毕业设计论文微小型变流量电磁泵的研究.doc

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1、第1章 绪论第1章 绪 论1.1 课题来源及意义本论文来源于吉林省科技厅下达的基础研究项目“微小型变流量电磁泵的研究”。该项目针对传统泵结构复杂，所占空间大，应用受到限制的问题，研制出了一种微小型变流量电磁泵。研制的泵在驱动原理上采用通电线圈产生的电磁力来驱动柱塞作往复直线运动，是一种全新的泵，同时该电磁泵可以通过调节供电电源频率和电压来实现泵输出流量的无级调节，便于自动控制泵的变流量输出，这就更加扩大了该电磁泵的应用范围。目前 ， 各种类型的泵在工农业生产和日常生活中的应用越来越广泛，据统计仅次于电动机的应用，排在第二位,现在常用的泵如柱泵、叶片泵等，根据其工作原理，都必须靠电动机经中间传动

2、机构驱动进行工作，使泵系统结构复杂，所占空间体积大，不适合应用于一些空间受到限制的场合。因此，所研制的电磁泵与其它传统泵相比具有结构简单紧凑新颖独特体积小等特点。本论文题目是小型变流量电磁泵结构优化，它是在微小型变流量电磁泵课题组人员的研究成果下，进一步对该电磁泵进行结构优化。近年来，泵在工农业生产和日常生活中的应用越来越多。根据有关部门的统计，世界上泵的产量排在第二位，仅次于电机。随着科学技术的迅猛发展，泵的应用领域将不断扩大，不但农田排灌城市给水热电厂石油炼厂油田输油管线等部门要使用各种类型的泵，在原子能发电舰艇喷水推进液体火箭燃料供给生物工程、家用电器、医学等方面亦得到重要的应用。可以说

3、凡需要9第1章 绪论输送液体的领域都有它的市场。根据中国石化总公司和天然气总公司介绍，一套30万吨乙烯装置，年用泵280台，一套30万吨合成氨和尿素化肥装置，年需用泵100台左右。全国上百家石化企业，近千套生产装置，用量相当大，而且我国每年花40多亿元进口石化不泄漏泵。油田用泵年需近900万台，还有锅炉配套用泵4000万台；供水系统、制药行业用泵3500万台；另外建筑、造纸、船舶、农业、国防等其它领域也大量需求该产品。同时，工业系统中的传统用泵的改造大约每年将有上亿台需更新。仅大庆石油管理局就提出今后每年要求供一亿元的泵产品。泵抽送的介质除水外，还有油酸碱类，直至低温液化气体和高温熔融金属等。

4、而且，目前已成功地用泵对固体如煤等进行长距离输送。毫无疑问，泵在工业、农业和国防等工业中必然将起到十分重要的作用。长期以来，泵的轴封泄漏一直在困惑着泵的研究设计者和制造业的人们，更让使用者烦恼。轴封的跑、冒、滴、漏，不但造成巨大的经济损失，而且污染环境，浪费资源，某些介质还会引发燃、爆、毒等重大事故。因此，轴封泄漏是世界公认的急待解决的难题。针对这一难题，科华泵业公司董事长张志华教授潜心研究十余年，终于攻克这一难关。首先，利用自己研制的自有专利产品稀土永磁多环同步电机（专利号：ZL 97 2 44365.7）组成盘式密闭电泵（专利号：ZL 97 2 50027.8），使电机、泵一体化。该泵机改

5、变了传统电机的套筒式结构及传统泵的设计原理。电机转子为平面圆环状，并与泵叶轮结合成一体，实现了泵机无轴传动，完全静密封，达到永不泄漏。电磁泵与同类功能的泵比较，节省原材料30%；运转起来节约电能25%。具有体积小、重量轻、成本低、效率高、寿命长、无噪声、无污染、无泄漏等优点。 另外，在电磁泵的基础上，还研制了一种电磁热泵。它是将电磁能直接转换成热能和机械能的泵。通电后，在电机定、转子（叶轮）之间产生交变电磁场，从而产生作用力和热，电机、泵一体化，能够将运行过程中产生的机械能与热能全部有效利用，在一个简单的一体化的泵中实现电磁热能转化，热效率达100%。由电磁热泵、电磁加热装置和智能温控器系统设

6、计成电磁供暖设备，替代各式锅炉房，优于其它任何供暖方式。环保、洁净、省时、省钱，可广泛应用机关、厂矿、学校、医院、宾馆和民宅的集中供暖和分户供暖。 电磁泵和热泵均经辽宁省科技情报所国内外联机检索，填补了国内外空白。属高科技、高附加值、国内外首创的新产品，经沈阳市产品质量监督检验所按企业标准批量抽样检验合格。被国家经贸委评为国家级新产品。并得到了国家经贸委、国家科委、沈阳市沈河区科技局等多项立项贷款，用以支持电磁泵和热泵的研制与市场开发。在化工、印刷行业中，电磁泵用于输送一些有毒的重金属，如汞、铅等；在原子能动力工业中用于输送化学性质特别活泼的金属，如钠、钾、钠钾合金等。近年来随着新型、高效铸造

7、机械，如压铸机和高速自动造型线在冶金、铸造生产中的广泛应用，使熔融金属的输送、计量、浇注的自动化、高速化成为急需解决的问题，浇注作业又是冶金、铸造工业中一道操作繁重的工序，不仅劳动强度大而且作业环境（如高温、废气、安全事故等）对工人健康影响较大，这些都为电磁泵的应用开辟了新的广阔的前景 。同时，电磁泵还能用来输血而不会对心肺及人造肾脏中的血红细胞造成任何危害。在国外电磁泵早已进入市场并开始应用。国外小流量的电磁泵在工业发达国家中广泛应用于化工工艺过程中辅料的定量或配比输送以及PH 值的控制。大流量的电磁泵主要应用于快速增殖反应堆传输液态金属钠中，使用起来与机械泵相比具有可靠性高，维修性好和安装

8、不受限制等优点，而且可以大大简化快速增殖反应堆系统。资料表明，国内外对电磁泵的研究都十分重视。美国、日本等国家已把电磁泵应用于核工业及航空领域中，取得了很大的成功。综上所述，目前国内外已开发出的电磁泵仅仅能应用于导电液体的输送，而本论文所设计的新型变流量电磁泵可以应用于不导电液体的输送，而且流量可以实现无级调节，因此，该变流量电磁泵具有广阔的应用前景。1.2 国内外研究现状该项目所研制的电磁泵在驱动原理上是一种全新的泵，直接利用泵本身的电磁线圈产生的电磁力来驱动具有单向阀的柱塞作往复直线运动，以此改变工作腔容积的大小使压力发生变化，输出一定压力和流量的工作液体。所研究的电磁泵与其它传统泵相比具

9、有结构简单、紧凑，体积小等特点；同时该电磁泵更重要的特点是可以通过改变供电电源频率或电压来实现泵输出流量的无级调节，便于自动控制泵的变流量输出。该项目已通过吉林省科技厅鉴定，填补了国内空白，达到国内先进水平，具有广阔的应用前景。所研制的电磁泵的主要技术指标如下：1.外形尺寸为：直径100mm，高度100mm；所用工作电源：220V, 50Hz交流电；2.实际电磁泵最大工作压力为：P=0.6atm，实际电磁泵流量：Q=04200ml/min连续可调。21世纪是电子信息时代，是电脑走向普及、生命科学快速发展，节省能源与资源、重视生态平衡及各类产品高速小型化的新时代，泵产品及其市场的发展将会更加新潮

10、与宽广。高速小型化、大容量化、特种用途、自动化控制仍是泵今后发展的趋势。特别是调频器的快速发展，将会给泵带来一场高速、轻便、小型的新的革命。新型水润滑轴承、磁力轴承、新型机械密封和无泄漏以及新材料、新工艺、新能源的开发利用，亦会给泵的全面发展带来新的生机。随着石油化学工业、机械制造工业、造纸、食品、医药、化学分析等行业的发展，对往复泵的需求日益增加，同时，生产的发展对往复泵提出更高的要求。1.一方面要求往复泵向小流量、微流量和高压领域发展，另一方面也向高压大流量、大功率方向发展。2.要求往复泵的体积小、重量轻、寿命长，这主要是要求提高往复泵的转速以及解决提高转速后出现的各种问题。3.要求往复泵

11、更好地适应各种介质的性质和状况。4.发展新品种。微型电磁泵主要包括电磁泵支架，支架内设置有缠绕线圈的线圈架，线圈架内设置有上端与出水嘴相接，下端与进水底座相接的阀芯套，阀芯套内设置有可移动的阀芯，支架底部与进水底座相接，阀芯的一端依次与弹簧、密封塞、垫片、阀体堵头以及锥形弹簧相接，该锥形弹簧和出水嘴相接；阀芯的另一端依次与弹簧、阀芯堵头、阀芯帽以及弹簧相接，该弹簧与设置在阀芯套端部的沉孔座相接。本实用新型在进水管端部设置有一带滤过网的管接头，增加了进口处的过滤功能，保证管内部清洁，延长了本产品的使用寿命。本实用新型阀芯的上下两端均设置有弹簧和阀芯堵头，在实现单向通断功能的同时，极大的保证了截断

12、和导通的可靠性。电磁泵属于往复泵的一种，它最早应用于核工业，主要用于循环钾、钠等冷却剂。电磁泵的研究始于1947年，最初电磁泵指的是液态金属电磁泵，它是一种输送导电液体的装置，在实际应用中大多用于输送液态金属，所以称作液态金属电磁泵，简称电磁泵。它利用液态金属中的电流（外加感应的）和磁场的作用，把电磁推动力直接加在液态金属上。由于省去了机械传动部件，因而具有结构简单可靠、完全密封、噪音小等优点，缺点是效率较低。 随着原子能动力工业的发展，特别是快中子反应堆的发展促进了液态金属电磁泵的研究和应用。目前在国外，液态金属电磁泵广泛应用于原子能动力液态金属回路的各种辅助系统及热工和材料实验装置中。对于

13、一些实验性反应堆以及空间动力反应堆，电磁泵也用于液态金属的主要回路，如英国的唐娜原子能反应堆和法国的热泊沙弟屋（Rapsodio）原子能反应堆。在冶金、铸造工业中，国外市场虽早在1947年就曾尝试应用电磁泵来实现融熔铝的自动定量浇铸，但由于工艺技术和材料问题没有解决，所以迟迟没有进展。近年来随着新型、高效铸造机械，如压铸机和高速自动造型线在冶金、铸造生产中的广泛应用，使熔融金属的输送、计量、浇注的自动化、高速化成为急需解决的问题，浇注作业又是冶金、铸造工业中一道操作繁重的工序，不仅劳动强度大而且作业环境（如高温、废气、安全事故等）对工人健康影响较大，这些都为电磁泵的应用开辟了新的前景。随后各国

14、都在电磁泵应用于铸造方面作了大量研究工作，到目前为止，国际上包括美国、英国、法国、南非、俄罗斯等国家都掌握了该项技术。如俄罗斯采用电磁泵充型的低压铸造技术铸造柴油发动机的缸盖，与气压式方法比，产品的废品率由原来的25%降到2%，金属利用率由原来的45%提高到94%，而且成功地采用电磁泵充型的低压铸造技术铸造系统生产导弹铝合金罩壳。在20世纪70年代末，英国cosworth公司发明了以电磁泵传输、充型的cp核心技术，主要生产一级方程式赛车的发动机缸体、缸盖。1988年，美国福特公司购买了cp专利，并于1992年wap建成年产量100万只缸体的生产线，特别是该公司某铸造厂全部采用低压铸造系统，并实

15、行自动化控制，年产300多万件缸盖，成品率稳定在90%以上。1991年，南非m&r公司建立了cp法铸造厂。我国从60年代开始了电磁泵的研究并得到了一定的发展。如华北工学院于1997年成功开发出铝合金铸造用直流平面电磁泵，已形成产品并应用于工厂的生产。在国内，电磁泵主要应用于化工工业中。如采用电磁泵来输送汞，可消除汞泄漏和对环境的污染，从而改善了工人的劳动条件。一些易氧化的液体金属如钾、钠，由于采用电磁泵进行输送可以大大提高安全性。近年来，华北工学院提出了双联泵的设想，以期能提高电磁泵的流量。北京北方恒利科技发展公司在“九五”期间研制开发的适合铝镁合金低压铸造及定量传输的电磁泵系统，是目前从事铝

16、镁合金熔炼和铸造的理想设备。在电磁泵的基础上，2000年辽宁省还研制了一种电磁热泵。它是将电磁能直接转换成热能和机械能的泵，属高科技、高附加值、国内外首创的新产品。利用电磁泵来排气的臭氧发生器广泛适用于密封容器及管道消毒灭菌、冷藏冷冻库食品、蔬菜保鲜、水产养殖灭菌、水处理设备、空气消毒等多种场合应用。吉林省汉中实业有限公司研制出了一种双联电磁泵，它包括左右两个泵腔，大大提高了电磁泵的流量。电磁泵(SOLENOID PUMP)是一种将动力和泵体直接结合为一体的液体泵。电磁泵的工作原理类似普通电磁阀，它以交流电为工作动力，电流通过电磁绕组形成交变固定磁场，与可运动的泵体形成交互作用，带动泵体振动，

17、推动液体输出。 电磁泵是一种技术成熟并且广泛应用的泵类产品，具有结构紧凑，输出压力高，无泄漏，体积小，价格相对低廉，输出流量较小等特点。与常用的离心式(叶轮)泵比较其输出压力高出2至10倍，与柱塞泵比较，体积减少1倍以上。电磁泵性能指标(水介质，室温)：输出压力0.31.2兆帕，流量15升/分，输入功率10120瓦。 电磁泵应用领域： 饮料冲饮机：特点：将速溶饮料快速冲制成饮料，例如咖啡、橘子汁、高乐高等。 蒸汽清洗机：特点：提供蒸汽输出压力在08兆帕，为工业清洗油脂，污垢提供一种方便、简便、高效的工具。 冲牙器：特点：以高压2千帕，每分3000次脉冲水滴冲洗清洁牙齿和牙龈，实现口腔保健，减少

18、龋齿。 喷雾加湿器：高效率、大容量空气加湿。 增压过滤器：特点：提高输入压力，提高过滤效率。例如家用纯水机等。 计量泵：特点：调节性能好，调节控制范围宽。 地毯清洗机：将蒸汽喷入地毯表面，分解污垢，然后再将污垢抽走，相比吸尘器的效果更好。 此类电磁泵产品在国外已经长期广泛使用。典型电磁泵产品有意大利公司(wwwflui dotechcom)和美国公司(wwwclarkeso1com)产品。 在借鉴国外同类产品技术的基础上，经过两年来不断的改进和提高，二七厂科协已经可以设计、开发、生产此类电磁泵，按使用要求开发出多种规格的系列产品，批量生产。 电磁泵从工作原理上可分为直线感应式和衔铁式两类。衔铁

19、式电磁泵从国外发展情况看，可分为压力型和流量型。压力型电磁泵排出压力一般为（）Mpa，流量一般在1L/min以下。流量型电磁泵最大流量为5L/min,压力一般在以下。电磁泵总体设计应考虑产品类型。在压力型电磁泵中，衔铁和柱塞是上下分开的结构，具有不同的截面积。衔铁的截面积主要由与柱塞力相平衡的电磁吸力所决定。而柱塞力由负载阻力、惯性力等组成。在柱塞行程和柱塞往复运动频率一定的条件下，柱塞的截面积决定了流量的大小。在流量型电磁泵中，衔铁本身就作为柱塞，因此它必须同时兼顾泵对流量和电磁吸力的要求。压力型和流量型电磁泵在结构上有所区别的主要原因是由泵的工作原理决定的。在流量型电磁泵中，衔铁作为柱塞，

20、衔铁电磁吸力与其截面积和排出压力成正比，因此当其截面积一定时，排出压力越大，所需电磁吸力也将越大，但这样的电磁铁是无法设计出来的。所以，流量型电磁泵的排出压力不可能很大。在压力型电磁泵中，流量不是很大，且衔铁和柱塞是分开的，所以柱塞截面积可以设计得很小，这样可使泵的压力大大提高，而所需的电磁吸力也不致很大，从而衔铁的截面积也不致于很大。本论文中所要讨论的电磁泵属于流量型电磁泵的一种。在1999年，吉林省科技厅下达了基础研究项目“微小型变流量电磁泵的研究”，该课题组人员针对传统泵结构复杂，所占空间大，应用受到限制的问题，结合该研究课题研制出了一种微小型变流量电磁泵。研制的泵在驱动原理上是一种全新

21、的泵，它不再采用电动机带动齿轮或曲柄连杆机构的驱动形式，而是直接利用通电螺线管中产生的电磁力来驱动柱塞作往复直线运动，来吸入和排出液体，同时该电磁泵可以通过调节供电电源频率和电压来实现泵输出流量的无级调节，便于自动控制泵的变流量输出，这就更加扩大了该电磁泵的应用范围。该课题组人员通过对电磁泵工作原理的分析，建立了该泵的数学模型，即系统的数学模型可以简化为单自由度有阻尼受迫振动，并对泵的动态特性进行了测试。在分析电磁泵工作机理的基础上，推导出了电磁泵流量的理论计算公式，研究了电磁泵变频和变压两种调节流量的原理，并研制出这两种调节流量的控制系统，然后对电磁泵分别进行了性能实验，实验结果表明：通过调

22、整电磁泵脉动电源的电压或频率都可以实现流量的无级调节。以上为该项目课题组人员的研究成果，但就目前的研究情况来看，如何提高该电磁泵的流量，进而提高效率是目前需要解决的主要问题之一。1.3 论文的主要研究内容本论文题目是小型变流量电磁泵结构优化，它是在该项目课题组人员研究成果下，进一步对该电磁泵进行结构优化。1.结构参数的优化。影响电磁泵性能的主要因素是电磁回路有关参数、磁导体材料和弹簧刚度等。电磁回路有关参数主要包括：漆包线的直径（简称线径）和线圈匝数 ，线径的大小和匝数的多少直接影响电磁吸力的大小，由于在建立目标函数的过程中，没有引进线径作为其中的一个变量，因而可以取线径为一个固定的量，通过改

23、变匝数来进行线圈的优化，也就是取匝数为设计变量之一。这里的磁导体材料也就是柱塞的材料应该选用电阻率高，涡流损失小的材料，如铁硅合金、铁铝合金、铁镍合金、软磁铁氧化体等。有些厂家为降低生产产品的成本，磁导体采用不锈铁和低碳钢制造，效果也很好。为了便于取材，柱塞采用低碳钢制造。由于柱塞的直径直接影响流量的大小，因而取柱塞的直径为设计变量之一。回复弹簧的刚度除了对电磁泵的稳定性起主要作用外，还对电磁泵的行程有很大影响，进而影响泵的流量。一般在电磁吸力足够大的情况下，弹簧刚度越大，电磁泵行程越大，从而增加电磁泵的流量。但同时刚度越大，所需的电磁吸力也越大，因而，弹簧刚度对电磁泵的影响也很大，取其也为设

24、计变量之一。那么，进行优化的目标函数即为泵的流量，设计变量为线圈匝数、柱塞直径、弹簧刚度。通过复合形法来求解目标函数的最优解。2.实验验证。首先验证控制系统能否满足要求，在控制系统满足要求的情况下，进行调频调压试验，采集流量数据，与没有优化之前的流量相比较，看是否达到提高流量的目的。第2章 电磁泵的结构参数优化第2章 电磁泵的结构参数优化2.1电磁泵的结构组成与工作原理2.1.1电磁泵的结构组成根据电磁驱动原理研制出的新型的电磁泵，如图2-1、2-2所示。图2-1为电磁泵的外形图，图2-2为电磁泵的结构图。电磁泵由线圈、柱塞、进口阀、出口阀、铜套、下端盖、线圈骨架、套筒、进口阀导向座、出口阀导

25、向座、上端盖、密封圈和垫片、柱塞复位弹簧等组成。35图2-1电磁泵的外形图1进口阀2.下端盖3.铜套4.线圈骨架5.线圈 6.出口阀7.套筒8.出口阀导向座9.上端盖10.柱塞复位弹簧11.密封圈12.柱塞13.垫片14.进口阀导向座图2-2 电磁泵结构图2.1.2 电磁泵的工作原理电磁泵的基本工作原理是:当给电磁泵电磁线圈中通入脉动直流电后，电磁线圈内产生磁场，磁场产生的电磁力直接作用于柱塞上,驱动柱塞作往复直线运动来输送液体。该电磁泵的工作原理为：在给电磁泵的电磁线圈通电之前，由于复位弹簧存在着预紧力,柱塞处于液缸体的下端。当电磁线圈通电时，由法拉第电磁感应定律可知,电磁线圈中将产生磁场，

26、而柱塞是由导磁物质构成的，所以柱塞必受到电磁吸力的作用，此电磁吸力大于柱塞复位弹簧施加给柱塞的向下作用力与阻力之和，此时柱塞向上作加速运动,随着时间的增加柱塞运动的速度也在增加，当柱塞所受向上的电磁吸力等于柱塞复位弹簧施加的向下弹簧力与阻力之和时，柱塞所受合外力为零，此时柱塞运动速度达到最大,但是由于惯性，柱塞继续向上运动，当速度为零时，柱塞处于向上运动的极限位置。在柱塞向上运动的过程中，由液缸体的上部和柱塞形成的上腔体的容积逐渐减少，腔内气体压力逐渐增大,而下腔体的容积逐渐增大, 腔内气体压力逐渐减小,在压力差的作用下，出口阀关闭,进口阀打开，腔外液体克服吸水管路和进口阀的阻力进入到下腔体中

27、，这是液体吸入的过程。当柱塞处于向上运动的极限位置时，弹簧的压缩量达到最大,这时不再给线圈通电,柱塞不再受到电磁力的作用,柱塞只受到复位弹簧的作用力和阻力的作用,而复位弹簧的作用力方向是向下的，柱塞此时开始向下作加速运动，加速度为零时速度达到最大,速度为零时处于下极限位置。在柱塞向下运动过程中，下腔体的液体被压缩，压力升高，进口阀关闭，进而将出口阀顶开，下腔体中的液体被排到上腔体中。当柱塞再向上运动时，此时出口阀关闭，进口阀打开，上腔体中的液体被压缩，容积变小，压力升高,上腔体中的液体被排出泵外，这就是排出液体的过程。同时下腔体吸入液体，柱塞在液缸体内作上下往复直线运动，如此反复不断地吸入和排

28、出液体，那么通过调节供电电源的频率和电压(占空比)就可以调节流量的大小。具体工作情况见图2-3。 a) b)1.液缸体2.线圈3.柱塞4.进口阀5.出口阀 6.柱塞复位弹簧图2-3 电磁泵的工作原理图2.1.3电磁泵的工作过程当电磁泵的电磁线圈2未通电时，柱塞3在复位弹簧6作用下，处于液缸体下端(在液缸体的轴向上)，柱塞3的中心位置偏离电磁线圈2的中心位置一个距离。当电磁线圈2中通入单相固定频率的交流电时，由于电磁感应将在电磁线圈中产生交变磁场。置于线圈磁场中的柱塞3由导磁物质构成，并且偏离电磁线圈2的中心位置，因此受到向上的电磁吸力，此电磁吸力大于柱塞复位弹簧6施加的向下作用力。此时，柱塞克

29、服弹簧的作用力向上作加速运动:当柱塞向上运动到与电磁线圈的中心位置重合时，柱塞所受的电磁吸力为零，但是由于惯性，柱塞3继续向上运动，当其超过电磁线圈的中心位置时将会受到向下电磁吸力的作用，此时柱塞则向上做减速运动，当速度为零时，柱塞处于向上运动的极限位置。在柱塞向上的运动过程中，由液缸体1的上部和柱塞3形成的上腔体的容积减少，在压力差的作用下，出口阀5关闭;由液缸体下部和柱塞形成的下腔体的容积增大，腔内形成负压，腔外液体在大气压力作用下将进口阀5打开，并克服吸水管路和进口阀的阻力进入到下腔体中，这即是吸入液体的过程，如图a所示。当柱 塞 处 于向上运动的极限位里时，柱塞3所受的电磁吸力和复位弹

30、簧6的作用力方向均向下，柱塞开始向下做加速运动护当超过电磁线圈的中心位置时，电磁吸力反向，柱塞作减速运动，速度为零时处于下极限位置。在柱塞向下的运动过程中，下腔体的液体被挤压，压力升高，进口阀关闭，进而将出口阀顶开，下腔体中的液体被排到上腔体中，如图b所示。当柱塞再向上运动时，出口阀关闭，进口阀打开，上腔体中的液体被压缩，容积变小，压力升高，上腔体中的液体被排出泵外，这即是排出液体的过程。同时下腔体吸入液体，柱塞在液缸内作上下往复直线运动，如此反复不断地吸入和排出液体。2.1.4电磁泵分类及其原理1. 传导式电磁泵原理 传导式电磁泵原理是：在磁场中的导体，通过电流，则导体将受到磁场的推力，三者

31、方向相互垂直，推力的大小为F=IB。 传导电磁泵没有任何转动部件，解决了机械泵磨损问题，形成免维护焊机。但由于与液态金属接触的大电流电极向液态金属传导电流的过程中，因氧化渣在电极上的附着和遮蔽，造成波峰不稳，甚至大起大落，不能稳定的生产，国内进口瑞士这种机型近50台基本都已停用。 2.感应电磁泵原理 它采用的原理是利用单相C型开口电磁铁，由于内外环的磁程差而产生内外环磁场的相位差，进而形成前进磁场分量，即由超前相位指向滞后相位的前端。 由于利用的是磁程差产生相位差，形成前进磁场分量，其前进磁场分量非常有限，大部分为不产生前进推力的脉动磁场，要制造出如图的宽波峰（300mm400mm波峰宽度）和

32、超高波峰（40mm高度）非常困难。 3.三相异步感应泵原理 这是我国在波峰焊机上获得的又一专利技术，它不仅解决了传导式电磁泵的传导式电磁泵的传导电流电极由于氧化渣遮蔽造成的波峰不稳问题，无任何转动部件，无电流变换器，免维护、无磨损，而且效率高，可获得高而有力的波峰及宽波峰。 三相异步感应式电泵的原理是利用三相电源相互差120相位差，在空间分布，构成各自磁场，其合成磁场，是一个前进磁场中切割磁力线，感应电流，形成前进的电磁力。 由于直接利用的是三相电源固有的相位差，因而合成磁场基本无脉动磁场分量，均是产生前进力的合成磁场，与电磁炮原理完全相同,因而效率高，可达70以上，由三相异步感应式电泵构成的

33、波峰焊机除具有感应式电磁泵具有的所有优点外，如声频微扰振动波叠加，增强焊接能力和爬孔能力，无任何转动部件、无磨损、免维护、结构简单等，还具有波峰高而有力、可获得超高波峰40mm和宽波峰300400mm宽度。2.2电磁泵的结构优化设计2.2.1电磁线圈的初步设计该电磁泵的传动端不再使用电动机带动齿轮或曲柄连杆机构的驱动形式，而是直接用通电螺线管中产生的电磁力来驱动柱塞作往复直线运动，进而达到吸入和排出液体的目的。电磁线圈是电磁泵的主要构成部分之一，它是电能的载体，也是磁能产生的源头。从国内外电磁泵的结构来看，组成其电磁回路的大部分采用甲壳螺管式的磁路形式。因为它具有以下四个特点：1.其主磁通产生

34、的端头力和漏磁通产生的螺管力，两力方向一致，因此，电磁吸力较大。这样泵能克服的外负载较大，泵送的压力可提高。2.工作气隙较大，泵的往复行程可较长，并且柱塞是在线圈的内腔中作直线往复运动，便于柱塞密封。3.螺管式电磁回路气隙磁导较大，也使电磁吸力增大。 4.结构简单，加工工艺性好。鉴于甲壳螺管式磁路的以上优点，在本电磁泵中采用了甲壳螺管式的磁路来驱动柱塞。通常在工程实用上，对电磁线圈是有一定的要求的，例如：线圈中心的磁感强度B，磁场均匀区的范围，线圈长度L，线圈内径以及线圈工作制等等。针对上述的要求，线圈的设计程序就是分析和计算。分析的目的就是为了在计算中保证完成要求的任务。线圈驱动部分的设计类

35、似于直流电磁铁的设计，但目前对于直流电磁铁的设计还没有一个很好的方法，理论计算与实际验证有很大的差别，这主要受很多因素影响，如漏磁难以计算等。因此，必须依靠反复验证才能设计出一个较好的电磁回路。下面参照直流电磁铁的设计方法来初步估算电磁回路的有关参数，大致的设计步骤如下：1.根据线圈的工作制、温升要求及冷却方式选取电流密度J线圈的电流密度J取得越高，则线圈的发热越厉害。所以，一般J不能超过某个容许的数值。磁路在各种工作制下，所允许的电流密度值范围如下：长期工作制磁路：J=24A/反复短时工作制磁路：J=512 A/短时工作制磁路：J=1330 A/在本文中所讨论的电磁泵，是属于反复短时工作制的

36、磁路，因而取J=5A/。2.求电磁吸力F在这里是对已有的电磁泵进行结构优化，因而，容积腔大小不能改变，容积腔原来的直径为26，那么取柱塞的直径d=26,而，所以可以求出电磁吸力F，F=。为容积腔的直径，单位为F为所需的电磁吸力，单位为N3.求电磁泵的外壳直径D为电磁泵的外壳直径，单位为mm4. 求单位长度的安匝数（安匝/）为单位长度安匝数，单位为安匝/ I为激磁电流，单位为AN为线圈的匝数L为线圈长度，单位为5.求线圈宽度和长度此电磁泵的线圈宽度为15，长度为60，由此确定的值为4。为防止或减小来自磁导体的热量，值取偏小有利，这时电磁线圈为矮而粗。b为线圈的宽度，单位为L为电磁线圈的长度，单位

37、6.求平均直径为线圈平均直径，单位为7.求工作气隙中磁感应强度B由于线圈在轴向长度较短，径向高度线圈内径与外径差别也不大，可以近似地认为线圈内是匀强磁场，磁感应强度B与轴向平行。由麦克斯韦电磁吸力公式有：（特斯拉） 所以B磁感应强度，单位为T（特斯拉）空气磁导率，为（亨/米）8.求导线直径导线电阻系数，为U为工作电压，单位为V（伏特）9.估算线圈总匝数N匝见图2-4为电磁线圈骨架结构图。1.上挡板 2.非磁性隔磁铜套 3.线圈 4.底端挡板2-4 电磁线圈骨架结构图2.2.2柱塞的结构设计电磁泵主要结构参数的选择应满足其性能参数要求，从电磁泵的性能可知，一般电磁泵的流量与排出压力无关，主要取决

38、于泵的主要结构参数，而电磁泵的排出压力取决于装置特性。电磁泵的流量公式为： Q泵输出的流量，单位为ml/minf柱塞往复运动次数，单位为1/sV每次排出的液体体积，单位为mld柱塞的直径，单位为柱塞往复运动行程长度，单位为对于结构已经确定的电磁泵而言，柱塞的最大直径为一确定的常数。因此，要想调节流量Q，只能通过调节行程长度和柱塞的往复运动频率f来实现。根据电磁泵数学模型可知，柱塞的往复运动次数就等于周期性激振力的频率，而电磁吸力的频率取决于供电电源的频率，这也是该电磁泵能够变流量的原因所在。1.对于柱塞的设计首先应该选择恰当的材料，应选用电阻率高，涡流损失小的材料，如铁硅合金、铁铝合金、铁镍合

39、金等。有些厂家为了降低成本，采用不锈铁和低碳钢制造，效果也很好。可视电磁泵的具体应用场合来选择。在这里为了取材方便，柱塞选用低碳钢制造。为了减小重量，柱塞可以设计成空心或带有沟槽状的，此类电磁泵的优点在于不用考虑散热问题，因为液体从柱塞中间流过。2.柱塞往复次数f（即供电电源频率）和柱塞行程的选择。当泵的流量为一定时，往复次数f增加，柱塞的直径d和行程可减小，也即可减小柱塞的直径d和行程。减小柱塞直径d不仅可使液力端的径向尺寸减小，同时也可以减小柱塞力，可使传动端的受力减小，减小传动端零部件的尺寸。减小行程，使泵的总长度Ls也随之减小。根据统计，泵的总长度Ls和行程之间有大致如下的关系：Ls=

40、8，可见减小行程后可大幅度地减小泵的总长度，提高往复次数f对减小泵的总体尺寸和重量都很明显，但提高往复次数f受到许多因素的限制。1从电磁泵的工作过程可知，随着往复次数的增加，损失增加，同时阀的阻力损失也增大，使泵的吸入性能变坏。2往复次数增加后，相应零件的磨损要增加，降低易损件的寿命。特别是泵的吸入阀和排出阀随着往复次数的增加，惯性也增加，关闭滞后现象严重，产生撞击，缩短阀的寿命，同时导致流量系数的降低，流量下降。从以上分析可知，电磁泵的往复次数f并不是可以无限制地提高，对某一特定的电磁泵来说，当往复次数超过某一范围后，就会使阀板落到阀座上时产生撞击，引起振动，阀门很快磨损，使电磁泵不能正常工

41、作。这一往复次数称为电磁泵的临界往复次数或称最大允许往复次数。最大允许往复次数的确定方法很多，但这些方法大多是以阀的无撞击条件为基础的。下面主要介绍库可列夫斯基的计算方法。库可列夫斯基认为：阀的撞击是由于阀下落在阀座上时的速度达到某一临界值而产生的。通过实验表明：当阀落到阀座上的速度时，就不会产生严重的撞击现象。而当阀下落的速度超过这一范围时就会产生撞击。因此，为了使阀平稳地工作，应当满足的条件。，即：本文中电磁阀的最大升高10，因而最大往复次数f=6065，即供电电源的最高频率为60Hz。对于往复次数较高的泵可允许提高到700750，对有橡胶密封面的阀可提高到8001000。3. 柱塞程径比

42、的选择1柱塞程径比对总体尺寸的影响程径比是柱塞行程对柱塞直径d的比值，它大体上反映了总体长度和程径比过大或过小都会使电磁泵的总体尺寸和重量增加。合理选择程径比值，能使总体尺寸相互间协调，并在长、宽、高综合尺寸方面得到最佳值。2程径比选择的一般原则当往复次数f增加时，行程必然减少，也即较小。在高排出压力时，为了减小柱塞力通常用增加柱塞行程减小柱塞直径d的方法。程径比值通常在的范围内选取。在已有的电磁泵中，由于频率和电压（占空比）连续可调，因而，在整个调频调压过程中，行程肯定是变化的，它随着频率的增大而减小，柱塞的最大行程大约为40，而柱塞直径d=26，程径比的最大值为，在最佳值的范围内。也就是说

43、，柱塞的最小行程应该为=d=26是比较合理的，即柱塞的行程在均是合理的。4.柱塞的公差要求柱塞与铜套筒的径向间隙既不能太大也不能太小，因套筒很薄，不易加工，在工作中也容易变形，间隙太大，使泵的容积系数减小，间隙太小，容易卡孔，增大摩擦力和磨损。为此，柱塞的表面和套筒内表面要有一定的精度要求。为了防止柱塞生锈以保证表面精度要求，在柱塞的表面镀了一层硬铬，这样既防止了生锈，表面也很光滑。在本文中，重新做了两个柱塞，为了减小整体重量，将柱塞中间的通孔直径变大，一个柱塞比以前的长些，另一个比以前的短些，做短的初衷还是为了减小重量和体积，但不能单纯追求重量小而忽略了其它因素的影响，线圈的长度与柱塞的长度

44、应该有一个最佳比值，线圈的长度既然已经固定无法改变，只有通过改变柱塞长度来调整这个比值，使之更加合理化。在不改变线圈匝数的情况下进行实验，比较一下，看哪一种流量更高些。2.2.3泵阀的选择在这里进出口阀选用锥形阀，因为它流道较平滑，流量系数大，水力阻力小，过流能力强，密封性能好，不论介质粘度较高或较低都比较适宜，而且阀板刚度较大，通常都用于高压和超高压泵上。出口阀与柱塞固定在一起。2.2.4电磁泵的受力情况分析根据以上的初步分析与设计计算，已经有了电磁泵的初步模型，现在分析一下它的整体受力情况。设计的电磁泵的原理是基于电磁铁的铁心往复运动原理而工作的。电磁铁是利用铁磁物质具有高导磁性能而工作的

45、一类铁磁器件。线圈通电后能对铁磁质的柱塞产生吸引力，把电能转化为机械能。在设计的电磁泵中，把电磁铁中的衔铁做成柱塞结构，通过进口控制阀及连在柱塞上的出口控制阀和弹簧组成泵系统，周期地将液体吸入泵腔，并在泵的出口得到一定压力和流量的工作液体。整个过程是把电能转化为柱塞的动能，再把柱塞的动能转化为液体的压力能的过程。由于在整个工作过程中，随着频率和电压（占空比）的连续调整，电流电压都发生变化，因而电磁吸力也发生变化，所以说整个受力情况是很复杂的，因而在计算以前为讨论方便先做如下假设：1.忽略漏磁的影响。2.当工作气隙变化时，铁心饱和程度不变。3.不考虑非工作气隙的影响。下面从能量转换的角度来讨论柱

46、塞在电磁力作用下做机械功时，电能、磁能和机械能之间的转换关系和电磁吸力。设时间从时，柱塞在电磁力作用下做机械运动，电磁力方向指向使气隙减小的方向，那么气隙由下降到，此时气隙磁阻为,相应气隙磁导线斜率，如图2-5所示。 图2-5图解法求线性磁系统的电磁吸力已知当气隙为时磁场储存的能量为，当气隙为时磁场储存的能量为，线圈始终接在电源上，时间从，气隙由下降到时，该系统又从电源吸收了一部分能量，并转换为磁场能量，所增加的磁场能量由可求出，以表示 由能量守恒定律知，磁系统原来储存的能量，又从电源吸收的部分能量和现在磁系统所储存的能量及电磁力作用下柱塞从移动到所做的机械功平衡。机械功，用式表达为当很小时，

47、很小，可以忽略，由此式中负号表示电磁作用力方向始终是指向气隙减小的方向。在电磁泵工作过程中，除了工作气隙中会产生电磁力外，在螺管式励磁线圈与柱塞侧面气隙中，由于柱塞运动时漏磁通将发生变化，也会产生吸力，称为螺管力。螺管力的产生可用载流导体在磁场中的受力加以分析。假定线圈中的电流方向为流出纸面。该电流产生的主磁场和漏磁场方向符合右手定则。通电线圈处于漏磁场中，根据左手定则可知，此时有电磁力作用在线圈上，欲使线圈向右移动，但实际上线圈是固定不动的，由作用力和反作用力相等原理，柱塞将受大小相等、方向相反的电磁力作用而向左运动，亦即使气隙减小。因而，柱塞所受的电磁力，当不考虑导磁体的磁阻和非工作气隙的影响时为式中平均电磁力（N）IN励磁线圈磁势（A）比磁导（H/m） L线圈长度（m）x弹簧的压缩量（m）式中A柱塞横截面积（）空气的磁导率（H/m）由于线圈紧密绕在骨架上，可以近似认为线圈内的磁场为匀强磁场，磁场强度B参照载流直螺线管内部的磁场的计算方法来求