CN110145448B - 一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，包括提供动力的双自由度电机以及水泵，所述水泵包括转子泵芯、泵壳、端盖和双自由度(旋转和轴向)运动机构，本发明的有益效果在于：将泵芯与柱塞设计为一体化，利用泵芯的旋转和滑动直接实现自配流，泵芯旋转一周，活塞往复运动两次，吸、排水四次，活塞上的矩形槽周期性的与吸排水口进行连通时，与进水口连通的腔室容积逐渐变大，进行吸水，与出水口连通的腔室容积逐渐变小，进行排水；实现了小型化，在保证压力和流量的前提下，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及柱塞式水泵，特别是涉及一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵。
背景技术
水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。
根据不同的工作原理，水泵可分为容积水泵、离心泵等类型。容积泵是利用其工作容积的变化来传递能量，有柱塞泵、齿轮泵和蜗杆泵等类型；离心泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，主要类型是叶片泵。普通的叶片泵通过电机带动转轴和叶轮实现引流的功能，因此普通叶片泵的泵体内无法产生理想的压力。传统容积式水泵依靠容积变化，周而复始周期性的吸排液体，因为结构上的缺陷齿轮泵和蜗杆泵难以制作成高压水泵。柱塞泵虽可以制成高压水泵，但传统柱塞水泵结构复杂，难以实现小型化。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提出了一种结构简单、体积小、流量大的基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其具有一种新型高压水泵结构，包括：用于驱动所述高压水泵动作的双自由度电机；连接该双自由度电机的泵芯，具有：伸入第一容腔的短轴段，贯穿第二容腔并与该双自由度电机连接的长轴段，和承接在该短轴段和长轴段之间用于柱塞式分隔该第一、第二容腔的活塞段，其中该活塞段两端各自延伸至第一、第二容腔内，在该活塞段的柱面自两端部沿轴向平行交错地开设若干个配流槽，每一配流槽间隔地连通所述第一、第二容腔，以及连接于泵芯上的的双自由度运动机构，用于带动所述泵芯在轴向进行往复运动。
在此基础上可设计一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，包括用于提供动力的双自由度电机和与该双自由度电机连接的水泵，所述水泵包括：泵壳；泵芯，所述泵芯是安装在该泵壳内；及端盖，所述端盖与泵壳相拼装以在该泵壳内形成密闭容腔，所述端盖具有与该泵芯密封配合的密封段和安装有双自由度运动机构的非密封段，所述双自由度运动机构与上述泵芯连接。
作为一个改进，所述泵芯具有：将所述密闭容腔柱塞式分隔成一第一、第二容腔的活塞段；伸入一第一容腔的短轴段，承接所述活塞段的一端；和贯通一第二容腔并与该双自由度电机连接以接收所述驱动的长轴段，承接所述活塞段的另一端，其中该活塞段两端各自延伸至第一、第二容腔内，在该活塞段的柱面自两端部沿轴向平行交错地开设若干个配流槽，每一配流槽间隔地连通所述第一、第二容腔。
更具体地，所述泵壳上正交分布有一个吸水口与一个排水口，每一吸水口和排水口对应连通一组配流槽。
进一步地，所述端盖的密封段与泵芯的长轴段相配合，该端盖内壁设有密封槽，用于安装密封环。
更具体地，所述双自由度运动机构位于端盖的非密封段内，包括：朝向所述泵芯的活塞段的盖板；与所述盖板相固定的轴套式底座，该轴套式底座又配合所述长轴段上的安装孔套接固定在该长轴段上；和若干个滚珠，其中所述盖板与轴套式底座外周缘上各开有两个对称的滚珠沉槽以在每一对滚珠沉槽配合组装后形成一半球形槽，用于在该半球形槽内安装滚珠。
进一步来说，所述端盖的非密封段内壁开设有与该半球形槽对位的马鞍形轨道槽。
更进一步地，所述马鞍形轨道槽具有半球形凹面的曲线槽，且具有轴向平滑起伏特性，有平滑曲线对称分布的波峰和波谷构形。
在上述高压水泵的例子里，所述双自由度运动机构用于将滚珠卡在所述半球形槽与端盖内壁的马鞍形轨道槽之间，并限定所述滚珠在槽内进行曲线运动，以带动所述泵芯在轴向上往复运动。
另外，本发明在此类紧凑式高压水泵的技术原理上可实现一种控制柱塞式高压水泵排、吸水的方法，其通过上述的高压水泵结构加以实现。
较佳地在以上设计中，所述端盖的密封段与泵芯的长轴段相配合，内壁位置设有密封槽，用于安装密封环，非密封段内壁有马鞍形轨道槽。
另外，所述马鞍形轨道槽为球形曲线槽，且具有轴向起伏的特点，有两个波峰和两个波谷对称分布。
更具体来说，所述双自由度运动机构用于将滚珠卡在半球形槽与端盖马鞍形轨道槽之间，滚珠在端盖上的马鞍形轨道槽内运动，由于马鞍形轨道槽结构的限制，滚珠带动双自由度运动机构进行轴向往复运动。
本发明的有益效果在于：(1)将泵芯设计为包含柱塞功能的一体化结构，并包含了动作驱动部件，简化了整体零部件设计；(2)利用泵芯的旋转和滑动直接实现泵体的自动配流，即泵芯旋转一周，活塞段往复运动两次，从而完成对应次数的吸、排水，效率显著提高；(3)利用泵芯的旋转和滑动直接实现泵体的自动配流，即泵芯旋转一周，活塞段可往复两次，从而完成对应次数的吸、排水，效率显著提高；(4)柱塞式活塞上的矩形槽周期性与吸水、排水口进行连通，与进水口连通的腔室容积逐渐变大，进行吸水，与出水口连通的腔室容积逐渐变小，进行排水；(5)实现小型化，在保证压力和流量的前提下，显著降低了成本，值得推广。
附图说明
图1为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵的结构示意图；
图2为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵壳体的结构示意图；
图3为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵转子泵芯的结构示意图；
图4为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵双自由度运动装置的爆炸图；
图5为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵端盖主体机构示意图；
图6为本发明的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵端盖主体剖视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明，应当理解的是，本文中提及的各个实施例仅是示例性的并且不限定本专利的权利界定范围。考虑到本专利各个实施例中描述的机械/机电式结构的便利性，通常指称的“上”、“下”、“左”或“右”是根据附图中描绘的方向或位置来表示。为了更好地体现各个实施例，每一附图中表示出的这些机械/机电式结构的视角是最佳的，并且还有可能分别对每一个细节零部件进行单独描绘。有时，方位“前”或“后”指称从观察附图的视角来定义这些零部件的布置位置。
总的来说，本发明的紧凑型高压水泵主要包括提供动力的双自由度电机以及连接该双自由度电机并产生转动的水泵。水泵具有简化的紧凑结构，其通过与双自由度电机例如插接的方式实现紧固。同时，在水泵和双自由度电机之间枢轴地套接双自由度运动机构，被设置成在随着水泵绕轴心转动时带动上述水泵的泵芯在轴向上往复运动。
在一个例子里，可提供这样的一种小型高压水泵，包括提供动力的双自由度电机5以及水泵，所述水泵包括泵壳1、柱塞式转子泵芯2及端盖3，所述转子泵芯2安装在泵壳1内，所述端盖3与泵壳1相连使泵壳1内形成密闭容腔，所述端盖3可包括与泵芯2密封配合的密封段和安装有双自由度(旋转和轴向运动)的运动机构6的非密封段，所述双自由度运动机构6与泵芯2连接固定。
较佳地，所述泵壳1上正交分布有一对吸水口12与一对排水口13。所述泵芯2可依次分为短轴段14，起柱塞作用的活塞段15和伸出端盖3与双自由度电机5相连的长轴段16。
具体来说，所述泵芯2的活塞段15是将泵壳1内腔分割为第一容腔10、第二容腔9，活塞段15圆柱面两端各有两条配流槽17，每个密闭容腔分别于同侧两条配流槽17相连通，四条配流槽17呈周向90度交错分布，所述泵芯2的长轴段16与双自由度电机输出轴11进行固定连接。所述双自由度电机的输出轴11与泵芯2固定连接，双自由度电机5轴向位移距离等于泵芯2轴向往复运动距离，电机5带动泵芯2转动的同时不妨碍泵芯2的轴向往复运动。
作为优选，所述双自由度运动机构6包括盖板19、轴套式底座20和滚珠7、22，盖板19与轴套式底座20可通过螺钉相固定，盖板19与轴套式底座20各有两个对称分布的四分之一球形槽21、23，配合后可形成半球形槽，半球形槽内安装有滚珠7、22。
所述端盖3密封段与泵芯2的长轴段16相配合，内壁位置设有密封槽24，用于安装密封环8，另外，非密封段内壁有马鞍形轨道槽25。所述马鞍形轨道槽25为半球形曲线槽，且具有轴向起伏的特点，两个波峰和两个波谷对称分布。所述双自由度运动机构6将滚珠7、22卡在半球形槽与马鞍形轨道槽25之间，滚珠7、22在端盖3上的马鞍形轨道槽25内运动，由于马鞍形轨道槽25结构的限制，滚珠7、22带动双自由度运动机构6进行轴向往复运动。
在一些实现中，所述双自由度运动机构6与泵芯2通过销钉4固定连接，使泵芯2与双自由度运动机构6同步运动，在转动的同时进行轴向往复运动。
在以上原理基础上，双自由度电机5的输出轴输出扭矩，带动泵芯2旋转，泵芯2带动双自由度运动机构6旋转，双自由度运动机构6中的滚珠7、22在端盖上马鞍形轨道槽25内运动，滚珠在马鞍形轨道槽25形状的限制下旋转的同时进行轴向往复运动，双自由度机构6与泵芯2通过销钉4的作用同步运动，泵芯2在旋转的同时也进行轴向往复运动。在泵芯2向远离双自由度电机5一侧运动时，短轴侧泵芯活塞端面与泵壳1形成第一容腔10体积减小，与第一容腔10相连的配流槽与排水口13相连通，进行排水。同时活塞与泵壳1及端盖3组成的第二容腔9体积增大，与第二容腔9相连的配流槽与吸水口12相连通，进行吸水。
在泵芯2向接近双自由度电机5一侧运动时，第一容腔10体积变大，与第一容腔10相连的配流槽与吸水口12相连通，进行吸水。同时第二容腔9体积减小，与第二容腔9相连的配流槽与排水口13相连通，进行排水。
图1示例性从轴向剖面描绘出这样的水泵结构的一个较佳例子，所述水泵包括泵壳1和具有柱塞式构造的泵芯2。泵芯2是伸入并安装在泵壳1内，同时端盖3与泵壳1通过螺栓固定配合相连，以进一步封围泵芯2并且与泵壳1内形成密闭的容腔。如图1示出，端盖3可包括与泵芯2密封配合的密封段和安装有双自由度(例如可产生绕轴旋转和在轴向上运动)运动机构6的非密封段，所述双自由度运动机构6与泵芯2相连接。
另外如图2示出的泵壳1的部分构造，在所述泵壳1周面上均匀分布有吸水口12与排水口13，具体来说，每一吸水口和排水口对应连通一对配流槽。在一个实施例中，所述泵壳1上正交分布有一个吸水口12与一个排水口13。
具体按照图3示出的实施例来说，泵芯2可从左到右依次分为短轴段14、起柱塞作用的活塞段15和伸出端盖3并与双自由度电机5相连接的长轴段16。活塞段15是用于将上述泵壳1内由端盖3形成的密闭容腔分割为右侧(也就是靠近长轴段16一侧)的第一容腔9和左侧(靠近短轴段14一侧)的第二容腔10。以此方式，长轴段16可贯通该第一容腔9并且短轴段14位于第二容腔10内，两容腔是由活塞段15分隔，例如有时可增设密封圈8以更好地形成和限定容腔内的空间。
在此基础上，在上述活塞段15的外柱面上，从该活塞段15左、右两端各沿轴向开设若干条配流槽17。以此方式，在该泵芯2绕轴转动的过程中，上述每一容腔可分别与从该容腔同侧开设的配流槽相连，例如按照图3描绘的这样，第二容腔10可与从活塞段15左端沿轴向向右开出的配流槽17连通。并且，此时所述配流槽可以同向地开设多条。
按照这种方式，可在该活塞段15上就柱面呈周向90度地交错分布四条配流槽，其中两条配流槽与第一容腔9连通且另两条配流槽与第二容腔10连通。至此，四条配流槽17呈沿着该周向90度交错分布。
在一些实现中，所述泵芯2的长轴段16在柱面径向上设有销钉孔18，双自由度电机5带动泵芯2转动的同时不妨碍泵芯2在轴向上的往复运动。
在图4、5示出的一个较佳例子中，连接在该长轴段16上的双自由度运动机构6可包括朝向第一容腔9的盖板20、轴套式底座21和滚珠7、23，盖板20与轴套式底座21可通过例如螺钉相固定。在一个较佳例子中，盖板20与轴套式底座21各自在半圆周处开设有对称分布的滚珠槽22、24，每一滚珠槽22、24彼此相应地配合后可形成一半球形沉槽，用于在两个半球形的沉槽内分别安装固定滚珠7、23。
另外在图5和6示出的例子中，所述端盖3的密封段与泵芯2的长轴段16相配合，该密封段内壁位置设有密封槽24，用于安装密封环8，上述非密封段的内壁上开设有马鞍形轨道槽25。
较佳地，所述马鞍形轨道槽25为具半球形凹面的曲线槽，且具有在轴(以上述电机输出轴11为基准方向)向平滑起伏的特性，例如具有两个波峰和两个波谷对称的起伏分布。
其中，可通过所述双自由度运动机构6将滚珠7、23卡在上述半球形沉槽与马鞍形轨道槽25之间，滚珠7、23在该端盖3的马鞍形轨道槽25内往复运动，由于马鞍形轨道槽25结构的自由度限制，滚珠7、23带动双自由度运动机构6在轴向上往复运动。
较佳地在以上示例中，所述双自由度运动机构6的轴套式底座21与泵芯2通过例如销钉4固定，使泵芯2与双自由度运动机构6同步运动，在转动的同时进行轴向往复运动。
在本发明水泵的控制水流的方法中，可通过双自由度电机的输出轴11输出扭矩以让该输出轴11带动所述的泵芯2绕轴旋转，泵芯2继而可带动双自由度运动机构6旋转，双自由度运动机构6中的滚珠7、23在端盖3上的马鞍形轨道槽25内相对端盖3运动，滚珠7、23在该马鞍形轨道槽25的曲线起伏构形的自由度限制下绕轴旋转的同时又进行轴向上的往复运动，同时，该双自由度机构6与泵芯2通过例如销钉的固定作用而产生同步运动。因此，泵芯2在绕轴旋转的同时也进行轴向上的左右往复运动。
在此基础上，当泵芯2向左侧(也就是远离双自由度电机5的一侧)运动时，短轴段14侧的活塞段15的端面与泵壳1形成左侧的第二容腔10的体积逐渐减小，与该第二容腔10相连通的配流槽17与一排水口13相连通以进行排水。同时，该活塞段15与泵壳1及端盖3组成右侧的第一容腔9的随着该运动过程体积逐渐增大，与第一容腔相连的另一组配流槽17与一吸水口12相连通以进行吸水。
同理地，在泵芯2向右侧(也就是靠近双自由度电机5的一侧)运动时，活塞段15左侧的第二容腔10的体积逐渐增大，与该第二容腔10相连的配流槽17与吸水口12相连通以进行吸水。同时，该活塞段15右侧的第一容腔9的体积逐渐减小，与该第一容腔9相连通的另一组配流槽17与排水口13相连通，进行排水，泵芯2的轴向位移等于马鞍形轨道槽25波峰与波谷的距离。
在双自由度电机5的扭矩驱动泵芯2绕轴转动过程中，上述这种水泵的吸水与排水动作可同步进行，也就是说，当双自由度电机5驱动泵芯2旋转一周时，泵芯2将在轴向上往复运动两次，水泵可吸/排水四次，其效率显著提升。
Claims (10)
1.一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于包括：用于驱动所述高压水泵动作的双自由度电机；
连接该双自由度电机的泵芯，具有：伸入第一容腔的短轴段，贯穿第二容腔并与该双自由度电机连接的长轴段，和承接在该短轴段和长轴段之间用于柱塞式分隔该第一、第二容腔的活塞段，其中在该活塞段的柱面自两端部沿轴向平行交错地开设若干个配流槽，每一配流槽间隔地连通所述第一、第二容腔，以及枢接于该双自由度电机与泵芯之间的双自由度运动机构，用于带动所述泵芯在轴向上往复运动。
2.如权利要求1所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：在该活塞段上呈周向90度交错开设四条配流槽，其中两条配流槽与第一容腔连通且另两条配流槽与第二容腔连通。
3.如权利要求1所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：泵壳上正交分布有一对吸水口与一对排水口，每一吸水口和排水口对应连通一对配流槽。
4.如权利要求1所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述泵芯的长轴段与双自由度电机输出轴进行固定连接，双自由度电机输出轴轴向位移距离等于泵芯轴向往复运动距离，双自由度电机带动泵芯转动的同时不妨碍泵芯的轴向往复运动。
5.如权利要求1所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述双自由度运动机构包括盖板、轴套式底座和滚珠，盖板与轴套式底座相固定，盖板与轴套式底座各有两个对称分布的滚珠槽以在配合后可形成半球形槽，半球形槽内安装有滚珠。
6.一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，包括用于提供动力的双自由度电机和与该双自由度电机连接的水泵，其特征在于，所述水泵包括：泵壳；泵芯，所述泵芯是安装在该泵壳内；及端盖，所述端盖与泵壳相拼装以在该泵壳内形成密闭容腔，所述端盖具有与泵芯密封配合的密封段和安装有双自由度运动机构的非密封段，所述双自由度运动机构与泵芯固定连接。
7.如权利要求6所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述端盖密封段与泵芯长轴段相配合，内壁位置设有密封槽，用于安装密封环，非密封段内壁有马鞍形轨道槽。
8.如权利要求7所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述马鞍形轨道槽为半球形曲线槽，且具有轴向起伏的特点，有两个波峰和两个波谷对称分布。
9.如权利要求6至8之任一项所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述双自由度运动机构用于将滚珠卡在半球形槽与端盖马鞍形轨道槽之间，滚珠在端盖上的马鞍形轨道槽内运动，由于马鞍形轨道槽结构的限制，滚珠带动双自由度运动机构进行轴向往复运动。
10.如权利要求9所述的一种基于双自由度电机的小型高压柱塞高压水泵，其特征在于：所述双自由度运动机构与泵芯通过销钉固定，使泵芯与双自由度运动机构同步运动，在转动的同时进行轴向往复运动。
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