CN107355362A - 永磁式空气泵 - Google Patents

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李振中
丁颖颖
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    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
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Abstract

本发明所述的永磁式空气泵是一种低压空气压缩设备，属于双缸或双隔膜、单相交流全波气泵，其驱动动力是靠永磁体的磁场与电磁场共同作用而产生的。永磁式空气泵，其驱动轴6的两侧分别安装有两块永磁体10、中间安装有固定在泵体3上的线圈4和空心铁芯5，驱动轴6在空心铁芯5内能沿轴向自由移动。当线圈4接通单相交流电源时，铁芯5在面向永磁体的一侧产生交变磁极，驱动轴6上两块磁体的磁极面向铁芯5一侧为相同极性(N极或S极)。由于驱动轴6在电磁场和永磁磁场的引力和斥力的作用下作直线往复运动，从而带动两活塞9或隔膜实现气泵吸气和压缩冲程。因为电磁式空气泵的驱动力只有电磁场吸引力，所以永磁式空气泵具有较好的节能效果。

Description

永磁式空气泵
技术领域
本发明涉及低压空气压缩领域，准确的说是一种永磁式短行程空气泵的设计方法。
背景技术
电磁式空气泵是一种低压空气压缩设备，属于单缸、单相交流半波气泵，主要适用于水产培苗养殖及酒店、宾馆蓄养鲜活水产品的加气增氧、市场活鲜摊点、养鱼等，也可作为食品机械、医疗机械及美工喷涂、霓虹灯广告制作、新型液化气等行业设备的气源配套。电磁式空气泵将电能直接转化为直线运动的机械能，无需曲柄连杆机构，所以电磁式空气泵具有结构简单、制造成本低的优点。附图1表示电磁式空气泵的基本工作原理示意图，图中上下两个串联线圈4上接有一个二极管，所以电磁式空气泵实际上是一个短行程半波电磁力驱动直线电机。工作时，假如当线圈4接通单相220V(50赫兹)交流电源且为上半周期时，铁芯5的上端为N极下端为S极。那么此时磁场吸引与非铁磁质驱动轴6及弹簧7相连的软磁质衔铁8、弹簧7被压缩、活塞9向右运动，同时进气阀打开出气阀关闭；当单相交流电下半周期时，线圈4内没有电流、弹簧7弹起并带动活塞9向左运动、同时进气阀关闭出气阀打开、气缸内的空气被压缩并从出气孔1流出。图1中的2表示气缸盖，3表示泵体。
从电磁式空气泵的驱动原理中不难发现，活塞9的驱动动力是靠线圈电流产生的磁场吸引软磁质8衔铁产生，由于电磁场磁极磁力线的法线方向与软磁质衔铁8在空间位置上不能相互对应；再者接通的单相交流电的频率为50赫兹，完成一次空气压缩的时间很短(0.02秒/次)，所以线圈铁芯5在轴向上不可能设计的过长；两个线圈4电流产生的电磁力小，只能设计制造小功率的空气泵。由于活塞9的行程很短，所以电磁式空气泵也可称之为振动空气泵。
发明内容
本发明所述的永磁式空气泵，是针对现有电磁式空气泵存在的上述弱点而设计的。永磁式空气泵，其压缩空气的驱动力靠通电线圈产生的磁场与永磁磁场共同作用产生；永磁式空气泵有两个活塞、两个出气孔属于双缸气泵、是一种短行程单相交流、全波直线往复电机。下面从永磁式空气泵的结构和驱动原理两方面具体说明。
附图2表示永磁式空气泵的基本结构形式和工作原理的示意图。永磁式空气泵的结构形式与电磁式空气泵相似，不同之处在于：永磁式空气泵只有一个线圈4、两个气缸、两个活塞9，连接两个活塞的连接驱动轴6上安装有两块圆形永磁体10。两块永磁体10的同性磁极(N极或S极)且极面面向线圈铁芯5；线圈铁芯5为组合式正方形中间为空心结构形式，其中空心部分用于间隙安装驱动轴6，驱动轴6能在轴向上自由移动。图中的4a表示线圈骨架且与泵体3相互固定，11表示进气孔，12表示减震垫。
永磁式空气泵的驱动原理：如附图2所示，假如线圈4接通单相220V(50赫兹)交流电源且为上半周期时，铁芯5的左侧为N极右侧为S极；左侧一块永磁体10的右侧为N极、右侧一块永磁体10的左侧为N极。根据磁铁具有的同性磁极相斥异性磁极相吸的原理，左侧永磁体的N极与固定在线圈骨架4a上铁芯5上N极相斥，从而带动左右两个活塞9向左运动(空心箭头表示)；右侧永磁体的N极与固定在线圈骨架4a上铁芯5上S极相吸引，也带动左右两个活塞9向左运动(空心箭头表示)。此时左侧活塞9向左运动、同时进气阀关闭出气阀打开、气缸内的空气被压缩并从出气孔1流出；右侧活塞9向左运动、同时进气阀打开出气阀关闭、空气进入气缸内。当线圈4接通的单相220V(50赫兹)交流电源为下半周期时，那么铁芯5的左侧为S极右侧为N极，而两块永磁体的磁极极性不变，所以两个活塞9在线圈电流产生的磁场与永磁体磁场的共同作用下向右运动。可见，在单相交流电流的一个周期内，左右两个活塞各完成一次进气和压缩冲程。两个活塞9的运动频率与单相交流电的频率相同，如果单相交流电源的频率为50赫兹，那么活塞往复运动的频率也是50次/秒；如果单相交流电源的频率为60赫兹，那么活塞往复运动的频率也是60次/秒。
通过以上分析：本发明所述的永磁式空气泵是一种低压空气压缩设备，属于双缸、单相交流全波气泵，其驱动动力是靠永磁体的磁场与电磁场共同作用而产生。非铁磁质驱动轴6的两侧分别安装有两个活塞9和两块永磁体10、中间安装有固定在泵体3上的线圈4和空心铁芯5，驱动轴6在空心铁芯5内能沿轴向自由移动。当线圈4接通单相交流电源时，铁芯5在面向永磁体的一侧产生交变磁极，驱动轴6上两块磁体10的磁极面向铁芯5一侧为相同极性；电磁极磁力线和永磁体磁力线的法线方向在一条直线上。由于驱动轴6在铁芯5磁场和永磁磁场的引力和斥力的作用下作直线往复运动，带动两活塞9实现气泵吸气和压缩冲程。因为电磁式空气泵的驱动力只有电磁场吸引软磁质衔铁8的作用力产生，所以永磁式空气泵具有较好的节能效果。
以上所述只是本发明的基本设计原理，在具体设计制造某一型号的永磁式空气泵时需要考虑解决一下两个方面的问题：一是对永磁体10的材质及各个参数的选择应与定子线圈电流产生的磁场强度相匹配；二是线圈铁芯5的结构形式必须合理；三是根据该设计原理可设计制造隔膜永磁式空气泵。
附图说明
附图1表示电磁式空气泵的基本结构和工作原理示意图。
附图2表示活塞永磁式空气泵的基本结构和工作原理示意图。
附图3表示隔膜永磁式空气泵的基本结构和工作原理示意图。
附图4表示永磁式空气泵的线圈骨架及铁芯结构示意图。
<1>出气孔，<2>气缸盖，<3>泵体，<4>定子线圈，<4a>线圈骨架，<5>软磁质铁芯(简称铁芯)，<6>非铁磁质驱动轴(简称驱动轴)，<7>弹簧，<8>软磁质衔铁，<9>活塞，<10>永磁体，<11>进气口，<12>减震垫，<13>气泵隔膜。
具体实施方式
利用永磁式空气泵的设计方法可制造活塞永磁式空气泵和隔膜永磁式空气泵。附图2表示活塞永磁式空气泵的结构及工作原理示意图，附图3表示隔膜永磁式空气泵的结构及工作原理示意图。图中的两块永磁体10为圆形中间设有圆孔，在永磁体的各项参数中重点考虑永磁体的剩磁、矫顽力和温度系数三个数值。永磁体的剩磁与材质有关，不同材质的永磁体其磁场强度差异很大但必须与永磁式空气泵的功率也就是线圈电流产生磁场强度相匹配；矫顽力是永磁体的重要参数，在磁体使用中，磁体矫顽力越高温度稳定性越好；再就是永磁体的工作温度，不同的永磁体其耐温极限不一样，一般工作温度不应超过80°高温。在气泵在特殊环境下使用也可选取耐温更高的永磁体。附图3表示双隔膜永磁式空气泵的结构及工作原理示意图，其驱动原理与活塞永磁式空气泵相同。
永磁式空气泵只有一个线圈绕组，其结构形式如附图4所示，软磁质铁芯5一般由薄片状硅钢片叠压而成。本发明所述的铁芯5是一个组合体，一般由硅钢片叠压而成的四块铁芯组成并用线圈骨架4a定位、中间为空心部分，非铁磁质驱动轴6从该空间穿过并能够与铁芯5无摩擦自由地沿轴向移动。铁芯5也可以设计制造成圆环形状，但必须考虑线圈交变电流产生的交变磁场、使铁芯内产生的涡流现象，所以必须采取切断涡流回路的措施。线架4a固定在泵体3上，铁芯5内孔应确保与驱动轴6相同的直线度。
总之，本发明所述的永磁式空气泵是一种低压空气压缩设备，属于双缸或双隔膜、单相交流全波气泵，从结构和驱动原理上将永磁式空气泵与电磁式空气泵相比较，可得到以下结论：a.两种空气泵的加工制造难易度基本相同，都具有结构简单、运行可靠的特点。b.两种气泵在相同体积、相同功率的情况下永磁式空气泵的出空气量增加一倍。c.永磁式空气泵由于永磁体磁场参与驱动力的产生，所以永磁式空气泵具有良好的节能效果。d.由于永磁式空气泵的线圈铁芯沿轴向设计，其尺寸大小不受振幅小等其他因素的限制，所以可设计功率比电磁式空气泵更大的气泵。e.电磁式空气泵设有两个独立串联在一起的线圈绕组，且两线圈串联由一个二极管，属于半波气泵；而永磁式空气泵为一个线圈绕组，属于单相交流全波气泵。

Claims (3)

1.永磁式空气泵属于单相交流全波气泵，利用永磁式空气泵的设计方法可设计制造活塞永磁式空气泵和隔膜永磁式空气泵；永磁式空气泵的驱动动力是靠永磁体的磁场与电磁场共同作用而产生；活塞永磁式空气泵的非铁磁质驱动轴6的两侧分别安装有两个活塞9和两块永磁体10、中间安装有固定在泵体3上的线圈4和空心铁芯5，驱动轴6在空心铁芯5内能沿轴向自由移动；隔膜永磁式空气泵的非铁磁质驱动轴6的两侧分别安装有两个隔膜13和两块永磁体10；当线圈4接通单相交流电源时，铁芯5在面向永磁体的一侧产生交变磁极，驱动轴6上两块永磁体的磁极面向铁芯5一侧为相同极性(N极或S极)；驱动轴6在电磁场和永磁磁场的引力和斥力的作用下作直线往复运动，从而完成气泵的吸气和压缩冲程。
2.根据权利要求1所述的活塞永磁式空气泵，其特征是：所述的活塞永磁式空气泵的非铁磁质驱动轴6的两侧分别安装有两个活塞9和两块永磁体10，两块永磁体10的形状可以为圆形中间带孔、也可为正方形中间带孔的形状。
3.根据权利要求1所述的固定在泵体3上的线圈4和空心铁芯5，其空心铁芯5是一个组合体，一般由硅钢片叠压而成的四块铁芯组成并用线圈骨架4a定位、中间为空心部分。
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