使用高速马达和限速泵的方法和系统

技术领域

本发明大体上涉及电动马达驱动的泵系统，更具体地，涉及通过利用高速马达输入的同时限制泵的转速，从而提供所需的和优化性能特性的泵系统。

背景技术

设备的泵系统(诸如车辆和其他装备和机械)为了各种目的移动流体和/或产生压力。许多类型的泵可供选择，且每种泵通常都需要动力输入装置(马达)，诸如用电动、气动、液压或机械功率来驱动泵的移动部件。所选泵的类型由泵系统的操作要求和泵的负载服务来驱动。泵的设计和运行条件决定了驱动运动部件所需的扭矩或力的大小。所需扭矩/力的大小会影响适合使用的动力输入装置的成本、重量和类型。例如，当使用电动马达来驱动泵时，电动马达的类型和设计是由所选泵的输入要求和性能能力指定的。

在给定的流体系统中，所选择的泵和由流体所做的功会影响对要达到给定应用的性能要求的配对马达的选择。在诸如用于车辆的那些应用中，尺寸及其对重量的影响可能会影响诸如燃油经济性等因素。所消耗的电功率大小也优选地被最小化。此外，马达成本也是被持续关注的问题。因此，在设计泵系统时，应考虑所使用的马达的类型和马达的操作能力。

因此，可期望提供一种用于给定应用的泵系统，泵系统导致适当的性能特征(诸如扭矩/力要求)，并以最小化的成本提供所需的效率水平。此外，结合附图和上述技术领域和背景，从随后的具体实施方式和所附权利要求中，本发明的其他可期望的特征和特性将变得显而易见。

发明内容

一种系统和方法被提供以用于泵系统，其实现了可期望的性能特征，诸如使马达以相对高的速度来运行的同时使泵以较低的、有限的速度来运行。在数个实施例中，一种方法包括选择用于泵系统的泵。确定泵的最大运行速度，并评估其扭矩要求。选择满足该扭矩要求的马达，并设置该马达的速度目标。制定减速器的尺寸以用于马达以速度目标运行并且泵在最大速度以下运行，以及将马达通过减速器与泵耦合。

在另外的实施例中，确定最大速度包括确定泵的高速填充限制，在高速填充限制以上时泵的流体流量与速度变化无关，以及将最大速度设置为在该高速填充限制以下的阈值。

在另外的实施例中，制定减速器的尺寸包括选择减速器的齿轮比，当马达以速度目标运行时，该齿轮比导致泵在高速填充限制以下运行。

在另外的实施例中，评估扭矩要求包括通过泵系统的工作温度的范围和流量率来评估泵的扭矩要求。

在另外的实施例中，设置速度目标包括同时地评估马达的速度和扭矩要求。

在另外的实施例中，选择减速器包括将减速器选择为使从马达到泵的速度降低并且使从马达到泵传递的扭矩增加。

在另外的实施例中，选择马达包括选择无刷直流马达。选择减速器包括选择用于该减速器的行星齿轮组。将马达耦合到行星齿轮组，并且将泵耦合到行星齿轮组。

在另外的实施例中，将泵与负载流体耦合，并且将泵的尺寸制定为满足负载的流量要求。

在另外的实施例中，制定泵的尺寸包括评估负载在工作温度的范围上的流量要求。

在另外的实施例中，驱动泵所需的最大扭矩是在泵的工作温度范围上确定的。

在数个其他实施例中，一种泵系统包括被配置为以最大速度和扭矩要求运行的泵。马达被配置为满足扭矩要求并以速度目标运行。减速器与马达和泵耦合，并被配置为在马达以速度目标运行时使泵在最大速度以下运行。

在另外的实施例中，泵被配置为以最大速度运行，该最大运行速度低于泵的高速填充限制，在该高速填充限制以上时泵的流体流量与速度变化无关。

在另外的实施例中，减速器包括齿轮传动比，当马达以速度目标运行时该齿轮传动比导致泵在高速填充限制以下运行。

在另外的实施例中，马达和减速器被配置为通过泵系统的工作温度的范围和流量率输送泵的扭矩要求。

在另外的实施例中，马达被配置为以速度目标运行并同时满足泵在工作温度的范围上的扭矩要求。

在另外的实施例中，减速器使从马达到泵的速度降低，并使从马达到泵传递的扭矩增加。

在其他实施例中，马达是无刷直流马达，减速器包括行星齿轮组。马达与行星齿轮组耦合，泵与行星齿轮集耦合。

在另外的实施例中，泵服务于负载，泵与负载流体耦合，并且泵被配置为满足负载的流量要求。

在另外的实施例中，泵被配置为在工作温度范围上输送负载的流量要求。

在数个另外的实施例中，一种制造泵系统的方法包括选择用于该泵系统的泵。将泵流体耦合在具有负载的流体系统中，负载使用泵供给的流体进行操作。确定泵的高速填充限制，在该高速填充限制以上时，泵的流体流量与泵的速度变化无关。将泵的最大工作速度设置为在高速填充限制以下的阈值。通过流体系统的工作温度的范围和流量率评估泵的扭矩要求。选择满足扭矩要求的马达。将马达的速度目标设置为在每分钟10000转以上。选择减速器并制定尺寸以用于马达以速度目标运行并且泵在最大速度以下运行。将马达通过减速器与泵耦合。将泵与负载耦合以从泵向负载供给流体。

附图说明

下文将结合以下附图描述示例性实施例，其中类似数字表示类似元素，其中：

图1是根据各种实施例的泵系统的示意图；

图2是根据各种实施例的图1中泵系统的泵的流量与转速的关系图表；

图3是根据各种实施例的图1中泵系统的马达的扭矩与转速的关系图表；以及

图4图示出根据各种实施例的制造图1的泵系统的方法。

具体实施方式

以下具体实施方式实质上仅为示例性描述，并不意图限制其应用和用途。此外，不意图受前面的技术背景、简要发明内容或以下的具体实施方式中所提出的任何明示或暗示理论的约束。

对于本文所披露的系统和方法，匹配泵和马达的性能要求和特性被联合考虑并进行平衡，以获得诸如最大化效率和降低成本的有益效果。泵通过增加压力使流体流动，从而使加压流体移动到系统的低压区，并为负载(诸如驱动单元)的运行提供功率。泵的特性是通过考虑将使用泵送流体的负载和流体被泵送所通过的系统的要求来确定的。因此，泵是通过选择流量和压力额定值来选择的并且尺寸应与该应用的负载和系统所需的流量率和压力相匹配。泵运行时的转速应被考虑在内，并将系统配置为使泵的运行速度保持在最大可期望阈值以下。

当前所公开的实施例可以采用在优化系统中与泵耦合的高速电动马达，该优化系统可以包括在马达和泵之间进行耦合中专门定制的减速。当具有相对较低的扭矩以较高速度持续转动时马达的效率较高。对系统扭矩要求进行评估以确保在驱动泵的过程中需要时提供所需的最大扭矩，同时保持有效的马达速度。在某些实施例(诸如车辆应用)中，为了以高速有效地驱动马达，高速马达由48伏电源来提供电功率，并且为了耐久性、噪声最小化，以及避免导致诸如气穴的后果，泵以稳健的功能速度运行。

参考图1，示例性泵系统20大体上包括作为流体驱动器的泵22、作为动力输入设备的马达24，减速器26被耦接在马达24和泵22之间以在驱动泵22时传递扭矩。负载28使用泵送流体并由泵22提供服务。在本文所公开的实施例中，可以对某些马达类型、泵类型以及扭矩传递布置进行了描述。在如权利要求书中描述的本公开的其他实施例中，其他动力驱动器(马达24)、其他流体功率源(泵22)和其他扭矩传递装置(减速器26)是已设想到的。例如，泵22可以是旋转式、往复式或其他类型的泵。泵22可以是正排量泵(诸如内或外齿轮泵)，也可以是另一种类型(诸如带叶轮的离心泵)。在一实施例中，泵22是内齿轮型泵(诸如摆线泵)。泵22包括壳体31中的转子30，泵轴33与转子30相连。在其他实施例中，任何可能经受不期望填充相关后果的泵都可以受益于本公开的细节。

马达24可以是任何类型的电动马达。在一些实施例(诸如汽车应用)中，可以采用无刷直流(BLDC)马达24。采用BLDC马达24提供了相对小且紧凑的封装，这对于考虑空间和重量的应用(诸如汽车应用)可能是可期望的。BLDC马达对于电池功率有限且可用电压相对较高的电动车辆应用可能是尤其可期望的。因此，在汽车和其他应用中使用BLDC马达24驱动各种类型的泵22以为各种类型的负载28提供动力流体功率可能是可期望的。一般来说，本公开可适用在可期望电动马达24高速运行的任何应用中，而无需过度驱动泵22。马达24通常包括定子34和转子35，轴36与转子35连接。

负载28可以是使用流体流动来做功的任何单元。在一实施例中，负载28是用于使车辆的驱动单元运行的流体系统。例如，液压驱动单元可采用用于致动的流体功率来实现控制、换档和/或传递扭矩。在其他实施例中，负载28可以是为任何用途提供功率/运动的致动器。

减速器26可以是各种类型的扭矩传递和输入输出比定义机构中的任何一种。例如，减速器26可以是齿轮系布置、链轮和链条布置、皮带轮和皮带布置、它们的组合或者是传递扭矩并定义输入-输出速度比的另一种类型的机构。在当前实施例中，减速器26包括具有太阳齿轮40、行星齿轮42、环形齿轮44和行星齿轮架46的行星齿轮布置。为了提供减速，输入从马达轴36被输送到太阳齿轮40，从环形齿轮44将输出提供到泵轴33，行星齿轮架46被诸如固定到壳体48。各种齿轮的尺寸被制定成可提供所需的输入输出比。

同样如图1所示，马达24由电源50供电，在本实施例中，电源可以是包括电池电源的48伏汽车电源。使用相对较高的汽车电压(诸如48伏)支持以比较低电压可有效提供的速度更高的速度来使马达24运行的选项。控制器52与马达24耦合以提供控制功能，并且为了使马达24运行包括了驱动器和功率电子模块54。控制器52和功率电子模块54被配置为使马达24以可期望的速度运行并满足负载28的要求。

泵系统20包括电气系统60、机械系统62和流体系统64。电气系统60包括马达24、电源50、控制器52以及驱动器和功率电子模块54。其他元件(诸如各种传感器、致动器和其他常规元件)未示出。机械系统62包括马达轴36、减速器26和泵轴33。出于各种目的，其他元件(诸如转子30、35)可以被视为机械系统的一部分。流体系统64包括泵22、负载28和流体回路68。流体回路68包括泵22中和负载28中的流体通道，并包括互连各种元件的导管70。其他元件(诸如热交换器、阀门和储液罐)未示出。

参考图2，图表72图示出泵22在纵轴74上的归一化流量(从无流量为零到最大流量为一)与横轴76上的轴速度(每分钟转数)的关系。泵22的曲线78特别是在曲线78的段80中表明，随着轴速的增加，流量输送增加。对于泵22，在段80中流量率与速度直接成正比，直到曲线78的拐点82为止。通过曲线78的段84(在椭圆内指示的)，对于速度增加，速度高于拐点82会导致流量迅速递减。在曲线78的拐点86之后，在段88中进一步的速度增加不会导致流量率增加，此时泵的流量率趋于平稳，不再受转速进一步增加的影响。因此，从效率的角度来看，以高于点86的速度运行并无好处。此外，已发现泵22在段84内或以上运行会引起不期望的后果(诸如噪音和磨损)。例如，当速率引起泵送流体无法完全填充泵22时，可能会发生流体中的空气混合(气穴)。因此，在曲线78的段84中，泵22已达到其高速填充限制。在当前实施例中，根据马达24和流体系统64的特性，高速填充限制为每分钟约5000–6000转。因此，从产品运行、质量和/或耐久性的角度来看，泵22以高速填充限制或以上运行是不可取的。

参考图3，图表描述了马达24在纵轴90上的扭矩(牛顿米)与在横轴92上的速度(每分钟转数)的关系。曲线94表示马达24的扭矩-速度特性曲线。曲线94表明，从纵轴90处或附近的最大扭矩点开始，以相对较慢的速度，在曲线94的段96中随着速度增加扭矩相对缓慢地减少。在曲线94的拐点97之后，在曲线94的段98中随着速度增加扭矩相对快速地降低。对于马达24，在段98中的运行效率最大，即轴速度为每分钟约10000–14000转，在这种情况下马达24的扭矩可以小于最大扭矩点的50％。给定马达的有效速度可以根据泵制造商提供的性能数据来确定，或通过性能测试和/或建模确定。

图4以流程图形式图示出开发和制造泵系统20的过程100。该过程100始于对流体回路68进行设计102以服务于负载28。流体回路68的特性被确定为满足负载28的要求，并符合应用的封装和物理布局要求。鉴于负载28和流体回路68来确定104泵的要求。包括确定泵22运行的速度或多种速度，以及确定流体回路68运行的温度。例如，在冷起动条件下的车辆应用中，流体和系统温度将与周围环境条件相等，并且在运行中，温度会诸如因系统中的摩擦等原因而升高。从最低到最高的预期工作温度，通过运行速度的范围来评估流量要求(质量流量率)。鉴于泵的流量要求和流体回路68的细节来选择106用于该应用的泵22以在预期的运行条件下提供所需的流量率。选择生成压力足以克服流体回路68的液压阻力的同时达到流量要求的泵。为选出泵22，可参考可用的泵性能数据或通过性能测试和/或建模确定。

在当前实施例中，固定排量泵22(诸如内齿轮泵)被选定。过程100继续对最大泵转速进行确定108。作为固定排量泵22，泵22每转输送固定量的流体。大体上，流量率与泵的转速增加成比例地增加。当由于转子30以高速移动而泵室不再能够完全填充液体时达到高速填充限制，并且高速填充限制可以通过系统性能测试和/或建模(诸如使用可用的流体动力学软件)来确定。在确定108最大泵速度时，在泵22的整个运行速度范围内并且针对流体回路68的工作温度的范围来评估高速填充限制条件。可以通过性能测试和/或分析(诸如使用可用的流体动力学软件)进行评估。当最大泵速度阈值被确定后，系统20被配置为将速度保持在该阈值以下。同时，泵速度被实现为输送流体回路68的流体流量要求。该速度目标可以参考制造商提供的或通过特性测试和/或建模开发的泵性能曲线进行评估。泵的尺寸制定可在考虑有限速度阈值下被重新评估，以确保达到负载要求。

与最大泵速度的确定108协同地对泵输入扭矩要求进行评估110。通过流体回路68的工作温度的范围和流量率评估110泵22的输入扭矩要求。所需最高扭矩可能会在某些条件下出现。例如，由于流体粘度随温度降低而增加，驱动泵22所需的最大扭矩可能出现在系统20的最低工作温度处。在其他情况下，在流体回路68(包括负载28)的最高流量要求处可能需要所需的最大扭矩。因此，流量要求在工作温度范围上和系统流量率范围上来评估。可以使用迭代来确定在温度的范围和流量率变量内何处存在最大扭矩要求。

鉴于最大扭矩要求，考虑到可期望的速度，马达24被选出112以满足这些要求。马达24的速度扭矩特性与泵22的要求一致。例如，可以选择匹配要求的BLDC马达24。使用BLDC马达24，尺寸(和扭矩)考虑因素对成本有多方面的影响。通过减小尺寸，在马达24磁体中对稀土材料的使用被降至最低。更小的尺寸还可以减少马达和车辆布线的质量和成本。通过以较高的速度、使泵22可以最佳地运行的那些速度以上运行可以实现较低的扭矩和成本。基于商业可用的有限元方法的软件可以被用于协助制定马达规范。

根据效率以及对扭矩和速度的平衡来设置114马达24的运行速度目标。例如，参考图3，曲线段98中效率较高，此处的速度在每分钟约10000转以上。该速度目标是在拐点97右侧的多个点处被选出的，此时扭矩在马达24的最大扭矩以下。在实施例中，速度目标可以被设置114在扭矩小于最大扭矩的50％的速度处。当马达速度在每分钟10000转以上，且最大泵速度在每分钟5000-6000转范围内时选择116齿轮配置。封装空间、减速和扭矩要求可在选择116时被考虑在内。例如，对于减速器26可以选择116齿轮布置(诸如直齿轮)，由于在较小齿轮处输入并在较大齿轮处输出，减速器26提供约2:1的减速和扭矩倍增。在其他实施例中，诸如在使用更高的减速比的情况下，可以使用行星齿轮布置，或者可以根据应用的要求选择116其他类型的齿轮传动布置。

在制定马达24的和减速器26中齿轮传动的尺寸时可以使用迭代118来考虑速度和扭矩要求。在评估中，考虑因素可以是鉴于以高扭矩运行可能导致马达24发热和效率降低的特性。此外，机械功率是扭矩和速度的乘积，因此扭矩和速度被平衡以使得不会超过泵22的高速填充限制阈值，并使得马达24被正确地定为满足扭矩要求的同时在高效速度下运行。使用所选定的马达24、减速器26和泵22将系统20组装120起来，并可以运行以服务负载28。在许多实施例中，过程100中的步骤的顺序可能与本文描述的不同，可以添加其他步骤，也可以省略一些步骤。

因此，泵系统和方法被提供为具有以有效速度(诸如大于每分钟10000转)持续转动的电动马达。使用减速，泵以在其高速填充限制以下(诸如在每分钟5000-6000转以下)的速度持续转动。该系统具有高效率、低成本、低电流要求、具有更大的容量(更高的压力和流量)。

虽然在上述具体实施方式中提出了至少一个示例性实施例，但应该认识到存在大量变体。还应认识到，示例性实施例只是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。而是上述具体实施方式将为本领域技术人员提供实现示例性实施例或多个示例性实施方案的方便路线图。应当理解的是，可以在不脱离所附权利要求及其法律等价物中阐述的本公开的范围的情况下对元件的功能和布置进行各种更改。