基于磁性结构的直线振荡电机泵及其直线往复运动方法

1.本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种基于磁性结构的直线振荡电机泵及其直线往复运动方法。


背景技术：

2.传统直线往复运动的实现主要是通过电机带动曲柄连杆机构，将旋转运动转换成直线往复运动，然而该方式会产生较大的摩擦损耗，传动效率较低，机械的可靠性差且会制造较大的噪音；因此随着技术的发展，直线电机成为了实现直线运动形式的首选。现有直线电机抛弃了传统曲柄连杆机构，是一种直接将电能转化为磁能，再将磁能转化为机械能的电机，能够实现直线运动，其基本原理和传统旋转电机类似，均由定子和动子组成，结构简单，且定子与动子之间通过磁能实现直线往复运动，并未涉及过多的机械传动，因此其内部受力环境要简单，侧向力和摩擦力相较于传统结构大大减少。
3.随着石油工业的发展，其对直线电机泵的要求也越来越高，直线电机泵也向着大输出压力、大流量、制造维修方便、体积小和重量小等方向发展。直线电机泵作为整个液压系统的核心，其定子和动子的排布设计，绕组的设计等会直接影响直线电机泵的推力和效率；其中，动子上磁铁的排布以及磁铁产生的磁场，均会对动子的直线往复运动产生影响，而动子轴芯的材料也会对磁场产生影响，因此，降低轴芯材料对磁场的影响，是提高直线电机泵效率的有效方式；目前，动子上磁铁的布置较多采用halbach磁环结构，该结构能对磁场起良好的导向作用，使得磁场能够不经过轴芯，使磁场保持较高的强磁性；但基于halbach磁环结构的磁铁造价昂贵，且生产成本高，获取难度较大，因此使得直线电机泵的制作成本大大升高；因此，针对目前直线电机泵存在的不足，急需提出一种能够提高磁利用效率、结构可靠、高效的直线电机泵。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出一种基于磁性结构的直线振荡电机泵及其直线往复运动方法，通过永磁铁一和永磁铁二配合，替代halbach磁环结构，却同样实现减少磁场损耗、提高磁感应强度的功能，进而提高直线电机的工作效率。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明基于磁性结构的直线振荡电机泵，包括直流电机和单向阀；所述的直流电机包括壳体、定子和动子；壳体两端与两个活塞腔分别固定；定子和动子均置于壳体内；所述的动子包括轴芯、活塞杆、永磁铁一和永磁铁二；轴芯的两端与两个活塞杆分别固定连接；两个活塞杆同轴设置，且每个活塞杆均与壳体构成滑动副；每个活塞杆伸入对应一个活塞腔内；永磁铁一和永磁铁二均呈弧形片状，且均与轴芯固定；永磁铁一朝向圆心的一端为s极，另一端为n极，永磁铁二朝向圆心的一端为n极，另一端为s极；n个永磁铁一沿轴芯周向等距设置，构成永磁铁环组一，n≥3；n个永磁铁二沿轴芯周向等距设置，构成永磁铁环组二；沿轴芯轴向等距设置有m+1个永磁铁环组一和m个永磁铁环组二，m≥2；每相邻两个永磁
铁环组一之间均设置有一个永磁铁环组二。
7.所述的定子包括漆包线圈绕组、固定环、线圈固定架和磁轭；每个永磁铁环组一与壳体之间位置均设有一个磁轭，每个永磁铁环组二与壳体之间位置也均设有一个磁轭；所述的磁轭整体呈圆环状，与壳体的内壁面固定连接；每相邻两个磁轭合围出一个线圈安装槽；每个线圈安装槽内均固定有一个固定环；固定环上设有一体成型的线圈固定架；每个线圈固定架上均固定有一个漆包线圈绕组；每个漆包线圈绕组与一个电源连接，相邻两个漆包线圈绕组电流方向相反。
8.所述的单向阀包括阀体、阀芯、弹簧一和挡圈；所述的挡圈与阀体的内壁面固定连接；所述的阀芯与阀体构成滑动副，并与挡圈通过弹簧一连接。壳体两端的两个活塞腔与两个三通接头的其中一个接口分别连接；每个三通接头的另外两个接口与两个直通接头的一端分别连接；位于壳体同一端的两个直通接头中，其中一个直通接头的另一端与一个单向阀的阀体输入口连接，另一个直通接头的另一端与另一个单向阀的阀体输出口连接。
9.优选地，所述的壳体由正对的两部分固定而成。
10.优选地，所述壳体的两端均固定有一个导向铜套，两个导向铜套与两个活塞杆分别构成滑动副。
11.更优选地，每个导向铜套与一个弹簧二的一端连接；每个弹簧二套置在一个活塞杆上，且每个弹簧二的另一端与对应一个活塞杆固定。
12.优选地，各相邻永磁铁环组一和永磁铁环组二之间均设有一个间隔环，永磁铁环组一和永磁铁环组二均通过间隔环与轴芯固定。
13.更优选地，同一个永磁铁环组一中各相邻的两个永磁铁一之间以及同一个永磁铁环组二中各相邻的两个永磁铁二之间均设置有间隔块。
14.更优选地，所述的间隔块为非导磁材料。
15.本发明基于磁性结构的直线振荡电机泵的直线往复运动方法，具体如下：
16.启动各电源向各漆包线圈绕组供电，相邻漆包线圈绕组通入的电流方向相反，使各漆包线圈绕组产生电磁感应，从而使每个永磁铁一与轴向相邻的两个永磁铁二均构成闭合磁回路，且在同极相斥、异极相吸的作用下，各个漆包线圈绕组产生的磁力带动由各永磁铁一、各永磁铁二以及轴芯和活塞杆组成的动子向壳体的一端滑动；当改变电源给各漆包线圈绕组供电的电流方向后，各漆包线圈绕组产生的磁极改变，使得动子向壳体的另一端滑动；当各个漆包线圈绕组内的电流方向发生周期性的改变时，动子能够周期性的在壳体内作直线往复运动；在动子周期性的直线往复运动过程中，动子运动方向所指那端的一个单向阀在压力差作用下排出气体或液体，另一端的一个单向阀在压力差作用下吸入气体或液体，其余两个单向阀为未启动状态。
17.优选地，多个基于磁性结构的直线振荡电机泵并联作业，各基于磁性结构的直线振荡电机泵的输出口朝外的单向阀均与被驱动液压件连接，各基于磁性结构的直线振荡电机泵的输出口朝内的单向阀均与介质储存箱连接。
18.本发明具有的有益效果是：
19.1、本发明通过呈弧形片状、结构完全相同仅充磁方向不同的永磁铁一和永磁铁二配合，实现了对磁场的引导作用，使得直线电机内的磁场能在永磁铁一和永磁铁二之间传递，每个永磁铁一与轴向相邻的两个永磁铁二均构成闭合磁回路，替代了halbach磁环结
构，却能同样实现减少磁场损耗、提高磁感应强度的功能，进而提高直线电机的工作效率。而永磁铁一和永磁铁二的弧形片状以及内外弧部分充磁极性不同的结构形式相较于halbach磁环结构，加工难度大大降低，从而极大节约了加工成本。
20.2、本发明的磁轭整体呈圆环状，每相邻两个磁轭合围出的线圈安装槽内安装一个漆包线圈绕组即可，使得本发明的定子结构简单，加工方便。
21.3、本发明可以采用多级并联作业，能够提高工作效率和抗故障能力，达到工业上对大流量、高压力液压系统的需求，在工业生产中具有更好的适用性。
22.4、本发明的轴芯可以选用轻质高强度的非导磁材料，不仅大大减小动子质量，且可以避免磁场穿过轴芯导致磁损耗。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构剖视图；
24.图2为图1中a-a部分的放大图；
25.图3为本发明中永磁铁一与间隔块沿周向间隔排布的示意图；
26.图4为本发明多级联合工作的示意图。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明作进一步说明。
28.本发明基于磁性结构的直线振荡电机泵，如图1、图2和图3所示，包括直流电机和单向阀；直流电机包括壳体10、定子和动子；壳体10两端与两个活塞腔7分别固定；定子和动子均置于壳体10内；动子包括轴芯13、活塞杆8、永磁铁一22和永磁铁二23；轴芯13的两端与两个活塞杆8分别固定连接；两个活塞杆8同轴设置，且每个活塞杆8均与壳体10构成滑动副；每个活塞杆8伸入对应一个活塞腔7内；永磁铁一22和永磁铁二23均呈弧形片状，且均与轴芯13固定；永磁铁一22朝向圆心的一端为s极(图1中未填充颜色部分)，另一端为n极(图1中填充黑色部分)，永磁铁二23朝向圆心的一端为n极，另一端为s极；n个永磁铁一22沿轴芯13周向等距设置，构成永磁铁环组一，n≥3；n个永磁铁二23沿轴芯周向等距设置，构成永磁铁环组二；沿轴芯13轴向等距设置有m+1个永磁铁环组一和m个永磁铁环组二，m≥2；每相邻两个永磁铁环组一之间均设置有一个永磁铁环组二；周向位置对齐的相邻永磁铁一22和永磁铁二23的磁力线构成闭合的磁回路。
29.定子包括漆包线圈绕组15、固定环17、线圈固定架16和磁轭14；每个永磁铁环组一与壳体10之间位置均设有一个磁轭14，每个永磁铁环组二与壳体10之间位置也均设有一个磁轭14；磁轭14整体呈圆环状，与壳体10的内壁面固定连接；每相邻两个磁轭14合围出一个线圈安装槽；每个线圈安装槽内均固定有一个固定环17；固定环17上设有一体成型的线圈固定架16；每个线圈固定架16上均固定有一个漆包线圈绕组15；每个漆包线圈绕组15与一个电源连接，相邻两个漆包线圈绕组15电流方向相反。其中，电源可通过继电器与控制器连接，受控制器控制。
30.如图1所示，单向阀包括阀体3、阀芯4、弹簧一5和挡圈2；挡圈2与阀体3的内壁面固定连接；阀芯4与阀体3构成滑动副，并与挡圈2通过弹簧一5连接。壳体10两端的两个活塞腔7与两个三通接头1的其中一个接口分别连接；每个三通接头1的另外两个接口与两个直通
接头6的一端分别连接；位于壳体10同一端的两个直通接头6中，其中一个直通接头6的另一端与一个单向阀的阀体输入口连接，另一个直通接头6的另一端与另一个单向阀的阀体输出口连接。
31.作为一个优选实施例，壳体10由正对的两部分通过螺栓一11和螺母一12连接而成；壳体10的可拆卸结构便于动子与定子的安装和替换。
32.作为一个优选实施例，壳体10与活塞腔7通过螺栓二9固定连接。
33.作为一个优选实施例，壳体10两端均固定有一个导向铜套21，两个导向铜套21与两个活塞杆8分别构成滑动副。
34.作为一个更优选实施例，每个导向铜套21与一个弹簧二20的一端连接；每个弹簧二20套置在一个活塞杆8上，且每个弹簧二20的另一端与对应一个活塞杆8固定；当轴芯13在壳体10内作直线往复运动时，弹簧二20能减轻轴芯13与壳体10之间的碰撞，并储存弹性势能，提高轴芯13的直线往复运动效率。
35.作为一个优选实施例，轴芯13与每个活塞杆8通过多个螺栓三19连接。
36.作为一个优选实施例，各相邻永磁铁环组一和永磁铁环组二之间均设有一个间隔环18(采用非导磁材料)，永磁铁环组一和永磁铁环组二均通过间隔环18与轴芯13固定；间隔环18对永磁铁环组一和永磁铁环组二起分隔和固定作用。
37.作为一个更优选实施例，如图3所示，同一个永磁铁环组一中各相邻的两个永磁铁一22之间以及同一个永磁铁环组二中各相邻的两个永磁铁二23之间均设置有间隔块24；间隔块24对轴芯13相邻两个永磁铁一22或相邻两个永磁铁二23起等距分隔作用。
38.作为一个更优选实施例，间隔块24为非导磁材料，能使周向位置对齐且相邻的各对永磁铁一22和永磁铁二23形成局部的闭环磁感线且互不干扰。
39.在上述各项实施例均具备的情况下，本发明基于磁性结构的直线振荡电机泵的直线往复运动方法，具体如下：
40.启动各电源向各漆包线圈绕组15供电，相邻漆包线圈绕组15通入的电流方向相反，使各漆包线圈绕组15产生电磁感应，从而使每个永磁铁一22与轴向相邻的两个永磁铁二23均构成闭合磁回路，如图2所示，且在同极相斥、异极相吸的作用下，各个漆包线圈绕组15产生的磁力带动由各永磁铁一22、各永磁铁二23以及轴芯13和活塞杆8组成的动子向壳体10的一端滑动；当改变电源给各漆包线圈绕组15供电的电流方向后，各漆包线圈绕组15产生的磁极改变，使得动子向壳体10的另一端滑动；当各个漆包线圈绕组15内的电流方向发生周期性的改变时，动子能够周期性的在壳体10内作直线往复运动；在动子周期性的直线往复运动过程中，动子运动方向所指那端的一个单向阀在压力差作用下排出气体或液体，另一端的一个单向阀在压力差作用下吸入气体或液体，其余两个单向阀为未启动状态；如图1所示，当动子向右侧运动时，外部气体或液体顶开位于左上方的单向阀中的阀芯4，进入该单向阀连接的直通接头6，进而进入左侧三通接头1中，而位于右下方的单向阀中的阀芯4被顶开排出气体或液体；当动子向左侧运动时，外部气体或液体顶开位于右上方的单向阀中的阀芯4，进入该单向阀连接的直通接头6，进而进入右侧三通接头1中，而位于左下方的单向阀中的阀芯4被顶开排出气体或液体；当外壳10两端输出口朝外的两个单向阀均与被驱动液压件连接，另外两个单向阀均连接介质储存箱(当介质为空气时，该两个单向阀不连接)时，本发明一种基于磁性结构的直线振荡电机泵便能实现被驱动液压件运动。
41.作为一个优选实施例，如图4所示，多个基于磁性结构的直线振荡电机泵并联作业，各基于磁性结构的直线振荡电机泵的输出口朝外的单向阀均与被驱动液压件连接，各基于磁性结构的直线振荡电机泵的输出口朝内的单向阀均与介质储存箱连接；并联作业能够提高直线振荡电机泵的工作效率，提高抗故障能力，达到工业上对大流量、高压力液压系统的需求。