CN102808783A - 机电一体化光伏直流大功率潜水泵 - Google Patents

Abstract

一种机电一体化光伏直流大功率潜水泵，包括潜水泵、直流电机、太阳能电源组件和控制器，直流电机机壳的上端与泵体的下端固定连接，直流电机转子轴的上端通过联轴器与泵轴的下端连接，控制器与太阳能电源组件的输出端和直流电机的输入电缆连接，控制器连接有水位传感器。利用控制器可实现直流电机自动过流保护、太阳能电源组件的最大功率追踪、电机转速异常保护、水泵干打保护、双水位检测并自停、防止管路回水重启。电机采用永磁无刷无位置传感器结构，定子和转子分别塑封后，利用水流实现冷却，采用石墨轴承实现水润滑，解决了发热问题，电机功率大,无噪声、全自动、高可靠，供水量与蒸发量适配性好，流量大，扬程高，可全天候无人值守运行。

Description

机电一体化光伏直流大功率潜水泵

技术领域:

本发明涉及机械领域，尤其涉及流体机械，特别涉及直流潜水泵，具体的是一种机电一体化光伏直流大功率潜水泵。

背景技术:

农牧业生产中，经常需要利用潜水泵提取水流。水泵由电机驱动，因此需要有电源。但是，野外经常不具备电源条件，因此现有技术中采用内燃机直接带动水泵，或者由内燃机带动发电机发电。内燃机中燃料容量有限，不能维持长期运行，工作噪声大，废气污染环境，需要人员值守。尽管野外可以利用太阳能电池发电，但是，太阳能电池输出的是直流电，如果使用交流电机驱动的水泵，需要在系统中添加逆变器来实现直流电到交流电的转换，这样会产生10％～15％的功率损耗。而使用直流电机驱动的水泵，在实现较大功率时，电机会过热，造成故障。尤其是驱动潜水泵的直流电机工作于水下环境时需要密封，电机运转过程中产生的热量更不易散发。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种机电一体化光伏直流大功率潜水泵，所述的这种机电一体化光伏直流大功率潜水泵要解决现有技术中电源条件不利潜水泵在野外工作的技术问题。

本发明的这种机电一体化光伏直流大功率潜水泵包括一个潜水泵、一个直流电机、一个太阳能电源组件和一个控制器，所述的潜水泵包括有一个泵体、一个泵轴、一组离心式叶轮，所述的离心式叶轮设置在所述的泵轴上，泵轴通过轴承设置在泵体内，泵体的下端设置有吸入口，泵体的上端设置有排出口，所述的直流电机由定子、转子、输入电缆、前轴承座和后轴承座构成，所述的定子呈筒形，定子由机壳和线圈绕组构成，所述的线圈绕组绕制在铁芯上并设置在机壳的内圆周上，所述的输入电缆与线圈绕组连接，所述的转子设置在定子内，所述的前轴承座和后轴承座分别固定连接在定子的两端，所述的转子包括有一个转子轴，所述的转子轴的两端分别通过轴承设置在前轴承座和后轴承座中，所述的太阳能电源组件由太阳能电池板通过串并联组成。其中，电机的上端与泵体的下端固定连接，转子轴的上端通过联轴器与泵轴的下端连接，所述的控制器与太阳能电源组件的输出端和直流电机的输入电缆连接，控制器上还连接有水位传感器。

进一步的，直流电机的机壳内壁上沿圆周向固定设置有一个定子密封绝缘层，所述的线圈绕组和铁芯均设置在所述的定子密封绝缘层内，定子密封绝缘层包围线圈绕组和铁芯并填充线圈绕组、铁芯与机壳内壁之间的间隙，所述的转子由转子轴、转子轭、转子套和两片以上数目的磁钢构成，所述的转子轴设置在转子轭的轴心上，所述的磁钢沿圆周向转等角度分布在转子轭的外圆周上，所述的转子套与转子轭同轴并固定套设在磁钢外，转子套与转子轭的间隙之间、任意相邻的两个磁钢之间均填充有转子密封绝缘体，转子套、转子轭和磁钢的两端端面上均覆盖有转子密封绝缘层。

进一步的，转子轴的两端的轴承均由石墨轴承构成，所述的石墨轴承的内圆周壁中设置有两条以上数目的凹槽，任意一条所述的凹槽均从石墨轴承的一端端面延伸到石墨轴承的另一端端面，任意一条凹槽均各自位于一个平面中，任意一个所述的平面均与石墨轴承的轴向均构成一个夹角，全部夹角的角度相等，所述的凹槽沿石墨轴承的内圆周方向等分分布。

进一步的，所述的定子密封绝缘层由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

进一步的，所述的转子密封绝缘体由陶瓷体、或者树脂体构成，所述的转子密封绝缘层由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

进一步的，所述的转子轴的后端设置有一个滑板，所述的后轴承座中设置有一个止推轴承。

进一步的，所述的前轴承座中偏离轴孔的位置上设置有一个导线过孔，所述的线圈绕组与一根导线连接，所述的导线的一端从定子密封绝缘层的端面中向外延伸并穿过所述的导线过孔。

进一步的，所述的后轴承座中偏离轴孔的位置上设置有一个过水孔。

进一步的，所述的石墨轴承的内圆周壁中设置有三条所述的凹槽。

进一步的，所述的直流电机采用无刷无位置传感器永磁直流电机。

进一步的，所述的控制器中包括有单片机，所述的单片机的输入输出接口与水位传感器连接，单片机的输入输出接口上连接有继电器。

本发明的工作原理是：潜水泵和直流电机设置在水井中、水面以下，控制器从太阳能电源组件中获得直流电，驱动直流电机，离心式叶轮旋转，液体随叶片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的液体在泵壳扩散室内速度变慢，压力增加，然后从泵体排出口流出。在叶片中心处，由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的低压区，水井中的水体在池面大气压的作用下，经吸入管流入泵内，连续不断地从水井中被抽吸上来。直流电机中的定子在控制器的驱动下产生旋转磁场，转子在旋转磁场中产生转动。工作于水下环境时，水流从前轴承座进入定子和转子之间的间隙，并从后轴承座排出，水流与石墨轴承之间产生润滑作用，并且带走定子和转子中产生的热量。定子密封绝缘层防止水流进入线圈绕组和铁芯，实现定子的密封绝缘。转子密封绝缘体和转子密封绝缘层防止水流进入转子套内，实现转子的密封绝缘。转子轴后端的滑板和后轴承座中的止推轴承配合，可消除转子轴受到的轴向力。石墨轴承与转子轴在相对旋转过程中，石墨轴承与转子轴的间隙之间产生水膜，实现水润滑。同时，石墨轴承与转子轴的间隙内的水被凹槽推动，从石墨轴承的一端排出，从而形成水流，可将直流电机内部的热量带出。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明利用控制器可实现直流电机的自动过流保护，实现MPPT太阳能电池最大功率追踪，实现电机转速异常保护，实现水泵干打保护，实现双水位检测并自停，防止管路回水重启功能，还可实现防雷保护。直流电机采用永磁无刷无位置传感器结构，定子和转子分别塑封后，利用水流实现冷却，采用石墨轴承实现水润滑，解决了发热问题，电机功率可提升到3000W或者更高。本发明无噪声、全自动、高可靠，供水量与蒸发量适配性好，最大流量可达22吨/每小时以上，最大扬程250M，可全天候无人值守运行。  

附图说明： 

图1是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵的一个实施例的示意图。

图2是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机的结构示意图。

图3是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的转子的轴向剖面示意图。

图4是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的转子的径向剖面示意图。

图5是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的石墨轴承用作前轴承的实施例的轴向结构示意图。

图6是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的石墨轴承用作前轴承的实施例的径向结构示意图。

图7是本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的石墨轴承用作后轴承的实施例的轴向结构示意图。

图8本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵中的直流电机中的石墨轴承用作后轴承的实施例的径向结构示意图。

具体实施方式：

实施例1:

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明的机电一体化光伏直流大功率潜水泵包括一个潜水泵100、一个直流电机200、一个太阳能电源组件300和一个控制器400，所述的潜水泵100包括有一个泵体、一个泵轴（图中未示）、一组离心式叶轮（图中未示），所述的离心式叶轮设置在所述的泵轴上，泵轴通过轴承设置在泵体内，泵体的下端设置有吸入口101，泵体的上端设置有排出口，所述的太阳能电源组件300由太阳能电池板通过串并联组成（图中未示）。其中，直流电机200的机壳205的上端与泵体的下端固定连接，直流电机200中转子轴209的上端通过联轴器与泵轴的下端连接，所述的控制器400与太阳能电源组件300的输出端和直流电机200的输入电缆连接，控制器400上还连接有水位传感器500。

进一步的，直流电机200由定子201、转子202、前轴承座203和后轴承座204构成，所述的定子201呈筒形，定子201由机壳205和线圈绕组206构成，所述的线圈绕组206绕制在铁芯207上并设置在机壳205的内圆周上，所述的转子202设置在定子201内，其中，所述的机壳205的内壁上沿圆周向固定设置有一个定子密封绝缘层208，所述的线圈绕组206和铁芯207均设置在所述的定子密封绝缘层208内，定子密封绝缘层208包围线圈绕组206和铁芯207并填充线圈绕组206、铁芯207与机壳205内壁之间的间隙，所述的转子202由转子轴209、转子轭210、转子套211和两片以上数目的磁钢212构成，所述的转子轴209设置在转子轭210的轴心上，所述的磁钢212沿圆周向转等角度分布在转子轭210的外圆周上，所述的转子套211与转子轭210同轴并固定套设在磁钢212外，转子套211与转子轭210的间隙之间、任意相邻的两个磁钢212之间均填充有转子密封绝缘体213，转子套211、转子轭210和磁钢212的两端端面上均覆盖有转子密封绝缘层214，所述的前轴承座203和后轴承座204分别固定连接在定子201的两端， 转子轴209的两端分别通过轴承215设置在前轴承座203和后轴承座204中。

进一步的，所述的定子密封绝缘层208由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

进一步的，所述的转子密封绝缘体213由陶瓷体、或者树脂体构成，所述的转子密封绝缘层214由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

进一步的，所述的转子轴209的后端设置有一个滑板216，所述的后轴承座204中设置有一个止推轴承217。

进一步的，所述的前轴承座203中偏离轴孔的位置上设置有一个导线过孔218，所述的线圈绕组206与一根导线219连接，所述的导线219的一端从定子密封绝缘层208的端面中向外延伸并穿过所述的导线过孔218。

进一步的，所述的后轴承座204中偏离轴孔的位置上设置有一个过水孔220。

进一步的，转子轴209的两端的轴承均由石墨轴承构成，石墨轴承的内圆周壁中设置有两条以上数目的凹槽221，任意一条所述的凹槽221均从石墨轴承的一端端面延伸到石墨轴承的另一端端面，任意一条凹槽221均各自位于一个平面中，任意一个所述的平面均与石墨轴承的轴向均构成一个夹角α，全部夹角α的角度相等，所述的凹槽221沿石墨轴承的内圆周方向等分分布。

进一步的，所述的石墨轴承的内圆周壁中设置有三条所述的凹槽221。

进一步的，任意一个所述的夹角α的角度均在5度到45度之间。

进一步的，任意一个所述的夹角α的角度均为30度。

进一步的，所述的直流电机200采用无刷无位置传感器永磁直流电机200。

进一步的，所述的控制器400中包括有单片机（图中未示），所述的单片机的输入输出接口与水位传感器500连接，单片机的输入输出接口上连接有继电器（图中未示）。

本实施例的工作原理是：潜水泵100和直流电机200设置在水井中、水面以下，控制器400从太阳能电源组件300中获得直流电，驱动直流电机200，离心式叶轮旋转，液体随叶片一起旋转，在离心力的作用下，飞离叶轮向外射出，射出的液体在泵壳扩散室内速度变慢，压力增加，然后从泵体排出口流出。在叶片中心处，由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的低压区，水井中的水体在池面大气压的作用下，经吸入管流入泵内，连续不断地从水井中被抽吸上来。在没有太阳光的情况下，直流电机200可利用蓄电池的电能工作。在有太阳光的情况下，太阳能光伏电池通过充电器对蓄电池充电。直流电机200中的定子201在控制器400的驱动下产生旋转磁场，转子202在旋转磁场中产生转动。工作于水下环境时，水流从前轴承座203进入定子201和转子202之间的间隙，并从后轴承座204排出，水流与石墨轴承之间产生润滑作用，并且带走定子201和转子202中产生的热量。定子密封绝缘层208防止水流进入线圈绕组206和铁芯207，实现定子201的密封绝缘。转子密封绝缘体213和转子密封绝缘层214防止水流进入转子套211内，实现转子202的密封绝缘。转子轴209后端的滑板216和后轴承座204中的止推轴承217配合，可消除转子轴209受到的轴向力。石墨轴承与转子轴209在相对旋转过程中，石墨轴承与转子轴209的间隙之间产生水膜，实现水润滑。同时，石墨轴承与转子轴209的间隙内的水被凹槽221推动，从石墨轴承的一端排出，从而形成水流，可将直流电机200内部的热量带出。

Claims (9)

1.一种机电一体化光伏直流大功率潜水泵，包括一个潜水泵、一个直流电机、一个太阳能电源组件和一个控制器，所述的潜水泵包括有一个泵体、一个泵轴、一组离心式叶轮，所述的离心式叶轮设置在所述的泵轴上，泵轴通过轴承设置在泵体内，泵体的下端设置有吸入口，泵体的上端设置有排出口，所述的直流电机由定子、转子、输入电缆、前轴承座和后轴承座构成，所述的定子呈筒形，定子由机壳和线圈绕组构成，所述的线圈绕组绕制在铁芯上并设置在机壳的内圆周上，所述的输入电缆与线圈绕组连接，所述的转子设置在定子内，所述的前轴承座和后轴承座分别固定连接在定子的两端，所述的转子包括有一个转子轴，所述的转子轴的两端分别通过轴承设置在前轴承座和后轴承座中，所述的太阳能电源组件由太阳能电池板通过串并联组成,其特征在于：电机的上端与泵体的下端固定连接，转子轴的上端通过联轴器与泵轴的下端连接，所述的控制器与太阳能电源组件的输出端和直流电机的输入电缆连接，控制器上还连接有水位传感器。

2.如权利要求1所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：直流电机的机壳内壁上沿圆周向固定设置有一个定子密封绝缘层，所述的线圈绕组和铁芯均设置在所述的定子密封绝缘层内，定子密封绝缘层包围线圈绕组和铁芯并填充线圈绕组、铁芯与机壳内壁之间的间隙，所述的转子由转子轴、转子轭、转子套和两片以上数目的磁钢构成，所述的转子轴设置在转子轭的轴心上，所述的磁钢沿圆周向转等角度分布在转子轭的外圆周上，所述的转子套与转子轭同轴并固定套设在磁钢外，转子套与转子轭的间隙之间、任意相邻的两个磁钢之间均填充有转子密封绝缘体，转子套、转子轭和磁钢的两端端面上均覆盖有转子密封绝缘层。

3.如权利要求1所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：转子轴的两端的轴承均由石墨轴承构成，所述的石墨轴承的内圆周壁中设置有两条以上数目的凹槽，任意一条所述的凹槽均从石墨轴承的一端端面延伸到石墨轴承的另一端端面，任意一条凹槽均各自位于一个平面中，任意一个所述的平面均与石墨轴承的轴向均构成一个夹角，全部夹角的角度相等，所述的凹槽沿石墨轴承的内圆周方向等分分布。

4.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的定子密封绝缘层由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

5.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的转子密封绝缘体由陶瓷体、或者树脂体构成，所述的转子密封绝缘层由陶瓷体、或者树脂体、或者金属覆盖层构成。

6.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的前轴承座和后轴承座内分别设置有水润滑轴承。

7.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的转子轴的后端设置有一个滑板，所述的后轴承座中设置有一个止推轴承。

8.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的前轴承座中偏离轴孔的位置上设置有一个导线过孔，所述的线圈绕组与一根导线连接，所述的导线的一端从定子密封绝缘层的端面中向外延伸并穿过所述的导线过孔。

9.如权利要求2所述的机电一体化光伏直流大功率潜水泵，其特征在于：所述的后轴承座中偏离轴孔的位置上设置有一个过水孔。

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