CN109088528B - U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的微型离心泵 - Google Patents
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Abstract
U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的微型离心泵，包括具有轴向的进口和径向或切向出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机；所述叶轮直径为20～70mm；所述电动机包括：永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形，直径为10～40mm；定子，包括“U”字形的叠片铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴；所述定子绕组以铜包铝漆包线或铝漆包线绕制，所述“U”字形外沿的宽度(A)与永磁转子直径(C)之比(A/C)不小于1.75。该设计可缩短泵的径向尺寸，有利泵的安装使用，且电磁材料综合成本降低，有更佳的性价比，且显著减少该电机的优化设计工作量。
Description
技术领域
本发明涉及U形铁芯单相永磁同步电动机(简称“U形电机”)驱动的微型离心泵，尤其涉及其机械和电磁结构的配合；IPC分类可属于F04D25/06。
背景技术
微型离心泵使用量大面广，针对传统微型离心泵使用异步电动机驱动以至效率偏低的情况，现有技术近10多年大量改以U形电机直接驱动而显著节能节材，但其U形结构的底边位于泵轴线一侧且径向距离偏大的不对称外形往往使泵的使用安装欠方便，而电动机电磁设计是涉及数十个相互约束的输入变量的复杂计算，U形电机由于结构新颖、特殊和过于微型而难以准确实验验证，至今未建立电磁计算公式程序和专用计算机设计软件，修改设计十分困难。U形电机较详细的情况可见机械工业出版社2009年版《小功率永磁电机原理、设计及应用》。
公知常识和术语可参见机械工业出版社1982年第1版或1997年第2版《机械工程手册》和《电机工程手册》以及国家标准GB/T 7021《离心泵名词术语》。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种U形电机驱动的微型离心泵，可缩短U形结构底边径向距离，且有较好的性价比，但设计简化。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的微型离心泵，包括具有轴向的吸入口和径向或切向的吐出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机；所述叶轮直径为20～70mm；所述电动机包括：
——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形，直径为10～40mm；
——定子，包括“U”字形的叠片铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；
——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴；
其特征在于：所述定子绕组以铜包铝漆包线或铝漆包线绕制，所述“U”字形外沿的宽度(A)与永磁转子直径(C)之比(A/C)不小于1.75。
所述“U”字形外沿的宽度与永磁转子直径之比A/C，传统设计小于1.75，如表1。
表1现有技术家用电器常用微型离心泵U形电机主要尺寸(单位：mm)
本技术方案A/C设计不小于1.75，分析和实验表明，其与传统设计相比，相同性能的该技术方案在使“U”字形的高度B降低的情况下，电磁材料综合成本降低，有更佳的性价比。尤其当绕组使用电阻率较高因而线径需相对增大而单价较低的电磁线时，性价比的提高更为突出。该特征的提出，显著减少该电机的优化设计工作量。
本技术方案宜进一步设计所述“U”字形的外沿高度为外沿宽度的1.8倍以内(传统设计大于1.8，见表1)，以充分利用“U”字形二臂之间的空间放置绕组，因而缩短U形结构底边的径向距离，即缩减泵的径向尺寸，有利泵的安装使用；且该方向减少的叠片材料可抵偿外沿宽度增加的叠片材料，有利于电磁材料综合成本下降。
本技术方案最好设计所述“U”字形外沿的宽度与永磁转子直径之比为2.25以内，以避免“U”字形二臂之间过宽的开口使极弧长度过份减少而导致性能下降。
分析和实验还表明，A/C在1.75—2.25范围内具有性价比峰值，且该峰值因应不同额定参数或/和电磁材料的泵的A/C有所不同，通过实验可达至最佳。
本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例离心泵基本机械结构主视图。
图2是本发明实施例离心泵U形电机电磁基本结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例离心泵是在原家用电器用排水泵的基础上改进而成，其继承该离心泵的基本结构如图1和图2所示，包括：
——U形电机(图1示出其永磁转子1、定子的绕组2和叠片铁芯3)及其经一启动机构同轴传动的离心式叶轮105。离心式叶轮105为注塑成型，具有4个径向式叶片(叶片数也可以为3、5或6，采用奇数片更有利于降低振动噪声)，按水压要求，直径30～40mm，按照不同流量要求，叶片宽度为8～15mm。
——环绕叶轮起涡壳作用的泵盖106，其具有轴向的吸入口103和切向的吐出口104；当然也可以设计为径向的吐出口，以适应U形电机在无定向控制时旋转方向不确定的情况；
——支承或/和封闭所述永磁同步电动机、叶轮105和泵盖106的泵体107、轴承108和密封圈109等附件；
——转子筒171，插于所述永磁同步电动机的定、转子间起隔水作用。
该U形电机的电磁基本结构如图2所示，包括：
——永磁转子1，为径向两极充磁的圆柱形；
——定子，由“U”字形的叠片铁芯3及其左、右臂穿越的绕组2组成。
叠片铁芯3穿越绕组2后露出的上部形成极面分别靠往永磁转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴和右极靴；极靴与永磁转子1圆柱面间气隙的宽度于每一极下沿顺时针方向收窄，因而在自由状态下，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，沿顺时针方向偏转一锐角角度，构成启动角。当然，上述偏转方向也可以设计为逆时针，即气隙的宽度改为于每一极下沿逆时针方向收窄。该收窄可以是直径均匀减少过渡的弧线，也可以台阶连接的2段以上的圆弧实现。
上述定子结构以图示“U”字形垂直的二臂为极身和底部的水平段为磁轭，但也有以图示“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，后者的绕组缠绕于极身仅1个线圈架上。
该U形电机具有如下电磁结构(尺寸单位：mm，下同)：
——叠片铁芯3“U”字形的尺寸：外沿宽度A＝33，外沿高度B＝65.5，叠片磁路宽度D＝8，B/A＝2.02；
——永磁转子1的外径C＝19；A/C＝1.74；
——绕组使用铜漆包线。
本发明实施例离心泵大体维持原排水泵性能的U形电机电磁结构为：
——维持原叠片铁芯3叠厚16；
——叠片铁芯3“U”字形的尺寸改为：外沿宽度A＝37，外沿高度B＝60±0.5，叠片磁路宽度D＝12±1，B/A＝1.61±0.03；
——仍使用排水泵驱动电机的永磁转子，即永磁转子1的外径C＝19；A/C＝1.95；
——绕组改用铜包铝漆包线，并大体维持原匝数和线径。
该设计缩短U形结构底边的径向距离约10％。此外，叠片铁芯套材和绕组周长各增加约11％，但同等叠厚铁磁路截面因叠片磁路宽度D增加而增大38％，以至磁饱和显著下降，空载、负载电流明显减少，为绕组使用单位电阻有所增大但单位长度价格降低超过60％的铜包铝漆包线创造了条件，因而降低综合成本。效率和起动性能也因电流减少可以改善，因而提高性价比。
当然，因电流减小也可以使用线径减小的铜漆包线以降低成本，但“U”字形二臂之间的空间不如使用原有线径的铜包铝漆包线利用更充分。采有适当工艺，也可以使用纯铝漆包线，达到更佳的性价比。
以上是大体维持原排水泵性能的设计。如维持成本大体不变，还可继续使用原有线径铜漆包线，因而提高效率和起动性能，同样提高性价比。也可以适中地改变叠厚或漆包线线径使性能与成本分别均有所改善，同样可获得较佳的性价比。
对本实施例离心泵，使A/C自1.75～2.25改变的多点实验表明，其性价比首先随A/C的增大而上升，至A/C为2.00左右时达到最大值，之后随A/C的增大而下降。这是由于叠片形状是在条料中以每二个“U”字形交叉倒扣套料冲裁的结果，叠片铁芯随A/C的增大使磁路宽度增大的同时，极弧长度4在减少而导致性能下降，当前者的有利效应大于后者的不利效应时，性价比上升，反之则下降。A/C在1.75～2.25范围内，效率和起动性能优于原排水泵，且在该范围内，“U”字形的外沿高度与外沿宽度之比B/A宜为1.8以内。
本实施例离心泵是本发明的典型设计。实验表明，A/C在1.75～2.25范围内和B/A为1.8以内，对于叶轮直径为20～70和永磁转子直径为10～40的U形电机驱动的微型离心泵，可获得比传统设计更佳的性价比；且当泵额定输入功率不大于100W，叶轮直径为25～55，永磁转子直径为20±5，定子绕组采用国家标准的铝漆包线绕制，B/A为1.7倍以内，A/C为1.92±0.05时，有最佳的性价比。
此外，按照以下设计特点：
——叠片铁芯的叠厚宜按照泵负载功率有所调整，通常与叶轮尺寸(主要是叶轮直径和叶片宽度)和转速正相关；
——永磁转子多使用铁氧体制成，长度比叠片铁芯叠厚增加4～20倍气隙长度(表磁高者取大值)；当然也可以使用铷铁硼等稀土永磁材料制成，其长度宜比铁芯叠厚小；
——绕组匝数按所使用的电源调整，与额定电压大体成正比，与额定频率大体成反比；
——“U”字形叠片极靴部分涉及气隙形状和宽度，其尺寸可参照公知常识和现有技术设计；
——“U”字形叠片在上述尺寸A、B、C确定后，磁路宽度D取决于条料中二个“U”字形倒扣套料冲裁余量的选择，工艺设备允许时，D越大越有利于提高性价比；
——“U”字形叠片除极靴之外的部分一般按等宽磁路设计，当为提高冲裁材料利用率等需按非等宽磁路设计时，通常对磁路较短的段按偏窄设计；
——叠片各尺寸可因应其使用胡材料的磁性能有所调整，对性能较好者取较小尺寸，否则相反。
如上述，额定流量为22L/min，额定扬程为1m，额定功率为30W，额定频率为50Hz或60Hz的离心泵的最佳设计为：
——叶轮105：无前盘，直径为33.5±4.5；叶片，径向，宽度为11±2，叶片数为5±1；
——泵盖106：吐出口为径向；
——永磁转子1：使用磁性材料为铁氧体，外径C＝19，长度为20～25；
——叠片铁芯3：叠厚为12；“U”字形的尺寸为：外沿宽度A＝37mm，外沿高度B＝60±0.5，叠片磁路宽度D＝12±1，因此：B/A＝1.62±0.01，A/C＝1.947；
——定子绕组使用国家标准的聚酯或聚氨酯漆包圆铝线。
Claims (5)
1.U形铁芯单相永磁同步电动机驱动的微型离心泵，包括具有轴向的进口和径向或切向出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机；所述叶轮直径为20～70mm；所述电动机包括：
——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形，直径为10～40mm；
——定子，包括“U”字形的叠片铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；
——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴；
其特征在于：所述定子绕组以铜包铝漆包线或铝漆包线绕制，所述“U”字形外沿的宽度(A)与永磁转子直径(C)之比(A/C)不小于1.75，所述“U”字形的高度(B)为外沿的宽度(A)的1.8倍以内。
2.按照权利要求1所述微型离心泵，其特征在于，所述“U”字形外沿的宽度(A)与永磁转子直径(C)之比(A/C)不大于2.25。
3.按照权利要求2所述微型离心泵，其特征在于，该泵额定输入功率不大于100W，所述叶轮直径为25～55mm，所述永磁转子直径为20±5mm，所述定子绕组采用铝漆包线绕制，所述“U”字形的高度(B)为外沿的宽度(A)的1.7倍以内，所述“U”字形外沿的宽度(A)与永磁转子直径(C)之比(A/C)为1.92±0.05。
4.按照权利要求3所述微型离心泵，其特征在于：
——额定转速为3000r/m或3600r/m，旋转方向不确定；
——所述叶轮为开式，直径为30～37mm；叶片为径向，宽度为11±1mm，叶片数为3～7；
——所述泵盖的吐出口为径向；
——所述永磁转子使用磁性材料为铁氧体，外径(C)为19±0.5mm，长度为叠片铁芯的叠厚再增加4～20倍的气隙长度；
——所述叠片铁芯：其“U”字形的外沿宽度(A)为36～38mm，外沿高度(B)为59.5～60.5mm；磁路宽度(D)为12±2mm，叠厚8～30mm；
——所述定子绕组使用漆包圆铝线。
5.按照权利要求4所述微型离心泵，其特征在于：
——所使用电源额定频率为50Hz或60Hz；
——所述叶轮直径相应额定频率50Hz时为35.5mm或相应额定频率60Hz时为30mm，宽度为11mm，叶片数为5；
——所述永磁转子外径(C)为19mm，长度相应额定频率50Hz时为25mm或相应额定频率60Hz时为20mm；
——所述叠片铁芯：其“U”字形的外沿宽度(A)为37mm，外沿高度(B)为59.5mm；磁路宽度(D)为11mm，叠厚12mm。
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2018
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