增压泵技术

在涂料循环系统的发展应用过程中，应用于供漆泵的增压泵技术的发展主要经历离心泵、转子泵、单向作用的双活塞泵和双向作用的四球泵四个技术发展阶段。早期的汽车涂料都为溶剂型涂料，对剪切力并不敏感，用户选用离心泵和转子泵来对涂料进行增压，其主要优势是输出压力较稳定，设备投资较低。随着金属漆、高固体分漆和水性漆的发展和应用，涂料对剪切力开始越发敏感，同时市场对车身涂料也提出了更多色彩变化的需求，这就对涂料循环系统的工艺设备提出了更高的要求，需要更低剪切力的增压泵技术和便于快速换色清洗的增压泵的结构设计。在最近的20多年中，双向作用的四球泵的应用越来越普遍，相比单向作用泵，双向作用的四球泵的活塞上下往复一次可以完成两次吸料和两次出料，而单向作用的活塞泵，其活塞上下（或左右）往复一次仅能完成一次吸料和一次出料，填料和出料比较急促，不适宜应用于需要连续流量和稳定压力供应的涂料循环系统，这就是为什么由单向作用的活塞泵打造的供漆泵必须采用左右对称配置的双活塞的结构设计，以便达到左右往复一次可以完成两次吸料和两次出料，但如此的结构设计会导致较高的剪切力和成倍的维修成本，此外，针对左右两个活塞缸的清洗和换色所耗费的材料和时间也成倍增加。

对于各种增压泵技术，PPG Industries Inc.和Center for Interfacial Engineering （University of Minnesota）曾经展开过实验，分析比较哪种增压泵技术对涂料的降级影响最小、对经历长时间循环后的涂料所形成的涂层的质量影响最小。最终的结果是双向作用的四球泵对涂料的降级影响最小、换色清洗最快、涂层质量的变化最小，其次分别是单向作用双活塞泵、转子泵和离心泵（见图1）。

增压泵的驱动技术

供漆泵的驱动技术有气动、液压和电动三种。实验室条件下测得的不同方式驱动的供漆泵的每小时的运行能耗如表1所示。

多年来，压缩空气驱动的气动泵因其安装和操作简单、设备投资成本较低而成为涂料循环系统中选用最多的供漆泵。能耗大是气动泵的最大缺点，但是值得一提的是气动泵的压力自平衡特点，使其在实际使用时，当供漆系统实际所需的流量减小或增大时，气动泵能够随时对泵的往复速度自动作出调整、甚至憋停，以维持涂装工作所需的恒压输出模式，这种动作响应能力是交流电动机电动泵所无法企及的。

随着汽车涂装系统的产能增大，更多的专业用户在涂料循环系统上选用液压驱动的供漆泵，由于液体是不可压缩的，故相比气动泵，液压泵的换向响应速度更快，输出的压力和流量更大、更平稳。由于液压油的自润滑作用以及液压缸的结构相对更简单，液压泵的免维护寿命比气动和电动泵要长很多,日常维护的工作量和成本也是最低的，更重要的是液压泵的能效很高，在实际的工作模式下，液压泵的能效甚至比电动泵还高。再有，液压泵和气动泵均属本安型设备，在危险区域使用时其本身是安全的。

相比气动泵和液压泵，电动泵因其增压泵是由其自身配置的电动机驱动，方便对每一台供漆泵的运行压力（转矩）、流量（转速）进行独立控制，在近期的工业自动化背景下得到了较快的应用和发展。对于处在危险区域使用的电动泵，设备本身的设计和制造需充分考虑防爆技术要求，必须选用通过第三方的技术安全认证（例如FM、ATEX、UL）的电动供漆泵，此外现场的布线、防爆护管、防爆开关和电控柜等电器工程配置，也需严格按照相关的技术要求执行，故选用电动泵的涂料循环系统的投资成本会比气动和液压泵增加不少。便于管理和控制是电动泵的最大优点，在配合休眠模式（恒流量模式下的低压循环）的工况下，电动泵的能耗可以进一步降低。

电动泵的优化和选择

众所周知，电动泵需要通过电动机才能将电能转换为用于驱动增压泵运行的机械能。工程师通常会在交流（AC）电动机和直流（DC）电动机中进行选择。对于大多数普通工业应用而言，传统的交流感应电动机使用比较普遍，这主要得益于交流电动机的制造和应用技术门槛低、制造成本低，若对速度和转矩控制没有要求，则可以直接使用工频（50 Hz）来驱动，若需对速度和转矩进行控制，则需要额外购置变频控制器（VFD）和相关的驱动程序（PLC程序电子卡）来配合运行，如此会增加用户额外的设备投资,也需要有经验的现场设备操作人员的配合才能确保设备的有效运行。

无刷直流电动机因技术含量高、制造成本高等因素，通常仅用于高端工业产业，如机器人、工业自动化装备、高精度CNC，甚至电动汽车等。伴随工业自动化的发展，电动机制造工艺和技术也有了很大的进步，无刷直流电动机（BLDC）获得了关键性的技术突破，其成本得以很好地控制，高效能和使用的便捷性得以更大的发挥，由其驱动的机电设备开始从高端走向亲民，并越来越深受广大用户的青睐。

交流感应电动机和无刷直流电动机的区别

交流感应电动机和无刷直流电动机的结构非常相似，主要不同点在于转子的设计。交流感应电动机的转子上不带任何磁体，而是一系列金属叠片和绕组，交流感应电动机将三相电源应用于电动机定子时，会形成旋转磁场，该旋转磁场会在电动机中通过感应作用产生交变电流，转子在交变的电流相位下运转；无刷直流电动机将转子上的绕组更换为一系列永磁体，采用电子整流技术，在精准的时间段内向正确有效的方向施加电流，可实现较高精度的操控和较高效率的运行。

大部分交流感应电动机可直接通过交流电源供电运行，而无须使用控制器。但是，如果需要变速（例如控制供漆泵的流量输出），则必须在交流电源与电动机之间安装变频控制器（VFD）。变频器通过改变提供给电动机的电源频率来改变电动机的转速。例如，对于额定转速为1 800 r/min、额定频率为50 Hz 的电动机，当以25 Hz 的频率运转时，其转速会降至900 r/min。即便使用变频控制器（VFD），交流感应电动机的转速可控范围也是有限的，大约为额定转速的30%～130%。要在非常低的转速下运行或在停止转动的情况下依然能够产生额定的转矩，交流感应电动机就难以胜任，除非继续维持高速运行，并通过溢流阀溢流或泄压来实现。

无刷直流电动机驱动的供漆泵

应用于涂料循环系统的任何一款供漆泵，考虑到其对涂料剪切力、涂料降级、降低气泡产生等因素的影响，供漆泵每分钟的往复次数宜少不宜多，建议将供漆泵往复次数控制在12 cpm/min左右是涂装界的共识，这将有助于保持循环系统中的涂料品质稳定；供漆泵在低转速甚至零转速的情况下（不借助使用溢流阀）要能够保持恒定的压力输出，这将有助于用户使用最少的能耗就能使供漆泵处于恒压或待命状态，可以随时准备为若干个枪站提供确保良好涂装品质要求的雾化压力和流量供应。要想构建具备这些优异特性的涂料循环系统，可以选用本安型、压力自平衡的气动泵和液压泵。若要选用电动泵，就需要选用更先进的无刷直流电动机驱动的供漆泵。

如图2所示，与交流感应电动机不同，无刷直流电动机将转子上的绕组更换为一系列永磁体，这些磁体会产生与定子磁场相互作用的磁场，并产生转矩。值得注意的是无刷直流电动机并非简单地依靠单相或三相交流电源来直接形成旋转磁场，而是通过转子上的轴编码器和电子整流技术，在精准的时间段内向正确有效的方向施加电流，快速高效地达成你所期望的转矩和转速，实现高精度的操控和高效率的运行，即便交流电源的电压或频率有小幅度变动，无刷直流电动机的输出性能仍能不受影响。由于电动机的转速和转矩受控于轴编码器和电子整流技术的精确控制，无刷直流电动机能够在低转速下平稳运行，甚至转速为零时依然能够产生并保持所需的转矩，这是交流电动机所无法企及的。图3反映的无刷直流电动机的能效比三相交流电动机和单相交流电动机的能效明显高出许多。

结论

采用无刷直流电动机（BLDC）制造的供漆泵，由于其轻巧的转子、先进的轴编码器和内置式电子整流技术，使得供漆泵可以对供漆系统的需求变化进行快速响应，可以通过电子换向装置实现往复运动，可以精确控制压力以及快速高效实现转矩控制，因而无刷直流电动机驱动的供漆泵的齿轮齿条传动方式和结构可以做得更精简，传动更高效。交流感应电动机驱动的供漆泵则需通过庞大的凸轮、直线滑块和滑轨等传动装置来实现往复运动，不仅增加了设备的体积，也增加了较多的滚动和滑动摩擦部件及其维护成本。先进的无刷直流电动机已经将编码器和电子整流及控制装置集成在电动机内部，由其构成的供漆泵是一款易学好用的智能电动供漆泵，用户只需提供220 V或380 V的常规交流电源即可使用，并为用户提供了如下诸多的益处：

1）直流电动供漆泵体积小、重量轻、占地面积少，相应调漆间的基建投资也少。

2）直流电动供漆泵的起动性能好、驱动平稳、发热量少、运行安全可靠。

3）直流电动供漆泵对系统转矩变化的响应快，在低转速甚至零转速时能够保持恒定的转矩输出，该独特性能可以帮助用户既快又方便地构建涂装系统所要求的恒压自平衡模式。

4）无须像交流电动供漆泵那样额外购置变频控制器（VFD）和电子程序卡来控制转速（流量）和转矩（压力），投资更节省、使用更方便。

5）无须像交流电动供漆泵那样在供漆管线上加装溢流阀，不做无用功，减少能耗，减少对涂料的剪切伤害，更重要的是免除了因为残留在溢流阀和和溢流支管里的涂料对换色造成的影响和对涂料造成的污损。

6）直流电动供漆泵的能效比交流电动供漆泵的能效至少提高了25%以上。