音圈隔膜泵電磁驅(qū)動裝置的設(shè)計與仿真

傅 陽， 閆 獻(xiàn)， 吳瑞明， 楊禮康, 孫祝兵, 申慧敏, 朱康伍

(1.浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江杭州 310012；2.浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，浙江杭州 310023；3.浙江聯(lián)宜電機(jī)有限公司，浙江金華 321000；4.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；5.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

引言

在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用上，隔膜泵作為液體泵送裝置被稱作工業(yè)的“心臟”。隔膜泵主要分機(jī)械式隔膜泵和電磁隔膜泵兩類，其原理為動力裝置帶動隔膜在泵頭內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，致使泵頭腔體體積和壓力變化，而引起進(jìn)液球閥和排液球閥的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)液體的吸入和排出[1]。

機(jī)械式隔膜泵通常采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式，由電機(jī)帶動連桿推動隔膜運(yùn)動。機(jī)械式傳動裝置，需要多對摩擦副，系統(tǒng)配置相對復(fù)雜，而且摩擦往往帶來能量損失并產(chǎn)生噪聲[2]。此外，由于機(jī)械式隔膜泵采用電機(jī)作為動力裝置，一定程度上限制了其在狹窄工況下的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高隔膜泵的應(yīng)用性能，利用電磁執(zhí)行器驅(qū)動的隔膜泵應(yīng)運(yùn)而生，由于其無需復(fù)雜的傳動裝置，電磁力可以直接傳遞到柱塞上推動隔膜運(yùn)動，簡化了隔膜泵的結(jié)構(gòu)和制造工藝，有效提高了隔膜泵的運(yùn)行效率并且適用于狹窄的工況[3]。電磁隔膜泵作為一種微型泵，廣泛應(yīng)用于泵送壓力需求不高、使用空間較小的領(lǐng)域，如汽車燃油泵、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)滴灌和生物工程的加藥泵等[4-6]。然而，由于此類隔膜泵目前基本采用直動式的電磁執(zhí)行器，其所需磁通量僅取決于螺線管，導(dǎo)致隔膜泵的功耗相對較高[7-9]。

為了提高電磁隔膜泵的運(yùn)行效率，進(jìn)一步降低泵的功耗損失，本研究提出了一種采用音圈結(jié)構(gòu)的電磁隔膜泵。音圈電磁執(zhí)行器作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動隔膜運(yùn)動，無需傳動裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，可在多個領(lǐng)域作為微型泵使用，通過給電磁執(zhí)行器施加永磁體，音圈電磁隔膜泵的功耗進(jìn)一步得到了降低。

本研究主要介紹了以下三方面的內(nèi)容：

(1) 建立了音圈電磁隔膜泵的理論模型，并初步確定各結(jié)構(gòu)的參數(shù)；

(2) 通過有限元軟件探究穩(wěn)態(tài)下永磁體和線圈幾何參數(shù)與電磁力之間的映射關(guān)系，進(jìn)而對音圈電磁隔膜泵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

(3) 在多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics中進(jìn)行瞬態(tài)多物理場仿真，通過有限元軟件在瞬態(tài)下對電磁力特性曲線和電流特性曲線進(jìn)行實時分析，進(jìn)而驗證音圈電磁隔膜泵在降低功耗方面的有效性。

1 音圈式隔膜泵結(jié)構(gòu)

圖1為音圈式電磁隔膜泵的驅(qū)動器和功能部件的幾何結(jié)構(gòu)，主要由隔膜、線圈、上極片、下極片、磁鐵組成。磁鐵產(chǎn)生的磁場由軟鐵制成上極片和下極片聚集到窄縫中；在窄縫中，電磁線圈纏繞在與隔膜固定的線圈架上；隔膜由柔性材質(zhì)制成并提供阻尼力和彈簧力。

圖2為音圈電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，對線圈施加圖中所示激勵，根據(jù)電動機(jī)定則，永磁體的磁場與線圈電流之間將產(chǎn)生方向向上的推動柔性隔膜運(yùn)作的磁力，隔膜與電磁執(zhí)行器之間的工作間隙將會增大，隔膜膨脹，腔體內(nèi)壓力增大，流體被排出腔室；對線圈施加相反激勵，將產(chǎn)生方向向下的推動柔性隔膜運(yùn)作的磁力，隔膜與電磁執(zhí)行器之間的工作間隙將壓縮，腔室內(nèi)的壓力降低，流體被吸入腔室，從而實現(xiàn)一次周期運(yùn)作。

圖1 音圈電磁隔膜泵結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 音圈電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

2 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

通過建立線圈幾何形狀，如線圈內(nèi)徑、間距、寬度和匝數(shù)與產(chǎn)生的電磁力間的方程，以尋找最佳的線圈幾何形狀[10-11]。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計目的是在有限的空間中優(yōu)化線圈的寬度、間距和匝數(shù)來促進(jìn)最佳線圈布置，以在低功耗下產(chǎn)生足夠的磁力來驅(qū)動隔膜。

給音圈電磁隔膜泵施加激勵，永磁體與線圈之間的電磁力可以用以下方程表示[12]：

(1)

式中，I—— 通過線圈的電流

r—— 線圈半徑

N—— 線圈的匝數(shù)

Br—— 剩磁磁通密度

A—— 線圈域橫截面積

通過線圈的電流與外加電壓的關(guān)系為：

I=(V0+Vbe)/Zb

(2)

式中，V0—— 音圈電磁執(zhí)行器所加電壓

Zb—— 音圈電阻抗

Vbe—— 線圈在永磁體中運(yùn)動所產(chǎn)生的反電動勢

對于電磁力與反電動勢之間的關(guān)系用力因子α進(jìn)行表示：

(3)

在力因子α和電阻抗Zb已知的情況下，結(jié)合線圈運(yùn)動速度v可以得到：

Fe=(αV0-vα2)/Zb

(4)

在音圈電磁隔膜泵模型中，所加彈簧力和阻尼力由隔膜提供，其運(yùn)動方程如下[13]：

(5)

式中，m—— 動音圈質(zhì)量

c—— 阻尼系數(shù)

k—— 彈簧力系數(shù)

f—— 模型中需考慮的附加干摩擦力

式(5)表明，永磁材料屬性、線圈幾何形狀和線圈匝數(shù)能夠影響其所產(chǎn)生的電磁力,隔膜的彈力與阻尼力對動音圈的運(yùn)動特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響電磁力的產(chǎn)生。為探究不同參數(shù)對電磁力產(chǎn)生的影響，結(jié)合理論公式建立音圈電磁隔膜泵初步結(jié)構(gòu)，參數(shù)如表1所示?；贑OMSOL Multiphysics 多物理場耦合仿真，控制變量，對電磁力特性進(jìn)行仿真研究，并據(jù)此對音圈電磁隔膜泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

表1 音圈電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 有限元建模及仿真分析

3.1 有限元仿真模型

圖3為COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件中建立的二維軸對稱網(wǎng)格模型，該軟件以有限元法為基礎(chǔ)，可以對多種物理場進(jìn)行耦合，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜場的求解[14]。本研究對音圈電磁隔膜泵模型添加磁場接口、洛倫茲力耦合、固體力學(xué)接口和多物理場耦合接口進(jìn)行仿真，以接近更加真實的物理世界；同時模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，只需對一半的軸對稱模型進(jìn)行仿真即可得到全部結(jié)果，故在仿真中建立其二維軸對稱模型，減少計算內(nèi)存占用并提高仿真精度和計算效率[15-16]。

圖3 網(wǎng)格劃分模型

3.2 靜態(tài)場仿真分析

在仿真中添加參數(shù)化掃描接口，依次改變線圈的寬度、線圈纏繞的間隔和線圈的匝數(shù)，參數(shù)給定范圍如表1所示。同時給出3種永磁體材料(釹磁鐵、釤鈷磁鐵和鋁鎳鈷磁鐵)以探究其對音圈隔膜泵執(zhí)行器所產(chǎn)生磁力的影響，3種材料剩磁磁通密度分別為1.40，1.17，0.72 T。

圖4 不同線圈寬度下電磁力曲線

圖5 不同線圈間隔下電磁力曲線

圖4～圖6顯示了音圈電磁隔膜泵執(zhí)行器通過3種類型永磁體產(chǎn)生的電磁力。其中，圖6為線圈不同匝數(shù)條件下電磁力變化曲線，由于有限元仿真磁場研究中磁化模型為B-H非線性永磁體，其結(jié)果并非完全線性化。仿真結(jié)果顯示，在永磁體確定時，線圈的幾何體(線圈寬度b、間隔l和匝數(shù)N)對電磁力產(chǎn)生的顯著影響，線圈幾何體積越大，其產(chǎn)生的電磁力就越大。本研究中動音圈電磁隔膜泵模型，磁場需聚集到頂板與極片形成的窄縫中，對此器件結(jié)構(gòu)，增大線圈幾何結(jié)構(gòu)并不適用。對于所有線圈尺寸，永磁體的影響是顯著的，釹磁鐵在本研究材料中產(chǎn)生的力最大，這是因為釹磁鐵具有高剩磁磁通密度Br。因此，為了找到最佳的執(zhí)行器性能，使用合適的磁性材料比改變線圈的幾何參數(shù)更為重要。

圖6 不同線圈匝數(shù)下電磁力曲線

圖7 阻抗隨周期變化曲線

為求解音圈阻抗，在研究中添加頻域分析，對線圈施加電壓為4 V且周期不同的電信號，如圖7所示。結(jié)果顯示，電阻抗隨周期變化而變化，在頻率約為12 Hz 時出現(xiàn)阻抗的峰值，該頻率為音圈隔膜泵固有頻率，在該頻率下，機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在后續(xù)研究中應(yīng)避開?；谏鲜鼍€圈結(jié)構(gòu)參數(shù)，對式(3)進(jìn)行積分，得到力因子α，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 瞬態(tài)場仿真分析

針對上述優(yōu)化參數(shù)，在仿真軟件中更新模型，并建立幾何參數(shù)與音圈電磁驅(qū)動器相同但結(jié)構(gòu)不同的直動式電磁驅(qū)動器模型，如圖8所示。在保持線圈匝數(shù)、彈簧力和阻尼力一致的情況下，給模型通入頻率相同的激勵信號并分析仿真結(jié)果。

圖8 直動式電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

如圖9所示，給模型施加激勵，并調(diào)節(jié)激勵電壓的大小，得到峰值大小相同的電磁力變化曲線。其中，直動式電磁執(zhí)行器電磁力變化曲線為柱塞未達(dá)到銜鐵位置情況下所測，以避免在到達(dá)銜鐵位置時的瞬時衰減[17]。在兩種模型電磁力峰值相同的情況下，電流變化曲線如圖10所示。

圖9 兩種執(zhí)行器的電磁力變化曲線對比

結(jié)合圖9與圖10，在本研究中所通頻率激勵下，一個周期內(nèi)的音圈電磁執(zhí)行器和直動式電磁執(zhí)行器功耗計算如下：

(6)

仿真可見，兩種系統(tǒng)在動態(tài)性能方面產(chǎn)生了非常相似的結(jié)果，但在功耗方面存在很大的差異。直動式電磁執(zhí)行器需要消耗更大的能量來產(chǎn)生相同的電磁力，通過式(6)計算并比較，音圈電磁執(zhí)行器可降低85.4%的功耗。可見，音圈電磁隔膜泵這種微型泵在功耗方面的優(yōu)勢。

圖10 電流變化曲線

4 結(jié)論

本研究將音圈電磁執(zhí)行器與隔膜泵相結(jié)合，設(shè)計了一種動音圈式電磁隔膜泵，并在有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics中建立多物理場耦合模型，利用穩(wěn)態(tài)場求解器探究對音圈隔膜泵電磁力產(chǎn)生的影響因素，并依此構(gòu)建動音圈電磁隔膜泵優(yōu)化模型；在優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，利用瞬態(tài)場求解器探究本研究中音圈電磁隔膜泵執(zhí)行器與直動式電磁執(zhí)行器兩者的動態(tài)特性與電流特性，通過比較得到音圈電磁隔膜泵執(zhí)行器功耗低的優(yōu)勢。提出的音圈電磁隔膜泵，在微型泵和低功耗應(yīng)用方面有著巨大前景。