CN109566521A - 内建轮毂电动机的水车式增氧机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内建轮毂电动机的水车式增氧机，包括：一具有浮力的漂浮单元，可以浮置于一水面上；一具有扬水轮的打水单元，包含多个可朝向水面打水的叶片、及一轮毂；及一直接驱动的动力系统，包含一具有永磁电动机或直流电动机设置于上述轮毂之内用以驱动打水单元。本发明不需要减速箱，电动机转速可调，效率可以达到90%；内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，其特点是省去连接部件，即可以略去连接水轮的轴杆，避免磨损、平衡晃动、且不必经由连接水轮的轴杆做远程驱动；可以结合智能控制系统控制电动机转速而达到智能节能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及水车式增氧机技术，特别是一种内建轮毂电动机的水车式增氧机。
背景技术
由于野生的水产品越来越少，而人们对水产品的需求却与日俱增，因此养殖水产品的规模也越来越大。养殖水产品是在封闭的养殖池内进行，无法像河水或海水一样自然流动，为了保证养殖池内水体的含氧量，一般采用增氧机来增氧。
增氧机目前于养殖业中有广泛的需求，其主要功能是增氧与循环水中气体，增氧即向水下增加水中溶氧量，循环水中气体或称曝气则是向空气中循环并曝除养殖池中因水中生物代谢或死亡所释放的毒气，如氨气、一氧化碳、二氧化碳等以免养殖池中毒死亡。
目前增氧机种类很多，例如用于表面增养的水车式增氧机及叶轮式增氧机。
传统的水车式增氧机，请参考图1，其包含一具有浮力的漂浮单元101、以及一个安装于漂浮单元的打水单元102。其增养的方式由驱动装置驱动扬水轮的转动而拨动水面，使水溅起泼向空中，并与空气中的氧气混合再落入，而使空气自然进入养殖池内。其驱动方式是采用三相交流电动机103，配上减速箱104，然后驱动扬水轮。这类增氧机的驱动方式是由减速箱间接驱动，其电动机效率不高约为45-50%，且每年需要数次保养。由于减速箱驱动机制亦使电动机转速固定不可调速，因此浪费大量电能，而且因为电动机转速固定，若要使其具有巡航功能则要再装配一组置于水中的转向装置，否则仅靠水车叶片推进仅能作直线推进。
现有的增氧机使用时，必须从电源处架设电缆的至养殖池中的增氧机，以供给电能驱动打水单元。然而在养殖池中架设电缆，一造成增氧机于养殖池中不易移动。又养殖池的水体状况会随着环境变因，例如太阳光、风向、水中生物代谢或是饲料多寡而使得水中的氨气、一氧化碳、二氧化碳含量会有不同，因此水中含氧量需求的多寡与增氧机的工作量会是一种动态的关系。
因此，实有必要发展一种能够以更节能、更灵活运用环境变因而优化其性能新型态智能水车式增氧机。
发明内容
为达上述目的，本发明提出一种电动机内建于轮毂的水车式增氧机，包括：一具有浮力的漂浮单元，可以浮置于一水面上；及一直接驱动的动力系统，包含一具有永磁电动机或直流电动机是设置于该轮毂之内，用以驱动打水单元；一具有扬水轮的打水单元，包含多个可朝向水面打水的叶片、及一轮毂；一直接驱动的动力系统，是设置于上述轮毂之内，用以驱动打水单元。
于一较佳实施例，其中上述的直接驱动的动力系统，包括: 一电动机模块，其包含一具有中心转轴的转子单元及一定子单元，转子单元可转动的同轴装设于定子单元内；一基座，是与定子单元固定；一顶盖，是与基座结合，以将直流无刷电动机模块置于顶盖与基座之间；一第一轴承，是耦合于基座；及一第二轴承，是耦合于上盖，其中上述转子单元的中心转轴的一端是穿过第一轴承枢接于基座，中心转轴的另一端是穿过第二轴承且穿过顶盖与轮毂固定。
于一较佳实施例，其中上述的其中上述的电动机模块，电动机模块的转速可调，可调范围为0 -150 rpm。
于一较佳实施例，其中上述的电动机模块，电动机模块的转速转速最优化范围为50 -110 rpm。
于一较佳实施例，其中上述的电动机模块的定子单元，其形状为圆柱状且沿其径向设置有多个线圈绕匝；转子单元，其形状为圆柱状且沿其径向设置有多个永久磁石。
根据本发明的另一观点，提供一种内建轮毂电动机的水车式增氧机，其中还包含一智能节能模块。其中上述的智能节能系统包含:一环境监测单元，用以监测环境参数；一电动机控制器；及一具有通信网关(gateway)的智能控制系统，具有无线网络通信功能，与环境监测单元及电动机控制器电性的连接，通过环境监测单元所测得的环境参数，可以利用具有通信网关的智能控制系统经由电动机控制器，控制电动机转速以达到智慧节能的效果。
于一较佳实施例，其中上述的环境监测单元包含：电位计，用以监测水中氨气；氧气传感器，用以监测水中氧气含量；及二氧化碳传感器，用以监测水中二氧化碳含量。
根据上述，本发明具有下列的优点：一、提供直接驱动动力系统的增氧机，不需要减速箱，电动机转速可调，效率可以达到90%；二、内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，其特点是省去连接部件，即可以略去连接水轮的轴杆，避免磨损、平衡晃动、且不必经由连接水轮的轴杆做远程驱动；三、可以结合智能控制系统控制电动机转速而达到智能节能的效果。
这些优点可从以下较佳实施例的叙述及申请专利范围将使读者得以清楚了解本发明。
附图说明
如下所述的对本发明的详细描述与实施例的示意图，应使本发明更被充分的理解；然而，应可理解此仅限于作为理解本发明应用的参考，而非限制本发明于一特定实施例的中。
图1显示先前技术的水车式增氧机的立体图；
图2A显示本发明的一实施例的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机的立体图；
图2B显示本发明的另一实施例的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机的立体图；
图2C显示本发明的再一实施例的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机的立体图；
图2D显示本发明的又一实施例的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机的立体图；
图3 显示本发明的一实施例的由电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块的爆炸示意图；
图4A显示本发明的一实施的电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块的组合示意图；
图4B显示本发明的一实施的电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块的剖面示意图；
图5显示本发明的一实施的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机整合至一智能节能系统的方块示意图；
图6A显示根据本发明一实施例中具有追相模块的电动机装置的控制单元的功能方块图；
图6B 显示根据本发明一实施例中高速追相模块(或高速追频模块)的功能方块图。
主要组件符号说明：
101 漂浮单元 102 打水单元 103 三相交流电动机；
104 减速箱 201 漂浮单元 202 打水单元；
301 支撑架 302 基座 303 定子单元；
303a 轴承 304 转子单元 305 顶盖；
305a 顶盖的中心开孔 306 水车轮毂 307 耦合装置；
400 扬水模块 401 支撑架 402 基座；
403 顶盖 404 定子单元 405 转子单元；
406 转子单元的中心转轴 407 水车轮毂 408 耦合装置；
500 智能节能系统 501具有通信网关的智能控制单元；
502 电动机控制器 503 环境监控单元 504 电动机；
600 控制电路模块 605 电动机 606 控制开关；
607 驱动电路 608 微控制器 609 高速追相模块；
620 传感器 630 脉冲波电源控制 640 编码器；
650 比较器 651 弦波产生器 652 相移电路；
653 侦测电路 654 追频开关 655 回授信号产生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明是利用一直接驱动的动力系统来驱动水车式增氧机的打水单元，无需经由减速箱来驱动；而直驱动力系统的电力供给、工作输出，增氧机的打水模式可以经由一智能控制单元来控制以达到节能及效能优化。
在一实施例中，增氧机的直接驱动动力系统为一永磁电动机或直流电动机，使其直接驱动水车式增氧机的扬水轮。
如图2A所示，其显示本发明的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，包含一具有浮力的漂浮单元201、以及一个安装于漂浮单元的打水单元202，用于驱动打水单元202的动力系统为一永磁电动机或直流电动机，安装于打水单元的水轮轮毂内部，因为具有永久磁石和微控IC，永磁电动机或直流电动机具有高效率低震动和低噪音等特性，其具有直接驱动、转速可调，可调转速的范围在0-150 rpm之间且于50-110 rpm范围内具最佳效能，不需要减速箱，输出功率可以达到500-750W，而且效率可以达到90%。与传统交流感应电动机驱动的水车式增氧机相比其年耗电量约为一半，又可以省掉更换或保养减速箱零件的费用，因此可以大大地增加经济效益。图2B至图2D则显示依据上述图2A的精神进一步衍生出其他形态或实施例，说明如下：图2B的飘浮单元201只具有一单一浮筒、左右两侧各一具轮毂水车式杨水轮的打水单元202；图2C的飘浮单元201只具有一单一浮筒、左右两侧以及前后测各一具轮毂水车式杨水轮的打水单元202；图2D的飘浮单元201只具有一单一浮筒、左右两侧各有一两个以上串接的轮毂水车式杨水轮的打水单元202；而类似图2C概念的实施例，亦可依推广为前、后、左、右每一侧均具有两个以上串接的轮毂水车式杨水轮的打水单元。
本发明的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，永磁电动机或直流电动机是以其内部的转子崁入水车的轮毂内，于本发明的较佳实施例，请参考图3与图4A，其中由永磁电动机或直流电动机所构成的直驱动力系统，主要包含一电动机定子，其形状为圆柱状且沿其径向设置有多个线圈绕匝，电动机定子装设于一罩体内；一转子是呈圆柱状，且可转动的同轴装设于电动机定子内，转子上装设有多个永久磁石与上述电动机定子磁性连动。
图3显示由电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块的爆炸示意图包含一支撑架301安装于增氧机的漂浮单元上、一基座302以螺丝固定于支撑架301上、一定子单元303固定于基座302上、一转子单元304以其中心转轴308的一侧通过一轴承303a安装于定子303内部并枢接至基座302；定子单元303固定于基座302与顶盖305之间，转子单元304为定子单元所包覆并通过中心转轴308与两侧轴承303a及304a夹置于顶盖305与基座302两者之间，中心转轴另一侧通过另一轴承304a并穿过一顶盖305的中心开孔305a与水车轮毂306耦合，并通过耦合装置307固定转子单元304与水车轮毂306。永磁电动机或直流电动机的转子单元304与水车轮毂306结合成一体，因此电动机转动即可直接驱动水车打水。
图4A显示上述电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块400的组合示意图；图4B显示上述电动机动力系统崁入水车的轮毂内的扬水模块的剖面示意图，其显示基座402固定于支撑架401，顶盖403结合基座402，由定子单元404与转子单元405同轴地结合成电动机模块，并装置于顶盖403结合基座402所围的空间内，转子单元的中心转轴406穿过顶盖403并通过耦合装置408固定转子单元405与水车轮毂407。
内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，其特点是省去连接部件，即可以略去连接水轮的轴杆，避免磨损、平衡晃动、且不必经由连接水轮的轴杆做远程驱动，此外又可以个别控制水轮的转速产生不同巡航模示。
由于养殖池的水体状况会随着环境变因，例如太阳光、风向、水中生物代谢或是饲料多寡而使得水中的氨气、一氧化碳、二氧化碳含量会有不同，因此水中含氧量需求的多寡与增氧机的工作量会随着改变。请参考图5，本发明的内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机可以整合至一智能节能系统500，在一实施例中上述的智能控制系统包含一具有通信网关(gateway)的智能控制单元501、一电动机控制器502、及一环境监控单元503，智能控制单元501与电动机控制器502、环境监控单元503是电性的连接。其中智能控制单元501具有网络通信界面可以通过WiFi/2G/4G/Lora等通信协议经由网络与外界通信，可以通过无线网络沟通来监控电动机控制器。当养殖池的水体状况会随着环境变化时水中的氨气、一氧化碳、二氧化碳含量可以通过环境监控单元中的各种气体的感知器测得如一氧化碳、二氧化碳含量，或是通过电位计得知氨气的含量，由这些信息可以得知养殖池需要的增养量，因此通过环境监测单元503中的电位计监测氨气其他气体的侦测器(CO2、O2) 可以经由智能控制单元501通过电动机控制器502控制电动机504的转速而达到智慧节能的效果。
另外为达到高效能、以及高稳定的电动机控制，所述的电动机控制器还包含具有追相模块的电动机控制技术，图6A显示根据本发明的一实施例的具有追相模块的电动机装置的控制单元的功能方块图。在本实施例之中，电动机装置的控制单元包括脉冲波电源控制630电性耦合控制电路模块600以进行脉冲宽度调变，以提供高效率、高稳定的电动机控制。
在本实施例之中，控制电路模块600包括微控制器608、高速追相模块609、传感器620，其中高速追相模块609、传感器620电性耦合微控制器608。
无刷直流电动机是没有电刷与逆变器的直流电动机。无刷直流电动机605是通过一驱动电路607以驱动控制开关606而启动电动机605的运转。举例而言，驱动电路607包括多个晶体管、放大电路、检测线圈与二极管。
在一实施例之中，利用微控制器608以启动不同类型的传感器(速度传感器、温度传感器)620以侦测电动机605的转速、温度。
图6B显示根据本发明的一实施例的高速追相模块(或高速追频模块)的功能方块图。在本实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块) 609包括比较器650、弦波产生器651、相移电路652、侦测电路653、追频开关654以及回授信号产生器655。相移电路652用以接收回授信号，比较器650耦接相移电路652与弦波产生器651；上述三者协调运作，对所述回授信号的相位进行相移比较，随后而输出相移信号，反应于相移信号而产生补偿信号。弦波产生器651是用以产生弦波信号(正弦或余弦信号)，以利于弦波追频。上述三者相移电路652、弦波产生器651、比较器650可各自独立或者整合于一集成电路，端视设计需求而定。于一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块) 609还包括一起振电路，耦接弦波产生器651，用以当弦波产生器651未获得信号时，反应于启动信号而产生起振信号给弦波产生器651，借以致使弦波产生器651产生弦波信号，直至弦波产生器651获得信号为止。侦测电路653耦接相移电路652，用以侦测相移信号。
在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块) 609耦接功率切换电路与LC共振电路，用以根据关联于弦波驱动信号的回授信号而产生并调整弦波信号，借以使弦波驱动信号的频率自动地追随LC共振电路的谐振频率。
在一实施例之中，在电动机605的操作过程之中，速度计算器根据一编码器640所检测到的电动机605的旋转位置，以计算速度回授。而利用速度计算器所计算的速度回授进一步被输出至高速追相模块609。高速追相模块609可以调整或补偿来自电动机605的速度回授的相位延迟(delay)或超前。
根据上述，本发明具有下列的优点：
一、提供直接驱动动力系统的增氧机，不需要减速箱，电动机转速可调，效率可以达到90%；
二、内建轮毂电动机驱动的水车式增氧机，其特点是省去连接部件，即可以略去连接水轮的轴杆，避免磨损、平衡晃动、且不必经由连接水轮的轴杆做远程驱动；
三、可以结合智能控制系统控制电动机转速而达到智能节能的效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，包括：
一具有浮力的漂浮单元，其能够浮置于一水面上；
一具有扬水轮的打水单元，包含多个可朝向该水面打水的叶片、及一轮毂；及
一直接驱动的动力系统，包含一具有永磁电动机或直流电动机设置于该轮毂之内用以驱动该打水单元。
2.根据权利要求1所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述直接驱动的动力系统，包括:
一具有永磁电动机或直流电动机的电动机模块，其包含一具有中心转轴的转子单元及一定子单元，该转子单元可转动的同轴装设于该定子单元内；
一基座，是与该定子单元固定；
一顶盖，是与该基座结合，以将该电动机模块置于该顶盖与该基座之间；
一第一轴承，是耦合于该基座；及
一第二轴承，是耦合于该上盖，其中该转子单元的该中心转轴的一端是穿过该第一轴承枢接于该基座，该中心转轴的另一端是穿过该第二轴承且穿过该顶盖与该轮毂固定。
3.根据权利要求2所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机模块，该电动机模块的转速可调。
4.根据权利要求3所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机模块的转速可调范围为0-150 rpm。
5.根据权利要求3所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机模块的转速最优化范围为50-110 rpm。
6.根据权利要求2所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机模块的该定子单元，其形状为圆柱状且沿其径向设置有多个线圈绕匝。
7.根据权利要求2所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机模块的该转子单元，其形状为圆柱状且沿其径向设置有多个永久磁石。
8.根据权利要求1所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，还包含一智能节能模块，其包含:
一环境监测单元，用以监测环境参数；
一电动机控制器，包含一追相模块；及
一具有通信网关的智能控制系统，具有无线网络通信功能，与该环境监测单元及该电动机控制器电性的连接，通过该环境监测单元所测得的环境参数，能够利用该具有通信网关的智能控制系统经由该电动机控制器，控制电动机转速以达到智慧节能的效果。
9.根据权利要求8所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，上述的环境监测单元包含：
电位计，用以监测水中氨气；
氧气传感器，用以监测水中氧气含量；及
二氧化碳传感器，用以监测水中二氧化碳含量。
10.根据权利要求8所述的内建轮毂电动机的水车式增氧机，其特征在于，所述电动机控制器的追相模块，包括:
一微控制器；
一永磁电动机，耦合该微控制器；
一弦波追相模块，耦合该永磁电动机，以控制该永磁电动机；
一脉冲波电源控制，耦合该永磁电动机，以提供稳定控制；以及
一编码器，耦合该微控制器，检测该永磁电动机旋转位置，以计算速度回授。
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