畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）微小型變流量電磁泵的研究

1、第1章 緒 論1.1 課題來(lái)源及意義本論文來(lái)源于吉林省科技廳下達(dá)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“微小型變流量電磁泵的研究”。該項(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占空間大，應(yīng)用受到限制的問(wèn)題，研制出了一種微小型變流量電磁泵。研制的泵在驅(qū)動(dòng)原理上采用通電線圈產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，是一種全新的泵，同時(shí)該電磁泵可以通過(guò)調(diào)節(jié)供電電源頻率和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)泵輸出流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，便于自動(dòng)控制泵的變流量輸出，這就更加擴(kuò)大了該電磁泵的應(yīng)用范圍。目前 ， 各種類型的泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅次于電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，排在第二位,現(xiàn)在常用的泵如柱泵、葉片泵等，根據(jù)其工作原理，都必須靠電動(dòng)機(jī)經(jīng)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行

2、工作，使泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占空間體積大，不適合應(yīng)用于一些空間受到限制的場(chǎng)合。因此，所研制的電磁泵與其它傳統(tǒng)泵相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊新穎獨(dú)特體積小等特點(diǎn)。本論文題目是小型變流量電磁泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它是在微小型變流量電磁泵課題組人員的研究成果下，進(jìn)一步對(duì)該電磁泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。近年來(lái)，泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越多。根據(jù)有關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，世界上泵的產(chǎn)量排在第二位，僅次于電機(jī)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，泵的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，不但農(nóng)田排灌城市給水熱電廠石油煉廠油田輸油管線等部門(mén)要使用各種類型的泵，在原子能發(fā)電艦艇噴水推進(jìn)液體火箭燃料供給生物工程、家用電器、醫(yī)學(xué)等方面亦得到重要的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)凡需要輸送液

3、體的領(lǐng)域都有它的市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)石化總公司和天然氣總公司介紹，一套30萬(wàn)噸乙烯裝置，年用泵280臺(tái)，一套30萬(wàn)噸合成氨和尿素化肥裝置，年需用泵100臺(tái)左右。全國(guó)上百家石化企業(yè)，近千套生產(chǎn)裝置，用量相當(dāng)大，而且我國(guó)每年花40多億元進(jìn)口石化不泄漏泵。油田用泵年需近900萬(wàn)臺(tái)，還有鍋爐配套用泵4000萬(wàn)臺(tái)；供水系統(tǒng)、制藥行業(yè)用泵3500萬(wàn)臺(tái)；另外建筑、造紙、船舶、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等其它領(lǐng)域也大量需求該產(chǎn)品。同時(shí)，工業(yè)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)用泵的改造大約每年將有上億臺(tái)需更新。僅大慶石油管理局就提出今后每年要求供一億元的泵產(chǎn)品。泵抽送的介質(zhì)除水外，還有油酸堿類，直至低溫液化氣體和高溫熔融金屬等。而且，目前已成功地用泵對(duì)固

4、體如煤等進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送。毫無(wú)疑問(wèn)，泵在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防等工業(yè)中必然將起到十分重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，泵的軸封泄漏一直在困惑著泵的研究設(shè)計(jì)者和制造業(yè)的人們，更讓使用者煩惱。軸封的跑、冒、滴、漏，不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且污染環(huán)境，浪費(fèi)資源，某些介質(zhì)還會(huì)引發(fā)燃、爆、毒等重大事故。因此，軸封泄漏是世界公認(rèn)的急待解決的難題。針對(duì)這一難題，科華泵業(yè)公司董事長(zhǎng)張志華教授潛心研究十余年，終于攻克這一難關(guān)。首先，利用自己研制的自有專利產(chǎn)品稀土永磁多環(huán)同步電機(jī)（專利號(hào)：zl 97 2 44365.7）組成盤(pán)式密閉電泵（專利號(hào)：zl 97 2 50027.8），使電機(jī)、泵一體化。該泵機(jī)改變了傳統(tǒng)電機(jī)的套筒式結(jié)構(gòu)及

5、傳統(tǒng)泵的設(shè)計(jì)原理。電機(jī)轉(zhuǎn)子為平面圓環(huán)狀，并與泵葉輪結(jié)合成一體，實(shí)現(xiàn)了泵機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)，完全靜密封，達(dá)到永不泄漏。電磁泵與同類功能的泵比較，節(jié)省原材料30%；運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)節(jié)約電能25%。具有體積小、重量輕、成本低、效率高、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)泄漏等優(yōu)點(diǎn)。 另外，在電磁泵的基礎(chǔ)上，還研制了一種電磁熱泵。它是將電磁能直接轉(zhuǎn)換成熱能和機(jī)械能的泵。通電后，在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子（葉輪）之間產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生作用力和熱，電機(jī)、泵一體化，能夠?qū)⑦\(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能與熱能全部有效利用，在一個(gè)簡(jiǎn)單的一體化的泵中實(shí)現(xiàn)電磁熱能轉(zhuǎn)化，熱效率達(dá)100%。由電磁熱泵、電磁加熱裝置和智能溫控器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成電磁供暖設(shè)備，替代各式

6、鍋爐房，優(yōu)于其它任何供暖方式。環(huán)保、潔凈、省時(shí)、省錢(qián)，可廣泛應(yīng)用機(jī)關(guān)、廠礦、學(xué)校、醫(yī)院、賓館和民宅的集中供暖和分戶供暖。 電磁泵和熱泵均經(jīng)遼寧省科技情報(bào)所國(guó)內(nèi)外聯(lián)機(jī)檢索，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。屬高科技、高附加值、國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的新產(chǎn)品，經(jīng)沈陽(yáng)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)批量抽樣檢驗(yàn)合格。被國(guó)家經(jīng)貿(mào)委評(píng)為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品。并得到了國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家科委、沈陽(yáng)市沈河區(qū)科技局等多項(xiàng)立項(xiàng)貸款，用以支持電磁泵和熱泵的研制與市場(chǎng)開(kāi)發(fā)。在化工、印刷行業(yè)中，電磁泵用于輸送一些有毒的重金屬，如汞、鉛等；在原子能動(dòng)力工業(yè)中用于輸送化學(xué)性質(zhì)特別活潑的金屬，如鈉、鉀、鈉鉀合金等。近年來(lái)隨著新型、高效鑄造機(jī)械，如壓鑄機(jī)和高速自動(dòng)造

7、型線在冶金、鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，使熔融金屬的輸送、計(jì)量、澆注的自動(dòng)化、高速化成為急需解決的問(wèn)題，澆注作業(yè)又是冶金、鑄造工業(yè)中一道操作繁重的工序，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且作業(yè)環(huán)境（如高溫、廢氣、安全事故等）對(duì)工人健康影響較大，這些都為電磁泵的應(yīng)用開(kāi)辟了新的廣闊的前景 。同時(shí)，電磁泵還能用來(lái)輸血而不會(huì)對(duì)心肺及人造腎臟中的血紅細(xì)胞造成任何危害。在國(guó)外電磁泵早已進(jìn)入市場(chǎng)并開(kāi)始應(yīng)用。國(guó)外小流量的電磁泵在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中廣泛應(yīng)用于化工工藝過(guò)程中輔料的定量或配比輸送以及ph 值的控制。大流量的電磁泵主要應(yīng)用于快速增殖反應(yīng)堆傳輸液態(tài)金屬鈉中，使用起來(lái)與機(jī)械泵相比具有可靠性高，維修性好和安裝不受限制等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大

8、大簡(jiǎn)化快速增殖反應(yīng)堆系統(tǒng)。資料表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁泵的研究都十分重視。美國(guó)、日本等國(guó)家已把電磁泵應(yīng)用于核工業(yè)及航空領(lǐng)域中，取得了很大的成功。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出的電磁泵僅僅能應(yīng)用于導(dǎo)電液體的輸送，而本論文所設(shè)計(jì)的新型變流量電磁泵可以應(yīng)用于不導(dǎo)電液體的輸送，而且流量可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，因此，該變流量電磁泵具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀該項(xiàng)目所研制的電磁泵在驅(qū)動(dòng)原理上是一種全新的泵，直接利用泵本身的電磁線圈產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)具有單向閥的柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以此改變工作腔容積的大小使壓力發(fā)生變化，輸出一定壓力和流量的工作液體。所研究的電磁泵與其它傳統(tǒng)泵相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小等

9、特點(diǎn)；同時(shí)該電磁泵更重要的特點(diǎn)是可以通過(guò)改變供電電源頻率或電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)泵輸出流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，便于自動(dòng)控制泵的變流量輸出。該項(xiàng)目已通過(guò)吉林省科技廳鑒定，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。所研制的電磁泵的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1.外形尺寸為：直徑100mm，高度100mm；所用工作電源：220v, 50hz交流電；2.實(shí)際電磁泵最大工作壓力為：p=0.6atm，實(shí)際電磁泵流量：q=04200ml/min連續(xù)可調(diào)。21世紀(jì)是電子信息時(shí)代，是電腦走向普及、生命科學(xué)快速發(fā)展，節(jié)省能源與資源、重視生態(tài)平衡及各類產(chǎn)品高速小型化的新時(shí)代，泵產(chǎn)品及其市場(chǎng)的發(fā)展將會(huì)更加新潮與寬廣。高速小型化、大容量

10、化、特種用途、自動(dòng)化控制仍是泵今后發(fā)展的趨勢(shì)。特別是調(diào)頻器的快速發(fā)展，將會(huì)給泵帶來(lái)一場(chǎng)高速、輕便、小型的新的革命。新型水潤(rùn)滑軸承、磁力軸承、新型機(jī)械密封和無(wú)泄漏以及新材料、新工藝、新能源的開(kāi)發(fā)利用，亦會(huì)給泵的全面發(fā)展帶來(lái)新的生機(jī)。隨著石油化學(xué)工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)、造紙、食品、醫(yī)藥、化學(xué)分析等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)往復(fù)泵的需求日益增加，同時(shí)，生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)往復(fù)泵提出更高的要求。1.一方面要求往復(fù)泵向小流量、微流量和高壓領(lǐng)域發(fā)展，另一方面也向高壓大流量、大功率方向發(fā)展。2.要求往復(fù)泵的體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，這主要是要求提高往復(fù)泵的轉(zhuǎn)速以及解決提高轉(zhuǎn)速后出現(xiàn)的各種問(wèn)題。3.要求往復(fù)泵更好地適應(yīng)各種介質(zhì)的性質(zhì)和

11、狀況。4.發(fā)展新品種。微型電磁泵主要包括電磁泵支架，支架內(nèi)設(shè)置有纏繞線圈的線圈架，線圈架內(nèi)設(shè)置有上端與出水嘴相接，下端與進(jìn)水底座相接的閥芯套，閥芯套內(nèi)設(shè)置有可移動(dòng)的閥芯，支架底部與進(jìn)水底座相接，閥芯的一端依次與彈簧、密封塞、墊片、閥體堵頭以及錐形彈簧相接，該錐形彈簧和出水嘴相接；閥芯的另一端依次與彈簧、閥芯堵頭、閥芯帽以及彈簧相接，該彈簧與設(shè)置在閥芯套端部的沉孔座相接。本實(shí)用新型在進(jìn)水管端部設(shè)置有一帶濾過(guò)網(wǎng)的管接頭，增加了進(jìn)口處的過(guò)濾功能，保證管內(nèi)部清潔，延長(zhǎng)了本產(chǎn)品的使用壽命。本實(shí)用新型閥芯的上下兩端均設(shè)置有彈簧和閥芯堵頭，在實(shí)現(xiàn)單向通斷功能的同時(shí)，極大的保證了截?cái)嗪蛯?dǎo)通的可靠性。電磁泵屬于

12、往復(fù)泵的一種，它最早應(yīng)用于核工業(yè)，主要用于循環(huán)鉀、鈉等冷卻劑。電磁泵的研究始于1947年，最初電磁泵指的是液態(tài)金屬電磁泵，它是一種輸送導(dǎo)電液體的裝置，在實(shí)際應(yīng)用中大多用于輸送液態(tài)金屬，所以稱作液態(tài)金屬電磁泵，簡(jiǎn)稱電磁泵。它利用液態(tài)金屬中的電流（外加感應(yīng)的）和磁場(chǎng)的作用，把電磁推動(dòng)力直接加在液態(tài)金屬上。由于省去了機(jī)械傳動(dòng)部件，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、完全密封、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率較低。 隨著原子能動(dòng)力工業(yè)的發(fā)展，特別是快中子反應(yīng)堆的發(fā)展促進(jìn)了液態(tài)金屬電磁泵的研究和應(yīng)用。目前在國(guó)外，液態(tài)金屬電磁泵廣泛應(yīng)用于原子能動(dòng)力液態(tài)金屬回路的各種輔助系統(tǒng)及熱工和材料實(shí)驗(yàn)裝置中。對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆以及空間動(dòng)

13、力反應(yīng)堆，電磁泵也用于液態(tài)金屬的主要回路，如英國(guó)的唐娜原子能反應(yīng)堆和法國(guó)的熱泊沙弟屋（rapsodio）原子能反應(yīng)堆。在冶金、鑄造工業(yè)中，國(guó)外市場(chǎng)雖早在1947年就曾嘗試應(yīng)用電磁泵來(lái)實(shí)現(xiàn)融熔鋁的自動(dòng)定量澆鑄，但由于工藝技術(shù)和材料問(wèn)題沒(méi)有解決，所以遲遲沒(méi)有進(jìn)展。近年來(lái)隨著新型、高效鑄造機(jī)械，如壓鑄機(jī)和高速自動(dòng)造型線在冶金、鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，使熔融金屬的輸送、計(jì)量、澆注的自動(dòng)化、高速化成為急需解決的問(wèn)題，澆注作業(yè)又是冶金、鑄造工業(yè)中一道操作繁重的工序，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且作業(yè)環(huán)境（如高溫、廢氣、安全事故等）對(duì)工人健康影響較大，這些都為電磁泵的應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。隨后各國(guó)都在電磁泵應(yīng)用于鑄造方面作

14、了大量研究工作，到目前為止，國(guó)際上包括美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、南非、俄羅斯等國(guó)家都掌握了該項(xiàng)技術(shù)。如俄羅斯采用電磁泵充型的低壓鑄造技術(shù)鑄造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋，與氣壓式方法比，產(chǎn)品的廢品率由原來(lái)的25%降到2%，金屬利用率由原來(lái)的45%提高到94%，而且成功地采用電磁泵充型的低壓鑄造技術(shù)鑄造系統(tǒng)生產(chǎn)導(dǎo)彈鋁合金罩殼。在20世紀(jì)70年代末，英國(guó)cosworth公司發(fā)明了以電磁泵傳輸、充型的cp核心技術(shù)，主要生產(chǎn)一級(jí)方程式賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋。1988年，美國(guó)福特公司購(gòu)買(mǎi)了cp專利，并于1992年wap建成年產(chǎn)量100萬(wàn)只缸體的生產(chǎn)線，特別是該公司某鑄造廠全部采用低壓鑄造系統(tǒng)，并實(shí)行自動(dòng)化控制，年產(chǎn)300多

15、萬(wàn)件缸蓋，成品率穩(wěn)定在90%以上。1991年，南非m&r公司建立了cp法鑄造廠。我國(guó)從60年代開(kāi)始了電磁泵的研究并得到了一定的發(fā)展。如華北工學(xué)院于1997年成功開(kāi)發(fā)出鋁合金鑄造用直流平面電磁泵，已形成產(chǎn)品并應(yīng)用于工廠的生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi)，電磁泵主要應(yīng)用于化工工業(yè)中。如采用電磁泵來(lái)輸送汞，可消除汞泄漏和對(duì)環(huán)境的污染，從而改善了工人的勞動(dòng)條件。一些易氧化的液體金屬如鉀、鈉，由于采用電磁泵進(jìn)行輸送可以大大提高安全性。近年來(lái)，華北工學(xué)院提出了雙聯(lián)泵的設(shè)想，以期能提高電磁泵的流量。北京北方恒利科技發(fā)展公司在“九五”期間研制開(kāi)發(fā)的適合鋁鎂合金低壓鑄造及定量傳輸?shù)碾姶疟孟到y(tǒng)，是目前從事鋁鎂合金熔煉和鑄造的理想設(shè)備

16、。在電磁泵的基礎(chǔ)上，2000年遼寧省還研制了一種電磁熱泵。它是將電磁能直接轉(zhuǎn)換成熱能和機(jī)械能的泵，屬高科技、高附加值、國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的新產(chǎn)品。利用電磁泵來(lái)排氣的臭氧發(fā)生器廣泛適用于密封容器及管道消毒滅菌、冷藏冷凍庫(kù)食品、蔬菜保鮮、水產(chǎn)養(yǎng)殖滅菌、水處理設(shè)備、空氣消毒等多種場(chǎng)合應(yīng)用。吉林省漢中實(shí)業(yè)有限公司研制出了一種雙聯(lián)電磁泵，它包括左右兩個(gè)泵腔，大大提高了電磁泵的流量。電磁泵(solenoid pump)是一種將動(dòng)力和泵體直接結(jié)合為一體的液體泵。電磁泵的工作原理類似普通電磁閥，它以交流電為工作動(dòng)力，電流通過(guò)電磁繞組形成交變固定磁場(chǎng)，與可運(yùn)動(dòng)的泵體形成交互作用，帶動(dòng)泵體振動(dòng)，推動(dòng)液體輸出。 電磁泵是一

17、種技術(shù)成熟并且廣泛應(yīng)用的泵類產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)緊湊，輸出壓力高，無(wú)泄漏，體積小，價(jià)格相對(duì)低廉，輸出流量較小等特點(diǎn)。與常用的離心式(葉輪)泵比較其輸出壓力高出2至10倍，與柱塞泵比較，體積減少1倍以上。電磁泵性能指標(biāo)(水介質(zhì)，室溫)：輸出壓力0.31.2兆帕，流量15升/分，輸入功率10120瓦。 電磁泵應(yīng)用領(lǐng)域： 飲料沖飲機(jī)：特點(diǎn)：將速溶飲料快速?zèng)_制成飲料，例如咖啡、橘子汁、高樂(lè)高等。 蒸汽清洗機(jī)：特點(diǎn)：提供蒸汽輸出壓力在08兆帕，為工業(yè)清洗油脂，污垢提供一種方便、簡(jiǎn)便、高效的工具。 沖牙器：特點(diǎn)：以高壓2千帕，每分3000次脈沖水滴沖洗清潔牙齒和牙齦，實(shí)現(xiàn)口腔保健，減少齲齒。 噴霧加濕器：高效率

18、、大容量空氣加濕。 增壓過(guò)濾器：特點(diǎn)：提高輸入壓力，提高過(guò)濾效率。例如家用純水機(jī)等。 計(jì)量泵：特點(diǎn)：調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)控制范圍寬。 地毯清洗機(jī)：將蒸汽噴入地毯表面，分解污垢，然后再將污垢抽走，相比吸塵器的效果更好。 此類電磁泵產(chǎn)品在國(guó)外已經(jīng)長(zhǎng)期廣泛使用。典型電磁泵產(chǎn)品有意大利公司(wwwflui dotechcom)和美國(guó)公司(wwwclarkeso1com)產(chǎn)品。 在借鑒國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)兩年來(lái)不斷的改進(jìn)和提高，二七廠科協(xié)已經(jīng)可以設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)此類電磁泵，按使用要求開(kāi)發(fā)出多種規(guī)格的系列產(chǎn)品，批量生產(chǎn)。 電磁泵從工作原理上可分為直線感應(yīng)式和銜鐵式兩類。銜鐵式電磁泵從國(guó)外發(fā)展情況看，

19、可分為壓力型和流量型。壓力型電磁泵排出壓力一般為（）mpa，流量一般在1l/min以下。流量型電磁泵最大流量為5l/min,壓力一般在以下。電磁泵總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品類型。在壓力型電磁泵中，銜鐵和柱塞是上下分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，具有不同的截面積。銜鐵的截面積主要由與柱塞力相平衡的電磁吸力所決定。而柱塞力由負(fù)載阻力、慣性力等組成。在柱塞行程和柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率一定的條件下，柱塞的截面積決定了流量的大小。在流量型電磁泵中，銜鐵本身就作為柱塞，因此它必須同時(shí)兼顧泵對(duì)流量和電磁吸力的要求。壓力型和流量型電磁泵在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別的主要原因是由泵的工作原理決定的。在流量型電磁泵中，銜鐵作為柱塞，銜鐵電磁吸力與其截面積和排

20、出壓力成正比，因此當(dāng)其截面積一定時(shí)，排出壓力越大，所需電磁吸力也將越大，但這樣的電磁鐵是無(wú)法設(shè)計(jì)出來(lái)的。所以，流量型電磁泵的排出壓力不可能很大。在壓力型電磁泵中，流量不是很大，且銜鐵和柱塞是分開(kāi)的，所以柱塞截面積可以設(shè)計(jì)得很小，這樣可使泵的壓力大大提高，而所需的電磁吸力也不致很大，從而銜鐵的截面積也不致于很大。本論文中所要討論的電磁泵屬于流量型電磁泵的一種。在1999年，吉林省科技廳下達(dá)了基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“微小型變流量電磁泵的研究”，該課題組人員針對(duì)傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占空間大，應(yīng)用受到限制的問(wèn)題，結(jié)合該研究課題研制出了一種微小型變流量電磁泵。研制的泵在驅(qū)動(dòng)原理上是一種全新的泵，它不再采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)

21、齒輪或曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式，而是直接利用通電螺線管中產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)吸入和排出液體，同時(shí)該電磁泵可以通過(guò)調(diào)節(jié)供電電源頻率和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)泵輸出流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，便于自動(dòng)控制泵的變流量輸出，這就更加擴(kuò)大了該電磁泵的應(yīng)用范圍。該課題組人員通過(guò)對(duì)電磁泵工作原理的分析，建立了該泵的數(shù)學(xué)模型，即系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為單自由度有阻尼受迫振動(dòng)，并對(duì)泵的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試。在分析電磁泵工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了電磁泵流量的理論計(jì)算公式，研究了電磁泵變頻和變壓兩種調(diào)節(jié)流量的原理，并研制出這兩種調(diào)節(jié)流量的控制系統(tǒng)，然后對(duì)電磁泵分別進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)整電磁泵脈動(dòng)電源的電壓或頻

22、率都可以實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。以上為該項(xiàng)目課題組人員的研究成果，但就目前的研究情況來(lái)看，如何提高該電磁泵的流量，進(jìn)而提高效率是目前需要解決的主要問(wèn)題之一。1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容本論文題目是小型變流量電磁泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它是在該項(xiàng)目課題組人員研究成果下，進(jìn)一步對(duì)該電磁泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1.結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。影響電磁泵性能的主要因素是電磁回路有關(guān)參數(shù)、磁導(dǎo)體材料和彈簧剛度等。電磁回路有關(guān)參數(shù)主要包括：漆包線的直徑（簡(jiǎn)稱線徑）和線圈匝數(shù) ，線徑的大小和匝數(shù)的多少直接影響電磁吸力的大小，由于在建立目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程中，沒(méi)有引進(jìn)線徑作為其中的一個(gè)變量，因而可以取線徑為一個(gè)固定的量，通過(guò)改變?cè)褦?shù)來(lái)進(jìn)行線圈的優(yōu)化，也

23、就是取匝數(shù)為設(shè)計(jì)變量之一。這里的磁導(dǎo)體材料也就是柱塞的材料應(yīng)該選用電阻率高，渦流損失小的材料，如鐵硅合金、鐵鋁合金、鐵鎳合金、軟磁鐵氧化體等。有些廠家為降低生產(chǎn)產(chǎn)品的成本，磁導(dǎo)體采用不銹鐵和低碳鋼制造，效果也很好。為了便于取材，柱塞采用低碳鋼制造。由于柱塞的直徑直接影響流量的大小，因而取柱塞的直徑為設(shè)計(jì)變量之一?；貜?fù)彈簧的剛度除了對(duì)電磁泵的穩(wěn)定性起主要作用外，還對(duì)電磁泵的行程有很大影響，進(jìn)而影響泵的流量。一般在電磁吸力足夠大的情況下，彈簧剛度越大，電磁泵行程越大，從而增加電磁泵的流量。但同時(shí)剛度越大，所需的電磁吸力也越大，因而，彈簧剛度對(duì)電磁泵的影響也很大，取其也為設(shè)計(jì)變量之一。那么，進(jìn)行優(yōu)化

24、的目標(biāo)函數(shù)即為泵的流量，設(shè)計(jì)變量為線圈匝數(shù)、柱塞直徑、彈簧剛度。通過(guò)復(fù)合形法來(lái)求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先驗(yàn)證控制系統(tǒng)能否滿足要求，在控制系統(tǒng)滿足要求的情況下，進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓試驗(yàn)，采集流量數(shù)據(jù)，與沒(méi)有優(yōu)化之前的流量相比較，看是否達(dá)到提高流量的目的。第2章 電磁泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化2.1電磁泵的結(jié)構(gòu)組成與工作原理2.1.1電磁泵的結(jié)構(gòu)組成根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)原理研制出的新型的電磁泵，如圖2-1、2-2所示。圖2-1為電磁泵的外形圖，圖2-2為電磁泵的結(jié)構(gòu)圖。電磁泵由線圈、柱塞、進(jìn)口閥、出口閥、銅套、下端蓋、線圈骨架、套筒、進(jìn)口閥導(dǎo)向座、出口閥導(dǎo)向座、上端蓋、密封圈和墊片、柱塞復(fù)位彈簧等組成。圖2-

25、1電磁泵的外形圖1進(jìn)口閥2.下端蓋3.銅套4.線圈骨架5.線圈 6.出口閥7.套筒8.出口閥導(dǎo)向座9.上端蓋10.柱塞復(fù)位彈簧11.密封圈12.柱塞13.墊片14.進(jìn)口閥導(dǎo)向座圖2-2 電磁泵結(jié)構(gòu)圖2.1.2 電磁泵的工作原理電磁泵的基本工作原理是:當(dāng)給電磁泵電磁線圈中通入脈動(dòng)直流電后，電磁線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力直接作用于柱塞上,驅(qū)動(dòng)柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)輸送液體。該電磁泵的工作原理為：在給電磁泵的電磁線圈通電之前，由于復(fù)位彈簧存在著預(yù)緊力,柱塞處于液缸體的下端。當(dāng)電磁線圈通電時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,電磁線圈中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，而柱塞是由導(dǎo)磁物質(zhì)構(gòu)成的，所以柱塞必受到電磁吸力的作用，此

26、電磁吸力大于柱塞復(fù)位彈簧施加給柱塞的向下作用力與阻力之和，此時(shí)柱塞向上作加速運(yùn)動(dòng),隨著時(shí)間的增加柱塞運(yùn)動(dòng)的速度也在增加，當(dāng)柱塞所受向上的電磁吸力等于柱塞復(fù)位彈簧施加的向下彈簧力與阻力之和時(shí)，柱塞所受合外力為零，此時(shí)柱塞運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大,但是由于慣性，柱塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度為零時(shí)，柱塞處于向上運(yùn)動(dòng)的極限位置。在柱塞向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由液缸體的上部和柱塞形成的上腔體的容積逐漸減少，腔內(nèi)氣體壓力逐漸增大,而下腔體的容積逐漸增大, 腔內(nèi)氣體壓力逐漸減小,在壓力差的作用下，出口閥關(guān)閉,進(jìn)口閥打開(kāi)，腔外液體克服吸水管路和進(jìn)口閥的阻力進(jìn)入到下腔體中，這是液體吸入的過(guò)程。當(dāng)柱塞處于向上運(yùn)動(dòng)的極限位置時(shí)，彈簧

27、的壓縮量達(dá)到最大,這時(shí)不再給線圈通電,柱塞不再受到電磁力的作用,柱塞只受到復(fù)位彈簧的作用力和阻力的作用,而復(fù)位彈簧的作用力方向是向下的，柱塞此時(shí)開(kāi)始向下作加速運(yùn)動(dòng)，加速度為零時(shí)速度達(dá)到最大,速度為零時(shí)處于下極限位置。在柱塞向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下腔體的液體被壓縮，壓力升高，進(jìn)口閥關(guān)閉，進(jìn)而將出口閥頂開(kāi)，下腔體中的液體被排到上腔體中。當(dāng)柱塞再向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)出口閥關(guān)閉，進(jìn)口閥打開(kāi)，上腔體中的液體被壓縮，容積變小，壓力升高,上腔體中的液體被排出泵外，這就是排出液體的過(guò)程。同時(shí)下腔體吸入液體，柱塞在液缸體內(nèi)作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)不斷地吸入和排出液體，那么通過(guò)調(diào)節(jié)供電電源的頻率和電壓(占空比)就可以調(diào)

28、節(jié)流量的大小。具體工作情況見(jiàn)圖2-3。 a) b)1.液缸體2.線圈3.柱塞4.進(jìn)口閥5.出口閥 6.柱塞復(fù)位彈簧圖2-3 電磁泵的工作原理圖2.1.3電磁泵的工作過(guò)程當(dāng)電磁泵的電磁線圈2未通電時(shí)，柱塞3在復(fù)位彈簧6作用下，處于液缸體下端(在液缸體的軸向上)，柱塞3的中心位置偏離電磁線圈2的中心位置一個(gè)距離。當(dāng)電磁線圈2中通入單相固定頻率的交流電時(shí)，由于電磁感應(yīng)將在電磁線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。置于線圈磁場(chǎng)中的柱塞3由導(dǎo)磁物質(zhì)構(gòu)成，并且偏離電磁線圈2的中心位置，因此受到向上的電磁吸力，此電磁吸力大于柱塞復(fù)位彈簧6施加的向下作用力。此時(shí)，柱塞克服彈簧的作用力向上作加速運(yùn)動(dòng):當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)到與電磁線圈的

29、中心位置重合時(shí)，柱塞所受的電磁吸力為零，但是由于慣性，柱塞3繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其超過(guò)電磁線圈的中心位置時(shí)將會(huì)受到向下電磁吸力的作用，此時(shí)柱塞則向上做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度為零時(shí)，柱塞處于向上運(yùn)動(dòng)的極限位置。在柱塞向上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由液缸體1的上部和柱塞3形成的上腔體的容積減少，在壓力差的作用下，出口閥5關(guān)閉;由液缸體下部和柱塞形成的下腔體的容積增大，腔內(nèi)形成負(fù)壓，腔外液體在大氣壓力作用下將進(jìn)口閥5打開(kāi)，并克服吸水管路和進(jìn)口閥的阻力進(jìn)入到下腔體中，這即是吸入液體的過(guò)程，如圖a所示。當(dāng)柱 塞 處 于向上運(yùn)動(dòng)的極限位里時(shí)，柱塞3所受的電磁吸力和復(fù)位彈簧6的作用力方向均向下，柱塞開(kāi)始向下做加速運(yùn)動(dòng)護(hù)當(dāng)超過(guò)電磁

30、線圈的中心位置時(shí)，電磁吸力反向，柱塞作減速運(yùn)動(dòng)，速度為零時(shí)處于下極限位置。在柱塞向下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下腔體的液體被擠壓，壓力升高，進(jìn)口閥關(guān)閉，進(jìn)而將出口閥頂開(kāi)，下腔體中的液體被排到上腔體中，如圖b所示。當(dāng)柱塞再向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，出口閥關(guān)閉，進(jìn)口閥打開(kāi)，上腔體中的液體被壓縮，容積變小，壓力升高，上腔體中的液體被排出泵外，這即是排出液體的過(guò)程。同時(shí)下腔體吸入液體，柱塞在液缸內(nèi)作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)不斷地吸入和排出液體。2.1.4電磁泵分類及其原理1. 傳導(dǎo)式電磁泵原理 傳導(dǎo)式電磁泵原理是：在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，通過(guò)電流，則導(dǎo)體將受到磁場(chǎng)的推力，三者方向相互垂直，推力的大小為f=ib。 傳導(dǎo)電磁泵沒(méi)有任何轉(zhuǎn)

31、動(dòng)部件，解決了機(jī)械泵磨損問(wèn)題，形成免維護(hù)焊機(jī)。但由于與液態(tài)金屬接觸的大電流電極向液態(tài)金屬傳導(dǎo)電流的過(guò)程中，因氧化渣在電極上的附著和遮蔽，造成波峰不穩(wěn)，甚至大起大落，不能穩(wěn)定的生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)進(jìn)口瑞士這種機(jī)型近50臺(tái)基本都已停用。 2.感應(yīng)電磁泵原理 它采用的原理是利用單相c型開(kāi)口電磁鐵，由于內(nèi)外環(huán)的磁程差而產(chǎn)生內(nèi)外環(huán)磁場(chǎng)的相位差，進(jìn)而形成前進(jìn)磁場(chǎng)分量，即由超前相位指向滯后相位的前端。 由于利用的是磁程差產(chǎn)生相位差，形成前進(jìn)磁場(chǎng)分量，其前進(jìn)磁場(chǎng)分量非常有限，大部分為不產(chǎn)生前進(jìn)推力的脈動(dòng)磁場(chǎng)，要制造出如圖的寬波峰（300mm400mm波峰寬度）和超高波峰（40mm高度）非常困難。 3.三相異步感應(yīng)泵原理

32、 這是我國(guó)在波峰焊機(jī)上獲得的又一專利技術(shù)，它不僅解決了傳導(dǎo)式電磁泵的傳導(dǎo)式電磁泵的傳導(dǎo)電流電極由于氧化渣遮蔽造成的波峰不穩(wěn)問(wèn)題，無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無(wú)電流變換器，免維護(hù)、無(wú)磨損，而且效率高，可獲得高而有力的波峰及寬波峰。 三相異步感應(yīng)式電泵的原理是利用三相電源相互差120相位差，在空間分布，構(gòu)成各自磁場(chǎng)，其合成磁場(chǎng)，是一個(gè)前進(jìn)磁場(chǎng)中切割磁力線，感應(yīng)電流，形成前進(jìn)的電磁力。 由于直接利用的是三相電源固有的相位差，因而合成磁場(chǎng)基本無(wú)脈動(dòng)磁場(chǎng)分量，均是產(chǎn)生前進(jìn)力的合成磁場(chǎng)，與電磁炮原理完全相同,因而效率高，可達(dá)70以上，由三相異步感應(yīng)式電泵構(gòu)成的波峰焊機(jī)除具有感應(yīng)式電磁泵具有的所有優(yōu)點(diǎn)外，如聲頻微擾振動(dòng)

33、波疊加，增強(qiáng)焊接能力和爬孔能力，無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無(wú)磨損、免維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，還具有波峰高而有力、可獲得超高波峰40mm和寬波峰300400mm寬度。2.2電磁泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.2.1電磁線圈的初步設(shè)計(jì)該電磁泵的傳動(dòng)端不再使用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪或曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式，而是直接用通電螺線管中產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到吸入和排出液體的目的。電磁線圈是電磁泵的主要構(gòu)成部分之一，它是電能的載體，也是磁能產(chǎn)生的源頭。從國(guó)內(nèi)外電磁泵的結(jié)構(gòu)來(lái)看，組成其電磁回路的大部分采用甲殼螺管式的磁路形式。因?yàn)樗哂幸韵滤膫€(gè)特點(diǎn)：1.其主磁通產(chǎn)生的端頭力和漏磁通產(chǎn)生的螺管力，兩力方向一致，因此，電磁吸力

34、較大。這樣泵能克服的外負(fù)載較大，泵送的壓力可提高。2.工作氣隙較大，泵的往復(fù)行程可較長(zhǎng)，并且柱塞是在線圈的內(nèi)腔中作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，便于柱塞密封。3.螺管式電磁回路氣隙磁導(dǎo)較大，也使電磁吸力增大。 4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝性好。鑒于甲殼螺管式磁路的以上優(yōu)點(diǎn)，在本電磁泵中采用了甲殼螺管式的磁路來(lái)驅(qū)動(dòng)柱塞。通常在工程實(shí)用上，對(duì)電磁線圈是有一定的要求的，例如：線圈中心的磁感強(qiáng)度b，磁場(chǎng)均勻區(qū)的范圍，線圈長(zhǎng)度l，線圈內(nèi)徑以及線圈工作制等等。針對(duì)上述的要求，線圈的設(shè)計(jì)程序就是分析和計(jì)算。分析的目的就是為了在計(jì)算中保證完成要求的任務(wù)。線圈驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)類似于直流電磁鐵的設(shè)計(jì)，但目前對(duì)于直流電磁鐵的設(shè)計(jì)還沒(méi)有一個(gè)

35、很好的方法，理論計(jì)算與實(shí)際驗(yàn)證有很大的差別，這主要受很多因素影響，如漏磁難以計(jì)算等。因此，必須依靠反復(fù)驗(yàn)證才能設(shè)計(jì)出一個(gè)較好的電磁回路。下面參照直流電磁鐵的設(shè)計(jì)方法來(lái)初步估算電磁回路的有關(guān)參數(shù)，大致的設(shè)計(jì)步驟如下：1.根據(jù)線圈的工作制、溫升要求及冷卻方式選取電流密度j線圈的電流密度j取得越高，則線圈的發(fā)熱越厲害。所以，一般j不能超過(guò)某個(gè)容許的數(shù)值。磁路在各種工作制下，所允許的電流密度值范圍如下：長(zhǎng)期工作制磁路：j=24a/反復(fù)短時(shí)工作制磁路：j=512 a/短時(shí)工作制磁路：j=1330 a/在本文中所討論的電磁泵，是屬于反復(fù)短時(shí)工作制的磁路，因而取j=5a/。2.求電磁吸力f在這里是對(duì)已有的電

36、磁泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因而，容積腔大小不能改變，容積腔原來(lái)的直徑為26，那么取柱塞的直徑d=26,而，所以可以求出電磁吸力f，f=。為容積腔的直徑，單位為f為所需的電磁吸力，單位為n3.求電磁泵的外殼直徑d為電磁泵的外殼直徑，單位為mm4. 求單位長(zhǎng)度的安匝數(shù)（安匝/）為單位長(zhǎng)度安匝數(shù)，單位為安匝/ i為激磁電流，單位為an為線圈的匝數(shù)l為線圈長(zhǎng)度，單位為5.求線圈寬度和長(zhǎng)度此電磁泵的線圈寬度為15，長(zhǎng)度為60，由此確定的值為4。為防止或減小來(lái)自磁導(dǎo)體的熱量，值取偏小有利，這時(shí)電磁線圈為矮而粗。b為線圈的寬度，單位為l為電磁線圈的長(zhǎng)度，單位6.求平均直徑為線圈平均直徑，單位為7.求工作氣隙中磁感應(yīng)

37、強(qiáng)度b由于線圈在軸向長(zhǎng)度較短，徑向高度線圈內(nèi)徑與外徑差別也不大，可以近似地認(rèn)為線圈內(nèi)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度b與軸向平行。由麥克斯韋電磁吸力公式有：（特斯拉） 所以b磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為t（特斯拉）空氣磁導(dǎo)率，為（亨/米）8.求導(dǎo)線直徑導(dǎo)線電阻系數(shù)，為u為工作電壓，單位為v（伏特）9.估算線圈總匝數(shù)n匝見(jiàn)圖2-4為電磁線圈骨架結(jié)構(gòu)圖。1.上擋板 2.非磁性隔磁銅套 3.線圈 4.底端擋板2-4 電磁線圈骨架結(jié)構(gòu)圖2.2.2柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電磁泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇應(yīng)滿足其性能參數(shù)要求，從電磁泵的性能可知，一般電磁泵的流量與排出壓力無(wú)關(guān)，主要取決于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，而電磁泵的排出壓力取決于裝置特性。電磁

38、泵的流量公式為： q泵輸出的流量，單位為ml/minf柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)，單位為1/sv每次排出的液體體積，單位為mld柱塞的直徑，單位為柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度，單位為對(duì)于結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的電磁泵而言，柱塞的最大直徑為一確定的常數(shù)。因此，要想調(diào)節(jié)流量q，只能通過(guò)調(diào)節(jié)行程長(zhǎng)度和柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率f來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電磁泵數(shù)學(xué)模型可知，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)就等于周期性激振力的頻率，而電磁吸力的頻率取決于供電電源的頻率，這也是該電磁泵能夠變流量的原因所在。1.對(duì)于柱塞的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)牟牧?，?yīng)選用電阻率高，渦流損失小的材料，如鐵硅合金、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。有些廠家為了降低成本，采用不銹鐵和低碳鋼制造，效果也

39、很好?？梢曤姶疟玫木唧w應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇。在這里為了取材方便，柱塞選用低碳鋼制造。為了減小重量，柱塞可以設(shè)計(jì)成空心或帶有溝槽狀的，此類電磁泵的優(yōu)點(diǎn)在于不用考慮散熱問(wèn)題，因?yàn)橐后w從柱塞中間流過(guò)。2.柱塞往復(fù)次數(shù)f（即供電電源頻率）和柱塞行程的選擇。當(dāng)泵的流量為一定時(shí)，往復(fù)次數(shù)f增加，柱塞的直徑d和行程可減小，也即可減小柱塞的直徑d和行程。減小柱塞直徑d不僅可使液力端的徑向尺寸減小，同時(shí)也可以減小柱塞力，可使傳動(dòng)端的受力減小，減小傳動(dòng)端零部件的尺寸。減小行程，使泵的總長(zhǎng)度ls也隨之減小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，泵的總長(zhǎng)度ls和行程之間有大致如下的關(guān)系：ls=8，可見(jiàn)減小行程后可大幅度地減小泵的總長(zhǎng)度，提高往復(fù)次數(shù)f

40、對(duì)減小泵的總體尺寸和重量都很明顯，但提高往復(fù)次數(shù)f受到許多因素的限制。1從電磁泵的工作過(guò)程可知，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，損失增加，同時(shí)閥的阻力損失也增大，使泵的吸入性能變壞。2往復(fù)次數(shù)增加后，相應(yīng)零件的磨損要增加，降低易損件的壽命。特別是泵的吸入閥和排出閥隨著往復(fù)次數(shù)的增加，慣性也增加，關(guān)閉滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生撞擊，縮短閥的壽命，同時(shí)導(dǎo)致流量系數(shù)的降低，流量下降。從以上分析可知，電磁泵的往復(fù)次數(shù)f并不是可以無(wú)限制地提高，對(duì)某一特定的電磁泵來(lái)說(shuō)，當(dāng)往復(fù)次數(shù)超過(guò)某一范圍后，就會(huì)使閥板落到閥座上時(shí)產(chǎn)生撞擊，引起振動(dòng)，閥門(mén)很快磨損，使電磁泵不能正常工作。這一往復(fù)次數(shù)稱為電磁泵的臨界往復(fù)次數(shù)或稱最大允許往復(fù)次

41、數(shù)。最大允許往復(fù)次數(shù)的確定方法很多，但這些方法大多是以閥的無(wú)撞擊條件為基礎(chǔ)的。下面主要介紹庫(kù)可列夫斯基的計(jì)算方法。庫(kù)可列夫斯基認(rèn)為：閥的撞擊是由于閥下落在閥座上時(shí)的速度達(dá)到某一臨界值而產(chǎn)生的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)閥落到閥座上的速度時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊現(xiàn)象。而當(dāng)閥下落的速度超過(guò)這一范圍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生撞擊。因此，為了使閥平穩(wěn)地工作，應(yīng)當(dāng)滿足的條件。，即：本文中電磁閥的最大升高10，因而最大往復(fù)次數(shù)f=6065，即供電電源的最高頻率為60hz。對(duì)于往復(fù)次數(shù)較高的泵可允許提高到700750，對(duì)有橡膠密封面的閥可提高到8001000。3. 柱塞程徑比的選擇1柱塞程徑比對(duì)總體尺寸的影響程徑比是柱塞行程對(duì)柱塞直

42、徑d的比值，它大體上反映了總體長(zhǎng)度和程徑比過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使電磁泵的總體尺寸和重量增加。合理選擇程徑比值，能使總體尺寸相互間協(xié)調(diào)，并在長(zhǎng)、寬、高綜合尺寸方面得到最佳值。2程徑比選擇的一般原則當(dāng)往復(fù)次數(shù)f增加時(shí)，行程必然減少，也即較小。在高排出壓力時(shí)，為了減小柱塞力通常用增加柱塞行程減小柱塞直徑d的方法。程徑比值通常在的范圍內(nèi)選取。在已有的電磁泵中，由于頻率和電壓（占空比）連續(xù)可調(diào)，因而，在整個(gè)調(diào)頻調(diào)壓過(guò)程中，行程肯定是變化的，它隨著頻率的增大而減小，柱塞的最大行程大約為40，而柱塞直徑d=26，程徑比的最大值為，在最佳值的范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，柱塞的最小行程應(yīng)該為=d=26是比較合理的，即柱塞的行程

43、在均是合理的。4.柱塞的公差要求柱塞與銅套筒的徑向間隙既不能太大也不能太小，因套筒很薄，不易加工，在工作中也容易變形，間隙太大，使泵的容積系數(shù)減小，間隙太小，容易卡孔，增大摩擦力和磨損。為此，柱塞的表面和套筒內(nèi)表面要有一定的精度要求。為了防止柱塞生銹以保證表面精度要求，在柱塞的表面鍍了一層硬鉻，這樣既防止了生銹，表面也很光滑。在本文中，重新做了兩個(gè)柱塞，為了減小整體重量，將柱塞中間的通孔直徑變大，一個(gè)柱塞比以前的長(zhǎng)些，另一個(gè)比以前的短些，做短的初衷還是為了減小重量和體積，但不能單純追求重量小而忽略了其它因素的影響，線圈的長(zhǎng)度與柱塞的長(zhǎng)度應(yīng)該有一個(gè)最佳比值，線圈的長(zhǎng)度既然已經(jīng)固定無(wú)法改變，只有通

44、過(guò)改變柱塞長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整這個(gè)比值，使之更加合理化。在不改變線圈匝數(shù)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較一下，看哪一種流量更高些。2.2.3泵閥的選擇在這里進(jìn)出口閥選用錐形閥，因?yàn)樗鞯垒^平滑，流量系數(shù)大，水力阻力小，過(guò)流能力強(qiáng)，密封性能好，不論介質(zhì)粘度較高或較低都比較適宜，而且閥板剛度較大，通常都用于高壓和超高壓泵上。出口閥與柱塞固定在一起。2.2.4電磁泵的受力情況分析根據(jù)以上的初步分析與設(shè)計(jì)計(jì)算，已經(jīng)有了電磁泵的初步模型，現(xiàn)在分析一下它的整體受力情況。設(shè)計(jì)的電磁泵的原理是基于電磁鐵的鐵心往復(fù)運(yùn)動(dòng)原理而工作的。電磁鐵是利用鐵磁物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性能而工作的一類鐵磁器件。線圈通電后能對(duì)鐵磁質(zhì)的柱塞產(chǎn)生吸引力，把電能

45、轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在設(shè)計(jì)的電磁泵中，把電磁鐵中的銜鐵做成柱塞結(jié)構(gòu)，通過(guò)進(jìn)口控制閥及連在柱塞上的出口控制閥和彈簧組成泵系統(tǒng)，周期地將液體吸入泵腔，并在泵的出口得到一定壓力和流量的工作液體。整個(gè)過(guò)程是把電能轉(zhuǎn)化為柱塞的動(dòng)能，再把柱塞的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能的過(guò)程。由于在整個(gè)工作過(guò)程中，隨著頻率和電壓（占空比）的連續(xù)調(diào)整，電流電壓都發(fā)生變化，因而電磁吸力也發(fā)生變化，所以說(shuō)整個(gè)受力情況是很復(fù)雜的，因而在計(jì)算以前為討論方便先做如下假設(shè)：1.忽略漏磁的影響。2.當(dāng)工作氣隙變化時(shí)，鐵心飽和程度不變。3.不考慮非工作氣隙的影響。下面從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)討論柱塞在電磁力作用下做機(jī)械功時(shí)，電能、磁能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)

46、系和電磁吸力。設(shè)時(shí)間從時(shí)，柱塞在電磁力作用下做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電磁力方向指向使氣隙減小的方向，那么氣隙由下降到，此時(shí)氣隙磁阻為,相應(yīng)氣隙磁導(dǎo)線斜率，如圖2-5所示。 圖2-5圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力已知當(dāng)氣隙為時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量為，當(dāng)氣隙為時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量為，線圈始終接在電源上，時(shí)間從，氣隙由下降到時(shí)，該系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量，所增加的磁場(chǎng)能量由可求出，以表示 由能量守恒定律知，磁系統(tǒng)原來(lái)儲(chǔ)存的能量，又從電源吸收的部分能量和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲(chǔ)存的能量及電磁力作用下柱塞從移動(dòng)到所做的機(jī)械功平衡。機(jī)械功，用式表達(dá)為當(dāng)很小時(shí)，很小，可以忽略，由此式中負(fù)號(hào)表示電磁作用力方向始終是指向氣

47、隙減小的方向。在電磁泵工作過(guò)程中，除了工作氣隙中會(huì)產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵(lì)磁線圈與柱塞側(cè)面氣隙中，由于柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)漏磁通將發(fā)生變化，也會(huì)產(chǎn)生吸力，稱為螺管力。螺管力的產(chǎn)生可用載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力加以分析。假定線圈中的電流方向?yàn)榱鞒黾埫?。該電流產(chǎn)生的主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)方向符合右手定則。通電線圈處于漏磁場(chǎng)中，根據(jù)左手定則可知，此時(shí)有電磁力作用在線圈上，欲使線圈向右移動(dòng)，但實(shí)際上線圈是固定不動(dòng)的，由作用力和反作用力相等原理，柱塞將受大小相等、方向相反的電磁力作用而向左運(yùn)動(dòng)，亦即使氣隙減小。因而，柱塞所受的電磁力，當(dāng)不考慮導(dǎo)磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時(shí)為式中平均電磁力（n）in勵(lì)磁線圈磁勢(shì)（a）比磁導(dǎo)（

48、h/m） l線圈長(zhǎng)度（m）x彈簧的壓縮量（m）式中a柱塞橫截面積（）空氣的磁導(dǎo)率（h/m）由于線圈緊密繞在骨架上，可以近似認(rèn)為線圈內(nèi)的磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度b參照載流直螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)的計(jì)算方法來(lái)求，所以。b磁場(chǎng)強(qiáng)度（t）磁導(dǎo)率（h/m）n單位長(zhǎng)度的匝數(shù)將已知條件代入可得由上式得到這樣的結(jié)論：該電磁泵的電磁力隨著柱塞的行程的增加而減少，隨著匝數(shù)的增加而增加，但也并不是可以隨意地增大匝數(shù)的，因?yàn)樵褦?shù)增大漏磁的影響增大，反而會(huì)使電磁力下降，而導(dǎo)致流量下降。2.2.5基于復(fù)合形法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在初步計(jì)算中利用一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取了一系列的系數(shù)和參數(shù)，這些參數(shù)選取得是否恰當(dāng)，需要進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算。在這個(gè)過(guò)

49、程中采取優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，取流量為目標(biāo)函數(shù)，取線圈匝數(shù)、彈簧剛度及柱塞直徑為設(shè)計(jì)變量，要求目標(biāo)函數(shù)的最大值，即當(dāng)設(shè)計(jì)變量取什么值時(shí)流量最大。下面，通過(guò)對(duì)電磁泵的受力分析來(lái)建立目標(biāo)函數(shù)。1.目標(biāo)函數(shù)的建立下面，具體分析一下整體受力情況，取柱塞為研究對(duì)象。作用在柱塞上的力，除了電磁力外還有摩擦阻力和彈簧的彈性力。吸入液體的過(guò)程中，柱塞受力情況如下圖：圖2-6吸入液體時(shí)柱塞的受力圖根據(jù)牛頓第二定律則有： （1）f為柱塞與套筒之間的動(dòng)摩擦力，為電磁泵水平放置時(shí)的傾角，為了討論方便，令，。 k彈簧的彈性模量剛一開(kāi)始時(shí)，即，柱塞向上作加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng) 時(shí)，即，柱塞運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)到最大，此時(shí)，由于慣性，柱塞依舊向上

50、運(yùn)動(dòng)，直至速度為0時(shí)停止，柱塞處于向上運(yùn)動(dòng)的極限位置，完成吸入液體的過(guò)程。排出液體的過(guò)程中，柱塞受力情況如下圖：圖2-7排出液體時(shí)柱塞的受力圖根據(jù)牛頓第二定律則有： （2）當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)到向上的極限位置時(shí)，撤去外電壓，則，則柱塞在彈簧彈性力的作用下向下加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈性力與摩擦力相等時(shí)，速度達(dá)到最大，由于慣性柱塞繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至速度為0時(shí)停止，此時(shí)，柱塞處于向下運(yùn)動(dòng)的極限位置，完成排出液體的過(guò)程。將公式（1）與公式（2）聯(lián)立，則有假設(shè)，則解得，而x彈簧的變形量也就是柱塞的行程v柱塞移動(dòng)x距離時(shí)排出的液體體積，單位為d柱塞的直徑，單位為f柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，單位為q泵輸出的流量，單位為則有，將代入有

51、a柱塞的橫截面積，單位為對(duì)此結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目標(biāo)函數(shù)為約束條件為2.求解在這里，選取線圈匝數(shù)柱塞直徑彈簧剛度為設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)為流量q，即：在滿足給定約束條件下，選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量，使其目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值一般可用最小值或最大值的形式來(lái)體現(xiàn)。求目標(biāo)函數(shù)在可行域內(nèi)的最大值，則可看成是求（-q）的最小值，因?yàn)椋?q）的最小值與q 的最大值是等價(jià)的。當(dāng)然，也可看成是求1/q 的最小值。這是一個(gè)有約束的三維優(yōu)化問(wèn)題，可以采用復(fù)合形法來(lái)求解。復(fù)合形法是求解約束非線性最優(yōu)化問(wèn)題的一種重要的直接方法。它來(lái)源于用于求解無(wú)約束非線性最優(yōu)化問(wèn)題的單純形法，實(shí)際上是單純形法在約束

52、問(wèn)題中的發(fā)展。它不需計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的梯度，而是靠選取復(fù)合形的頂點(diǎn)并比較各頂點(diǎn)處目標(biāo)函數(shù)值的大小，來(lái)尋求下一步的探索方向。復(fù)合形各頂點(diǎn)的選擇和替換，不僅要滿足目標(biāo)函數(shù)值的下降，還應(yīng)當(dāng)滿足所有的約束條件。由于設(shè)計(jì)的維數(shù)為三維，因而復(fù)合形為由四個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的四面體。計(jì)算出四面體各頂點(diǎn)的函數(shù)值，利用各頂點(diǎn)處目標(biāo)函數(shù)值的大小關(guān)系，判斷目標(biāo)函數(shù)值的下降方向，不斷丟掉函數(shù)值新點(diǎn)，從而不斷地構(gòu)成新的復(fù)合形。如此重復(fù)計(jì)算，使新的復(fù)合形不斷地向可行域的最優(yōu)點(diǎn)移動(dòng)和收縮，直到得到滿足收斂準(zhǔn)則的近似解為止。由于復(fù)合形法在迭代過(guò)程中，不必計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的一二階導(dǎo)數(shù)，也無(wú)需進(jìn)行一維最優(yōu)化探索，因此對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的性質(zhì)無(wú)特

53、別要求，程序較簡(jiǎn)單，但隨著設(shè)計(jì)變量和約束條件的增多，其計(jì)算效率顯著降低。當(dāng)維數(shù)n5時(shí)，可適當(dāng)減少頂點(diǎn)數(shù)，但不能少于（n+1）個(gè)。下面給出用復(fù)合形法求解的程序框圖，見(jiàn)圖2-8。在入口處給出復(fù)合形四個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值，并進(jìn)行比較，則可確定函數(shù)值最大的點(diǎn)（最差點(diǎn)）xh,函數(shù)值次大的點(diǎn)（次差點(diǎn)）xg和函數(shù)值最小的點(diǎn)（最好點(diǎn)）xl,并大致判斷目標(biāo)函數(shù)值的變化趨勢(shì)。若xc為除xh點(diǎn)以外的各頂點(diǎn)的形心，則通常是由點(diǎn)xh和xc 連線的延長(zhǎng)線上取一點(diǎn)xr，并使xr=xc+ (xc-xh)這一步稱為反射或映射，式中xr 點(diǎn)稱為最差點(diǎn)xh 的反射點(diǎn)或映射點(diǎn)，為反射或映射系數(shù)，一般取1。檢查xr點(diǎn)的可行性，若xr不在可行

54、域內(nèi)，應(yīng)將減半。如此反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到收斂準(zhǔn)則的要求為止。若xr在可行域內(nèi)，如果f(xr)f(xg)時(shí)，則可以從xr點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)張，即在更遠(yuǎn)處取一點(diǎn)xe為擴(kuò)張點(diǎn)，并使xe=xc+（xr-xc）式中：擴(kuò)張系數(shù)，一般1。如果xe為可行點(diǎn)，且f(xe)f(xg)時(shí)，則用xe替換xh，如果f(xc)f(xr)時(shí)，則可以向xc點(diǎn)壓縮，并計(jì)算壓縮點(diǎn)xs：xs=xc+（xr-xc）式中：壓縮系數(shù)，一般1。如果f(xc)f(xg),而且f(xh)f(xr)則應(yīng)當(dāng)壓縮得更多些，即將新點(diǎn)壓縮至xh與xc之間，這時(shí)所得的壓縮點(diǎn)為xs=xc-（xc-xh）=xc+（xh-xc）為了避免出現(xiàn)圍繞一點(diǎn)轉(zhuǎn)圈的死循環(huán)現(xiàn)象以及在尋

55、優(yōu)迭代過(guò)程中返回現(xiàn)象，還可以使復(fù)合形各頂點(diǎn)向最好點(diǎn)收縮，使各邊長(zhǎng)減半，即使新點(diǎn)為圖2-8復(fù)合形法的程序框圖如果上述作法均無(wú)效時(shí)，還可以在xh，xc，xl三點(diǎn)所決定的平面中，將xh點(diǎn)繞xl點(diǎn)旋轉(zhuǎn)某一角度，并向最好點(diǎn)xl靠攏，得到新的xh點(diǎn)后構(gòu)成新的復(fù)合形。經(jīng)過(guò)用復(fù)合形法求得的最優(yōu)點(diǎn)為:n= 1200 匝,d=25 ，k=35n/,q= 4500ml/min 。沒(méi)有優(yōu)化之前的最大流量為q=4200ml/min,優(yōu)化之后的最大流量為q=4500 ml/min,流量提高了接近8%,達(dá)到了優(yōu)化的目的。第3章 電磁泵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證泵的實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)泵性能的主要手段，特別是在研制階段，對(duì)泵進(jìn)行全面的性能測(cè)定，更是檢驗(yàn)泵的設(shè)計(jì)和制造成功與否的主要依據(jù)，也是初步檢驗(yàn)泵的工作能力以及確定流量與頻率電壓(占空比)的關(guān)系的曲線圖的依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，重