电机泵系统动态性能仿真与分析_习仁国
第43卷第4期2013年7月航空计算技术
Aeronautical Computing Technique
Vol．43No．4Jul．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
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
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 simu-lated 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
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。
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
，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
［1］
盘端盖组件、分油盘端盖组件、旋变或霍尔传感器组
轴承、转轴以及控制器等零部件组成。液压原理及件、
结构示意图如图1所示。
［2］
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。
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
收稿日期：2012－12－11
修订日期：2013－06－02
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
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。
·130·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
转子外圈采用现有的电机转子结构形式，粘接柱塞孔，
磁钢形成磁极，形成一定的磁路，转子外面加有保护［3］
罩。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。转子一端开配流孔并与配流盘接触，形成一对运
同时转子端部用滚柱轴承进行支撑。配流动摩擦副，
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
［4］运动，此端也用滚柱轴承进行支撑。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
势系数0．05575V /r/s，利用液压元件设计库搭建超
仿真步长0．0001s ，级元件。仿真时间设定为0．02s ，环境参数选用系统提供参数
。
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
［5］
提供转子位置信号。
2模型的建立
图2
电机泵系统模型
［6］
电机泵系统AMESim 模型如图2所示。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180ʎ －52ʎ =128ʎ ，减震三角槽宽度为26ʎ －17ʎ =9ʎ ，顶角为51ʎ ，转子配流窗口宽度
2为34ʎ 。配流窗口面积经计算为50．2824mm ，等效成圆形节流口的直径为8．0013mm 。当转子配流窗
顺时针转动0ʎ 时，减震三角槽开始进入配流窗口；转
减震三角槽完全进入配流窗口，此时节流系过9ʎ 时，
数为0．1047；当转过43ʎ 时，减震三角槽开始离开配流
窗口，节流系数为0．8953；当转过52ʎ 时，减震三角槽完全离开配流窗口，节流系数为1；当转过128ʎ 时，减震三角槽开始进入配流窗口；转过137ʎ 时，减震三角槽完全进入配流窗口，此时节流系数为0．8953；当转过171ʎ 时，减震三角槽开始离开配流窗口，节流系数为0．1047；当转过52ʎ 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33L /min，额定压力28MPa ，给定转速12000r /min，电机电压270V DC ，转子转动惯量为
20．00385kgm 2，单个配流窗口面积50．2824mm ，柱塞
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28．5MPa 左右，波动幅度为3MPa ，约为10．5%。而稳定后平均流量为36．8L /min左右，脉动为2．3L /min，约为6．25%。图4说明了电磁转矩峰值在0．0069s 处，大小为280．743Nm ，稳态值为25．984Nm 。从图5可以看出：负载转矩在0．0198s 处达到峰值，大小为27．27Nm ，稳定后在18Nm 到24Nm 之间波动；柱塞腔的总的泄漏在0．00175L /min到0．0023L /min之间波动；以及滑靴处总的泄漏在0．124L /min到0．161L /min之间波动。
个数9个，电机每相绕组电阻0．02465Ω，每相自感0．000206209H ，绕组间互感0．000112443H ，反电
2013年7月习仁国等：电机泵系统动态性能仿真与分析·131·
掉电时泵的减速特性。首先用理想电机以12000r /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：1s 时间步长：0．0001s 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。
图4
电机电磁转矩
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。
图5
负载转矩
参考文献：
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M ］．北京:北京航空航天大学出版社，2011．手册［
［2］付永领．LMS Imagine．Lab AMESim 系统建模和仿真实例
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［6］高殿荣．永磁同步驱动轴向柱塞液压电机泵电磁场研究
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图6掉电后负载转矩曲线
28MPa ），在额定工况下（12000r /min，模拟突然