CN101603542A - 悬浮叶轮轴流泵机 - Google Patents

Abstract

一种悬浮叶轮轴流泵机，由定子、转子、控制***构成；在定转子上设置永磁环，使转子悬浮在定子之中；在转子的叶轮外周固结一个有若干永磁磁极的圆环，定子上有若干被绝缘***线圈包围的齿，形成电磁极，所述定转子及控制***构成一种电机，它有电动机和发电机，控制***由转子位置传感器、控制器、蓄电池及整流调压器组成，控制器根据传感器测取转子磁极相对于定子齿的位置信号或观测器确定转子磁极相对于电动机定子齿的位置信号，从蓄电池取电给电动机定子各组线圈有规律地通电，则转子因其永磁极受到电动机定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转，从而驱动叶轮和发电机，发出的电经整流调压器存入蓄电池。本发明节能、环保。

Description

悬浮叶轮轴流泵机

技术领域

本发明涉泵与风机技术，特别是一种悬浮叶轮轴流泵机。

背景技术

传统的泵或风机、电机是两种独立的设备，常用联轴器联接在一起工作。如图1，为一种现有的弯管式轴流泵或风机与电机联接在一起的结构示意图。轴流泵或风机由叶轮1、支架2、轴承3、弯管道4、轴5、轴承6组成，轴流泵或风机用联轴器7与电机8联接在一起。这种泵或风机在管道4内需安装支架2，支架2和轴5对流体有不小的阻力，因而效率不高；在轴承6处需要密封，此密封是动态密封，密封件受转动的轴5的摩擦，易失效造成泄漏。

如图2，为另一种现有的常规的轴流泵或风机的示意图。将叶轮9直接安装在电机12的轴上，用支架11支撑固定电机于直管道10内。因电机12的外径比前一种泵或风机的轴5的直径大，所以这种泵或风机的支架11和电机12对流体的阻力更大，效率更低。

发明内容

本发明设计一种悬浮叶轮轴流泵机，旨在克服现有轴流泵或风机的上述缺陷，利用永磁力使叶轮悬浮，利用电磁能和永磁能驱动，实现高效、节能。

本发明按下述技术方案实现。

本发明由定子、转子、控制***构成；在定转子上设置永磁环，使转子悬浮在定子之中；在转子的叶轮外周固结一个有若干永磁磁极的圆环，定子上有若干被绝缘***线圈包围的齿，形成电磁极，所述定转子及控制***构成一种特殊电机，它有电动机和发电机，控制***由转子位置传感器、控制器、蓄电池及整流调压器组成，控制器根据传感器测取转子磁极相对于定子齿的位置信号或观测器(观测器是估算转子位置和速度信息的硬件及包含算法的简称，观测器根据输入所述电动机定子线圈中的电流和电压在设定坐标系下的分量来估算出所述转子位置和速度。观测器已有成熟的技术。如滑模观测器等)确定转子磁极相对于电动机定子齿的位置信号，从蓄电池取电给电动机定子各组线圈有规律地通电，则转子因其永磁极受到电动机定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转，从而驱动叶轮，并驱动所述电机的发电机发电，发出的电经整流调压器存入蓄电池。

假设将所述电机的电动机部分的转子的永磁磁极用纯软铁做成有若干齿的转子代替，那么它的工作原理与开关磁阻电机很相似，不计损耗，开关磁阻电机输出能量等于输入的电能，并不节能。而本发明使转子永磁极同时获得相应电动机定子一个电磁极吸引力矩和另一个电磁极的斥力矩，而且引力矩或斥力矩均由电磁场与永磁场共同提供；开关磁阻电机仅是定子齿的电磁力吸引其转子的软铁齿，而且这个引力仅由电磁场提供。所以，本发明的电机的电动机输出能量大于需输入的电能。本发明的电机的电动机定子的电磁极与转子永磁极之间作用力大小与在它们之间间隙中的磁感应强度的平方成正比，而此磁感应强度值是电磁极和永磁极磁感应强度的叠加值，若保持此值不变，提高永磁极在所述间隙中的磁感应强度值，等量地减小电磁极在所述间隙中的磁感应强度值的，则所述电动机机输出能量值不变，但大幅度地降低了所需输入的电能，这就是说能量输出输入差值变大。所以本发明巧妙使用永磁体能，使能量增值，而且增值随永磁场的增强而大幅度增长，这个增值的能量的大部分向外输出驱动所述叶轮，小部分用于所述发电机发电，以支持所述电机运行。

还应该指出，本发明的电动机结构和工作原理与永磁电机(详细了解可参考有关资料)有实质上的不同，永磁电机利用定子的旋转电磁场与含有永磁体的转子磁场相互作用驱动转子，是基于电磁感应原理，而本发明的电动机基于电磁体与永磁体之间的引力和斥力。永磁电机定子电磁力与转子永磁力对其转子产生的转矩不如本发明的大，原因是这种定子电磁力仅对转子产生引力矩，而本发明电动机的转子永磁极同时受到相应定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩。永磁电机定子的旋转电磁场会在转子铁心和永磁体中感应出涡流造成能量损耗，而且涡流生热造成危害，旋转电磁场还会在转子铁心中产生磁滞损耗。而本发明电动机的定子磁场进入转子的磁力线很少，在转子中感应很弱，所以本发明节能比永磁电机显著的多。

为了避免流过所述悬浮叶轮轴流泵机中的流体对泵机定子的内部腐蚀或磨损，可在定子的内壁打衬非磁性绝缘密封圆筒。

本发明既是泵，又是风机，能单独作泵用或单独作风机用，能用作船和飞行器的推进器；若将定子线圈都接到整流调压器，本发明就是风力发电机或水轮发电机或汽轮发电机。

本发明有以下优点：

1、由于叶轮悬浮于定子中，不需要轴承、支架，从而避免了对流体的阻力，避免了额外的能量损耗；

2、由于叶轮悬浮于定子中，因而免润滑、振动小、噪音小、寿命长；

3、充分地将永磁能转换为可直接实际使用的机械能，使永磁能输出的能量比输入的能量显著增值，因而本发明耗电很少，损耗小，节能，效率极高，运行费用很低；

4、本发明产生动力和驱动叶轮同时发生在所述控制***及定转子，而且只有转子一个运动件，体积小，结构简单紧凑，所以可靠性很高，且制造成本低；

5、完全密封，无泄漏，环保。

附图说明

图1是一种现有的弯管式轴流泵或风机与电机联接在一起的结构示意图；

图2是现有的另一种现有的常规的轴流泵或风机的示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是图3的B-B剖面图；

图6是图4的中转子相对于定子转过一个角度的示意图；

图7是图6中转子转到其磁极与定子铁心齿正对时的示意图；

图8是图3的A1-A1剖面图；

图9是图3的B1-B1剖面图；

图10是本发明的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3至图5示。本发明由定子、转子、控制***构成。叶轮29固定在转轴18上，导磁环38固结于叶轮29的外周，导磁环38上均匀地镶着沿厚度方向充磁的若干长方体永磁块或沿径向充磁的瓦片形永磁体37，且沿周向相邻的永磁块极性是交替的，导磁块36和非磁性绝缘块42与导磁环38和永磁体37固结在一起，非磁性绝缘块42的外面制螺旋槽；导磁块22、永磁体24、非磁性绝缘块43的横截面尺寸依次与导磁块36、永磁体37、非磁性绝缘块42的相同，非磁性绝缘块43的外面制螺旋槽，导磁块22和非磁性绝缘块43与导磁环38和永磁体24固结在一起；在导磁块36、永磁体37与导磁块22、永磁体24之间用一非磁性绝缘圆环39联结；在导磁环38的外圆、导磁块36和永磁体37左端面固结非磁性绝缘圆环27，在导磁环38的外圆、导磁块22和永磁体24右端面固结非磁性绝缘圆环15；在导磁环38的外圆、非磁性绝缘圆环27的左端面固结沿径向充磁的外锥永磁环31，在导磁环38的外圆、非磁性绝缘圆环15的右端面固结沿径向充磁的外锥永磁环16；在导磁环38和外锥永磁环31的左端面固结导流锥环30，在导磁环38和外锥永磁环16的右端面固结导流锥环17；上述所有件组成了本发明的转子。

本发明的定子由硅钢片叠成的定子铁心21和25、绝缘***线圈20和26、小长条形永磁体40和41、非磁性绝缘圆环23、径向充磁的内锥永磁环19和28、定子圆筒13、内锥孔圆盘14和32固结组成；绝缘***线圈20包围着定子铁心21的齿，绝缘***线圈26包围着定子铁心25的齿；非磁性绝缘圆环23将线圈20线圈26隔开；小长条形永磁体40和41的长方向沿转子轴18的轴线方向，且轴对称地嵌在定子铁心25之中；所述定子顺轴向且沿径向隔间隙包围转子，且使定子永磁环19、28依次与转子永磁环16、31沿径向同性极相对，保证转子轴18、转子及定子同轴。

本发明的控制***由转子位置传感器(图中未画)观测器、控制器33、蓄电池34、整流调压器35及连接导线组成，整流调压器35输入端与定子线圈20连接，定子线圈26的接线端与控制器33连接。控制器33用现代硬软件技术易实现。

如图6示，本发明在停止状态，由于永磁体异极间的吸引，转子上有两块永磁体37的磁极与永磁体40和41沿径向正对。若要启动，通过控制器33给定子线圈26通电，且使定子铁心25的每个齿的内弧磁极极性如图6示、那么，转子每一个磁极受到与它邻近的定子铁心25齿的电磁推拉力矩(永磁体40和41对转子的作用力矩很小)，使转子顺时针转到图4所示位置，这时，传感器将此位置信号传给控制器33，或设计硬件电路及算法确定转子永磁体37的磁极相对于定子铁心25齿的位置信号传给控制器33，控制器33立即改变定子线圈26中的电流方向，定子铁心25齿的极性同时改变，如图7示，由于转子永磁体37的磁极极性与定子铁心25各齿的极性相同而产生相互排斥力，转子受到的排斥力的合力为零，转子依惯性转过图7所示位置；接着转子永磁体37的每一个磁极又受到与它邻近的定子铁心25齿的电磁推拉力矩而继续转动，此过程重复循环，转子不断被驱转。结果转子将进入其中的流体旋出。

控制器33还可控制定子线圈26中的电流的大小以改变轴18的输出功率，从而改变出流速度。启动时，转子的转动方向由控制器33控制线圈26中的电流方向确定。转子不断被驱转时，转子上的永磁体24与定子铁心21及定子线圈20组成的发电机发电，通过整流调压器35给蓄电池34充电，定子线圈26的工作电流通过控制器33从蓄电池34得到，使所述泵机运行。

本发明转子磁极还可采用其它结构形式。

本发明首次启动前，必须从外部给蓄电池34充电。

实施例二：如图8图9示，本发明定子铁心21和25的齿均用非磁性绝缘材料制作成齿44和齿45。

实施例三：如图10示。为了避免流过所述悬浮叶轮轴流泵机中的流体对泵机定子的内部腐蚀或磨损，可在所述定子的内壁打衬非磁性绝缘密封圆筒46。

Claims (4)

1.一种悬浮叶轮轴流泵机，其特征是：由定子、转子、控制***构成；在定转子上设置永磁环，使转子悬浮在定子之中；在转子的叶轮外周固结一个有若干永磁磁极的圆环，定子上有若干被绝缘***线圈包围的齿，形成电磁极，所述定转子及控制***构成一种特殊电机，它有电动机和发电机，控制***由转子位置传感器、控制器、蓄电池及整流调压器组成，控制器根据传感器测取转子磁极相对于定子齿的位置信号或设计硬件电路及算法确定转子磁极相对于电动机定子齿的位置信号，从蓄电池取电给电动机定子各组线圈有规律地通电，则转子因其永磁极受到电动机定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转，从而驱动叶轮，并驱动所述电机的发电机发电，发出的电经整流调压器存入蓄电池。

2.根据权利要求1所述的悬浮叶轮轴流泵机，其特征是：叶轮(29)固定在转轴(18)上，导磁环(38)固结于叶轮(29)的外周，导磁环(38)上均匀地镶着沿厚度方向充磁的若干长方体永磁块或沿径向充磁的瓦片形永磁体(37)，且沿周向相邻的永磁块极性是交替的，导磁块(36)和非磁性绝缘块(42)与导磁环(38)和永磁体(37)固结在一起，非磁性绝缘块(42)的外面制螺旋槽；导磁块(22)、永磁体(24)、非磁性绝缘块(43)的横截面尺寸依次与导磁块(36)、永磁体(37)、非磁性绝缘块(42)的相同，非磁性绝缘块(43)的外面制螺旋槽，导磁块(22)和非磁性绝缘块(43)与导磁环(38)和永磁体(24)固结在一起；在导磁块(36)、永磁体(37)与导磁块(22)、永磁体(24)之间用一非磁性绝缘圆环(39)联结；在导磁环(38)的外圆、导磁块(36)和永磁体(37)左端面固结非磁性绝缘圆环(27)，在导磁环(38)的外圆、导磁块(22)和永磁体(24)右端面固结非磁性绝缘圆环(15)；在导磁环(38)的外圆、非磁性绝缘圆环(27)的左端面固结沿径向充磁的外锥永磁环(31)，在导磁环(38)的外圆、非磁性绝缘圆环(15)的右端面固结沿径向充磁的外锥永磁环(16)；在导磁环(38)和外锥永磁环(31)的左端面固结导流锥环(30)，在导磁环(38)和外锥永磁环(16)的右端面固结导流锥环(17)；上述所有件组成了本发明的转子；

本发明的定子由硅钢片叠成的定子铁心(21)和(25)、绝缘***线圈(20)和(26)、小长条形永磁体(40)和(41)、非磁性绝缘圆环(23)、径向充磁的内锥永磁环(19)和(28)、定子圆筒(13)、内锥孔圆盘(14)和(32)固结组成；绝缘***线圈(20)包围着定子铁心(21)的齿，绝缘***线圈(26)包围着定子铁心(25)的齿；非磁性绝缘圆环(23)将线圈(20)线圈(26)隔开；小长条形永磁体(40)和(41)的长方向沿转子轴(18)的轴线方向，且轴对称地嵌在定子铁心(25)之中；所述定子顺轴向且沿径向隔间隙包围转子，且使定子永磁环(19)、(28)依次与转子永磁环(16)、(31)沿径向同性极相对，保证转子轴(18)、转子及定子同轴；

本发明的控制***由转子位置传感器或观测器、控制器(33)、蓄电池(34)、整流调压器(35)及连接导线组成，整流调压器(35)输入端与定子线圈(20)连接，定子线圈(26)的接线端与控制器(33)连接；

本发明转子磁极还可采用其它结构形式。

3.根据权利要求1或2所述的悬浮叶轮轴流泵机，其特征是：本发明定子铁心(21)和(25)的齿均用非磁性绝缘材料制作成齿(44)和齿(45)。

4.根据权利要求1或2所述的悬浮叶轮轴流泵机，其特征是：在所述定子的内壁打衬非磁性绝缘密封圆筒(46)。

Images