专利名称：电动液压系统和具有双向电机/液压泵单元的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制一双向致动器的操作的电动液压系统，特别是一种用于这样一种系统中的一双向电机/液压泵单元。
发明的背景和概述用于控制一联接于一负荷的双向致动器的操作的电动液压系统一般包括用于向马达供电的电子电路和控制流体从泵向致动器的流动并从而控制致动器的运动的电磁阀，例如伺服阀或比例阀。一个或多个传感器可以连接于致动器和/或与该致动器联接的负荷，以便提供指示致动器或负荷运动的信息，从而控制电子装置，并对致动器和负荷的位置、速度和/或加速度提供闭合环路控制。控制阀将来自泵的过剩的液体送回，这意味着能量由于转化成热而损失掉。有人试图通过控制泵的排量来减少这种能量损失，这使得泵机构成本提高，且结构复杂，是人们所不希望的。而且，液压控制导致流体粘性、流体温度和共振稳定性的变化。
因此，本发明的总的目的是提供电动液压控制系统，其加强了对一双向液压致动器的操作的电控，同时消除了上述现有技术中的一个或多个缺陷。具体地说，本发明的一个目的是提供一种电动液压控制系统，其消除了双向液压控制阀的电控，且流向致动器的液流的方向和质量都由电机和泵的可变操作所控制。本发明的另一目的是提供一个具有所述特征的系统，其中通过控制向一双向电机的供电实现电子控制，该双向电机联接于一双向液压泵。本发明的另一个相关的目的是提供一集成的电机/液压泵单元，其包括一双向电机和一个或多个泵，泵安装在并联接于电机上，用于提供作为对电机供电的函数的双向液流。
按照本发明的一电动液压控制系统包括一双向电机(即，一可逆电机)，其响应于供电，沿两个方向中的一个方向旋转，和一液压泵，其联接于电机，并具有孔，用于在作为电机旋转的方向的一个函数的两个流动方向中的一个方向上提供液压流体。一液压致动器联接于泵，用于在两个流动方向中的一个方向上接收流体，并作为其一函数做功。一电子控制器向电机供电，以便在致动器上获得一个理想的做功等级。在本发明的优选实施例中，该电子控制器包括一个或多个操作上联接于致动器的传感器，用于作为致动器运动的一函数向电机供电。在本发明的本优选实施例中，双向电机包括一流体冷却电机，而系统包括用于按规定路线发送液压流体，使其穿过泵与致动器之间的电机壳体的液压阀。
阀优选与泵和致动器操作地联接，以便控制泵与致动器之间的流体流动。这种阀优选包括响应于液压流体的方向和/或压力来控制泵与致动器之间的控制液流的被动液压阀。这些阀可以包括一个控制一个两级卸压阀的通气口的液控单向阀、一用于控制流体流过致动器的方向的液控顺序阀或一液控卸载阀和/或用于在泵上的流体孔和致动器之间控制流体流动方向的单向阀。
在本发明的优选实施例中，双向电机具有一联接于双向液压泵的电机输出轴。该电机具有一个或多个端板，轴伸入端板。在本发明的一些实施例中，液压泵包括一安装在一个电机端板上并直接联接于轴的双向泵。在本发明的其它实施例中，液压泵包括一对单向液压泵，优选安装在相对的电机端板上，并由一对方向联接器联接于电机轴，因此，泵作为轴的旋转方向的函数交替地与轴联接。泵(或多个泵)具有作为入口和出口的孔，系统还包括对液压流体流的方向和/或压力响应的阀，用以控制致动器与泵孔之间的流体流动。与此类似，致动器具有一对孔，阀响应于液压流体流动的方向和/或压力，以控制流体流向致动器孔。
按照本发明的一第二方面，提供一电机/液压泵单元作为一个集成的组件，其包括一个双向电机、一个液压泵和一个联接器，该双向电机具有一电机输出轴和至少一个端板，所述轴伸入端板内，所述液压泵安装在电机端板上，所述联接器将所述轴联接于泵。泵可以包括一直接联接于电机输出轴的双向泵。该泵也可以包括一对单向泵，其安装在电机壳体的相对的端板上，并由一对单向联接器联接于电机输出轴，该对单向联接器作为轴的旋转方向的函数选择性地将泵联接于轴。最优选的是，电机为一流体冷却的电机，其具有一壳体，壳体上带有用于通过壳体提供流体的孔，电机壳体连接于泵，为液压流体确定了在电机壳体与泵之间的流动路线。在本发明的最优选的实施例中，一消音罩围绕着集成的电机/泵单元，流体入口和出口穿过该罩。
附图的简要描述通过下面的描述、权利要求书和附图将会最好地了解本发明及其目的、特征和优点，其中
图1是按照本发明的一优选实施例的一电动液压控制系统的一功能框图；图2是图1所示系统中的流体冷却的双向电机/液压泵单元的一简图；和图3-7是图1所示的控制系统的各替换实施例的功能框图。
优选实施例的详细描述图1示出按照本发明的一目前优选的实施例的电动液压控制系统10，它包括一流体冷却的双向的集成的电机/液压泵单元12，其具有一对流体通孔50、52，这对孔通过相应的单向阀14、16连接于一双向旋转流体致动器18上的相应的孔18a、18b。致动器18有用于与一适合的负载(未示出)连接的输出轴20。一对液控顺序或卸载阀22、24具有分别连接于致动器18的入口18a、18b的入口和连接于相反的致动器入口的控制口。阀22、24的流体出口连接于集成的电机/泵单元12的电机壳体28上的一液体入口26。壳体28还通过一入口29从一贮液槽30接收补充流体。一个电子控制器32从一外部源(未示出)接收一个输入指令信号，并提供一个输出控制信号，作为这种指令信号与来自一个或多个传感器34的反馈信号的差的函数，传感器34连接于致动器18和/或相关的负荷。控制器32的输出控制着电机驱动电子装置36，以便从一适用的电源向集成的单元12的电机供电。
图2更详细地示出一集成的电机/泵单元12。电机壳体28具有一壳体隔板或端板单元40，电机输出轴42伸入其内。一个双向液压泵44安装在端板40上，并具有一输入轴46，该输入轴由一联接器48直接联接于电机输出轴42。泵44具有一对流体孔50、52，根据泵的旋转方向，这两个孔交替地起到流体入口和出口的作用。端板40具有空心的内部，轴42、46伸入其中，联接器48也设置在其内。冷却流体流入并穿过电机壳体28，进入端板40的空心内部，并从一对端板出口54、56中流出。孔54经一单向阀58连接于泵孔50，孔56经一单向阀60连接于泵孔52。端板40安装于电机壳体28和泵44，从而形成一集成的单元组件，在电机、泵和端板部件之间流体密封。最优选的是，电机控制电子装置32和电机驱动电子装置36(见图1)安装在一电子装置罩壳61内的一散热器63上，以便与电机壳体28进行热交换，并由通过电机壳体28的液体冷却。电子装置32、36接收电能，并由连接器装置65连接于传感器34(见图1)。同样最优选的是，具有板上电子装置32、36的集成的电机/泵单元12设置在一消音罩62内并由该消音罩所封闭(见图1)，这样能够对电机进行流体冷却，如在美国专利US5354182中所描述的。
在运行中，首先假设电机/泵单元12在一个使泵孔52为入口的方向上旋转。流体通过单向阀60从端板40上的孔56被吸入孔52(见图2)。流体在压力下从泵孔50经过单向阀14供入致动器18的孔18a。当孔18a处的压力适合于开启阀24时，流体从致动器孔18b中经过阀24供入壳体入口26(图1和2)，并从而进入电机/泵单元12的电机中，以冷却电机绕组。当致动器18达到需要的位置时，操作位置控制模式的传感器34对此给予指示，控制电子装置32和驱动电子装置36终止电机/泵单元12的运行，阀24关闭，且致动器18液压锁定在位。若要逆向运转，在相反的方向上操作电机/泵单元，因此，孔50变成泵入口，从端板孔54中经过单向阀58抽吸流体。流体在压力下从泵孔52经单向阀16进入致动器18的孔18b。当这种流体的压力达到顺序或卸载阀22的控制设定值时，阀22开启，因此，流体从致动器孔18a经阀22和孔26进入电机壳体。因此，在电机/泵旋转的两个方向上都形成一穿过电机壳体通向泵的封闭的流体通路。任何所需的补偿流体都从贮液槽30中抽取。
图3-7示出图1所示的系统的各种改进。在图1-7中，同样的标号表示同样的部件，相同的标号后面加上一个字母表示相关的部件。
图3示出一改进的控制系统70，其中用一个集成的流体冷却的电机/液压泵单元72代替了图1中的电机/泵单元12。在单元72中，一对双向泵74、76安装在电机壳的轴向上隔开的端板78、80上。壳体72内的电机由相关的双向联接器82、84连接于相应的泵，使得一个或另一个泵74、76在沿各方向的旋转过程中操作地联接于电机轴，而另一个泵单元空转。各泵74、76具有一相关的入口和一出口，该入口从电机壳体内接收流体，而该出口通过一相关的单向阀14、16连接于一单杆直线致动器86的相关侧。顺序或卸压阀22、24像图1所示那样连接，以便从致动器86的一侧或另一侧向电机/泵单元72的入口26选择性地返回流体。入口26还从贮液槽30接收补充液体。一压力传感器34a连接于致动器86的一个腔室，以便向控制器32提供一个相应的流体压力信号。一个位置、速度和/或加速度传感器34b连接于致动器86的杆或与其相联的负荷，以便向控制器32提供相应的运动指示信号。这样，当控制器32和放大器36在一个例如使泵74通过联接器82联接于电机并且泵76空转的方向上驱动电机/泵单元72的电机时，流体通过单向阀14被输送到致动器86的一侧。当流体压力超过阀24的设定值时，流体从致动器86的相对侧经阀24被输送到电机壳体入口26。当在相反的方向上致动电机时，泵76运转，通过单向阀16和22将致动器86移动到相反的方向。
图4示出用于从一空冷电机/泵单元94操作一双杆直线致动器92的控制系统90。泵44的孔50直接连接于致动器92的一侧，而致动器92的相对侧直接连接于泵孔52。致动器92的杆连接于一位置、速度和/或加速度传感器34b，用于向控制器32提供相应的运动信号。当操作电机/泵单元94，使孔50为一出口而孔52为入口时，流体在压力下提供到致动器92的一侧，并从相对侧撤回。补充流体可通过一单向阀96从一贮液槽30a获得。当电机/泵单元94在相反方向上运转时，流体在压力下从泵孔52输送到致动器92的第二侧，并从致动器92的第一侧撤回到泵入口50中，补充流体还是通过一单向阀98从一贮液槽30b中获得。
图5示出一系统100，其特征在于如图3所示带有相关的传感器34a和34b、顺序或卸载阀22和24以及单向阀14和16的单杆线性制动器86与图4所示的空冷双向的集成的电机/液压泵单元94的结合。从前面的讨论中自然可以看出图5中的系统100的操作。
图6示出一系统102，其特点是图3所示的带有相关的传感器34a和34b、单向阀14、16和顺序或卸载阀22和24的单杆线性致动器86与一同样示于图3中的具有安装在其端板78、80上的单向泵74、76的空冷双向电机/泵单元104的结合。图6中的系统102与图3中的系统70的主要区别在于流体由阀22和24返回到连接于图6中的单向泵74、76的入口侧的贮液槽30，而不是返回到图3中的电机壳体流体入口26。
图7示出一系统106，其特点是借助于一对液控单向阀108、110实现向致动器86的和来自致动器86的流动的控制，上述一对液控单向阀108、110控制一对两级压力释放阀112和114的通气孔。液控单向阀108、110开启，允许流体以低于顺序或卸载阀22和24的压力流动。压力释放阀112和114为流体流向泵入口或贮液槽提供一较大的横剖面。这个大的通道在低压时开启，其随着顺序阀收缩，顺序阀提供对于所施加的压力的一开启比例。减压阀112、114还针对超压的输入线路对致动器提供保护。
这样就提供了一种电动液压控制系统和一用于该系统的集成的双向电机/液压泵单元，其完全满足了前面提出的各目标。在所公开的各实施例中，借助于向泵所施加的电能的大小和方向的电子控制获得对致动器的运动的控制。在各实施例中，控制集成的电机/泵单元的电机，以便只提供满足负荷运动要求所需的液压流动。流体的流量作为电机速度的函数来控制，而电机速度又可以借助于任何适用的电子方法来控制，例如，如果电机是一交流电机，则可以控制所施加的频率。控制电机旋转的方向，以控制致动器和负荷的运动方向。流体压力通过控制施加给电机的电流幅度来控制。控制电子装置32可以以任何适合的常用模式操作，例如位置、速度和/或加速度控制模式。与此类似，电机驱动电子装置36也可以以任何适用的通常的方式操作，例如一种变频控制模式或动力矢量控制模式。泵电机可以包括一交流异步无刷伺服电机、一交流同步电机或一直流同步无刷伺服电机，与此相应，电机控制器可以包括一交流可调速度驱动装置、一交流伺服驱动装置或一直流无刷伺服驱动装置。液压泵可以为任何适用的通常的类型，例如固定排量活塞泵、固定排量叶片泵或固定排量齿轮泵。
权利要求
1．一种电动液压控制系统，其包括一双向电机装置，其响应于供电，沿两个方向中的一个方向旋转；液压泵装置，其联接于所述电机装置，并具有孔，用于在作为所述电机装置旋转的方向的一个函数的两个流动方向中的一个方向上提供液压流体；联接于所述电机装置的液压致动器，用于在两个流动方向中的一个方向上接收流体，并作为其一函数做功；和电子控制装置，用于向所述电机装置供电，以便在所述致动器装置上获得一个理想的功。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于其还包括操作地联接于所述泵装置和所述致动器装置的阀装置，所述致动器装置用于控制在所述泵装置和所述致动器装置之间的流体流动。
3．如权利要求2所述的系统，其特征在于所述阀装置包括响应于液压流体流动的方向和/或压力以控制在所述电机装置与所述致动器装置之间的流体流动的被动液压阀。
4．如权利要求3所述的系统，其特征在于所述阀装置包括控制流体流过所述致动器装置的方向的顺序阀装置，其选自液控单向阀、液控顺序阀和液控卸载阀。
5．如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀装置包括控制相关的两级压力释放阀的通气孔的液控单向阀。
6．如权利要求3所述的系统，其特征在于所述泵装置具有至少两个流体孔，所述阀装置包括控制在所述流体孔与所述致动器装置之间的流体流动方向的单向阀装置。
7．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述双向电机装置具有一电机输出轴，所述液压泵装置包括联接于所述轴的双向液压泵装置。
8．如权利要求7所述的系统，其特征在于所述双向液压泵装置包括一直接联接于所述轴的双向泵。
9．如权利要求8所述的系统，其特征在于所述双向泵具有一对流体孔，根据所述电机输出轴的旋转方向，所述孔交替地起到入口和出口的功能，所述系统还包括响应于液压流体流动的方向和/或压力以控制在所述致动器装置与所述泵孔之间的流体流动的阀装置。
10．如权利要求9所述的系统，其特征在于所述致动器装置具有一对流体孔，所述阀装置还响应于液压流体的流动方向和/或压力，以控制流体向所述致动器流体孔的流动。
11．如权利要求7所述的系统，其特征在于所述双向液压泵装置包括一对双向液压泵和一对方向联接器，它们分别将所述泵联接于所述电机输出轴，使所述泵根据所述轴的旋转方向交替地联接于所述轴。
12．如权利要求11所述的系统，其特征在于所述双向泵具有一入口和一出口，所述系统还包括响应于液压流体流动的方向和/或压力以控制在所述致动器装置与所述泵孔之间的流体流动的阀装置。
13．如权利要求12所述的系统，其特征在于所述致动器装置具有一对流体孔，所述阀装置还响应于液压流体流动的方向和/或压力，以控制流体流向所述致动器流体孔。
14．如权利要求7所述的系统，其特征在于所述双向电机装置具有一个或多个端板，所述电机输出轴伸入其内，所述液压泵装置安装在所述一个或多个端板上，与所述电机装置形成一单元组件。
15．如权利要求14所述的系统，其特征在于所述双向电机装置包括一流体冷却的电机，其具有一壳体，壳体上带有孔，用于穿过所述壳体提供流体，所述系统还包括用于为在所述泵装置与所述致动器装置之间通过所述电机壳体的流体规定路线的装置。
16．如权利要求15所述的系统，其特征在于所述电子控制装置以这样的方式安装在所述电机壳体上，使得穿过所述电机壳体的流体通过所述电子控制装置，并对其冷却。
17．如权利要求14所述的系统，其特征在于其还包括一消音封闭罩，其围绕并封闭所述单元组件。
18．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述电子控制装置包括传感器装置，其操作地联接于所述致动器装置，以便根据所述致动器装置的运动向所述电机提供电能。
19．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述双向电机装置包括一流体冷却的电机，其具有一壳体，壳体上带有孔，用于穿过所述壳体提供流体，所述系统还包括用于为在所述泵装置与所述致动器装置之间穿过所述电机壳体的流体规定路线的装置。
20．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述电机装置包括一电机，其选自交流同步无刷伺服电机、交流异步电机和直流同步无刷伺服电机。
21．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述液压泵装置包括至少一个液压泵，其选自固定排量柱塞泵、固定排量叶片泵和固定排量齿轮泵。
22．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述电子控制装置选自交流可调速驱动器、交流伺服驱动器和直流无刷伺服驱动器。
23．如权利要求22所述的系统，其特征在于所述电子控制装置包括用于以至少一种控制模式操作的装置，所述控制模式选可变频控制和动力矢量控制。
24．如权利要求1其特征在于所述致动器装置选自单杆线性致动器、双杆线性致动器和双向旋转致动器。
25．一集成的电机/液压泵单元，其包括一双向电机，其具有一电机输出轴和至少一个端板，所述轴伸入所述端板，一液压泵安装在所述端板上，一联接器将所述轴联接于所述泵。
26．如权利要求25所述的单元，其特征在于所述泵包括一双向泵，所述联接器将所述泵联接于所述轴，使其与所述轴一起在两个方向上旋转。
27．如权利要求25所述的单元，其特征在于所述泵包括一对单向泵，所述联接器包括一对单向联接器，其根据所述轴的旋转方向交替地将所述泵联接于所述轴。
28．如权利要求27所述的单元，其特征在于所述电机有一对端板，而所述一对泵安装在所述端板的相应的一个上。
29．如权利要求25所述的元件，其特征在于所述电机包括一流体冷却电机，其具有一壳体，壳体上带有孔，用于穿过所述壳体提供流体，所述单元还包括用于为所述电机壳体与所述泵之间的液压流体规定路线的装置。
30．如权利要求29所述的元件，其特征在于其还包括用于对所述电机供电、以便从所述泵获得理想的输出的电子控制装置，和将所述电子控制装置安装到所述电机壳体上，以便由通过所述壳体送入的流体冷却的装置。
31．如权利要求30所述的单元，其特征在于其还包括一消音罩，其围绕并封闭所述单元组件。
全文摘要
一电动液压控制系统,其包括一液压泵(44),其联接于一双向电机(12),并具有孔(50、52),用于根据电机的旋转方向在两个流动方向中的一个方向上提供液压流体。一电子控制器(32)连接于一个或多个传感器(34),选择性地联接于致动器,因此,根据致动器的运动控制电机。双向电机为一流体冷却电机,系统包括用于为液压流体穿过在泵与致动器之间的电机壳体的液压流体规定路线的阀(22,24)。
文档编号F15B11/00GK1237233SQ97199665
公开日1999年12月1日 申请日期1997年9月5日 优先权日1996年9月13日
发明者J·V·布卢姆奎斯特, A·J·尼米尔克 申请人:维克斯公司