音圈隔膜泵電磁驅動裝置的設計與仿真

傅 陽， 閆 獻， 吳瑞明， 楊禮康, 孫祝兵, 申慧敏, 朱康伍

(1.浙江科技學院機械與能源工程學院，浙江杭州 310012；2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州 310023；3.浙江聯宜電機有限公司，浙江金華 321000；4.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；5.上海航天控制技術研究所，上海 201109)

引言

在現代工業應用上，隔膜泵作為液體泵送裝置被稱作工業的“心臟”。隔膜泵主要分機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往復運動，致使泵頭腔體體積和壓力變化，而引起進液球閥和排液球閥的開啟和關閉，實現液體的吸入和排出[1]。

機械式隔膜泵通常采用旋轉驅動方式，由電機帶動連桿推動隔膜運動。機械式傳動裝置，需要多對摩擦副，系統配置相對復雜，而且摩擦往往帶來能量損失并產生噪聲[2]。此外，由于機械式隔膜泵采用電機作為動力裝置，一定程度上限制了其在狹窄工況下的應用。為了進一步提高隔膜泵的應用性能，利用電磁執行器驅動的隔膜泵應運而生，由于其無需復雜的傳動裝置，電磁力可以直接傳遞到柱塞上推動隔膜運動，簡化了隔膜泵的結構和制造工藝，有效提高了隔膜泵的運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，廣泛應用于泵送壓力需求不高、使用空間較小的領域，如汽車燃油泵、現代化農業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行器，其所需磁通量僅取決于螺線管，導致隔膜泵的功耗相對較高[7-9]。

為了提高電磁隔膜泵的運行效率，進一步降低泵的功耗損失，本研究提出了一種采用音圈結構的電磁隔膜泵。音圈電磁執行器作為驅動機構帶動隔膜運動，無需傳動裝置，系統結構相對簡單，可在多個領域作為微型泵使用，通過給電磁執行器施加永磁體，音圈電磁隔膜泵的功耗進一步得到了降低。

本研究主要介紹了以下三方面的內容：

(1) 建立了音圈電磁隔膜泵的理論模型，并初步確定各結構的參數；

(2) 通過有限元軟件探究穩態下永磁體和線圈幾何參數與電磁力之間的映射關系，進而對音圈電磁隔膜泵結構參數進行優化；

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

1 音圈式隔膜泵結構

圖1為音圈式電磁隔膜泵的驅動器和功能部件的幾何結構，主要由隔膜、線圈、上極片、下極片、磁鐵組成。磁鐵產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；隔膜由柔性材質制成并提供阻尼力和彈簧力。

圖2為音圈電磁執行器結構圖，對線圈施加圖中所示激勵，根據電動機定則，永磁體的磁場與線圈電流之間將產生方向向上的推動柔性隔膜運作的磁力，隔膜與電磁執行器之間的工作間隙將會增大，隔膜膨脹，腔體內壓力增大，流體被排出腔室；對線圈施加相反激勵，將產生方向向下的推動柔性隔膜運作的磁力，隔膜與電磁執行器之間的工作間隙將壓縮，腔室內的壓力降低，流體被吸入腔室，從而實現一次周期運作。

圖1 音圈電磁隔膜泵結構簡圖

圖2 音圈電磁執行器結構圖

2 驅動器結構參數設計

通過建立線圈幾何形狀，如線圈內徑、間距、寬度和匝數與產生的電磁力間的方程，以尋找最佳的線圈幾何形狀[10-11]。結構參數設計目的是在有限的空間中優化線圈的寬度、間距和匝數來促進最佳線圈布置，以在低功耗下產生足夠的磁力來驅動隔膜。

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

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系為：

I=(V0+Vbe)/Zb

(2)

式中，V0—— 音圈電磁執行器所加電壓

Zb—— 音圈電阻抗

Vbe—— 線圈在永磁體中運動所產生的反電動勢

對于電磁力與反電動勢之間的關系用力因子α進行表示：

(3)

在力因子α和電阻抗Zb已知的情況下，結合線圈運動速度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，其運動方程如下[13]：

(5)

式中，m—— 動音圈質量

c—— 阻尼系數

k—— 彈簧力系數

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能夠影響其所產生的電磁力,隔膜的彈力與阻尼力對動音圈的運動特性產生影響，進而影響電磁力的產生。為探究不同參數對電磁力產生的影響，結合理論公式建立音圈電磁隔膜泵初步結構，參數如表1所示。基于COMSOL Multiphysics 多物理場耦合仿真，控制變量，對電磁力特性進行仿真研究，并據此對音圈電磁隔膜泵進行結構優化設計。

表1 音圈電磁執行器結構參數

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格模型，該軟件以有限元法為基礎，可以對多種物理場進行耦合，廣泛應用于復雜場的求解[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、固體力學接口和多物理場耦合接口進行仿真，以接近更加真實的物理世界；同時模型為軸對稱結構，只需對一半的軸對稱模型進行仿真即可得到全部結果，故在仿真中建立其二維軸對稱模型，減少計算內存占用并提高仿真精度和計算效率[15-16]。

圖3 網格劃分模型

3.2 靜態場仿真分析

在仿真中添加參數化掃描接口，依次改變線圈的寬度、線圈纏繞的間隔和線圈的匝數，參數給定范圍如表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行器所產生磁力的影響，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行器通過3種類型永磁體產生的電磁力。其中，圖6為線圈不同匝數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，其結果并非完全線性化。仿真結果顯示，在永磁體確定時，線圈的幾何體(線圈寬度b、間隔l和匝數N)對電磁力產生的顯著影響，線圈幾何體積越大，其產生的電磁力就越大。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，對此器件結構，增大線圈幾何結構并不適用。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，為了找到最佳的執行器性能，使用合適的磁性材料比改變線圈的幾何參數更為重要。

圖6 不同線圈匝數下電磁力曲線

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。結果顯示，電阻抗隨周期變化而變化，在頻率約為12 Hz 時出現阻抗的峰值，該頻率為音圈隔膜泵固有頻率，在該頻率下，機械系統產生共振，不利于系統穩定運行，在后續研究中應避開。基于上述線圈結構參數，對式(3)進行積分，得到力因子α，優化結構參數如表2所示。

表2 結構參數

3.3 瞬態場仿真分析

針對上述優化參數，在仿真軟件中更新模型，并建立幾何參數與音圈電磁驅動器相同但結構不同的直動式電磁驅動器模型，如圖8所示。在保持線圈匝數、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果。

圖8 直動式電磁執行器結構

如圖9所示，給模型施加激勵，并調節激勵電壓的大小，得到峰值大小相同的電磁力變化曲線。其中，直動式電磁執行器電磁力變化曲線為柱塞未達到銜鐵位置情況下所測，以避免在到達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 兩種執行器的電磁力變化曲線對比

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

(6)

仿真可見，兩種系統在動態性能方面產生了非常相似的結果，但在功耗方面存在很大的差異。直動式電磁執行器需要消耗更大的能量來產生相同的電磁力，通過式(6)計算并比較，音圈電磁執行器可降低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勢。

圖10 電流變化曲線

4 結論

本研究將音圈電磁執行器與隔膜泵相結合，設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，利用穩態場求解器探究對音圈隔膜泵電磁力產生的影響因素，并依此構建動音圈電磁隔膜泵優化模型；在優化模型基礎上，利用瞬態場求解器探究本研究中音圈電磁隔膜泵執行器與直動式電磁執行器兩者的動態特性與電流特性，通過比較得到音圈電磁隔膜泵執行器功耗低的優勢。提出的音圈電磁隔膜泵，在微型泵和低功耗應用方面有著巨大前景。