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摘要：设计一种新型的电磁柱塞泵，其结构简单、成本低、噪音小、流量和压力大。该泵由电磁力提供泵的恢复力、弹簧力提供泵的液压力，避免了高温下由螺线管铜的电阻率升高导致的流量及压力不稳定的问题。对电磁铁、柱塞、弹簧主要组件进行了设计。
关键词：柱塞泵；电磁力；弹簧力；电阻率
中图分类号：V228.1+4文献标志码：A
引言
柱塞泵应用于机械润滑系统中。传统柱塞泵由电机驱动，通过复杂机构将电机主轴的圆周运动转换成柱塞的往复运动。其结构特点：1.结构复杂，制造成本高；2.机械效率低；3.使用和维护要求高。传统柱塞泵体积大，多数场合不能使用。
针对传统柱塞泵的特点和不足，设计一种柱塞泵。该泵由电磁线圈及弹簧直接驱动柱塞部分做直线往复运动实现泵送功能。该电磁柱塞泵特点是：1.不采用复杂的传动机构结构简单；2.制造成本低； 3.使用和维护方便。新型电磁柱塞泵能够应用于传统柱塞泵无法应用的领域。
1结构及工作原理
柱塞泵结构如图1，由压力罩、锥形弹簧、止回阀、柱塞、减震弹簧、密封件、线圈、柱塞弹簧、固定芯、极板组成。
1、压力罩；2锥形弹簧；3、止回阀；4、柱塞；5、减震弹簧；6、密封件；
7、线圈；8、柱塞弹簧；9、固定芯；10、极板
其工作原理：泵使用图2方波电压，电压在t0时，线圈7通以Vmax电压，柱塞4在磁场的作用下压缩柱塞弹簧向右运动，单向阀2开启，液体进入到单向阀1和单向阀2之间的空档位置。在t1时，线圈断电弹簧释放弹性势能，柱塞弹簧推动柱塞向左运动，此刻单向阀2关闭，液体向左抽送，单向阀1开启，液体从压力罩流出，在t2时刻，柱塞运动到左端停止。
柱塞泵使用的是直流脉冲电压，因此电磁铁产生脉动的电磁力，在电磁力和弹簧的交替作用下柱塞往复运动，从而获得液体流量。
2柱塞泵的设计计算
2.1 柱塞结构的确定及泵行程的选择
确定最大工作压力Pmax（bar）、工作压力P工作（bar）、工作流量U工作（ml/min）、电源的频率f，以及最大流量Umax（ml/min），由最大流量及频率计算泵的排量及泵的行程L行程（L行程如图1中lift所示）。
排量计算公式：
U排量=行程
式中Z柱塞小端直径（mm）；D柱塞大端直径（mm）；行程柱塞的行程（mm）；U排量泵的排量（mm3/每周期）；
如图1所示，柱塞尺寸D与电磁转换有关，理论上D越大越好（D最理想的状态是等于线圈的内径），D越大转换的电磁力越大。Z与流量有直接关系，Z越大流量越大，在相同行程行程下泵的排量越大。
查询表1确定泵的行程行程。
实例：工作流量U工作=19cm3/100s=190mm3/s，工作频率10Hz，根据公式可得泵每次排量为U实际排量=190mm3/10Hz=19mm3/每周期，从表中选择Z直径。由表可知Z=5mm以及Z=6mm都可以满足，当选取Z=6mm时，弹簧力2.826N要大于Z=5mm的弹簧力1.9625N。由于弹簧力越大，所需要的线圈力也越大，所以选择Z=5mm作为柱塞的尺寸。
确定柱塞的行程行程
行程（U实际排量/U（Z=6排量））/η
η为流量效率，通常取经验值80%
2.2线圈计算
弹簧力F弹簧与背压有关，只有满足F线圈>F弹簧线圈才能驱动柱塞运动，取F线圈=（1+15%）F弹簧，15%考虑到线圈发热，线圈阻值增大，效率降低。F线圈即为在行程为行程时的电磁力（行程也为气隙长度）。
2.3 确定柱塞的截面积S
（1）根据图3选取气隙磁通密度Bδ。先求Kφ（结构因数）
a-拍合式 b-装甲落线管式
曲线b为所曲线，按图选取Bδ[1]单位T。初选磁铁面积S=（式中S为线圈内部柱塞面积，m2；为空气的磁导率（H/m）， H/m），柱塞直径D的计算（m），复算
（2）总磁动势计算
Bδ （A）
（3）如图1所示，线圈主要有内径De1（m）、外径De2、长度ιe和宽度bc。（De1=+2Δ，Δ为线圈与柱塞之间的间隙，范围为[0.0005m，0.001m]， De1/De2取值为[0.5，0.6]）。
选线圈的厚度bc：bc=（De2-De1）/2，线圈长度ιe=βbc，β线圈长度与厚度之比[2]取值范围[2，8]。
（4）线圈导线直径的计算
d=（mm），式子中ρ为铜的电阻率（mm2/m），U线圈加载的电压。
（5）线圈杂数N计算
N=，fc线圈填充系数根据导线线径及绝缘方法选取取值范围为[0.41，0.53]。
（6）发热核算
温升τw（℃）的计算：，式中I为励磁电流（A），；；KT为线圈散热系数（W/m2·℃），按照表3选；SH[3]为线圈散热面积（m2）[3]，，Kβ为线圈内表面积和外表面积散热系数之比， KB取值范围为[1.5，2]，Kβ=2。
2.4 确定弹簧的刚度及长度
由励磁公式，m为固定芯端面到线圈两侧的高度（m），L行程=δ（m），n为是柱塞在螺线管中的长度，为磁导率，如图1所示。计算所有点的电磁力，即得到柱塞整个行程中，在线圈中各个位置所受到的力。
如：，分别计算出各个点对应的电磁力F1、F1.5、F2、F3.5……Fn，然后绘制理论曲线图，如图4所示。
过A点和B点分别做电磁力曲线的切线，则弹簧刚度K弹簧∈[KB，KA]。选择弹簧总长度时要保证弹簧的压缩量小于弹簧原长的25%及（在弹簧压缩量小于25%的弹簧原长时候，弹簧使用寿命较长），同时弹簧的内径要保证内径D内径大于泵的通径D通径。
经过试验验证，该方法可以用于电磁柱塞泵产品的设计。
【参考文献】
[1]钱家骊.电磁铁吸力公式的讨论[J].电工技术，2001，（1）：59-60.
[2]郭保全，彭峰生，蒲玉田等.扣机电磁铁优化设计[J].火炮发射与控制学报，2005，（3）：39-42.
[3]袁崇军，曹洁，杨涌.电磁轴承的结构优化设计[J].机械科学与技术，1995，（6）：25-36.
[4]李泉风，电磁场数值计算与电磁铁设计[M].机械科学与技术，1995，（6）：25-36.
关键词：柱塞泵；电磁力；弹簧力；电阻率
中图分类号：V228.1+4文献标志码：A
引言
柱塞泵应用于机械润滑系统中。传统柱塞泵由电机驱动，通过复杂机构将电机主轴的圆周运动转换成柱塞的往复运动。其结构特点：1.结构复杂，制造成本高；2.机械效率低；3.使用和维护要求高。传统柱塞泵体积大，多数场合不能使用。
针对传统柱塞泵的特点和不足，设计一种柱塞泵。该泵由电磁线圈及弹簧直接驱动柱塞部分做直线往复运动实现泵送功能。该电磁柱塞泵特点是：1.不采用复杂的传动机构结构简单；2.制造成本低； 3.使用和维护方便。新型电磁柱塞泵能够应用于传统柱塞泵无法应用的领域。
1结构及工作原理
柱塞泵结构如图1，由压力罩、锥形弹簧、止回阀、柱塞、减震弹簧、密封件、线圈、柱塞弹簧、固定芯、极板组成。
1、压力罩；2锥形弹簧；3、止回阀；4、柱塞；5、减震弹簧；6、密封件；
7、线圈；8、柱塞弹簧；9、固定芯；10、极板
其工作原理：泵使用图2方波电压，电压在t0时，线圈7通以Vmax电压，柱塞4在磁场的作用下压缩柱塞弹簧向右运动，单向阀2开启，液体进入到单向阀1和单向阀2之间的空档位置。在t1时，线圈断电弹簧释放弹性势能，柱塞弹簧推动柱塞向左运动，此刻单向阀2关闭，液体向左抽送，单向阀1开启，液体从压力罩流出，在t2时刻，柱塞运动到左端停止。
柱塞泵使用的是直流脉冲电压，因此电磁铁产生脉动的电磁力，在电磁力和弹簧的交替作用下柱塞往复运动，从而获得液体流量。
2柱塞泵的设计计算
2.1 柱塞结构的确定及泵行程的选择
确定最大工作压力Pmax（bar）、工作压力P工作（bar）、工作流量U工作（ml/min）、电源的频率f，以及最大流量Umax（ml/min），由最大流量及频率计算泵的排量及泵的行程L行程（L行程如图1中lift所示）。
排量计算公式：
U排量=行程
式中Z柱塞小端直径（mm）；D柱塞大端直径（mm）；行程柱塞的行程（mm）；U排量泵的排量（mm3/每周期）；
如图1所示，柱塞尺寸D与电磁转换有关，理论上D越大越好（D最理想的状态是等于线圈的内径），D越大转换的电磁力越大。Z与流量有直接关系，Z越大流量越大，在相同行程行程下泵的排量越大。
查询表1确定泵的行程行程。
实例：工作流量U工作=19cm3/100s=190mm3/s，工作频率10Hz，根据公式可得泵每次排量为U实际排量=190mm3/10Hz=19mm3/每周期，从表中选择Z直径。由表可知Z=5mm以及Z=6mm都可以满足，当选取Z=6mm时，弹簧力2.826N要大于Z=5mm的弹簧力1.9625N。由于弹簧力越大，所需要的线圈力也越大，所以选择Z=5mm作为柱塞的尺寸。
确定柱塞的行程行程
行程（U实际排量/U（Z=6排量））/η
η为流量效率，通常取经验值80%
2.2线圈计算
弹簧力F弹簧与背压有关，只有满足F线圈>F弹簧线圈才能驱动柱塞运动，取F线圈=（1+15%）F弹簧，15%考虑到线圈发热，线圈阻值增大，效率降低。F线圈即为在行程为行程时的电磁力（行程也为气隙长度）。
2.3 确定柱塞的截面积S
（1）根据图3选取气隙磁通密度Bδ。先求Kφ（结构因数）
a-拍合式 b-装甲落线管式
曲线b为所曲线，按图选取Bδ[1]单位T。初选磁铁面积S=（式中S为线圈内部柱塞面积，m2；为空气的磁导率（H/m）， H/m），柱塞直径D的计算（m），复算
（2）总磁动势计算
Bδ （A）
（3）如图1所示，线圈主要有内径De1（m）、外径De2、长度ιe和宽度bc。（De1=+2Δ，Δ为线圈与柱塞之间的间隙，范围为[0.0005m，0.001m]， De1/De2取值为[0.5，0.6]）。
选线圈的厚度bc：bc=（De2-De1）/2，线圈长度ιe=βbc，β线圈长度与厚度之比[2]取值范围[2，8]。
（4）线圈导线直径的计算
d=（mm），式子中ρ为铜的电阻率（mm2/m），U线圈加载的电压。
（5）线圈杂数N计算
N=，fc线圈填充系数根据导线线径及绝缘方法选取取值范围为[0.41，0.53]。
（6）发热核算
温升τw（℃）的计算：，式中I为励磁电流（A），；；KT为线圈散热系数（W/m2·℃），按照表3选；SH[3]为线圈散热面积（m2）[3]，，Kβ为线圈内表面积和外表面积散热系数之比， KB取值范围为[1.5，2]，Kβ=2。
2.4 确定弹簧的刚度及长度
由励磁公式，m为固定芯端面到线圈两侧的高度（m），L行程=δ（m），n为是柱塞在螺线管中的长度，为磁导率，如图1所示。计算所有点的电磁力，即得到柱塞整个行程中，在线圈中各个位置所受到的力。
如：，分别计算出各个点对应的电磁力F1、F1.5、F2、F3.5……Fn，然后绘制理论曲线图，如图4所示。
过A点和B点分别做电磁力曲线的切线，则弹簧刚度K弹簧∈[KB，KA]。选择弹簧总长度时要保证弹簧的压缩量小于弹簧原长的25%及（在弹簧压缩量小于25%的弹簧原长时候，弹簧使用寿命较长），同时弹簧的内径要保证内径D内径大于泵的通径D通径。
经过试验验证，该方法可以用于电磁柱塞泵产品的设计。
【参考文献】
[1]钱家骊.电磁铁吸力公式的讨论[J].电工技术，2001，（1）：59-60.
[2]郭保全，彭峰生，蒲玉田等.扣机电磁铁优化设计[J].火炮发射与控制学报，2005，（3）：39-42.
[3]袁崇军，曹洁，杨涌.电磁轴承的结构优化设计[J].机械科学与技术，1995，（6）：25-36.
[4]李泉风，电磁场数值计算与电磁铁设计[M].机械科学与技术，1995，（6）：25-36.