CN108591005A - 基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种音圈电机驱动的高精度柱塞泵，包括：泵前盖、电机支架、泵体、软铁外壳、线圈支架、泵主轴、排油单向阀、柱塞盘、缸体、油箱、吸油单向阀、泵后盖、标尺光栅、定位螺母、垫圈、连接板、光栅尺读数头、线圈、永磁体、软铁芯。所述柱塞泵中，泵后盖、泵体、泵前盖组成泵的外壳，用于支撑泵的内部结构；电机支架、软铁外壳、线圈支架、线圈、永磁体、软铁芯、标尺光栅和光栅尺读数头组成泵的音圈电机驱动单元，负责柱塞泵的驱动和柱塞行程测量；泵主轴、柱塞盘、缸体、定位螺母、垫圈组成泵的液压单元，负责跟随驱动电机，完成柱塞泵的吸油和压油工作。本发明具有整体性强，流量稳定，排量调节精确，响应速度快等特点。

Description

基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵

技术领域

本发明涉及变量柱塞泵，特别是一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，属于液压工程机械领域。

背景技术

随着国民经济的发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用，而液压系统依靠其安全性能优越、结构小、响应快、驱动力大的特点，在推崇机电液一体化的工程机械中牢牢占据着核心位置。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油，其中动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，为后续的液压设备提供动力，作为一个液压系统的起始点，动力元件的性能和效率决定了整个液压系统的工作能力。

在液压动力系统中，动力元件由形式各异的液压泵组成，而柱塞泵是液压泵的一种基本结构形式，由于其额定压力高、效率较高、转速快、排量可调，因此被广泛应用于各种高压、大流量的场合，诸如液压机、起重设备和船舶等领域。柱塞泵的基本原理是利用柱塞在缸体油腔内的往复运动，造成液压油工作腔容积变化，完成吸油和压油，实现液压能的转化和输出。但随着工程机械领域的技术革新，液压系统的工作场合越来越复杂，液压泵需要更高的效率、更好的稳定性、更精确排量调节和更快的响应速度，原有的柱塞泵结构开始出现一定的局限性。

传统的柱塞泵需要依靠旋转电机作为驱动单元提供机械能，但柱塞泵工作时柱塞为直线往复运动，而电机输出轴为旋转运动，因此需要加入一定的机构将电机输出轴的旋转运动转换为柱塞的直线往复运动。最早的解决办法为凸轮传动，柱塞泵主轴带动凸轮的旋转，利用凸轮机构的偏心运动推动柱塞在油腔内进行往复运动，因为凸轮结构的不稳定性，这种结构的柱塞泵传动精度低，重载状态下容易造成振动，而且无法随时根据工作需求进行泵流量的调节。

为了解决上述问题，工程技术人员对柱塞泵的结构进行了改进，设计出了斜盘式柱塞泵，斜盘式柱塞泵不再使用凸轮机构的偏心结构带动柱塞进行往复运动，而是将吸油和压油的任务分摊到多个油腔和柱塞上，柱塞一端插入油腔，一端通过滑靴连接在倾斜放置的圆盘上，多个柱塞在斜盘端面的圆周上环绕分布，柱塞可以通过滑靴在斜盘端面上运动。泵工作时柱塞跟随主轴旋转，利用斜盘的倾斜使得柱塞旋转时相对于缸体的油孔做直线往复移动，达到吸油和压油的目的。这种斜盘式柱塞泵稳定性更高，使用同心的旋转运动减少了凸轮传动过程中的振动，并且可以通过调整斜盘的斜度来改变柱塞的行程，从而改变泵的流量。但是斜盘式柱塞泵的特殊结构也将引起其他问题，例如，柱塞要承受径向力而形成的力矩，使得滑靴和斜盘的摩擦条件恶化，使用寿命与机械效率降低；此外，滑靴及其后的配流系统结构非常复杂，使得泵的制造较为困难；同时，油腔的间隔分布和旋转还将导致斜盘式柱塞泵流量不稳定，产生所谓脉动率，如果要降低脉动率，不仅需要增加柱塞的个数，而且还需要柱塞的个数为质数，因此柱塞泵的缸体内一般有较多油腔和柱塞，这将再次导致结构的复杂化，提高制造成本。

由此可见，对于柱塞泵而言最重要的是如何带动柱塞进行直线往复运动，并且避免不合理的结构带来的种种不良影响，提高泵的性能，需要设计出一种结构简单合理的柱塞泵，使得泵在保持原有的转速快、额定压力高等优点的基础上，达到结构简化、运行稳定、流量脉动率低、调节精度高的效果。

发明内容

本发明为了满足上述要求，提供一种结构简单制造成本低，运行稳定，流量脉动率低的基于童圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，该柱塞泵提供一种新的传动形式，放弃传统的旋转电机驱动单元，而是利用直线电机的运动特性，直接通过直线型音圈电机带动柱塞进行直线往复运动。本发明避免了使用旋转电机时泵主轴回转运动与柱塞直线运动的转化，从而解决了凸轮式柱塞泵和斜盘式柱塞泵在运动形式转化中带来的传动精度低、摩擦条件差和流量不稳定等问题；将电机放入泵体，使与传动结构集成到泵内，简化了柱塞泵及其驱动系统的整体结构，解决了斜盘式柱塞泵结构复杂加工制造困难的问题；利用直线型音圈电机作为驱动单元直接带动柱塞运动，减少了传动过程中的效率损失，充分发挥音圈电机响应快、频率高、运行精度高的优点，让柱塞泵流量控制调节更精确，响应更快，工作效率更高。

本发明所采用的技术方案是：一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，由泵的外壳结构和泵内结构组成，其中：

泵的外壳结构由泵后盖12、泵体3、泵前盖1组成，泵体3的两端分别通过螺钉连接泵前盖1和泵后盖12；泵内结构由电机支架2、软铁外壳4、线圈支架5、泵主轴6、排油单向阀7、柱塞盘8、缸体9、油箱10、吸油单向阀11、标尺光栅13、定位螺母14、垫圈15、连接板16、光栅尺读数头17、线圈18、永磁体19和软铁芯20组成，其中电机支架2呈L型，由横板和竖板拼接而成，电机支架2的横板通过螺钉和泵体3相连，电机支架2的竖板一侧通过螺钉和软铁外壳4相连；软铁芯20连接软铁外壳4，软铁外壳4和软铁芯20共同组成音圈电机的机身结构，软铁外壳4内壁上嵌有永磁体19，线圈18缠绕在线圈支架5的外壁上，线圈18伸入永磁体19和软铁外壳4之间的空隙，线圈18通电后受到用永磁体19磁场产生的安培力，利用该安培力推动线圈18和线圈支架5进行运动，线圈支架5底部装有光栅尺读数头17，线圈支架5通过螺钉与连接板16相连；泵主轴6一端插入依次连接板16和线圈支架5，其连接处依靠定位螺母14和垫圈15固定，泵主轴6另一端穿过柱塞盘8，其连接处依靠定位螺母14和垫圈15固定；柱塞盘8的端面上有呈环形均匀分布的柱塞，柱塞插入缸体9上的油腔，缸体9通过螺栓和螺母与泵后盖12连接，泵体3和泵后盖12上开有油孔，通过油路分别连接排油单向阀7与吸油单向阀11，最后一起接入油箱10；标尺光栅13安装在电机支架2的末端，与光栅尺读数头17对应。

本发明中，所述软铁芯20为圆柱结构，软铁外壳4和线圈支架5为薄壁空心圆柱结构，软铁芯20、软铁外壳4和线圈支架5三者同心同轴，软铁外壳20与软铁芯4固连在一起，线圈支架5的薄壁放入软铁外壳4与软铁芯20之间的空隙中。

本发明中，所述泵主轴6两端为等长的螺纹轴结构。

本发明中，所述柱塞盘8上的各柱塞等长，柱塞个数和位置与缸体9中的油腔一一对应，柱塞和油腔的底面积差保持在柱塞插入油腔后不造成液压油的泄露，并能在油腔内滑行的状态，柱塞和油腔的个数根据泵的工作压力确定，且柱塞长度略大于油腔深度，保证工作时柱塞不滑出油腔。

本发明中，所述永磁体19与线圈18之间存在微小的气隙隔开，不直接接触，避免线圈受力运动时与永磁体产生的摩擦。

本发明的基本原理是：

1、 基于音圈电机的结构特征，利用通电导体在磁场中受到安培力的原理，线圈18通电后，将受到永磁体19的磁场作用力，带动线圈支架5进行一起进行直线运动，施加在线圈18两端的电压极性将磁场作用力的方向，改变该电压的极性，可以使线圈18与线圈支架5实现左右往复的直线运动。控制电压的大小、变化规律、和通电时间，可以调整线圈18与线圈支架5的运动速度、轨迹和行程。

2、 使用直线型音圈电机结构作为驱动单元避免了回转运动的产生和转化，直接满足柱塞泵的运动需求。使用连接板16在音圈电机和柱塞泵原有结构之间进行过渡和传动，将电机产生的直线运动传递到柱塞上，完成泵的吸油和压油动作。

3、 利用光的干涉和衍射原理，借助光栅尺位移传感器精准控制泵柱塞的行程，将光栅尺读数头安装在连接板1上，跟随线圈支架一起进行直线运动，标尺光栅安装在固定的电机支架2上，作为静止的基准，采集光栅尺位移传感器的信号，可以精确测量电机线圈和柱塞的行程，通过行程和油腔底面积计算泵的流量。

本发明的优点如下：

1、 传动机构简单直接。本发明使用了直线型音圈电机作为驱动单元，电机工作时产生直线运动，满足柱塞泵的工作需求，可以直接驱动柱塞，完成在油腔中的往复运动，相比于普通的旋转电机驱动，避免了从主轴回转运动到柱塞直线运动的转化过程，无需添加其它复杂的传动机构来满足运动转化的要求，避免了复杂结构可能带来的振动和摩擦，提高了传动的稳定性，减少了电机驱动的能量损失。

2、 整体性强，泵结构精简紧凑。本发明将音圈电机和柱塞泵的基本结构整合到一起，使原本独立的电机驱动单元作为泵体内的一部分，在实际应用中可以将柱塞泵直接接入控制电路，降低了系统的复杂性，节省了工作空间。

3、 响应速度快，工作效率高。本发明基于音圈电机的运行原理，音圈电机由通电导体在磁场中受到的安培力驱动，而安培力的对电流的响应迅速，能量转化率高，同时音圈电机自身的结构比一般电机简单，独有的气隙工作环境大大降低了运动中的摩擦力，进一步提升电机的能量利用能力，所以相对于普通的柱塞泵，本次发明的柱塞泵响应控制电流的速度更快，工作效率更高。

4、 排量和速度调节精确度高。本发明使用音圈电机作为驱动单元，搭配光栅尺作为测量工具，音圈电机的速度和行程可以通过施加不同方向、大小和变化规律的控制电流进行调节，光栅尺传感器的测量精度可达微米级，在实际应用中，为控制电路搭配高精度的AD和DA转换模块，可以实现泵排量和速度的精准调节和控制。

5、 流量稳定无脉动。本发明采用直线运动传动的方式带动柱塞，吸油和压油动作与主轴动作完全同步，不存在流量变化的起伏，避免了斜盘式柱塞泵等结构中存在的流量不稳定性，无需注意缸体内油腔的分布和数量，可根据工作需求和加工方便任意选取。

附图说明

图1是本发明基于音圈电机原理驱动的柱塞泵的实物结构示意图（主视图）。

图2是本发明基于音圈电机原理驱动的柱塞泵的实物结构示意图（俯视图）。

图3是本发明基于音圈电机原理驱动的柱塞泵的实物结构辅助剖视图。其中：A为A-A剖视图，B为B-B剖视图。

图中标号：1——泵前盖、2——电机支架、3——泵体、4——软铁外壳、5——线圈支架、6——泵主轴、7——排油单向阀、8——柱塞盘、9——缸体、10——油箱、11——吸油单向阀、12——泵后盖、13——标尺光栅、14——定位螺母、15——垫圈、16——连接板、17——光栅尺读数头、18——线圈、19——永磁体、20——软铁芯。

具体实施方式

下面结合附图通过对实物案例的描述给出本发明的细节，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

本发明装置各部件的结构组成叙述如下：

如图1所示，该柱塞泵：泵前盖1、电机支架2、泵体3、软铁外壳4、线圈支架5、泵主轴6、排油单向阀7、柱塞盘8、缸体9、油箱10、吸油单向阀11、泵后盖12、标尺光栅13、定位螺母14、垫圈15、连接板16、光栅尺读数头17、线圈18、永磁体19和软铁芯20。

其中，泵后盖12、泵体3、泵前盖1通过螺钉相互连接，共同组成了泵的外壳结构，用于支撑泵的内部整体结构。泵体3和和泵后盖12上分别开有圆形的排油孔和进油孔，连接对应的单向阀，负责泵内部液压油的进出，泵的内部结构主要包括由直线型音圈电机及其传感器构成的驱动单元和由主轴和柱塞及油腔构成的泵液压单元。

电机支架2、软铁外壳4、线圈支架5、线圈18、永磁体19、软铁芯20、标尺光栅13和光栅尺读数头17组成了泵的音圈电机驱动单元，该单元利用直线型音圈电机的运行原理完成泵的驱动，利用光栅测距原理完成行程测量。其中电机支架2用于整个电机结构的支撑和在泵体内的定位，电机支架2通过底面的螺钉与泵体连接并定位，通过侧面的螺钉连接并固定音圈电机；软铁外壳4和软铁芯20共同组成音圈电机的机身，作为静止部件为电机的运动部件提供支撑与限位；永磁体19和线圈18作为音圈电机的核心部件，共同完成音圈电机的驱动工作，永磁体19嵌入软铁外壳4的内壁中，为音圈电机提供磁场，线圈18环绕在线圈支架5的外壁上，与永磁体19之间相隔一层微薄的气隙，线圈18通电后受到磁场的安培力，带动线圈支架5开始运动，线圈支架5上可以连接其它从动零件，完成电机运动的传递输出，本发明中使用连接板16作为从动零件的过度连接件。标尺光栅13安装在电机支架2的末端，作为光栅测距法中的静止参照，光栅尺读数头17安装在连接板16上，跟随音圈电机一起运动，并将检测和计算出的电机行程数据以模拟量的方式输出。

泵主轴6、柱塞盘8、缸体9、定位螺母14、垫圈15组成了泵的液压单元，该单元的主要任务是跟随驱动电机，完成柱塞泵的吸油和压油工作。其中泵主轴6负责运动的传导，通过轴两端的螺纹，依靠定位螺母14、垫圈15和自身的轴肩结构将两端的连接板16和柱塞盘8固定。缸体9用于容纳泵内的液压油，缸体底座固定在泵后盖12上，在泵工作时始终保持静止，缸体9的圆周上均布有等深的油腔，油腔的个数和位置与柱塞盘8上的柱塞一一对应，本发明给出的例子中为4对柱塞和油腔，油腔底面积略大于柱塞，确保柱塞可在腔内滑动但不造成液压油的泄露。

此外，该柱塞泵的基本配套油路由排油单向阀7、吸油单向阀11、油箱10组成，排油单向阀7和吸油单向阀11的一端连接泵体3和泵后盖12上的油孔，另一端一同汇入油箱10。

本发明的工作原理如下：

音圈电机驱动单元基于通电导体在磁场中受到安培力的原理，泵工作时为线圈18通电，而线圈18缠绕在线圈支架5上位于永磁体19的磁场中，通电后将受到该磁场施加的安培力，该安培力沿线圈轴向，左右方向的确定遵循左手螺旋定则，线圈18受力后带动线圈支架5一起沿轴向进行直线运动，连接板16作为驱动单元与液压单之间的过渡零件，跟随线圈支架5带动泵主轴完成直线传动。泵主轴依靠轴肩和定位螺母的夹紧作用，将轴向的直线运动传递到柱塞盘，最终带动柱塞在油腔中滑动，完成泵的吸油或压油。

变更施加在线圈18两端的电压极性，将使线圈18受到反向的安培力，从而改变从线圈支架5到柱塞盘8之间各零件的运动方向，进而使泵的动作在吸油和压油之间切换。控制工作电压的变化规律，改变电压大小以及作用时间，则将改变线圈18受力的大小及作用时间，从而改变各零件轴向运动的速度和行程，进而达到调节柱塞泵的运行速度和排量的目的。

在柱塞泵工作期间，连接板16底部的光栅尺读数头将根据光的衍射原理进行测距，在运动中不断采集与标尺光栅13的距离信息，以模拟量的形式进行输出，数据精度可达微米级，工作人员可根据接收到的距离信息计算出柱塞当前的位置和泵的排量，从而根据工作目标对工作电压进行调整，达到柱塞泵排量的精准调节。

柱塞泵的排量和工作压力还受到油腔总底面积的影响，缸体9中的油腔个数和总底面积越大，相同柱塞行程下泵的最大排量和工作压力也越大，本发明给出的例子中为4对柱塞和油腔，实际应用中可以根据工作需求和加工难易程度，在满足工况需求的情况下任意选取。

具体工作过程如下：

工作人员根据柱塞泵的工作需求，结合实际工况和音圈电机的驱动参数，给出泵的排量、和速度的要求，利用控制器计算出当前需求下工作电压的变化规律，通过控制电路输出模块（如DA转换模块），将工作电压施加到音圈电机的线圈两端，通电后电机的线圈及线圈支架将根据工作电压的变化进行往复的主线运动，通过连接板和泵主轴的传动，带动柱塞在油腔内滑动，完成泵的吸油和压油。在泵的工作过程中，光栅尺读数头将以标尺光栅为参照，不断更新当前的位置信息，便于工作人员实时掌控泵的工作状态。

以上所述仅为本发明在高精度变量柱塞泵设计中的一个实例，对于本技术领域的技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，由泵的外壳结构和泵内结构组成，其特征在于：

泵的外壳结构由泵后盖（12）、泵体（2）、泵前盖（1）组成，泵体（3）的两端分别通过螺钉连接泵前盖（1）和泵后盖（12）；泵内结构由电机支架（2）、软铁外壳（4）、线圈支架（5）、泵主轴（6）、排油单向阀（7）、柱塞盘（8）、缸体（9）、油箱（10）、吸油单向阀（11）、标尺光栅（13）、定位螺母（14）、垫圈（15）、连接板（16）、光栅尺读数头（17）、线圈（18）、永磁体（19）和软铁芯（20）组成，其中电机支架（2）呈L型，由横板和竖板连接而成，电机支架（2）的横板通过螺钉和泵体（3）相连，电机支架（2）的竖板一侧通过螺钉和软铁外壳（4）相连；软铁芯（20）连接软铁外壳（4），软铁外壳（4）和软铁芯（20）共同组成音圈电机的机身结构，软铁外壳（4）内壁上嵌有永磁体（19），线圈（18）缠绕在线圈支架（5）的外壁上，线圈（18）伸入永磁体（19）和软铁外壳（4）之间的空隙，线圈（18）通电后受到用永磁体（19）磁场产生的安培力，利用该安培力推动线圈（18）和线圈支架（5）进行运动，线圈支架（5）底部装有光栅尺读数头（17），线圈支架（5）通过螺钉与连接板（16）相连；泵主轴（6）一端插入依次连接板（16）和线圈支架（5），其连接处依靠定位螺母（14）和垫圈（15）固定，泵主轴（6）另一端穿过柱塞盘（8），其连接处依靠定位螺母（14）和垫圈（15）固定；柱塞盘（8）的端面上有呈环形均匀分布的柱塞，柱塞插入缸体（9）上的油腔，缸体（9）通过螺栓和螺母与泵后盖（12）连接，泵体（3）和泵后盖（12）上开有油孔，通过油路分别连接排油单向阀（7）与吸油单向阀（11），最后一起接入油箱（10）；标尺光栅（13）安装在电机支架（2）的末端，与光栅尺读数头（17）对应。

2.根据权利要求1所述的一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，其特征在于所述软铁芯（20）为圆柱结构，软铁外壳（4）和线圈支架（5）为薄壁空心圆柱结构，软铁芯（20）、软铁外壳（4）和线圈支架（5）三者同心同轴，软铁外壳（20）与软铁芯（4）固连在一起，线圈支架（5）的薄壁放入软铁外壳（4）与软铁芯（20）之间的空隙中。

3.根据权利要求1所述的一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，其特征在于所述泵主轴（6）两端为等长的螺纹轴结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，其特征在于所述柱塞盘（8）上的各柱塞等长，柱塞个数和位置与缸体（9）中的油腔一一对应，柱塞和油腔的底面积差保持在柱塞插入油腔后不造成液压油的泄露，并能在油腔内滑行的状态，柱塞和油腔的个数根据泵的工作压力确定，且柱塞长度略大于油腔深度，保证工作时柱塞不滑出油腔。

5.根据权利要求1所述的一种基于音圈电机原理驱动的高精度柱塞泵，其特征在于所述永磁体（19）与线圈（18）之间存在微小的气隙隔开，不直接接触，避免线圈受力运动时与永磁体产生的摩擦。