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1、磁力弹簧共振类压电气泵研析第一章绪论1.1引言气体隔膜泵作为流体泵的一种,近年在医药生物、精细化工、航空航天、微机电系统等领域得到了越来越广泛的应用,工作介质也从低粘度微可压缩流体扩展到大粘度液体、颗粒流和可压缩的气体。例如,在医疗上,有些病人需要定时持续的给药,如果用液体泵直接给药,由于泵腔受气穴现象等影响,其输出性能并不稳定,所以如果利用气体隔膜泵间接输送药液则对药液量的控制更精确更稳定[18]。目前市场上的气体隔膜泵主要有利用电机凸轮机构驱动的电磁隔膜泵和利用压电振子驱动的压电隔膜泵两大类,电磁隔膜泵工作原理如图1.1所示,由偏心电机带动连接杆,连接杆推动隔膜上下振动,改变了腔体体
2、积,在两被动阀片的配合动作下,形成了对流体的单向驱动。电磁隔膜泵在实际应用过程中输出流量较大,输出压力较高并且性能稳定,但是它存在结构复杂、成本高、噪声大等问题。压电隔膜泵的工作原理如图1.2所示,它是金属基板在压电陶瓷的作用下直接作用于流体,配合入口阀和出口阀的交替开启和关闭形成对流体的定向输送。由于基板变形太小,而气体的压缩性又较大,所产生的腔体的变化大部分消耗于对气体的压缩,无法形成足够的压力差打开或关闭被动阀,因而形成不了对气体的有效输出。而压电泵腔体内存在气固耦合引发了压电振子的自激振动,又工作在全封闭状态下,压电振子的振动不能全部转化为对气体的驱动,再加上气体的流动性差、散热
3、能力差,导致发热积累严重,造成压电振子过热、易碎裂、易退极化等问题。气泵与水泵相比需要更大的容积变化率才能达到较好的输出能力。因此,迫切需要设计一种压电隔膜泵,要求其结构简单、噪声小、压电振子寿命高,输出的位移和力大。但是由于压电振子硬而脆,通常使用的环形压电振子输出力大但输出位移小,因此单纯依靠提高压电振子的变形而实现大振幅驱动是有困难的,而利用由压电振子构成的振动元在共振状态下振幅大的特点构造共振式气体隔膜泵则可以解决这个问题。振动元通常使用的弹簧为金属弹簧,诸如圆板弹簧和矩形弹簧片等,但是金属弹簧在使用过程中存在噪音大、易疲劳断裂且刚度调整极其不方便等问题,而磁力弹簧在这些方面则有
4、绝对的优势,随着近年来对磁力弹簧的研究日趋成熟,将磁力弹簧用于共振泵,既可以使系统结构简化、降低噪音,还可以增加系统的可靠性和稳定性[3]。因此,本文提出了磁力弹簧式压电型共振气泵。1.2磁力弹簧研究现状磁力弹簧目前有两种,一种是完全由永磁铁组成的永磁弹簧,另一种由电磁铁与永磁铁组成的混合式磁力弹簧。这两种永磁弹簧都具有结构简单、无接触、无摩擦磨损和刚度成非线性的特性。其中混合式磁力弹簧可以通过调整电磁铁的电流大小来控制和调整磁力弹簧的刚度。近年,随着高性能磁铁材料的不断涌现,使得磁力的使用范围不断扩大,最为典型的应用就是磁悬浮列车、磁力轴承。磁悬浮列车按悬浮方式可分为电磁悬浮系统和电力
5、悬浮系统两大类。电磁悬浮系统(EMS)是依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列;电力悬浮系统(EDS)是将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车,属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列。磁悬浮列车主要包括悬浮系统、导向系统和动力系统三部分。悬浮系统主要依靠轨道底部线圈和车载电磁铁之间产生电动斥力来实现;导向系统主要依赖于轨道侧壁线圈和车载电磁铁相互作用来实现。动力系统采用直线电机,它是根据麦克斯韦电磁场动力学理论来制造的,并借助于在运行过程中产生电磁推力来推动和维持列车
6、运行。其具体工作原理如图1.6所示。我国自从20世纪80年代以来就开始了常导磁悬浮列车的研究。2001年2月10日,西南交通大学的国家863计划课题《高温超导磁悬浮试验车》通过了验收,该车是于2000年12月底在西南交通大学研制成功,悬浮重量为530kg,悬浮高度为23mm。它成功的意义在于首次通过试验研究了用在磁导轨上的YBCO高温超导体块的磁悬浮性能,为高温超导磁悬浮列车的研制奠定了基础。国内建成的上海磁悬浮列车世界第一条磁悬浮列车示范运营线,从浦东龙阳路站到浦东国际机场,三十多公里路程只需6~7分钟。第二章磁力弹簧特性研究磁力弹簧作为共振泵激振体的主要组成部分,为共振泵整个机械系统
7、提供弹性支撑,本章将利用磁荷观点对磁力弹簧轴向力和轴向刚度进行分析和测量。2.1磁力弹簧的基本结构磁力弹簧根据产生磁力的方式不同,可以分为电磁弹簧和永磁弹簧两类。在此,以永磁弹簧为例对其基本结构进行说明[8]。磁力弹簧结构简单,如图2.1所示,环形永磁铁4固定在圆盘5上,轴1固定在圆盘的中心,并保持和环形磁铁4同心。环形磁铁2固定在圆盘3上,在圆盘3的中心处有一通孔,轴1在通孔中穿过,因此,环形磁铁2可以沿轴1轴向运动。相反的,环形
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