CN101000055A - 纯净泵 - Google Patents

Abstract

一种纯净泵属于磁悬浮纯净泵。该泵的两端各有一台无轴承电机，泵壳中固定有左右两个电机定子，柱轮中固定有左右两个转子，与泵壳中的左右两个电机定子相对应。对定子线圈中的电流进行适当的控制，将对柱轮中的转子产生作用力，从而不仅可以使柱轮旋转，同时可以支承柱轮，使其悬浮。柱轮的内壁装有螺旋状的柱叶，柱轮旋转时，即可以将传输液体泵出。本纯净泵与现有技术相比，具有结构简单、成本低、功率高、集成度高、控制简单等优点。

Description

纯净泵

一、技术领域

本发明涉及一种泵，尤其涉及一种磁悬浮纯净泵。

二、背景技术

随着磁悬浮技术的发展，其在泵类领域的应用日益广泛。其无摩擦、无磨损、免维护、长寿命、高效率等独特的优点为泵类的发展提供了新的方向。如下述几种磁悬浮泵。

专利号为02109770.4的中国专利是一种轴向可控磁悬浮永磁盘式血泵电机，由外壳、盘式定子、永磁盘式转子、被动永磁轴承、血泵叶轮和轴向可控磁轴承组成，盘式定子由电工硅钢片卷绕成圆环，在圆环一个端面沿径向开槽放入定子绕组，永磁盘式转子安装在非导磁转轴的一端，该轴穿入充磁的筒形永磁体中并加以固定，该筒形永磁体及转轴一起穿入另一固定在壳体上的筒形永磁体内，轴的另一端联接一个血泵叶轮，对应叶轮的外部在电机的端部装有轴向主动磁轴承。

专利号为200510005303.3的中国专利是一种无轴承无电机无轴的全人工心脏血泵，该血泵由相同结构的、对称的左右两个心室血泵构成。顺次将血流入口、漏斗型血泵内腔、圆柱型血泵内腔与血流出口连接。互连的锥叶轮和柱叶轮被搁置在漏斗型血泵内腔和圆柱型血泵内腔中。漏斗型血泵内腔和圆柱型血泵内腔的外壁上均设置有多组线圈；圆柱型血泵内腔的外侧壁壁上也设置有多组线圈。柱叶轮是起到转子作用的驱动部件。通过线圈产生的作用力驱动叶轮旋转，并形成对叶轮的轴向、径向运动的主动控制和叶轮的角位移、转速控制。

专利号为7070398的美国专利是一种轴流磁悬浮血泵，该血泵包括：一个有空腔的泵壳；一个旋转叶轮位于空腔内；两端的磁轴承使叶轮悬浮于空腔内；轴向磁轴承包括一系列磁块保持叶轮的轴向稳定；一个电机驱动叶轮旋转，叶轮旋转将血液泵出。

专利号为6053705的美国专利是一种旋转叶轮泵，该泵包括：一个有空腔和出入口的泵壳；一个固定于泵壳的定子，定子齿上绕有线圈；一个带叶片的转子，旋转时将传输物质泵出；转子具有被动悬浮装置；控制线圈中的电流，使转子悬浮并旋转；转子具有被动悬浮能力。

以上几种磁悬浮泵中存在结构复杂、成本高、难以提高功率、集成度低、控制复杂等的缺点。

三、发明内容

1.发明目的：本发明要解决的问题是克服现有磁悬浮泵结构复杂、成本高、难以提高功率、集成度低、控制复杂等的缺点。

2.技术方案：泵的两端各有一个电机，这两个电机不仅可以使叶轮旋转而且可以将叶轮两端悬浮起来，在轴向方向上可以利用电机气隙磁场的磁阻拉力实现悬浮；两端的电机根据叶轮的径向位移实施主动控制，使叶轮两端悬浮，轴向则是一种被动悬浮，在有需要的情况下也可对其进行主动控制。

位于两端的电机采用了磁轴承集成技术，将电机与磁轴承集成一体，也称为无轴承技术或者动力磁轴承技术。

在径向磁轴承中为了能产生可控的磁悬浮力，一般需要在其中先产生一个偏置磁场，然后再叠加一个悬浮磁场，通过对悬浮磁场的控制达到控制悬浮力的目的。无轴承技术则是将电机中的驱动磁场作为偏置磁场，外加一套绕组产生悬浮磁场，来达到产生悬浮力的目的。这样电机的驱动系统和径向磁轴承系统就可以合二为一，大幅缩短了电机轴向长度，提高了电机的轴向利用率。

一般情况下，磁轴承中的偏置磁场为一恒定磁场，而电机的驱动磁场则是一种随着转子转动变化的磁场，这就要求在控制悬浮的时候要考虑到这种变化。这导致了悬浮控制比较复杂复杂。但是在采用交替极永磁转子时，转子转动不影响悬浮力，这使控制系统得以简化。

本发明的纯净泵，包括内转子轴流泵和外转子轴流泵两类：一、内转子轴流泵的具体结构，包括置于泵壳内腔左右两端的左端无轴承电机和右端无轴承电机，及带螺旋叶轮的柱轮，所述左端无轴承电机的左转子和所述右端无轴承电机的右转子均分别嵌入带螺旋叶轮的柱轮中，左端无轴承电机的左定子和右端无轴承电机的右定子均分别嵌入泵壳内腔中；所述左径向位移传感器嵌入泵壳左端内侧；所述带螺旋叶轮的柱轮为空心圆柱状，其内壁设有或内外壁均设有螺旋叶轮，安装于泵壳内的左定子和右定子的内侧，形成内转子结构的轴流泵。二、外转子轴流泵的具体构成，包括置于泵壳内腔左右两端的左端无轴承电机和右端无轴承电机，左、右两个径向位移传感器，带螺旋叶轮的柱轮及定子柱；所述左端无轴承电机的左转子和所述的右端无轴承电机的右转子均分别嵌入带螺旋叶轮的柱轮中，左端无轴承电机的左定子和右端无轴承电机的右定子均分被固定在定子柱外侧，该定子柱固定在泵壳的内腔中；所述带螺旋叶轮的柱轮为空心圆柱状，其内壁设有或者内外壁均设有螺旋叶轮，套装在定子柱外侧，构成外转子结构的轴流泵。

四、附图说明

图1是交替极永磁转子结构。

图2是交替极永磁转子的悬浮力产生的原理，其中图(a)是x方向力的产生示意图，图(b)是y方向力的产生示意图。

图3是交替极永磁无轴承电机的控制框图。

图4是轴向悬浮力产生示意图

图5是内转子轴流泵的结构示意图。

图6是集中式绕组结构示意图。

图7是内转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵的结构示意图。

图8是内转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵的结构示意图。

图9是内转子混流泵的结构示意图。其中右图为左图的B-B剖视图。

图10是外转子轴流泵的结构示意图。其中右图为左图的A-A剖视图。

图11是外转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵的结构示意图。

图12是外转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵的结构示意图。

图13是外转子混流泵的结构示意图。

图中标号意义：1-泵壳、2-左径向位移传感器、3-左定子、4-右定子、5-右径向位移传感器、6-右转子、7-柱轮、8-左转子、9-轴向位移传感器、10-定子柱、11-中间辅助轴向悬浮模块、12-左入口、13-右入口、14-出口、15-永磁极、16-铁极、17-左端无轴承电机、18-右端无轴承电机、19-中间叶轮、20～23-两端辅助轴向悬浮模块。

五、具体实施方式

上述图1-图13是本发明纯净泵的具体结构示意图和工作原理图。其中交替极永磁转子的结构图如图1所示，图中实线表示永磁磁场，虚线表示悬浮磁场。从图中可以看出该电机的特点是：只有N极永磁体，没有S极永磁体，S极为铁极，永磁磁场只由N极永磁体产生。如果假设永磁体厚度足够厚以至于悬浮的磁场的磁力线基本上都只经过铁极，那么可以认为作为悬浮的偏置磁场就是铁极下的磁场。而铁极下的磁场为一单极磁场，磁场是由外向内或者由内向外，要产生悬浮力只需要外加一极对数为1的悬浮磁场即可。加入1对极的悬浮磁场后，从图2(a)中可以看出左侧的两个铁极处(深色阴影区域)的磁密因为悬浮磁场和永磁磁场的方向一致而得到增强；而右侧的两个铁极处(浅色阴影区域)的磁密因为悬浮磁场和永磁磁场的方向相反而得到削弱；从而产生一个方向向左的磁拉力。同理如图2(b)所示可以产生一个方向向下的磁拉力。

通过对交替极永磁转子的无轴承电机的分析可以得到，其悬浮力的公式为(极对数大于等于4)：

F_x＝k·i_lα

F_y＝-k·i_lβ

式中F_x、F_y分别为x、y、轴上的悬浮力，k为悬浮力系数，与电机结构和永磁材料有关，i_lα、i_lβ分别为悬浮电流α、β轴分量。

设计如图3所示的控制系统，实现悬浮和旋转控制。控制系统分为悬浮控制和旋转控制两个子系统。悬浮控制子系统控制悬浮绕组中的电流，旋转控制子系统控制电机主驱动绕组。

泵的两端采用如上所述的方式进行控制，在轴向上则是利用磁阻力实现悬浮，原理如图4所示。当转子偏离平衡位置时，根据磁路最短原理，将产生相反方向的力将转子拉回平衡位置。由于电机自身产生的磁阻拉力有限，必要的情况下可以加入轴向辅助悬浮模块。在轴流泵中，传输物质为轴向流动，将在转子上产生一个轴向的反作用力，转子偏离平衡位置，通过检测偏离平衡位置的程度，同时配合转矩、转速等信息可以确定传输物质的黏度和流量等信息。

电机的定子可以是分布式绕组，也可以是集中式绕组，采用集中式绕组时，如图6，可以采用一套绕组同时控制转子的悬浮和旋转，其原理是：在采用两套绕组时，电机中原有的驱动磁场与悬浮磁场叠加从而产生悬浮力，而磁场是由通电线圈产生的，磁场的叠加即可对应到电流的叠加。一个定子齿上在绕两套线圈时，是两套线圈产生的磁场叠加，在采用一套线圈时，在线圈中通入的电流是原来两套线圈中的电流的叠加，其产生的磁场与两套线圈产生的磁场等同。

在对电机进行悬浮控制时，需要径向的位移信号，采用基于霍尔元件的位移传感器有助于降低系统的成本。

将定子固定到泵壳上，将转子固定到柱轮里，如图5所示，柱轮内外侧有螺旋叶轮，柱轮旋转，即可将传输物质泵出。

为了提高泵的纯净度，根据传输物质的物理化学性质在泵壳内腔和柱轮上涂敷或包裹非导磁材料。

根据上述图5至图13叙述本发明的具体结构，由上述图可知，

泵的两端各有一台无轴承电机电机17、18，这两个电机不仅可以使叶轮旋转而且可以将叶轮两端悬浮起来，在轴向方向上可以利用电机气隙磁场的磁阻拉力实现悬浮，或者依靠辅助悬浮模块提高性能。根据这一原则可以有以下几种具体实施方式：

1.图5为一种内转子轴流泵，左定子3和右定子4嵌入泵壳1中，左转子8和右转子6嵌入于柱轮7中，左径向位移传感器2和右径向位移传感器5嵌入泵壳1的两端，轴向位移传感器嵌入泵壳1的左端。柱轮为空心圆柱状，内壁和外壁均有螺旋叶轮。外壁设置叶轮的主要目的在于，促进转子与定子之间的气隙中的传输物质的流动，这在某些领域具有很重要的意义，如：血泵。柱轮旋转即可将传输物质沿轴向泵出。该类型泵的转子在轴向受到一个反作用力，由于电机产生的轴向力有限，所以该类型的泵适合小功率的场合。

2.图7为一种内转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，其在图5的基础上在左定子3和右定子4之间的泵壳1内及带螺旋叶轮的柱轮7内加上了辅助轴向悬浮模块11。该类型泵的轴向负载能力得到了提高，相应的泵的功率也得到了提高。

3.图8为一种内转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，其在图5的基础上在泵壳1左端内侧内和泵壳1右端内侧内分别加上了辅助轴向悬浮模块(20、21、22、23)。该类型泵的辅助轴向悬浮模块可以是被动式也可以是主动控制式的。采用主动控制式悬浮，轴向位移可以得到精确控制。

4.图9为一种内转子混流泵，柱轮左端叶轮为螺旋状，右端叶轮也为螺旋状，但螺旋方向与左端叶轮相反。中间叶轮19将柱轮左端和右端连接起来。传输物质经过柱轮左端叶轮和右端叶轮加速，流向中间，在中间叶轮19的作用下，由中间出口流出。传输物质经过柱轮左端叶轮和右端叶轮向中间加速为轴流方式；在中间叶轮19的作用下，由中间出口流出为离心方式。该泵由于传输物质由左右两度流入，中间流出，柱轮在轴向上不受力，所以该泵可以实现较大功率。

5.图10为一种外转子轴流泵，定子柱10固定于泵壳1的内腔中；左电机定子3和右电机定子4固定于定子柱10中；柱轮7套于定子柱10外；左电机转子8和右电机转子6固定于柱轮7中；左径向位移传感器2和右径向位移传感器5嵌入泵壳1的两端，轴向位移传感器嵌入泵壳1的左端。柱轮为空心圆柱状，内壁和外壁均有螺旋叶轮。该类型的泵适合小功率的场合。

6.图11为一种外转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，其在图10的基础上加上了辅助轴向悬浮模块11。该类型泵的轴向负载能力得到了提高，相应的泵的功率也得到了提高。

7.图12为一种外转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，其在图10的基础上在定子柱10左、右两端的内侧端部内分别加上了辅助轴向悬浮模块(20、21、22、23)。该类型泵的辅助轴向悬浮模块可以是被动式也可以是主动控制式的。轴向位移可以得到精确控制。

8.图13为一种外转子混流泵，柱轮左端叶轮为螺旋状，右端叶轮也为螺旋状，但螺旋方向与左端叶轮相反，中间出口处的直径较两端入口处的直径大。传输物质在叶轮的轴向和离心作用力下，向出口处加速。该泵由于传输物质由左右两度流入，中间流出，柱轮在轴向上不受力，所以该泵可以实现较大功率。

上述为本发明的几种典型实例，熟悉本领域的普通技术人员在本发明的指导原则下可以从形状到细节对本发明作变化设计。

Claims (8)

1、一种纯净泵，其特征在于，包括置于泵壳(1)内腔左右两端的左端无轴承电机(17)和右端无轴承电机(18)，及带螺旋叶轮的柱轮(7)，所述左端无轴承电机(17)的左转子(8)和所述右端无轴承电机(18)的右转子(6)均分别嵌入带螺旋叶轮的柱轮(7)中，左端无轴承电机(17)的左定子(3)和右端无轴承电机(18)的右定子(4)均分别嵌入泵壳(1)内腔中；所述左径向位移传感器(2)嵌入泵壳(1)左端内侧；所述带螺旋叶轮的柱轮(7)为空心圆柱状，其内壁设有或内外壁均设有螺旋叶轮，安装于泵壳(1)内的左定子(3)和右定子(4)的内侧，形成内转子结构的轴流泵。

2、如权利要求1所述的纯净泵，其特征在于，左转子(8)和右转子(6)的结构为交替极永磁转子，永磁极(15)和铁极(16)交替分布。

3、如权利要求1所述的纯净泵，其特征在于，在左定子(3)和右定子(4)之间的泵壳(1)内及带螺旋叶轮的柱轮(7)内装有中间辅助轴向悬浮模块(11)构成内转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，或者在泵壳(1)左端内侧内和泵壳(1)右端内侧内分别装有辅助轴向悬浮模块(20、21、22、23)构成内转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵。

4、如权利要求1所述的纯净泵，其特征在于，带螺旋叶轮的柱轮(7)的左叶轮于右叶轮均为螺旋状，但两者的螺旋方向相反，并通过中间叶轮(19)将左、右两个叶轮连接起来，构成内转子混流泵。

5、一种纯净泵，其特征在于，包括置于泵壳(1)内腔左右两端的左端无轴承电机(17)和右端无轴承电机(18)，左、右两个径向位移传感器(2、5)，带螺旋叶轮的柱轮(7)及定子柱(10)；所述左端无轴承电机(17)的左转子(8)和所述的右端无轴承电机(18)的右转子(6)均分别嵌入带螺旋叶轮的柱轮(7)中，左端无轴承电机(17)的左定子(3)和右端无轴承电机(18)的右定子(4)均分被固定在定子柱(10)外侧，该定子柱(10)固定在泵壳(1)的内腔中；所述带螺旋叶轮的柱轮(7)为空心圆柱状，其内壁设有或者内外壁均设有螺旋叶轮，套装在定子柱(10)外侧，构成外转子结构的轴流泵。

6、如权利要求5所述的纯净泵，其特征在于，左转子(8)和右转子(6)的结构为交替极永磁转子，永磁极(15)和铁极(16)交替分布。

7、如权利要求5所述的纯净泵，其特征在于，在左端无轴承电机(17)右端与右端无轴承电机(18)左端之间装有中间辅助轴向悬浮模块(11)，构成外转子中间带辅助轴向悬浮模块的轴流泵，或者在定子柱(10)左、右两端的内侧端部内分别装有辅助轴向悬浮模块(20、21、22、23)构成外转子两端带辅助轴向悬浮模块的轴流泵。

8、如权利要求5所述的纯净泵，其特征在于，带螺旋叶轮的柱轮(7)的左叶轮与右叶轮均为螺旋状，但两者的螺旋方向相反，在泵壳(1)中间开有一个其直径大于泵壳(1)两端左右入口直径的中间出口(14)，构成外转子混流泵。

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