TW201502376A - 可變衝程之電動操作膜片泵 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可變衝程EOD泵系統，其包含一膜片泵及操作該膜片泵之一電磁線性致動器。該線性致動器包含兩個定子半片及一電樞。該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於該等定子半片之場磁極之間之線性運動。各定子半片亦可包含由一磁滲透磁心部分環繞之一驅動線圈。

Description

可變衝程之電動操作膜片泵 [相關申請案]

本申請案係關於且主張2013年3月14日申請之題名為「Variable Stroke Length Electrically Operated Diaphragm Pump」之美國臨時專利申請案第61/781,335號之優先權。該臨時申請案中所揭示之標的之全文在此明確地併入本申請案中。

本發明係關於膜片泵，且更特定言之，本發明係關於一種具有一往復式電磁線性致動器之電動操作膜片泵。

【先前技術及發明內容】

市售之氣動操作膜片(AOD)泵擁有諸多所要特徵。然而，AOD泵亦擁有一固有限制--其等需要壓縮空氣作為一功率源。在一AOD泵可使用之地方並不總是可得到壓縮空氣。獲得此功率源需要一額外費用，其可限制該泵之潛在市場。

壓縮空氣功率亦缺乏效率。一空氣壓縮機壓縮空氣(機械能)以產生儲存能量。但該壓縮機由電動馬達驅動以將電能轉換為機械能。替代地，一空氣壓縮機可由將化學物品轉換為機械能之熱引擎驅動。無論在哪一情況下，所得壓縮空氣通過管道或軟管分佈。只有在此等能量確實消耗後，該AOD泵才將其之儲存能量轉換回移動流體穿過該泵之機械能(壓縮空氣)。

電動操作膜片(EOD)泵係一市售之AOD泵替代品，其減輕一些AOD泵之侷限性，但引起一些其等自身的侷限性。EOD泵採用由習知電動齒輪馬達驅動之減速齒輪系。此等齒輪馬達可以相對較高速度操作而允許該等馬達之電磁中之高效能量轉換。接著，該等齒輪系之輸出通過連桿以由膜片泵所要求之相對低速度將機械能傳遞至泵送機構。該等齒輪馬達EOD因此消除對壓縮空氣之需要且因此消除浪費能量之該等能量轉換步驟之一者。該等齒輪馬達EOD可消除一壓縮機之額外成本。另一方面，當與一AOD相比較時，在EOD中使用齒輪馬達將相當大的尺寸、重量及費用加至該泵。市售之齒輪馬達EOD通常亦具有旁路彈簧，當高出口壓力施予太多對抗該等膜片之力時，該等旁路彈簧容易崩壞。此技術保護過度負載齒輪馬達，但對允許泵操作以進入較高出口限制沒什麼作用。

本發明之一繪示性實施例提供一可變衝程EOD泵。此新類型EOD泵消除通常用於EOD泵中之齒輪系，以潛在地減少習知EOD泵之尺寸、重量、成本、複雜性及潤滑要求。在一繪示性實施例中，採用一往復式電磁線性致動器來代替用於習知EOD中之旋轉電動馬達以達成電至機械能轉換。介於移動與靜止部分之間之一氣隙經定向垂直於膜片運動之方向。此定向最大化於空間之一給定體積內可產生之力之量。

本發明之另一繪示性實施例提供一種可變衝程EOD泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含兩個定子半片及一電樞；其中該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於該等定子半片之場磁極之間之線性運動；且其中各定子半片包含由一磁滲透磁心部分環繞之一驅動線圈。

以上及其他繪示性實施例包含一泵系統，其可進一步包括：該電樞及該兩個定子半片經塑形且經定位使得介於其等之最近表面之間 一空間形成垂直於該電樞之運動方向之平行平面；且作用於該電樞上之一軸向力通過彈簧耦合至該等泵之膜片。

本發明之另一繪示性實施例提供一種可變衝程EOD泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含兩個定子半片及一電樞；其中該兩個定子半片包含驅動線圈及磁心；其中該電樞定位於該兩個定子半片之間之一空間中；其中該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸及該等定子半片之場磁極之間之線性運動；及可與該電樞一起移動以移動一泵膜片支撐板之一驅動桿。

以上及其他繪示性實施例包含一泵系統，其可進一步包括：當該膜片泵以一低限制操作而使該膜片支撐板位移約等於電樞位移時及當該膜片泵以一高限制操作而使該膜片支撐板位移少於該電樞位移時，該電磁線性致動器之該電樞可移動至三個不同位置。

本發明之另一繪示性實施例提供一種可變衝程EOD泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含兩個定子半片及一電樞；其中該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於定子半片之場磁極之間之線性運動；且其中各定子半片包含由一磁滲透磁心部分環繞之一驅動線圈；及一驅動電路；其中該驅動電路包含一微控制器、用於將該電樞位置傳遞至該微控制器之一位置感測器、與各定子線圈相關聯之用於控制穿過相關聯之線圈之電流之一電子開關，該驅動電路包含啟用該微控制器以選擇性地操作該等開關之元件，且該微控制器經程式化以監測該電樞之位置且在適當時間操作該等開關以控制該等電樞之運動。

以上及其他繪示性實施例包含一泵系統，其可進一步包括：該微控制器經程式化以依據時間控制該電樞之一軸向位置。

熟悉技術者在考量例證實施如當前所感知之該可變衝程EOD泵之 最佳模式之所繪示之實施例之以下詳細描述時將明白可變衝程EOD泵之額外特徵及優點。

4‧‧‧氣隙/磁氣隙

6‧‧‧電樞

8‧‧‧線圈

10‧‧‧膜片/泵膜片

12‧‧‧壓縮彈簧驅動機構/驅動彈簧

14‧‧‧定子/定子磁心

16‧‧‧驅動套管

18‧‧‧膜片支撐板

20‧‧‧驅動桿

22‧‧‧感測器線圈

24‧‧‧目標

30‧‧‧運動軸

下文將參考附圖描述本發明，附圖僅作為非限制性實例，其中：圖1係一可變衝程EOD泵總成之一截面圖；圖2係在低壓力及在衝程之底部之圖1之該EOD泵之一圖解圖；圖3係在低壓力及在中衝程處之圖1之該EOD泵之另一圖解圖；圖4係在低壓力及在衝程之頂部之圖1之該EOD泵之又一圖解圖；圖5係在高壓力及在衝程之底部之圖1之該EOD泵之又一圖解圖；圖6係在高壓力及在中衝程處之圖1之該EOD泵之又一圖解圖；圖7係在高壓力及在衝程之頂部之圖1之該EOD泵之又一圖解圖；圖8係展示依據氣隙而變化之每平方安培容量之該EOD之力的一圖表；圖9係在與由在定子線圈之一者中流動之電流誘導進入由定子磁心及電樞組成之磁電路中之磁場之一電腦模擬之圖1之平面相同之平面中截取之一截面圖；及圖10係包含電子控制件之完整EOD系統之一方塊圖。

在這幾個視圖中，對應參考符號指示對應部分。本文中所羅列之例證繪示可變衝程EOD泵之實施例且此例證不應被詮釋為以任何方式限制該可變衝程EOD泵之範疇。

本發明提供一種可變衝程EOD泵(諸如圖1中所展示)。一繪示性實施例包含一直接耦合EOD泵，其採用介於其之電樞6與定子14之間之軸向氣隙4，使得不需要機械齒輪減速以驅動其之膜片10。該氣隙距離經變動以保證所施加之出口限制可獲得充足的軸向力。在一繪示 性實施例中，一壓縮彈簧驅動機構12允許介於EOD之電樞6與泵膜片10之間之相對運動。該彈簧配置允許磁氣隙4回應該泵之出口壓力而變動，使得低限制中可實現高流動速率，且高限制中可實現低流動速率，以複製市售之氣動操作膜片泵之操作效能。由監測該EOD之驅動電流及電樞位置之一封閉迴路PI控制器控制EOD之電樞6之移動。

此EOD泵之致動器具有經定向垂直於膜片運動之方向之介於其之移動部件與靜止部件之間之氣隙。此定向最大化可產生於空間之一給定體積中之力之量。與當致動器之氣隙小時相比，當致動器之氣隙大時，需要大量電流以產生強大的致動力，且可使用非常少的電流而產生強大的致動力。

當電樞6經拉動朝向經供能之定子磁心14時，其施加力至驅動套管16，其繼而將該力傳送至驅動彈簧12，且接著至膜片支撐板18及膜片10。泵出口壓力產生一力以反抗該致動器之力且壓縮驅動彈簧12(而非移動膜片10)。當不限制該泵出口而導致低出口壓力時，膜片支撐板18不在驅動彈簧12上施加顯著力，且支撐板18幾乎與電樞6一起移動。此引起待達成之充分流動速率。相比而言，當該出口被更多地限制時，出口壓力在支撐板18上施加足夠的力以壓縮彈簧12至某一程度。此壓縮允許電樞6移動至較小氣隙長度之一新位置，其中在線圈8之電流限制中產生充足的力進而以較高壓力移動流體穿過該經限制之出口。因此，與不允許該氣隙變動之情況下之可為可能的壓力相比較，該泵可以更高之壓力操作。驅動桿20如其在一習知AOD中一樣發揮作用以將施加至驅逐側上之驅動膜片之力耦合至相對膜片以拉動流體進入其之流體罩中。

再次，與當該氣隙小時相比較，當該氣隙大時，需要大量電流以產生強大的致動力且可使用非常少的電流而產生強大的致動力。例如，本發明之一實施例可採用僅0.9單位的電流以產生橫跨一氣隙 0.010"寬之556單位的力。且相同實施例需要20單位的電流以產生橫跨一氣隙0.490"寬之201單位的力。其係僅36%之力之電流之22倍。若需要進入高限制中之高流動速率，則大氣隙處之電流之量值極高。然而，AOD出口壓力與流動速率效能曲線展示一相反關係。例如，使用一100psi入口空氣供應而操作之二分之一英寸AOD可傳遞約11gpm至35psi出口壓力。但該流動可在87psi出口壓力處下降至約1gpm。本發明藉由當遇到高出口壓力時提供一小氣隙及當存在低出口壓力時提供大氣隙而使該電磁致動器之特性與AOD效能特性匹配。習知AOD泵可被稱為不變衝程設計，然而本發明之EOD泵係一可變衝程設計。

如圖2至圖7中所展示，展示在兩種不同操作條件下在三個不同位置中之電樞6。圖2展示在低壓力條件下之在其之衝程之底部之電樞6。接著，如圖3中所展示，電樞6在中衝程處且在一低壓力操作條件下。圖4亦展示在低壓力下電樞6之衝程頂端條件。相比而言，圖5中之視圖再次展示電樞6在其之衝程之底部，且現處於高壓力。類似地，在圖6中電樞6係在高壓力下位於中衝程處。且最後，電樞6係在圖7中之高壓力處之衝程之頂部處。此等圖表明：當該膜片泵以低限制操作時，膜片支撐板位移等於電樞位移(參閱圖2至圖4)，且當以高限制操作時，膜片支撐板位移少於電樞位移(參閱圖5至圖7)。

替代地，該致動器之力可牢固地耦合至該等泵之膜片，因此可移除該等彈簧(如上文所描述)。使用此技術，介於該等定子區段之間該軸向距離可手動或自動變動以達成高限制之較短衝程及低限制之較長衝程。

圖8展示使軸向力與均方定子電流對氣隙距離相關之方程式中之係數。若需要進入高限制之高流動速率，則大氣隙處之電流之量值極高。然而，AOD出口壓力與流動效能曲線展示一相反關係。本發明藉 由當遇到高出口壓力時提供一小氣隙及當存在低出口壓力時提供一大氣隙，而使該軸向通量氣隙電磁致動器之特性與該等AOD效能特性匹配。

作為一示範，圖9中之一磁通量強度密度型樣展示自與驅動桿20及驅動套管16之運動軸30平行對準之氣隙4之通量線。氣隙通量密度將導致吸引電樞6至定子8之一磁壓力。該壓力與沿該等通量線之方向均方之該磁通量密度成比例。該磁通量密度與約與該氣隙距離成比例之磁電路磁阻成反比例。

當一線圈8被充分供能時，電樞6將沿其之定子磁心14之方向移動。將由一比例積分(PI)控制器透過軸向位置感測器線圈22及目標24監測此運動。該PI控制器將回應於該經監測電樞運動與該所要電樞運動之間之差異而調節脈衝寬度調變(PWM)信號。圖10之該PI控制器提供PWM信號至功率電子階以傳遞驅動電流至EOD定子線圈8(亦參閱圖1)。該控制器調變且傳遞該等信號以達成以該速率之電樞6之往復運動及由使用者輸入給予之位移。無論在任何時間僅供能給一個線圈8。經供能之線圈8將產生使其之相關聯定子磁心14及電樞6磁化之一磁動力。

雖然已參考特定構件、材料及實施例描述本發明，但，自前文描述，熟悉技術者可容易確定本發明之必要特性且在不背離本發明之精神及範疇之情況下可做出各種改變及修改以適應各種使用(如以下申請專利範圍所闡述)。

4‧‧‧氣隙/磁氣隙

6‧‧‧電樞

8‧‧‧線圈

10‧‧‧膜片/泵膜片

12‧‧‧壓縮彈簧驅動機構/驅動彈簧

14‧‧‧定子/定子磁心

16‧‧‧驅動套管

18‧‧‧膜片支撐板

20‧‧‧驅動桿

22‧‧‧感測器線圈

24‧‧‧目標

Claims (7)

1. 一種電動操作膜片泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含：兩個定子半片，及一電樞；其中該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於該等定子半片之場磁極之間之線性運動；及其中各定子半片包含由一磁滲透磁心部分環繞之一驅動線圈。
2. 如請求項1之泵系統，其中該電樞及該兩個定子半片經塑形且經定位使得介於其等之最近表面之間之一空間形成垂直於該電樞之運動方向之平行平面。
3. 如請求項1之泵系統，其中作用於該電樞上之一軸向力通過彈簧耦合至該等泵膜片。
4. 如請求項1之泵系統，其中當該膜片泵以低限制操作而使該膜片支撐板位移約等於電樞位移時且當該膜片泵以高限制操作而使該膜片支撐板位移少於該電樞位移時，該電磁線性致動器之該電樞可移動至相對於該支撐板之位置之一範圍。
5. 一種電動操作膜片泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含：兩個定子半片，及 一電樞；其中該兩個定子半片包含驅動線圈及磁心；其中該電樞定位於該兩個定子半片之間之一空間中；其中該電樞由沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於該等定子半片之場磁極之間之線性運動支撐；及一驅動桿，其可與該電樞一起移動以移動一泵膜片支撐板。
6. 一種電動操作膜片泵系統，其包括：一膜片泵；操作該膜片泵之一電磁線性致動器；其中該線性致動器包含：兩個定子半片，及一電樞；其中該電樞經支撐用於沿該等定子半片之場磁極之一軸且介於該等定子半片之場磁極之間之線性運動；其中各定子半片包含由一磁滲透磁心部分環繞之一驅動線圈；一驅動電路；其中該驅動電路包含一微控制器、用於將該電樞位置傳遞至該微控制器之一位置感測器、與各定子線圈相關聯之用於控制穿過該相關聯線圈之電流之一電子開關，該驅動電路包含啟用該微控制器以選擇性地操作該等開關之元件，該微控制器經程式化以監測該電樞位置且在適當時間操作該等開關以控制該電樞之運動。
7. 如請求項6之泵系統，其中該微控制器經程式化以依據時間控制該電樞之一軸向位置。