CN113965044A - 循环磁流体泵 - Google Patents

Abstract

循环磁流体泵包括腔体、传送装置和控制装置，其特征在于：传送装置包括磁流体循环单元，其带有磁电装置和活动的磁流体，磁电装置可以产生行波磁场来驱动磁流体运动来执行泵送任务。循环磁流体泵通过直驱磁流体结构来达到“去机械化”的目的，由于磁流体具有密度小、自润滑、自变形、柔性传动的特点，因而可以简化***结构，降低整体的体积和重量，减轻运行时的震动、噪音和损耗，还可以消除传动冲击和防过载，在这一总体设计思路的基础上，还采用非回转结构、柔性隔离膜、内壁螺旋筋、空心结构、变螺距压缩、复合结构、变循环结构、变频控制、智能化控制等多种措施来协同提高性能或扩大适用范围。

Description

循环磁流体泵

技术领域

本发明涉及一种泵。

背景技术

泵是一种用来输送流体或者以流体作为工质的设备，例如水泵、气泵、液压泵、动力泵等，广泛应用于各行各业，凡是有流体流动的地方几乎都有泵在工作。泵最早是作为一种机械设备诞生，时至今日，绝大多数的泵仍然以电机、内燃机为原动机，总成中带有完整的原动机结构，有的还要有传动装置来转换运动形式，整体重量和体积都比较大，刚性机械运动还不可避免地存在震动、噪音、设备磨损、增加耗能和加速材料疲劳等问题。为了克服或减少机械运动的弊端，电力直驱结构已经在很多场合中得到应用，一般是电机的动子和定子与泵的动子和定子融合为一体，虽然已经取得了较好的预期效果，但还存在较大的进步空间，去机械化就是一个很有潜力的努力方向，其中比较有代表性的是磁流体推进器。磁流体推进器于1999年由日本首次在船舶工业中投入使用，向通道中的海水施加电流和磁场，使海水中的带电离子在洛伦兹力的作用下运动，带动周围水分子运动形成水流而获得推力，整个***可以没有机械式运动机构，具有震动小、噪音小等特点，但也带来了一些新的问题：需要向海水中通电，而海水的电阻率较大，所以耗电量较大；海水中的带电离子浓度并不高，为了增加海水的电导率，需要向海水中投放添加剂；需要增加电极设备，其被海水腐蚀和阳极沉淀是比较难解决的问题；可能对海洋环境造成污染和破坏；工作原理难以移植到其它应用领域，限制了技术开发价值的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种泵，以行波磁场来直接驱动磁流体循环运动，来代替传统结构中的刚性泵送组件，从而达到“去机械化”的目的，由于磁流体具有密度小、自润滑、自变形、柔性传动的特点，因而可以简化***结构，降低整体的体积和重量，减轻运行时的震动、噪音和损耗，还可以消除传动冲击和防过载，在这一总体设计思路的基础上，还采用非回转结构、柔性隔离膜、内壁螺旋筋、空心结构、变螺距压缩、复合结构、变循环结构、变频控制、智能化控制等多种措施来协同提高性能或扩大适用范围。

本发明的传送装置包括磁流体循环单元，其带有磁电装置和活动的磁流体，磁电装置可以产生行波磁场来驱动磁流体运动，磁流体在运动中做功。

本发明的磁流体在行波磁场的作用下被吸附在腔体内壁上，向空间伸出成为泵叶并在内腔的环形通道中循环运动，利用纵向分力来连续做功。

本发明的腔体的内腔包括做功通道和回程通道，磁流体在当中循环运动，在做功通道内做功然后从回程通道返回，周而复始，或者，磁流体在同一通道做功、返回，在做功行程的横截面积大于在返回行程的横截面。

本发明的磁流体与被泵送流体之间直接接触，或者隔着柔性膜，具有抗磨、减摩、密封或防污染的作用。

本发明的磁电装置为旋转磁场绕组，包括中心型旋转磁场绕组、分布型旋转磁场绕组或者由旋转磁场绕组型线经过排列、折弯或扭转而成的结构，磁电装置还可以是直线电机绕组、加速线圈组、电磁线圈组、导磁体组、磁轨、电轨或前述类型的任意一种组合。

本发明带有磁流体分离装置，可以使磁流体在做功通道末端与其中一侧的内壁分离而进入回程通道。

本发明的腔体的内壁有螺旋筋，可以起到减少紊流、降低噪音或减轻损耗的作用，或者带有空心结构，可以用来安装组件。

本发明的整体结构为平板型、曲板型或环型；整体上为单体结构，带有脉动消除装置或带有两团以上的磁流体来交替工作，或者，采用两组以上工作相位不同的循环结构来减轻输出脉动。

本发明可以使工质流体在同一个循环结构中变速运动，或者，在纵向有两组以上的循环结构，使工质流体可以在沿程逐渐变速或变压，或者，做功通道的宽度或锥度为可调的变循环结构。

本发明带有整流装置、变频器或自动化或智能化控制装置。

附图说明

图1是横向循环结构的纵向视图；

图2是横向循环结构的横向视图；

图3是纵向循环结构的横向视图；

图4是纵向循环结构的纵向视图；

图5是旋转磁场绕组型线绕成的螺线管结构；

图6是带有柔性膜的结构；

图7是以旋转磁场来分离磁流体的结构；

图8是并联复合结构。

具体实施方式

本发明的传送装置包括磁流体循环单元，其带有磁电装置和活动的磁流体，磁电装置可以产生行波磁场来驱动磁流体运动，磁流体在运动中做功。在此，行波磁场指的场强最大的作用点可以沿着一定路线运动的磁场，其运动方式包括但不限于平移、平转、公转、自转或它们的任意一种组合。参照图1和图2，外圈1和内圈4相互用肋条固定连接，或固定安装在带孔的底板上，组合成腔体；多条导线2分别在外圈1和内圈4上排列成旋转磁场绕组，能产生极对数相同，相反磁极相对应且同步转动的旋转磁场；有磁流体3被外圈1和内圈4的旋转磁场的磁极磁化并吸住，导线2在外圈1和内圈4的周面带有螺旋升角，使磁流体3形成螺旋状叶片；外圈1和内圈4的旋转磁场绕组通入三项交流电后两个磁场以相同的角速度同步转动，从而带动磁流体3在横向循环公转，其表面的轴向分力可以连续泵压腔内工质流体纵向运动。本实施例中，磁流体3在内、外方向双侧受到吸力，为了简化结构，在排压不大的情况下也可以采用单侧受力的结构；因为磁流体3可以自变形，所以外圈1和内圈4也可以不是回转体，横截面形状可以是椭圆形、长圆形或其它类型的封闭曲线；磁流体3除了如本实施例在横向运动中连续工作，还可以采用纵向运动的间歇工作方式；用来产生行波磁场的装置类型不局限于在此列举的旋转磁场绕组。

本发明的磁流体在行波磁场的作用下被吸附在腔体内壁上，向空间伸出成为泵叶并在内腔的环形通道中循环运动，利用纵向分力来连续做功。如图1和图2所示，磁流体3被外圈1和内圈4的旋转磁场的磁极磁化并吸住，导线2在外圈1和内圈4的周面带有螺旋升角，使磁流体3形成螺旋状叶片，外圈1和内圈4的旋转磁场绕组通入三项电流后两个磁场同步转动，从而带动磁流体3在周向沿着环形通道在横向循环运动，其表面的轴向分力可以连续泵压腔内流体纵向运动。

本发明的腔体的内腔包括做功通道和回程通道，磁流体在当中循环运动，在做功通道内做功然后从回程通道返回，周而复始，或者，磁流体在同一通道做功、返回，在做功行程的横截面积大于在返回行程的横截面。参照图3和图4，外圈12和内圈16相互用肋条固定连接，或固定安装在带孔的底板上，组合成腔体；旋转磁场绕组13由多条长条导线组成，先在多片叠加的硅钢片14上按能产生旋转磁场的布局平行固定好，然后整体折弯成环形或C形，多个单元并排塑封在中环15之内；旋转磁场绕组13各单元通入同一组三相交流电时，在同一纵截面产生的旋转磁场相位不同，同名磁极按纵向顺序先后相继到达径向极位，即距内环或外环最近的位置，由此形成绕着中环15单侧纵截面运动的行波磁场；一团或两团以上的磁流体20被行波磁场磁化并吸引着一起运动；中环15与内环16之间的通道为做功通道，磁流体20在该通道内对工质流体做功，中环15与外环12之间的通道为回程通道，两个通道之间有导流罩11和导流罩21分别与中环15构成的过渡段；做功通道比回程通道宽，使得磁流体20在做功通道带动的流体的量比在回程通道多，因此可以整体上单向做功，或者如图6所示，导流罩11和导流罩21之间有隔离膜22把磁流体20与腔体内的工质流体隔离开，使磁流体20在做功通道可以通过隔离膜22带动工质流体而在回程通道不能带动工质流体；为了使磁流体20在做功通道双侧受到磁力作用而加大承受力，内环16采用导磁材料制作，并与永磁体24连接，联通永磁体24与旋转磁场绕组13之间的磁路，或者，也可以在内环16中设置与旋转磁场绕组13在同一位置磁极相反的旋转磁场绕组；在做功通道末端有不导磁的楔形环23来隔离磁流体20与内环16，并使内环16上的磁场在纵向逐渐减弱，使磁流体20随着最后一个旋转磁场一起运动而与内环16逐渐分离，楔形环23也可以采用别的装置来代替，例如采用永磁材料施加与内环16相反的磁场，或用导磁材料来屏蔽内环16的磁场，还可设置旋转磁场来进行分离。本发明还可以采用磁流体在同一通道做功、返回的工作方式——同一通道的两侧都设置有产生行波磁场的磁电装置，其中一侧的行波磁场在通道中周期往返，而另一侧以相同周期单向间歇运动；磁流体在做功行程时双侧都受到磁力作用而展开，用较大的横截面积对工质流体做功，而在返回行程时只有单侧受到磁力作用，以尽可能小的横截面积附壁返回；磁流体在做功行程泵动的工质流体比在返回行程多。

在图1实施例中，磁流体20与被泵送流体之间直接接触，也可以如图6所示，隔离膜22的两端分别与导流罩11和导流罩21密封连接，把磁流体20与腔体内的工质流体隔离开，使磁流体20在做功通道可以带动工质流体而在回程通道不能带动工质流体。隔离膜22具有抗磨、减摩、密封或防污染的作用，其对磁流体20和中环15半包围或全包围，里面有两团以上的磁流体20时，相互相间隔的区域用液体或气体来填充，或者是真空。

用来产生行波磁场的磁电装置是旋转磁场绕组，可以是图1所示的中心型旋转磁场绕组，也可以是沿程分布的旋转磁场绕组，还可以是由旋转磁场绕组型线经过排列、折弯或扭转而形成的结构，如图3所示，旋转磁场绕组13由多条长条导线组成，先在多片叠加的硅钢片14上固定成型线，再整体折弯成平面的环形或C形，最后多个单元在纵向排列，又如图5所示，旋转磁场绕组29由多条长条导线组成，先在多片叠加的硅钢片27上固定成型线，然后一边以自轴为中心进行扭转一边在纵向绕成螺线管，是一种立体结构，可以产生跟图3一样的行波磁场，但在接线上减少了很多麻烦。磁电装置还可以是别的类型，包括但不限于直线电机绕组、加速线圈组、电磁线圈组、导磁体组、磁轨、电轨或前述类型的任意一种组合。

如图3，在做功通道末端有不导磁的楔形块23来隔离磁流体20与内环16，并使内环16上的磁场在纵向逐渐减弱，使磁流体20随着最后一个旋转磁场一起运动而与内环16逐渐分离。楔形块23也可以采用别的装置来代替，例如采用永磁材料施加与内环16相反的磁场，或用导磁材料来屏蔽内环16的磁场，还可以如图7所示，在内环28的末端设置旋转磁场单元29，其磁场旋转方向与产生行波磁场的旋转磁场单元26相反，磁流体27运动到做功通道末端的时候因挡块30的阻隔而与旋转磁场单元29分离，只能随着旋转磁场单元26进入回程通道。磁流体分离装置的类型不限于此处所列举。

为了规范腔体内流体的流动，减轻其冲撞内壁而产生的噪音或损耗，在腔体的内壁上设置有螺旋筋，与工质流体的运动方向有适当的螺旋升角。螺旋升角度的大小一般以25度以内为宜，为避免对磁流体的运动造成过大的阻力，螺旋筋结构尽量只应用在磁流体与工质流体同向运动的实施例，如图3实施例。为了节省空间，图3实施例的内圈16为空心结构，用来安装电路板、控制器或电源等组件。

图8实施例中，整体结构为平板型，多条直导线沿着平板35的横截面轮廓排列成首尾相连的直线电机绕组，通入三项交流电后可以产生沿着平板35外周面运动的行波磁场，多个平板35在直筒34中平行排列形成做功通道37和回程通道33；平板35的横截面还可以是不封闭曲线，例如L形、U形等，由此构成曲板型结构；环型结构如图1和图3所示。图3实施例为单体结构，同一团磁流体20间歇做功，为了消除输出脉动，在出口端安装有空气包25，或者，在一个循环结构中有两团以上的磁流体20交替工作，或者，有两组以上工作相位不同的并列或串列的循环结构。

图2，导线2在内环4的周面上带有螺旋升角，在轴向有多个循环结构，它们的螺旋升角在不同的循环结构间分级变化，使工质流体可以在沿程逐渐变速或变压。螺旋升角也可以在同一个循环结构内无极渐变或分级变化，使工质流体可以在循环结构内逐渐变速或变压。还可以采用变循环结构——外环4在纵向带有锥度，调整其与内环4的轴向相对位置可以改变相互的径向距离，由此来使工质流体获得不同的速度和压力。

整体结构中带有整流装置、变频器或自动化或智能化控制装置，可以监测组件或工质的运行数据，数据类型包括但不限于磁流体相对于行波磁场的滞后量、工质的流速、流量、压力等，并可根据获得的数据做出提示、生成报告或自主进行变电、整流、调磁、调速或消除脉动等控制操作。

Claims (10)

1.循环磁流体泵，包括腔体、传送装置和控制装置，其特征在于：传送装置包括磁流体循环单元，其带有磁电装置和活动的磁流体，磁电装置可以产生行波磁场来驱动磁流体运动，磁流体在运动中做功。

2.根据权利要求1所述的循环磁流体泵，其特征在于：磁流体在行波磁场的作用下被吸附在腔体内壁上，向空间伸出成为泵叶并在内腔的环形通道中循环运动，利用纵向分力来连续做功。

3.根据权利要求1所述的循环磁流体泵，其特征在于：腔体的内腔包括做功通道和回程通道，磁流体在当中循环运动，在做功通道内做功然后从回程通道返回，周而复始，或者，磁流体在同一通道做功、返回，在做功行程的横截面积大于在返回行程的横截面。

4.根据权利要求1、2或3所述的循环磁流体泵，其特征在于：磁流体与被泵送流体之间直接接触，或者隔着柔性膜，具有抗磨、减摩、密封或防污染的作用。

5.根据权利要求4所述的循环磁流体泵，其特征在于：磁电装置为旋转磁场绕组，包括中心型旋转磁场绕组、分布型旋转磁场绕组或者由旋转磁场绕组型线经过排列、折弯或扭转而成的结构，磁电装置还可以是直线电机绕组、加速线圈组、电磁线圈组、导磁体组、磁轨、电轨或前述类型的任意一种组合。

6.根据权利要求1、3或5所述的循环磁流体泵，其特征在于：带有磁流体分离装置，可以使磁流体在做功通道末端与其中一侧的内壁分离而进入回程通道。

7.根据权利要求1、2、3或5所述的循环磁流体泵，其特征在于：腔体的内壁有螺旋筋，可以起到减少紊流、降低噪音或减轻损耗的作用，或者带有空心结构，可以用来安装组件。

8.根据权利要求1、2、3或5所述的循环磁流体泵，其特征在于：整体结构为平板型、曲板型或环型；整体上为单体结构，带有脉动消除装置或带有两团以上的磁流体来交替工作，或者，采用两组以上工作相位不同的循环结构来减轻输出脉动。

9.根据权利要求1、2、3或5所述的循环磁流体泵，其特征在于：可以使工质流体在同一个循环结构中变速运动，或者，在纵向有两组以上的循环结构，使工质流体可以在沿程逐渐变速或变压，或者，做功通道的宽度或锥度为可调的变循环结构。

10.根据权利要求1、2、3或5 所述的循环磁流体泵，其特征在于：带有整流装置、变频器或自动化或智能化控制装置。

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