Vol. 45 No. 5May. 2021
第45卷第5期
2021
5
@
液压与'动
Chinese Hydraulics & Pneumatics doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.05.016
傅 阳一2"3，闫 献1 ，吴瑞明】，杨礼康1 ，孙祝兵3，申慧敏"，朱康伍5
(1.浙江科技学院机械与能源工程学院，浙江杭州310012；
2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310023；
3•浙江联宜电机有限公司，浙江 金华321000；4.上海理工大学
机械工程学院，上海200093；
5.上海航天控制技术研究所
，上海201109)
摘 要：提出一种音圈式电磁隔膜泵，通过分析音圈电磁执行器各部件，结合经验公式，建立了音圈电 磁隔膜泵的理论模型；通过有限元软件COMSOL 分别建立了稳态和瞬态下的多物理场模型，探究了永磁体 与线圈几何结构对音圈电磁隔膜泵执行器电磁力产生的影响，并对模型参数进行分析；通过比较模型和直动 式电磁执行器模型的电磁力特性和电流特性，验证了音圈电磁隔膜泵在降低功耗方面的有效性。
熏蒸床关键词：隔膜泵；有限元分析；音圈电磁；电磁执行器
中图分类号:TH137；TH35 文献标志码：B 文章编号：1000-4858 (2021 )05-0114-06
Design and Simulation of Elect/maanetie Driving Device foe
Voice Coil Diaph/gm Pump
FU Yang 1,2,3, YAN Xian 1, WU Rui-ming 1, YANG Li-kang 1, SUN Zhu-bing 3, SHEN Hui-min 4, ZHU Kdng-wu 5
(1. School of Mechanicoi and Energy Engineering , Zhejiang University of Science and Technology , Hangzhou , Zhejiang 310012 ；
2. State Key Laborato/ oC Fluid Power and Mechatronic Systems , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang 310023 ；
3. Zhejiang Linin Motor Co., Ltd., Jinhua , Zhejiang 321000；
4. School of Mechanicoi Engineering , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093 ；
5. Shanghai Institute of Aerospace Control Technology , Shanghai 201109)
AbstracO : A voice coil elec/omaanetic diaphragm pump is studied in this papes. Based on the analysis of the voice coil elect/maanetic actuatos , combined with the empiricol formula , the theoreticol model of the voice coil Cec/omaane/ diaphraam pump is established. Then , the inOuenco of permanent maanets and coil geomet/ on the
elect/maanetic force is studied by finite element method of COMSOL soft/aro in both steady and transient state.
The performance of the electromaanetic force and current characte/stics bet/een the di/ctwcting electromaanetic actuatos and the p roposed model is compared. The results show that the proposed voice ceil electromaanetic
diaphragm pump has eCectivencs in reducing powes consumption.
Key wordt : diaphragm pump , finite element analysis , voice coil electromaanetic , electromaanetic actuatos
引言
在现代工业应用上，隔膜泵作为液体泵送装置被 称作工业的“心脏”。隔膜泵主要分机械式隔膜泵和 电
磁隔膜泵两类，其原理为动力装置带动隔膜在泵头 内往复运动，致使泵头腔体体积和压力变化，而引起
进液球阀和排液球阀的开启和关闭，实现液体的吸入
收稿日期$2021-01-07 修回日期：2021W2W3
基金项目：国家自然科学基金(51905486,51805317)；流体动
力与机电系统国家重点实验室开放基金(GZKF-2018017)；浙
江省基础公益研究计划(LGG19E050003)
作者简介：傅阳(1987-)，男，浙江杭州人，讲师，博士，主要
从事机电方面的科研和教学工作。
2021年第5期液压与'动115
和排出'1(o
机械式隔膜泵通常采用驱动方式，由电机带动连杆推动隔动。机械式传动装置，需多对摩擦副，对，而且摩擦带量损失并产'2(o，由于机械式隔膜泵采用电机作为动力装置，一程制了其况下的应用。为了进一步隔膜泵的应用，利用电磁执行器驱动的隔膜泵应，由于其无需的传动装置，电磁力可以直接传递推动隔动，简了隔膜泵的结构和制艺，有效了隔膜泵的行效率并且适用于的工况'3(o电磁隔膜泵作为一型泵，广应用于泵送压力需、使用空间较小的领域，如汽车泵、现代农业
程的加药泵等'4一6(o，由于此类隔膜泵'基本采用直动式的电磁执行器，其所需磁通量仅取决于，隔泵的对较高'"。
为了电磁隔膜泵的运行效率，进一步泵的失，本研究提出了一种采用音圈结构的电磁隔膜泵。音圈电磁执行器作为驱动机构带动隔；动，无需传动装置，构对简单，多个领域为微型泵使用，通过给电磁执行器施加永磁体，音圈电磁隔泵的进一步了o
本研究了以下三方面的：
(1)建了音圈电磁隔膜泵的理论模型，并初步确定各结构的参数；
(2)通过有软究永磁圈几何参数与电磁力之间的映射，进对音圈电磁隔泵结构参数进行优化；
(3)在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 中进行多物理场仿真，通过有软件在
对电磁力电流进行实时分析，进而验证音圈电磁隔膜泵方面的有效性。
1音圈式隔膜泵结
图1为圈式电磁隔膜泵的驱动器的几何结构，由隔膜、线圈、片、片、磁.成。磁产生的磁场由软铁制成片片聚集中；中，电磁圈隔的圈；隔由制成并阻尼力力。
冲淋房图2为圈电磁执行器结构图，对圈施加图中所示激励，根据电动机定则，永磁体的磁圈电流之间将产生方的推动隔的磁力，隔电磁执行器之间的间隙将会增大，隔膨胀，腔压力增大，流被排出腔室；对圈施加相反激励，将产生方的推动隔的磁力，隔膜电磁执行器之间的间隙将压缩，腔的压力，流被吸入腔室，实一期。
图2音圈电磁执行器结构图
2驱动器结构参
通过建圈几何形状，如线圈、间距、宽度数与产生的电磁力间的方程，以的线圈几何形状'10一11(。构参数设计目的是在有限的空间中优圈的、间距数进圈，以产够的磁力来驱动隔膜。
给音圈电磁隔膜泵施加激励，永磁圈之间的电磁力可以用以下方程表示'12(:
式中，/—
—通过线圈的电流
厂—
—线圈
E——线圈的匝数
B——剩磁磁通密度
3------线圈截面积
通过线圈的电流加电压的关系为：
>"(+++c)/Z b(2)式中，+0—
—音圈电磁执行器所加电压
L b------音圈电阻抗
+bc——线圈在永磁体中运动所产生的反电
镗床夹具动
对于电磁力与反电动势之间的关系用力因子
(
116液压与'动第45卷第5期
进行表a:
("-2:"""「山%3&力因子(和电阻抗L b已知的情况下，结合线圈运动Q可以：
#c"%(+-G2&/L b%4&圈电磁隔膜泵模型中，所加力和阻尼力由隔，其运动方程如下
'13(:
A8+%+,8-#C-/"0%5&式中，A------动音圈质量
%—一阻尼系数
，一-一力系数
/—
—模型中需考虑的附加干摩擦力
式%5&表，永磁属性、线圈几何形圈数能够其所产生的电磁力，隔的弹力与阻尼力对动音圈的运动产，进电磁力的产生。为究不同参数对电磁力产生的，理公式建圈电磁隔膜泵初步结构，参数如表1所示。基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真，控制变量，对电磁力进行仿真研究，并据此对
音圈电磁隔膜泵进行结构优计。
表！音圈电磁执行器结构参数
参数数值参数数
隔膜半径/m m50线圈内径/mm10
磁铁内径/mm20线圈间隔/$m50〜160
磁铁外径/m m40线圈宽度/mm5~10
磁铁厚度/mm20上极片厚度/mm10
下极片内径/mm6线圈长度/mm20
下极片厚度/mm10隔膜厚度/mm3
下极片外径/mm40匝数100
〜900
3有限元建模及仿真分析
3.1有限元仿真模型
图3为COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件中建立的二维轴对模型，该软件以有法为础，可以对多理场进行耦合，广应用于场的'⑷。本研究对音圈电磁隔膜泵模型添加磁场接口、力耦合、力学接口和多物理场耦合接口进行仿真，以接近更加真实的物理；同时模型为轴对构，只需对一半的轴对称模型进行仿真即可全部结果，故在仿真中建立其二维轴对称模型，减计存占用并仿真精计算效率'15一16(。
图3网格划分模型
3.2静态场仿真分析
仿真中添加参数接口，变圈的、圈的间隔圈的匝数，参数给定范围如表1所示。同时给出3种永磁(钱磁、磁磁铁&以究其对音圈隔膜泵执行器所产磁力的，3磁磁通密度分别为1.40，1.17，0.72T o
5678910
b/mm
图4不同线圈宽度下电磁力曲线
406080100120140160
Z/|im
图5不同线圈间隔下电磁力曲线
图4〜图6显示了音圈电磁隔膜泵执行器通过3种类型永磁体产生的电磁力。其中，图6为
圈不同
2021年第5期液压与'动117
数 电磁力变，由于有仿真磁场研究中磁化模型为B-H永磁体，其果并非完全o仿真结果显示，在永磁体确定时，线圈的几何（圈Q间隔/和匝数E）对电磁力产生的显著，圈几何体积越大，其产生的电磁力就越大。本研究中动音圈电磁隔膜泵模型，磁需聚集片形成的中，对器构，增圈几何结构并用。对于所有线圈，永磁体的是：的，钱磁本研究中产生的力，这是为钱磁有磁磁通密度B。，为了的执行器，使用的磁比改变线圈的几何参数更为重要。
图7阻抗随周期变化曲线废五金回收
为圈阻抗，在研究中添加频域分析，对圈加电压为4V且周期不同的电，如图7所示。
果显示，电阻期变变化，在频为12Ha时出现阻抗的，该频率为音圈隔膜泵固有频率，在该频，机械产生共振，于行，研究中应。基于圈结构参数，对式（3）进行积分，得到力因子（，优化结构参数如表2所示。
表2结构参数
参数数值参数数值
线圈宽度/mm10线圈间隔/$m160
滴水架力因子7.63固有频率/Hz12
磁通密度/T 1.4匝数800
3.3瞬态场仿真分析
对优化参数，在仿真软件中更新模型，并建几何参数圈电磁驱动器相同构不同的直动式电磁驱动器模型，如图8所示。在保圈匝数、弹力和阻尼力一致的情况下，给模型通入频同的激励并分析仿真结果。
动铁静铁磁轨
线圈
图8直动式电磁执行器结构
如图9所示，给模型施加激励，并激励电压的
，同的电磁力变。其中，直动式电磁执行器电磁力变为未
情况下所测，以时的瞬时衰'17（。两模型电磁力同的情况下，电流变
如图10所示。
图9两种执行器的电磁力变化曲线对比
图9与图10，本研究中所通频率激励下，一个周期内的音圈电磁执行器动式电磁执行器功耗计算如下
：
118液压与'动第45)第5期
9=Z”『尸d t(6)仿真可见，两种系统在动态性能方面产生了非常相似的结果，方存的。直动式电磁执行器需更大的能量来产同的电磁力，通过式(6)计并比较，音圈电磁执行器：低85.4%的。，音圈电磁隔膜泵型泵在功耗方面的优势。
图10电流变化曲线
4结论
本研究将音圈电磁执行器与隔膜泵，设计了一种动音圈式电磁隔膜泵，并有仿真软件COMSOL Multiphysics中建立多物理场耦合模型，利用器探究对音圈隔膜泵电磁力产生的因，并构建动音圈电磁隔膜泵优化模型；在优模型基础上，利用器探究本研究中音圈电磁隔膜泵执行器动式电磁执行器两者的动
电流，通过比较圈电磁隔膜泵执行器功耗的优势。提出的音圈电磁隔膜泵，型泵：功应用方面有。
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