电磁隔膜计量泵

1、1.1计量泵概述泵作为一种通用机械设备已有很长的发展历史。但计量泵作为往复泵的分支，迄今只有七十年的发展史。而国内的发展时间更短，只有三十多年。随着生产的发展和生活质量的不断提高，计量泵的应用范围正不断扩大到国民经济生产的各个行业，比如，化工、石油、食 品、制药、造纸和塑料等方面。 然而，多年来计量泵在传统设计上均需要有一套运动转换机 构，常用的是将电动机作原动机，齿轮和曲柄连杆作为传动机构的结构形式；而且由于泵的流量调节是通过改变柱塞的冲程来实现的。因此这类传动机构不仅体积庞大，结构复杂，而且往往出现计量泵泄漏严重、耗电多和易损坏等一系列问题，这在很大程度上限制了计量泵的适用范围。目前，国外

2、计量泵的种类主要包括电磁驱动式计量泵（也称电磁计量泵）、机械驱动式隔膜计量泵、液压驱动式隔膜计量泵和机械驱动式柱塞计量泵。电磁计量泵的组成可分为三大部分:驱动电源、电磁驱动机构和液力端。图1-1是美国MILTON ROY（米顿罗）公司生产的LMI系列电磁计量泵（Electronic Metering Pump，简称EMP）的外观和剖面示意图。该类电磁 计量泵不需要以往的运动转换机构，而是直接利用通电螺线管线圈产生的电磁力来驱动柱塞作往复直线运动。因而不仅机械结构在很大程度上得到了简化，机械损耗、单机能耗及振动噪声大为降低；而且能较好地解决目前计量泵所存在的问题，计量泵结构简单，从而便于维 修和

3、养护。因而，近年来电磁计量泵逐渐受到越来越多的生产厂家的关注，在高精密计量行业具有广泛的应用前景。图M电磁计量泵外观及剖面示意囹Figure 1-1 The appearance and cross section of ElectronicMetering Pump在工业发达国家，计量泵己广泛地用于化工工艺过程中的辅料的定量或配比输送 以及pH值的控制、纯净饮用水处理、废水处理、游泳池水处理、楼宇冷却系统循环水处理 以及小型锅炉循环水系统处理和家用电器行业中，在不同程度上提高了生产效率，节省了人力，物力和财力。就饮用水处理方面，由于系统中计量泵的采用，避免了以往采用人工投加消毒液的方法消毒饮

4、水所造成的一系列弊端，比如，消毒液投放不均匀，消毒效果不佳等， 结果不是导致水处理效率低，就是造成消毒液的浪费。此外计量泵不仅可用于饮水消毒也可 用于污水处理。1.2电磁计量泵的工作原理及其应用2.1电磁计量泵的工作原理电磁计量泵的组成可简单地分为三大部分：驱动电源、电磁驱动机构和液力端。电磁驱动装置是电磁计量泵整台设备的核心。它根据输入电源信号的变化产生变化的电磁吸力，保持驱动机构柱塞的直线往复运动。为说明电磁计量泵工作原理，图 1-2给出其泵头结 构示意图。电磁驱动机构中的激磁线圈通电后产生电磁场，该磁场通过泵外壳与动铁产生电磁回路(图1-1中动铁与柱塞相连为一体 )。在泵的排出行程时，磁

5、感应强度逐渐增强，由于 电磁力的作用，动铁被吸合，带动柱塞向左推动一定容积的液压油，液压油推动隔膜， 隔膜 作用于药液，使相同容积的药液从加药头经压力阀进入加药管线，该吸合过程也就是泵的排出过程；当电源断开后，弹簧的弹力使动铁复位，从而带动柱塞向右运动，在负压下关闭上 面的阀球，此过程为泵的吸入过程。计量泵的平均理论流量可用式(1-1)表小:Ql =澎以 x60(1-1)式(1 -1)中«一动铁往复次数；图1-2泵头示意图Figure 1-2 The pump head structure map在控制系统中，当电磁计量泵一定后，柱塞直径。可视为常数。 所以，以柱塞行程S或往复次数作

6、为计量泵输入控制变量，0作为 输出量时，计量泵的输出表示为：Ql=K,s 或0=匕（1-2）式中 Kn=D2x604Ks = Z）2x60'4对应的输入、输出特性框图如图13所示。Ql-Kg图13输入输出特性柜图Figure 1-3 The in-out characteristic frame图13表明，在控制系统中，电磁计量泵的物理特性可通过一个比例 系数总或K,来描述。以往计量泵流量的调节多数是以柱塞行程s作为输入控制变员，采用 手动调节，通过改变柱塞行程s来达到调节计量泵输出流量的目的。但是 在很多工作现场，尤其工作环境相当恶劣、危险的场合，并不允许工人进 行手动流量调节，而且

7、人工调节不仅费时费力，精度和可靠性都难以达到 要求。由人工现场作业已是一种与技术进步很不相协调的工作方式了本文采用了机械可调的固定冲程的计量泵电磁驱动机构，以柱塞往复 次数作为计量泵输入控制变量，0作为输出量的调节方法。由于该泵 采用了在激磁线圈上施加脉冲型式的工作电源，激磁线圈的连续通电和断 电，就会使动铁在泵中带动柱塞做往复直线运动，调节脉冲电源的脉冲频 率/也就调节了柱塞的往复次数，从而可以便利地调节电磁计量泵的输 出流量。这里对组成电磁计量泵系统的三大部分(驱动电源、电磁驱动机 构和液力端)加以介绍。(1) 驱动电源为泵提供动力的驱动电源可为直流电，也可为交流电。常见的计量泵直流驱动电

8、源如图所示，为脉冲方波型。图14计量泵驱动电源波形Figure 1-4 The voltage waveform of Electronic Metering Pump(2) 激磁线圈电磁驱动机构中的激磁线圈为电磁计量泵的核心设计部分，其设计的 成败对计量泵的正常工作与否将起到关键的作用。激磁线圈的结构型式很 多，在电磁计最泵中设计中，一般要求电破铁体积小，吸力大。(3) 液力端电磁计量泵的液力端与常规的往复泵相同。图1-5为计量泵在加药系统中的一种较为简单的常用的安装方法示意图1-5计量泵的简易安装方法Figure 1-5 The installation of metering pumps

9、1一计量泵2药液箱3一排渣口 4一投药口盖板5-药液管6一单向阀7扬水管1.2.2电磁计量泵的工业应用随着工业社会的不断发展，电磁计量袋的应用领域也在不断地拓宽； 而且，随着工业不同领域技术上的互相渗透,很难狭义地来定界计量泵的 应用范围。这里仅列出电磁计量泵最常见的几个方面的工业应用如下：(1) 水处理过程中化学或生物添加剂的配比输送。在这一应用领域， 将由多台计量泵组成一个泵站，系统运行时将根据不同水质情况和处理 要求，实时按不同比例输送添加剂。(2) 化纤及精细化工生产过程中不同原料的配比输送。这里既有如同 水处理过程中建立泵站进行配比输送的要求，也有单台泵定量自动调节 输送介质的要求。

10、(3) 化工工艺过程及电站锅炉水质处理过程中的添加剂流量及PH值的 调节与控制。(4) 恶劣工况下介质或物料的定量输送。这类情况下，计量泵流量的 调节及系统的运行监控由人工现场作业已是一种与技术进步很不相协调 的工作方式了。此外，许多工业应用还对电控系统提出了防爆防腐等要 求。此外，随着社会持续性发展和人民生活质量的提高，人们对环保的呼 声日益提高。清洗行业的洗涤剂对人类环境造成的污染己有目共睹，由此 引出对洗涤剂使用量的限制，计量泵既可以有效控制清洗剂的添加量又 可以节约人力的投入，清洗行业发展和环保要求将为计量泵的应用打开 一块新天地。资源的再生和循环利用已是全世界的共同目标。针对不同的用

11、途对废水进行处理以及提高水的再生利用率都需要计量泵，计量泵是 不可缺少的化学药剂添加设打。开痍讯扩习苫深化,:俘住计量泵的 应用得到进一步发展。1.3电磁计量泵的研究现状1.3.1电磁计量泵的发展历程(1) 国外发展状况1936年,美国MILTON ROY (米顿罗)公司应美国最大的化学药剂生 产商之一贝兹公司的要求发明了专用于定量添加药剂的计量泵。早期计量 泵的运动冲程不可调节，流量的改变是通过改变计量泵的出口位置来实现, 泵的动力驱动部分与液体传送部分是分离的，故体积较大，易产生故障。随 着机械结构设计的改进和加工设备的发展，动力驱动和机械传动部分合二 为一,减少了机械故障发生的概率。对流

12、昂:无级调节的要求,使流危调节部 分成为一个独立开发的模块得到不断发展。现己开发出了手动控制、电动 伺服控制、气动伺服控制和变频控制等调节方式，以满足各种配置的需要。 为满足化学物料无泄漏的要求,计量泵的过流端泵头结构由柱塞式改进成 隔膜式。今天，计量泵的结构设计已被模块化,针对不同的应用要求，生产 厂商只需适当调整或改变模块组合，即能满足不同用户需要。(2) 国内发展状况国内计量泵的研制始于1967年，开发的起点比较高。但是，由于计量泉 只是作为企业产品的一个种类存在，因此，对后续研发重视不够，加上缺乏 与国外专业生产商的交流，因此在产品种类和控制模式上没有跟上最新的 发展趋势。目前，国内大

13、型的计量泵生产厂只有重庆水泵厂。在国内机泵 行业,重庆水泵厂的计量泵始终占有龙头地位。70年代，国内泵行业的专家们清楚地指出计量泵的流量通过改变柱塞 行程进行调节是一种既方便，又经济的调节方案。同时，提出通过对与泵的 行程机构相衔接的电动伺服机构的控制，可以实现对计量泵流量的电气自 动调节。当时我国在这个技术领域中的某些研究单位曾进行过这方面技术 的探索。80年代末，重庆水泵厂开发了能与E型控制仪表相配套的计量泵柱塞 行程电动执行机构，并在平坪电厂得到应用1990年在原机电部第三装 备司的直接支持下,开发出了能与西德的LEWA、日本的NIKKIS。电控型 计量泵相媲美的柱塞行程电控调节系统。该

14、系统不仅能通过专门研制的控 制器实现对计量泵柱塞行程的精确定位去精确地控制流量，而且可与E型 或E型调节仪表配套组合，构成工艺过程中参数控制的闭环调节系统。从而 可实现工艺流程中流量:、或PH值、浓度、或浊度、温度、液位、压力等参 数的自动调节。此外，与执行机构配套的专用控制器还具有与计算机接口 电路相兼容的信号接口。所以能实现大型成套工艺流程中物料配比输送， 参数调节的计算机“在线”监控和数据处理。1.3.2计量泵发展趋势根据计量泵的国内外发展现状以及计量泵的应用场合和要求，文献12 对今后计量泵及其在机电一体化方面的技术开发提出如下几点设想：U)为实现计算机对计量泵泵站的连续实时监控，在控

15、制系统的硬件 开发上需进一步增强与柱塞行程调节机构配套的控制器的接口功能，即使 其具有modem(调制/解调)通讯接口。有了通讯接口后，利用modem可以使 用最少的信号线可靠地进行多路信号传输，这不仅降低系统成本而且抗干 扰和可靠性都得到提高。甚至在大型成套工艺过程中可借用其他系统的线 路进行信号远传。(2) 柱塞行程调节专用控制器结构的小型化和电路的模块化，以及可 靠性,便于维修等仍是继续研究的课题。(3) 进一步提高行程测量元件的可靠性及精度。目前，行程测量元件常 用的有两种，即差动变压器和电位器。这两种元件在使用上各有千秋。综 合这两种元件的优点且成本适当的新测量元件亟待开发研制。(4

16、) 和计量泵泵体相连的电动执行机构的防爆设计。这里首先是电气 元件的考虑。其中有防爆型伺服电机的研制。固态功率元件的应用，行程 机构极限位信息的非电状态信号的拾取等。(5) 大功率、大流量电磁计量泵的开发。目前，市场上的电磁计量泵最 大流量基本上都在lOOL/h内，最大压力在15OPS1以下。开发研制流量更大 的电磁计量泵将成为计量泵机电一体化方面一个很具吸引力的热点。它要 求机、电两学科更为紧密的配合。而电磁、电子技术在这一课题中将明显地起着主导作用。(6) 计量泵电动伺服机构与柱塞行程调节机构的一体化设计。这种设 计方案将简化机械结构，降低生产成本,增加结构的紧凑程度，使机构的可 靠性,动

17、作灵敏性更进一步提高。(7) 电磁隔膜计量泵多种类的研究与开发。在现有电磁柱塞计量泵的 基础上，增加电磁隔膜计量泵的种类，使其能替代柱塞计量泵适合的绝大 部分应用要求。此外，对于计量泵生产厂商而言，在消化和理解国外技术的基础上， 应该提高自身产品的技术更新速度，增加产品的技术含量,使产品在满足 使用要求的同时，适合更多的安装条件。应扩大产品种类，提高各种产品在 不同市场的适用性。在柱塞计量泵的基础上，增加隔膜计量泵的种类，使其 能替代柱塞计量泵适合的绝大部分应用要求。积极开发计量泵的不同驱动 形式，引进电磁驱动机构，增加计量泵在小功率、小流量应用的结构形式。 适应现代控制技术要求，提高控制系统

18、自动调节装置的可靠性。因为稳定 精确的自动调节装置是系统可靠运行的保证.1.4课题的目的和意义众多资料表明，目前国内对电磁计量泵的研究普遍存在下列问题：(1) 由于国内发展起步晚，电磁计量泵只是作为企业产品的一个种类 存在，缺乏对其进行后续研发；(2) 目前多集中于传统模式的设计，即带有齿轮和曲柄连杆作为传动机构的结构形式,体积庞大，结构复杂;-.十、可F 住丁一 ：巳、早'j如匕兀 r. * I Ma久二二 J" j ZE"亡夕安 l y . - i _ x _t 口广 y; Z?、 U 1%；/ 、一上巧K-V诉/'、 ；欠史,IL p - - ， .二

19、针对上述问题，本文根据天华机械及自动化研究院与太原理工大学签 订的“委托技术开发协议”的要求和技术参数指标，提出了一种新型计量 泵电磁隔膜计量泵的研究与设计方法l，31UI,图1-2为其泵头示意图。 该泵采用机械可调的固定冲程的柱塞，利用柱塞直接推动膜片工作，通过 改变柱塞冲次来调节泵的输出流量。采用这种结构以后，计最泵不仅省去 了庞大的传动机构和复杂的冲程调节装置，而且解决了目前计量泵所存在 问题，使计量泵的结构得以简化，便于维修和养护。1.5本文研究内容及所做工作本文根据技术参数指标的要求，以美国MILTON ROY公司生产的LMI 系列电磁隔膜计量泵为研究对象，对该类电磁计鼠泵进行了较为

20、仝面的研 究分析和设计，对该类电磁计量泵的制造和设计都具有一定的参考价值。 此外，考虑到商业的机密性，某些设计过程和参数选取本文没有给出。文章内容包括：(1)电磁驱动机构的参数计算本文分别采用磁路分析法和商用ANSOFT电磁场有限元分析软件对电 磁计量泵的电磁驱动机构进行了参数计算；并给出了基于ANSOFT软件电 磁弥:动机构的静态磁场分布；介绍了线圈电感参数的简单实验测取方法，实验结果验证了两种方法的可行性。(2)静态特性的分析和计算本文对电磁驱动机构的静态特性进行了简单推理和分析；并基于 ANSOFT/Maxwell 2D软件包对其进行了静态特性计算，得出了静态力 位移曲线；根据静态特性设

21、计了反力弹簧。(3) 动态特性的仿真和分析基于ANSOFT/Maxwell 2DfTransient软件包对电磁计量泵的动态工作 过程进行了计算并给出其计算结果；建立了MATLAB/Simulink环境下电磁 计量泵的动态特性仿真模型；介绍了动态特性实验方法以及实验结果。实 验结果表明，仿真模型是正确的，也是可行的。(4) 计量泵控制系统的设计根据对电磁计量泵控制系统性能指标的要求，介绍了控制系统设计的 思路和方法；给出了主电路和控制电路设计的仿真结果和实验结果。实验 结果验证了设计的正确性。1.6本章小结本章简要介绍了计量泵的发展状况;阐述了电磁计量泵的工作原理及 其应用场合；回顾了电磁计量

22、泵的国内外研究状况；展望了电磁计量泵的 发展前景；并说明了本课题研究的目的和意义；总结了本文的研究内容及 所做工作。第二章电磁驱动机构的参数计算垠据机电系统丈态运行的苴论，在设计中，电路参数计算是一项非常 重要的工作。因为电路参数对分析系统的运行性能起着重要的作用，尤其 是决定电路数学模型能否建立起来的决定性因素之一。电磁驱动机构的参 数计算主要涉及到电阻和电感参数，由于电磁线圈的电阻容易计算和测 取，本章将只讨论电感参数的计算方法。2.1电磁驱动机构的分析模型为计算电磁驱动机构的电感参数，首先必须建立其分析模型。一般情 况下，电磁驱动机构采用电磁铁驱动风。为满足电磁铁体积小、吸力大 的要求，

23、本文采用螺线管E型电磁铁模型I15Hl6J,如图2.1所示，整个结 构呈中心轴对称。当给电磁线圈3通一定的电流时，将会产生如图所示的 电磁回路，由于动铁1与铁轨2之间存在间隙，使得动铁受到电磁力的作 用而被吸合。当电源断开后，弹簧的弹力使动铁复位。而动铁和柱塞5 是连作一体的，电磁线圈的连续通电和断电，就会使动铁在泵中带动柱塞 做往复直线运动。动铁1和定子2部分采用导磁材料【切，选用铸钢，磁化曲线如图2.2 所示。柱塞5选用非导磁材料。困21电磁驻动部分的分析模型图Figure 2-1 The model for analysis of the electromagnetic actuator

24、1动铁2定子（铁辄）3激磁线围4磁力线5柱家 6绝缘纸层7垫片X动铁位移图22铸钢的席化曲线Figure 2-2 The B-H curve of cast steel2.?磁路分析注计算电感参数2.2.1磁路分析法与有限元法相比较，磁路分析法具有简单易行，计算工作量小的特点, 适于工程上采用。根据计最泵用电磁铁的设计原则，电磁铁应选用较小的 动铁行程，一般选择动铁行程不大于5mmI18,o根据设计要求，本文电磁 铁动铁的最大行程采用4mm。鉴于电磁铁工作气隙较小，可采用磁路分 析法对其进行计算分析2.2.2电感参数计算电磁计量泵的磁力线分布如图2-2所示，图2-2中箭头方向表示动铁 运动的正

25、方向，x表示动铁的位移（最大行程为4mm）0根据图22所示 磁通路径可得出其等效磁路图【2。】，如图2.3所示。图中.气隙磁阻，1/H：x 动铁位移，m；Rm，Rq一铁心磁阻,1/H；Fo激磁线圈的磁动势,A；F°=Ni,"为激磁线圈的匝数,=图2-3等效磁路图j为线圈中的电流，AoFigure 2-3 The equivalentmagnetic circuit磁阻计算公式为:(21)式中，%第i个磁阻，1/H;4第i个磁阻磁路的等效长度，m； 4第，个磁阻磁路的横截面积，r；出一第i个磁阻磁路材料的磁导率，H/mo由图2-3等效磁路图和磁阻计算公式（2-1）,可以计算出

26、磁路的总磁阻 人（"，它是动铁位移x的函数。不考虑磁饱和现象时，电感的计算公式为:(2-2)(2-3)L(x) =R(x)电磁力的计算公式为：尸_1次（力° 2 dx图2-4给出了激磁线圈电感冷）随动铁位移x变化的曲线。图24电感与动铁位移关系曲线Figure 2-4 The L(x) x characteristic2.3有限元法计算电感参数与其也掺数计算方法相比，电磁场有辰元方法是一种相对较为精玲的 计算方法，尤其在计算气隙较大和磁场较为饱和的场合下。目前用于电磁 场有限元分析的较为常用的软件有ANSYS、ANSOFT等。与ANSYS软 件相比，ANSOFT软件有许多优

27、点，比如，擅长参数计算、动态系统分 析以及容易掌握等，有关ANSOFT软件的具体特点将在第三章中加以介 绍。电磁驱动机构的模型采用图2.1所示E型电磁铁模型，动铁及铁貌部 分导磁材料选用铸钢，相应磁化曲线如图2.2所示。2.3.1静态磁场分布了解电磁铁的磁场分布有助于对其进行整体设计和优化。通过对磁场 分布情况的分析，不仅可以判断出电磁铁模型设计是否合理，还能够知道 电磁铁工作时铁磁材料在磁化曲线上的工作点、导磁材料的利用率以及磁 路的饱和程度等与电磁铁工作性能相关的重要信息。由于模型为中心轴对称，以中心轴切开取二分之一作为边界条件，最 外周的界面应该不出现垂直方向的磁通R七解析领域如图2.5

28、、2-6所示。 采用ANSOFT电磁场有限元分析软件Maxwell 2D分析动铁处于两个极限 位置时的静态磁场分布，分析中考虑到磁路的饱和以及磁导率口的变化。 计算结果如图2.5、2.6所示。激磁线圈通电电流/=200mAoFlux Lines.2.5301e-004 2.3193e-004 2.1084e-004 1.8976e-004 1.6867e-004 1.47S9e-004 1.2650e-004 1.0542e-004 8.4335e-005 6.3251e-005 4.2166005 2.1082e-005 -2.3914e-009Figure 2-5 The magnetic

29、 flux map at different air gap length(a) 8=0.5mmFlux Lines.1.6326e-004 1.4965e-004 1.3605e-004 1.2244e-004 1.0884e-004 9. 5231005 8.1625e-005 6.8020色-005 5.4414e-00S 4.0808e-005 2. 7202005 1.3597e-005 -9.0909e-009(b) b=4mm图25不同气隙处的磁力线分布图(a) 5=0.5mmBTAR2.8294e+000 2.6407e+000 2.4521e+000 2.2635e+00。

30、2.0749e+000 1.8862e+000 1.6976e-b000 JL.5090e+000 1.3204e+000 1.1317e+000 9.4312e-00X 7eS450e-001 5.6587e-0013.7725e-001 1.8862e-001 OeOOOOe+OOO(b) 5=4mm困26不同气隙处的磁密分布情况Figure 2-6 The flux density distribution at different air gap2.3.2电感参数计算采用商用ANSOFT/Maxwell 2D Parametric软件包对激磁线圈的电感 参数进行了计算，计算结果见图2.

31、8。图中给出了线圈通电电流/=200mA 时，线圈电感匕随气隙长度S变化的关系曲线。2.4电感的实验测定和分析2.4.1测量电感的方法在测量控制领域中，特别是在电机的检测和控制方面，线圈电感的测 量是很常见的。测量线圈电感的方法很多，最直接的方法是使用阻抗分析 仪22）。在不考虑饱和的情况下，加在阻抗上的电压电流都是正弦信号， 从阻抗分析仪上可以直观地读出电阻与电感。以往电感的测量多采用电桥 法和谐振法。但这两种方法需交流信号源和标准元件，测量仪器体积大、 精度不高和测量速度慢，很难实现快速自动化测量。文献23提出了一种将RL的暂态应用于电感测量中的方法，主要原 理是将电感量转换成脉冲信号，利

32、用脉冲信号的周期与被测电感奴成正 比，通过测量脉冲信号的周期来测量电感。与此类似的另一种测量电感的 方法是对储能电感进行能量释放，用示波器记录被测线圈放电波形。通过 放电回路求出磁链，利用磁链间接得到电感值。本文采用测量线圈阻抗的方法得到线圈的电感。实验原理如图27所220VSR图2-7电感测量实验图Figure 2-7 The experimental principle of measuringinductance实验过程：工频交流220V电源电压经调压器加到被测线圈两端，调 节调压器使得动铁在不同位置时，负载电流均能保持同一值(比如/1=100mA)o记录下每一动铁位移处的电压值U、电流

33、值/和气隙长度根据每一动铁位移处所记录的电压U和电流可以计算出每一气隙处的(2-4)线圈阻抗1根据阻抗Z、电阻&、感抗A三者之间的关系，可以导出对应该电流 下的线圈电感r Jz2 顼(2-5)L =CD其中，激磁线圈电阻R可以用电桥测得。当线圈中依次通有电流为100mA> 200mA、300mA时，重复上述测量过程，可测得不同电流下的电感气隙关系曲线，如图2.8所示。35困28不通电流值下电感与气隙的关系曲线Figure 2-8 The inductance vs. air gap length curves due todifferent currents2.4.2电感的实验结

34、果分析图2.8实验结果表明，随着气隙3的增大(即动铁位移x减小)，线 圈电感值逐渐较小。此外，通不同电流值时，所测得的电感气隙关系 曲线略有不同，而且在小气隙处，随着线圈电流增大，线圈电感将会略微 减小。这从磁化曲线上可以得到解释：当激磁线圈匝数一定时，若通电电 流增大，激磁磁势将相应增大，在磁化曲线上可以看到，此时曲线的斜率 变小，即磁导率P将相应减小，由公式(21)和(2.2)可以得出，线圈电感将 减小。图2-9给出了激磁电流1i=200mA时，磁路分析法、ANSOFT有限元 分析法以及实验测量所得电感气隙关系的对照情况。图29电感计其结果与实脸结果比较Figure 2-9 The com

35、parison of L6 characteristics from calculation and experiments从图2-9 nJ以看出，三种获得统囹电您-一气隙特性的方法都表明， 随着气隙3的增大，线圈电感值将逐渐较小°此外，两种计算电感的方法 所得到的电感值与实验值是非常接近的，验证了两种电感参数计算方法的 正确性和合理性。考虑到实际导磁材料的差异性和每种计算方法的特点, 从各种方法所狄得的电感值之间有相对较小的误差还是允许的。2.5本章小结本章介绍了两种不同的参数计算方法：磁路分析法和有限元分析法。 采用两种方法计算了电磁驱动机构的线圈电感参数；同时基于ANSOFT

36、软件计算了其静态磁场分布；介绍了线圈电感参数的简单实验测取方法, 并给出了电感参数两种计算方法的结果和实验结果的对比情况。实验结果 表明，两种参数计算方法对电磁计量泵的设计都是可行的；并且得出了线 圈电感随气隙的变化规律。第三章静态特性的分析和计尊乜碰竺动机构是整台电磁计星装工作的核心部分,是完成将电碰能量 转换为机械能量的能量转换装置。它依靠电磁系统中产生的电磁吸力来驱 动动铁做直线机械运动，从而对外做功。动铁在运动过程中所受到的电磁 吸力兀与它的行程X之间的关系(即Fe=Kx, /),称为吸力特性。所谓 静态力一位移特性，就是在电路稳态时得到的吸力特性。静态力一位移特性是计量泵电磁驰动机构

37、的基本特性，对电磁计量 泵的某些运行性能也具有决定性的作用，是了解和分析电磁计量泵一切运 动的基础也是电磁驱动机构设计的必不可少的技术参数之一。3.1 ANSOFT软件简介了解ANSOFT软件解决问题的功能和方法，将有助于我们在设计中 更有效地使用该软件。商用ANSOFT软件是专业射频/微波、信号完整性、电磁兼容和电磁 干扰、电磁场及机电和系统仿真软件，为现代设计师提供了精确、快速、 高效的虚拟仿真平台。主要有三大方而的应用领域：(1) 机电系统设计软件模块(2) 高频设计软件模块(3) 信号完整性、电磁兼容和电磁干扰设计软件模块从上面可以看出，就第一个应用领域机电系统设计软件模块来 说，AN

38、SOFT软件己为我们电机的设计过程和仿真提供了一个很好的系 统化解决工具。就机电系统设计应用领域，可细分为如下应用场合：电机和电机驱动系统变压器和电抗电磁铁、继电器与接触器发电机设计与仿真飞行器控制系统舰船驱动与控制系统汽车启动装置针对以上不同的应用场合，表31给出了 ANSOFT在机电系统设计 中的具体解决方案。前面已经知道，本文中电磁驱动机构的模型为中心轴对称模型，因此 在设计时主要用到了二维电磁场分析Maxwell 2D及其瞬态分析Transient 软件包分析功能。Maxwell 2D具有参数扫描功能(Parametric Analysis), 利用该功能可以完成电机在不同激励，不同转

39、子位置，尺寸变化和材料变 化下的主要参数的变化，例如永磁电机的齿槽转矩、不同饱和情况下的电 感等。ANSOFT软件的这一项功能，在前面第二章电感参数的有限元方法计算时便用过了。表3l ANSOFT功能分类表Table 3-1 The classifications of ANSOFT functionMaxwell2D/3D精瑚的二三雄直流、亢流电磋场有限元仿真工具RMxprt多类型电机设计软件PEmag/PExprtPemag是电力电子电磴器件专业设计软件Maxwell2D/3D Transient机电元件动态过程仿真工具Simplorer/ Simplorer强大的多领域复杂系统仿真工具O

40、ptimetrics优化参数扫描工具Machine Library附加的高精度电机模型库Power LibranSimplorer的附加电力电子器件及电路库Spice Pack与Spice模型的接口Hydraulic LibrarySimplore的阮加液压命什序Machanica! LibrarySimplore的附加机械元件库Ansoftlinks for EMIGES, STEP 接口Automotive LibrarySimplore的附加汽车元件庠利用Transient可以实现电机瞬态分析的功能，诸如可以给电机电器 加任意随位置、时间、速度变化的电流、电压激励，同时提供了一个电路 编

41、辑器，可以加电路激励，电机可以加任意负载，利用该功能可对电机动 态运行过程（如启动、突加负载），故障工况（如永磁体突然失磁，绕组对地短路、导条断路)等状态进行仿真。3.2静态力的分析与计算321静态电磁力的分析根据电磁力E的计算公式【26】：F。=(3-1)式中k系数：B磁感应强度，T；S。动铁垂直于磁场方向的面积，n?。式(31)表明，当电磁铁的S。已确定时，Fe oc B2(3-2)在使用公式(3-1)时，有一点必须明确，那就是只有假设磁感应强度8 在计算过程中保持不变，才能计算出电磁力£的大小5)。但实际上8不 是一个定值。因为在动铁吸合或断开的过程中，空气隙的长度，是一变化

42、的量，是由最大值趋向最小值(或反之)的过程。在5变化过程中，只有 S。是一不变的量。由于3的变化，磁感应强度8一直在变，电磁吸力氏也 一直在发生变化。根据电磁理论中的安培环路定理，如何一个匝数为N的线圈通以电流/,所产生的磁场可以用如下公式来表示:G-3)<Bdx = 5其中x是一封闭印曲绞。式.-3)表以,B cc IX (B oc勺，。& 'J. 8企君可竺以x h寸一队”。根据式(3.2)已“店,因此入与B之间的关系就可以用以下两个公式表示Fe oc IN)2(3-4)已 口 1/舟(3-5)根据式(3.4)和(3-5)可以得出以下结论：当加一定时，$越小，Fe 越

43、大；当5 一定时，/N越大，气越大。此外，当线圈窗口面积一定时， 改变线圈厚度或高度将对电磁力氏的大小也会产生一定的影响的。计算出的电磁力兀减去摩擦力及其它阻力损失后的数值可作为计量 泵能达到的最大柱塞力的设计依据，最大柱塞力与柱塞直径及泵可达 .到的最大排出压力满足下式中的关系"J：F, =72p/4(3-6)、II-L 匕t?qL 4.P泵可达到的最大排出压力。在柱塞直径确定时，泵可达到的最大排出压力也就随之确定了。通过 改变柱塞直径或行程，同一电磁线圈的电磁计量泵即能变型为不同流量及 不同排出压力的电磁计量泵系列。3.2.2静态电磁力的计算鬼于电磁计量泵的工作场合，动铁的最大行

44、程为4mmo考虑到垫片 厚度为0.5mm,所以动铁的起始位置(x=0mm)对应最大气隙长度(5 = 4.5mm)。所以，动铁位移x与实际气隙$的关系为：$ = 4.5 - x(3-7)采用Maxwell 2D的参数扫描功能Parametric Analysis计算的电磁力 结果如图3-1所示。图中给出了线圈通电电流分别为100mA、200mA时 的静态力一位移特性。Figure 3-1 The stationary Fex characteristics静态力一一位移特性曲线表明，随着动铁位移X的增大，动铁的静推 力是逐渐增大，这与本章理论分析是相吻合的。而且，根据第二章电感参 数计算的结果，

45、随着动铁位移X的增大(相应于气隙5减小)，电感变化 率的绝对值是逐渐增大的，根据公式(2-3),当通电电流一定时，动铁所 受到的电磁力将必然会增大。此外，在不同静态力位移特性曲线上的 同一动铁位移X处，电税力与磁势的平方成正比。3.3静态特性实验3.3.1实验装置静态力位移特性测试实验装置如图3-2所示。计量泵图32挣态实脸装五图Figure 3-2 The equipments for static state experiment具体实验方法为：(1)测取进位螺杯转一圈的进位量，设为d； (2)给 计量泵激磁线圈通上直流电源，确保其动铁完全吸合，此时气隙长度为 0.5mm； (3)旋转进位

46、螺杆，同时调节电源电压以确保线圈中通有恒定的 电流值记录旋转的圈数以及此时传感器显示屏的压力大小，则此时 气隙长度为0.5+dm此时的压力大小即为电流为1时该气隙处的电磁吸 力；(4)重复第(3)步可测得计量泵在某一通电电流下的静态吸力特性曲线。改变电流值，重复第(3)步可测得静态吸力特性曲线族。3.3.2实验结果采用图3-2的实验装置测得静态力一位移特性结果如图3-3所示。实验中调节电源电压以保证实验测试电流恒为/=200mA°*实验值e一计算值位移x/mm图33铮态力一位移特性实验姑果和计算结果比较Figure 33 The comparison of experimental

47、and calculated Fex characteristics图3-3表明实验结果与计算结果以及理论分析是相吻合的。即随着动 铁位移增大，电磁力呈增大趋势。3.4反力弹簧的设计3.4.1反力设计原则根据电磁计量泵的工作原理，当电源断开时，动铁应该能在弹簧的反 力作用下复位。但是，由于电磁线圈的储能和铁心中剩磁的作用，当电源 断开的瞬间，动铁仍然受到相当大的电磁力的作用而不能立即复位，这务 必会影响计量泵的动态工作性能。因此反力弹簧的设计对于计量泵的设计 也是很关键的。静态吸力特性和反力特性的良好配合，是实现电磁铁可靠工作、提高 灵敏度和寿命等要求的基本保证28】。不同的弹簧反力特性，要求

48、去配合 不同的阪力特性，从而也要求电磁驱动机构有不同的结杓参数。图34所 示为计量泵用电磁铁的静特性。图3-4计量泵用电磴铁捋态特性Figure 3-4 The static state characteristics图3-4中，吸力片在整个动铁行程上都大于反力氏，电磁铁能够可靠动作。但是由于吸力特性陡峭，随着动铁位移x的增大，吸力的裕度越 来越大，动铁闭合时的冲击力较大，电磁铁的寿命降低。处理静特性的关 键是把握动铁零位移处电磁力与弹簧反力的配合。通常情况下，并不需要 最大位移工苹处的£大于已，当Xmx处的£在一定范围内小于已时(如已 特性)，动铁仍可以借助前期加速起来的

49、较大速度克服弹簧反力，最终以 较小的速度到达吸合位置，因此有助于减小动铁闭合时的冲击力，可以提 高电磁铁寿命。3.4.2弹簧的设计考虑到电磁计量泵的静态力位移特性曲线，本文采用的弹簧力特 性如图3.5所示，力特性表达式为E(x) = 40x(x + 8)(N)(3-8)图3-5弹簧力特性Figure 3-5 The characteristic of spring force图3-5表明弹簧有预压缩。也就是说当动铁恢复到零位移时，弹簧的 反力并不等于零，由表达式(3-8)可以得出，(0) = 320No设置舞簧预压 缩的一个主要作用是保证动铁可靠地返回到原始位置。此外，为减小动铁 闭合时的冲击

50、力和天断时间也令安设宜弹簧j火us汹。早歹、以快仕矗吸甘和 缩短吸合时间的角度考虑，弹簧的反力越小越好。但是弹簧反力越小，势 必会导致动铁吸合时发生严重的撞击以及动铁关断时间和回程时间的延 长，动态性能达不到预期的要求。给弹簧设置预压缩后，这不仅会缓和动 铁吸合时发生的撞击，提高电磁铁寿命，还能缩短动铁关断时间，从而满 足一定的动态性能要求。3.5本章小结本章采用商用ANSOFT电磁场有限元软件计算了电磁驱动机构的静 态特性；分析了电磁铁的静态力一位移特性；介绍了反力弹箕的设计原 则和设计方法；给出了静态特性实验测试方法，计算结果与实验结果相吻 合。第四章动态特性的仿真和分析静态分析是电磁计量

51、泵设计的基础。但在设计中，单凭静态分析是不 够的。因为在实际工作过程中，由参数计算可知，线圈电感是随动铁位移 的变化而变化的；由于电磁时间常数和运动电势的影响，激磁电流也是变 化的；由静态分析可知，电磁吸力不仅随线圈电流而变化，也随动铁位移 而变化。这一系列变化将导致动态电磁吸力不同于静态电磁吸力。因此, 在设计中，必须着眼于电磁驱动机构的整个运动过程伽】（尤其是在对吸 合动作时间有严格要求的情况下）。也就是说，电磁驱动机构的最终设计 主要是以动态分析的结果为依据的。4.1基于ANSOFT的电磁计量泵的动态特性仿真4.1.1动态特性仿真结果本章采用ANSOFT电磁场有限元软件Maxwell 2D Transient瞬态磁场 分析软件包，采用图2-1的电磁铁分析模型对电磁计量泵动态工作过程进 行了仿真。仿真结果如图4.l（a）、（b）、（c）、（d）所示，图示仿真过程分别 为动