阅读说明：本技术 一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵 (High-precision moving-coil electromagnetic direct-drive plunger pump ) 是由 葛文庆 李波 谭草 黎德祥 孙宾宾 陆佳瑜 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵,包括位移传感器、连接板、端盖、外磁轭、内磁轭、线圈、骨架、永磁阵列、液压缸体、活塞、复位弹簧、阀块、出液阀以及进液阀,其特征在于采用由轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体相互交替紧贴排布构成Halbach永磁阵列层表贴于外磁轭内测或内磁轭外侧,外磁轭与内磁轭之间为气隙,磁轭与端盖、液压缸体固连,作柱塞泵定子；线圈组绕制在骨架上置于气隙中,骨架与活塞集成,作柱塞泵动子；线圈组轴向长度小于对应的径向充磁永磁体轴向长度,控制器通过位移传感器反馈信号对柱塞泵动子位置进行实时控制,复位弹簧使得柱塞泵不工作时活塞位于吸液的起点位置。本发明有效提升液压泵的工作效率及控制精度。(The invention relates to a high-precision moving-coil type electromagnetic direct-drive plunger pump, which comprises a displacement sensor, a connecting plate, an end cover, an outer yoke, an inner yoke, a coil, a framework, a permanent magnet array, a hydraulic cylinder body, a piston, a reset spring, a valve block, a liquid outlet valve and a liquid inlet valve, and is characterized in that a Halbach permanent magnet array layer surface is formed by alternately and closely arranging an axial magnetizing permanent magnet and a radial magnetizing permanent magnet and is attached to the inner side of the outer yoke or the outer side of the inner yoke, an air gap is formed between the outer yoke and the inner yoke, and the yoke is fixedly connected with the end cover and the hydraulic cylinder body and used as a; the coil group is wound on the framework and is arranged in the air gap, and the framework is integrated with the piston and used as a plunger pump rotor; the axial length of the coil group is smaller than that of the corresponding radial magnetizing permanent magnet, the controller controls the position of the plunger pump rotor in real time through a feedback signal of the displacement sensor, and the piston is located at the starting position of liquid suction when the plunger pump does not work due to the reset spring. The invention effectively improves the working efficiency and the control precision of the hydraulic pump.)

一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵

技术领域

本发明涉及柱塞泵技术领域，尤其涉及一种电磁直驱柱塞泵。

背景技术

柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合。其中斜盘式柱塞泵效率较高、耐压性能较好，可以实现多种变量功能，是目前市场中的主流柱塞泵。然而其中的传动部件多，运动形式复杂，也限制了其性能的进一步提升。

随着直线直驱技术的发展，采用直线电机直接驱动柱塞泵活塞，从而取消“斜盘”等旋转到直线的运动转换机构，实现高精度的直接驱动成为柱塞泵发展的一个重要趋势。然而，由于运动转换机构的取消，柱塞泵运动形式控制精度将直接由驱动电机决定，由此响应迅速、控制精度高的直线电机成为了技术发展的难点，同时基于直线电机对流量控制方法带来的影响需要在设计时就加以考虑。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，采用直线电机动子直接驱动液压缸活塞往复运动，在单向阀组的配流下完成液体的泵吸，由控制器控制电流，通过电流的控制实现液压泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制，动力传递路径缩短、响应迅速、能量传递效率提高、控制精度提升。

发明内容

设计一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，采用直线电机动子直接驱动液压缸活塞往复运动，在单向阀组的配流下完成液体的泵吸，由控制器控制电流，通过电流的控制实现液压泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制，该柱塞泵动力传递路径缩短、响应迅速、能量传递效率提高、控制精度提升，具有较高的研究和实用价值。

一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，包括位移传感器（1）、连接板（2）、外磁轭（3）、内磁轭（4）、线圈（5）、骨架（6）、永磁阵列（7）、端盖（8）、复位弹簧（9）、液压缸体（10）、活塞（11）、阀体（12）、出液阀（13）以及进液阀（14），其特征包括：永磁阵列（7）为由轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体相互交替紧贴排布构成的Halbach永磁阵列层，永磁阵列（7）表贴于内磁轭（4）外侧或外磁轭（3）内侧；内磁轭（4）与外磁轭（3）通过端盖（8）同轴固定，其间为气隙；外磁轭（3）一端与端盖（8）、液压缸体（10）同轴固连，外磁轭（3）另一端与位移传感器（1）的固定件固连，液压缸体（10）与阀体（12）固连，作柱塞泵定子；线圈（5）绕制在线圈骨架（6）的凹槽中，并可在气隙内做往复直线运动；线圈骨架（6）一端通过连接板（2）与活塞（11）同轴固连，活塞（11）可在液压缸体（10）与端盖（8）形成的内腔中往复运动，作柱塞泵动子；复位弹簧（9）一端安装在内磁轭（4）端部的凹槽内，另一端与连接板（2）紧贴，始终为压缩状态，柱塞泵不工作时动子在复位弹簧（9）的作用下保持在吸液初始位置；位移传感器（1）通过连接板（2）实时测得液柱塞泵动子的位移；线圈（5）由正向绕组线圈及反向绕组线圈组成，相邻绕组的线圈缠绕方向相反，其中，正向绕组数为m个，反向绕组数为n个，m、n均为正整数，m=n或m-n=±1；永磁阵列（7）中径向充磁永磁体数目为（m+n）个，轴向充磁永磁体数目相等且为（m+n+1）个；其中径向充磁永磁体的长度相等，绕组的长度相等，且径向充磁永磁体的长度大于对应绕组的长度。

所述出液阀（13）以及进液阀（14）为被动单向阀，阀体（12）上安装的出液阀（13）、进液阀（14）数量都不小于1，出液阀（13）以及进液阀（14）安装端端面与液压缸体（10）工作腔阀块（12）端的内端面在同一平面内。

所述线圈（5）中的电流由控制器控制，通过电流的控制实现作柱塞泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制。

所述连接板（2）、端盖（8）与线圈骨架（6）为隔磁材料，内磁轭（4）与外磁轭（3）为软磁材料。

所述活塞（11）的直径不小于线圈骨架（6）的直径。

所述高精度流量控制方法包括以下步骤：

S1 所述线圈（5）中输入的电能由控制器控制，柱塞泵动子离开初始的吸液起点位置，柱塞泵开始吸液直至所述柱塞泵动子到达目标位移；

S2 所述柱塞泵动子从目标位移向初始的吸液起点位置运动，柱塞泵开始泵液，运动曲线以高泵液效率、低流量波动为目标确定；

S3 所述柱塞泵动子的运动频率实时可调以实现柱塞泵流量的迅速调节；

S4 所述柱塞压泵动子的运动幅值（液压泵动子目标位移）实时可调以实现柱塞泵流量的精确调节；

S5 所述线圈（5）中输入的电能输入断开，所述柱塞泵动子在复位弹簧（9）的作用下回到初始的吸液起点位置。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，采用直线电机动子直接驱动液压缸活塞往复运动，在单向阀组的配流下完成液体的泵吸，由控制器控制电流，通过电流的控制实现液压泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制，动力传递路径缩短、响应迅速、能量传递效率提高、控制精度提升。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，采用动圈式电磁执行器作为驱动单元，直接驱动活塞，动力传递路径短、高效节能；动圈式电磁执行器控制精度高、响应迅速，有效提高柱塞泵动态性能，采用基于Halbach永磁阵列的永磁直线电机，增强气隙磁场强度，提升了驱动力与响应速度。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，线圈绕组长度小于径向充磁永磁体长度，使得工作过程中动圈式电磁执行器力系数变化减弱，提升了执行器的线性输出特性，有利于提高柱塞泵的控制精度。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，采用复位弹簧使得活塞在不工作时保持在泵液结束位置（吸液起始位置），每次工作之间不互相影响以提升流量控制精度。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，线圈中的电流由控制器控制，通过电流的控制实现作液压泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制。

本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，具有结构简单、便于集成、效率高等优点，投入产业化应用后将带来巨大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵结构示意图（永磁阵列标贴于内磁轭）。

图2为本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵连接板轴向视图。

图3为本发明的一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵结构示意图（永磁阵列标贴于外磁轭）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至3所示，一种高精度动圈式电磁直驱柱塞泵，包括位移传感器（1）、连接板（2）、外磁轭（3）、内磁轭（4）、线圈（5）、骨架（6）、永磁阵列（7）、端盖（8）、复位弹簧（9）、液压缸体（10）、活塞（11）、阀体（12）、出液阀（13）以及进液阀（14）；永磁阵列（7）为由轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体相互交替紧贴排布构成的Halbach永磁阵列层，永磁阵列（7）表贴于内磁轭（4）外侧或外磁轭（3）内侧；内磁轭（4）与外磁轭（3）通过端盖（8）同轴固定，其间为气隙；外磁轭（3）一端与端盖（8）、液压缸体（10）同轴固连，外磁轭（3）另一端与位移传感器（1）的固定件固连，液压缸体（10）与阀体（12）固连，作柱塞泵定子；线圈（5）绕制在线圈骨架（6）的凹槽中，并可在气隙内做往复直线运动；线圈骨架（6）一端通过连接板（2）与活塞（11）同轴固连，活塞（11）可在液压缸体（10）与端盖（8）形成的内腔中往复运动，作柱塞泵动子；连接板（2）的如图2所示，为方便连接板（2）的安装，骨架（6）两端对应去除了部分材料；复位弹簧（9）一端安装在内磁轭（4）端部的凹槽内，另一端与连接板（2）紧贴，始终为压缩状态，柱塞泵不工作时动子在复位弹簧（9）的作用下保持在吸液初始位置；位移传感器（1）通过连接板（2）实时测得液柱塞泵动子的位移；线圈（5）由正向绕组线圈及反向绕组线圈组成，相邻绕组的线圈缠绕方向相反，其中，正向绕组数为m个，反向绕组数为n个，m、n均为正整数，m=n或m-n=±1；永磁阵列（7）中径向充磁永磁体数目为（m+n）个，轴向充磁永磁体数目相等且为（m+n+1）个；其中径向充磁永磁体的长度相等，绕组的长度相等，且径向充磁永磁体的长度大于对应绕组的长度。

出液阀（13）以及进液阀（14）为被动单向阀，阀体（12）上安装的出液阀（13）、进液阀（14）数量都不小于1，出液阀（13）以及进液阀（14）安装端端面与液压缸体（10）工作腔阀块（12）端的内端面在同一平面内。

线圈（5）中的电流由控制器控制，通过电流的控制实现作柱塞泵动子运动幅值、频率以及运动曲线的调节，进而实现输出流量以及压力的精确控制。

连接板（2）、端盖（8）与线圈骨架（6）为隔磁材料，内磁轭（4）与外磁轭（3）为软磁材料。

活塞（11）的直径不小于线圈骨架（6）的直径。

高精度流量控制方法包括以下步骤：

S1 所述线圈（5）中输入的电能由控制器控制，柱塞泵动子离开初始的吸液起点位置，柱塞泵开始吸液直至所述柱塞泵动子到达目标位移；

S2 所述柱塞泵动子从目标位移向初始的吸液起点位置运动，柱塞泵开始泵液，运动曲线以高泵液效率、低流量波动为目标确定；

S3 所述柱塞泵动子的运动频率实时可调以实现柱塞泵流量的迅速调节；

S4 所述柱塞压泵动子的运动幅值（液压泵动子目标位移）实时可调以实现柱塞泵流量的精确调节；

S5 所述线圈（5）中输入的电能断开，所述柱塞泵动子在复位弹簧（9）的作用下回到初始的吸液起点位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。