전기 가변 변위 펌프의 예비 설계를 위한 모델링 및 시뮬레이션 방법

Summary

전기 가변 변위 펌프(EVDP)의 예비 설계를 지원하는 시뮬레이션 모델이 개발되어 실험에 의해 부분적으로 검증됩니다. 제어 성능, 수명, 신뢰성 등은 EVDP 예비 설계 작업의 주요 성능 요구 사항을 다루는 제안 된 모델을 사용하여 모두 평가할 수 있습니다.

Abstract

정전기 액추에이터 (EHA)는 학계에서 상당히 연구되어 왔으며 다양한 산업 분야에서의 응용 분야가 확대되고 있습니다. 가변 속도 EHA는 이제 가변 변위 EHA보다 우선시되었지만 구동 모터 및 관련 전자 장치는 고전력 응용 제품에 적용될 때 낮은 역학, 높은 열 방출, 높은 가격 등의 문제를 겪습니다. 따라서, 전기 가변 변위 펌프(EVDP)가 장착된 가변 변위 EHA가 고려되었다. EVDP 자체는 피스톤 펌프, 볼 스크류, 기어 박스 및 영구 자석 동기 모터 (PMSM)를 통합하는 메카트로닉 시스템입니다. 따라서 EVDP를 조사하여 EHA에 적용할 때 시스템 수준 성능을 보장해야 합니다. EVDP의 기술적 파라미터에 대한 이전의 연구 외에도, EVDP 사용 비용을 더욱 절감하고 성능 잠재력을 탐구하기 위해서는 전용 설계 방법이 필요합니다. 여기서, 시뮬레이션 기반 EVDP 예비 설계 방법은 37kW EVDP를 설계하기 위해 선택된다. 첫째, EVDP의 이전에 제안된 종합 모델은 EVDP 수명, 신뢰성, 제어 모델 등을 포함한 파라미터 생성을 개선함으로써 확장된다. 둘째, 제안 된 모델은 축소 된 프로토 타입을 사용하여 부분적으로 검증됩니다. 셋째, EVDP는 제안된 모델에 의해 지원되는 시스템 레벨에서 시뮬레이션된다. EVDP 성능은 지정된 설계 요구 사항에 따라 평가됩니다. 온도, 대역폭 및 정확도, 신뢰성 및 수명 등은 모두 EVDP에 대해 예측됩니다. 시뮬레이션 결과는 가변 변위 EHA에서 EVDP의 적용 가능성을 보여줍니다. 제안된 모델링 및 시뮬레이션 방법을 사용하여 다양한 EVDP 성능을 평가하고 일반적인 설계 요구 사항에 대응할 수 있습니다. 이 방법은 또한 제한된 정보와 견고성 측면에서 예비 설계 과제의 해결을 지원할 수 있습니다. 따라서, 제안된 방법은 시뮬레이션 기반 EVDP 예비 설계 방법의 실현에 적합하다.

Introduction

전기 수압 액추에이터 (EHA)는 전기 액추에이터와 유압 액추에이터¹의 장점의 조합으로 인해 산업용 프레스, 대형 모바일 기계, 크레인 조작기 및 일차 항공기 제어와 같은 응용 분야에 대한 관심이 증가하고 있습니다. EHA의 두 가지 기본 유형, 즉 가변 속도 EHA와 가변 변위 EHA²를 식별할 수 있습니다. 현재 가변 속도 EHA는 높은 효율성과 단순성으로 인해 가변 변위 EHA보다 더 인기가 있습니다. 그러나, 중형 발사체(³ ) 및 잠수함⁽⁴)과 같은 중형 차량에 필요한 EHA의 높은 출력 레벨과 함께, 가변 속도 EHA의 구동 모터 및 관련 전자장치는 낮은 역학, 높은 열 방출, 높은 가격 등과 관련된 문제를 가지고 있다. 따라서 가변 변위 EHA는 펌프 변위를 조절하는 저전력 장치를 통해 제어가 실현됨에 따라 이러한 고전력 응용 제품(>30kW)에 대해 재검토되고 있습니다.

가변 변위 EHA가 우선 순위로 채택되는 것을 방지하는 한 가지 주요 관심사는 그 자체가 완전한 밸브 제어 유압 시스템 인 번거로운 펌프 변위 제어 장치입니다. 전기 가변 변위 펌프(EVDP)는 소형 전기 변위 제어 장치를 사용하여 이러한 문제를 해결하기 위해 제안되었다. 이 설계는 가변 변위 EHA의 소형화, 효율성 등을 향상시켜 이전의 약점을 어느 정도 해결합니다. 따라서, 고전력 애플리케이션을 위한 가변 변위 EHA의 사용은 새롭게 제안된 EVDP를 사용함으로써 촉진될 수 있다. 그러나 EVDP의 복잡성은 여러 가지 새로운 분야의 구성 요소를 통합하기 때문에 기존의 유압식으로 제어되는 가변 변위 펌프에 비해 훨씬 큽니다. 결과적으로 특정 EVDP 기반 연구 활동이 등장했습니다. 우리 연구 그룹은 EVDP 연구⁵ 를 시작했으며 계속 개발해^{왔습니다 6}. Liu는 EHA 애플리케이션용 EVDP를 개발하고 실험 테스트^7을 수행했습니다. 일부 유압 회사는 EVDP 제품도 제공합니다. EVDP의 기술적 구성 요소에 관한 연구 외에도 실제 응용 분야 요구 사항에 대응하기위한 설계 방법은 EVDP 사용 비용을 더욱 절감하고 성능 잠재력을 탐구함으로써 EVDP의 역량을 향상시키는 데에도 중요합니다. 따라서 결합 된 분야를 분석하여 시스템 수준 성능의 트레이드 오프를 최적화하기 위해서는 특정 EVDP 예비 설계 방법이 필요합니다. 시뮬레이션 기반 예비 설계는 메카트로닉 제품의 이러한 유형의 종합 결합에 대한 관심의^{대상입니다8}.

EVDP 예비 설계에 대한 구체적인 시뮬레이션 모델은 새로 제안 된 개념이기 때문에 제안되지 않았지만 관련 메카트로닉 제품에 많은 연구가 투자되었습니다. 동적 EHA 모델은 예비 설계⁹에서 무게, 효율성 및 제어 성능을 최적화하도록 제작되었지만 수명, 신뢰성, 열 특성 등은 포함되지 않았으며 이는 예비 설계에서 고려해야 할 필수 성능 지수입니다. 또 다른 동적 EHA 모델도 비용, 효율 및 제어 성능⁽¹⁰)을 최적화하는 데 사용되었으며, 이후 최적화된 EHA(¹¹)의 열 특성을 평가하기 위해 열 모델이 개발되었지만 신뢰성과 수명은 고려되지 않았습니다. 포괄적인 전기 기계 액추에이터(EMA) 예비 설계 방법이 제시되었습니다⁽¹²). 이 방법을 위해 서로 다른 특성을 분석 할 수있는 다양한 기능을 가진 특정 모델이 제안되었으며 신뢰성 및 수명 모델도 개발되었습니다¹³. 기계적 강도, 전력 능력, 열 성능 등을 평가할 수 있지만 제어 성능은 포함되지 않았습니다. 또 다른 EMA 예비 설계 방법은 동적 EMA 모델 및 관련 부품 사이징 모델⁽¹⁴⁾을 이용하였다. 비용, 무게, 피로 수명, 전력 용량, 물리적 제약 등이 시뮬레이션 분석에 포함되었지만 신뢰성 및 제어 성능은 포함되지 않았습니다. 유압 하이브리드 구동 트레인⁽¹⁵)의 최적화 설계를 위해 동적 모델이 제안되었다. 전력 용량, 효율성, 제어 등을 시뮬레이션 할 수 있지만 신뢰성과 수명은 고려되지 않았습니다. EHA 기반 비행 제어 작동 시스템을 분석하기위한 모델이 제안되었으며, 그 안에서 간단한 동력 전달 방정식과 중량 함수가 사용되었습니다¹⁶. 모델이 차량 수준 및 임무 수준 분석에 사용되었다는 점을 고려할 때, 모델의 제한된 속성 범위가 적절했습니다. EHA의 주요 구성 요소로서 서보 모터는 모델링 및 설계와 관련하여 별도의 관심을 끌었으며 그 결과는 EHA 모델 개발에도 도움이됩니다. 열 네트워크, 중량 모델 등도 EHA 모델링 ^17,18,19에 대해 고려할 수 있습니다. 검토 된 문헌은 EVDP와 관련된 제품의 결과를 고려하더라도 개발 된 모델이 예비 설계에 대한 제품의 모든 영향력있는 성능 특성을 분석하지 않는다는 것을 나타냅니다. 제어 성능, 열 성능, 신뢰성 및 수명은 모델 제작에서 가장 무시 된 특성입니다. 따라서이 백서에서는 EVDP 예비 설계에 가장 영향력있는 모든 성능 속성을 분석 할 수있는 모델 패키지를 제안합니다. 시뮬레이션 분석도 모델 기능을 더 잘 설명하기 위해 제공됩니다. 이 논문은 파라미터 생성을 개선하고, 수명 모델, 신뢰성 모델 및 제어 모델을 포함하고, 계산 비용을 최적화하고, 모델을 검증하고, 심층적 인 시뮬레이션 분석 등을 수행하기 때문에 이전 간행물⁽²⁰)의 확장입니다.

가변 변위 피스톤 펌프의 기존의 유압 제어 장치는 그림 1과 같이 소형화를 개선하고 열 방출을 줄이기 위해 전기 액추에이터로 대체됩니다. 전기 액추에이터는 볼 스크류, 기어 박스 및 영구 자석 동기 모터 (PMSM)로 구성됩니다. 전기 액추에이터는 바를 통해 스와시 플레이트를 연결하여 펌프 변위를 조절합니다. EHA에 적용될 때, EVDP 스와시플레이트 회전 위치는 PMSM을 변조하여 폐쇄 루프를 제어한다. 전기 액추에이터는 피스톤 펌프와 상호 케이스에 통합되어 일체형 부품을 형성합니다. 이 설계는 전기 액추에이터를 작동 유체에 잠기고 다중 도메인 결합 효과를 강화합니다.

EVDP는 일반적인 다중 도메인 메카트로닉 제품이므로 예비 설계는 시스템 수준 성능의 트레이드 오프를 최적화하고 구성 요소 설계 요구 사항을 요약하는 데 필수적인 역할을합니다. 이 과정은 시뮬레이션 기반 설계 방식(^10,12)에 기초하여 도 ²에 예시된다. 1단계에서는 먼저 그림 1과 같이 선택한 EVDP 아키텍처를 분석하고 지정된 성능 요구 사항에 따라 설계 매개변수를 마무리합니다. 그런 다음 설계 작업은 일반적으로 EVDP의 성능 최적화를 탐색하기 위해 최적화 문제로 변환됩니다. 이는 설계 매개 변수를 최적화 변수로 변환하고 성능 요구 사항을 목표 및 제약 조건으로 변환하여 수행됩니다. 디자인 매개 변수를 활성, 구동 및 경험적 범주로 분류해야한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 활성 매개 변수 만 독립 기능으로 인해 최적화 변수로 사용됩니다. 다른 두 범주는 활성 매개 변수의 추정에 의해 자동으로 생성됩니다. 따라서 2단계에서는 구동 및 경험적 파라미터의 추정 모델을 개발합니다. 이러한 추정 도구는 최적화의 각 반복뿐만 아니라 필요한 모든 시뮬레이션 매개 변수를 공식화하기 위한 5단계에서 사용됩니다. 3단계에서는 필요한 성능을 반영하는 각 최적화 목표 또는 제약 조건에 대한 계산 모델을 빌드합니다. 이러한 모델은 계산 효율적이어야 합니다. 그렇지 않으면 최적화 계산 비용이 허용되지 않습니다. 4단계는 일반적으로 다중 목적 및 다학제인 최적화 계산을 수행합니다. 또한 예비 설계 단계에서 매개 변수 불확실성을 처리합니다. 5단계에서는 설계된 EVDP의 전체 모델을 구성하고 이를 사용하여 일반적인 듀티 사이클에서 EVDP를 시뮬레이션하여 최적화 결과를 검증합니다. 이 모델은 예비 설계 결과를 평가하기위한 궁극적 인 도구입니다. 따라서이 모델은 가장 높은 충실도를 가져야하며 모든 영향력있는 특성을 엄격한 커플링 스타일로 포함해야합니다. 마지막으로, 예비 설계 성능 결과와 시스템 레벨 치수 측정 결과가 얻어집니다.

이 백서에서는 1단계에서 파라미터 분석을 수행하고 2단계와 5단계를 완료하는 EVDP의 시스템 모델링 및 시뮬레이션 방법에 중점을 둡니다. 첫째, 설계 파라미터는 EVDP 아키텍처 및 설계 요구 사항을 기반으로 파생되며 세 가지 하위 범주로 분류됩니다. 둘째, 비활성 파라미터에 대한 추정 모델은 스케일링 법칙, 구성 요소 카탈로그, 경험적 함수 등을 기반으로 개발됩니다. 셋째, EVDP의 전체 모델은 다학제 결합 방정식과 추가 수명 및 신뢰성 하위 모델을 사용하여 구성되며 모델은 실험에 의해 부분적으로 검증됩니다. 마지막으로, 이전의 크기 조정 결과를 구성된 모델로 가져와 일반적인 듀티 사이클에서 시뮬레이션 분석을 수행합니다. 시스템 수준 성능은 시뮬레이션 결과에 따라 추론됩니다. 파라미터 감도와 설계의 견고성도 평가됩니다. 그 결과, 이 백서에서는 EVDP 예비 설계를 위한 특정 모델링 및 시뮬레이션 방법을 개발합니다. EHA에서의 어플리케이션에 대한 EVDP의 성능은 종합적으로 예측됩니다. 제안된 방법은 고전력 응용 제품을 위한 EVDP 및 가변 변위 EHA를 개발하기 위한 실용적인 도구입니다. 이 방법은 또한 다른 유형의 메카트로닉 제품에 대한 시뮬레이션 도구를 개발하기 위해 언급 될 수 있습니다. 이 논문의 EVDP는 전기 기계적으로 제어되는 가변 변위 펌프를 의미하지만, 전기 유압으로 제어되는 가변 변위 펌프는 이 논문의 범위를 벗어납니다.

Protocol

참고: Matlab과 Simcenter Amesim(이하 시스템 시뮬레이션 플랫폼이라고 함)이 이 프로토콜에 사용되었으며 재료 표에 나열되어 있습니다. 그러나, 제안된 프로토콜은 이들 두 소프트웨어 애플리케이션에서의 구현에 한정되지 않는다. 1. EVDP 설계 파라미터를 선택하고 분류합니다(그림 2의 1단계). 그…

Representative Results

이 섹션에서는 그림 2의 EVDP 예비 설계 방법의 단계 1, 단계 2 및 모든 단계 5의 일부를 구성하는 모든 프로토콜 단계를 수행함으로써 얻은 결과를 제시합니다. 프로토콜의 입력 정보에는 그림 1의 EVDP 회로도, 그림 2의 4단계에서 EVDP의 최적화된 활성 파라미터(단계 5.1.1에서 명확히 설명됨) 및 EVDP 설계 요구 사항과 관련된 EVDP 성능 시뮬레이션 태스크가 ?…

Discussion

EVDP의 개념 및 기타 기술적 구성 요소는 이전 간행물 ^6,31에서 제시되어 EVDP의 적용 가능성과 장점을 보여줍니다. EVDP 자체를 연구하는 대신,이 논문은 미래의 실제 응용 프로그램 요구와 관련하여 설계 방법을 계속 연구했습니다. 이러한 유형의 고도로 통합되고 다학제적인 커플링 제품에는 섬세한 성능 트레이드 오프 및 최적화가 필요한 특정 설계 방?…

Materials

Ball screw	NSK	PSS
EVDP prototype	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	7.4 mL/rev, 7000 rpm, 21 Mpa
EVDP testrig	Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls	customized	Refer to Figure 7, can be adapted upon individual needs. Including Power PMAC controller, ELMO Whistle Driver, etc.
Gearhead	Maxon	GP
Matlab	Mathworks	R2020a
Permannet magnet synchronous motor	Maxon	393023
Piston pump	Bosch Rexroth	A10VZO
Simcenter Amesim	Siemens	2021.1	system simulation platform