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1、一 需求与国内外研究状况（一） 需求电动泵按其用途可分为以下几类：电动润滑泵，电动燃油泵，电动充气泵，电动抽液泵。本文主要研究电动燃油泵。随着世界经济的发展、人们生活水平的日益提高，汽车正广泛进入千家万户，对汽车的需求量也在每年递增【1】。20世纪后，中国汽车产量迅速上升， 2010年，汽车保有量已达到7619万辆。电动燃油泵是汽车用电脑控制的燃油控制系统的重要部件，而且是易损件，所以其需求量是很大的。在现代航空发动机燃油控制系统中，相对于其他结构形式的油泵（离心泵、齿轮泵、旋板泵等），主燃油泵和加力燃油泵采用柱塞式泵的比较多。但是国产航空发动机的柱塞式燃油泵的设计主要是依靠工程人员的经验与智
2、慧，以测绘仿制为主，且大多是按前苏联20世纪50、60年代的产品仿制的，其使用寿命短，故障率高，可靠性较低，设计能力不够。所以研制出新型高效，长寿命的电动燃油泵迫在眉睫【2】。燃油泵主要由泵体、永磁电动机和外壳三个部分组成。其工作原理为：永磁电动机通电后带动泵体旋转将燃油从进油器吸入，流经电动燃油泵的内部，再从出油口压出，给燃油系统供油。而燃油泵根据其泵体结构原理的不同可以分为：触点式电幼燃油泵，滚柱式电动燃油泵，转子式电动燃油泵，晶体管式电动燃油泵等。文档【3】对以上燃油泵的工作原理做了说明。（二） 国内外研究背景电动燃油泵的研究现状，国内外有关电动燃油泵的研究主要集中在以下几个方面:1电动
3、燃油泵的参数的优化设计由于电动燃油泵的转子是油泵的心脏，是最关键的元件，其参数选择合理与否，将直接影响着泵的性能、噪音和寿命。在实际应用中，有些场合对泵的流量的均匀性要求较高，有些场合则要求泵的尺寸小，或作用在齿轮的径向力小，从而延长轴承的寿命。根据不同的需要，会有不同的数学模型。也有综合各方面要求的基础上进行优化。2噪声的控制技术现在人们对噪声的控制越来越重视，而如何减少电动燃油泵的噪声一直是国内外研究的问题。电动燃油泵的噪声的产生原因是多方面的，但主要是有漏油现象、转子设计精度以及泵自身特点等因素造成的。3降低流量脉动方法的研究关于降低电动燃油泵流量脉动的方法主要有以下几个方面:(1)级联
4、齿轮泵的研究这种方法主要通过二级并联直齿轮同时输出流量进行叠加从而使该泵的总体输出流量脉动下降，通过该方法组成的二级并联齿轮泵比一般结构齿轮泵的流量脉动率低，可以比相同规格普通齿轮泵流量脉动率下降25%。当然可以三级或三级以上的级联，这使流量脉动下降的更多，不过它所带来的制造和装配的难度会同样的加大.(2)非对称渐开线多齿轮泵的研究通常，为了达到减少脉动、降低噪音的目的，一般可以采取增加齿轮的齿数的方法。而采用非对称渐开线齿形，增加齿数的修正方法，可适当使齿轮的齿数增多。当齿轮齿数增加后，其瞬时流量的脉动频率增高，振幅自然有所下降。但由于采用了非对成的渐开线齿轮，给齿轮泵的加工带来了困难(3)
5、增设滤波器降低电动燃油泵输出压力脉动的研究通过改变电动燃油泵外部系统阻抗和电动燃油泵内部阻抗来降低电动燃油泵的压力脉动，合理改善电动燃油泵外系统阻抗，会使压力脉动减少，这是从改善液压系统的性能出发，而对泵的本身的性能并未改善。为了切实改善泵的性能，也可以从改善泵内部阻抗出发，在泵内加入一个K型滤波器来减少泵的压力脉动，以降低泵的输出压力脉动(4)其他降低电动燃油泵的输出流量脉动的研究另外还有一些降低电动燃油泵的输出流量脉动的方法，如从泵本身的结构着手，对泵的参数优化，取得最佳值，使输出流量脉动最小。如齿轮泵中采用双模数齿轮的设计方法，利用这种齿轮可使齿轮泵的体积减小，轴承负载减轻，并降低输出流
6、量脉动，但双模数齿轮必须利用特殊刀具进行滚剃，给加工带来一定困难。4提高电动燃油泵的效率方法的研究目前电动燃油泵的效率是非常的低，根据温州华润电机有限公司提供的资料，内齿轮式燃油泵的效率国外企业是29%左右，而国内企业一般只有19%左右，涡轮式燃油泵的效率一般是33%。所以对提高燃油泵的效率的研究成为研究电动燃油泵的一个非常重要的课题。5提高电动嫩油泵的寿命的研究电动燃油泵的外壳两端卷边铆紧，使各部件组装成一个不可拆卸的总成，因此电动燃油泵一般不修理。所以提高燃油泵的寿命对节约经济是非常必要的。根据温州华润电机有限公司提供的资料，目前国外企业的电动燃油泵的寿命一般是五年，而国内企业一般都只有三
7、年。（三） 国内研究背景国内在以上领域也都有研究，除了不断引进，消化，吸收进国外先进技术，还大胆积极创新研发具有自主知识产权的电动燃油泵，以下为国产化的途径和方法:1.材质代用。对一般的通用材料可参考国内出版的中外材料对照资料来选取，考虑到我国的实际情况，建议上靠一档，对一些特殊材质等，必须做一些必要的理化试验，以确定材料的成分;2.标准件、专业件、机封的代用。标准件、专业件基本可参照国内的标准选取，对于机封大多可由国内专业密封件厂家的产品代用;3.有关尺寸的处理。对于安装尺寸和进出口连接尺寸，应与进口泵一致，以保证互换性，减少管路调整改造，至于内部有些尺寸在考虑配件互换也应精确测量，对于一些
8、外形尺寸只要不影响使用安装，一般不需精确测量。有关性能的考虑，进口泵的性能所给余量较大，主要是保证可靠性，因此首先要满足国产化后不超载。国产化主要目的是为替代进口，节约外汇，在减少投资和提高经济效益的同时，促进相关行业的技术进步和发展，增强我国泵装备的成套能力，形成产品的返销，实践证明，进口泵的国产化不失为开发新产品的一种行之有效的办法。在航空用燃油泵市场，为使我国的航空发动机发展不受制于人，掌握航空和电动燃油泵的设计能力是必要的、紧迫的、具有战略意义的工作。同时航空泵多使用柱塞式燃油泵，其结构复杂，尺寸、重量相对较大，耦合件精度要求高，对使用条件要求也比较高。这些问题给设计、生产和维护带来困
9、难，也使柱塞泵的进一步发展受到限制。（四） 主要差距国内也有很多专家学者，针对以上领域做了很多研究，但跟国外先进技术还有差距。1. 在电动燃油泵的油压脉动方面的差距2. 在电动燃油泵的使用寿命方面的差距3. 在电动燃油泵的总体效率方面的差距二 研究目标、研究内容与技术指标（一） 研究目标通过重点设计电动燃油泵的驱动机构部分，采用无刷直流电机，补偿有刷电机的寿命短的缺点，通过智能模块控制和针对性设计，大幅度减小齿槽转矩，从而减小油压脉动。（二） 技术指标电动燃油泵的技术指标如下（参考国家轻工业标准【4】）：额定电压（V）：额定输出功率(W)：额定输入功率(W)：额定电流(A)：额定抽液量(L/m
10、in)：额定工作长度（m）：总重量（kg）：环境温度（）：适用介质（汽油，煤油 等）：安装位置（内浸等）：对应有无刷直流电机的指标：（三） 关键技术1. 电动燃油泵用无刷直流电机的参数的优化设计提出一个多目标离散变量优化设计数学模型，同时考虑泵工作条件不同，按具体条件，考虑主要问题侧重面的不同，构建包括:流量脉动率最小、单位排量体积最小和径向力最小这三个主要分目标函数。在进行优化设计时，根据不同的使用条件，分别对上述三个分目标函数去取不同的权系数来构造一个统一的目标函数进行优化。2. 电动燃油泵的噪声控制技术如对于内啮合齿轮泵，由于齿轮传动的连续性和稳定性不一定完全保证，从而会产生冲击噪声，如
11、何有效的消除它也将是一个富有挑战性的工作。3. 电动燃油泵用无刷直流电机转矩脉动抑制技术（四） 研究内容1. 电动燃油泵用无刷直流电机机体设计2. 电动燃油泵用无刷直流电机一体化控制驱动器设计三 拟采取的研究方法及途经（一） 研究方案1. 电动燃油泵用直流电动机换向研究【7】2. 电动燃油泵用新型轴向励磁无刷直流电机设计（参考【8】）图 1新型轴向励磁无刷直流电机结构图（二） 技术途径1. 电动燃油泵用直流电动机换向研究(1) 燃油泵用电机换向不良原因分析有关直流电动机换向不良的分析, 许多文献均有介绍, 这里不作一一列举。燃油泵本身零部件生产和加工都比较精密, 对燃油泵用电机换向造成的不良影
12、响很小,可以忽略。电磁原因可能会对燃油泵用电机换向产生较大影响,本文对此进行分析。图 2 换向元件电流变化曲线图 2为换向元件(短路元件)中电流变化的曲线。换向周期为Tk,绕组电流由 i a变为- ia。当换向元件中没有其它感应电势, 换向电流仅仅取决于换向回路的电阻,其电流的变化,如图 2中曲线 1所示,称为理想的电阻换向,不会产生火花。但当换向回路中还有其它感应电势时, 在换向回路中就增加了一个换向电流。这个电流是感性的,它是要阻碍电流的变化,曲线 2表示的是换向回路中, 由于其它感应电势产生的附加换向电流,这样换向回路中的电流就不再是线性的, 而是由曲线2表示的曲线 1与曲线 3合成的延
13、迟换向曲线, 也就是造成换向不良的主要原因。(2) 对策改善换向的方法一般有以下几种:加换向极;移动电刷位置; 增加换向回路电阻。在传统的大中型电机中, 大多采用加装换向极的方式来解决。但电动燃油泵的体积较小, 且对成本比较敏感, 加装换向极的方案不可行。增加换向回路电阻可以提高碳刷的电阻率,而油泵电刷使用环境为汽油和其它油品,更换碳刷材料需要大量试验来验证其耐油性能, 因此这种方案也不可行。最切合实际的方法应该是移动电刷位置。首先, 燃油泵应用的一个特点是,额定运行工况比较明确, 运行时的电压、负载稳定; 其次, 油泵单方向运转。以上情况可以避免运行时电枢反应及电抗电动势随时变化, 而造成需
14、要不同换向角度来满足不同工况的问题。降低附加换向电流就可以改善换向。在其他条件确定或不可改变的情况下, 如何降低或消除 ea和 er是改善换向的关键。ea和 er方向相同,它们共同合成e。那么,现在的主要问题是降低或消除e。图 3为电枢反应电动势产生机理。图 3为电枢反应电动势产生机理。2. 新型轴向励磁无刷直流电机设计(1) 泵体结构分析图4 流速为0.4L/min 时速度向量与压力场以减小涡流损耗为目的，通过使用磁场分析软件对模型进行2D,3D的磁场仿真，不断修正模型参数。图5 电机定子磁场分析(2) 实物元件图 6无刷直流电机部件(3) 智能控制器设计图7 智能控制器框图参考文献【1】杜
15、 江，凌跃胜，刘福贵，李晓霞汽车燃油泵电机的电磁设计河北工业大学学报，2004 第33卷【2】刘峰柱塞式燃油泵多目标结构优化硕士学位论文 南京航空航天大学 2008【3】严伯昌车用电动姗油泵的结构 特点和工作原理 汽车运用。2008 第3期【4】中华人民共和国轻工业标准 发动机用电动燃油泵 QB/T 1821-1993【5】韩韬, 张亮汽车电动燃油泵用直流电动机换向研究上海交通大学 2009第8期【6】Axial-Flux Permanent Magnet Brushless Motor for Slim Vortex Pumps / IEEE Guo-Jhih Yan ect. Taiwan
