蔡胜年,史玉林(沈阳化工学院,辽宁沈阳110142)
摘 要:介绍一种利用软管蠕动实现的软管式电磁输液泵,该输液泵沿软管设置了四个铡刀型电磁铁,通过电磁铁的吸合、释放来挤压软管产生蠕动。为了减少电能损耗,在电磁铁中使用了永久磁铁自锁机构。当电磁铁挤压软管的外侧时,软管泵可以在软管内输送任何液体。该软管泵由干电池供电,在13 kPa的压力下,流量可达0. 1~1 ml/min。采用FEM磁场分析软件进行电磁铁磁场设计,叙述了铡刀电磁铁的最佳驱动方式及软管泵的各种性能试验结果,并对电磁软管输液泵在便携式静脉输液系统中应用的可行性进行了分析。
关键词:泵;磁路计算;永久磁铁;驱动电路;流量控制
中图分类号: TM 381 文献标识码:A 文章编号: 1004-7018(2010)07-0001-03
0引 言
通过挤压弹性软管的外管壁实现管内流体加压的软管输液泵,一般被用在医疗和化学分析仪器中。
由于流体和机械零件之间存在着一层可以更换的管壁,因此它可以用来输送各种不同的液体(如酸、碱、药液等),并且可以避免液体被污染,软管泵不需要清洗(软管随着流体的变更而更换)。已经商品化的软管输液泵主要由环绕在圆柱形内壁的弹性橡胶软管和挤压软管的转动轮组成,转动轮通常由一个旋转执行器比如电动机来驱动,在这种系统中,流量控制完全是靠在较宽的速度范围内对旋转执行器的转速进行精确控制来实现的。由于驱动电动机的功率较大,因此不适合用电池驱动,限制了它的可携带性。为了能在更简单的结构下实现对流量的准确控制,并便于携带,本文介绍了一种用电池驱动的直线式微型电磁软管输液泵(以下简称为:电磁软管输液泵)。该电磁软管输液泵是由直线排列的铡刀型电磁执行器(电磁铁)的依次开闭来挤压橡胶软管,在软管上产生蠕动运动的,同时本文还介绍了该软管输液泵在电池供电条件下的节能驱动方法。
1电磁软管输液泵的构成
本文介绍的电磁软管输液泵是为便携式静脉输液装置而专门开发研制的。一般的静脉输液装置不方便移动,限制了病人的活动范围,在日常中一些需要按照时间表进行药物注射的病人同样受到了限制。本文介绍的便携式输液系统如图1所示,它是由装在胸部衣服口袋中的液体药物袋、沿着肩和手臂引出的弹性软管和放在手臂上部带有控制器的软管泵驱动器组成。与一般的输液装置一样药液只能从前臂滴入人体,表1给出了便携式点滴装置的技术要求。
电磁软管输液泵中使用的铡刀式电磁执行器如图2a所示,当电磁执行器的线圈加正向激励时,在衔铁和固定铁心之间将产生挤压弹性软管的压力,当电磁执行器的线圈激励消失后,衔铁靠变形软管产生的弹性力返回到原来位置。
一般的电磁执行器要通过给线圈连续地施加激励来保持衔铁的吸合状态,这样必然造成电能的浪费,特别是驱动间隔较长的情况下,电能的消耗非常大。
为了减少电能的损耗,本系统中采用了具有电磁自锁机构的电磁执行器,即在电磁执行器的磁路中加入了稀土永久磁铁来实现电磁自锁功能,电磁自锁机构是一种通用技术,也是开关式电磁执行器驱动中非常有效的节能方法之一。
图2b给出了一个具有电磁自保功能的铡刀式电磁执行器的推力-位移特性曲线的例子。假设软管变形后产生的弹性力和软管内的压力可等效成为弹簧负载,在没有给电磁执行器的线圈施加激励的情况下,由于永久磁铁产生的吸引力小于弹簧负载产生的弹性力,因此衔铁始终处于开的位置。当给线圈施加正向激励时,即线圈产生的磁场方向与永久磁铁产生的磁场方向一致时,在线圈和永久磁铁的共同作用下,合成吸引力大于弹簧负载的弹性力,衔铁闭合于位置①,如果在此位置撤销激励,靠永久磁铁产生的吸引力就可以保持衔铁闭合于位置②上,因此,不需要消耗电能就达到节能的目的。当给线圈施加反向激励时,线圈产生的磁场方向与永久磁铁产生的磁场方向相反,合成吸引力减小,由于合成吸引力小于弹簧负载的弹性力,衔铁被释放返回到开的位置③。由于电磁自锁式电磁执行器的开、关采用的是瞬时激励方式来驱动电磁执行器工作的,即使用脉冲电压或脉冲电流驱动,因此在稳定状态下电磁执行器并不消耗能量,而且稳定状态又占据了电磁执行器的绝大部分工作时间,因此节能效果非常好。
当给线圈施加反向激励时,电磁执行器磁路中的永久磁铁处于反磁场中,并与线圈产生的反向磁场相互作用使衔铁释放,在反向强磁场的作用下,永久磁铁可能发生退磁现象,因此在电磁自保机构中,永磁材料的选择是影响其性能的非常重要因素。由于钕铁硼(NdFeB)永久磁铁在抗退磁能力方面比铁氧体及其它材料的永磁体要强,因此被用于本系统的电磁执行器中。永久磁铁尺寸大小是在综合考虑了衔铁开闭过程中,所需要吸引力、释放力和永磁材料的退磁效果等各量的平衡关系后,通过有限元(FEM)磁场分析软件优化计算分析后确定的。
2电磁软管输液泵的工作原理及结构设计
从图3的照片可以看出,电磁软管输液泵是由四个按直线方式排列(如图2a所示)的铡刀式电磁执行器所组成,用A、B、C、D分别代表照片中从左到右的四个电磁执行器,按照(a)、(b)、(c)、(d)的顺序驱动每个电磁执行器,在软管中产生蠕动,软管中的流体就可以靠挤压压力从左输送到右。
图4是电磁软管泵一个工作周期的动作顺序图,通过调节驱动周期来实现流量控制,当衔铁处于闭合状态时,不但不消耗电能,而且起到了截止阀的作用,防止液体泄露,提高了电磁软管泵的工作效率。按与图4相反方向驱动电磁执行器时,流体向反方向流动。当所有的电磁执行器处于开状态时,软管中的流体不受任何控制(输入输出处于直通状态。)。
电磁软管输液泵的最大吐出压力取决于铡刀式电磁执行器产生的挤压力,图5给出了用FEM分析软件计算软管受挤压变形的一个例子。根据FEM计算的变形结果可知,对于试验用内径1 mm、厚度0. 5 mm、且内部压力是13 kPa的硅橡胶软管,要使软管中没有间隙,所需要的挤压力5 N左右。这个计算结果得到了如图5所示的泄漏试验的验证,内部压力为13 kPa的硅橡胶软管由一个直线式电磁执行器驱动的条件下,软管的变形量和挤压力同时被测量,软管变形量达到1. 16 mm时,上下两侧的管壁完全密闭没有泄漏。软管的密封效果与衔铁下端的接触部形状有关,测试结果表明曲面2,在获得同样密封效果时,所需要的变形力最小。
电磁执行器的磁路构成零件的尺寸是根据抵消软管内压力产生的阻抗力所需要的电磁力和衔铁的移动行程,通过FEM磁场计算软件优化计算后而确定的,图6给出了使用三维FEM磁场分析软件对电磁执行器电磁力进行仿真计算的电磁力-行程仿真结果。由计算结果可知,电磁执行器施加反方向激励时,电磁力基本上与横轴重合。对于试验用硅橡胶软管来说,在软管变形的全行程范围内,电磁执行器中的永久磁铁和线圈共同产生的电磁力必须达到5 N以上,电磁软管输液泵才能正常工作。为了满足如图6所示的电磁力-行程特性曲线[2],对电磁执行器的形状、永久磁铁的尺寸等进行了优化计算。
3电磁软管输液泵的特性
电磁自锁式电磁执行器的驱动通常采用全桥功率电路来实现,在本系统的性能试验中使用的是一种内部封装有四个功率器件的全控桥驱动电路和驱动保护电路的通用功率芯片。由于电磁软管输液泵的输出流量与电磁执行器的驱动方式密切相关,本文对电磁执行器的驱动脉冲频率及脉宽及电磁执行器的间隔进行试验研究。图7给出了试验用电磁软管输液泵的流量控制特性,在这里电磁软管输液泵的驱动频率由4个电磁执行器顺序动作一次的驱动频率确定,试验用工作液体为自来水,试验数据表明流量为0. 1~1 ml/min的范围内时,频率与流量保持较好的线性关系,满足了表1的设计技术要求。
当驱动频率大于3 Hz时,流量将偏离上述线性关系,流量呈现出下降趋势,出现偏离现象的原因是随着驱动频率的增加,在一个驱动周期内,由于橡胶软管的弹性力存在,衔铁的释放时间的比例变大,橡胶软管的不能完全复位所造成的。
使用如图8a所示的试验系统,对电磁软管输液泵的最大吐出压力进行了测试,当电磁软管输液泵工作时,密闭容器里的压力逐渐升至最大吐出压力,图8b给出了密闭容器内瞬时压力的实测结果,压力在38 kPa时达到饱和后突降到35 kPa,压力在38kPa左右时,电磁执行器的闭合状态变得不稳定,这是由于包括橡胶软管弹性力和由软管内压力产生的等效弹簧负载的弹力和电磁执行器产生的挤压力大致相等所造成的,因此最大的吐出压力被认为是35 kPa。
电磁软管输液泵的供电电源是9 V型NI-MH可充电电池(输出电压是8. 4 V),表2给出了充满电的电池在不同驱动频率下的连续工作时间,在驱动频率是3 Hz时微型电磁软管输液泵能连续工作12个小时,这一特性可以满足静脉输液系统的要求,从能量平衡的角度来看,电磁软管泵的连续工作时间与工作频率成反比,然而,能量消耗还取决于驱动器和控制器的电气性能。如果驱动器和控制器设计得不好,电磁软管输液泵的连续工作时间要大幅度地缩短,因为电磁执行器不工作时电路也要消耗一部分电能,为了提高微型泵的连续工作时间,电路设计时应该考虑节能设计和采用低功耗的电子器件。
4结 语
本文介绍了由可更换软管和铡刀型电磁执行器构成的电磁软管输液泵。试制的电磁软管输液泵(50mm×28mm×15 mm)使用的是直径2 mm硅橡胶软管,在可充电电池(Ni-MH 8.4 V)驱动下,流量可达1. 5 ml/min,最大吐出压力为35 kPa,电磁自锁机构的最优化设计对于节约能量消耗是十分有效的,在一个充满电的充电电池驱动的条件下,电磁软管输液泵在驱动频率为3Hz的情况下可以连续工作12个小时,在不使用流量传感器的情况下,基于对每个电磁执行器的开环顺序控制实现了微型输液泵的流量与电磁执行器驱动频率的比例控制。
可行性分析表明,上述电磁软管输液泵完全适合用于医疗便携式静脉输液装置。相信不久的将来该电磁软管输液泵将在医疗、化学分析、携带式燃料电池系统中得到广泛的应用。
参考文献
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作者简介:蔡胜年(1957-),男,博士,教授,主要从事电磁阀、电磁执行器、电磁传感器等电磁技术应用方面的研究。
