电静压伺服机构心脏的极限探索：20 000 r/min伺服电机泵搅油功率损失溯源与抑制

 

摘要：伺服电机泵（Servo Motor Pump，SMP）是电静压伺服机构（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）的核心动力与控制元件，其性能直接决定整机伺服系统的极限水平。针对航天电静压伺服机构对高压、高速、高功重比的极端要求，本文围绕一种转速最高达20 000 r/min的高转速小排量伺服电机泵，系统阐述了其结构原理、性能仿真与试验验证。该方案将高速柱塞泵与高速伺服电机进行同轴共壳集成化设计，取消联轴器与旋转动密封，实现电机转子与泵芯同腔共流场。运用Ansoft Maxwell、PumpLinx及AMESim等软件分别完成电机电磁场、泵转子组件流场及系统综合性能仿真，揭示了不同工况下的电磁特性、搅油损失规律及系统特性。搭建试验系统完成空载及负载性能测试，结果表明该伺服电机泵在最高转速20 000 r/min下具备瞬时高过载能力，容积效率达85%，动态响应时间在10 ms以内，可较好地满足电静压伺服机构的应用需求。在此基础上，分析影响性能的主要因素并探讨结构优化方向，展望伺服电机泵技术的未来发展趋势。

关键词：伺服电机泵；电静压伺服机构；高速柱塞泵；搅油损失；性能仿真

一、伺服电机泵发展概述

随着航空航天技术向多电化/全电化方向深入发展，电静压作动器（EHA）作为一种将电力驱动与液压传动深度融合的模块化作动装置，正逐渐取代传统的阀控电液伺服系统，成为飞行器飞控作动、推力矢量控制等领域的主流技术方案。EHA通过伺服电机直接驱动液压泵，以泵控容积调速方式实现作动器运动方向和速度的精确控制，取消了传统伺服阀和集中式液压油源，在可靠性、维护性、能量效率等方面具有显著优势。以某火箭推力矢量控制系统为例，采用EHA方案后，四通道作动系统总重仅85 kg，较传统伺服阀控方案减重约37%，且系统能量转换效率提升一个数量级。

伺服电机泵作为EHA的核心动力与控制元件，承担着电能向液压能转换、流量与压力精确调控的关键任务，其性能优劣直接决定整个伺服机构的能力边界。国际上，以Moog、Parker Hannifin、Bosch Rexroth及Eaton为代表的企业已建立起较为成熟的产品谱系；我国在“十三五”“十四五”期间持续加大研发投入，北京航空航天大学、浙江大学、中国航天科工集团等单位在高速电机设计、低脉动泵优化等关键技术上取得了显著进展，但在工程化可靠性、极端工况适应性等方面仍存在差距。

航天电静压伺服机构对减重有极端要求，迫使伺服电机泵朝着高压高速化方向发展，以在有限体积和质量约束下实现更高的功率输出。然而，高转速工况下电机铁芯损耗急剧增加，泵转子组件搅油损失呈指数上升，成为制约性能提升的主要瓶颈。本文提出一种转速最高达20 000 r/min的高转速小排量伺服电机泵设计方案，通过电磁、流场及系统级多维度仿真与试验验证，系统研究其性能特征与影响因素，以期为同类产品的工程化研制提供理论依据和技术参考。

二、伺服电机泵发展及国内外研究现状

2.1 EHA技术的发展脉络

电静压作动器（EHA）的核心理念是将电能通过伺服电机转化为液压能，再通过液压缸转化为机械能，构成一个自包含的闭式容积调速系统。与传统阀控电液伺服系统相比，EHA取消了易发生污染堵塞故障的伺服阀，也无须依赖庞大的集中式液压油源和长距离液压管路，在可靠性、密封性、使用维护性和能量效率等方面均取得了大幅提升。

国际上，EHA技术在航空航天领域的应用已从验证阶段走向工程化部署。空客A380客机的飞控系统率先采用了EHA作为备份作动器，标志着该技术在民航领域的关键突破。在军事领域，美国F-35战斗机的飞控作动系统也广泛采用了电静压作动技术。Moog公司于2011年即推出了集成伺服电机、液压泵、液压阀、控制器等组件的一体化EHA方案，宣称可较传统方案减重约40%。在航天领域，EHA已被应用于运载火箭推力矢量控制系统，并在某型号上完成了首次飞行验证。

国内方面，随着多电飞机技术战略的推进，EHA的研发受到高度重视。关莉等综述了国内外EHA的发展现状，指出高可靠高速液压泵设计和高效大功率伺服控制器设计是EHA作动技术的主要难点，高功重比电机技术、电机控制策略和EHA监控器设计是重点攻关方向。徐兵、张军辉团队从机器人应用角度系统综述了EHA的构型方案、硬件组成和控制算法，指出EHA在小尺寸和高力重比机器人中展现出巨大发展潜力。

2.2 伺服电机泵的技术现状

伺服电机泵作为EHA的核心部件，其技术发展经历了从分体式到集成式的演进过程。分体式方案将伺服电机与液压泵通过联轴器机械连接，结构简单但轴向尺寸大、动态响应受限于联轴器刚度。集成式方案将电机转子与泵转子同轴布置甚至共用壳体，显著提升了功重比和动态性能。

从泵的类型看，伺服电机泵主要采用柱塞泵、齿轮泵和叶片泵三种形式，转速范围多在1 250～5 000 r/min，排量5～25 mL/r。对于航天等领域的高性能要求，柱塞泵因其高压能力和高效率成为主选方案。值得关注的是，不同泵型的选择涉及系统层面的权衡：MDPI 2025年的对比研究表明，齿轮泵EHA虽然机械结构更简单，但由于需要频繁调速以匹配流量需求，对电机和控制电路提出了更高要求。相比之下，轴向柱塞泵在高压工况下具有更高的容积效率和更低的流量脉动，更适合航空航天等对性能要求苛刻的应用场景。

在高速化方向，美国Vickers公司生产的一款小规格柱塞泵排量仅为0.5 mL/r，最高转速达到22 500 r/min，代表了该领域的国际领先水平。中国航天用小规格柱塞泵最高转速达到20 000 r/min，瞬时最高转速可达23 000 r/min，最大输出压力达21 MPa，性能与Vickers产品相当。

近年来，国内在伺服电机泵领域的研究不断深化。吕定翀等在高功重比、高动态、长寿命、低噪声和智能化五个维度总结了高性能伺服电机泵的关键技术挑战。在集成化方面，同轴共壳、浸油工作、取消旋转动密封成为主流技术路线，电机转子与泵芯同腔共流场的设计使结构更为紧凑，对外密封可靠性显著提高。

三、伺服电机泵结构与工作原理

3.1 集成化结构设计

本文研究的高转速小排量伺服电机泵采用伺服电机与恒排量柱塞泵同轴共壳的集成化设计方案。其主要组成部分包括：高速永磁同步伺服电机、旋转变压器、电连接器以及恒排量轴向柱塞泵（含缸体、柱塞和配流盘），全部集成在一个壳体内，浸油工作。

与传统的分体式“伺服电机+泵”方案相比，该集成化设计具有以下突出特点：

（1）同轴共壳，取消联轴器。伺服电机转子与泵芯直接同轴连接，消除了联轴器带来的传动间隙和弹性变形，显著提升了扭转刚度和动态响应性能。同时，省去联轴器也减少了零件数量，降低了结构复杂度和重量。

（2）同腔共流，取消旋转动密封。电机转子与泵转子组件处于同一油腔内，液压油既作为泵的工作介质，又作为电机的冷却和润滑介质。由于壳体内外不存在旋转动密封界面，彻底消除了传统泵轴端旋转密封的泄漏风险，密封可靠性大幅提高。

（3）紧凑轻量化。通过结构融合设计，将电机壳体与泵壳体合二为一，有效减少了轴向和径向尺寸，满足了航天应用对体积和重量的苛刻约束。

3.2 工作原理

伺服电机泵的工作原理基于泵控容积调速技术：外部控制器根据伺服机构的位移或力反馈信号，输出控制指令至伺服驱动器，驱动器调节伺服电机的转向和转速，电机驱动恒排量柱塞泵旋转，泵输出方向可变、流量可控的压力油液，进而驱动作动器活塞杆实现预定的运动方向和速度。

具体而言，当伺服电机正向旋转时，柱塞泵将油液从一侧吸入并排向另一侧，推动作动器活塞伸出；当伺服电机反向旋转时，油液方向反转，活塞缩回。输出流量与电机转速成正比关系，通过变频调速即可实现流量的无级连续调节。

该伺服电机泵的最大负荷工况点为：转速3 000 r/min时最大输出压力21 MPa，对应电机输出扭矩约4 N·m。在最高转速20 000 r/min条件下，理论输出流量约20 L/min。值得强调的是，由于采用同轴共壳设计且取消了旋转动密封，电机转子旋转产生的热量可通过液压油有效传导和散逸，在持续工况下具有良好的热管理能力。

四、伺服电机泵性能仿真分析

为全面评估伺服电机泵的性能特征，本文采用多物理场协同仿真方法，分别运用Ansoft Maxwell、PumpLinx和AMESim三种软件，从电机电磁场、泵转子组件流场及系统综合性能三个维度进行仿真分析。

4.1 伺服电机电磁性能仿真

采用Ansoft Maxwell 2D软件建立永磁同步电机的二维有限元模型。仿真中做出以下基本假设：不计交变磁场在导电材料（如定子绕组、铁心冲片及机座）中的涡流反应；忽略电机外部磁场；定子外表面圆周和转子内表面圆周为零矢量位面；忽略端部效应，磁场沿轴向均匀分布。对定子槽口、扇形片圆角及磁极冲片圆角等细微之处作近似处理。

对最大工况点（转速3 000 r/min、输出转矩4 N·m）进行仿真计算，得出相电流有效值为33.5 A，电密30.01 A/mm²。电机磁密分布显示，定子齿部磁密度约为1.85～1.9 T，接近磁密饱和区域，表明电机设计充分发挥了铁磁材料的电磁性能。在3 000 r/min转速下输出转矩仿真值为3.98 N·m，转矩波动为1.38%，优于常规2%的工程要求。该转速下的反电势曲线显示峰值为33.9 V，为驱动器设计和控制策略制定提供了关键参数。

上述仿真方法在同类永磁同步电机的电磁设计中已有广泛应用。文献研究表明，利用Ansoft Maxwell 2D软件对永磁交流伺服电动机进行二维电磁场有限元分析，仿真结果与试制样机测试结果基本一致，验证了该方法的可靠性和准确性。

4.2 泵转子组件摩擦及搅油损耗仿真

泵转子组件在浸油环境中高速旋转时产生的摩擦及搅油损失，是影响伺服电机泵能量效率的关键因素。从流体动力学角度分析，转子搅油粘性摩擦力矩损失与转子半径的立方、转速的平方及转子长度成正比，与转子和壳体之间的间距成反比。泵转子组件中的柱塞-滑靴组件在运行中同时存在绕主轴的旋转运动、绕自身轴线的自旋运动及沿转子孔方向的轴向往复运动。为简化分析，通常将柱塞-滑靴组件等效为一个圆柱体，忽略其相对运动和自旋运动。柱塞-滑靴组件切割流体运动引起的搅油阻力与其平均直径、旋转线速度平方及外伸长度等参数成正比。

采用PumpLinx软件对不同转速下泵转子组件所处流域进行流场仿真。PumpLinx是专门面向泵、马达、压缩机等旋转机械的三维CFD仿真工具，能够精确预测泵的扬程、功率、效率、空化效应等性能参数。仿真结果表明，不同转速区间搅油损失的物理机制存在差异：在低速工况下，柱塞-滑靴组件切割流体运动产生的绕流阻力损失占主导因素，此时层流粘性摩擦损失较小；在高速工况下，泵转子组件旋转运动产生的层流粘性摩擦损失转变为湍流切应力损失并占主导地位，而柱塞-滑靴组件产生的绕流阻力则由于多圆柱耦合高速绕流的遮盖效应和空化现象而有所降低。

以18 000 r/min转速下的流场仿真为例，压力流线显示泵转子组件外围油液压力高于柱塞-滑靴组件区域压力，最高压力达约1 MPa。柱塞-滑靴组件周围出现回流现象，易发生涡流，造成空化及能量损失。定量计算得出，在18 000 r/min转速及对各摩擦副接触面施加摩擦力的条件下，最大摩擦及搅油扭矩为0.462 N·m，稳态损失扭矩为0.152 N·m，对应最大损失功率约870.4 W，稳态损失功率约286.3 W。

采用同样方法对6 000 r/min、12 000 r/min、15 000 r/min及20 000 r/min各转速点进行仿真，得出对应损失数据。随着泵转子组件转速升高，最大摩擦及搅油扭矩呈上升趋势，在20 000 r/min时达到峰值约1.0 kW，表明高转速对搅油损失的影响极为显著。

4.3 伺服电机泵AMESim系统仿真

为验证伺服电机泵的综合性能，利用AMESim软件搭建系统级仿真模型，包括伺服电机模型、恒量柱塞泵模型及液压加载装置模型。AMESim作为多学科领域复杂系统建模仿真平台，已广泛应用于EHA系统的建模与分析。

值得指出的是，文献中的若干AMESim仿真研究存在局限性：有的仅单独研究电机泵的配流阀运动而未能引入电气部分作用，不能全面反映系统性能；有的虽然搭建了双伺服电机泵控制系统模型，但电机仅给定转速信号，未能实现电气信号的采集和反馈。本文建立的仿真模型弥补了上述不足，将电机电磁特性、泵液压特性与负载特性进行耦合。

通过仿真计算，在转速3 000 r/min、输出压力21 MPa的工况下，反电动势仿真值为33.6 V，与Ansoft Maxwell电磁场仿真的33.9 V基本吻合，验证了多软件联合仿真的一致性和可靠性。系统仿真模型还为后续试验方案的制定提供了参考依据。

五、伺服电机泵性能试验及分析

5.1 试验系统与方法

搭建专用的试验系统对伺服电机泵进行性能测试，测试内容包括高速伺服电机单机空载、浸油空载工况以及伺服电机泵浸油空载、负载性能测试。试验系统由伺服驱动器、测试台架、液压加载装置（比例溢流阀）、流量计及数据采集系统组成。

测试方法为：通过驱动器控制伺服电机或伺服电机泵的转速和转向，同时监测电压和电流数值。输出压力由试验系统比例溢流阀调定，输出流量由流量计监测。空载测试转速范围为3 000～20 000 r/min；负载测试在转速15 000 r/min下进行，压力点设定为5 MPa、8 MPa、12 MPa和18 MPa（忽略实验台0.5 MPa的背压）。

5.2 空载特性分析

空载特性试验包括伺服电机单机空载、空载浸油以及伺服电机泵空载浸油损耗试验三个层次。

伺服电机单机空载测试采用短时驱动方式（防止电机发热过快及轴承润滑失效），记录不同转速（3 000～20 000 r/min）下的空载电流。试验结果表明，随着伺服电机转速不断增加，相电流有效值呈整体上升趋势。这是因为空载运行时铁损和机械杂散损耗为主要损耗项，且随转速升高呈指数增长，这一规律与高速电机的通用损耗特性一致。

伺服电机泵在浸油环境下进行空载测试，随着转速增加，摩擦及搅油损失呈急剧上升趋势。与单独伺服电机相比，伺服电机泵的搅油损失显著增大，这是因为泵转子组件（缸体、柱塞、滑靴、配流盘等）在充满油液的壳体内高速旋转，各摩擦副高速相对运动，同时剧烈搅动油液，使油液动能急剧增加，流态趋于紊乱，涡流微团的碰撞阻力增大。

将空载浸油损失试验数据与PumpLinx仿真曲线进行对比分析，两者趋势较为吻合，有效揭示了摩擦及搅油损失与转速之间的非线性关系，为后续仿真参数的优化设置提供了试验数据支撑。

5.3 负载特性测试

负载特性试验前，首先对不同转速下伺服电机泵的空载输出特性进行标定。测试转速范围为1 000～20 000 r/min，对应输出流量为1.05～20.8 L/min，流量与转速具有良好的线性关系。

在最大工况点（3 000 r/min、21 MPa）下，容积效率为82.5%，相电流有效值为25 A。在最高转速20 000 r/min进行负载试验，瞬时最大加载压力21 MPa，此时相电流有效值为55 A，是理论相电流有效值10 A的5.5倍，容积效率达85%，表明该伺服电机泵具备瞬时高过载能力，可满足航天电静压伺服机构对短时大功率输出的应用需求。

在选定较高转速15 000 r/min下进行不同压力点的变负载测试，试验结果表明：随着输出压力升高，输出流量基本不变，容积效率保持稳定，总输入功率呈上升趋势；值得关注的是，随着输出压力升高，柱塞泵各摩擦副油膜逐步建立，在一定程度上减缓了机械摩擦损耗，因此总效率呈现一定上升趋势，最高达约63%。这一规律反映出伺服电机泵具有良好的高压工况适应性，在较高压力下能够维持相对理想的机械效率水平。

5.4 动态性能测试

为进一步验证伺服电机泵随伺服机构整机的动态性能，开展带载扫频测试及带载暂态测试。负载对象以惯性负载为主，模拟负载台转动惯量为180 kg·m²，零位力臂为629 mm。

测试采用两种典型信号：幅值3 mm（约满量程5%）的带载扫频信号（选取典型频率点15 rad/s和30 rad/s）以及带载40 mm（约满量程60%）的阶跃信号。测试结果表明，伺服电机泵在两种测试信号下正反向运行平稳，指令曲线与跟踪曲线较为吻合，转速跟随误差范围为±(2.8%～5.2%)，动态响应时间在10 ms以内，动态跟随性较好，可满足系统使用要求。

六、伺服电机泵的应用与发展趋势

6.1 主要应用领域

伺服电机泵作为EHA的核心部件，其应用领域已从最初的航空航天拓展至机器人、舰船、高端工业装备等多个方向。

航空航天领域是伺服电机泵最主要的应用场景。在飞控作动系统中，EHA已应用于空客A380、F-35等机型。在运载火箭推力矢量控制中，EHA被证明兼具传统电液伺服作动器的高承载、高可靠性以及电动静压作动器的高效率、易维护等优势。在国内，北京精密机电控制设备研究所等单位已开发出多种集成电静压伺服机构方案，通过了地面试验验证。

机器人领域对伺服电机泵提出了轻量化、高动态、高精度力控的综合要求。浙江大学徐兵教授团队的研究表明，EHA在关节机器人、可穿戴外骨骼和足式机器人等领域展现出巨大的应用潜力，如膝关节动力辅助外骨骼机器人的EHA系统重量仅1 124 g，最大输出扭矩达30 N·m。

高端工业装备方面，Moog公司的EPU-G型电静液泵单元集成四象限内啮合齿轮泵和伺服电机，适用于体积流量低至10 L/min的应用场景，可有效降低部分负载工况下的噪音排放和能耗。

 

6.2 技术发展趋势

面向未来，伺服电机泵的技术发展呈现以下趋势：

（1）更高转速与更高压力。为满足航空航天对功重比的持续追求，伺服电机泵将朝着更高转速（>25 000 r/min）和更高压力（>35 MPa）方向发展。这对轴承技术、摩擦副材料、密封方式和热管理均提出了更高要求。

（2）机电液热多物理场协同优化。传统的分系统独立设计方法已难以满足集成化程度不断提高的设计需求，基于电磁场、流场、温度场和结构力学的多物理场耦合优化将成为伺服电机泵设计的核心技术手段。

（3）宽禁带功率器件的集成应用。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体器件可在高结温（>170 ℃）下工作，具有开关速度快和通态电阻低的优势，将电机驱动器与EHA本体进行一体化集成，可显著提高系统功率密度和可靠性。

（4）智能化与健康管理。通过嵌入位置、压力、温度等多种传感器，结合数字孪生和机器学习技术，实现伺服电机泵的状态监测、故障诊断与预测性维护，是提升产品可靠性和降低全生命周期成本的重要方向。

6.3 未来技术展望

展望未来，伺服电机泵的技术突破将在以下几个层面推进：

在材料层面，高性能硅钢片和非晶合金材料的应用可有效抑制高速电机铁芯损耗；碳纤维增强复合材料和陶瓷涂层技术的引入有望改善摩擦副的耐磨性和减摩特性。

在设计层面，内流场的拓扑优化和泵摩擦副表面的微织构改性可有效减小高速搅油损失和机械摩擦损失；基于增材制造的一体化结构设计可实现更复杂的内部流道和更合理的刚度分布。

在系统层面，伺服电机泵将逐步从单一的作动执行元件发展为具备自感知、自诊断、自适应能力的智能动力单元，与飞行器/装备的健康管理系统深度融合，实现从“被动响应”到“主动管控”的跨越。

对于航空泵用屏蔽电机领域而言，伺服电机泵的高转速、高集成度设计理念及多物理场仿真方法具有重要的借鉴意义。特别是浸油工作条件下的电磁-热-流耦合分析方法、高速旋转组件搅油损失的评估与抑制技术，均可为航空屏蔽电机泵的研发提供理论和方法支撑。

 

6.4 本文结论

本文针对航天电静压伺服机构的应用需求，提出了一种转速最高达20 000 r/min的高转速小排量伺服电机泵设计方案，并通过多物理场仿真与试验验证对其性能进行了系统研究，主要结论如下：

（1）该高转速小排量伺服电机泵可实现最高转速20 000 r/min，最大输出流量约20 L/min，在最高转速下容积效率达85%，具备瞬时高过载能力，可为电静压伺服机构提供一种高集成、高比功率的可控液压动力源。

（2）通过伺服电机泵空载浸油及负载特性试验，明确了高速工况下铁损和机械杂散损耗以及摩擦和搅油损失是影响性能的主要因素。特别是在20 000 r/min时，泵转子组件的摩擦及搅油损失功率达到约1.0 kW，占输入功率的显著比例。

（3）伺服电机泵具有较好的动态性能，正反向运行平稳，动态响应时间在10 ms以内，位置跟随误差在±5.2%以内，可满足伺服机构系统的使用要求。

（4）后续可通过高性能材料（如低损耗硅钢片或非晶合金）的选择抑制高速电机铁芯损耗，通过结构优化设计及内流场优化、泵摩擦副表面改性等方式减少摩擦及搅油功率损失，进一步提升伺服电机泵的综合性能。

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