在液压设备的运行过程中,所需的压力和流量在各个阶段各不相同,且整个系统受到持续变化的负载状态的影响。目前,大多数液压系统依赖于恒速恒压泵组,异步电机在工作时保持工频状态。有些工艺环节仅需求极小流量,过多的液压油只能通过高压溢流的方式返回油箱(即使是变量泵也无法实现绝对零排量,因泵自身润滑的需求,标称流量一般会有约5%的溢流),这种情况导致严重的能源浪费,并降低了电机的工作效率。有研究指出,高压溢流引发的能量损失可能达到30%至80%。当前的开环变量泵液压系统和伺服油泵液压系统的主要区别在于动力源的不同:开环变量泵由三相电动机驱动,伺服油泵则由一台伺服电机驱动(通常为齿轮泵或柱塞泵)。动力源的变化为液压系统带来了根本性的控制和特性变革。
本文将全面探讨伺服油泵的工作原理与性能,并与变量泵进行详细对比。伺服油泵是由伺服电机驱动的,伺服电机属于控制电机的范畴,它的主要功能在于信号的传递与转换,比如将电压信号转化为转矩和转速等。控制电机的基本要求包括高敏感度、高可靠性和低功耗等,伺服电机也同样需具备这些特性。
在液压系统中,泵的输出功率可用公式 W=P*Q 表示,其中 P 为泵的输出压力,Q 则为泵的输出流量。如果调整泵的输出压力或流量,就可以改变输出功率。液压系统各执行机构对功率的需求各不相同,通常会有较大变化,因此如果能使泵的输出功率与负载功率相匹配,便能有效节约能源。
显而易见,在负载固定的情况下,对于定量泵液压系统,泵的输出流量是一个固定值。而由于负载的速度需求,部分流量必须通过主溢流阀返回油箱,这就是我们所称的溢流损耗。此外,使用比例节流阀完成调速的过程也会额外产生节流损耗。
在开环变量泵液压系统中,由于斜盘的调整使泵可实现出口大小的变化,进而改变泵的输出流量,因此不存在溢流损耗。然而,在流量控制状态下,开环变量泵的调速回路同样会产生节流损耗,故该回路属于容积——节流调速回路。闭环变量泵则通过比例减压阀或比例伺服阀控制斜盘活塞,确保斜盘维持一定开口,并在泵的输出压力达到设置阈值后切换至压力控制状态,因此对于闭环变量泵而言,无溢流损失亦无节流损失。
对变量泵(无论开环还是闭环)液压系统而言,有几个必要特性,其中包括液压系统的基本特征如节能、压力与流量的比例控制、高响应性,以及液压泵的重要特性例如容积调速(流量可变)、高机械效率和在压力控制状态与流量控制状态之间的流畅切换能力。
伺服油泵液压系统同样应具备必需特性。了解伺服电机的工作原理对于分析伺服油泵液压系统的基本特性至关重要。交流伺服电机通常为单相异步电机,分为鼠笼型和杯形转子两种结构。
与常规电机相似,交流伺服电机由定子和转子组成。定子上装有励磁绕组及控制绕组,两个绕组在空间上相差90°电角度。笼型转子的结构与普通三相笼式电机完全一样。为方便说明,我们使用杯形转子交流伺服电机作为例子。
这种电机的结构包含外定子、杯形转子、内定子和脉冲计数装置。转子由非磁性导电材料(如铜)制成,内定子则主要用于构建磁路。而这种类型的交流伺服电机转动惯量相对较小,工作原理与单相感应电动机并无实质差异。然而,交流伺服电机要具备一项重要特性:可控性,也就是说电机在未收到控制信号时不应启动,尤其是在电机已开始旋转的情况下,一旦控制信号消失,电机应立即停止转动。
在控制绕组施加控制电压(U2)的情况下,励磁绕组和电容将形成两相旋转磁场。通过选择合适的电容,使得通入两个绕组的电流相位差接近90°,便能够生成旋转磁场。这个旋转磁场可看作由两个角度相反的圆形旋转磁场合成。尽管这两个圆形旋转磁场的幅度有所不同,然而它们以相同的速度、相反的方向旋转。它们切割转子绕组,感应出不同方向的电势与电流,产生的电磁力矩也是可变的。由于合成力矩不为零,伺服电机将沿着正转磁场方向旋转。随着信号(U2)强度的增强,磁场渐趋圆形,正转磁场及其力矩增大,而反转磁场的力矩则减小,从而导致合成力矩逐渐增大。如果负载力矩保持不变,转速也会随之增加。
如果我们改变 U2 的相位(例如极性反转180°),旋转磁场的方向也会变动,合成力矩的方向随之变更。若控制信号消失而仅允许励磁绕组通入电流,伺服电机产生的磁场将会是脉动状态。脉动状态下产生的正反向旋转磁场引发的转矩 T 与 T 的合成力矩方向正好与旋转方向相反,因此在控制绕组电压为零时,电机能够迅速停止,这也正好显示了控制信号的重要性。
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