永磁同步電機驅動的液壓動力系統設計與實驗分析

賈永峰 谷立臣

1.西安建筑科技大學，西安，710054 2.陜西交通職業技術學院，西安，710018

0 引言

液壓設備由于其具有傳動平穩、調速方便、功率體積比大等優良特性而被廣泛應用于工程機械中，但液壓動力系統的整體能量利用率不高，系統效率較低，因此必須采用節能設計提高能源利用率。以往的節能設計都將重點放在了液壓回路的設計和高效液壓元件的選擇上，并且取得了較好的節能效果，如采用負載自適應控制，盡量減少溢流損失和節流損失，采用二次元件和蓄能器回收部分能量等。但是隨著設計的改進和液壓回路效率的提高，想要進一步提高其效率變得越來越困難，因此有必要將驅動液壓系統的電機也包括在內來考慮，使電機提供的功率和負載所需功率相匹配。

本文重點介紹稀土永磁同步電動機驅動液壓動力源的節能特性和調速特性，對永磁同步電機調速液壓系統和異步電機變頻調速液壓系統進行了對比分析。

1 幾種常見的液壓動力源

(1)普通異步電機驅動定量泵。無論系統是空載還是滿載，該類電機轉速基本恒定，油泵的輸出流量也基本保持不變，系統流量靠溢流閥調節，多余的流量通過溢流閥流回油箱，功率利用率低，油液發熱嚴重，系統穩定性差，油液壽命短，因此僅適合用于小功率和速度變化不大的場合。

(2)普通異步電機驅動變量泵。變量泵轉速不變，但輸出流量可以隨負載的變化動態或靜態調節，無溢流損失和節流損失，功率利用率高，系統響應速度快。缺點是系統結構復雜，需要一套變排量的控制機構，故障率高，抗污染能力差，系統流量小時，電機和泵仍然高速運轉，加速了機械磨損。此液壓動力源適合用于功率較大場合。

(3)變頻異步電機驅動定量泵。將電機變頻調速技術用于液壓系統,油泵的輸出流量可以通過電機的轉速來調節，相比變量泵系統省去了復雜的變排量控制機構，簡化了液壓回路,提高了系統可靠性，減少了液壓系統的能量損失,提高了系統效率。Helbig[1]對變頻電機驅動定量泵和普通電機驅動變量泵的運行效率進行了比較，結果表明：在空載時，變頻電機驅動定量泵系統電機輸入功率很小，普通電機驅動變量泵電機的輸入功率卻為額定值的90%；在中等載荷時，變頻電機驅動定量泵的效率比普通電機驅動變量泵的效率高；在滿載時，兩者效率接近。異步電機最常用的是恒壓頻比控制，即保持電壓和頻率比恒定，從而使電機的磁通基本保持不變。在額定轉速下，定子電壓較高，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，但頻率較低時，定子電壓降低，此時定子繞組的漏磁阻抗壓降已不能忽略，從而引起電機氣隙磁通顯著減小，因而在低頻區電機轉矩明顯下降。如果采用定子壓降補償功能，會使電機低頻時的效率大幅下降，從而使整個液壓系統的效率大幅降低[2]，因此變頻電機驅動定量泵的動力源不適合用于高壓小流量液壓系統。

(4)變頻異步電機驅動變量泵。一般泵都有最低轉速限制，否則轉速過低會使泵的容積效率很低。由于變頻異步電機采用了調速電機和變量泵，使泵的輸出流量調節方式具有多樣性，如設定電機的最低轉速高于泵的最低轉速，這樣可以避開泵的容積效率過低的問題，在電機設定的轉速以下采用變排量控制，在電機設定的轉速以上采用變轉速控制或變轉速與變排量復合控制，對于系統要求高動態響應的采用變排量控制。Yutaka等[3]和Azmeier等[4]對變頻電機驅動變量泵系統的效率進行了試驗，結果表明，變頻電機驅動變量泵的效率高于變頻電機驅動定量泵和普通電機驅動變量泵的效率。變頻異步電機驅動變量泵的缺點是系統復雜，抗污染能力差，性價比不高，因此適合用于對系統效率和響應速度要求較高的場合。

以上幾種常見液壓動力源都使用了應用最為廣泛的異步電機作為原動機，而異步電機自身也有諸多缺點:首先，異步電機定子電流可分解為兩部分，一部分是用以在轉子中形成磁場的勵磁電流，另一部分為用于輸出轉矩的負載電流，無論電機是否有實際轉矩輸出，勵磁電流都存在，并且在低速或空載情況下勵磁電流所占比例會更大，而勵磁電流的存在會消耗一定的電機功率，即使使用變頻驅動技術能夠減小異步電機定子電流，起到一定的節能效果，也不能從根本上消除勵磁電流的存在，因此使用異步電動機節能效果有限；其次，異步電機的功率因數較低，在額定載荷時約為0.7～0.9，而在輕載或空載時更低，只有0.2～0.3；再次，異步電機的轉動慣量較大，影響系統的動態響應速度。

2 永磁同步電機驅動的液壓動力源

2.1 永磁同步電機的節能原理

永磁同步電機和感應電機相比，由于采用了稀土永磁材料作為電機的轉子磁極材料，從根本上不需要產生無功勵磁電流，所以可以顯著提高功率因數(功率因數可達到1)，減少定子電流和定子電阻的損耗。在穩定運行期間沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇的損耗，小功率的永磁同步電機甚至可以去掉風扇。永磁同步電機轉子磁極基本恒定，所以電機無論是在低速運轉還是在高速運轉都可以輸出較大的負載轉矩，在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，另外永磁同步電機還具有過載倍數大、響應速度快、運行平穩和體積小等優點[5]。

2.2 永磁同步電機驅動的液壓源方案

本方案采用正弦波永磁同步電動機驅動齒輪泵[6]，正弦波永磁同步電動機相對于矩形波永磁同步電動機有調速范圍寬、轉矩和轉速平穩、動態響應快速準確、單位電流轉矩大等優點。所選齒輪泵具有性價比高、抗污染能力強、噪聲低和運行可靠等優點。永磁同步電機自帶光電編碼器，與伺服控制器構成閉環控制系統，由伺服控制器控制電機轉速進而控制齒輪泵的輸出流量。

液壓源的使用工況不同，對電機的控制方式也不盡相同。如負載變化較大而負載速度較為穩定的場合，適于用流量反饋信號控制電機轉速，實現壓力自適應控制；負載速度變化較大而負載大小較為穩定的場合，適于用壓力反饋信號控制電機轉速，實現流量自適應控制；而對于負載大小和速度均變化的場合，應使用壓力信號、流量信號分別控制電機的轉矩和轉速，實現功率自適應控制。此外還應考慮其他因素對系統的影響，如油液溫度、系統壓力對泄漏量的影響。

3 永磁電機驅動的液壓動力源實驗原理

本實驗采用2.2kW永磁同步電機和排量為4.25mL/r齒輪泵作為液壓動力源，由上位計算機設定電機轉速、給液壓系統加載和采集相關數據，具體原理如圖1所示。系統由上位計算機設定電機轉速控制電壓，并通過伺服控制器對永磁電機進行閉環轉速控制，相當于控制了齒輪泵的轉速，調節了齒輪泵的輸出流量，改變了齒輪泵作為定量泵的特性，拓展了齒輪泵的應用范圍。同時上位計算機還負責控制比例溢流閥給液壓系統加載、采集分析相關數據等。為了驗證永磁電機驅動液壓源的各項性能指標，特地用相同功率的三相異步電機做同一實驗，實驗時將永磁電機和伺服控制器換成異步電機和通用變頻器，此外由于異步電機是基于頻率的開環控制，因此還需加裝電機的轉速測量裝置。

為了對兩種不同電機拖動下的液壓動力系統進行對比分析，需要給定相同的負載工況，即系統壓力相同、油泵轉速相同。

永磁電機實驗步驟如下：①通過電磁換向閥4關閉齒輪馬達3，調節電磁溢流閥5(這里當安全閥使用)，設定系統最大壓力為10MPa，打開齒輪馬達3；②上位計算機9通過D/A轉換器15、伺服控制器10控制電機轉速；③同理上位計算機9通過D/A轉換器15調節比例溢流閥2，即通過調節齒輪馬達的回路壓力來模擬負載壓力；④重復步驟②和步驟③，由計算機9采集不同轉速和不同負載壓力時的數據。

異步電機實驗步驟與永磁電機基本相同。由于異步電機存在轉差率，其轉速隨著負載的增大略有下降。為了保證工況相同，異步電機加載時要同時緩慢增大電機轉速，也就是進行轉差頻率補償，直至與永磁電機實驗時的轉速相同、壓力相同時再采集相關數據。

由霍爾電壓、電流傳感器14采集的數據可計算出電機的輸入功率P1和功率因數cosφ。由組合傳感器6測得的壓力、流量信號可計算出泵的輸出功率P3。泵的輸入功率(電機的輸出功率)P2=nDppp，其中，n為泵的轉速，Dp為泵的排量，pp為泵的出口壓力。電機的效率η1=P1/P2；泵的效率η2=P2/P3；液壓動力源的總效率η3=P1/P3=η1η2。

4 不同電機驅動的液壓源對比分析

4.1 效率

4.1.1電機的效率及空載時的輸入功率

圖2 同步電機和異步電機的效率曲線

圖2所示為同步電機和異步電機分別在齒輪泵出口壓力為1MPa和6MPa時效率隨轉速變化的曲線。需要說明的是：本文計算異步電機的功率和效率時均未考慮異步電機散熱風扇的功率和效率，而永磁同步電機依靠電機殼體散熱，無散熱風扇。從圖2中可以看出，永磁同步電機在不同轉速和不同負載時的效率都高于異步電機的效率。從負載大小來看，系統壓力為1MPa時，兩者效率差距較大，當系統壓力增大到6MPa時，兩者差距減小，這說明同步電機比異步電機在輕載時更加節能；從電機轉速來看，低速時兩者效率相差較大，高速時則越來越接近，這說明同步電機在低速時比異步電機更加節能。異步電機效率低的主要原因是在低速輕載時輸入的功率較小，而此時轉子消耗功率所占比重增大，從而導致效率較低，而隨著轉速和負載的增大，電機輸入功率增大，轉子消耗功率所占比重減小，效率與同步電機的效率逐步接近。

在空載(系統壓力為0)時，電機效率幾乎為零，此時異步電機的輸入功率為同步電機輸入功率的1.5倍以上，如圖3所示，這說明同步電機空載時更為節能。

圖3 空載時電機輸入功率

4.1.2液壓泵的效率

從圖4可以看出，不同電機驅動的齒輪泵的效率在相同的工況下幾乎一致；隨著壓力的升高，泵的泄漏量增加，泵的效率降低，而低速時泵的泄漏量所占其理論輸出流量的比重較大，因此效率下降更為明顯；隨著轉速的增大，泵的效率增大，在低速時增大較快，高速時較為平緩，如果進一步增加泵的轉速，其效率反而會降低，這主要是由于常壓下供油不足。

圖4 不同電機驅動時泵的效率

4.1.3液壓動力源的總效率

液壓動力源的總效率為電機效率和泵效率的乘積，雖然不同電機驅動時泵效率基本相同，但由于永磁同步電機的效率明顯高于異步電機，因此永磁同步電機驅動的液壓動力源的總效率也明顯高于異步電機的總效率(圖5)，其變化規律由電機和泵共同決定。

圖5 液壓系統的效率

4.2 功率因數

永磁同步電機的功率因數在不同轉速和不同壓力工況下始終接近于1，而異步電機的功率因數受負載影響較大，如圖6所示，在空載時還不到0.2，在6MPa(中等載荷)時為0.5左右。功率因數低會增加變頻器的裝機容量，增大無功功率，而無功功率在傳輸過程中會消耗大量的有功功率，因此異步電機不適合較長時間空載或輕載運行。

圖6 電機的功率因數

4.3 液壓源的流量剛度

圖7所示為兩種電機驅動的液壓源流量-壓力特性曲線(未進行轉差頻率補償)。當系統壓力升高時，泵的泄漏量增加，油液的壓縮量也增加，因此泵的實際輸出流量Q會減小，而流量減小會影響液壓缸和液壓馬達的速度剛度。異步電機設定的是定子磁場的同步轉速，由于轉差率的存在，異步電機驅動的液壓源除了泄漏和壓縮量損失外還存在轉差流量損失，隨著負載增加，轉差率增大，轉差流量損失增大，實際輸出流量減小，流量剛度降低；而同步電機的轉速與設定轉速一致，沒有轉差流量損失，因此同步電機驅動的液壓源流量剛度要大于異步電機的流量剛度。

圖7 流量-壓力特性曲線

4.4 負載功率匹配特性

如圖8所示，隨著負載功率的增加，電機的輸入功率也增加，兩種電機驅動的液壓源都能夠與負載所需功率相匹配。輸入功率與負載功率曲線之間為液壓源自身損耗的功率，主要包括電機、泵和聯軸器的功率損失，這種損失越小，負載匹配特性越好、越節能。由圖8可以看出，永磁同步電機的負載匹配特性優于異步電機的負載匹配特性，輕載時的節能性更好。

圖8 負載匹配特性曲線

4.5 響應快速性

與傳統變量泵控制流量方式不同，變頻液壓調速通過改變泵的轉速控制流量，因此液壓源的動特性完全取決于電機的響應速度。一般電機的轉動慣量遠大于齒輪泵的轉動慣量，異步電機的轉動慣量又遠大于永磁同步電機的轉動慣量(表1)。異步電機功率因數低，與其匹配的變頻器容量較大，這就限制了變頻器的過載能力，也進一步影響電機的響應速度。永磁同步電機轉動慣量小，與其匹配的伺服控制器過載能力強，并且采用了矢量控制技術，所以具有良好的動態特性，能夠滿足電機短時需要大功率的要求。

表1 電機、泵、聯軸器的轉動慣量

圖9 液壓源階躍響應曲線

圖9所示為液壓源在空載時電機由靜止加速到1500r/min時的階躍響應曲線，同步電機液壓源階躍響應時間為90ms，明顯優于異步電機的370ms，若能將永磁電機與泵加工成一個整體，省略掉聯軸器，則電機的響應會更快。同步電機液壓源響應的快速性不但能夠改善整個液壓系統的動態性能，還能夠在空載時降速運行或停機以節約能源、減少機械磨損，并且在下次有載運行時能很快恢復到系統所需的轉速，提供足夠動力。

5 結語

本文將永磁同步電機體積小、節能、調速性好的拖動性能與齒輪油泵簡單、可靠、易維護的使用性能相結合，設計了一種節能型液壓動力源，旨在研究齒輪泵的調速性能并拓展其應用范圍。實驗結果表明：永磁同步電機驅動的液壓動力源與異步電機變頻調速驅動的液壓動力源相比，無論是負載大小、轉速高低都具有更好的負載匹配特性，并且轉速越低、負載越小，節能效果越顯著，轉速越高、負載越大兩者節能效果越接近。此外永磁電機驅動的液壓動力源還具有響應速度快、調速精度高、低速穩定性好、功率因數高等優點。

[1] Helbig A. Injection Moulding Machine with Electric-hydrostatic Drives[C]//3rd International Fluid Power Conference. Aachen: Shaker Verlag, 2002:67-82.

[2] 彭天好,楊華勇,徐兵.變頻泵控馬達調速系統節能實驗研究[J].煤炭學報,2004,29(1):109-114.

[3] Yutaka T, Tetsuji M, Kazuo N. Speed and Displacement Control of Pump System for Energy Saving[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Fluid Power Transmission and Control. Shanghai: Shanghai Science & Technology Literature Publishing House, 1995:12-16.

[4] Azmeier B K, Feldman D G, Arbeitsbereich Konstruktionstechnik I. Electro-hydrostatic Low Power Linear Driver-system Performance and Controls to Minimize Power Consumption[C]//Proceedings of the 3rd International Symposium on Fluid Power Transmission and Control. Beijing:the International Academic, 1997:113-119.

[5] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業出版社，1997.

[6] 谷立臣,賈永峰.永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源:中國,201010259684.9[P].2010-10-25.