微小型變流量電磁泵的研究

1、第1章 緒 論1.1 課題來源及意義本論文來源于吉林省科技廳下達的基礎(chǔ)研究項目“微小型變流量電磁泵的研究”。該項目針對傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占空間大，應(yīng)用受到限制的問題，研制出了一種微小型變流量電磁泵。研制的泵在驅(qū)動原理上采用通電線圈產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動柱塞作往復(fù)直線運動，是一種全新的泵，同時該電磁泵可以通過調(diào)節(jié)供電電源頻率和電壓來實現(xiàn)泵輸出流量的無級調(diào)節(jié)，便于自動控制泵的變流量輸出，這就更加擴大了該電磁泵的應(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)用越來越廣泛，據(jù)統(tǒng)計僅次于電動機的應(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，都必須靠電動機經(jīng)中間傳動機構(gòu)驅(qū)動進行

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)簡單緊湊新穎獨特體積小等特點。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，進一步對該電磁泵進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。近年來，泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的應(yīng)用越來越多。根據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，世界上泵的產(chǎn)量排在第二位，僅次于電機。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，泵的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U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要使用各種類型的泵，在原子能發(fā)電艦艇噴水推進液體火箭燃料供給生物工程、家用電器、醫(yī)學等方面亦得到重要的應(yīng)用?？梢哉f凡需要輸送液

3、體的領(lǐng)域都有它的市場。根據(jù)中國石化總公司和天然氣總公司介紹，一套30萬噸乙烯裝置，年用泵280臺，一套30萬噸合成氨和尿素化肥裝置，年需用泵100臺左右。全國上百家石化企業(yè)，近千套生產(chǎn)裝置，用量相當大，而且我國每年花40多億元進口石化不泄漏泵。油田用泵年需近900萬臺，還有鍋爐配套用泵4000萬臺；供水系統(tǒng)、制藥行業(yè)用泵3500萬臺；另外建筑、造紙、船舶、農(nóng)業(yè)、國防等其它領(lǐng)域也大量需求該產(chǎn)品。同時，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固

4、體如煤等進行長距離輸送。毫無疑問，泵在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防等工業(yè)中必然將起到十分重要的作用。長期以來，泵的軸封泄漏一直在困惑著泵的研究設(shè)計者和制造業(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)濟損失，而且污染環(huán)境，浪費資源，某些介質(zhì)還會引發(fā)燃、爆、毒等重大事故。因此，軸封泄漏是世界公認的急待解決的難題。針對這一難題，科華泵業(yè)公司董事長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（專利號：ZL 97 2 44365.7）組成盤式密閉電泵（專利號：ZL 97 2 50027.8），使電機、泵一體化。該泵機改變了傳統(tǒng)電機的套筒式結(jié)構(gòu)及

5、傳統(tǒng)泵的設(shè)計原理。電機轉(zhuǎn)子為平面圓環(huán)狀，并與泵葉輪結(jié)合成一體，實現(xiàn)了泵機無軸傳動，完全靜密封，達到永不泄漏。電磁泵與同類功能的泵比較，節(jié)省原材料30%；運轉(zhuǎn)起來節(jié)約電能25%。具有體積小、重量輕、成本低、效率高、壽命長、無噪聲、無污染、無泄漏等優(yōu)點。 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)換成熱能和機械能的泵。通電后，在電機定、轉(zhuǎn)子（葉輪）之間產(chǎn)生交變電磁場，從而產(chǎn)生作用力和熱，電機、泵一體化，能夠?qū)⑦\行過程中產(chǎn)生的機械能與熱能全部有效利用，在一個簡單的一體化的泵中實現(xiàn)電磁熱能轉(zhuǎn)化，熱效率達100%。由電磁熱泵、電磁加熱裝置和智能溫控器系統(tǒng)設(shè)計成電磁供暖設(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、省錢，可廣泛應(yīng)用機關(guān)、廠礦、學校、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)遼寧省科技情報所國內(nèi)外聯(lián)機檢索，填補了國內(nèi)外空白。屬高科技、高附加值、國內(nèi)外首創(chuàng)的新產(chǎn)品，經(jīng)沈陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所按企業(yè)標準批量抽樣檢驗合格。被國家經(jīng)貿(mào)委評為國家級新產(chǎn)品。并得到了國家經(jīng)貿(mào)委、國家科委、沈陽市沈河區(qū)科技局等多項立項貸款，用以支持電磁泵和熱泵的研制與市場開發(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；在原子能動力工業(yè)中用于輸送化學性質(zhì)特別活潑的金屬，如鈉、鉀、鈉鉀合金等。近年來隨著新型、高效鑄造機械，如壓鑄機和高速自動造

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、計量、澆注的自動化、高速化成為急需解決的問題，澆注作業(yè)又是冶金、鑄造工業(yè)中一道操作繁重的工序，不僅勞動強度大而且作業(yè)環(huán)境（如高溫、廢氣、安全事故等）對工人健康影響較大，這些都為電磁泵的應(yīng)用開辟了新的廣闊的前景 。同時，電磁泵還能用來輸血而不會對心肺及人造腎臟中的血紅細胞造成任何危害。在國外電磁泵早已進入市場并開始應(yīng)用。國外小流量的電磁泵在工業(yè)發(fā)達國家中廣泛應(yīng)用于化工工藝過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，使用起來與機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，而且可以大

8、大簡化快速增殖反應(yīng)堆系統(tǒng)。資料表明，國內(nèi)外對電磁泵的研究都十分重視。美國、日本等國家已把電磁泵應(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，目前國內(nèi)外已開發(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，而且流量可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，因此，該變流量電磁泵具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀該項目所研制的電磁泵在驅(qū)動原理上是一種全新的泵，直接利用泵本身的電磁線圈產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動具有單向閥的柱塞作往復(fù)直線運動，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)簡單、緊湊，體積小等

9、特點；同時該電磁泵更重要的特點是可以通過改變供電電源頻率或電壓來實現(xiàn)泵輸出流量的無級調(diào)節(jié)，便于自動控制泵的變流量輸出。該項目已通過吉林省科技廳鑒定，填補了國內(nèi)空白，達到國內(nèi)先進水平，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.實際電磁泵最大工作壓力為：P=0.6atm，實際電磁泵流量：Q=04200ml/min連續(xù)可調(diào)。21世紀是電子信息時代，是電腦走向普及、生命科學快速發(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代，泵產(chǎn)品及其市場的發(fā)展將會更加新潮與寬廣。高速小型化、大容量

10、化、特種用途、自動化控制仍是泵今后發(fā)展的趨勢。特別是調(diào)頻器的快速發(fā)展，將會給泵帶來一場高速、輕便、小型的新的革命。新型水潤滑軸承、磁力軸承、新型機械密封和無泄漏以及新材料、新工藝、新能源的開發(fā)利用，亦會給泵的全面發(fā)展帶來新的生機。隨著石油化學工業(yè)、機械制造工業(yè)、造紙、食品、醫(yī)藥、化學分析等行業(yè)的發(fā)展，對往復(fù)泵的需求日益增加，同時，生產(chǎn)的發(fā)展對往復(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，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，下端與進水底座相接的閥芯套，閥芯套內(nèi)設(shè)置有可移動的閥芯，支架底部與進水底座相接，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。本實用新型在進水管端部設(shè)置有一帶濾過網(wǎng)的管接頭，增加了進口處的過濾功能，保證管內(nèi)部清潔，延長了本產(chǎn)品的使用壽命。本實用新型閥芯的上下兩端均設(shè)置有彈簧和閥芯堵頭，在實現(xiàn)單向通斷功能的同時，極大的保證了截斷和導(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）和磁場的作用，把電磁推動力直接加在液態(tài)金屬上。由于省去了機械傳動部件，因而具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、完全密封、噪音小等優(yōu)點，缺點是效率較低。 隨著原子能動力工業(yè)的發(fā)展，特別是快中子反應(yīng)堆的發(fā)展促進了液態(tài)金屬電磁泵的研究和應(yīng)用。目前在國外，液態(tài)金屬電磁泵廣泛應(yīng)用于原子能動力液態(tài)金屬回路的各種輔助系統(tǒng)及熱工和材料實驗裝置中。對于一些實驗性反應(yīng)堆以及空間動

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

14、了大量研究工作，到目前為止，國際上包括美國、英國、法國、南非、俄羅斯等國家都掌握了該項技術(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)動機的缸蓋，與氣壓式方法比，產(chǎn)品的廢品率由原來的25%降到2%，金屬利用率由原來的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70年代末，英國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)一級方程式賽車的發(fā)動機缸體、缸蓋。1988年，美國福特公司購買了cp專利，并于1992年wap建成年產(chǎn)量100萬只缸體的生產(chǎn)線，特別是該公司某鑄造廠全部采用低壓鑄造系統(tǒng)，并實行自動化控制，年產(chǎn)300多

15、萬件缸蓋，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。我國從60年代開始了電磁泵的研究并得到了一定的發(fā)展。如華北工學院于1997年成功開發(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)。在國內(nèi)，電磁泵主要應(yīng)用于化工工業(yè)中。如采用電磁泵來輸送汞，可消除汞泄漏和對環(huán)境的污染，從而改善了工人的勞動條件。一些易氧化的液體金屬如鉀、鈉，由于采用電磁泵進行輸送可以大大提高安全性。近年來，華北工學院提出了雙聯(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)換成熱能和機械能的泵，屬高科技、高附加值、國內(nèi)外首創(chuàng)的新產(chǎn)品。利用電磁泵來排氣的臭氧發(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、空氣消毒等多種場合應(yīng)用。吉林省漢中實業(yè)有限公司研制出了一種雙聯(lián)電磁泵，它包括左右兩個泵腔，大大提高了電磁泵的流量。電磁泵(SOLENOID PUMP)是一種將動力和泵體直接結(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力，電流通過電磁繞組形成交變固定磁場，與可運動的泵體形成交互作用，帶動泵體振動，推動液體輸出。 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，無泄漏，體積小，價格相對低廉，輸出流量較小等特點。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(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：特點：將速溶飲料快速沖制成飲料，例如咖啡、橘子汁、高樂高等。 蒸汽清洗機：特點：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、簡便、高效的工具。 沖牙器：特點：以高壓2千帕，每分3000次脈沖水滴沖洗清潔牙齒和牙齦，實現(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。 增壓過濾器：特點：提高輸入壓力，提高過濾效率。例如家用純水機等。 計量泵：特點：調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)控制范圍寬。 地毯清洗機：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)品在國外已經(jīng)長期廣泛使用。典型電磁泵產(chǎn)品有意大利公司(wwwflui dotechcom)和美國公司(wwwclarkeso1com)產(chǎn)品。 在借鑒國外同類產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過兩年來不斷的改進和提高，二七廠科協(xié)已經(jīng)可以設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)此類電磁泵，按使用要求開發(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。而柱塞力由負載阻力、慣性力等組成。在柱塞行程和柱塞往復(fù)運動頻率一定的條件下，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，因此它必須同時兼顧泵對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，因此當其截面積一定時，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法設(shè)計出來的。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的，所以柱塞截面積可以設(shè)計得很小，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，吉林省科技廳下達了基礎(chǔ)研究項目“微小型變流量電磁泵的研究”，該課題組人員針對傳統(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)動原理上是一種全新的泵，它不再采用電動機帶動

21、齒輪或曲柄連桿機構(gòu)的驅(qū)動形式，而是直接利用通電螺線管中產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動柱塞作往復(fù)直線運動，來吸入和排出液體，同時該電磁泵可以通過調(diào)節(jié)供電電源頻率和電壓來實現(xiàn)泵輸出流量的無級調(diào)節(jié)，便于自動控制泵的變流量輸出，這就更加擴大了該電磁泵的應(yīng)用范圍。該課題組人員通過對電磁泵工作原理的分析，建立了該泵的數(shù)學模型，即系統(tǒng)的數(shù)學模型可以簡化為單自由度有阻尼受迫振動，并對泵的動態(tài)特性進行了測試。在分析電磁泵工作機理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了電磁泵流量的理論計算公式，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)，然后對電磁泵分別進行了性能實驗，實驗結(jié)果表明：通過調(diào)整電磁泵脈動電源的電壓或頻

22、率都可以實現(xiàn)流量的無級調(diào)節(jié)。以上為該項目課題組人員的研究成果，但就目前的研究情況來看，如何提高該電磁泵的流量，進而提高效率是目前需要解決的主要問題之一。1.3 論文的主要研究內(nèi)容本論文題目是小型變流量電磁泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它是在該項目課題組人員研究成果下，進一步對該電磁泵進行結(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，由于在建立目標函數(shù)的過程中，沒有引進線徑作為其中的一個變量，因而可以取線徑為一個固定的量，通過改變匝數(shù)來進行線圈的優(yōu)化，也

23、就是取匝數(shù)為設(shè)計變量之一。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)計變量之一。回復(fù)彈簧的剛度除了對電磁泵的穩(wěn)定性起主要作用外，還對電磁泵的行程有很大影響，進而影響泵的流量。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。但同時剛度越大，所需的電磁吸力也越大，因而，彈簧剛度對電磁泵的影響也很大，取其也為設(shè)計變量之一。那么，進行優(yōu)化

24、的目標函數(shù)即為泵的流量，設(shè)計變量為線圈匝數(shù)、柱塞直徑、彈簧剛度。通過復(fù)合形法來求解目標函數(shù)的最優(yōu)解。2.實驗驗證。首先驗證控制系統(tǒng)能否滿足要求，在控制系統(tǒng)滿足要求的情況下，進行調(diào)頻調(diào)壓試驗，采集流量數(shù)據(jù)，與沒有優(yōu)化之前的流量相比較，看是否達到提高流量的目的。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、進口閥、出口閥、銅套、下端蓋、線圈骨架、套筒、進口閥導(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:當給電磁泵電磁線圈中通入脈動直流電后，電磁線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場產(chǎn)生的電磁力直接作用于柱塞上,驅(qū)動柱塞作往復(fù)直線運動來輸送液體。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。當電磁線圈通電時，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,電磁線圈中將產(chǎn)生磁場，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，此時柱塞向上作加速運動,隨著時間的增加柱塞運動的速度也在增加，當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，柱塞所受合外力為零，此時柱塞運動速度達到最大,但是由于慣性，柱塞繼續(xù)向上運動，當速度為零時，柱塞處于向上運動的極限位置。在柱塞向上運動的過程中，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,進口閥打開，腔外液體克服吸水管路和進口閥的阻力進入到下腔體中，這是液體吸入的過程。當柱塞處于向上運動的極限位置時，彈簧

27、的壓縮量達到最大,這時不再給線圈通電,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，柱塞此時開始向下作加速運動，加速度為零時速度達到最大,速度為零時處于下極限位置。在柱塞向下運動過程中，下腔體的液體被壓縮，壓力升高，進口閥關(guān)閉，進而將出口閥頂開，下腔體中的液體被排到上腔體中。當柱塞再向上運動時，此時出口閥關(guān)閉，進口閥打開，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程。同時下腔體吸入液體，柱塞在液缸體內(nèi)作上下往復(fù)直線運動，如此反復(fù)不斷地吸入和排出液體，那么通過調(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。具體工作情況見圖2-3。 a) b)1.液缸體2.線圈3.柱塞4.進口閥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電磁泵的工作過程當電磁泵的電磁線圈2未通電時，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的中心位置一個距離。當電磁線圈2中通入單相固定頻率的交流電時，由于電磁感應(yīng)將在電磁線圈中產(chǎn)生交變磁場。置于線圈磁場中的柱塞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，柱塞克服彈簧的作用力向上作加速運動:當柱塞向上運動到與電磁線圈的

29、中心位置重合時，柱塞所受的電磁吸力為零，但是由于慣性，柱塞3繼續(xù)向上運動，當其超過電磁線圈的中心位置時將會受到向下電磁吸力的作用，此時柱塞則向上做減速運動，當速度為零時，柱塞處于向上運動的極限位置。在柱塞向上的運動過程中，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)形成負壓，腔外液體在大氣壓力作用下將進口閥5打開，并克服吸水管路和進口閥的阻力進入到下腔體中，這即是吸入液體的過程，如圖a所示。當柱 塞 處 于向上運動的極限位里時，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，柱塞開始向下做加速運動護當超過電磁

30、線圈的中心位置時，電磁吸力反向，柱塞作減速運動，速度為零時處于下極限位置。在柱塞向下的運動過程中，下腔體的液體被擠壓，壓力升高，進口閥關(guān)閉，進而將出口閥頂開，下腔體中的液體被排到上腔體中，如圖b所示。當柱塞再向上運動時，出口閥關(guān)閉，進口閥打開，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程。同時下腔體吸入液體，柱塞在液缸內(nèi)作上下往復(fù)直線運動，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：在磁場中的導(dǎo)體，通過電流，則導(dǎo)體將受到磁場的推力，三者方向相互垂直，推力的大小為F=IB。 傳導(dǎo)電磁泵沒有任何轉(zhuǎn)

31、動部件，解決了機械泵磨損問題，形成免維護焊機。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)，國內(nèi)進口瑞士這種機型近50臺基本都已停用。 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)磁場的相位差，進而形成前進磁場分量，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，形成前進磁場分量，其前進磁場分量非常有限，大部分為不產(chǎn)生前進推力的脈動磁場，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、 這是我國在波峰焊機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)問題，無任何轉(zhuǎn)動部件，無電流變換器，免維護、無磨損，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，其合成磁場，是一個前進磁場中切割磁力線，感應(yīng)電流，形成前進的電磁力。 由于直接利用的是三相電源固有的相位差，因而合成磁場基本無脈動磁場分量，均是產(chǎn)生前進力的合成磁場，與電磁炮原理完全相同,因而效率高，可達70以上，由三相異步感應(yīng)式電泵構(gòu)成的波峰焊機除具有感應(yīng)式電磁泵具有的所有優(yōu)點外，如聲頻微擾振動

33、波疊加，增強焊接能力和爬孔能力，無任何轉(zhuǎn)動部件、無磨損、免維護、結(jié)構(gòu)簡單等，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2.2.1電磁線圈的初步設(shè)計該電磁泵的傳動端不再使用電動機帶動齒輪或曲柄連桿機構(gòu)的驅(qū)動形式，而是直接用通電螺線管中產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動柱塞作往復(fù)直線運動，進而達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。從國內(nèi)外電磁泵的結(jié)構(gòu)來看，組成其電磁回路的大部分采用甲殼螺管式的磁路形式。因為它具有以下四個特點：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，并且柱塞是在線圈的內(nèi)腔中作直線往復(fù)運動，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)簡單，加工工藝性好。鑒于甲殼螺管式磁路的以上優(yōu)點，在本電磁泵中采用了甲殼螺管式的磁路來驅(qū)動柱塞。通常在工程實用上，對電磁線圈是有一定的要求的，例如：線圈中心的磁感強度B，磁場均勻區(qū)的范圍，線圈長度L，線圈內(nèi)徑以及線圈工作制等等。針對上述的要求，線圈的設(shè)計程序就是分析和計算。分析的目的就是為了在計算中保證完成要求的任務(wù)。線圈驅(qū)動部分的設(shè)計類似于直流電磁鐵的設(shè)計，但目前對于直流電磁鐵的設(shè)計還沒有一個

35、很好的方法，理論計算與實際驗證有很大的差別，這主要受很多因素影響，如漏磁難以計算等。因此，必須依靠反復(fù)驗證才能設(shè)計出一個較好的電磁回路。下面參照直流電磁鐵的設(shè)計方法來初步估算電磁回路的有關(guān)參數(shù)，大致的設(shè)計步驟如下：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不能超過某個容許的數(shù)值。磁路在各種工作制下，所允許的電流密度值范圍如下：長期工作制磁路：J=24A/反復(fù)短時工作制磁路：J=512 A/短時工作制磁路：J=1330 A/在本文中所討論的電磁泵，是屬于反復(fù)短時工作制的磁路，因而取J=5A/。2.求電磁吸力F在這里是對已有的電

36、磁泵進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因而，容積腔大小不能改變，容積腔原來的直徑為26，那么取柱塞的直徑d=26,而，所以可以求出電磁吸力F，F(xiàn)=。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. 求單位長度的安匝數(shù)（安匝/）為單位長度安匝數(shù)，單位為安匝/ I為激磁電流，單位為AN為線圈的匝數(shù)L為線圈長度，單位為5.求線圈寬度和長度此電磁泵的線圈寬度為15，長度為60，由此確定的值為4。為防止或減小來自磁導(dǎo)體的熱量，值取偏小有利，這時電磁線圈為矮而粗。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、強度B由于線圈在軸向長度較短，徑向高度線圈內(nèi)徑與外徑差別也不大，可以近似地認為線圈內(nèi)是勻強磁場，磁感應(yīng)強度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)運動次數(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)運動行程長度，單位為對于結(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，只能通過調(diào)節(jié)行程長度和柱塞的往復(fù)運動頻率f來實現(xiàn)。根據(jù)電磁泵數(shù)學模型可知，柱塞的往復(fù)運動次數(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.對于柱塞的設(shè)計首先應(yīng)該選擇恰當?shù)牟牧希瑧?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)用場合來選擇。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)計成空心或帶有溝槽狀的，此類電磁泵的優(yōu)點在于不用考慮散熱問題，因為液體從柱塞中間流過。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。當泵的流量為一定時，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，同時也可以減小柱塞力，可使傳動端的受力減小，減小傳動端零部件的尺寸。減小行程，使泵的總長度Ls也隨之減小。根據(jù)統(tǒng)計，泵的總長度Ls和行程之間有大致如下的關(guān)系：Ls=8，可見減小行程后可大幅度地減小泵的總長度，提高往復(fù)次數(shù)f

40、對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從電磁泵的工作過程可知，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，損失增加，同時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)象嚴重，產(chǎn)生撞擊，縮短閥的壽命，同時導(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并不是可以無限制地提高，對某一特定的電磁泵來說，當往復(fù)次數(shù)超過某一范圍后，就會使閥板落到閥座上時產(chǎn)生撞擊，引起振動，閥門很快磨損，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撞擊條件為基礎(chǔ)的。下面主要介紹庫可列夫斯基的計算方法。庫可列夫斯基認為：閥的撞擊是由于閥下落在閥座上時的速度達到某一臨界值而產(chǎn)生的。通過實驗表明：當閥落到閥座上的速度時，就不會產(chǎn)生嚴重的撞擊現(xiàn)象。而當閥下落的速度超過這一范圍時就會產(chǎn)生撞擊。因此，為了使閥平穩(wěn)地工作，應(yīng)當滿足的條件。，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。對于往復(fù)次數(shù)較高的泵可允許提高到700750，對有橡膠密封面的閥可提高到8001000。3. 柱塞程徑比的選擇1柱塞程徑比對總體尺寸的影響程徑比是柱塞行程對柱塞直

42、徑d的比值，它大體上反映了總體長度和程徑比過大或過小都會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、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往復(fù)次數(shù)f增加時，行程必然減少，也即較小。在高排出壓力時，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，在整個調(diào)頻調(diào)壓過程中，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，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，重新做了兩個柱塞，為了減小整體重量，將柱塞中間的通孔直徑變大，一個柱塞比以前的長些，另一個比以前的短些，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，線圈的長度與柱塞的長度應(yīng)該有一個最佳比值，線圈的長度既然已經(jīng)固定無法改變，只有通

44、過改變柱塞長度來調(diào)整這個比值，使之更加合理化。在不改變線圈匝數(shù)的情況下進行實驗，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出口閥選用錐形閥，因為它流道較平滑，流量系數(shù)大，水力阻力小，過流能力強，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)計計算，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)計的電磁泵的原理是基于電磁鐵的鐵心往復(fù)運動原理而工作的。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。線圈通電后能對鐵磁質(zhì)的柱塞產(chǎn)生吸引力，把電能

45、轉(zhuǎn)化為機械能。在設(shè)計的電磁泵中，把電磁鐵中的銜鐵做成柱塞結(jié)構(gòu)，通過進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。整個過程是把電能轉(zhuǎn)化為柱塞的動能，再把柱塞的動能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能的過程。由于在整個工作過程中，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，所以說整個受力情況是很復(fù)雜的，因而在計算以前為討論方便先做如下假設(shè)：1.忽略漏磁的影響。2.當工作氣隙變化時，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)換的角度來討論柱塞在電磁力作用下做機械功時，電能、磁能和機械能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)

46、系和電磁吸力。設(shè)時間從時，柱塞在電磁力作用下做機械運動，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)的電磁吸力已知當氣隙為時磁場儲存的能量為，當氣隙為時磁場儲存的能量為，線圈始終接在電源上，時間從，氣隙由下降到時，該系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，所增加的磁場能量由可求出，以表示 由能量守恒定律知，磁系統(tǒng)原來儲存的能量，又從電源吸收的部分能量和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲存的能量及電磁力作用下柱塞從移動到所做的機械功平衡。機械功，用式表達為當很小時，很小，可以忽略，由此式中負號表示電磁作用力方向始終是指向氣

47、隙減小的方向。在電磁泵工作過程中，除了工作氣隙中會產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵磁線圈與柱塞側(cè)面氣隙中，由于柱塞運動時漏磁通將發(fā)生變化，也會產(chǎn)生吸力，稱為螺管力。螺管力的產(chǎn)生可用載流導(dǎo)體在磁場中的受力加以分析。假定線圈中的電流方向為流出紙面。該電流產(chǎn)生的主磁場和漏磁場方向符合右手定則。通電線圈處于漏磁場中，根據(jù)左手定則可知，此時有電磁力作用在線圈上，欲使線圈向右移動，但實際上線圈是固定不動的，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動，亦即使氣隙減小。因而，柱塞所受的電磁力，當不考慮導(dǎo)磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時為式中平均電磁力（N）IN勵磁線圈磁勢（A）比磁導(dǎo)（

48、H/m） L線圈長度（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，可以近似認為線圈內(nèi)的磁場為勻強磁場，磁場強度B參照載流直螺線管內(nèi)部的磁場的計算方法來求，所以。B磁場強度（T）磁導(dǎo)率（H/m）n單位長度的匝數(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，因為匝數(shù)增大漏磁的影響增大，反而會使電磁力下降，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)計在初步計算中利用一些經(jīng)驗數(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，需要進一步進行計算。在這個過

49、程中采取優(yōu)化設(shè)計的方法，取流量為目標函數(shù)，取線圈匝數(shù)、彈簧剛度及柱塞直徑為設(shè)計變量，要求目標函數(shù)的最大值，即當設(shè)計變量取什么值時流量最大。下面，通過對電磁泵的受力分析來建立目標函數(shù)。1.目標函數(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。吸入液體的過程中，柱塞受力情況如下圖：圖2-6吸入液體時柱塞的受力圖根據(jù)牛頓第二定律則有： （1）f為柱塞與套筒之間的動摩擦力，為電磁泵水平放置時的傾角，為了討論方便，令，。 k彈簧的彈性模量剛一開始時，即，柱塞向上作加速運動，當 時，即，柱塞運動的速度達到最大，此時，由于慣性，柱塞依舊向上

50、運動，直至速度為0時停止，柱塞處于向上運動的極限位置，完成吸入液體的過程。排出液體的過程中，柱塞受力情況如下圖：圖2-7排出液體時柱塞的受力圖根據(jù)牛頓第二定律則有： （2）當柱塞運動到向上的極限位置時，撤去外電壓，則，則柱塞在彈簧彈性力的作用下向下加速運動，當彈性力與摩擦力相等時，速度達到最大，由于慣性柱塞繼續(xù)向下運動，直至速度為0時停止，此時，柱塞處于向下運動的極限位置，完成排出液體的過程。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x距離時排出的液體體積，單位為d柱塞的直徑，單位為f柱塞往復(fù)運動的頻率，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，單位為對此結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化設(shè)計的方法來進行設(shè)計。目標函數(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)計變量，目標函數(shù)為流量Q，即：在滿足給定約束條件下，選取適當?shù)脑O(shè)計變量，使其目標函數(shù)達到最優(yōu)值。目標函數(shù)的最優(yōu)值一般可用最小值或最大值的形式來體現(xiàn)。求目標函數(shù)在可行域內(nèi)的最大值，則可看成是求（-Q）的最小值，因為（-Q）的最小值與Q 的最大值是等價的。當然，也可看成是求1/Q 的最小值。這是一個有約束的三維優(yōu)化問題，可以采用復(fù)合形法來求解。復(fù)合形法是求解約束非線性最優(yōu)化問題的一種重要的直接方法。它來源于用于求解無約束非線性最優(yōu)化問題的單純形法，實際上是單純形法在約束

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

53、別要求，程序較簡單，但隨著設(shè)計變量和約束條件的增多，其計算效率顯著降低。當維數(shù)n5時，可適當減少頂點數(shù)，但不能少于（n+1）個。下面給出用復(fù)合形法求解的程序框圖，見圖2-8。在入口處給出復(fù)合形四個頂點的函數(shù)值，并進行比較，則可確定函數(shù)值最大的點（最差點）Xh,函數(shù)值次大的點（次差點）Xg和函數(shù)值最小的點（最好點）Xl,并大致判斷目標函數(shù)值的變化趨勢。若Xc為除Xh點以外的各頂點的形心，則通常是由點Xh和Xc 連線的延長線上取一點Xr，并使Xr=Xc+ (Xc-Xh)這一步稱為反射或映射，式中Xr 點稱為最差點Xh 的反射點或映射點，為反射或映射系數(shù)，一般取1。檢查Xr點的可行性，若Xr不在可行

54、域內(nèi)，應(yīng)將減半。如此反復(fù)進行，直至達到收斂準則的要求為止。若Xr在可行域內(nèi)，如果f(Xr)f(Xg)時，則可以從Xr點進行擴張，即在更遠處取一點Xe為擴張點，并使Xe=Xc+（Xr-Xc）式中：擴張系數(shù)，一般1。如果Xe為可行點，且f(Xe)f(Xg)時，則用Xe替換Xh，如果f(Xc)f(Xr)時，則可以向Xc點壓縮，并計算壓縮點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)當壓縮得更多些，即將新點壓縮至Xh與Xc之間，這時所得的壓縮點為Xs=Xc-（Xc-Xh）=Xc+（Xh-Xc）為了避免出現(xiàn)圍繞一點轉(zhuǎn)圈的死循環(huán)現(xiàn)象以及在尋

55、優(yōu)迭代過程中返回現(xiàn)象，還可以使復(fù)合形各頂點向最好點收縮，使各邊長減半，即使新點為圖2-8復(fù)合形法的程序框圖如果上述作法均無效時，還可以在Xh，Xc，Xl三點所決定的平面中，將Xh點繞Xl點旋轉(zhuǎn)某一角度，并向最好點Xl靠攏，得到新的Xh點后構(gòu)成新的復(fù)合形。經(jīng)過用復(fù)合形法求得的最優(yōu)點為:N= 1200 匝,d=25 ，K=35N/,Q= 4500ml/min 。沒有優(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%,達到了優(yōu)化的目的。第3章 電磁泵的實驗驗證泵的實驗是檢驗泵性能的主要手段，特別是在研制階段，對泵進行全面的性能測定，更是檢驗泵的設(shè)計和制造成功與否的主要依據(jù)，也是初步檢驗泵的工作能力以及確定流量與頻