双作用双定子凸轮转子叶片电动机转矩脉动分析

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l 江荨大Jo URNAL oF JI圜 34 No．~一l Idoi：10．3969／j．isn．1671—7775．2013．05．006双作用双定子凸轮转子叶片电动机转矩脉动分析闻德生，郑珍泉，杨 杰，张凯明，张三喜(燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北 秦皇岛066004)摘要：基于等宽曲线双定子液压电动机的思想，将传统的凸轮转子叶片电动机改进为双定子结构.

通过对双作用双定子凸轮转子叶片电动机的结构分析及工作原理介绍，在传统的凸轮转子叶片电动机的基础上，计算了这种新型液压电动机的理论排量，并由此推导出多作用凸轮转子叶片电动机理论排量的基本公式．分析了该液压电动机在转子转过不同角度时的瞬时转矩值，通过计算得出了内、外电动机在不同的组合方式下的转矩及转矩脉动系数．结果表明：内、外电动机不同的组合方式可以输出多种不同的转矩，且2个内电动机和 1个外电动机组合工作时的转矩脉动最小，2个外电动机和 1个 内电动机组合工作时的转矩脉动最大.

关键词：液压电动机；转矩脉动；双定子；凸轮转子；排量中图分类号：TH137 文献标志码：A 文章编号：1671—7775(2013)05—0524—05Torque ripple analysis of double action CAM rotor blademotor with double statorWen Desheng，Zheng Zhenquan，Yang fie，Zhang Kaiming，Zhang Sanxi(Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control，Yanshan Uniw~rsity，Qinhuangdao，Het,e066004，China)Abstract：According to the idea of aequilate curve double stator motor．the traditional CAM rotr 1)li1demotor was improved into double stator structure．Based on the traditional CAM rotor blade motoJ·．thestructure ant1 the working principle of the double action CAM rotor blade motor with double stator wereanalyzed to calculate the theoretical displacement．The basic f(】rmula of theoretical(tisp1acetnen[fi Jr ttmulti action CAM rotor blade motor was deduced．The instantaneous torque values of the hydraulic motorat diferent rotor turning points were analyzed，and the torque and the torque ripple coeficient in differentcompound mode of inside and outside motors were calculated．The results show that diferent compoundmode of inside and outside motors can lead to many different kinds of torque．The minimum torque ripplecan be obtained by combining two inside and one outside motor．while the nlaximum torque ripple can beobtained by combining two outside and one inside motor.

Key words：hydraulic motor；torque ripple；double stator；CAM rotor；displacement社会与科技的进步，促使液压技术飞速发展，对液压元件的性能、应用范围要求越来越高．目前，在改善液压传动系统的研究过程中，大部分研究人员都是在原有的液压元件基本原 的前提下，对液J f元件的材料、润滑、密封等进行改善．但是这些改善已经很难满足日益发展的液压传动技术.

收稿日期：2012 11—12基金项目：国家l {然科学基金资助项目(50975246)作者简介：闻德生(1954一)，男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师(wendesheng###ysu edu c n)，主要从事新型液 兀件及新型液 传动 ‘』的研究.

郑珍泉(1989一)，男，山东德州人，硕士研究生(zzyzq101126###163．con)，主要从事新型液压元件及新型液 传动力’式的韧I 究- 笔者从液压电动机基本结构的创新上进行深入研究，介绍新型的凸轮转子叶片电动机．与传统的凸轮转子叶片电动机不同之处在于：该类液压电动机是由1个转子和2个定子组成，可以达到在 1个壳体内多个液压电动机同步工作的目的．这种液压电动机在保留凸轮转子叶片电动机的优点的同时，内、外液压电动机不同的组合可以输出不同的转矩转速，可以满足不同的工况需求．液压电动机作为液压系统的执行元件，其工作时的转矩脉动是衡量液压电动机性能的重要指标，它直接影响液压系统工作性能．较大的转矩脉动会使液压系统的平稳性及均匀性变差，对这种新型的液压电动机进行转矩脉动的分析，对改进和完善新型的液压电动机具有重要的意义 .

1 结构和工作原理图 1为双作用双定子凸轮叶片电动机的结构简图，它由1个凸轮转子和 2个定子(外定子与内定子)组成．凸轮曲线由2段大圆弧，2段小圆弧和4段平滑曲线组成，外定子内表面与转子外表面紧密配合密封，内定子外表面与转子内表面紧密配合密封．内电动机和外电动机各有 2个叶片，分别装在内、外定子槽中，叶片的两侧分别开设进油口和排油口．内电动机叶片、凸轮转子、内定子及两侧配流盘组成了内电动机．外电动机叶片、凸轮转子、外定子及两侧配流盘组成了外电动机 .

外变(aJ (bJ图 1 双作用双定子凸轮转子电动机原理简图假设图 1a为凸轮转子的初始位置，叶片槽内有叶片压紧机构，保证起动时叶片能够紧贴转子内、外表面．此时，内定子外表面、转子内表面、及两侧配流盘围成的密封容积被分隔为 4个密封腔 ma，mb，mc，md，分别与进油窗口和排油窗口相通．ma，mc为压油腔，mb，md为回油腔，当压力油通人压油腔后，凸轮转子内表面在压油腔的一侧作用有压力油，在回油腔的一侧作用有低压油，于是液压力驱动凸轮转子沿顺时针方向旋转，回油腔体积减小，液压油通过 }油 口 }出.

随着凸轮转子的旋转，内电动机叶片被慢慢压下，外电动机叶片慢慢凸起，外电动机开始工作，此时外电动机也被分为 ml，m2，m3和 m4这4个密封腔，油液通过进油口被压入密封腔 m2，m3，此时外电动机中液压力也驱动凸轮转子沿顺时针旋转，回油腔 ml，m4体积减小，液压油通过排油 口排出．凸轮转子的形状也可以设计成 3凸起和4凸起，则对应的液压 电动机的作用数分别是 3作用和 4作用 ，如图2所示.

(a)3凸起 (b)4凸起图2 双定子凸轮转子电动机的其他形式2 理论排量推导2．1 双作用凸轮转子叶片电动机理论排量双作用双定子凸轮转子电动机的主要参数示意图如图3所示.

图 3 双作用双定子凸轮转子电动机的主要几何参数液压电动机的理论排量为转子每转 1周所排出的油液体积(这里忽略叶片的体积和叶片根部伸缩所占的体积)．图3中，凸轮转子每转 1周，外电动机中每个叶片扫过的面积为曲线 abegcda所围成的面积的2倍，内电动机中每个叶片扫过的面积为曲线fs崛 = O／(R 一r )+ 十 (尺 —r 3 转矩脉动l = OL( z2一rz2)+ + 1(尺 2一r；)JB， 3
． 1 液压电动机的瞬时转矩由于 + =詈，由式(1)可得'IT 2 2 0 — 7(R一，：) (2) ■
又因为内外电动机各有 2个叶片，因此外电动机的理论排量 I／2 为4日Sabegeda：4B[寻( 十 ]’(3)同理可得内电动机的理论排量 为4 [ ( )+ 1'(4)式中： 为凸轮转子的宽度.

内、外电动机同时工作时，液压电动机的总排量为外电动机和内电动机的排量之和，即3：V1+ =4B(S 6 幽+S )． (5)2．2 多作用凸轮转子叶片电动机理论排量以上对双作用双定子凸轮转子叶片电动机的理论排量进行了推导．若凸轮转子设计成 3凸起或 4凸起，相应的可以推导出3作用或 4作用的双定子凸轮转子叶片电动机的理论排量 ].

当凸轮转子设计成 3凸起时，内、外电动机都为3作用，此时内、外电动机单独工作及组合工作时的理论排量为r 。：6BS外，外电动机，{ ：=6BS内，内电动机， (6)【V3：6B(s外+S内)，组合工作 .

当凸轮转子设计成4凸起时，内、外电动机都是4作用，此时内、外电动机单独工作及组合工作时的理论排量为r 。：8BS外，外电动机，{ =8BS内，内电动机， (7)【 3=8B(S外+S内)，组合工作，式中： 外为外电动机中每个叶片作用 1次所扫过的面积；S 为内电动机中每个叶片作用 1次所扫过的如图3所示，当凸轮转子转角 在0～OL的过程中，外电动机中凸轮转子所受转矩越来越大，内电动机中凸轮转子所受转矩越来越小；当凸轮转子转角 在 OL～ + 过程中，外电动机中作用在小网弧r。上的高压油不产生转矩，内电动机中凸轮转子所受转矩为 0．所以此时凸轮转子产牛的转矩保持为常数；当凸轮转子转角 在 + ～(OL+ )+Ol的过程中，外电动机中作用在 ab曲线上的高压油会产生逆时针的转矩，凸轮转子的转矩越来越小，内电动机中凸轮转子的转矩则会越来越大.

单个外电动机单独工作时的瞬时转矩如下 ：当0≤ ≤ 时，= ( 一警 )； ㈩当 ≤ ≤ 时，=譬 一 ( 1’(9)式中：p为电动机进口的压力.

单个内电动机单独工作时的瞬时转矩如下：当0≤ ≤ 时，： +
4br2 z+ 一，；1； (10)2 ＼‘ OL Ot ‘／’ 、当— ≤ ≤ 时，= 『_ + ㈩式中：。： ；6：堡.

表 1为转角 在不同角度时内、外电动机的转矩 =p丁lB×，× .

由表 1可以看出，单独的内电动机或外电动机工作时，转矩波动较大且液压电动机存在T作死区 ，下节将讨论液压电动机在不同组合方式下的转矩脉动.

表 1 不同角度时的液压电动机转矩值3．2 不同组合方式下的转矩脉动内、外电动机相互组合有 1内1外和 2内2外、1内2外和1外2内4种方式．不同的组合方式下电动机可输出不同的转矩 ：①当 1个内电动机和 1个外电动机组合工作时，输出转矩为 + ；②当2个内电动机和 1个外电动机组合工作时，输出转矩为 +2 ；③当1个内电动机和2个外电动机组合工作时，输出转矩为2T + ；④当2个内电动机和2个外电动机组合工作时，输出转矩为2T +2 ．图4为液压电动机不同组合方式下的转矩图.

fa)】内1 fb)2外l内(c)2内1外 (d)2 P~2Pb图4 不同组合方式下的转矩图3．3 转矩脉动系数的计算液压电动机的转矩脉动系数公式为6：—
Ttr max -
一
Ttnnin
， (12)1 trm
a式中： ? ， 分别为电动机最大、最小瞬时转矩.

由图4a及表 1可以得出4种不同的组合方式下的转矩脉动系数为6=一 A R ， 1( 夕 +r夕 )’ 。’
1一 ，2内1外，2B1( 内+ 内)’- 一一 2 A R ，2 内，l( 外+ 外)’～ ’一 A R ，2内21( 夕 +r夕 )’一‘ - 。’6=式中：0．5

由式(14)及图4可以看出，2内1外组合时，液压电动机的转矩脉动最小，2外 1内组合时，液压电动机的转矩脉动最大，且脉动周期均为2( + ) .

4 样机的原理性试验双作用双定子凸轮转子叶片电动机的试验样机已经造出，图5为双定子凸轮转子电动机的主要零件与试验样机.

(a)主要零件 (b)试验样机图5 双定子凸轮转子电动机主要零件与试验样机由于双作用双定子凸轮转子电动机结构的特殊性，内、外电动机不同的组合方式，可以使电动机输出不同的转矩转速．对双作用双定子凸轮叶片电动机进行原理性试验，试验系统图如图6所示 .

图6 双作用双定子凸轮转子电动机的试验图( 3) 5 结 论1)双作用双定子凸轮转子叶片电动机是在普通凸轮转子叶片电动机基础上，结合等宽曲线双定外4 外 内l 1 夕 内 外 内， ， 2 c一2 c一2 一子电动机的思想，研究 出的 1种新型原理电动机 .

2)该新型原理电动机有多种组合方式，有多种输出转矩，扩大了液压电动机的使用范围.

3)通过分析液压电动机的结构，计算并得出了双作用双定子凸轮转子叶片电动机在内、外电动机单独工作和组合工作时理论排量的计算公式，并由此归纳出多作用双定子凸轮转子叶片电动机在不同组合方式下理论排量的一般计算公式.

4)对双作用双定子凸轮转子叶片电动机不同组合方式下的转矩脉动进行了分析，计算了每种组合方式下的转矩脉动系数，得出了2个内电动机和1个外电动机组合工作时，其转矩脉动最小的结果.

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(责任编辑 贾国方)