CN102305203B - 直线电机驱动柱塞泵 - Google Patents

Abstract

一种直线电机驱动柱塞泵，机械部分主要包括缸体I、缸体II、配流阀、吸入连通管、压出连通管、压紧法兰、柱塞杆、直线电机定子、直线电机动子、导轨，电气部分主要由直线电机、控制器、驱动器、位置反馈装置组成。其特征是：一组线圈式定子组合驱动永磁体动子，实现直线电机大推力输出。每台平板式直线电机驱动一根柱塞杆两端的两个柱塞，双作用柱塞杆往复运动时，一端吸水的同时另一端压水。两缸体通过吸入连通管和两个压出连通管实现柱塞泵吸水回路和压水回路有效连通。每个柱塞孔与一套由吸入阀和压出阀组成的配流阀相通。电气部分控制直线电机有相位差运动，能够使泵具有稳定的组合流量输出。本发明机械传动环节数少，***效率高，可靠性高。

Description

直线电机驱动柱塞泵

技术领域

本发明涉及一种直线电机驱动柱塞泵，属于泵类，适用于海淡水、矿物油等作工作介质的液压***中，在深海勘探、石油开采、食品加工、船舶舰艇等行业中有广泛的应用前景。

技术背景

传统的液压传动以矿物油作为工作介质，但矿物油存在易燃、泄漏和排放污染环境、长期使用容易氧化和变质、抗剪切能力差、粘度受油温影响大、再利用率低、废物处理难等弊端，特别是随着未来石油资源的逐渐枯竭，矿物油将成为稀有资源，成本会急剧增加，油压传动技术的发展将面临严峻考验。

水液压传动技术是一门具有可持续发展潜力的环保绿色技术。1环境友好性和产品的相容性；2抗燃性和安全性；3节约资源和成本低廉，另外，在海洋、江河、湖泊附近，开放式水液压***不必设置单独的水箱和冷却***，可以大大简化***结构、节约制造成本，对于使用空间比较紧张的潜艇、船舶、钻探平台等海洋环境具有十分突出的优越性。

液压泵是液压***的动力元件，是整个液压***的核心，其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，向整个液压***提供动力。国内有一定研究基础的中高压海淡水柱塞泵包括斜盘式轴向柱塞泵、斜轴式轴向柱塞泵。轴向柱塞泵有三对关键摩擦副难题待解决，包括柱塞-缸体、缸体-配流盘、斜盘-滑靴。正是由于未能解决好这三大摩擦副难题，现有水压柱塞泵容积效率及可靠性偏低。

传统变量柱塞泵通过调节斜盘倾角或电机转速实现变量。直线电机柱塞泵通过直线电机、驱动器、控制器、位置反馈装置等组成的伺服控制***调节电机冲次，易于实现柱塞泵变流量输出。其次，轴向柱塞泵和传统往复泵均采用普通旋转电机，通过中间转换机构，将电机的旋转运动转换为直线运动，然后带动柱塞往复运动。轴向柱塞泵和传统往复泵的结构决定了其压力、流量脉动大，振动噪声严重。直线电机柱塞泵采用直线电机动子直接与柱塞相连，在一定的柱塞运动规划下，理论上能实现多缸组合流量恒定，减缓压力、流量脉动及由此带来的振动噪声。直线电机驱动柱塞泵易于实现自动化控制，具智能容错功能，即使一台或两台电机故障，通过切换直线电机运动规划，仍然能实现柱塞泵组合流量稳定。

常规的平板式直线电机由一个永磁体定子、一个线圈动子、一根导轨和数个滑块等组成，滑块与动子连接，定子驱动动子在固定导轨上往复运动。线圈动子和滑块等消耗的惯性力较大，需求的直线电机额定推力较大。直线电机驱动柱塞泵，采用新型平板式直线电机。

该柱塞泵不仅符合液压传动新的发展方向，而且有效解决了现有水压柱塞泵关键摩擦副多且不易解决的难题。另一方面，该柱塞泵既可采用海淡水作工作介质，也宜采用矿物油作为传动介质。直线电机驱动柱塞泵易于实现自动化控制，即使一台或两台电机故障，通过控制***切换直线电机规划，仍能保证柱塞泵输出流量稳定，可靠性高，适用于变频调速泵控***。可以预见，本专利在流体传动与机电***中将具有广阔的应用前景。

发明内容

传统柱塞泵都通过中间转换机构，把旋转电机的旋转运动转换为柱塞的往复直线运动，效率低、结构庞杂，并且柱塞泵的变量机构复杂，不易实现自动化控制。另一方面，传统柱塞泵结构决定了柱塞泵不可避免的存在流量、压力脉动，导致***振动噪声大。第三，国内纯水柱塞泵技术，受制于多对关键摩擦副难题未能得到很好的解决，亟待突破。为了，解决这些技术难题，探索柱塞泵的新型式，本发明提出了一种直线电机驱动柱塞泵，属于泵类，采用海淡水、矿物油等作为工作介质。

本发明采用如下技术方案：

一种直线电机驱动柱塞泵，由机械部分和电气部分组成。机械部分主要包括缸体I1、吸入连通管2、两根压出连通管3、四个柱塞套5、四根柱塞杆6、四根导轨7、四组滑块8、四个动子9、四组定子11、四个压紧法兰13、缸体II15和八套配流阀12。电气部分包括一台控制器、四台驱动器、四台平板式直线电机、位置反馈装置等，电气部分又组成伺服驱动控制***。缸体I1和缸体II15分布在直线电机驱动柱塞泵的两端，缸体I1的吸入通孔17与缸体II15的吸入盲孔23在两缸体内侧经吸入连通管2相通，两缸体的压出盲孔18通过两根压出连通管3相连。四台直线电机两两对称布置，每台直线电机动子9通过压紧法兰13与一根柱塞杆6连接，缸孔16内嵌柱塞套形成柱塞孔，柱塞杆6两端的柱塞与柱塞孔间隙配合。八套配流阀12分别嵌入相应配流阀安装孔22内，配流阀12外端面由压盖14密封，每组柱塞-缸孔副与一套配流阀12对应。其电气部分包括每台直线电机由一台对应的驱动器驱动，控制器向四台驱动器输出一定相位差的控制信号，四台驱动器将控制信号放大后，再分别输出到相应的直线电机定子11，从而驱动对应的直线电机的动子9，动子9通过压紧法兰13带动柱塞杆6以一定的运动规划往复直线运动。

所述直线电机驱动柱塞泵也可含有2n或3n台直线电机，n≥1，每台直线电机与一个双作用柱塞杆相连，直线电机间以一定的相位差驱动柱塞杆在缸孔内往复运动，实现泵送功能。

若直线电机驱动柱塞泵含有2n台直线电机，2n台直线电机驱动2n个双作用柱塞杆以三角波，并分别错开90°相位运行，使多个柱塞的速度组合曲线恒定，确保泵组合流量保持稳定。若直线电机驱动柱塞泵含有3n台直线电机，3n台直线电机驱动3n个柱塞杆以一定的运动规划运行。n为奇数时，直线电机间以梯形波、分别错开120°相位运行；n为偶数时，直线电机间以三角波、分别错开90°相位运行或以梯形波、分别错开120°相位运行，保证柱塞泵输出组合流量达到恒定。

每台平板式直线电机包括一组线圈式定子11、一组永磁体式动子9、一个导轨7和两个滑块8；定子11和滑块8均安装固定，导轨7与动子9连接，滑块8对导轨7动子9起到导向与定位作用，使动子9与定子11保持一定的气隙；

缸体I1与缸体II15非对称；缸体I1轴向外端开有柱塞泵吸入口19，两缸体相对的面上分两列两行排列开有4个缸孔16，缸体I1的两侧面开有四个配流阀安装孔22，配流阀安装孔22之间开有吸入孔道I20，每个缸孔16与一个配流阀安装孔22相通配流阀安装孔22与吸入孔道I20和月牙槽I21连通，吸入孔道I20与配流阀吸入口28和位于缸体I1中心部位的吸入通孔17均连通，缸体I1的两个压出盲孔18位于吸入通孔17的上下两侧，压出盲孔18与配流阀安装孔22中部即配流阀压出口33相连通；缸体II15轴向外端开有柱塞泵压出口27，轴向内侧成两行两列均匀开四个缸孔16，每个缸孔16与相应配流阀安装孔22相通，配流阀安装孔22之间开有吸入孔道1125，吸入孔道1125通过月牙槽1124与配流阀安装孔22连通，缸体II15的吸入孔道1125与配流阀吸入口28和位于缸体II15的中心部位吸入盲孔23均连通，缸体II15的两个压出盲孔18位于吸入盲孔23的上下两侧，并与配流阀安装孔22中部即配流阀压出口33相连通，缸体II15的压出盲孔18通过竖直方向的压出孔道26实现压出盲孔18与柱塞泵压出口27相通；缸体I1、缸体II15由一根吸入连通管2和两根压出连通管3连接实现两缸体的吸入回路和压出回路相连通。

由吸入阀30和压出阀29组成的配流阀12采用一体式结构(已申请专利，专利申请号201110048541.8)，配流阀外端面由压盖14密封，吸入阀径向孔道32通过吸入孔道I20与吸入通孔17相通，或通过吸入孔道II25与吸入盲孔23相通，配流阀径向孔道31与缸孔16连通，配流阀压出口33在配流阀安装孔22上两两对置并与压出盲孔18连通。

采用柱塞副间隙自动补偿装置(已申请专利，专利申请号200910243654.6)进行柱塞腔密封或直接采用组合密封圈密封。

上述控制器控制所述的多台直线电机，使双作用柱塞杆6两端的柱塞I4和柱塞II10做周期性往复运动，四直线电机驱动八柱塞或二直线电机四柱塞以三角波、相差90°相位的运动规划运行，三直线电机六柱塞泵以梯形波、相差120°相位的运动规划运行都能实现柱塞泵输出稳定的组合流量。

通过调整直线电机动子9运动规划，调节柱塞I4和柱塞II10运动速度，实现柱塞泵的流量调节；或采用切换工作直线电机数目和直线电机动子9运动规划来实现流量调节。

上述的直线电机驱动柱塞泵，位置反馈装置检测到数台直线电机出现故障时，控制***自动切换直线电机动子9的运动规划以保证柱塞泵具有恒定的组合流量输出，减少流量脉动；所述的运动规划包括2n个双作用柱塞杆以三角波、相差90°相位运动，3n个双作用柱塞杆以梯形波、相差120°相位运动n为奇数，3n个双作用柱塞杆以梯形波、相差120°相位运动或以三角波、相差90°相位运动n为偶数。

上述的一种直线电机驱动柱塞泵也可采用柱塞泵两缸体对称，均采用缸体I1的结构，两缸体的两吸入通孔17内侧经吸入连通管2相通，两吸入通孔17外端与吸入总管连接，两缸体的压出通孔内侧由压出连通管3相连，压出通孔外端与压出总管连接，实现两缸体吸入回路和压出回路连通。上述的直线电机驱动柱塞泵，所述的直线电机采用传统结构，即平板式直线电机动子与多个滑块连接，导轨固定，定子驱动动子在导轨上往复运动。

上述的直线电机驱动柱塞泵的工作介质包括矿物油、海淡水和其他低黏度流体介质。

本发明可以取得如下有益效果：

该柱塞泵采用动铁式直线电机，有效克服高压流体阻力，并且减少了常用线圈式动子消耗的惯性力，降低了直线电机额定推力需求。也可以采用传统结构：平板式直线电机动子与多个滑块连接，导轨固定，定子驱动动子在导轨上往复运动。

该柱塞泵采用直线电机采用双作用柱塞杆，一端柱塞与缸孔组成的腔体在吸液的同时另一腔在压液，有效提高了柱塞泵的输出流量。

该柱塞泵缸体结构简单，仅通过两缸体内部开盲孔、工艺孔及连通管连接的方式，实现柱塞泵的两个缸体从一个柱塞泵吸入口19进液、一个柱塞泵压出口27出液，就能有效给予多套柱塞配流。

直线电机驱动柱塞泵，采用阀配流形式，抗污染性大大增强，有效减少了关键摩擦副数量，只存在柱塞-缸体副这对重要摩擦副，给水压柱塞泵的研制带来了新思路和新途径。

直线电机柱塞泵的单腔流量与柱塞的运动速度及截面积成线性关系。直线电机驱动3n个柱塞杆，以梯形波、分别错开120°相位(n为奇数)或者以三角波、分别错开90°相位(n为偶数)运行时，多个柱塞的速度组合曲线恒定，从而柱塞泵输出组合流量理论上能够达到恒定；当直线电机驱动2n个柱塞杆以三角波，并分别错开90°相位差运行时，泵组合流量理论上也能够保持稳定的。其次，该直线电机驱动柱塞泵具备智能容错功能。以四直线电机驱动柱塞泵为例，当四台直线电机以三角波、相差90°相位工作时，若位置反馈装置检测到一台直线电机出现故障，控制***自动切换直线电机运动规划，使各直线电机以梯形波、相差120°相位运行；当检测到两台直线电机出现故障时，再切换各直线电机运动规划到以三角波、相差90°相位工作，保证多个柱塞的速度组合曲线水平恒定，确保柱塞泵输出稳定的组合流量。传统轴向柱塞泵，柱塞数目为奇数个，理论上都存在流量脉动，并且实际流量脉动较大。该直线电机驱动柱塞泵通过多缸组合，理论上流量脉动为零，并且可靠性高，即使出现故障也能保证泵具有稳定的组合流量输出，减少流量脉动。

该柱塞泵易于实现变量和自动化控制，通过伺服控制***调整直线电机动子运动规划，调节柱塞运动速度，实现柱塞泵的流量调节；或采用切换工作直线电机数目和直线电机动子运动规划来实现流量调节，适用于变频调速泵控***。

通过材料再选择和结构微调，该柱塞泵既可以矿物油作工作介质，也可用海淡水及其他低粘度流体介质作工作介质，应用范围较广。

附图说明

附图1为本发明直线电机驱动柱塞泵主视图。

附图2为本发明直线电机驱动柱塞泵俯视图。

附图3为本发明直线电机驱动柱塞泵右侧视图。

附图4为本发明直线电机驱动柱塞泵主视方向剖切视图。

附图5为本发明直线电机驱动柱塞泵左侧视图。

附图6为附图4的俯视图。

附图7本发明直线电机驱动柱塞泵缸体I右侧视图。

附图8本发明直线电机驱动柱塞泵缸体I主视图。

附图9本发明直线电机驱动柱塞泵缸体II主视图。

附图10本发明直线电机驱动柱塞泵缸体II左侧视图。

附图11本发明直线电机驱动柱塞泵的配流阀组件右侧视图。

附图12本发明直线电机驱动柱塞泵的配流阀组件主视图。

附图13本发明直线电机驱动柱塞泵的配流阀组件左侧视图

附图14为直线电机驱动柱塞泵机械部分与电气部分关系简图。

图中：1、缸体I，2、吸入连通管，3、压出连通管，4、柱塞I，5、柱塞套，6、柱塞杆，7、导轨，8、滑块，9、动子，10、柱塞II，11、定子，12、配流阀，13、压紧法兰，14、压盖，15、缸体II，16、缸孔，17、吸入通孔，18、压出盲孔，19、柱塞泵吸入口，20、吸入孔道I，21、月牙槽I，22、配流阀安装孔，23、吸入盲孔，24、月牙槽II，25、吸入孔道II，26、压出孔道，27、柱塞泵压出口，28、配流阀吸入口，29、压出阀，30、吸入阀，31、配流阀径向孔道，32、吸入阀径向孔道，33、配流阀压出口。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明进一步说明。

实施例1

直线电机驱动柱塞泵包括机械部分和电气部分，机械部分和电气部分由直线电机动子联系起来。以含有四台直线电机的柱塞泵为例，直线电机驱动柱塞泵的每台直线电机分别由一台对应的驱动器驱动，控制器向四台驱动器输出一定相位差的控制信号，四台驱动器将控制信号放大后，再分别输出到相应的直线电机定子11，从而驱动对应的直线电机的动子9，动子9通过压紧法兰13带动柱塞杆6以一定的运动规划往复直线运动。

一组线圈式定子11组合驱动永磁体式动子9在固定滑块8上往复运动，永磁体动子9通过压紧法兰13带动双作用柱塞杆6往复运动，双作用柱塞杆6两端的柱塞I4和柱塞II10分别处于吸液行程和压液行程。假设直线电机动子9从左极限位置开始运动，柱塞I4从缸体I1的柱塞腔左死点进入吸液行程。柱塞腔内形成负压，大气压使流体经柱塞泵吸入口19、吸入孔道I20，克服吸入阀30弹簧力进入配流阀12中间腔，再流入柱塞腔内。与此同时，柱塞II10从缸体II15的柱塞腔左死点进入压液行程，柱塞腔内流体被压缩后，克服压出阀29弹簧力和压出盲孔18处的流体背压，流经压出盲孔18、压出孔道26至柱塞泵压出口27。当直线电机动子9到达右极限位置时，液体充满缸体I1的柱塞腔，吸入阀30阀板因受弹簧力作用，趋向关闭；同时，缸体II15的柱塞腔内流体都被排出，压出阀29阀板受弹簧力作用，趋向关闭。

当位置反馈装置检测到直线电机动子9到达右极限位置时，伺服控制***通过控制器、驱动器、线圈式定子11控制并驱动动子9反向运动。柱塞I4从缸体I1的柱塞腔右死点进入压液行程，被压缩的流体克服压出阀29弹簧力和压出盲孔18处的流体背压，流经缸体I1的压出盲孔18、压出连通管3和缸体II15的压出盲孔18，再经压出孔道26至柱塞泵压出口27流出。同时，柱塞II10从缸体II15的柱塞腔右死点进入吸液行程。柱塞腔内形成负压，大气压使流体经柱塞泵吸入口19、吸入通孔17、吸入连通管2、吸入盲孔23和吸入孔道1125，克服吸入阀30弹簧力进入配流阀12中间腔，再流入柱塞腔内。当直线电机动子9到达左极限位置时，液体充满缸体II15的柱塞腔，吸入阀30阀板因受弹簧力作用，趋向关闭；同时，缸体I1的柱塞腔内流体都被排出，压出阀29阀板受弹簧力作用，趋向关闭。至此，一台直线电机动子9在一个周期内，往复运动一次，双作用柱塞杆6两端的柱塞I4和柱塞II10均吸液、排液一次。

同理，其他几台直线电机动子9也带动柱塞杆6往复运动，并且各直线电机动子9在三角波或梯形波运动规划下以一定的相位差运动，实现柱塞泵吸液和排液。直线电机柱塞泵的单腔流量与柱塞的运动速度及截面积成线性关系。直线电机驱动3n个柱塞杆以一定的运动规划运行，n为奇数时，直线电机间以梯形波、分别错开120°相位运行；n为偶数时，直线电机间以三角波、分别错开90°相位运行或以梯形波、分别错开120°相位运行，保证柱塞泵输出组合流量达到恒定。多台直线电机驱动2n个柱塞杆以三角波，并分别错开90°相位差运行时，泵组合流量理论上也能够保持稳定的。假设四台直线电机以三角波、相差90°相位工作。当位置反馈装置检测到一台直线电机出现故障时，控制***自动切换直线电机运动规划，使各直线电机以梯形波、相差120°相位工作；当检测到两台直线电机出现故障时，控制***自动切换直线电机运动规划，使各直线电机以梯形波、相差90°相位工作，保证柱塞泵输出稳定的组合流量。

通过调整直线电机动子9运动规划，可以调节柱塞运动速度，实现柱塞泵的流量调节；或者采用切换工作直线电机数目和直线电机动子9运动规划来实现流量调节。

实施例2

柱塞泵的两缸体对称，均采用缸体I的结构，两缸体的两吸入通孔内侧经吸入连通管相通，两吸入通孔外端与吸入总管连接，两缸体的压出通孔内侧由压出连通管相连，压出通孔外端与压出总管连接，实现两缸体吸入回路和压出回路连通。该缸体结构的有益效果是适应柱塞泵的现场应用环境，可以从柱塞泵的一端吸液和另一端压液或从柱塞泵的同一端吸液和压液。

通过材料再选择和结构微调，该柱塞泵既可以矿物油作工作介质，也可用海淡水及其他低粘度流体介质作工作介质。

Claims (3)

1.一种直线电机驱动柱塞泵，其特征在于：由机械部分和电气部分组成；机械部分主要包括缸体Ⅰ（1）、吸入连通管（2）、两根压出连通管（3）、四个柱塞套（5）、四根双作用柱塞杆（6）、四个压紧法兰（13）、缸体Ⅱ（15）和八套配流阀（12）；电气部分包括一台控制器、四台驱动器、四台平板式直线电机、位置反馈装置，电气部分组成伺服驱动控制***；缸体Ⅰ（1）和缸体Ⅱ（15）分布在直线电机驱动柱塞泵的两端，缸体Ⅰ（1）的吸入通孔（17）与缸体Ⅱ（15）的吸入盲孔（23）在两缸体内侧经吸入连通管（2）相通，两缸体的压出盲孔（18）通过两根压出连通管（3）相连；四台直线电机两两对称布置，每台直线电机动子（9）通过压紧法兰（13）与一根双作用柱塞杆（6）连接，缸孔（16）内嵌柱塞套形成柱塞孔，双作用柱塞杆（6）两端的柱塞与柱塞孔间隙配合；八套配流阀（12）分别嵌入相应配流阀安装孔（22）内，配流阀（12）外端面由压盖（14）密封，每组柱塞-缸孔副与一套配流阀（12）对应；

每台平板式直线电机包括一组线圈式定子(11)、一组永磁体式动子(9)、一个导轨(7)和两个滑块(8)；定子(11)和滑块(8)均安装固定，导轨(7)与动子(9)连接，滑块(8)对导轨(7)、动子(9)起到导向与定位作用，使动子(9)与定子(11)保持一定的气隙；

每台平板式直线电机由一台对应的驱动器驱动，控制器向四台驱动器输出一定相位差的控制信号，四台驱动器将控制信号放大后，再分别输出到相应的直线电机定子（11），从而驱动对应的直线电机的动子（9），动子（9）通过压紧法兰（13）带动双作用柱塞杆（6）以一定的运动规划往复直线运动；

缸体Ⅰ（1）与缸体Ⅱ（15）非对称；缸体Ⅰ（1）轴向外端开有柱塞泵吸入口（19），两缸体相对的面上分两列两行排列开有4个第一缸孔，缸体Ⅰ（1）的两侧面对称，各开有两个配流阀安装孔，缸体Ⅰ的配流阀安装孔之间开有吸入孔道Ⅰ（20），每个第一缸孔（16）与一个缸体Ⅰ的配流阀安装孔相通，缸体Ⅰ的配流阀安装孔与吸入孔道Ⅰ（20）和月牙槽Ⅰ（21）连通，吸入孔道Ⅰ（20）与缸体Ⅰ的配流阀吸入口和位于缸体Ⅰ（1）中心部位的吸入通孔（17）均连通，缸体Ⅰ（1）的两个压出盲孔位于吸入通孔（17）的上下两侧，压出盲孔（18）与缸体Ⅰ的配流阀安装孔中部即配流阀压出口相连通；

缸体Ⅱ（15）轴向外端开有柱塞泵压出口（27），轴向内侧成两行两列均匀开四个第二缸孔，该缸体Ⅱ（15）的两侧面对称，各开有两个缸体Ⅱ的配流阀安装孔，每个第二缸孔（16）与相应缸体Ⅱ的配流阀安装孔相通，缸体Ⅱ的配流阀安装孔之间开有吸入孔道Ⅱ（25），吸入孔道Ⅱ（25）通过月牙槽Ⅱ（24）与缸体Ⅱ的配流阀安装孔连通，缸体Ⅱ（15）的吸入孔道Ⅱ（25）与缸体Ⅱ的配流阀吸入口和位于缸体Ⅱ（15）的中心部位吸入盲孔（23）均连通，缸体Ⅱ（15）的两个压出盲孔位于缸体Ⅱ的吸入盲孔的上下两侧，并与缸体Ⅱ的配流阀安装孔中部即配流阀压出口相连通，缸体Ⅱ（15）的压出盲孔通过竖直方向的压出孔道（26）实现压出盲孔与柱塞泵压出口（27）相通。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动柱塞泵，其特征在于：采用切换工作直线电机数目和直线电机动子（9）运动规划来实现流量调节。

3.根据权利要求1或2所述的一种直线电机驱动柱塞泵，其特征在于：所述柱塞泵的工作介质包括矿物油、海淡水和其他低黏度流体介质。

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