电机泵系统动态性能仿真与分析_习仁国

［4］ 陈焕明． 双压力柱塞泵建模与仿真研究［J］． 机床与液压， 2012，40( 8) : 71 － 74．
［5］ 王洪斌． 基于滑模变结构的新型永磁同步液压电机泵调 速系统的研究［J］． 机床与液压，2009，37( 10) : 123 － 126．
［6］ 高殿荣． 永磁同步驱动轴向柱塞液压电机泵电磁场研究 ［J］． 机床与液压，2011，39( 3) : 5 － 9．
图 6 给出了掉电后负载转矩曲线，该曲线可为电 机泵控制器设计计算提供参考。
4 结束语
本文介绍了一体化电机泵原理，并且在此基础上 在 AMESim 中建立了电机泵较为详细的模型，其中以 对泵的分析为重点。通过仿真，得出了在额定工况下 电机泵的压力、流量、转矩以及泄漏等特性，另外也对 突然掉电时泵的减速特性进行了仿真，得出了掉电后 泵的流量及负载转矩曲线，可供设计电机泵系统控制 器时参考，也可为后续流场分析提供相关参数。
第 43 卷 第 4 期 2013 年 7 月
航空计算技术 Aeronautical Computing Technique
Vol． 43 No． 4 Jul． 2013
电机泵系统动态性能仿真与分析
习仁国，刘卫国，肖 息，陈焕明
（ 西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072）
摘 要： 一体化电机泵是机载液压系统的发展方向之一。简要介绍了电机泵的产生背景及工作原理，利用 AMESim
转子一端开配流孔并与配流盘接触，形成一对运 动摩擦副，同时转子端部用滚柱轴承进行支撑。配流 盘（ 也叫分油盘） 和右端盖一起设计，同时支撑滚柱轴 承。转子另一端为柱塞孔，柱塞通过滑靴和回程盘机 构进行固定，保证柱塞随转子一起转动，同时滑靴在斜 盘平面上滑动的过程中，保证柱塞在柱塞孔内能往复 运动，此端也用滚柱轴承进行支撑［4］。斜盘与电机泵 左端盖一起设计，同时支撑滚柱轴承，斜盘角度固定， 通过控制电机转速而实现电机泵的变量。转子中间开 有花键槽，中间轴通过花键与转子连接并随转子一起 转动。花键轴一端安装有弹簧，为转子和配流盘之间 提供预紧力，保证转子与配流盘之间的间隙，另一端安 装有滚动轴承，同时此处设计有附加磁极，通过左端盖 上的霍尔传感器检测转子（ 附加磁极） 位置，为控制器 提供转子位置信号［5］。
参考文献：
［1］ 付永领． LMS Imagine． Lab AMESim 系统建模和仿真参考 手册［M］． 北京: 北京航空航天大学出版社，2011．
［2］ 付永领． LMS Imagine． Lab AMESim 系统建模和仿真实例 教程［M］． 北京: 北京航空航天大学出版社，2011．
［3］ 穆太青． 新型永磁同步液压电机泵模糊矢量控制［J］． 微 特电机，2010，38( 6) : 42 － 44．
引言
根据现代飞机平台自重小、有效载荷大、可靠性高 的要求，一体化电机泵已在国外民用飞机上得到应用。 国内液压传动与控制领域的高校和研究机构也一直致 力于提高液压传动的能量利用率、传动效率、节能降噪 以及机电一体化等方面的研究工作，其中液压泵与电 动机合一化的难点是对电机泵的系统控制。一体化电 机泵中柱塞泵的负载特性直接影响系统性能。
Hale Waihona Puke 本文主要以泵为核心，对电液泵动态性能进行仿 真分析。在 AMESim 中建立了电液泵较为详细的模 型［1］，其中以对泵的分析为重点。通过仿真，得出了在 额定工况下 电 液 泵 的 压 力、流 量、转 矩 以 及 泄 漏 等 特 性，另外也对突然掉电时泵的减速特性进行了仿真［2］， 得出了掉电后泵的转速、压力、流量以及转矩等曲线， 可供设计电机控制器时参考，也可为后续流场分析提 供相关参数。
从图 5 可以看出： 负载转矩在 0． 019 8 s 处达到峰 值，大小为 27． 27 Nm，稳定后在 18 Nm 到 24 Nm 之间 波动； 柱塞腔的总的泄漏在 0． 001 75 L / min 到 0． 002 3 L / min 之间波动； 以及滑靴处总的泄漏在 0． 124 L / min 到 0． 161 L / min 之间波动。
势系数 0． 055 75 V / r / s，利用液压元件设计库搭建超 级元件。仿真时间设定为 0． 02 s，仿真步长0． 000 1 s， 环境参数选用系统提供参数。
2 模型的建立
电机泵系统 AMESim 模型如图 2 所示［6］。其中建 模中的超级元件，是柱塞腔和配流窗口结构。
进出油配流口宽为 180° － 52° = 128°，减震三角槽 宽度为 26° － 17° = 9°，顶角为 51°，转子配流窗口宽度 为 34°。配流窗口面积经计算为 50． 282 4 mm2 ，等效 成圆形节流口的直径为 8． 001 3 mm。当转子配流窗 顺时针转动 0° 时，减震三角槽开始进入配流窗口； 转 过 9°时，减震三角槽完全进入配流窗口，此时节流系 数为 0． 104 7； 当转过 43°时，减震三角槽开始离开配流 窗口，节流系数为 0． 895 3； 当转过 52°时，减震三角槽 完全离开配流窗口，节流系数为 1； 当转过 128° 时，减 震三角槽开始进入配流窗口； 转过 137° 时，减震三角 槽完全进入配流窗口，此时节流系数为 0． 895 3； 当转 过 171° 时，减震三角槽开始离开配流窗口，节流系数 为 0． 104 7； 当转过 52°后，减震三角槽完全离开配流窗 口，节流系数为 0。当缸体旋转时，柱塞角位置与配流 系数的关系如图 3 所示。
电机泵的额定流量 33 L / min，额定压力 28 MPa，给 定转速 12 000 r / min，电机电压 270VDC，转子转动惯量为 0． 003 85 kgm2 ，单个配流窗口面积50． 282 4 mm2 ，柱塞 个数 9 个，电 机 每 相 绕 组 电 阻0． 024 65 Ω，每 相 自 感 0． 000 206 209 H，绕组间互感 0． 000 112 443 H，反电
收稿日期： 2012 － 12 － 11
修订日期： 2013 － 06 － 02
作者简介： 习仁国（ 1963 － ） ，男，湖北襄阳人，博士研究生，主要研究方向为机电液压控制。
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航空计算技术
第 43 卷 第 4 期
采用滚柱轴承内双支撑结构。转子上分布有液压泵的 柱塞孔，转子外圈采用现有的电机转子结构形式，粘接 磁钢形成磁 极，形 成 一 定 的 磁 路，转 子 外 面 加 有 保 护 罩［3］。电机泵的定子线圈采用无刷直流电机的定子线 圈结构形式。电机和液压泵共用一个转子，具有布局 紧凑、体积小、重量轻、外形尺寸小的优势。
搭建了电机泵系统的模型，并对额定运行及突然掉电时电机泵的动态特性进行了仿真和分析。仿真结果可为电机
泵控制器的设计提供一定的参考。
关键词： 电机泵; AMESim; 建模; 仿真
中图分类号： TP391． 9
文献标识码： A
文章编号： 1671-654X（ 2013） 04-0129-03
Simulation and Analysis of Dynamic Performance for Motor- Pump
盘端盖组件、分 油 盘 端 盖 组 件、旋 变 或 霍 尔 传 感 器 组 件、轴承、转轴以及控制器等零部件组成。液压原理及 结构示意图如图 1 所示。
图 1 电机泵液压原理及结构示意图
1 电机泵的原理
电机泵主要由转子组件、定子组件、柱塞组件、斜
该电机泵取消了电机和液压泵之间的中间轴，此 时的转子是液压泵与电机共同的转子，它不仅承担着 力矩的传输作用，还承担着吸油与排油的作用。转子
XI Ｒen- guo，LIU Wei- guo，XIAO Xi，CHEN Huan- ming
（ School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）
Abstract： Integrative motor- pump is one of the development trends of aerospace hydraulic system． The background and working principle of the motor- pump were introduced． The model of a motor- pump was built by AMESim，and the dynamic characteristics under rated operation and sudden power-fail are simulated and analyzed． The research and results of this paper provide a reference for the design of the motor - pump controller． Key words： motor- pump； AMESim； modeling； simulation
2013 年 7 月
习仁国 等： 电机泵系统动态性能仿真与分析
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图 4 电机电磁转矩
图 5 负载转矩
图 6 掉电后负载转矩曲线
在额定工况下（ 12 000 r / min，28 MPa） ，模拟突然
掉 电 时 泵 的 减 速 特 性。 首 先 用 理 想 电 机 以 12 000 r / min驱动，待稳定后，将电机撤去，同时把运算 终值作为初值，重新开始仿真，之后得到的便是电机在 额定转速下突然掉电后的减速特性。运行时间： 1 s 时 间步长： 0． 000 1 s 由于阻尼包括库伦摩擦和气隙油膜 的粘性阻尼，前者已设为常数，后者与转速成正比，故 转速减小的速度越来越小。
图 2 电机泵系统模型
图 3 正向旋转时柱塞角位置与配流系数的关系
3 仿真分析
利用 AMESim 软件对电机泵进行仿真。在仿真电 机泵的动态特性时，可以得出，转速稳定运行后，压力 平均值为 28． 5 MPa 左右，波动幅度为 3 MPa，约为 10． 5% 。而稳定后平均流量为 36． 8 L / min 左右，脉动为 2． 3 L / min，约为 6． 25% 。图 4 说明了电磁转矩峰值在 0． 006 9 s 处，大小为 280． 743 Nm，稳态值为 25． 984 Nm。