CN114244062A

CN114244062A - 一种基于强磁性结构的直线往复泵及其直线往复驱动方法

Info

Publication number: CN114244062A
Application number: CN202111568824.5A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 曹江涛; 项锦波; 戴泽军; 林明星; 毋少峰
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: CN114244062B

Abstract

本发明公开了一种基于强磁性机构的直线往复泵及其直线往复驱动方法。本发明直线往复泵包括直流电机和单向阀；直流电机包括电机外壳、定子和动子；动子包括轴芯、轴向导磁磁铁和径向导磁磁铁。本发明通过径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁配合，实现了对磁场的导向作用，避免了磁场穿过轴芯导致的磁损耗，使得定子与动子间的磁场强度保持稳定；通过径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁的配合替换Halbach磁环，制作成本要远远低于Halbach磁环，具有良好的经济性；且基于径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁配合的强磁性机构仍然能具有良好的磁场和自屏蔽特性；强磁场使得动子在定子内运动更加高效，提高直流电机的工作效率。

Description

一种基于强磁性结构的直线往复泵及其直线往复驱动方法

技术领域

本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种基于强磁性机构的直线往复泵及其直线往复驱动方法。

背景技术

传统直线往复运动的实现方式主要是通过旋转电机带动曲柄连杆机构实现滑块的直线往复运动，即将旋转运动转换成直线往复运动；但曲柄连杆机构在运动时，曲柄与连杆之间、连杆与连杆之间会产生剧烈的摩擦损耗，从而传动效率较低，甚至导致机构损坏；该机构的可靠性一般且会制造较大的噪音。

随着技术的发展，直线电机成为了一种能实现直线运动形式的高效方案。所谓直线电机是一种直接将电能转化为磁能，再转化为机械能并实现直线运动的电机，其基本原理和传统电机类似，包括定子和动子，且结构简单，相较于传统电机，直流电机内部机械传动少，结构体积小；由于传动系均为直线运动，不存在旋转与直线运动转化的附加结构，因此其内部受力环境单一，侧向受力会大大减少；且由于摩擦力较小，直线运动时只需少量的润滑油，甚至无需润滑油。目前，直线驱动电静液作动器LEHA(Liner-driving-Electro-hydrostatic-Actuator)系统已成为研究热点和未来发展方向。直线电机泵作为整个LEHA系统的核心，其定子和动子的排布设计，绕组的设计等参数会影响电机泵的推力和效率。

目前常规的磁铁排布形式产生的磁场会经过动子中的轴芯，受轴芯材料的影响，会对磁场产生不同程度的削减，导致动子的运动效率下降；目前应用较多的Halbach磁环能对磁场产生较好的导向，但由于其价格昂贵，生产成本高，较难获取，无形之中增加了直流电机的制作成本；因此为解决上述问题，急需研发一种成本低、结构简单，且能保证磁场强度的直流电机，并应用到直流电机泵中。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种基于强磁性结构的直线往复泵及其直线往复驱动方法，提高电磁线圈与磁铁间磁感应强度，以提高直线电机的工作效率。

本发明采用的技术方案具体如下：

本发明一种基于强磁性结构的直线往复泵，包括直流电机和单向阀；所述的直流电机包括电机外壳、定子和动子；所述的定子与动子均装配在电机外壳内部；所述的动子包括轴芯、轴向导磁磁铁和径向导磁磁铁；所述的轴芯与电机外壳构成滑动副；所述的径向导磁磁铁为圆环状，沿径向充磁为半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极；所述的轴向导磁磁铁为半圆环，沿轴向充磁为一侧呈N极另外一侧呈S极；两个轴向导磁磁铁正对构成一个圆环型轴向导磁磁铁组，且正对位置的磁极相反；n个圆环型轴向导磁磁铁组沿轴芯轴向无间距地固定在轴芯上，且轴向上每相邻两个轴向导磁磁铁的磁极均相反，n≥2；n+1个径向导磁磁铁沿轴芯轴向无间距地固定在轴芯上，且置于各圆环型轴向导磁磁铁组外；沿轴向上，每个圆环型轴向导磁磁铁组位于两个径向导磁磁铁之间，每相邻两个径向导磁磁铁的磁极均相反；每个轴向导磁磁铁与轴向上相邻两个径向导磁磁铁贴紧设置的磁极构成磁回路。

所述的定子包括电磁线圈固定圆盘、线圈和磁轭块；两个电磁线圈固定圆盘组合构成一个电磁线圈固定架；所述的电磁线圈固定架上沿周向均匀开设有m个线圈固定槽，每个线圈固定槽内固定一个磁轭块；每个磁轭块上均缠绕有线圈；每个线圈与一个电源连接；多个电磁线圈固定架置于各径向导磁磁铁外，且无间距地固定在电机外壳内部；所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁的同一磁极对齐的各线圈通入相同方向的电流，与径向导磁磁铁的不同磁极对齐的线圈通入的电流方向相反。

所述的单向阀包括阀体、阀芯、弹簧一和挡圈；所述的挡圈固定在阀体内；所述的阀芯与阀体构成滑动副，并与挡圈通过弹簧一连接；所述电机外壳的两端与两个三通道连接管的其中一个通道分别连接；所述三通管连接管的其余两个通道与两个直通管的一端分别连接；所述电机外壳同一端的两个直通管中，其中一个直通管的另一端与一个单向阀的阀体进口连接，另一个直通管的另一端与另一个单向阀的阀体出口连接。

优选地，所述电机外壳由结构完全一样的两部分固定而成。

更优选地，所述电机外壳的两部分通过螺栓和螺母固定连接。

优选地，所述电磁线圈固定圆盘与轴芯的材料均为非导磁不锈钢。

优选地，所述轴芯的材料为聚醚醚酮。

优选地，所述的径向导磁磁铁与电磁线圈固定架上的磁轭块之间留有间隙。

优选地，所述轴芯一端的轴肩以及另一端固定的轴芯端盖对各轴向导磁磁铁和各径向导磁磁铁进行固定。

优选地，所述轴芯的两端与两个弹簧二的一端分别固定连接，两个弹簧二的另一端与固定在电机外壳内的两根导向铜管分别固定连接。

一种基于强磁性结构的直线往复泵的直线往复驱动方法，具体如下：

启动各电源向对应线圈供电，使各线圈产生电磁感应；其中，所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁的同一磁极对齐的各线圈通入电流方向均相同，与径向导磁磁铁的不同磁极对齐的线圈通入电流方向相反，且由于径向导磁磁铁半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极，沿轴向上，每相邻两个径向导磁磁铁的磁极均相反，并且每个轴向导磁磁铁与轴向上相邻两个径向导磁磁铁贴紧设置的磁极构成磁回路；在异极相吸、同极相斥的作用下，各线圈产生的磁力带动各径向导磁磁铁、各轴向导磁磁铁以及轴芯组成的动子向电机外壳一端运动；当所有电源改变给线圈供电的电流方向时，各线圈产生的磁极改变，各线圈产生的磁力带动动子向电机外壳另一端运动，至此完成一次动子的往复直线运动；当各线圈内的电流方向规律性的发生改变时，动子在线圈产生的磁极影响下实现在电机外壳内的周期性往复直线运动；动子周期性往复直线运动过程中，电机外壳在动子运动方向所指向那端的一个单向阀在压力差作用下排出气体或液体，另一端的一个单向阀在压力差作用下吸入气体或液体，其余两个单向阀保持不动。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁配合，实现了对磁场的导向作用，避免了磁场穿过轴芯导致的磁损耗，提高了电磁线圈与磁铁间磁感应强度，且保持定子与动子间的磁场强度稳定，从而提高了直线电机的工作效率。

2、本发明通过径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁的配合替换Halbach磁环，径向导磁磁铁和轴向导磁磁铁的制作成本要远远低于Halbach磁环，具有良好的经济性；且基于径向导磁磁铁与轴向导磁磁铁配合的强磁性机构仍然能具有良好的磁场和自屏蔽特性。

3、本发明中在动子与电机外壳之间安装有弹簧二，弹簧二能减轻动子往复运动时产生的振动，同时储备弹性势能，更好的提高直流电机的效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明中轴向导磁磁铁和径向导磁磁铁的磁场分布图；

图3为本发明中直流电机的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种基于强磁性结构的直线往复泵，包括直流电机和单向阀。如图1和2所示，直流电机包括电机外壳8、定子和动子；定子与动子均装配在电机外壳8内部。动子包括轴芯7、轴向导磁磁铁15和径向导磁磁铁14；轴芯7与电机外壳8构成滑动副；径向导磁磁铁14为圆环状，沿径向充磁为半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极；轴向导磁磁铁15为半圆环，沿轴向充磁为一侧呈N极另外一侧呈S极，如图3所示(图中黑色部分为S极)；两个轴向导磁磁铁15正对构成一个圆环型轴向导磁磁铁组，且正对位置的磁极相反；n个圆环型轴向导磁磁铁组沿轴芯7轴向无间距地固定在轴芯7上，且轴向上每相邻两个轴向导磁磁铁15的磁极均相反，n≥2；n+1个径向导磁磁铁14沿轴芯7轴向无间距地固定在轴芯7上，且置于各圆环型轴向导磁磁铁组外；沿轴向上，每个圆环型轴向导磁磁铁组位于两个径向导磁磁铁14之间，每相邻两个径向导磁磁铁14的磁极均相反；每个轴向导磁磁铁15与轴向上相邻两个径向导磁磁铁14贴紧设置的磁极构成磁回路，使得磁力线能在每个轴向导磁磁铁15与轴向上相邻两个径向导磁磁铁14贴紧设置的磁极间传递。

如图1和3所示，定子包括电磁线圈固定圆盘11、线圈12和磁轭块13；两个电磁线圈固定圆盘11组合构成一个电磁线圈固定架；电磁线圈固定架上沿周向均匀开设有m个线圈固定槽，每个线圈固定槽内固定一个磁轭块13；每个磁轭块13上均缠绕有线圈12；每个线圈12与一个电源连接；多个电磁线圈固定架置于各径向导磁磁铁14外，且无间距地固定在电机外壳8内部；所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁14的同一磁极对齐的各线圈12通入相同方向的电流，且与径向导磁磁铁14的不同磁极对齐的线圈12通入的电流方向相反。

如图1所示，单向阀包括阀体1、阀芯2、弹簧一3和挡圈4；挡圈4固定在阀体1内；阀芯2与阀体1构成滑动副，并与挡圈4通过弹簧一3连接。电机外壳8的两端与两个三通道连接管6的其中一个通道分别连接；三通管连接管6的其余两个通道与两个直通管5的一端分别连接；电机外壳8同一端的两个直通管5中，其中一个直通管5的另一端与一个单向阀的阀体1进口连接，另一个直通管5的另一端与另一个单向阀的阀体1出口连接。

作为一个优选实施例，电机外壳8由结构完全一样的两部分固定而成，便于定子与动子的拆卸与安装。

作为一个更优选实施例，电机外壳8的两部分通过螺栓10和螺母9固定连接。

作为一个优选实施例，电磁线圈固定圆盘11与轴芯7的材料均为非导磁不锈钢，防止对磁场产生干扰。

作为一个优选实施例，轴芯7的材料为聚醚醚酮，聚醚醚酮更为轻质，能提高轴芯7的动态性能。

作为一个优选实施例，径向导磁磁铁14与电磁线圈固定架上的磁轭块13之间留有间隙，避免径向导磁磁铁14摩擦损坏线圈12，且间隙不会导致磁感应强度减弱。

作为一个优选实施例，轴芯7一端的轴肩以及另一端固定的轴芯端盖18对各轴向导磁磁铁15和各径向导磁磁铁14进行固定。

作为一个优选实施例，轴芯7的两端与两个弹簧二16的一端分别固定连接，两个弹簧二16的另一端与固定在电机外壳8内的两根导向铜管17分别固定连接；弹簧二16能减轻动子在电机外壳8内产生的振动，能更好的储备弹性势能，提高电机的效率。

电源由控制器控制电流方向，比如可以采用电源与继电器电连接，继电器与控制器电连接，受控制器控制。

在上述各项实施例均具备的情况下，本发明一种基于强磁性结构的直线往复泵的直线往复驱动方法，具体如下：

启动各电源向对应线圈12供电，使各线圈12产生电磁感应；其中，所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁14的同一磁极对齐的各线圈12通入相同方向的电流，且与径向导磁磁铁14的不同磁极对齐的线圈12通入的电流方向相反，且由于径向导磁磁铁14半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极，沿轴向上，每相邻两个径向导磁磁铁14的磁极均相反，并且每个轴向导磁磁铁15与轴向上相邻两个径向导磁磁铁14贴紧设置的磁极构成磁回路；在异极相吸、同极相斥的作用下，各线圈12产生的磁力带动各径向导磁磁铁14、各轴向导磁磁铁15以及轴芯7组成的动子向电机外壳8一端运动；当所有电源改变给线圈12供电的电流方向时，各线圈产生的磁极改变，各线圈12产生的磁力带动动子向电机外壳8另一端运动，至此完成一次动子的往复直线运动；当各线圈12内的电流方向规律性的发生改变时，动子在线圈12产生的磁极影响下实现在电机外壳8内的周期性往复直线运动。动子周期性往复直线运动过程中，电机外壳8在动子运动方向所指向那端的一个单向阀在压力差作用下排出气体或液体，另一端的一个单向阀在压力差作用下吸入气体或液体，其余两个单向阀保持不动。如图1所示，当动子向右侧运动时，在压力差作用下，外部气体或液体顶开左上部单向阀的阀芯2，进入电机外壳8中，而右下部单向阀的阀芯2在压力差作用下被顶开排出气体或液体；当动子向左侧运动时，外部气体或液体由右上部单向阀的阀芯进入电机外壳8中，而左下部单向阀的阀芯2在压力差作用下被顶开排出气体或液体。当电机外壳8不同端位置开口均朝内的两个单向阀或开口均朝外的两个单向阀连接被驱动液压件，其余两个单向阀分别连接介质储存箱的进、出口(当介质为空气时，该两个单向阀不连接)时，本发明直线往复泵便能驱动被驱动液压件的运动。

如图2所示，轴向上任意两个相邻的径向导磁磁铁14磁极均相反，且位于两个径向导磁磁铁14之间的轴向导磁磁铁15能将磁回路沿轴向传导，使得任意两个径向导磁磁铁14与一个轴向导磁磁铁15构成闭合的磁回路，从而使得磁场能沿径向导磁磁铁14与轴向导磁磁铁15传导，不经过轴芯7造成磁损耗，以保证定子与动子间的强磁场。

Claims

1.一种基于强磁性结构的直线往复泵，包括直流电机和单向阀，其特征在于：所述的直流电机包括电机外壳、定子和动子；所述的定子与动子均装配在电机外壳内部；所述的动子包括轴芯、轴向导磁磁铁和径向导磁磁铁；所述的轴芯与电机外壳构成滑动副；所述的径向导磁磁铁为圆环状，沿径向充磁为半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极；所述的轴向导磁磁铁为半圆环，沿轴向充磁为一侧呈N极另外一侧呈S极；两个轴向导磁磁铁正对构成一个圆环型轴向导磁磁铁组，且正对位置的磁极相反；n个圆环型轴向导磁磁铁组沿轴芯轴向无间距地固定在轴芯上，且轴向上每相邻两个轴向导磁磁铁的磁极均相反，n≥2；n+1个径向导磁磁铁沿轴芯轴向无间距地固定在轴芯上，且置于各圆环型轴向导磁磁铁组外；沿轴向上，每个圆环型轴向导磁磁铁组位于两个径向导磁磁铁之间，每相邻两个径向导磁磁铁的磁极均相反；每个轴向导磁磁铁与轴向上相邻两个径向导磁磁铁贴紧设置的磁极构成磁回路；

所述的定子包括电磁线圈固定圆盘、线圈和磁轭块；两个电磁线圈固定圆盘组合构成一个电磁线圈固定架；所述的电磁线圈固定架上沿周向均匀开设有m个线圈固定槽，每个线圈固定槽内固定一个磁轭块；每个磁轭块上均缠绕有线圈；每个线圈与一个电源连接；多个电磁线圈固定架置于各径向导磁磁铁外，且无间距地固定在电机外壳内部；所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁的同一磁极对齐的各线圈通入相同方向的电流，与径向导磁磁铁的不同磁极对齐的线圈通入的电流方向相反；

2.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述电机外壳由结构完全一样的两部分固定而成。

3.根据权利要求2所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述电机外壳的两部分通过螺栓和螺母固定连接。

4.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述电磁线圈固定圆盘与轴芯的材料均为非导磁不锈钢。

5.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述轴芯的材料为聚醚醚酮。

6.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述的径向导磁磁铁与电磁线圈固定架上的磁轭块之间留有间隙。

7.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述轴芯一端的轴肩以及另一端固定的轴芯端盖对各轴向导磁磁铁和各径向导磁磁铁进行固定。

8.根据权利要求1所述一种基于强磁性结构的直线往复泵，其特征在于：所述轴芯的两端与两个弹簧二的一端分别固定连接，两个弹簧二的另一端与固定在电机外壳内的两根导向铜管分别固定连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述一种基于强磁性结构的直线往复泵的直线往复驱动方法，其特征在于：具体如下：

启动各电源向对应线圈供电，使各线圈产生电磁感应；其中，所有电磁线圈固定架上沿周向与径向导磁磁铁的同一磁极对齐的各线圈通入相同方向的电流，与径向导磁磁铁的不同磁极对齐的线圈通入的电流方向相反，且由于径向导磁磁铁半个圆环呈N极另外半个圆环呈S极，沿轴向上，每相邻两个径向导磁磁铁的磁极均相反，并且每个轴向导磁磁铁与轴向上相邻两个径向导磁磁铁贴紧设置的磁极构成磁回路；在异极相吸、同极相斥的作用下，各线圈产生的磁力带动各径向导磁磁铁、各轴向导磁磁铁以及轴芯组成的动子向电机外壳一端运动；当所有电源改变给线圈供电的电流方向时，各线圈产生的磁极改变，各线圈产生的磁力带动动子向电机外壳另一端运动，至此完成一次动子的往复直线运动；当各线圈内的电流方向规律性的发生改变时，动子在线圈产生的磁极影响下实现在电机外壳内的周期性往复直线运动；动子周期性往复直线运动过程中，电机外壳在动子运动方向所指向那端的一个单向阀在压力差作用下排出气体或液体，另一端的一个单向阀在压力差作用下吸入气体或液体，其余两个单向阀保持不动。