Name: 電気可変容量ポンプの予備設計のためのモデリングとシミュレーション手法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 4 s
Description: 学ぶ電気可変容量ポンプのモデリングとシミュレーション手法。制御性能と信頼性を評価し、重機システムの電動化に向けた予備設計を支援する。パラメータ自動生成と設計頑健性の向上に貢献する。

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著者らは、この研究を支援した北京精密メカトロニクス・アンド・コントロールズ研究所を認めている。

<ol><li>Ketelsen, S., Padovani, D., Andersen, T. O., Ebbesen, M. K., Schmidt, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Classification+and+review+of+pump-controlled+differential+cylinder+drives%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Classification and review of pump-controlled differential cylinder drives.</a> Energies. 12 (7), 1293(2019).</li>
<li>Alle, N., Hiremath, S., Makaram, S., Subramaniam, K., Talukdar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+electro+hydrostatic+actuator+for+flight+control%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Review on electro hydrostatic actuator for flight control.</a> International Journal of Fluid Power. 17 (2), 125-145 (2016).</li>
<li>Garrison, M., Steffan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-fault+tolerant+electric+actuation+systems+for+space+applications%5BTitle%5D)+AND+%2242nd+AIAA%2FASME%2FSAE%2FASEE+Joint+Propulsion+Conference+%26+Exhibit%22%5BJournal%5D)">Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications.</a> 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , Sacramento, California. (2006).</li>
<li>Smith, S., Irving, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electro+hydrostatic+actuators+for+control+of+undersea+vehicles%5BTitle%5D)+AND+%22Joint+Undersea+Warfare+Technology+Fall+Conference%22%5BJournal%5D)">Electro hydrostatic actuators for control of undersea vehicles.</a> Joint Undersea Warfare Technology Fall Conference. , Groton, Connecticut. (2006).</li>
<li>Gao, B., Fu, Y., Pei, Z., Ma, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+on+dual-variable+integrated+electro-hydrostatic+actuator%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Research on dual-variable integrated electro-hydrostatic actuator.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (1), 77-82 (2006).</li>
<li>Yan, X., Yu, L., Pan, J., Fu, J., Fu, Y. Control dynamic performance analysis of a novel integrated electro mechanical hydrostatic actuator. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYan%2C+X+%22The+Proceedings+of+the+2018+Asia-Pacific+International+Symposium+on+Aerospace+Technology+%28APISAT+2018%29.+APISAT+2018.+Lecture+Notes+in+Electrical+Engineering%22">The Proceedings of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology (APISAT 2018). APISAT 2018. Lecture Notes in Electrical Engineering</a>. 459, Springer. Singapore. 2563-2573 (2018).</li>
<li>Liu, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+researches+of+state+space+modeling+method+and+dynamic+properties+for+double+variable+electro-hydraulic+servo+control+system%22">The researches of state space modeling method and dynamic properties for double variable electro-hydraulic servo control system</a>. , Xi'an University of Technology. China. Master's Thesis (2015).</li>
<li>Jean-Charles, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Best+practices+for+model-based+and+simulation-aided+engineering+of+power+transmission+and+motion+control+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Best practices for model-based and simulation-aided engineering of power transmission and motion control systems.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 32 (1), 186-199 (2019).</li>
<li>Xue, L., Wu, S., Xu, Y., Ma, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simulation-based+multiobjective+optimization+design+method+for+pump-driven+electro-hydrostatic+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Processes%22%5BJournal%5D)">A simulation-based multiobjective optimization design method for pump-driven electro-hydrostatic actuators.</a> Processes. 7, 274(2019).</li>
<li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+as+a+support+for+selection+and+design+of+aircraft+actuation+systems%5BTitle%5D)+AND+%227th+AIAA%2FUSAF%2FNASA%2FISSMO+Symposium+on+Multidisciplinary+Analysis+and+Optimization%22%5BJournal%5D)">Optimization as a support for selection and design of aircraft actuation systems.</a> 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. , 4887(1998).</li>
<li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K., Storck, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+JFPS+international+symposium+on+fluid+power.+The+Japan+Fluid+Power+System+Society%22%5BJournal%5D)">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS international symposium on fluid power. The Japan Fluid Power System Society. 314, 537-542 (1999).</li>
<li>Budinger, M., Reysset, A., Halabi, T. E., Vasiliu, C., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimal+preliminary+design+of+electromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+G%3A+Journal+of+Aerospace+Engineering%22%5BJournal%5D)">Optimal preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 228 (9), 1598-1616 (2014).</li>
<li>Liscouët, J., Budinger, M., Mare, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+for+reliability+of+electromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%225th+International+Conference+on+Recent+Advances+in+Aerospace+Actuation+Systems+and+Components%22%5BJournal%5D)">Design for reliability of electromechanical actuators.</a> 5th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 174-182 (2010).</li>
<li>Arriola, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+model-based+method+to+assist+the+architecture+selection+and+preliminary+design+of+flight+control+electro-mechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%227th+International+Conference+on+Recent+Advances+in+Aerospace+Actuation+Systems+and+Components%22%5BJournal%5D)">A model-based method to assist the architecture selection and preliminary design of flight control electro-mechanical actuators.</a> 7th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. , Toulouse, France. 166-174 (2016).</li>
<li>Baer, K., Ericson, L., Krus, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framework+for+simulation-based+simultaneous+system+optimization+for+a+series+hydraulic+hybrid+vehicle%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Framework for simulation-based simultaneous system optimization for a series hydraulic hybrid vehicle.</a> International Journal of Fluid Power. , (2018).</li>
<li>Hong, G., Wei, T., Ding, X., Duan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-objective+optimal+design+of+electro-hydrostatic+actuator+driving+motors+for+low+temperature+rise+and+high+power+weight+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Multi-objective optimal design of electro-hydrostatic actuator driving motors for low temperature rise and high power weight ratio.</a> Energies. 11 (5), 1173(2018).</li>
<li>Sun, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiobjective+and+multiphysics+design+optimization+of+a+switched+reluctance+motor+for+electric+vehicle+applications%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Energy+Conversion%22%5BJournal%5D)">Multiobjective and multiphysics design optimization of a switched reluctance motor for electric vehicle applications.</a> IEEE Transactions on Energy Conversion. 36 (4), 3294-3304 (2021).</li>
<li>Gerada, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Holistic+electrical+machine+optimization+for+system+integration%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+3rd+International+Future+Energy+Electronics+Conference+and+ECCE+Asia+%28IFEEC+2017-ECCE+Asia%29.+IEEE%22%5BJournal%5D)">Holistic electrical machine optimization for system integration.</a> IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017-ECCE Asia). IEEE. , 980-985 (2017).</li>
<li>Golovanov, D., Papini, L., Gerada, D., Xu, Z., Gerada, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multidomain+optimization+of+high-power-density+PM+electrical+machines+for+system+architecture+selection%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Electronics%22%5BJournal%5D)">Multidomain optimization of high-power-density PM electrical machines for system architecture selection.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (7), 5302-5312 (2017).</li>
<li>Han, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multidisciplinary+model+for+preliminary+design+of+electro-mechanical+servo+pump%5BTitle%5D)+AND+%22Scandinavian+International+Conference+on+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Multidisciplinary model for preliminary design of electro-mechanical servo pump.</a> Scandinavian International Conference on Fluid Power. , Tampereen Yliopisto. 362-374 (2019).</li>
<li>Liscouët, J., Budinger, M., Maré, J. C., Orieux, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+approach+for+the+simulation-based+preliminary+design+of+power+transmissions%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanism+and+Machine+Theory%22%5BJournal%5D)">Modelling approach for the simulation-based preliminary design of power transmissions.</a> Mechanism and Machine Theory. 46 (3), 276-289 (2011).</li>
<li>Negoita, G. C., Mare, J. C., Budinger, M., Vasiliu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling-laws+based+hydraulic+pumps+parameter+estimation%5BTitle%5D)+AND+%22UPB+Scientific+Bulletin%2C+Series+D%3A+Mechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Scaling-laws based hydraulic pumps parameter estimation.</a> UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering. 74 (2), 199-208 (2012).</li>
<li>Marc, B., Jonathan, L., Fabien, H., Maré, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+models+for+the+preliminary+design+of+electromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+G%3A+Journal+of+Aerospace+Engineering%22%5BJournal%5D)">Estimation models for the preliminary design of electromechanical actuators.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 226 (3), 243-259 (2012).</li>
<li>Kauranne, H. O. J., Kajaste, J. T., Ellman, A. U., Pietola, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applicability+of+pump+models+for+varying+operational+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22ASME+International+Mechanical+Engineering+Congress%22%5BJournal%5D)">Applicability of pump models for varying operational conditions.</a> ASME International Mechanical Engineering Congress. , 45-54 (2008).</li>
<li>Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Lavine, A. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBergman%2C+TL+%22Fundamentals+of+Heat+and+Mass+Transfer%22">Fundamentals of Heat and Mass Transfer</a>. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. (2011).</li>
<li>Whitaker, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Forced+convection+heat+transfer+correlations+for+flow+in+pipes%2C+past+flat+plates%2C+single+cylinders%2C+single+spheres%2C+and+for+flow+in+packed+beds+and+tube+bundles%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+Journal%22%5BJournal%5D)">Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles.</a> AIChE Journal. 18 (2), 361-371 (1972).</li>
<li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calculation+method+for+thermal-hydraulic+system+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">Calculation method for thermal-hydraulic system simulation.</a> Journal of Heat Transfer. 130 (8), 1-5 (2008).</li>
<li>Li, C., Jiao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal-hydraulic+modeling+and+simulation+of+piston+pump%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 19 (4), 354-358 (2006).</li>
<li>Andersson, J., Krus, P., Nilsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+and+simulation+of+heat+generation+in+electro-hydrostatic+actuation+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+JFPS+International+Symposium+on+Fluid+Power%22%5BJournal%5D)">Modelling and simulation of heat generation in electro-hydrostatic actuation systems.</a> Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 1999 (4), 537-542 (1999).</li>
<li>Pawlus, W., Hansen, M. R., Choux, M., Hovland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitigation+of+fatigue+damage+and+vibration+severity+of+electric+drivetrains+by+systematic+selection+of+motion+profiles%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+Transactions+on+Mechatronics%22%5BJournal%5D)">Mitigation of fatigue damage and vibration severity of electric drivetrains by systematic selection of motion profiles.</a> IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 21 (6), 2870-2880 (2016).</li>
<li>Hu, B., Fu, J., Fu, Y., Zhang, P. Measurement system design for a novel aerospace electrically actuator. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHu%2C+B+%22Proceedings+of+2021+Chinese+Intelligent+Systems+Conference%22">Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference</a>. , Springer. Singapore. 612-620 (2022).</li>
<li>De Giorgi, F., Budinger, M., Hazyuk, I., Reysset, A., Sanchez, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reusable+surrogate+models+for+the+preliminary+design+of+aircraft+application+systems%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+Journal%22%5BJournal%5D)">Reusable surrogate models for the preliminary design of aircraft application systems.</a> AIAA Journal. 59 (7), 1-13 (2021).</li>
<li>Kreitz, T., Arriola, D., Thielecke, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+performance+evaluation+for+electro-mechanical+actuators+considering+parameter+uncertainties%5BTitle%5D)+AND+%226th+International+Conference+on+Recent+Advances+in+Aerospace+Actuation+Systems+and+Components%22%5BJournal%5D)">Virtual performance evaluation for electro-mechanical actuators considering parameter uncertainties.</a> 6th International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. 2014, Toulouse, France. 136-142 (2014).</li>
<li>Sanchez, F., Budinger, M., Hazyuk, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dimensional+analysis+and+surrogate+models+for+the+thermal+modeling+of+multiphysics+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Thermal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Dimensional analysis and surrogate models for the thermal modeling of multiphysics systems.</a> Applied Thermal Engineering. 110, 758-771 (2017).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もありません。

EVDPの概念および他の技術的構成要素は、以前の刊行物6,31において提示されており、EVDPの適用可能性および利点を実証している。EVDP自体を研究する代わりに、この論文は将来の実際のアプリケーションニーズに関連して設計方法を研究し続けました。このタイプの高度に統合された学際的なカップリング製品には、特定の設計方法が必要であり、微妙な性能のトレードオフと最適化が必要です。このホワイトペーパーでは、予備設計のためのEVDPモデリングとシミュレーションの完全なプロセスを提案し、説明しました。このプロセスは、マルチドメイン結合分析と学際的な要件を含むこのタスクの全体的かつ実用的な観点から開始されました。また、シミュレーションパラメータの取得に関する困難は、多様なパラメータ推定モデルによって解決されています。その結果、この方法は、EVDPの効率的かつ最適な予備設計を容易にする。シミュレーションがEVDPの予備設計の最終検証ステップであったことは注目に値します。このプロセスの目的は、以前の最適化(<strong class="x...

静水圧アクチュエータ(EHA)は、電動アクチュエータと油圧アクチュエータ1の両方の利点の組み合わせにより、産業用プレス、大型移動機械、クレーンマニピュレータ、および一次航空機制御などの用途に対する関心が高まっています。可変速度EHAと可変変位EHAの2つの基本的なタイプのEHAを識別できます。現在、可変速EHAは、その高い効率とシンプルさのために、可変変位EHAよりも人気があります。しかし、大型打上げ機3 や潜水艦4などの大型機に求められるEHAの高出力化に伴い、可変速EHAの駆動モータや関連電子機器には、低動態、高放熱、高価格などの課題があります。したがって、可変容量EHAは、ポンプ容量を調整する低電力装置を介して制御が実現されるため、これらの高出力アプリケーション(>30kW)向けに再検討されています。
可変容量EHAが優先事項として取られるのを妨げる主な懸念事項の1つは、それ自体が完全なバルブ制御油圧システムである面倒なポンプ容量制御ユニットです。電気可変容量ポンプ(EVDP)は、コンパクトな電気容量制御ユニットを使用してこの問題に対処するために提案されています。この設計により、可変変位EHAのコンパクトさ、効率などが向上し、これまでの弱点をある程度解消します。したがって、新たに提案されたEVDPを使用することで、高出力アプリケーション向けの可変変位EHAの使用が容易になる可能性があります。しかし、EVDPの複雑さは、いくつかの新しい分野のコンポーネントを統合するため、従来の油圧制御可変容量ポンプと比較して大幅に大きくなります。その結果、特定のEVDPベースの研究活動が浮上しています。私たちの研究グループは、EVDP研究5 を開始し、6の開発を続けています。劉氏はEHAアプリケーション向けにEVDPを開発し、実験試験7を実施した。一部の油圧会社もEVDP製品を提供しています。EVDPの技術コンポーネントに関する研究に加えて、EVDPの使用コストをさらに削減し、その性能の可能性を探ることによって、EVDPの能力を高めるためにも、実際のアプリケーション要件に対応するための設計方法も重要です。したがって、特定のEVDP予備設計方法は、その結合された規律を分析することによって、システムレベルの性能のトレードオフを最適化するために必要です。シミュレーションベースの予備設計は、このタイプのメカトロニクス製品の学際的結合8にとって興味深いものです。
EVDPの予備設計のための具体的なシミュレーションモデルは、新たに提案された概念であるため提案されていませんが、関連するメカトロニクス製品に多くの研究が投資されています。予備設計9では、重量、効率、制御性能を最適化するために動的EHAモデルを構築しましたが、予備設計で考慮すべき重要な性能指標である寿命、信頼性、熱特性などは関与していませんでした。別の動的EHAモデルもまた、コスト、効率、および制御性能10を最適化するために使用され、その後、最適化されたEHA11の熱特性を評価するために熱モデルが開発されたが、信頼性および寿命は考慮されなかった。包括的な電気機械アクチュエータ(EMA)の予備設計方法が提示された12。この手法では、異なる特性を解析できる機能の異なる特定のモデルが提案されており、信頼性モデルや寿命モデルも開発されている13。機械的強度、出力能力、熱性能などは、本明細書により評価することができたが、制御性能は関与しなかった。別のEMA予備設計方法は、動的EMAモデルおよび関連部品サイジングモデル14を利用した。コスト、重量、疲労寿命、電力容量、物理的制約などがシミュレーション解析に関係していましたが、信頼性と制御性能は含まれていませんでした。油圧ハイブリッド駆動列15の最適化設計のために動的モデルが提案された。電力容量、効率、制御などはシミュレートできたが、信頼性と寿命は考慮されなかった。EHAベースの飛行制御作動システムを解析するためのモデルが提案されており、その中で単純な動力伝達方程式と重量関数が用いられた16。モデルが車両レベルおよびミッション レベルの解析に使用されたことを考慮すると、モデルの属性カバレッジは限られていたため、適切でした。EHAの主要コンポーネントとして、サーボモータはモデリングと設計に関して別々の注目を集めており、その結果はEHAモデル開発にとっても有益です。サーマルネットワーク、重みモデルなども、EHAモデリング17、18、19のために考慮することができる。レビューされた文献は、EVDPに関連する製品の結果を考慮しても、開発されたモデルが予備設計のために製品のすべての影響力のある性能属性を分析していないことを示しています。制御性能、熱性能、信頼性、および寿命は、モデルの構築において最も無視されてきた属性です。そこで本稿では、EVDP予備設計において最も影響力のある性能属性をすべて解析できるモデルパッケージを提案する。シミュレーション解析も、モデルの機能をよりよく説明するために提示されます。本稿は、前回公報20の延長線上で、パラメータ生成の改善、寿命モデル、信頼性モデル、制御モデルへの関与、計算コストの最適化、モデルの検証、詳細なシミュレーション解析の実施などを行うものである。
従来の可変容量ピストンポンプの油圧制御ユニットを電動アクチュエータに置き換え、 図1に示すようにコンパクトさの向上と放熱の低減を実現しています。電動アクチュエータは、ボールねじ、ギアボックス、および永久磁石同期モータ(PMSM)で構成されています。電動アクチュエータは、ポンプの変位を調整するためにバーを介して斜板を接続します。EHAに適用すると、EVDP斜板の回転位置はPMSMを変調することによって閉ループ制御されます。電動アクチュエータは、相互ケース内のピストンポンプと一体化され、一体成分を形成します。この設計は、作動流体中に電気アクチュエータを沈め、それによってマルチドメイン結合効果を強化する。
EVDPは典型的なマルチドメインメカトロニクス製品であるため、その予備設計は、システムレベルの性能におけるトレードオフを最適化し、コンポーネント設計要件を概説する上で重要な役割を果たします。このプロセスは、シミュレーションベースの設計スキーム10,12に基づいて図2に示されている。ステップ1では、まず、図1のように選択したEVDPアーキテクチャを解析し、指定された性能要件に基づいて設計パラメータを完成させます。次に、設計タスクは通常、EVDPのパフォーマンス最適化を探索するために最適化問題に変換されます。これは、設計パラメータを最適化変数に変換し、性能要件を目標と制約に変換することによって実行されます。設計パラメータは、アクティブ、駆動型、および経験的なカテゴリに分類する必要があることは注目に値します。アクティブなパラメータのみが、その独立性機能のために最適化変数として使用されます。他の2つのカテゴリは、アクティブなパラメータからの推定によって自動的に生成されます。したがって、ステップ2では、駆動パラメータと経験的パラメータの推定モデルを作成します。これらの推定ツールは、最適化の各反復と、必要なすべてのシミュレーションパラメータを定式化するためのステップ5で使用されます。ステップ 3 では、必要なパフォーマンスを反映した最適化の目的または制約ごとに計算モデルを構築します。これらのモデルは計算効率が良いはずです。そうしないと、最適化計算コストは許容できません。ステップ4は、通常、多目的かつ学際的な最適化計算を実行します。また、予備設計段階でのパラメータの不確実性も扱います。ステップ5では、設計したEVDPの全体的なモデルを構築し、それを使用して、標準的なデューティサイクル下でEVDPをシミュレートすることによって最適化結果を検証します。このモデルは、予備設計結果を評価するための究極のツールです。したがって、このモデルは最高の忠実度を持ち、すべての影響力のある特性を密結合スタイルに含める必要があります。最後に、予備設計性能結果とシステムレベルの寸法決定結果が得られます。
本稿では、EVDPのシステムモデリングとシミュレーション手法に焦点を当て、ステップ1のパラメータ解析を行い、ステップ2と5を完了します。まず、設計パラメータはEVDPアーキテクチャと設計要件に基づいて導出され、3つのサブカテゴリに分類されます。第二に、非アクティブパラメータの推定モデルは、スケーリング法則、コンポーネントカタログ、経験関数などに基づいて開発されます。第三に、EVDPの全体的なモデルは、学際的な結合方程式と追加の寿命と信頼性のサブモデルを使用して構築され、モデルは実験によって部分的に検証されます。最後に、前のサイジング結果が構築されたモデルにインポートされ、標準的なデューティサイクルでシミュレーション解析が実行されます。システムレベルの性能は、シミュレーション結果に基づいて推定されます。パラメータ感度と設計の堅牢性も評価されます。その結果、本稿ではEVDP予備設計のための特定のモデリングおよびシミュレーション手法を開発する。EVDPのEHAへの適用性能は包括的に予測されます。提案された方法は、高出力アプリケーション向けのEVDPおよび可変変位EHAを開発するための実用的なツールとして立っています。この方法は、他のタイプのメカトロニクス製品用のシミュレーションツールを開発するためにも参照することができる。本稿のEVDPとは、電気機械制御可変容量ポンプのことであるが、電気油圧制御可変容量ポンプは本稿の範囲外である。

<table><tbody><tr><td>球ねじ</td><td>NSK</td><td>PSS</td><td></td></tr><tr><td>EVDP プロトタイプ</td><td>北京精密メカトロニクス研究所</td><td>カスタマイズ</td><td>7.4 mL/rev、7000 rpm、21 Mpa</td></tr><tr><td>EVDP testrig</td><td>北京</td><td>精密メカトロニクスおよび制御</td>研究所 <td>カスタマイズされた 図 7 を参照し、個々のニーズに適応させることができます。パワーPMACコントローラー、ELMOホイッスルドライバーなどを含みます。</td></tr><tr><td>ギアヘッド</td><td>マクソン</td><td>GP</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2020a</td><td></td></tr><tr><td>パーマンネット 磁石同期モーター</td><td>マクソン</td><td>393023</td><td></td></tr><tr><td>ピストンポンプ</td><td>ボッシュ レックスロス</td><td>A10VZO</td><td></td></tr><tr><td>Simcenter Amesim</td><td>Siemens</td><td>2021.1</td><td>システムシミュレーションプラットフォーム</td></tr></tbody></table>

電気可変容量ポンプの予備設計のためのモデリングとシミュレーション手法

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

静水圧アクチュエータ(EHA)は、学術界でかなり研究されており、様々な産業分野での応用が拡大しています。可変速EHAは現在、可変変位EHAよりも優先されていますが、その駆動モータおよび関連する電子機器は、低ダイナミック、高熱放散、高価格などの高出力アプリケーションに適用すると問題に遭遇します。そこで、電気可変容量ポンプ(EVDP)を搭載した可変容量EHAが検討されている。EVDP自体は、ピストンポンプ、ボールねじ、ギアボックス、永久磁石同期モータ(PMSM)を統合したメカトロニクスシステムです。したがって、EVDP を EHA に適用した場合のシステム・レベルのパフォーマンスを確保するために、EVDP を調査する必要があります。EVDPの技術的パラメータに関するこれまでの研究に加えて、EVDPの使用コストをさらに削減し、その性能の可能性を探るためには、専用の設計方法が必要です。ここでは、37kWのEVDPを設計するために、シミュレーションベースのEVDP予備設計方法が選択される。第一に、以前に提案されたEVDPの学際的モデルは、EVDPの寿命、信頼性、制御モデルなどを含むパラメータ生成を改善することによって拡張される。第二に、提案されたモデルは、小型化されたプロトタイプを使用して部分的に検証される。第三に、EVDPは、提案されたモデルによってサポートされているシステムレベルでシミュレートされる。EVDPの性能は、指定された設計要件に従って評価されます。温度、帯域幅と精度、信頼性と寿命などはすべてEVDPについて予測されます。シミュレーション結果は、可変変位EHAにおけるEVDPの適用性を示しています。提案されたモデリングおよびシミュレーション手法は、多様なEVDP性能を評価し、一般的な設計要件に対応するために使用できます。この方法は、限られた情報と堅牢性の観点から予備設計の課題の解決もサポートできます。したがって,提案手法は,シミュレーションに基づくEVDP予備設計手法の実現に適切である.

このセクションは、図2のEVDP予備設計方法のステップ1の一部、ステップ2のすべて、およびステップ5のすべてを構成するすべてのプロトコルステップを実行した結果を提示する。プロトコルの入力情報には、図1のEVDP回路図、図2のステップ4のEVDPの最適化されたアクティブパラメータ(ステップ5.1.1で説明)、およびEVDP設計要件に関連するEVDP性能シミュレーションタスクが含まれます。プロトコルの結果は、EVDP設計パラメータの値とこれらの設計パラメータの下で予測されたEVDP性能を含む、EVDPの最終予備設計結果です。特に、プロトコルステップ1およびステップ2に組み込まれたパラメータ推定モデルは、設計パラメータの結果を生成する。プロトコルステップ3とステップ4は、EVDPの最終検査のためのシミュレーションモデルを生成します。プロトコルステップ5は、特定の設計パラメータの下でEVDP性能を予測します。これらについては、以下で詳しく説明します。
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電気可変容量ポンプ(EVDP)の予備設計を特にサポートするシミュレーションモデルが開発され、実験によって部分的に検証されます。制御性能、寿命、信頼性などはすべて、EVDP予備設計タスクの主な性能要件をカバーする提案されたモデルを使用して評価することができます。

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

電気静水圧活性化剤は、ヘビーデューティシステムの電化をサポートします。より少ないエネルギー消費を達成するために、私たちの方法は、システムの最適化、電気可変容量ポンプの利用に焦点を当てています。私たちのモデリング、およびシミュレーション方法は、予備設計をサポートします。当社の電気可変容量ポンプは、完全な性能予測、自動パラメータ生成、および設計の堅牢性を選択する必要があります。まず、電気可変容量ポンプまたはEVDPを設計するためのパラメータを分類します。各構成部品を表す独立パラメータをアクティブなカテゴリに割り当て、アクティブなパラメータから派生したパラメータを被駆動カテゴリに割り当てます。次に、経験的関数を使用して計算されたパラメータを経験的カテゴリに指定します。推定モデルを開発するには、スケーリングの法則を使用して、アクティブパラメータからポンプとモータ駆動パラメータを推定します。構成部品カタログを使用して、アクティブなパラメータからギアボックスとボールねじの駆動パラメータを推定します。ポンプ、ギアボックス、ボールねじの効率を経験関数で評価し、経験関数を用いて開発した熱ネットワークモデルの熱抵抗を熱力学理論から推定する。各コンポーネントの重みを合計し、システムシミュレーションプラットフォームでEVDPの動的集中パラメータモデリングを実行して、MATLABでEVDPの重量モデルを構築します。次に、EVDPのサーマルネットワークを設定して、システムシミュレーションプラットフォームでEVDPの熱モデリングを行います。寿命と信頼性のモデリングには、ボールの疲労寿命とピストンポンプユニットの摩耗寿命を寿命として使用します。ボールねじとピストンポンプユニットの寿命を方程式でモデル化します。ボールねじとその寿命に対応するポンプの信頼性を0.90と仮定し、50,000番目の労働時間で計算された信頼性を定義します。次に、ボールねじとピストンポンプユニットの信頼性を次の式でモデル化します。各節点のすべての方程式をまとめて配置し、各節点のモデルブロックを形成することによって、モデルの組み立てに進みます。次に、各ノードの入力変数と出力変数を終了します。EVDPモデル全体の入力と出力を定義し、すべてのノードの因果関係分析を実行します。必要に応じてノードを追加して、すべてのノードが因果関係でリンクされていることを確認します。次に、すべてのノードを接続して、EVDPの全体的なモデルを形成します。EVDPモデルが形成されたら、EVDPプロトタイプとテストリグを使用してモデリング方法を検証します。これを行うには、EVDPをローディング部品と制御部品で構成されるテストリグに取り付けます。次に、3つのEVDPポートをローディング部の油圧回路に接続し、EVDP電気ケーブルを制御部に接続します。パネルのスタートボタンを押し、補助油圧を始動して試作試験を行います。パネルのボタンでモード・バルブを非アクティブにした後、ユーザー・インターフェースのテキスト・ボックスで掃引周波数変位コマンドをEVDPに設定します。EVDPの変位応答を記録し、その大きさと位相特性を導き出します。実験結果を分析するには、EVDPプロトタイプのアクティブパラメータを以前に構築したモデルに設定します。モデルは、他の必要なシミュレーションパラメータを自動的に生成します。環境温度、EVDP初期温度を40°Cに設定し、EVDPプロトタイプテストと同じ条件でシミュレーションモデルを実行し、シミュレーション結果を記録します。モデルの精度を確認するには、各条件群の実験結果とシミュレーション結果を1つの図にプロットします。EVDP設計のシミュレーション解析を実行するには、パラメータモードタブをクリックし、TFFD31オプションを選択して、動的モデルと熱モデルを設定します。次に、単純な流体特性データのファイル名タブに移動して、オイルプロパティファイルをインポートします。パラメーター・モードでは、THGCV01 または THGCV02 ブロックを使用します。原稿に記載したように環境温度を設定するには、パラメータ推定モデルにアクティブなパラメータを入力します。次に、エディタタブの下にある実行ボタンをクリックして、すべてのシミュレーションパラメータを生成するためのスクリプトを実行します。MATLABでは、エディタタブの下にある実行ボタンを使用して、重量を計算し、シミュレーションパラメータを使用して動的モデルと熱モデルをアクティブにするためのスクリプトを実行します。シミュレーション結果はスクリプトによって自動的に取得されます。エディタタブの下にある実行ボタンで、保存されたシミュレーション結果からEVDPの寿命と信頼性のパフォーマンスを計算するためのスクリプトを実行します。システムシミュレーションプラットフォームのシミュレーションモードに移動して、結果を確認します。次に、これらの時間領域シミュレーション結果から他のEVDP性能結果を導き出します。シミュレーションパラメータを設定するには、パラメータモードを確認します。次に、[エディタ]タブの下にある[実行]ボタンを使用して、動的モデルと熱モデルをアクティブ化するためのスクリプトを実行します。後で、シミュレーションモードタブを押して、感度解析と不確実性解析を確認します。ここでは、さまざまなEDVP部品の温度ダイナミクスを示します。代表的な解析は、フルデューティサイクル下でのEVDP効率を示しています。全負荷状態では、EVDPは約80%の総効率を達成しましたその後、EVDPの絶対損失は低下し、効率が低下しました。掃引周波数応答はEVDPの動的性能を調べました。EVDPの予測性能では、0.09度の誤差で良好な制御精度が予測されましたが、ポンプの寿命と信頼性が最も弱いことがわかりました。提案されたモデルを構築した後、完全な予備設計方法を開発することができます。この方法は、電気可変容量ポンプ、および関連する電気静水圧活性化剤の適用性を高めることができる。この方法は、パラメータの確実性や学際的なシミュレーションなど、設計段階の一般的な課題を解決しました。これにより、電気静水圧活性化剤用のポンプのより信頼性の高い予備設計につながります。

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学ぶ電気可変容量ポンプのモデリングとシミュレーション手法。制御性能と信頼性を評価し、重機システムの電動化に向けた予備設計を支援する。パラメータ自動生成と設計頑健性の向上に貢献する。

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