【i专栏】电动马达与液压马达的比较

在我们深入比较电动马达和液压马达之前，让我们首先回顾一下每个概念以及它们的相似之处。首先，它们都是远程传输能量然后将其转化为机械力的系统。它们都通过各种输入方式来提供精确的控制。并且它们采用相似的元素来完成工作：电源、传动、控制和执行器。 

聚焦相似之处

当你深入研究两个概念时，它会变得更加精确。让我们首先讨论每种技术如何工作的本质。这两种技术都使用一种介质，通过管道“推动”能量。

电压是驱动电子流动的电位差，也是推动通过导体的力。液压也是施加的力，用于使液压流体通过管道流动，从而允许流动发生。请记住，流动是因为压力允许它发生，并且压力不是对流动的阻力，这与一些误解相反。

图1.电气与液压符号

我们还可以比较电流强度和流量，要知道电压和压力驱动着电子和油分子的运动。通过导体的电子总电荷量定义了电流强度，而通过管道、软管或管子的液压流体体积产生了可测量的流量。电流强度通常用安培（或简称安）来表示，而流量可以用升/分钟或加仑/分钟来表示。

这种类比在各自领域常用（和不常用）的各种计算中继续存在。例如，著名的欧姆定律指出，电压通过电阻驱动电流，并表示为 V = IR。尽管在液压中不是常见的表达式，但您也可以假设 P = QR，其中 P 是压力，Q 是流量，R 是液压阻力。液压阻力更常被称为背压或压降，但您可以使用这个公式来计算通过节流孔的流量： 

我在这里不布置作业，但如果你想摆弄这些数字： 

Q=以gpm（加仑每分钟）为单位的流量；Cd=流量系数；A= A = 孔口面积，单位为平方英寸；ΔP=通过节流口的压降；p=每立方英尺流体的质量密度（以斯勒格为单位） 

好叭，我知道。在流体动力领域，没有人使用那个公式，但我想强调潜在的相似概念。在任何一种情况下，电阻/阻力上游的电压或压力越高，另一端的电流或流量就越高。

为了更精确的比较，让我们看看功率。简单地说，两个公式如下所示：

力×位移=功   

例如，24伏x 2安培=48瓦特

例如，3000 psi x 5 gpm/1714=8.75马力 （psi压力单位1psi=6.895kPa）

如果你还不相信电气和液压之间明显的物理相似之处，请考虑以下例子。为了流动更多的电子或油，你需要更大的导体或软管。在实现有用的功之前，所使用的任何能量都以热的形式被浪费掉。两个回路中使用的组件在功能上基本相同。

让我对最后一点再详细阐述一下。作为一名流体动力专业人士，我发现电工和电气工程师能够迅速掌握液压知识，这不仅是因为我到目前为止所讨论的所有内容，还因为组件及其电路符号都相对相似。

在液压系统中，我们有一个单向阀。在电气系统中，我们有一个二极管。两者都允许单向流动，同时反向阻断。在液压系统中，我们有一个流量控制器。在电气系统中，我们有一个电阻器。两者分别限制油或电子的流动。实际上，有很多这样的例子，也许列一个清单更合适： 

液压泵=电源；液压缸=直线电机；蓄能器=电容器或电池；球阀=开关；电磁阀=晶体管；减压阀=稳压器（甚至稳压二极管，也许？）

此外，上述许多技术上的同类产品都采用了看起来相似的符号。图 1 展示了四个，行业专业人员熟悉的此类符号。现代电路图在通过简单的线条和形状直观地表达组件的作用方面做得很好。对于二极管和单向阀，很容易看出它们的形状是如何仅允许向左流动。 

聚焦马达设计

我希望你现在同意电气和液压的原理非常相似，所以让我们进入主题——电动马达和液压马达。本质上，每个装置都将其基本能量转化为扭矩形式的机械力（扭矩只是在与轴垂直的距离处施加的力）。除了输出轴看起来相似之外，这两种马达产生力的方式有很大的不同。

电动马达必须首先产生磁场，正是这种磁场相互作用产生了扭矩。它们可能会使用永磁体和电磁体的组合，并通过各种方法来产生和控制磁场。电动马达可能使用直流电或交流电，有时甚至两者都用。

液压马达在压力施加到适合旋转运动的表面时，会产生扭矩。该表面积可以是柱塞、叶片或齿轮，但表面积越大且离轴的距离越远，产生的切向力就越大。 

正如预期的那样，较大的马达会产生更大的扭矩，但这并不是扭矩输出的唯一决定性因素。液压马达在扭矩效率分析方面要简单得多，但也许我这么说只是因为我是一名液压专业人士。液压马达的扭矩输出是压力、排量、容积效率和机械效率的组合，尽管负载、粘度、温度和速度等因素也在其中发挥作用。

对于电动马达而言，情况变得更为复杂。从机械角度来看，您仍必须处理那些能创造出更好“杠杆”的元素，例如电枢长度、转子半径和定子/转子的几何形状，但也要处理影响所能产生磁场大小的特性。绕组的数量、配置和横截面、永磁体强度、绕组的电感以及温度在电动机扭矩方面都起着作用。 

与液压马达相比，电动马达运行方式的主要区别在于磁场的使用。液压泵产生液压能，推动液压油流动，形成液流作用于液压马达，使液压马达的输出轴旋转。相反，电动机必须依靠其磁场的强度，而这些磁场的强度取决于上述变量。 

一般来说，液压马达总是比电动马达产生更多的功率，这种说法通常是准确的。对于任何给定的工业电动马达，即使是当今的高效选项，您可以预期它们每千克马达重量提供约 0.05 - 0.1 千瓦的功率。然而，当您开始谈论高性能伺服马达时，您可以预期达到高达 2 千瓦/千克的功率密度，这是相当不错的。 

如果您是电动汽车的爱好者并且对其有所了解，您可能知道在电动马达功率密度的优势方面正有一场激烈的竞争。随着我们在材料、结构和设计方面经历的快速创新，用于车辆的电动马达功率密度呈指数级增长，新兴技术正在将边界推向液压水平。例如，轴向磁通电马达，有许多初创公司生产功率密度超过 10 千瓦/千克的型号，您很快就可以在车辆中看到这些。 

但是，电动马达技术最终是否战胜了液压技术？还没有完全战胜。实际上，在流体动力行业，没有人必然将功率密度作为最终目标。我们只是在这里制造高效且强大的执行器，这些执行器默认情况下功率密度较高。在任何液压马达目录中您也找不到千瓦/千克这个参数。

轴向液压马达

弯轴柱塞马达在功率密度方面难以被超越。力士乐 A2FM5 能持续产生 10.35 千瓦/千克的功率，即 26 千瓦或约 35 马力，且毫不费力。不需要特殊冷却、特殊材料或技术进步，其现代设计基于力士乐在 70 年代开发的技术。我知道我过去提到过这个马达系列，这里我无意忽视所有其他制造商，但我还没有看到有人将这项技术达到这个水平。 

“那又怎样？”你可能会说，电动马达已经可以与A2FM的5cc小马达相媲美了。是的，也许吧——但是它们是在一个可以装进你空的星巴克咖啡杯的外壳里做到这一点的吗？事实上，这个小马达只有6英寸长，重5磅多一点，能输出35马力。

如果你觉得这令人印象深刻，让我们来谈谈他们的16 cc版本的这种马达。其重量仅为两倍多一点，却能以 115 马力的持续功率，让人惊叹不已，功率密度接近20kW/kg。电动马达会达到这种功率密度吗？很难说——磁饱和会阻止材料在超过某一点后改善太多，增加功率的努力会导致收益递减定律。此外，我们也有可能无法冷却更高密度的电动单元，从而限制了我们在小空间中能产生的功率。

最终，液压马达就像穿着长裤和白色背心战斗的老拳击手。轴向磁通马达则是那位因各种正确原因而备受关注的年轻综合格斗选手。但到了关键时刻，轴向磁通马达将会对液压马达出人意料的强大力量、丰富经验和坚定不移的风范感到惊讶，因为液压马达仍有很强的战斗力。 

原作者：Mary Gannon

编译整理iH小编：王晗