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新型永磁式电磁泵的工作原理

发布时间:2020-5-6 10:14:17  浏览:

电磁泵是一种由电磁铁驱动的柱塞泵,也是一种高压微型泵。由于其体积小、质量小、结构紧凑、输出压力高、无泄漏、动态调节特性好和输出流量较小等特点,被广泛应用于航空航天、车辆、船舶、冶金、石油化工、工业机械及家用电器等领域。传统的往复式泵需要将电动机的旋转运动转化为往复运动,所以在传动部分装有运动转化机构。由于传动机构体积大,结构复杂,并增加了工作部件的磨损,致使泵的工作寿命降低。将电磁驱动装置应用于往复式泵中,通过电磁吸力直接驱动工作部件往复运动,去除了传统的运动转化机构,提高了泵的效率。本文通过电磁驱动装置与往复泵的结合,阐述了永磁式电磁泵的工作原理。


1、永磁式电磁泵的结构及工作原理
1.1结构


永磁式电磁泵的结构如图1所示,其主要由泵壳、缸套、电磁线圈、永磁铁、泵盖、弹簧、柱塞和单向阀等组成;同时,在柱塞中还装有1个单向阀,与吸油口处单向阀共同作用,实现泵的吸、排油的过程。
1.2  工作原理

电磁线圈通电产生磁场,磁场对柱塞产生向下的电磁力,使得柱塞逐步深入缸套内腔。吸油口处单向阀关闭,工作腔容积减小,压力升高,柱塞内部的单向阀打开,油液从出口流出。电磁线圈断电时,电磁力图1电磁泵的结构消失,柱塞在弹簧力的作用下向上运动,工作腔容积增大,吸油口处单向阀打开,泵吸油。在接通一定频率的电源后,线圈内的柱塞直线往复运动,持续不断地吸、排油。一般城市电源整流后,脉冲频率为50或60Hz,柱塞往复运动的频率也是50或60Hz。

新型永磁式电磁泵的工作原理

2、螺管式电磁铁的设计
2.1 电磁吸力计算
取柱塞为研究对象分析电磁泵的整体受力情况。作用在柱塞上的力有柱塞运动的摩擦力Ft、往复运动惯性力Fl、电磁铁吸力Fx和弹簧力Fk。


计算电磁吸力的能量平衡公式为:




式中,Gδ是电磁铁气隙磁导,单位为H;δ是电磁铁气隙长度,单位为m;g是衔铁与外壳之间每单位长度上的漏磁磁导,单位为H/m;z是衔铁伸入线圈内腔的长度,单位为m;hxg是线圈高度,单位为m;IN是安匝数,I是通入线圈电流,N是线圈匝数。总电磁吸力Fx是由2个分量组成的,即主气隙磁导和相应的主磁场能量变化所产生的衔铁端面的电磁吸力,以及由衔铁侧面漏磁场能量变化产生的附加电磁吸力———螺管力。设计中考虑到电磁泵的排量和压力等因素,衔铁柱塞的行程不能太短,并且衔铁为通孔柱塞,其端面产生的电磁吸力较小,故将螺管力作为主要的驱动力对结构进行设计,以使电磁铁可以可靠地工作,吸力特性与负载反力特性可以良好地配合。


2.2磁势计算建立


磁势方程是为了求出电磁铁正常工作时所需要的激磁磁势值,根据安培定律有:





式中,δ是气隙磁通量,单位为Wb;Rδ是气隙磁阻,单位为Ω;∑Hl是非工作气隙和铁心各段上的磁压降总和。电磁铁产生的螺管力随着柱塞插入线圈内部长度的增大而增大。通常,当衔铁长度一定时,增大衔铁直径可以使得电磁吸力增大;在其他条件相同的情况下,增大激磁安匝数亦可使电磁吸力增大。


3、工作柱塞的设计
工作柱塞的结构尺寸直接影响着电磁泵本身的性能。由于泵的驱动装置为螺管式电磁铁,由电磁铁线圈和衔铁构成,所以柱塞应具有衔铁的功能。传统的电磁泵中,其衔铁即为柱塞,这样导致柱塞尺寸和质量较大,影响泵的动态特性。本文设计的电磁泵柱塞如图2所示,柱塞主要由管内套筒、单向阀和导磁套筒3部分组成。导磁套筒与泵内的环状永磁铁配合,环状永磁铁施加于导磁套筒的约束力使得柱塞平衡悬浮于环状永磁铁中心,这样柱塞在运动过程中不会因为受到倾覆力而发生被卡滞现象,这在高速往复运动中极为重要。柱塞摩擦力的大小取决于相对运动间的压力和摩擦状态,并且随柱塞运动状态的变化而变化;但摩图2柱塞的结构擦力的绝对值相对于惯性力和液体作用力小得多,为了便于计算可将其视为定值。惯性力Fl为电磁吸力减去柱塞摩擦力和弹簧弹力的合力,其数值可作为泵能达到的最大柱塞力的设计依据,Fl与柱塞直径及泵可达到的最大输出压力满足如下关系:



式中,d是柱塞直径,单位为m;pmax是泵的最大输出压力,单位为Pa。


4、电磁线圈的设计


作为电磁泵的驱动装置,电磁线圈的结构参数直接影响泵的技术经济指标,其结构有很多,本设计考虑线圈的体积、质量和吸力特性等,将螺管式电磁铁应用于泵的设计中。线圈的尺寸应同时满足电阻、温升和铁心窗口截面积等3个方面的要求。


线圈的温升关系式为




式中,ρx是导线的电阻率,单位为Ω•m;KT是线圈的散热系数,单位为W/(m2•℃);ft是线圈填充系数;bxq是线圈厚度,单位为m;hxq是线圈高度,单位为m。式4中参数的选取应综合考虑泵的体积,不同的导线通入电流会产生不同的发热量,铁心窗口的大小和柱塞的行程决定着泵的排量大小,最重要的是线圈的结构不同会影响其电磁吸力特性。电磁铁运行过程中环境和线圈的温升对电磁的动态特性都有影响,输入功率越大,发热量越大,温升越高。本文设计的电磁泵工作介质由吸油口进入,经柱塞空腔至排油口排出。液体的流动区域通过泵体内部,所以虽然电磁动作时会发热,但大部分热量随着流动的液体被排出,这种结构充分利用了液体介质的冷却作用。


5、电磁泵单向阀的设计


电磁泵单向阀是电磁泵设计中的重要元件,其作用为导通和封闭工作油腔。
电磁泵高频工作过程中,单向阀也在做高速往复运动;因此,单向阀不仅在刚度和强度上应满足要求,其动态特性、滞后性和关闭冲击力同样应满足要求。

电磁泵电磁驱动部分的设计类似于电磁铁的设计,但目前还没有一个较好的电磁铁的设计计算方法,其理论计算与实际差距较大。这主要受很多因素的影响,如磁路结构的千差万别,设计的假设条件与实际差距较大,材料磁特性的变化,电磁回路参数之间的相互矛盾,以及漏磁难以计算等等;所以,在设计中要综合考虑各个元件参数之间的相互影响,针对实际工况的需要,合理选择参数,以满足设计要求。

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