【i前沿】高性能伺服电机泵关键技术及挑战-2024

科技   2024-08-20 06:01   浙江  


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小编说:


通篇看下来,信息量超大(25页),CPU差点烧掉...要想能较好理解,得反复多看几遍才行。为了能简洁的看到全文概况,用AI输出了个总结,比较惊喜,一次成型整体还不错,对于想了解全文关键点的小伙伴,可以先看下。文中对一些之前比较含糊的词也做了定义和解释,例如:集成电机泵、伺服电机泵、电液泵等,其中的配图,看得出来是作者们花了不少时间进行总结和凝炼,很值得学习。

文末提供了原文下载哦~ 觉得不错,给俺们也点个赞哈~~~


《高性能伺服电机泵关键技术及挑战》总结


一、研究背景



- 随着电力电子、伺服电机、液压泵、控制等基础支撑技术的进步,电静液作动技术在越来越多领域得到应用。伺服电机泵作为电静液作动器的核心动力和控制部组件,其性能制约着作动器的输出性能,是当前研究热点。
伺服电机泵的演变
- 中国EHA在多个领域逐渐推广应用,对其核心部组件伺服电机泵的研究成为焦点,但目前关键技术仍不成熟,急需深入理论支撑。


 二、基本概念与技术指标



1. 定义

- 兼具液压动力和控制组件功能,相当于传统液压系统中的“电机+液压泵+伺服阀”,工作在变速、变压、反复启/停/反向的工况下,具有四象限工作模式。

伺服电机泵的四象限工作模式
2. 结构组成
  - 伺服电机泵可设计为分体式或一体式,一体式设计能获得极致性能,主要包括伺服电机组件、液压泵组件、电机位置检测器件和功率驱动控制器。
伺服电机泵主要结构及构成


3. 伺服电机泵性能指标体系
  - 涵盖液压、电气、热和控制等特性,综合电机、泵和控制等性能指标。
伺服电机泵、伺服阀性能指标对比


三、典型应用



1. 航空航天领域
  - 主要用于飞行器飞控作动系统,将伺服电机泵与液压作动器一体化设计,可提高集成度。国内外多个机构开展了相关研究,国内在2005年起也有多项成果。
伺服电机泵在航空航天领域的应用


国内伺服电机泵产品


2. 机器人领域
  - 应用于医疗机器人和仿生机器人等,需要较高效率以保证在有限电源条件下延长平均运行时间。不同类型液压泵效率特性不同,齿轮泵效率有提升空间。
伺服电机泵在机器人领域的应用


3. 航海领域
  - 应用于舰船液压系统、潜艇及水下自主航行器的作动系统等,低噪音的共转子/共壳体一体化静音电机泵有应用潜力。
电机泵在航海领域的应用


4. 高端工业设备领域
  - 应用于陆地车辆及加工机械的驱动系统等,目前以分体式设计为主,应用航空航天的一体化设计成本高,有待进一步推广。
电机泵在陆地装备中的应用
应用小结:伺服电机泵在各典型应用领域中的比较

配套教学伺服系统视频见文末


四、高性能需求分析



1. 高功密
  - 是航空航天、深海和机器人等领域的基本需求,采用高功率密度的动力元件可实现飞行器减重等目标,在机器人技术中也至关重要。
2. 高动态
  - 主要集中在航空航天和机器人领域,运载火箭推力矢量控制伺服系统对动态性能要求较高,国内外相关研究不断推进。
3. 低噪音
  - EHA和伺服电机泵自身具有低噪音特点,但在潜艇和康复机器人等特殊应用中有更高要求,一体化伺服电机泵是新的应用趋势。
4. 长寿命
  - 在航空、航海和工业设备等领域较为关键,在航海领域提高动力组件的服役寿命是保证航行安全重要途径。
在工业设备领域,工程机械通常具有较大的工作时长,长寿命特性是其关键需求。
5. 智能化
  - 智能化技术可提高伺服电机泵的环境适应性,支撑故障诊断和智能运维能力,构建智能运维系统可有效提高对突发性故障的预测能力并进行预测性维护。
性能需求小结

各领域所关注性能的优先级划分(优先级划分从①~⑤;数字越小优先级越高)


五、关键技术及难点



1. 高功密高可靠伺服电机泵的集成结构设计
  - 包括轴向集成结构、共转子集成结构和功率驱动控制的集成设计,各有优势和挑战,一体化设计研究目前仍较匮乏。

伺服电机泵的轴向集成设计案例

共转子集成设计案例

 集成电机驱动(IMD)


2. 高频变工况下的轴系及支承界面失稳机理
  - 涉及关键摩擦副支承及润滑特性、一体化结构的多场耦合动力学特性等多个复杂因素。
关键摩擦副多物理场耦合模型
缸体/配流副的流-固-热耦合模型


3. 极变速工作模式下的关键摩擦副表面强化
  - 提升摩擦副润滑性能、降低摩擦磨损是提高柱塞泵性能的关键,现有对伺服电机泵变转速工况研究尚处于空白。
缸体/配流副界面强化涂层试验研究


4. 多物理场耦合作用下的湿式电机能耗评价
  - 湿式电机设计提高了集成度但改变了电机散热、摩擦等特性。在湿式电机中,耦合应力场的作用对能耗评价技术具有重要性。


5. 同轴共壳体条件下伺服电机泵热特性研究
  - 包括热力学建模与仿真、内部生热位点温度测量以及散热结构优化三部分,小体积与高集成度增加了内部生热位点温度测量难度。
共壳体条件下的热特性研究


伺服电机泵关键技术及难点总结


六、结论及展望



1. **
高性能伺服电机泵前景广阔**,需在高功密、高动态、长寿命、低噪音和智能化等方面综合优化提升。
2. **机电液耦合机理研究亟需加强**,高频变工况下的效应和作用机理不明晰,需进一步研究轴系动力学机理、关键摩擦副接触界面失效机理、湿式电机损耗机理等。
3. **基于模型的设计理论有待构建**,提出多目标优化设计方法和正向设计理论,构建高性能伺服电机泵集成设计理论。
4. **全生命周期智能运维需快速突破**,利用数字孪生技术实现实时工况监控、故障诊断和预测性维护。


论文:吕定翀,赵守军,曾思,等. 高性能伺服电机泵关键技术及挑战[J]. 航空学报,2024,45(15):630225.

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