一种柱塞泵及其控制方法
技术领域
本发明涉及流体输送技术领域中的一种柱塞泵及其控制方法。
背景技术
柱塞泵可谓最古老的泵种之一，具有压力大，计量精度高，启停惯性小，无需预注水、容易控制等优点。但现有的柱塞泵大都结构复杂，主要有两方面的原因：其一，现有柱塞泵大都通过曲柄连杆将转动能转换成柱塞所需的直线运动能；其二，大都通过较复杂的止回阀和管路达到连续流的目的。
中国发明专利CN2720163公开了一种交流电自动供水水泵，该发明采用电磁力驱动水泵柱塞，除了出水口的止回阀，另一个止回阀设置在柱塞体上。但是，因为其采用单个柱塞，所以只能提供脉冲水流；另外，由于其中一个止回阀设置在泵体上，使得该水泵整体结构仍然比较复杂，不仅造价高，也无法用于一些空间受限的场合。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种柱塞泵，其结构简单，运行可靠；以及一种柱塞泵控制方法，其能使流经柱塞泵的流体连续流出。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种柱塞泵，其包括管状的泵体，所述泵体的外侧沿轴向方向设有至少两个用于驱动柱塞的励磁线圈；至少两个永磁的柱塞，各所述柱塞分别与励磁线圈一一对应，所述柱塞均活动安装在泵体内，且能沿泵体的轴向方向移动，相邻的两个柱塞磁场方向相反，各所述柱塞上分别设有止回阀，各所述止回阀的导流方向相同。
根据本发明第一方面实施例，进一步地，各所述柱塞分别设有相应的止行机构，所述止行机构包括限位卡簧和复位弹簧，所述止行机构位于柱塞的出液端，所述限位卡簧固定在泵体的内侧，所述复位弹簧的一端与限位卡簧相接，所述复位弹簧的另一端固定在柱塞的端面上。
根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述止行机构还包括至少一个磁性的止行圈，各所述止行圈分别位于各柱塞的进液端，所述止行圈固定在泵体的外侧，所述止行圈的磁场方向与相应的柱塞的磁场方向相反。
根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述泵体的进液端内侧设有防脱卡簧，所述防脱卡簧与最接近泵体进液端的柱塞相对。
根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述柱塞上设有轴向的阶梯孔，所述止回阀包括挡杆以及与挡杆连接的瓣膜，所述挡杆沿柱塞的径向固定在阶梯孔的大径段，所述瓣膜与阶梯孔的台肩相抵接。
根据本发明的第二方面实施例，提供一种柱塞泵控制方法，各柱塞的单个活动周期的时间相等，柱塞的单个活动周期的行程包括依次进行的做功行程和复位行程，所述做功行程为励磁线圈驱动柱塞向出液端移动的行程，所述复位行程为复位弹簧驱动柱塞向进液端移动的行程，所述做功行程的时间大于复位行程的时间，各柱塞的做功行程或复位行程相互错开并有重叠地均匀分配整个柱塞泵的全周期，泵体内始终有至少一个柱塞处于做功行程。
根据本发明第二方面实施例，进一步地，各励磁线圈分别包括多个串联的绕组群，所述绕组群包括至少一个绕组，每两个相邻的绕组之间通过导线抽头连接，在各柱塞的做功行程中，芯片控制供电电路向各励磁线圈中的绕组群依次供电，各励磁线圈的磁场大小沿流体流动方向产生变化。
根据本发明第二方面实施例，进一步地，各励磁线圈中绕组群的数量为2x个，各柱塞的单个活动周期时间分别均分为3x个时段，在各柱塞的第一时段开始至第2x时段末期间，供电电路分别依次供电至相应励磁线圈的第一绕组群至第2x绕组群，每一时段向一个绕组群供电；在各柱塞的第2x时段末至第3x时段末期间，各柱塞在复位弹簧的作用下分别复位；各柱塞在泵体内沿流体流动方向依次排序，当第N个柱塞的第x时段结束后至第2x时段结束前，第N+1个柱塞的第一时段开始；当第N+1个柱塞的第2x时段结束前，第N个柱塞的新一活动周期的第一时段开始，x和N均为正整数。
根据本发明第二方面实施例，进一步地，各所述励磁线圈中绕组的数量均为2x+2个，每三个相邻的绕组串联形成一个绕组群，在各柱塞的第一至第2x任一时段中，被供电的绕组群中的中间绕组通过滤波电路将感应电动势输入与门电路的一个输入端，所述中间绕组通过分压电路将分压信号输入与门电路的另一输入端，与门电路通过芯片控制供电电路，当与门电路输出高电平时，供电电路向下一绕组群供电。
根据本发明第二方面实施例，进一步地，泵体的出液端设有用于检测压力和/或流速的传感器，所述传感器将压力和/或流速信号反馈到芯片，芯片将传感器的反馈信号值与预设信号值比较：当反馈信号值大于预设信号值与预设误差值之和时，减小供电电路输出的供电电流大小；当反馈信号值小于预设信号值与误差信号值之差时，增大供电电路输出的供电电流大小。
本发明的有益效果是：本发明通过励磁线圈驱动泵体内的柱塞做功，再通过复位弹簧使柱塞复位，实现柱塞的往复运动，泵体内的流体从柱塞的止回阀流通，且由于励磁线圈设置在泵体外，泵体内流经的液体很好地解决了其散热问题。另外，每个柱塞的做功行程时间大于其复位行程时间，各柱塞有重叠地衔接交替处于做功行程，使泵体内始终至少有一个柱塞在做功，保证了各止回阀无缝连接，从而保证了柱塞泵出水的连续性和平稳性。本发明结构简单，运行可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明中柱塞泵的剖视图(柱塞相互分离状态)；
图2是本发明中柱塞泵的剖视图(柱塞相互靠近状态)；
图3是本发明的柱塞的剖视图；
图4是本发明实施例中柱塞处于第一时段的示意图；
图5是本发明实施例中柱塞处于第六时段的示意图；
图6是本发明实施例中励磁线圈的电路连接示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1～图3，本发明实施例中的柱塞泵，其包括管状的泵体50和至少两个永磁的柱塞10，泵体50的外侧沿轴向方向设有至少两个用于驱动柱塞10的励磁线圈20，各柱塞10分别与励磁线圈20一一对应。柱塞10均活动安装在泵体50内，且能沿泵体50的轴向方向移动，相邻的两个柱塞10磁场方向相反，避免柱塞10的移动过程中发生碰撞。各柱塞10上分别设有止回阀，各止回阀的导流方向相同。励磁线圈20通过改变磁场驱动柱塞10沿泵体50的轴向方向移动，由于柱塞10在泵体50内移动，因此泵体50内的液体通过柱塞10上的止回阀向一个方向流动，并最终从泵体50的出液端被泵出。流体直接流经泵体50内，而励磁线圈20又布置在泵体50外部，很好地解决了励磁线圈20的散热问题。
可选地，根据所需的柱塞泵总出液压力、每个励磁线圈20的最大功率以及柱塞10的最大安全耐压，计算泵体50内应设置的柱塞10的数量。在某些实施例中，柱塞泵为双柱塞泵，即泵体50内共有两个柱塞10，因为总有一段时间只有其中一个柱塞10处于做功行程，并独立承受总出液压力，所以柱塞泵的总出液压由一个励磁线圈20的功率及一个柱塞10的最大安全耐压决定。在某些实施例中，泵体50内共有三个柱塞10，通过对供电电路及励磁线圈20的合理设置，可使任一时刻均有两个柱塞10同处于做功行程，因此柱塞泵的总出液压可以达到两个单独双柱塞泵的压力总和，如此类推。在某些需要高压或特高压的场合，通过在一个泵体50中增加柱塞10及对应的励磁线圈20的数量，既能增加出液总压力，达到多级泵的效果，又可减少既昂贵又易漏的高压接头。
各柱塞10分别设有相应的止行机构，既避免柱塞10脱出泵体50或与相邻的其他柱塞10相撞，也能使柱塞10完成复位。止行机构包括限位卡簧31和复位弹簧32，止行机构位于柱塞10的出液端，限位卡簧31固定在泵体50的内侧，复位弹簧32的一端与限位卡簧31相接，复位弹簧32的另一端固定在柱塞10的端面上。进一步地，止行机构还包括至少一个磁性的止行圈34，各止行圈34分别位于各柱塞10的进液端，止行圈34固定在泵体50的外侧，止行圈34的磁场方向与相应的柱塞10的磁场方向相反，从而对柱塞10有斥力，防止柱塞10过于靠近止行圈34。再进一步地，泵体50的进液端内侧设有防脱卡簧33，防脱卡簧33与最接近泵体50进液端的柱塞10相对，防止该柱塞10从泵体50的进液端脱出。
可选地，柱塞10上设有轴向的阶梯孔，止回阀包括挡杆41以及与挡杆41连接的瓣膜42，挡杆41沿柱塞10的径向固定在阶梯孔的大径段，瓣膜42与阶梯孔的台肩相抵接。阶梯孔的台肩面朝向泵体50的出液端，当柱塞10向进液方向移动时，液体推开瓣膜42并流动通过柱塞10；当柱塞10向出液方向移动时，液体的压强将瓣膜42压紧在阶梯孔的台肩上，液体不能回流，因此流向出液端。优选地，柱塞10的外侧设有至少一道环槽，各环槽上安装有环形的密封圈43，密封圈43与环槽过盈配合，环槽与泵体50的内壁共同挤压密封圈43，以避免液体从柱塞10外侧与泵体50之间的间隙流通。
进一步作为优选的实施方式，泵体50的外侧可设有卡扣结构，以便于安装。在某些实施例中，泵体50的外侧设有多道环形的防滑槽，在另一些实施例中，也可设置法兰接口、丝扣等。
以下对柱塞泵的控制方法展开说明。
各柱塞10的单个活动周期的时间相等，柱塞10的单个活动周期的行程包括依次进行的做功行程和复位行程，做功行程为励磁线圈20驱动柱塞10向出液端移动的行程，复位行程为复位弹簧32驱动柱塞10向进液端移动的行程，做功行程的时间大于复位行程的时间，泵体50内始终有至少一个柱塞10在进行做功行程。在一个柱塞10的做功行程末，亦即复位行程开始前，另一个柱塞10开始做功行程，当前一个柱塞10的复位行程结束时，因为各柱塞10做功行程的时间大于复位行程的时间，因此，后一个柱塞10的做功行程还未完结，以此保证泵体50内始终有一个柱塞10在进行做功行程，从而保证柱塞泵出液的连续性。
电流通入励磁线圈20使励磁线圈成为电磁体，从而对柱塞10有力的作用，磁性的柱塞10通过被励磁线圈20变化的磁场驱动从而完成做功行程。各励磁线圈20分别包括多个串联的绕组群，绕组群包括至少一个绕组。每两个相邻的绕组之间通过导线抽头连接，在各柱塞10的做功行程中，芯片控制供电电路向各励磁线圈20中的绕组群依次供电，各励磁线圈20的磁场大小沿流体流动方向产生变化。优选地，供电电路为直流电，供电电路的供电流程可如下：
各励磁线圈20中绕组群的数量为2x个，各柱塞10的单个活动周期时间分别均分为3x个时段，在各柱塞10的第一时段开始至第2x时段末期间，供电电路分别依次供电至相应励磁线圈20的第一绕组群至第2x绕组群，每一时段向一个绕组群供电；在各柱塞10的第2x时段末至第3x时段末期间，各柱塞10在复位弹簧32的作用下分别复位。优选地，根据需求挑选不同弹性系数的复位弹簧32，使柱塞10被弹簧驱动的复位时间小于或等于三分之一个活动周期时间。
各柱塞10在泵体50内沿流体流动方向依次排序，当第N个柱塞10的第x时段结束后至第2x时段结束前，第N+1个柱塞10的第一时段开始；当第N+1个柱塞10的第2x时段结束前，第N个柱塞10的新一活动周期的第一时段开始，x和N均为正整数，x与N之间没有其它数学关系。
以下以x等于3时的情况展开说明，而x等于其他正整数时的情况同理可得。各励磁线圈20中绕组群的数量为六个，各柱塞10的单个活动周期时间分别均分为九个时段，在各柱塞10的第一时段至第六时段期间，供电电路分别依次供电至相应励磁线圈20的第一绕组群至第六绕组群，每一时段向一个绕组群供电；在各柱塞10的第七时段至第九时段期间，各柱塞10在复位弹簧32的作用下分别复位。各柱塞10在泵体50内沿流体流动方向依次排序，当第N个柱塞10的第五时段开始时，第N+1个柱塞10的第一时段同时开始；当第N+1个柱塞10的第六时段开始时，第N个柱塞10的新一活动周期的第一时段同时开始。
在某些实施例中，柱塞10的数量为两个，分别为上柱塞11和下柱塞12，以靠近出液端的为上柱塞11，因此，下柱塞12相当于第一个柱塞，上柱塞11相当于第二个柱塞。相应地，励磁线圈20的数量也为两个，分别为上励磁线圈和下励磁线圈。各励磁线圈20中绕组的数量均为2x+2个，每三个相邻的绕组串联形成一个绕组群。在x等于3的前提下，各励磁线圈20包括八个绕组，每两个相邻的绕组之间分别连接有导线抽头，八个绕组共形成六个绕组群，其中：第一绕组21至第第三绕组23形成第一绕组群，第二绕组22至第四绕组24形成第二绕组群，第三绕组23至第五绕组25形成第三绕组群，第四绕组24至第六绕组26形成第四绕组群，第五绕组25至第七绕组27形成第五绕组群，第六绕组26至第八绕组28形成第六绕组群。其具体工作流程如下：
S10.在下柱塞12的第一时段向下励磁线圈的第一绕组群供电，第一绕组群形成电磁体，下柱塞12向靠近出液端的方向移动，下柱塞12开始做功行程。同理，在下柱塞12的第二时段向下励磁线圈的第二绕组群供电，在下柱塞12的第三时段向下励磁线圈的第三绕组群供电，在下柱塞12的第四时段向下励磁线圈的第四绕组群供电。在下柱塞12的第二时段至第四时段期间，下柱塞12始终在进行做功行程。
S20.在下柱塞12的第五时段开始时，上柱塞11的第一时段同时开始，即下柱塞12的第五时段与上柱塞11的第一时段同时进行。在下柱塞12的第五时段向下励磁线圈的第五绕组群供电，下柱塞12继续做功行程；同时，在上柱塞11的第一时段向上励磁线圈的第一绕组群供电，上柱塞11开始做功行程。
S30.在下柱塞12的第六时段向下励磁线圈的第六绕组群供电，直至第六时段完结，下柱塞12的做功行程终止；下柱塞12的第六时段与上柱塞11的第二时段同时进行，在上柱塞11的第二时段向上励磁线圈的第二绕组供电，在此期间上柱塞11继续做功行程。
S40.在下柱塞12的第七时段至第九时段，供电电路停止向下励磁线圈通电，下柱塞12在复位弹簧32的作用下迅速复位，其复位时间小于或等于第七时段至第九时段期间的时间。与此同时，上柱塞11的第三时段至第五时段同时进行，供电电路在各时段依次向上柱塞11的第三绕组群、第四绕组群及第五绕组群供电，上柱塞11持续做功。
S50.下柱塞12的第九时段结束后，下柱塞12进入下一个活动周期，下柱塞12的新活动周期的第一时段与上柱塞11的第六时段同时进行。在此期间，供电电路重新向下励磁线圈的第一绕组群供电，下柱塞12重新开始做功行程；同时，供电电路向上励磁线圈的第六绕组群供电，直至其第六时段完结，上柱塞11的做功行程终止。
S60.下柱塞12的新活动周期的第二时段至第四时段分别与上柱塞11的第七时段至第九时段同时进行。在下柱塞12新活动周期的第二时段至第四时段，供电电路在各时段依次向下励磁线圈的第二绕组群、第三绕组群和第四绕组群供电，下柱塞12持续做功。与此同时，上柱塞11在其第七时段至第九时段期间，在复位弹簧32的作用下迅速复位，其复位时间小于或等于第七时段至第九时段期间的时间。
S70.上柱塞11进入下一个活动周期，上柱塞11、下柱塞12的移动过程及供电电路的供电流程重复S20～S60。
在另一些实施例中，柱塞10的数量为三个以上，当第一个柱塞的第x时段结束后且第2x时段结束前，第二个柱塞的第一时段开始；当第二个柱塞的第2x时段结束前，第二个柱塞的新一活动周期的第一时段开始。相应地，当第二柱塞的第x时段结束后且第2x时段结束前，第三个柱塞的第一时段开始；当第三个柱塞的第2x时段结束前，第二个柱塞的新一活动周期的第一时段开始。如此类推，从而保证了当柱塞的数量为M个且M大于等于3时，能始终有M-1个柱塞在做功。
进一步作为优选的实施方式，在上述实施例的基础上，参照图4～图5，在各柱塞10的第一至第2x任一时段中，亦即第一至第六任一时段中，被供电的绕组群中的中间绕组通过滤波电路将感应电动势输入与门电路的一个输入端，中间绕组通过分压电路将分压信号输入与门电路的另一输入端，与门电路通过芯片控制供电电路在该时段的供电电流大小。当与门电路输出高电平时，芯片控制供电电路切换至向下一个绕组群供电。由于柱塞10在磁场中运动时，其感应电动势会发生变化，通过分析滤波电路和分压电路，即可得到柱塞10的实时位置，从而控制供电电路的供电，确保柱塞泵稳定有效的运行。具体地，在上述实施例的基础上展开说明。
以下柱塞12为例，参照图6，在向下励磁线圈的第一绕组群供电时，第二绕组上并联有滤波电路及分压电路，滤波电路与第二绕组两端的导线抽头连接，同样地，分压电路也与第二绕组两端的导线抽头连接。滤波电路获得第二绕组的感应电动势，并将该感应电动势信号输入与门电路的一个输入端；分压电路获得第二绕组的分压，并将该分压信号输入与门电路的另一输入端。第二绕组的感应电动势在柱塞10端部离开第二绕组时最大，继而与门电路输出信号至芯片，此时芯片控制供电电路停止对第一绕组的供电，并同时开启对第二绕组的供电。如此类推，上柱塞11与上励磁线圈同理。
进一步作为优选的实施方式，泵体50的出液端设有用于检测压力和/或流速的传感器，传感器将压力和/或流速信号反馈到芯片，芯片将传感器的反馈信号值与预设信号值比较：当反馈信号值大于预设信号值与预设误差值之和时，减小供电电路输出的供电电流大小；当反馈信号值小于预设信号值与误差信号值之差时，增大供电电路输出的供电电流大小。本实施方案不仅可以稳定出水压力或流速，还可以通过调节预设出水压力或流速值，达到改变出水压力或流速的目的。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
