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

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。