CN107872118B - 排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，叶轮传动装置包括形成有容纳腔的叶轮，容纳腔中设置有沿叶轮的径向方向延伸的多个挡块，相邻的挡块之间形成有滑动槽；联轴器，容纳到容纳腔中、且连接叶轮和电机轴；减震橡胶，嵌于滑动槽中，以通过联轴器的作用在滑动槽内滑动。本发明还公开了包括该叶轮传动装置的排水泵永磁同步电机。根据本发明的叶轮传动装置可以有效增加电机的启动时间，从而有效提高电机的启动可靠性；同时可以使得电机稳定运行，从而大幅度提升电机的寿命。

Description

排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置

技术领域

本发明涉及排水泵永磁同步电机领域，特别涉及一种排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，还特别涉及一种包括该叶轮传动装置的排水泵永磁同步电机。

背景技术

永磁电动机通常主要包含定子和永磁转子两部分，其中，定子是带有层叠铁芯的电磁和相应的线圈，永磁转子放置由定子中心形成的至少两个磁极的中心。转子通过与定子的磁场交互作用可以带动一定的负载旋转。可以知道的是，施加于同步电机上的负载惯性越大，其启动越困难。

理论和实验表明，此类同步电机的启动过程，表面是转子与负载之间的“来回撞击”，其实际是定子产生的正弦波磁场影响了转子的“来回撞击”。在此过程中，电机的电流、功率，转子的转动方向、速度均会发生变化，直到转子磁场与定子磁场对齐，转子达到同步状态，启动过程才完成。

在电机通过“来回撞击”达到同步状态的过程中，定子磁场和转子磁场强度不变的条件下，转子得到的动能不断的来回变化。当足够的动能使转子磁场与定子磁场对齐从而达到同步时，与之同时，转子与负载之间也处于相对静止的状态。

转子的动能如何有效的传递到负载，从而带动负载达到同步状态运转是本领域中的重要技术问题。进一步地，转子与负载之间的传动装置的优劣对于启动的启动噪音、启动稳定性、启动可靠性等对于电机的重要性也是不言而喻的。

目前，依据转子与负载之间的连接部件弹性体来分类，广泛使用的传动装置主要有两大类：第一类是弹性体在叶轮上或者在转子上固定；第二类是弹性体可在叶轮上或者转子上以中心轴滑动。

公开号为CN201318339Y的中国专利是第一类，专利申请披露了一种家用电器使用的离心式排水泵，该排水泵是为了解决电机启动负载大和降低启动振动和噪音的问题，通过启动筋或者限位筋的减震垫稳固贴合以及启动筋和限位筋的减震垫上设置凸点。这种结构在解决电机启动负载大、降低电机的震动和启动噪音方面的贡献是有限的；同时，零件结构复杂、数量多，造成了生产成本较高，亦不能实现自动化。

公开号为US7102261B2的美国专利是第二类，专利申请披露了一款传动装置，为了解决电机的启动噪音，其结构主要是主动件和被动件沿转子中心线自由360°旋转不干涉，主动件和被动件通过可以滑动的弹性体串联进行传动，弹性体受剪切力；这种设计可以降低启动噪音，但是主要的缺点是电机启动过程中，主动部件以较高的加速度冲击弹性体，弹性体传递到被动部件，这使弹性体产生较大的形变，使弹性体在高速的疲劳变形，最终引起弹性体的过早失效，由于弹性体失效，导致电机整体失效。

此两类结构是市场上，尤其在家用电器排水泵市场应用广泛的两类结构，通过以上分析对比，两类结构存在的问题主要是设计结构复杂，生产成本较高，亦不能实现自动化生产；启动噪音、启动稳定性、启动可靠性等都存在一定的缺点。

基于以上缺陷，如何提供能够满足上述启动要求，同时成本低的永磁同步电动机的叶轮传动装置是急需解决的。

因此，本发明的目的在于提供一种叶轮传动装置及相应的排水泵永磁同步电机，可以有效增加电机的启动时间，有效提高电机的启动可靠性；同时可以使得电机稳定运行，从而大幅度提升电机的寿命。

发明内容

为实现上述发明目的，根据本发明的一方面，提供了一种排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，所述叶轮传动装置包括形成有容纳腔的叶轮，所述容纳腔中设置有沿所述叶轮的径向方向延伸的多个挡块，相邻的所述挡块之间形成有滑动槽；联轴器，容纳到所述容纳腔中、且连接所述叶轮和电机轴；减震橡胶，嵌于所述滑动槽中，以通过所述联轴器的作用而在所述滑动槽内滑动。根据本发明的叶轮传动装置，可以提高减震橡胶的变形量，使得联轴器与叶轮之间的硬撞击可以通过减震橡胶来缓冲为软撞击。减震橡胶的变形所产生的缓冲过程的软撞击时间要远大于没有减震橡胶变形的硬撞击时间，因此有效地提高了电机的启动可靠性，大幅度提升电机的寿命。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，在所述叶轮的轴向方向上，所述滑动槽的底面到所述挡块的端面的高度低于所述滑动槽的底面到所述减震橡胶的端面的高度。根据本发明的减震橡胶的滑动结构通过滑动的行程和滑动过程中的摩擦力来有效增加了启动时间，有效提高了电机的启动可靠性。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述减震橡胶上设有缓冲孔。因此，当减震橡胶被联轴器凸台拍打时，因减震橡胶设有缓冲孔，使得减震橡胶有变形后，存在可让位的空间，从而有效地提高了减震橡胶被压缩的空间，提高了减震橡胶的变形量和变形时间。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述滑动槽内设有从底部沿所述叶轮的轴向方向延伸的缓冲柱，所述减震橡胶被安装为使得所述缓冲柱从所述缓冲孔中延伸穿过。因此，当减震橡胶受到联轴器凸台拍打后，缓冲柱通过弹性变形来缓冲减震橡胶的冲击，从而来自缓冲柱的弹性作用力使得减震橡胶的变形量和变形时间有效地增加。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述缓冲柱包括本体和从所述本体沿所述叶轮的轴向方向突出的配合段，所述本体的外形尺寸大于所述配合段的外形尺寸。因此，根据杠杆原理，这一特征使得缓冲柱的受力点与其定位点之间的长度增加，从而使得缓冲柱的变形量和变形时间有效地增加。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，在所述叶轮的轴向方向上，缓冲柱底面低于减震橡胶底面，缓冲柱顶面低于减震橡胶顶面、且高于联轴器凸台底面。因此，当不安装减震橡胶时，联轴器凸台可以直接拍打缓冲柱；当设置有减震橡胶时，联轴器凸台可以拍打减震橡胶，减震橡胶与缓冲柱之间留有间隙，从而先让减震橡胶产生变形，即一次缓冲；当减震橡胶变形后撞击到缓冲柱且通过杠杆原理作用于缓冲柱，缓冲柱受力而产生形变，即二级缓冲。另一方面，还减小了缓冲柱与减震橡胶之间的接触长度，使得减震橡胶在受力后，减震橡胶未接触缓冲柱的部分变形要大于接触缓冲柱的部分变形，从而有效地增加了减震橡胶的变形量。通过上述两级缓冲以及结构之间的位置关系，可以有效地增加减震橡胶的变形量和变形时间，从而可以有效地提高电机的启动可靠性。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述减震橡胶在安装到所述缓冲柱之后，所述减震橡胶沿所述叶轮的径向方向处于被压缩的状态。从而，电机启动过程瞬间，联轴器撞击减震橡胶引起减震橡胶在滑动槽内滑动；又由于减震橡胶处于被压缩状态，故减震橡胶与联轴器的外壁之间存在摩擦阻尼、且减震橡胶与叶轮的内壁的挡块之间也存在摩擦阻尼，以上的摩擦阻尼所带来的阻尼力，有效地延缓了减震橡胶滑动的速度，因此有效地提高了电机的启动可靠性。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述减震橡胶的径向压缩量介于2％到15％之间。如上所述，处于被压缩状态的减震橡胶与联轴器的外壁和叶轮的内壁的挡块之间存在的摩擦阻尼所带来的阻尼力可以有效地延缓了减震橡胶滑动的速度，而通过需要付出创造性劳动的试验证实，2％到15％之间的压缩量又是最为优选的压缩量范围，可以最为有效地提高电机的启动可靠性。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述电机轴的中心与所述缓冲柱的中心之间的径向距离小于所述联轴器的径向最大尺寸。因此，可以使得当减震橡胶受到联轴器拍打时，联轴器与减震橡胶、及减震橡胶与缓冲柱之间的相互作用和力传递更为充分，从而使得减震橡胶和缓冲柱的变形更为充分，即使二者获得更高的变形量和更长的变形时间，可以有效地提高电机的启动可靠性。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述挡块与所述缓冲柱之间具有最小周向角度λ_A，所述减震橡胶的缓冲孔远端内壁与撞击面之间具有最小周向角度λ_B，其中λ_B与λ_A之间的角度差介于8°到21°之间。如上文所述，减震橡胶和缓冲柱的变形可以提供两级缓冲。进一步地，通过此特征，减震橡胶的缓冲孔与缓冲柱之间具有一定的空间间隙结构，可以有效地改进减震橡胶的受力强度。具体而言，当联轴器凸台撞击减震橡胶时，减震橡胶滑动到叶轮的挡块一侧，减震橡胶受到挡块阻止后，联轴器继续施加所用力导致减震橡胶产生形变，在减震橡胶产生形变后，缓冲孔的壁与缓冲柱接触从而产生相互作用力。这样，联轴器施加的作用力通过减震橡胶两处力的叠加而传递给叶轮。经过下文的需要付出创造性劳动的试验证实，在λ_B与λ_A之间的角度差(可称为间隙角度)在0°到35°之间时，缓冲柱受力存在最优值，且可靠性试验周期随着间隙角度的增大而减小。进一步地，介于8°到21°之间的间隙角度则是最为优选的角度差范围，可以最为有效地兼顾缓冲柱受力和可靠性试验周期。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述联轴器的凸台与所述减震橡胶之间具有撞击面角度λ_C，其中λ_C介于15°到45°之间。在负载一定的条件下，联轴器高速来回撞击减震橡胶之间的撞击面角度λ_C会对电机启动的可靠性造成显著的影响。从起动时间考虑：当撞击面角度λ_C为0时，联轴器与减震橡胶的弹性体之间的接触为面接触，因撞击面积大，减震橡胶的变形很小，即减震橡胶变形时间也很小；反之，当撞击面角度λ_C大于0时，联轴器与减震橡胶之间局部接触(线接触或者小面积接触)，撞击瞬间的力通过减震橡胶的变形来缓冲，且减震橡胶变形量大，即减震橡胶的变形时间也较长。进一步从一次启动次数分析，在0°到60°之间的撞击面角度λ_C中，优选50％以上一次启动，可以通过需要付出创造性劳动的试验得到优选的λ_C介于15°到45°之间的撞击面角度范围。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述叶轮的容纳腔在中心位置处设有定位柱，所述联轴器具有与所述定位柱配合的中孔，以将所述联轴器固定在所述容纳腔中。如上文所述，永磁同步电机在启动是通过转子和叶轮的“来回撞击”达到同步状态的过程。叶轮的径向晃动量如果没有得到限制，则联轴器拍打减震橡胶的位置是不固定的，且拍打减震橡胶的面积可能出现线接触的情况，此种不稳定的撞击将可能导致电机失效。这一技术特征可以解决包括但不限于这一技术问题，即采用定位柱对联轴器的两端径向定位，从而减小摩擦和径向晃动，有效地降低了联轴器与叶轮之间的接触面积，可以使得电机稳定运行，从而可靠性寿命得到大幅度提升。

根据本发明实施例的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置，可选地，所述定位柱包括由分界面间隔开的圆柱段和非圆柱段，所述非圆柱段中设有储油槽。仍可选地，在所述叶轮的轴向方向上，所述联轴器靠近所述容纳腔的端面低于所述分界面。在电机启动过程中，联轴器中孔与叶轮的定位柱之间有摩擦。一般而言，联轴器的材料可以为金属，定位柱的材料可以为塑料，从而，高速频繁的启动容易导致定位柱的磨损。一旦磨损较为严重，将会使得定位柱失去其定位的功能。为了缓解磨损，通过上述技术特征，叶轮腔中的油脂可以较多的保存在非圆柱的部位，同时可以补充给邻近的圆柱段的部位，从而可以降低定位柱的磨损，同时也可以降低联轴器的磨损，显著地提高了电机的可靠性寿命。

仍为实现上述发明目的，根据本发明的另一方面，提供了一种排水泵永磁同步电机，包括电机壳体、容纳在其中的定子和转子、安装到所述转子的电机轴、连接到所述电机轴的具有上述技术特征的任意组合的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置、以及用于密封所述叶轮传动装置的卡片。

由上文不难发现，根据本发明的叶轮传动装置及相应的排水泵永磁同步电机，可以使得有效增加电机的启动时间，有效提高电机的启动可靠性；同时可以使得电机稳定运行，大幅度提升电机的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例的叶轮传动装置的结构示意图，同时示出了与之配合的转子、电机轴和卡片；

图2是根据本发明实施例的减震橡胶的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的叶轮的结构示意图，示出了容纳腔中的挡块；

图4是根据本发明实施例的叶轮传动装置的剖面示意图，示出了挡块与减震橡胶的高度配合关系；

图5是根据本发明实施例的叶轮的正视图，示出了处于被压缩状态的减震橡胶；

图6是根据本发明实施例的叶轮传动装置的剖面示意图，示出了减震橡胶与缓冲柱等特征之间的配合关系；

图7是根据本发明实施例的叶轮传动装置的正视图，示出了最小周向角度之间的配合关系；

图8是根据本发明实施例的叶轮传动装置的剖面示意图，示出了电机轴中心、缓冲柱中心与联轴器最大径向尺寸之间的配合关系；

图9是根据本发明实施例的叶轮传动装置的正视图，示出了减震橡胶与联轴器凸台的撞击面角度；

图10是根据本发明实施例的叶轮传动装置的正视图，示出了处于被压缩状态的减震橡胶；

图11是根据本发明实施例的叶轮传动装置的剖面示意图，示出了定位柱与联轴器之间的配合关系；

图12是根据本发明实施例的叶轮传动装置的剖面示意图，示出了位于联轴器的非圆柱段中的储油槽；

图13是根据本发明实施例的叶轮在理想工作状态下的原理示意图；

图14到图21是根据本发明实施例的叶轮传动装置的受力状态的数值模拟结果示意图；

图22是根据本发明实施例的叶轮传动装置的撞击面角度与一次启动性能关系图；

图23是根据本发明实施例的叶轮传动装置的不同间隙角度值与缓冲柱受力和可靠性实验周期的关系图。

附图标记列表

1 叶轮传动装置

11 叶轮

111 容纳腔

112 挡块

112A 第一挡块

112B 第二挡块

112C 第三挡块

113 滑动槽

114 底部

115 缓冲柱

115A 本体

115B 配合段

116 定位柱

116A 圆柱段

116B 非圆柱段

117 储油槽

118 缓冲柱顶面

119 缓冲柱底面

12 联轴器

121 凸台

122A 第一端面

122B 第二端面

123 中孔

124 第一端

125 第二端

126 联轴器凸台底面

127 联轴器凸台撞击面

13 减震橡胶

131 缓冲孔

132 远端内壁

133 近端内壁

134 减震橡胶的第一撞击面

135 减震橡胶顶面

136 减震橡胶底面

137 减震橡胶第二撞击面

2 转子

3 电机轴

4 卡片

41 卡片密封圈

A 轴向方向

R 径向方向

C 周向方向

C+ 顺时针方向

C- 逆时针方向

C₁ 电机轴的中心

C₂ 缓冲柱的中心

C₃ 容纳腔的中心位置

D₁ 中心之间的径向距离

D₂ 联轴器的径向最大尺寸

G_D 间隙

H_B 挡块的端面

H_R 减震橡胶的端面

l₁ 电机轴的中心轴线

l₂ 缓冲柱的中心轴线

r 联轴器的最大外径

R_A 滑动槽的底面

S_D 分界面

T_E 减震橡胶自由状态下的径向厚度

λ_A 最小周向角度

λ_B 最小周向角度

λ_C 撞击面角度

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本公开所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例

参见图1，根据本发明的排水泵永磁同步电机包括电机壳体(未示出)、容纳在其中的定子(未示出)和转子2、安装到转子2的电机轴3、连接到电机轴3的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置1、以及用于密封叶轮传动装置1的卡片4。卡片4内可以设有卡片密封圈41。在实施例中，卡片密封圈41可以是O形环形式的密封圈41(例如参见图6)。

进一步参见图1，在本发明中，叶轮传动装置1包括具有容纳腔111的叶轮11、联轴器12、减震橡胶13。联轴器12可以具有联轴器凸台121，联轴器12的第一端124位于叶轮11的容纳腔111中间，联轴器12的第二端125与电机轴3固定连接。联轴器12和减震橡胶13通过卡片4和卡片密封圈41密封在叶轮11中。

本发明进一步包含如下需要付出创造性劳动的特征1-14。

需要说明的是，下述特征1-14仅是示例性的，本领域技术人员在特征1-14基础上做出的等同替换、变型等，均属于在本发明的精神下做出的改变。本发明的保护范围通过权利要求中记载的特征来限定。

■特征1

参见图2，减震橡胶13包括本体，本体上设有缓冲孔131，缓冲孔131可以是通孔。

在图2的示例中，缓冲孔131的形状是与本体的形状大体一致的弧形。在其余实施例中，缓冲孔131的形状也可以是其他合适的形状。

■特征2

叶轮的容纳腔111的内壁可以设有多个台阶状的挡块112。在多个挡块112中，每两个相邻挡块112之间可以形成有滑动槽113。

在图3中，仅作为示例，多个挡块112可以包括第一挡块112A、第二挡块112B和第三挡块112C。

两个相邻挡块112A、112B之间可以形成有用于减震橡胶13在其中滑动的滑动槽113。

然而，多个挡块112的数量和设置位置等并不限于此，如也可设置多于两个的挡块，相应地滑动槽的数量也可以多于一个。

■特征3

参见图4，示出了根据本发明实施例的叶轮传动装置1的剖面图(沿图5所示的P-P线剖切)。在实施例中，滑动槽113的底面R_A到挡块112(在上述P-P剖切位置的情况下，挡块112是第三挡块112C)的端面H_B的高度，低于滑动槽113的底面R_A到减震橡胶13的端面H_R的高度。此处的“高度”是指在安装状态下，沿叶轮11的轴向方向A，两个大致平行的平面之间距离尺寸。

为清楚起见，滑动槽113的底面R_A和挡块112的端面H_B的位置也可以参见图8中的标注。

进一步地，在实施例中，滑动槽113的底面R_A到挡块112的端面H_B的高度，可以低于滑动槽113的底面R_A到减震橡胶13的端面H_R的高度的二分之一。

■特征4

在实施例中，滑动槽113内可以设有缓冲柱131。作为示例，参见图4，缓冲柱131可以从叶轮11的底部114(即，图6中的缓冲柱131的起始底面)沿轴向方向A向内延伸。仍作为示例，缓冲柱131可以包括缓冲柱本体131A，以及从缓冲柱本体131A沿轴向方向A突出的配合段131B。

作为优选，缓冲柱本体131A和配合段131B可以均为圆柱形，且缓冲柱本体131A的直径可以大于配合段131B的直径。

进一步参见图4或图5，在安装状态下，缓冲柱131可以延伸穿过减震橡胶13的缓冲孔131，从而减震橡胶13可以在滑动槽113内以电机轴3为中心做周向滑动。

作为示例，换言之，参见图4，缓冲柱131的配合段131B可以插入到减震橡胶13的缓冲孔131中。

在缓冲柱115与缓冲孔131的配合下，减震橡胶13可以沿顺时针C+和逆时针C-两个周向方向C在滑动槽113内进行滑动(为便于观察，图5中未示出电机轴3和卡片4)。

■特征5

一方面，在叶轮11的径向方向R或减震橡胶13的弧形的径向方向上，减震橡胶13的缓冲孔131在松弛状态下的径向外侧和径向内侧的壁厚分别为F和H。

另一方面，缓冲柱115与叶轮11的内壁、缓冲柱115与联轴器12的外壁的距离分别为G和I。

例如，参见图5，上述壁厚与上述距离之间的配合关系分别为：F＞G，H＞I。因此，换言之，在图5的安装状态下，减震橡胶13沿径向方向R是处于被压缩状态的。

■特征6

如上文所述，缓冲柱本体131A起始延伸的底面可以限定缓冲柱底面119，缓冲柱131的配合段131B的末端面限定缓冲柱顶面118。

进一步地，参见图6，在安装状态下，减震橡胶13包括面向转子2(图1)的减震橡胶顶面135和背向转子2的减震橡胶底面136。

在实施例中，如图6所示，在轴向方向A上，缓冲柱底面119低于减震橡胶底面136。

还如上文所述，缓冲柱的固定段，即缓冲柱本体131A的外形尺寸大于缓冲柱131与减震橡胶13相配合的配合段131B的外形尺寸。

■特征7

进一步参见图6，在安装状态下，在轴向方向A上，缓冲柱131的配合段131B的缓冲柱顶面118低于减震橡胶顶面135，且缓冲柱顶面118高于联轴器凸台底面126。

■特征8

参见图7或图8的剖面图，电机轴3具有由电机轴的中心轴线l₁限定的电机轴中心C₁，缓冲柱115也包括由缓冲柱的中心轴线l₂限定的缓冲柱中心C₂。

参见图8，在实施例中，电机轴中心C₁与缓冲柱中心C₂的径向距离D₁小于联轴器12沿径向方向R的最大尺寸D₂(也可以限定为联轴器的最大外径r)。

■特征9

参见图7或图8，作为示例，叶轮11的第一挡块112A(其余挡块情况类似)与缓冲柱115的曲面之间限定最小周向角度λ_A。

减震橡胶13具有由缓冲孔131限定的相对于第一挡块112A较远的缓冲孔远端内壁132(可以为曲面)和较近的缓冲孔近端内壁133(可以为曲面)。减震橡胶13还包括与第一挡块112A相互撞击的减震橡胶13的第一撞击面134。参见图8，缓冲孔远端内壁132与第一撞击面134之间限定最小周向角度λ_B。

在实施例中，上述两个角度λ_A和λ_B之间的关系可以是：λ_B减λ_A的角度值在8°～21°之间，即8°≤λ_B-λ_A≤21°。

■特征10

一方面，如上文所述，本实施例涉及减震橡胶13与挡块112之间的撞击角度及其与其他角度之间的关系；另一方面，本实施例还涉及减震橡胶13与联轴器12之间的撞击面角度等关系。

具体而言，参见图9，联轴器12撞击减震橡胶13的弹性体时，联轴器凸台121的撞击面127与减震橡胶13的第二撞击面137之间限定撞击面角度λ_C，撞击面角度λ_C在15°～45°之间，即15°≤λ_C≤45°。

■特征11

参见图10，联轴器12的根部外径r₁与叶轮11的内壁之间间隙为G_D，减震橡胶沿径向的厚度为T_E(例如参见图2)，其中T_E＞G_D。

换言之，与特征5相类似，减震橡胶13在安装状态下沿径向方向R是处于被压缩状态的。

作为示例，进一步地，减震橡胶13的径向压缩量P可以在2％～15％之间。

■特征12

参见图11，叶轮11在大致中心位置C₃处设有定位柱116。作为示例，叶轮11的定位柱116可以大致分为两部分，即圆柱段116A和非圆柱段116B，二者之间可以通过分界面S_D间隔开来。

在与联轴器12装配后，定位柱116与联轴器12的中孔123配合。作为示例，定位柱116可以与联轴器12的中孔123过盈配合。

■特征13

参见图12，联轴器沿轴向方向A具有相对远离转子2(图1)的第一端面122A(即，靠近叶轮11的容纳腔111的端面)和相对临近转子2的第二端面122B(即，远离容纳腔111的端面)。

作为示例，沿轴向方向A，第一端面122A可以低于叶轮11的定位柱116的圆柱段116A和非圆柱段116B的分界面S_D。

■特征14

参见图12，定位柱116可以设置一个储油槽117。

作为示例，储油槽117可以由定位柱116的非圆柱段116B形成。

本发明的原理分析及上述特征的有益效果

由于水在叶轮的轴向方向A上流动接近，所以选取流体区域内轴向的一个截面作为研究对象。为方便研究，将流体区域分为旋转域和静止域两个部分，图13中虚线以内部分为旋转域，虚线以外部分为静止域。开始时，叶轮与水均为静止状态。

参见图13，在理想状态时，在t₁时刻，电机启动，转子铁芯带动叶轮11以ω的角速度做旋转运动。旋转区域内的水在叶轮11的作用下，在时间t₂时刻内完成加速，由静止态变为角速度为ω的旋转运动。由于Δt(Δt＝t₂-t₁)比较小，因此可以不考虑虚线区域内水的进出。

在t₁到t₂时间内，旋转区域内水的旋转线速度为：

v＝rω_t

其中：r为半径，ω_t为t时刻的旋转角速度。

虚线为旋转域和静止域的分界线，此处的旋转线流速v₂＝r₂ω_t。

在Δt时间内，旋转域只能带动r₂+Δr的区域(虚线与双点线之间的区域)旋转。在r₂与r₂+Δr之间存在一个速度梯度因此有粘性剪切力：

其中：μ为水的粘度。

当电机启动时，电机通过转子2和电机轴3带动叶轮11旋转，然后再带动水旋转，可以将Δt时间做细分，分为如下三部分：

1、铁芯带动联轴器12以角速度ω做旋转运动，联轴器凸台121拍打减震橡胶13，减震橡胶13开始绕电机轴3旋转，直至减震橡胶13接触到叶轮11的台阶状的挡块112。此时叶轮11还没有开始旋转，此阶段时间可以定义为Δt₁。

2、联轴器12以角速度ω做旋转运动，减震橡胶13通过挡块112带动叶轮11开始旋转，叶轮11带动旋转域内的水开始做旋转运动，直至减震橡胶13被压缩过程的结束。此时粘性切应力为：

其中：r₂+Δr₁的环形区域为旋转域带动静止域开始旋转的部分，半径r₂+Δr₁处，旋转速度为0。

叶轮11和旋转域的水是一加速旋转的过程，叶轮11的旋转速度ω_t低于ω。此阶段时间可以定义为Δt₂。

3、叶轮11以角速度ω做旋转运动，旋转域内水的旋转角速度逐渐增大。

此时粘性切应力为：

r₂+Δr₂的环形区域为旋转域带动静止域开始旋转的部分，半径r₂+Δr₂处，旋转速度为0。

此阶段时间可以定义为Δt₃。

由以上细分，可以有：Δt＝Δt₁+Δt₂+Δt₃

旋转域带动静止域旋转，是由于水的粘性作用。作用的时间越久，带动的旋转的区域越大，即Δr₁、Δr₂值就越大。由粘性切应力公式可以看出，Δr₁、Δr₂值越大，切应力越小。所以，增加启动时间，和/或减小粘性切应力，可以减小启动阻力。

在液体泵领域，由于液体的粘性作用，从粘性切应力公式可以看出，液体泵增加启动时间，可以有效减小粘性切应力，减小启动阻力，降低启动功率，提高泵启动的可靠性。特别是对于不带控制器驱动的同步电机带动的液体泵将更为重要。为此，增加启动时间将可以有效地提升其启动性能和启动可靠性。

针对同步电机液体泵，可以将其启动过程分为三个阶段：

第一阶段S₁：铁芯带动联轴器12以角速度ω做旋转运动，联轴器凸台121拍打减震橡胶13，减震橡胶13开始绕电机轴3旋转，直至减震橡胶13接触到叶轮11的台阶状的挡块112。此时叶轮11还没有开始旋转，此阶段时间可以定义为Δt₁；

第二阶段S₂：联轴器12以角速度ω做旋转运动，减震橡胶13通过挡块112带动叶轮11开始旋转，叶轮11的叶片带动水开始做旋转运动，直至减震橡胶13被压缩过程的结束，此阶段时间可以定义为Δt₂；

第三阶段S₃：叶轮11以角速度ω做旋转运动，水的旋转角速度逐渐增大，直到流速恒定，此阶段时间可以定义为Δt₃。

在上文所述的特征2中，沿容纳腔111的内壁设置的每两个相邻挡块112之间可以形成滑动槽113，减震橡胶13在联轴器12撞击下，可以在滑动槽113内顺时针或逆时针旋转。相比于无滑动槽(以及与之关联的缓冲孔和缓冲柱)设计的减震橡胶，根据本发明的减震橡胶13的滑动结构通过滑动的行程和滑动过程中的摩擦力来有效增加了启动时间，即增加了上述Δt₁时间，从而有效提高了电机的启动可靠性。

在上文所述的特征5和特征11中，均限定了在安装状态下减震橡胶13处于被压缩状态。从而，电机启动过程瞬间，联轴器12撞击减震橡胶13引起减震橡胶13在滑动槽113内滑动；又由于减震橡胶13处于被压缩状态，故减震橡胶13与联轴器12的外壁之间存在摩擦阻尼、且减震橡胶13与叶轮11的内壁的挡块112之间也存在摩擦阻尼，以上的摩擦阻尼所带来的阻尼力，有效地延缓了减震橡胶13滑动的速度，即有效地增加了Δt₁时间，因此有效地提高了电机的启动可靠性。

在特征1、特征3、特征4、特征6、特征7、特征8、特征9、特征10等特征中，所限定的结构均可以提高减震橡胶13的变形量，使得联轴器12与叶轮11之间的硬撞击可以通过减震橡胶13来缓冲为软撞击。减震橡胶13的变形所产生的缓冲过程的软撞击时间t_s要远大于没有减震橡胶13变形的硬撞击时间t_h，属于Δt₂阶段，因此有效地提高了电机的启动可靠性。

下面将分别对上述每个Δt₂阶段的特征进行详解。

在特征1中，限定了减震橡胶13上设有缓冲孔131，当减震橡胶13被联轴器凸台121拍打时，因减震橡胶13设有缓冲孔131，使得减震橡胶13有变形后，存在可让位的空间，从而有效地提高了减震橡胶13被压缩的空间。具体而言，详见仿真分析拍打前后减震橡胶13受力的示意图示图14、图15(图中不同灰度标识的是减震橡胶受力大小，灰度由大到小代表作用力由小到大，本实施例中作用力指的是等效Von Mises应力，下文相同)。图14、图15中可以看到撞击前后缓冲孔处减震橡胶13变形。

在特征3中，限定了挡块112的高度低于减震橡胶13的高度，因此，当减震橡胶13受到联轴器凸台121的拍打时，减震橡胶13受到剪切变形，减震橡胶13的挡块112上方的部分的变形量增大。具体而言，详见图16、图17中的仿真分析示意图，在图16、图17中圈出的区域内，示出了减震橡胶13在挡块112处的变形。

特征4、特征6、特征8、特征9组合，每个特征都有利于减震橡胶13的变形量的增加，从而有效地增加了Δt₂时间，下文中分别说明。

在特征4中，当减震橡胶13受到联轴器凸台121拍打后，缓冲柱131通过弹性变形来缓冲减震橡胶13的冲击，从而来自缓冲柱131的弹性作用力使得减震橡胶13的变形时间有效地增加。

在特征6中，限定了缓冲柱底面119低于减震橡胶底面136，以及缓冲柱本体131A的外形尺寸大于缓冲柱131与减震橡胶13相配合的配合段131B的外形尺寸。在此情况下，根据杠杆原理，这一特征使得缓冲柱131的受力点与其定位点之间的长度增加，从而使得缓冲柱131的变形量有效地增加。

在特征8中，限定了电机轴中心C₁与缓冲柱中心C₂的径向距离D₁小于联轴器12沿径向方向R的最大尺寸D₂(也可以限定为联轴器的最大外径r)。在此情况下，减小了缓冲柱115与减震橡胶13之间的接触长度，使得减震橡胶13在受力后，减震橡胶13未接触缓冲柱115的部分变形要大于接触缓冲柱115的部分变形，从而有效地增加了减震橡胶13的变形量。

在特征9中，限定了两个最小周向角度λ_A和λ_B之间的关系可以是：λ_B减λ_A的角度值在8°～21°之间，即8°≤λ_B-λ_A≤21°。在此情况下，当减震橡胶13受到拍打后，减震橡胶13与缓冲柱115之间留有间隙，从而先让减震橡胶13产生变形，即一次缓冲；当减震橡胶13变形后撞击到缓冲柱115，缓冲柱115受力而产生形变，即二级缓冲。由此可见，通过两级缓冲(一级、二级)，有效地增加了减震橡胶13的变形量，从而有效地提高了电机的启动可靠性。

当减震橡胶13滑动到叶轮11的挡块112一侧不能再滑动时，减震橡胶13的环形的缓冲孔131与导向的缓冲柱115之间具有间隙，其间隙控制在以叶轮11为中心环形0～25°，见图7或图9。

特征4、特征6、特征8、特征9组合是为了增加缓冲时间，具体的详见图18、图19、图20和图21中的各自仿真分析结果。由图18到图21中可以看出，由于上述特征的存在，使得在启动过程中可以提供来自减震橡胶变形和缓冲柱变形等多方面的缓冲，有效地改进了缓冲效果。

在特征10中，限定了联轴器12撞击减震橡胶13的弹性体时，联轴器凸台121的撞击面127与减震橡胶13的第二撞击面137之间限定撞击面角度λ_C，撞击面角度λ_C在15°～45°之间，即15°≤λ_C≤45°。在负载一定的条件下，联轴器12高速来回撞击减震橡胶13之间的撞击面角度λ_C会对电机启动的可靠性造成显著的影响，即转子2的动能在来回撞击的过程中转化为负载启动力矩的过程。从起动时间考虑：当撞击面角度λ_C为0时，参见图9，联轴器12与减震橡胶13的弹性体之间的接触为面接触，因撞击面积大，减震橡胶13的变形很小，即减震橡胶13变形时间也很小；反之，当撞击面角度λ_C大于0时，参见图9，联轴器12与减震橡胶13之间局部接触(线接触或者小面积接触)，撞击瞬间的力通过减震橡胶13的变形来缓冲，且减震橡胶13变形量大，即减震橡胶13的变形时间也较长。

通过图18到图21中的减震橡胶13的动力学仿真结果的分析，同时采用高精密的示波器来测试电机的启动电流，通过电流监控电机不同撞击面角度λ_C和一次启动次数进行对比，随机采样100组启动数据，一次启动次数详见图22所示。通过对图22的分析表明，当撞击面角度λ_C在0°到60°之间时，电机的一次启动次数与撞击面角度λ_C是关联的。通过优选50％以上的一次启动，可以确定撞击面角度λ_C的优选角度可以为15°～45°，即15°≤λ_C≤45°。

寿命

参见图8，在特征9中限定了两个角度λ_A和λ_B之间的关系可以是λ_B减λ_A的角度值在8°～21°之间，即8°≤λ_B-λ_A≤21°。

通过特征9，即减震橡胶13的环形的缓冲孔131与导向的缓冲柱115之间有一定的空间间隙结构，有效地改进了减震橡胶13的弹性体的受力强度。这一技术效果的原理即是，当联轴器凸台121撞击弹性体(减震橡胶13)时，弹性体(减震橡胶13)滑动到叶轮11的挡块112一侧，弹性体(减震橡胶13)受到叶轮11的挡块112阻止后，联轴器12继续施加所用力导致减震橡胶13产生形变，在减震橡胶13产生形变后，弹性体(减震橡胶13)的环形的缓冲孔131的壁与叶轮11的导向的缓冲柱115接触从而产生相互作用力。这样，联轴器12施加的作用力通过弹性体(减震橡胶13)两处(挡块112处和导向的缓冲柱115)力的叠加而传递给作为负载的叶轮11。

通过实验证实，采用高精密的压力应变测试设备，建立实验模型，其中模型中设置带导向的缓冲柱115(间隙为0～35°，按5°为一个阶递共计8个点)。通过连续施加20个点的作用力，1～7按2.5kg·f递增，8～20恒定在20kg·f，并收集叶轮11的缓冲柱115处所受到的压力，试验结果如图23中的“结果1”所示。

实际装机验证，带导向的缓冲柱115(间隙为0～35°，按5°为一个阶递共计8个点)，试验寿命见图23的“结果2”所示。通过对图23的试验结果的分析，基于寿命和可靠性的试验数据，λ_B-λ_A的角度值优选为8°～21°，即8°≤λ_B-λ_A≤21°。

在特征12中，限定了叶轮11在大致中心位置C₃处设有定位柱116(参见图11)。作为示例，叶轮11的定位柱116可以大致分为两部分，圆柱段116A和非圆柱段116B，二者之间通过分界面S_D间隔开来。在与联轴器12装配后，定位柱116与联轴器中孔123配合。作为示例，定位柱116可以与联轴器中孔123过盈配合。

如上文的背景技术部分所述，永磁同步电机在启动是通过转子2和叶轮11(负载)的“来回撞击”达到同步状态的过程。叶轮11的径向晃动量如果没有得到限制，则联轴器12拍打减震橡胶13的位置是不固定的，且拍打减震橡胶13的面积可能出现线接触的情况，此种不稳定的撞击将可能导致电机失效。为了解决这一技术问题，通过如图11所示的特征12来控制。具体而言，采用定位柱116对联轴器12的两端径向定位，从而减小摩擦和径向晃动，有效地降低了联轴器12与叶轮11之间的接触面积，可以使得电机稳定运行，从而可靠性寿命得到大幅度提升。

在特征13中，限定了沿轴向方向A，第一端面122A可以低于叶轮11的定位柱116的圆柱段116A和非圆柱段116B的分界面S_D。在电机启动过程中，联轴器中孔123与叶轮11的定位柱116之间有摩擦。一般而言，联轴器12的材料可以为金属，定位柱116的材料可以为塑料，从而，高速频繁的启动容易导致定位柱116的磨损。一旦磨损较为严重，将会使得定位柱116失去其定位的功能。为了缓解磨损，通过特征13，叶轮腔中的油脂可以较多的保存在非圆柱116B的部位，同时可以补充给邻近的圆柱段116A的部位，从而可以降低定位柱116的磨损，同时也可以降低联轴器12的磨损，显著地提高了电机的可靠性寿命。

在特征14中，参见图12，限定了定位柱116可以设置一个储油槽117。作为示例，储油槽117可以由定位柱116的非圆柱段116B形成。如上节所述，为了更好的降低定位柱116(和联轴器12)的磨损，非圆柱段116B的空间可以是非常小的。进一步地，为了更可靠的储油，可以在定位柱116B的端面增加储油槽117，储油槽117可以由定位柱116的非圆柱段116B形成。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (13)

1.一种排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述叶轮传动装置(1)包括：

形成有容纳腔(111)的叶轮(11)，所述容纳腔(111)中设置有沿所述叶轮(11)的径向方向(R)延伸的多个挡块(112)，相邻的所述挡块(112)之间形成有滑动槽(113)；

联轴器(12)，容纳到所述容纳腔(111)中、且连接所述叶轮(11)和电机轴(3)；

减震橡胶(13)，嵌于所述滑动槽(113)中，以通过所述联轴器(12)的作用而在所述滑动槽(113)内滑动，所述减震橡胶(13)上设有缓冲孔(131)，

所述滑动槽(113)内设有从底部(114)沿所述叶轮(11)的轴向方向(A)延伸的缓冲柱(115)，所述减震橡胶(13)被安装为使得所述缓冲柱(115)从所述缓冲孔(131)中延伸穿过。

2.根据权利要求1所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，在所述叶轮(11)的轴向方向(A)上，所述滑动槽(113)的底面(R_A)到所述挡块(112)的端面(H_B)的高度低于所述滑动槽(113)的底面(R_A)到所述减震橡胶(13)的端面(H_R)的高度。

3.根据权利要求1所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述缓冲柱(115)包括本体(115A)和从所述本体沿所述叶轮(11)的轴向方向(A)突出的配合段(115B)，所述本体(115A)的外形尺寸大于所述配合段(115B)的外形尺寸。

4.根据权利要求3所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，在所述叶轮(11)的轴向方向(A)上，缓冲柱底面(119)低于减震橡胶底面(136)，缓冲柱顶面(118)低于减震橡胶顶面(135)、且高于联轴器凸台底面(126)。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，在所述减震橡胶(13)安装到所述缓冲柱(115)之后，所述减震橡胶(13)沿所述叶轮(11)的径向方向(R)处于被压缩的状态。

6.根据权利要求5所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述减震橡胶(13)的径向压缩量P介于2％到15％之间。

7.根据权利要求1到4中的任一项所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述电机轴(3)的电机轴中心(C₁)与所述缓冲柱(115)的缓冲柱中心(C₂)之间的径向距离(D₁)小于所述联轴器(12)的径向最大尺寸(D₂)。

8.根据权利要求1到4中的任一项所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述挡块(112)与所述缓冲柱(115)之间具有最小周向角度λ_A，所述减震橡胶(13)的缓冲孔远端内壁(132)与第一撞击面(134)之间具有最小周向角度λ_B，其中λ_B与λ_A之间的角度差介于8°到21°之间。

9.根据权利要求1到4中的任一项所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述联轴器(12)的凸台(121)与所述减震橡胶(13)的第二撞击面(137)之间具有撞击面角度λ_C，其中λ_C介于15°到45°之间。

10.根据权利要求1所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述叶轮(11)的容纳腔(111)在中心位置(C₃)处设有定位柱(116)，所述联轴器(12)具有与所述定位柱(116)配合的中孔(123)，以将所述联轴器(12)固定在所述容纳腔(111)中。

11.根据权利要求10所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，所述定位柱(116)包括由分界面(S_D)间隔开的圆柱段(116A)和非圆柱段(116B)，所述非圆柱段(116B)中设有储油槽(117)。

12.根据权利要求11所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)，其特征在于，在所述叶轮(11)的轴向方向(A)上，所述联轴器(12)靠近所述容纳腔(111)的端面(122)低于所述分界面(S_D)。

13.一种排水泵永磁同步电机，其特征在于，包括电机壳体、容纳在其中的定子和转子(2)、安装到所述转子(2)的电机轴(3)、连接到所述电机轴(3)的根据权利要求1到12中的任一项所述的排水泵永磁同步电机的叶轮传动装置(1)、以及用于密封所述叶轮传动装置(1)的卡片(4)。