为平面结构，与球面配流盘17贴紧后，形成平面配流结构；泵缸体18通过第二平键19实现泵缸体18与电机泵轴9连接，利用键槽侧面传递转矩；泵缸体18与电机泵轴9沿轴向方向固定连接。泵缸体18可作为单独构件，或与电机泵轴9一体成型。见图6.平衡式泵缸体18用平键替代了传统渐开线花键，具有结构简单、机加工艺性高的特点。
利用第二平键19、螺母20，实现泵缸体18与电机泵轴9无相对运动；电机泵轴9上的第一轴承11、第二轴承12承担作用在泵缸体18上的轴向偏载力、柱塞离心力，实现泵缸体18受力平衡，解决因泵缸体18受力不平衡而发生倾覆运动的问题，解决了泵缸体18在高转速工况条件下偏磨配流盘、配流副泄漏量增大、容积效率低的问题，提高了工作转速。
螺钉固定式回程组件c还包括挡圈21、套筒22、螺钉23、压板24、卡盘25、垫盘26、斜盘27、第一定位销29；斜盘27安装在电机泵壳体1第一腔体内，利用第二定位销30防止斜盘27相对电机泵壳体1旋转；垫盘26安装在斜盘27内，利用第一定位销29防止垫盘26相对斜盘27旋转；压板24与斜盘27通过螺钉23固定连接，形成一个由压板24、垫盘26组成的空腔结构。
滑靴柱塞组件28的滑靴和卡盘25置于空腔结构内，卡盘25安装在压板24下方，滑靴穿过卡盘25上的安装孔，与垫盘26平面接触，通过调整垫盘26厚度来调整滑靴与垫盘26之间的配合间隙；被螺钉23固定的压板24，限位滑靴与垫盘26分离，约束滑靴沿平行于垫盘26的方向移动；利用挡圈21、套筒22约束斜盘27与电机泵壳体1第一腔体分离，见图7。采用螺钉固定式回程组件c替代传统柱塞泵芯弹簧回程机构，避免了因弹簧损坏而使泵芯寿命下降的现象，提高了工作可靠性。
针对主机装备对单机元件的安装空间、外形尺寸、功率密度等越来越严苛的指标需求，伺服电机泵存在高速化设计的发展趋势——通过高速化设计减小自身排量，缩小外形尺寸，使整个系统更加小型化、轻量化。高转速伺服电机泵可以应用到对极限尺寸和重量要求苛刻的航天伺服系统中，成为大功率伺服系统的动力单元。另外，也可以拓展应用到高集成化和对尺寸重量要求严格的航空液压系统及智能机器人领域。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：包括永磁同步电机(Ⅰ)、双向定量柱塞泵芯(Ⅱ)和电机泵壳体(1)；
电机泵壳体(1)包括：第一腔体和第二腔体；
永磁同步电机(Ⅰ)包括：永磁同步电机定子(2)、永磁同步电机转子组件(3)、后端盖(4)、第一密封圈(5)、电连接器端盖(6)、第二密封圈(7)、第一平键(8)、电机泵轴(9)、旋转变压器(10)、第一轴承(11)、第二轴承(12)；
永磁同步电机定子(2)采用过盈方式置于电机泵壳体(1)第二腔体内，并利用第一平键(8)防止周向旋转；双向定量柱塞泵芯(Ⅱ)置于电机泵壳体(1)第一腔体内；双向定量柱塞泵芯(Ⅱ)、第一轴承(11)、永磁同步电机转子组件(3)、第二轴承(12)、旋转变压器(10)从左至右轴向串联在电机泵轴(9)上；后端盖(4)与电机泵壳体(1)由双道第一密封圈(5)形成径向密封，在后端盖(4)右侧有可方便拆卸的电连接器端盖(6)，与双道第二密封圈(7)形成径向密封。
2.根据权利要求1所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述双向定量柱塞泵芯(Ⅱ)包括：球面浮动配流组件(a)、平衡式泵缸体组件(b)、螺钉固定式回程组件(c)，三者从左至右依次串联；球面浮动配流组件(a)与电机泵壳体(1)固定连接；球面浮动配流组件(a)包括球面配流盘(17)，平衡式泵缸体组件(b)包括泵缸体(18)、第二平键(19)，球面配流盘(17)与泵缸体(18)平面接触；螺钉固定式回程组件(c)包括斜盘(27)、滑靴柱塞组件(28)、第二定位销(30)，滑靴柱塞组件(28)包括柱塞和滑靴，柱塞和滑靴固定连接，柱塞插入泵缸体(18)中的柱塞孔内。
3.根据权利要求2所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述电机泵轴(9)利用第二平键(19)带动平衡式泵缸体组件(b)旋转运动；利用第二定位销(30)，防止模块(c)相对电机泵壳体(1)发生旋转运动。
4.根据权利要求2所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述球面浮动配流组件(a)包括球面端盖(14)、第三密封圈(15)、球头销(16)、球面配流盘(17)；球面端盖(14)与电机泵壳体(1)固定连接；球面配流盘(17)第一端面为平面结构，与泵缸体(18)平面接触；第二端面为凸球面结构，与球面端盖(14)球面接触；球面配流盘(17)与球面端盖(14)上均设有进油、出油腰形槽，提供油液流通通道。
5.根据权利要求4所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述球面端盖(14)上设有异形密封槽，安装第三密封圈(15)，用于实现油液密封并提供预压紧力，在电机泵未建压或未起动时，使球面配流盘(17)自动贴紧泵缸体(18)。
6.根据权利要求2所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述球头销(16)的一端为圆柱面结构，设于球面端盖(14)中，对球面配流盘(17)进行限位，防止球面配流盘(17)相对球面端盖(14)发生旋转运动，所述球头销(16)的另一端为球面结构，设于球面配流盘(17)中，实现球面配流盘(17)旋转；当泵缸体(18)因电机泵轴(9)弯曲变形而发生旋转运动时，球面配流盘(17)随之发生旋转。
7.根据权利要求2所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述泵缸体(18)近球面配流盘(17)端面为平面结构，与球面配流盘(17)贴紧后，形成平面配流结构；泵缸体(18)通过第二平键(19)实现泵缸体(18)与电机泵轴(9)连接，利用键槽侧面传递转矩；泵缸体(18)与电机泵轴(9)沿轴向方向固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：利用所述第二平键(19)、螺母(20)，实现泵缸体(18)与电机泵轴(9)无相对运动；电机泵轴(9)上的第一轴承(11)、第二轴承(12)承担作用在泵缸体(18)上的轴向偏载力、柱塞离心力，实现泵缸体(18)受力平衡，解决因泵缸体(18)受力不平衡而发生倾覆运动的问题。
9.根据权利要求2所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：螺钉固定式回程组件(c)还包括挡圈(21)、套筒(22)、螺钉(23)、压板(24)、卡盘(25)、垫盘(26)、斜盘(27)、第一定位销(29)；斜盘(27)安装在电机泵壳体(1)第一腔体内，利用第二定位销(30)防止斜盘(27)相对电机泵壳体(1)旋转；垫盘(26)安装在斜盘(27)内，利用第一定位销(29)防止垫盘(26)相对斜盘(27)旋转；压板(24)与斜盘(27)通过螺钉(23)固定连接，形成一个由压板(24)、垫盘(26)组成的空腔结构。
10.根据权利要求2或9所述的一种球面浮动配流式高转速伺服电机泵，其特征在于：所述滑靴柱塞组件(28)的滑靴和卡盘(25)置于所述空腔结构内，卡盘(25)安装在压板(24)下方，滑靴穿过卡盘(25)上的安装孔，与垫盘(26)平面接触；被螺钉(23)固定的压板(24)，限位滑靴与垫盘(26)分离，约束滑靴沿平行于垫盘(26)的方向移动；利用挡圈(21)、套筒(22)约束斜盘(27)与电机泵壳体(1)第一腔体分离。
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