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CN111306070A - 一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵 - Google Patents

一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵 Download PDF

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CN111306070A CN202010101280.0A CN202010101280A CN111306070A CN 111306070 A CN111306070 A CN 111306070A CN 202010101280 A CN202010101280 A CN 202010101280A CN 111306070 A CN111306070 A CN 111306070A
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Abstract

本发明公开了一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，包括机壳及装于其中的轴向磁通永磁同步电机。机壳包括定子机壳和转子机壳，轴向磁通永磁电机包括定子和转子。定子包括定子铁心、线圈，转子包括转子轭、衬套和永磁体，转子同时构成离心式泵的叶轮。永磁体采用过盈配合嵌入衬套中，作为离心式泵叶轮的单个叶片。工作时，定子绕组通入电流产生旋转磁场，与叶轮上的永磁磁场相互作用带动叶轮旋转。这一过程中，流体介质流经叶片间的流道，压力增加。本发明离心式泵具有轴向尺寸小、部件数量少、功率密度高等优点。同时，其利用流体介质冷却电机发热部件，确保离心式泵可用于极端环境下。还解决了传统离心式泵薄壁叶片产生的风噪问题。

Description

一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵
技术领域
本发明涉及一种离心式泵，具体涉及一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，属于电机与流体机械技术领域。
背景技术
随着交通工具电气化进程的不断加快，车载子系统采用电驱动逐渐成为主流。其中，电机驱动的泵与风机系统占有较大的比重。为增加续航历程，电动交通工具要求各子系统具有较高的功率密度，同时应在环境温度变化较大时稳定运行。同时，车辆整体可靠性指标更高，减少各子系统部件数量是提高可靠性、降低装配工作量和人力成本的重要方向。
其次，电动车辆要求各子系统的驱动电机具有一定的转矩过载能力，尤其是输送粘度较大的流体介质的泵中。考虑到泵与风机子系统的安装环境更为恶劣，其驱动电机散热设计尤为困难。另外，为提高乘员的舒适性，车载环境尤其是车内噪声要求更为严格。研究发现，泵与风机叶轮中的薄壁叶片与流体介质间的噪声是车辆噪声的重要来源。该部分噪声的抑制可以显著降低车辆的噪音水平。
现有的泵与风机子系统一般为分立式结构，需要将电机转子和叶轮同轴固定，或将叶轮固定在电机转子上。这两种固定方式系统体积尤其是轴向尺寸较大，在电动车辆中不便于安装。较大的体积降低了泵与风机系统的功率密度和效率。同时，系统部件较多，密封难度大，可靠性下降。另一方面，现有泵与风机中的驱动电机转矩脉动较大，由此带来的振动、噪声问题难以解决。当电动机的振动传导到叶轮时，将进一步增加叶轮产生的风噪。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，将离心式泵的叶轮与轴向磁通永磁电机的转子一体化设计，克服了现有技术存在的不足。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，包括机壳和装入其中的轴向磁通永磁电机，所述机壳包括转子机壳和定子机壳，这两者通过螺栓和/或胶粘剂密封，转子机壳沿流体介质流动方向呈渐开形，且转子机壳上留有流体介质的出口，定子机壳上留有流体介质的入口；
所述轴向磁通永磁电机包括转子和定子，其中，转子包括转子轭、衬套及永磁体，转子轭为圆盘状结构，衬套为扇形薄壁结构，且衬套沿圆周方向均匀分布于转子轭的其中一面上；永磁体为截面为扇形的柱体，其极弧角度小于轴向磁通永磁电机转子磁极的极距，永磁体沿半径方向的两条边均为弧形，永磁体的内外两段圆弧沿圆周方向错开，永磁体沿转轴方向充磁，且极性沿圆周方向交替变化；衬套的内部形状与永磁体的外形相同，永磁体和衬套装配后构成所述离心式泵的单个叶片，叶片沿圆周方向均匀分布在转子轭的其中一面上，与转子轭一起构成离心式泵的叶轮即转子；
定子包括定子铁心和线圈，在定子铁心上加工出用于放置线圈的槽，槽在轴向上面对叶轮，线圈嵌入槽中，线圈与槽之间布置有绝缘材料，采用环氧树脂将线圈和定子铁心灌封为一圆环体定子，圆环体定子压装入定子机壳呈圆环体的槽中；
相邻两个叶片之间存在沿半径方向贯通的间隔，相邻两个叶片之间相对的两个侧面、转子轭面向间隔的面以及灌封后的圆环体定子面向间隔的面一起构成流体介质的单个流道；
叶轮通过径向轴承连接转子机壳，并与转子机壳之间存在间隙，叶轮与定子机壳之间采用轴向止推轴承固定，叶轮与定子同心，且定子和叶轮沿轴向存在间隙。
作为本发明的一种优选方案，所述转子机壳的外缘的形状由阿基米德螺线确定。
作为本发明的一种优选方案，所述衬套与转子轭一体加工成型，或者衬套与转子轭采用焊接方式连接，或者在转子轭其中一面上加工出与衬套相同形状的槽，采用过盈配合将衬套嵌入槽中。
作为本发明的一种优选方案，所述永磁体与衬套采用过盈配合装配，或者采用胶粘固定装配，或者采用卡接固定装配，或者采用螺栓固定装配。
作为本发明的一种优选方案，所述轴向磁通永磁电机采用双转子单定子结构，定子采用无磁轭结构，定子包括多个定子铁心及绕制在每个定子铁心上的线圈，双转子沿轴向布置于定子两侧。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明将离心式泵的叶轮与轴向磁通永磁电机的转子一体化设计，不需要额外的叶轮及与电机转轴的连接装置。系统部件数量和轴向尺寸大幅减小，结构紧凑，可靠性增加。同时，系统的重量降低，功率密度增加，整体效率提升明显。永磁体的存在提高了电机的效率及输出转矩，在泵送粘度较大的流体介质时优势明显。
2、本发明中，流体流经轴向磁通永磁电机的定转子，易于将电机内的损耗及时传导出去，有利于降低转子和绕组的温升。在相同的磁性能和损耗下可以使用牌号更低的永磁体和/或使用成本更为低廉的绕组材料。
3、本发明中的衬套与永磁体间采用过盈配合，大幅增加了离心式泵叶片的刚度，减小了薄壁叶片与流体作用产生的风噪。
4、本发明永磁体斜极大幅降低了转矩脉动，有利于降低电机的振动和噪声。
附图说明
图1是本发明含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵整体结构图。
图2是本发明离心式泵的定子机壳示意图。
图3是本发明离心式泵的转子机壳示意图。
图4是本发明轴向磁通永磁电机结构示意图。
图5是本发明轴向磁通永磁电机转子示意图。
图6是本发明轴向磁通永磁电机转子上的永磁体示意图。
图7是本发明轴向磁通永磁电机定子示意图。
图8是本发明轴向磁通永磁电机定子灌封后示意图。
图9是本发明离心式泵流道及叶轮示意图。
具体实施方式
下面结合图1-图9，通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。需要指出的是，为避免对细微结构(例如，机壳上的固定孔和电机绕组接线柱)的描述模糊本发明的核心技术特征，在图1-图9中仅画出了与本发明主要技术特征相关的结构及实施步骤。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，一种含有转子集成叶片轴向磁通电机的离心式泵，由外壳5和装入其中的10极12槽轴向磁通永磁电机6组成。
如图1、图2、图3和图9所示，机壳5由转子机壳51和定子机壳52组合而成，二者通过螺栓和胶粘剂密封。转子机壳51和定子机壳52为由工程塑料模压成型的密闭结构。转子机壳51沿流体流动方向呈渐开形。定子机壳52上留有流体介质的入口11，转子机壳51上留有流体介质的出口12。转子机壳51的外缘57及流道55的形状由阿基米德螺线确定。
如图4、图5所示，轴向磁通永磁电机6包括转子2和定子3两部分。转子2由转子轭23、衬套22及永磁体21组成。转子轭23为圆盘状结构，厚度为6mm。衬套22为扇形薄壁结构，靠近旋转中心的部分修正为圆弧形25以减小局部压力损失。10个衬套22均匀分布于转子轭23上，转子轭23和衬套22由导磁的45#钢一体加工得到。衬套22与转子轭23可以单独加工，并采用焊接方式连接。或在转子轭23中加工出与衬套22相同形状的槽，并采用过盈配合将衬套22嵌入转子轭23固定。
如图6所示，永磁体21是截面为扇形的柱体，其极弧角度为22.5°，小于本实施例中磁极的极距36°。永磁体21沿半径方向的边28和边29为弧形，边28与边29的形状根据流体流量和压力确定。永磁体21的内外两段圆弧26和27沿圆周方向错开3.6°，使永磁体21沿圆周方向产生斜极的效果。永磁体21为烧结铁氧体材料，沿转轴方向充磁，10块永磁体21的极性沿圆周方向交替变化。永磁体21与衬套22还可以采用其他方式固定，例如胶粘、卡接及螺栓固定等。
如图5和图9所示，衬套22内部形状与永磁体21的外形相同，衬套22与永磁体21采用过盈配合装配。装配后的磁极21和衬套22构成离心式泵的单个叶片70。10个叶片70沿圆周方向均匀分布在转子轭23上，与转子轭23一起构成离心泵的叶轮(即轴向磁通永磁同步电机的转子2)。为降低永磁体腐蚀的可能性，可以采用与衬套形状和尺寸相同的非导磁薄片将永磁体密封，该非导磁薄片与衬套间采用焊接固定。
如图2和图7、图8所示，定子3包括由0.5mm电工钢片卷绕形成的定子铁心31和漆包导线制成的线圈33。定子铁心31采用电火花线切割工艺加工出12个用于放置电机绕组线圈33的槽32，槽32在轴向上与叶轮相对。三相电机共12个线圈依次绕制、嵌入槽32中，线圈33与槽32间布置有绝缘材料(未画出)。为减小流体流阻，采用环氧树脂41将线圈33和定子铁心31灌封为一整个圆环体定子42，并压装入定子机壳52中呈圆环体形的槽56中。本实施例中圆环体定子42与叶轮的直径相同，为90mm。灌封后的圆环体定子42也可以与叶轮的直径不同。
如图5所示，叶片70之间存在沿半径方向贯通的间隔。相邻两个叶片70的侧面、转子轭23面向间隔的面以及圆环体定子42面向间隔的面一起构成流体介质的单个流道24。流道的截面积沿半径方向逐渐增大。可以在叶轮的叶片70间加工出导叶，以优化流体流动，减少压力损失。
如图2、图3、图7和图9所示，叶轮通过径向轴承53连接转子机壳51，与转子机壳51的间隙为0.35mm。同时，为抵消轴向磁拉力，叶轮与定子机壳52间采用轴向止推轴承54固定。径向轴承53和轴向止推轴承54实现了叶轮沿轴向及径向的支撑定位，并保证叶轮与电机定子3的同心度。定子3和叶轮沿轴向的间隙为0.5mm，这一间隙值在保证装配及运行安全的前提下越小越好。
如图4和图9所示，正常工作时，轴向磁通永磁电机6的三相绕组通入三相正弦电流，在所述定子3和转子2之间的气隙8中产生旋转的电枢磁场。电枢磁场旋转方向与流道55渐开方向一致，在图9中为顺时针方向。该电枢磁场与永磁体21产生的永磁磁场相互作用带动叶轮旋转，叶轮上的叶片70在离心力的作用下带动流体沿径向流动，经由间隔、流道55由离心式泵的出口12流出。在这一过程中流体的压力得到增加，实现了泵的加压功能。为方便加工制造，转子机壳51及流道55的形状可以采用等边基元法确定。
为减小轴向不平衡力，轴向磁通永磁电机6可以采用双转子单定子结构。电机定子采用无磁轭结构，由多个铁心单元及绕制在其上的线圈33组成。双转子沿轴向布置于定子两侧，转子的结构同上。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，包括机壳(5)和装入其中的轴向磁通永磁电机(6)，其特征在于，所述机壳(5)包括转子机壳(51)和定子机壳(52)，这两者通过螺栓和/或胶粘剂密封，转子机壳(51)沿流体介质流动方向呈渐开形，且转子机壳(51)上留有流体介质的出口(12)，定子机壳(52)上留有流体介质的入口(11)；
所述轴向磁通永磁电机(6)包括转子(2)和定子(3)，其中，转子(2)包括转子轭(23)、衬套(22)及永磁体(21)，转子轭(23)为圆盘状结构，衬套(22)为扇形薄壁结构，且衬套(22)沿圆周方向均匀分布于转子轭(23)的其中一面上；永磁体(21)为截面为扇形的柱体，其极弧角度小于轴向磁通永磁电机(6)转子磁极的极距，永磁体(21)沿半径方向的两条边均为弧形，永磁体(21)的内外两段圆弧沿圆周方向错开，永磁体(21)沿转轴方向充磁，且极性沿圆周方向交替变化；衬套(22)的内部形状与永磁体(21)的外形相同，永磁体(21)和衬套(22)装配后构成所述离心式泵的单个叶片(70)，叶片(70)沿圆周方向均匀分布在转子轭(23)的其中一面上，与转子轭(23)一起构成离心式泵的叶轮即转子(2)；
定子(3)包括定子铁心(31)和线圈(33)，在定子铁心(31)上加工出用于放置线圈(33)的槽(32)，槽(32)在轴向上面对叶轮，线圈(33)嵌入槽(32)中，线圈(33)与槽(32)之间布置有绝缘材料，采用环氧树脂将线圈(33)和定子铁心(31)灌封为一圆环体定子(42)，圆环体定子(42)压装入定子机壳(52)呈圆环体的槽(56)中；
相邻两个叶片(70)之间存在沿半径方向贯通的间隔，相邻两个叶片(70)之间相对的两个侧面、转子轭(23)面向间隔的面以及灌封后的圆环体定子(42)面向间隔的面一起构成流体介质的单个流道(24)；
叶轮通过径向轴承(53)连接转子机壳(51)，并与转子机壳(51)之间存在间隙，叶轮与定子机壳(52)之间采用轴向止推轴承(54)固定，叶轮与定子(3)同心，且定子(3)和叶轮沿轴向存在间隙。
2.根据权利要求1所述含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，其特征在于，所述转子机壳(51)的外缘(57)的形状由阿基米德螺线确定。
3.根据权利要求1所述含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，其特征在于，所述衬套(22)与转子轭(23)一体加工成型，或者衬套(22)与转子轭(23)采用焊接方式连接，或者在转子轭(23)其中一面上加工出与衬套(22)相同形状的槽，采用过盈配合将衬套(22)嵌入槽中。
4.根据权利要求1所述含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，其特征在于，所述永磁体(21)与衬套(22)采用过盈配合装配，或者采用胶粘固定装配，或者采用卡接固定装配，或者采用螺栓固定装配。
5.根据权利要求1所述含有转子集成叶片轴向磁通永磁电机的离心式泵，其特征在于，所述轴向磁通永磁电机(6)采用双转子单定子结构，定子采用无磁轭结构，定子包括多个定子铁心及绕制在每个定子铁心上的线圈，双转子沿轴向布置于定子两侧。
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