CN110748488B - 一种调磁型磁力泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调磁型磁力泵，包括共轴的圆柱状背铁和输出转子，背铁的端面a与输出转子的端面b相对；背铁的端面a上固定有输入端永磁体；输出转子的端面b上固定有多对尺寸相同、环绕输出转子的中心轴圆周均布的扇环形块状凸极铁；背铁和输出转子之间设有一固定在调磁型磁力泵内的固定端永磁体；输入端永磁体由多对永磁体I组成，固定端永磁体由多对永磁体II组成，所有的永磁体I或II为扇环形块状，环绕背铁的中心轴圆周均布，相邻永磁体I或II的磁化方向相反；凸极铁的凸极数等于永磁体I的极对数与永磁体II的极对数之和。本发明的调磁型磁力泵的结构简单，有效解决了现有的磁力泵因同轴度要求高造成隔离套磨损且输出转矩小的问题。

Description

一种调磁型磁力泵

技术领域

本发明属于磁力耦合驱动技术领域，涉及一种调磁型磁力泵，特别涉及一种利用磁调制原理，通过永磁体间的磁力耦合作用提供驱动力矩的新型磁力泵。

背景技术

磁力泵是一种采用磁耦合原理驱动叶轮等回转体输送流体介质的装置。现有技术中的磁力泵主要由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离套组成，且内、外磁转子为轴向耦合结构，通过外磁转子旋转带动内磁转子同步旋转，由内磁转子进一步带动叶轮旋转，从而实现对流体的泵送。

目前使用的磁力泵大多采用简单的内、外磁转子同轴耦合驱动的方法，虽能实现内、外转子的无接触传动，但同轴式结构磁力泵对内外转子的同轴度要求较高，长期使用会因为同轴度问题造成隔离套磨损严重，容易产生泄露等问题，适合隔离要求不高的场合，且旋转时仅有部分永磁体参与作用，磁泄漏多，永磁体利用率普遍较低，所传递的磁转矩较小，不能实现大转矩输出。

因此，亟待研究一种新型调磁型磁力泵以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于磁路可调型的端面式磁力驱动泵，利用磁场调制原理，改变磁路结构，通过磁场调制有效增强气隙磁通密度并提高传递转矩。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种调磁型磁力泵，包括圆柱状背铁和圆柱状输出转子，背铁的端面a与输出转子的端面b相对；

背铁的端面a上固定有输入端永磁体；

输出转子的端面b上固定有多个尺寸相同的扇环形块状凸极铁(salient-pole-iron)，不同凸极铁的形状和尺寸完全相同，能最大程度保证所调制的磁通密度在各个凸极铁之间均匀分布；一个大圆和一个小圆构成一个同心圆，自同心圆的圆心发射两条射线，两条射线与大圆和小圆围成的形状即为扇环形，扇环形块即具有一定厚度的扇环形，凸极铁的尺寸主要包括厚度、两条射线的夹角、大圆和小圆的半径，厚度的取值主要取决于泵的结构尺寸，两条射线的夹角的取值主要取决于凸极铁的凸极数，大圆和小圆的半径主要取决于凸极铁凸极数与永磁体I的极对数之比，当大圆和小圆的半径之比等于二者之比时，转矩曲线更接近于正弦变化，所有的凸极铁环绕输出转子的中心轴圆周均布且共曲面；

背铁的中心轴与输出转子的中心轴重合(背铁的中心轴与输出转子的中心轴重合，能有效减小漏磁，增大永磁体利用率)；

背铁和输出转子之间设有一固定在调磁型磁力泵内的固定端永磁体，固定端永磁体需要固定在泵内部，不能转动，因为固定端永磁体产生的P_s次固定磁密谐波，与输入端永磁体产生的P_i次旋转磁密谐波作用，通过凸极铁调制成具有P_o次的磁密谐波，实现动力的传递，如果固定端永磁体旋转，其产生的磁密谐波不断变化，不能稳定调制出具有P_o次的磁密谐波，导致传递的转矩不稳定；

输入端永磁体或固定端永磁体由多对轴向充磁、尺寸相同、环绕背铁的中心轴圆周均布且共曲面的扇环形块状永磁体组成，相邻永磁体的磁化方向相反；输入端永磁体由多对永磁体I组成；固定端永磁体由多对永磁体II组成；即输入端永磁体由多对轴向充磁且尺寸相同的扇环形块状永磁体I组成，不同永磁体I的形状和尺寸完全相同能最大程度让永磁体的磁通密度保持一致；一个大圆和一个小圆构成一个同心圆，自同心圆的圆心发射两条射线，两条射线与大圆和小圆围成的形状即为扇环形，扇环形块即具有一定厚度的扇环形，永磁体I的尺寸主要包括厚度、两条射线的夹角、大圆和小圆的半径，厚度的取值主要取决于泵的结构尺寸，两条射线的夹角的取值主要取决于永磁体I的极对数，大圆和小圆的半径主要取决于凸极铁的凸极数与永磁体I的极对数之比，当大圆和小圆的半径之比等于二者之比时，转矩曲线更接近于正弦变化，所有的永磁体I环绕背铁的中心轴圆周均布且共曲面，相邻永磁体I的磁化方向相反，磁化方向相反能保证相邻永磁体之间的磁通密度线形成回路；固定端永磁体由多对轴向充磁且尺寸相同的扇环形块状永磁体II组成，不同永磁体II的形状和尺寸完全相同能最大程度让永磁体的磁通密度保持一致；一个大圆和一个小圆构成一个同心圆，自同心圆的圆心发射两条射线，两条射线与大圆和小圆围成的形状即为扇环形，扇环形块即具有一定厚度的扇环形，永磁体II的尺寸主要包括厚度、两条射线的夹角、大圆和小圆的半径，厚度的取值主要取决于泵的结构尺寸，两条射线的夹角的取值主要取决于永磁体II的极对数，大圆和小圆的半径主要取决于凸极铁的凸极数与永磁体I的极对数之比，当大圆和小圆的半径之比等于二者之比时，转矩曲线更接近于正弦变化，所有的永磁体II环绕背铁的中心轴圆周均布且共曲面，相邻永磁体II的磁化方向相反，磁化方向相反能保证相邻永磁体之间的磁通密度线形成回路；

共曲面即尺寸较大的曲面位于同一圆柱的周面上，尺寸较小的曲面位于同一圆柱的周面上；

凸极铁的凸极数P_o等于永磁体I的极对数P_i与永磁体II的极对数P_s之和，其与磁力耦合器的工作原理相同，为了使转矩密度最高，转子的极对数应遵循该条件，即P_o＝P_i+P_s。

磁力泵一般采用同轴式耦合结构，一般不采用端面式耦合结构，因为：1)同轴式耦合结构的传递转矩相对于端面式耦合结构较大，主要原因是同轴式耦合结构输入、输出转子同轴对称，转子上永磁体排序紧密，漏磁较少；2)端面式耦合结构传递转矩的稳定性较差，相较同轴式耦合结构相比传递转矩小，主要原因是端面式结构输入、输出转子端面相对，旋转时转子上永磁体间产生的磁场漏磁较多，稳定性差。目前已有通过调磁机理来改善磁场漏磁现象，端面式耦合调磁结构包含三部分，分别为依次间距排列的输入转子、中间导磁环、输出转子，其中，中间导磁环为固定的凸极铁结构，其能够发挥调磁作用，改变内气隙(即输入转子与中间导磁环)和外气隙(即输出转子与中间导磁环)中的磁力线分布，然而这种调磁结构的输入转子与中间导磁环以及输出转子与中间导磁环会产生相互作用，产生较大的齿槽转矩，进而降低转矩传递的稳定性。然而同轴式耦合结构对内外转子的同轴度要求较高，长期使用会因为同轴度问题造成隔离套磨损严重，容易产生泄露等问题，仅适合隔离要求不高的场合。

本发明通过调整端面式耦合结构的调磁结构，解决了端面式耦合结构存在的问题，实现了在磁力泵中使用端面式耦合结构，规避了同轴度的影响，更适用于在密闭、真空等环境，尤其是不同介质间传递动力。

本发明的端面式耦合结构的调磁结构包含三部分，分别为依次间距排列的输入转子(背铁为输入转子的一部分)、固定端永磁体、输出转子，其中，输入转子包含输入端永磁体，输出转子上固定有凸极铁，输入转子与输出转子之间设有固定端永磁体，其能够产生与输入端永磁体的磁场耦合的额外有效磁场，进而改变了输入端永磁体的磁通分布，磁通分布指磁通量的分布情况，磁通量表示磁场分布情况的物理量，磁场变化，结构内磁通量变化，转矩随之变化，由于输出端的凸极铁不能产生磁场，导致输出转子旋转的磁场是由输入端永磁体和固定永磁体产生的，所以输出的传递转矩会随输入端磁通分布变化，磁通量变大，产生磁力增加，致使输出的传递转矩增加(传统结构中磁场由永磁体产生，传统结构导磁环式铁块，不能产生磁场，更不能产生有效磁场)，从加入固定端永磁体前输入端永磁体的磁通线分布图中可以看出，输入端永磁体会产生部分漏磁，未能充分利用，从加入固定端永磁体后输入端永磁体的磁通线分布图中可以看出，固定端永磁体产生的磁场与输入端永磁体产生的漏磁相互耦合，磁通线增加，形成了更多的有效磁通回路线，提高了输入端永磁体的利用率，将加入固定端永磁体前输出转子的磁通分布图与加入固定端永磁体后输出转子的磁通分布图对比可以看出，加入固定端永磁体后，输出转子的磁通显著增大，导致输出的传递转矩显著增加。

此外，输出转子采用无永磁体的简单凸极铁结构，具有以下优点：

1)增大了输出的传递转矩，输出的传递转矩的大小取决于输出转子产生的磁场谐波分量，输入转子上的n对永磁体I能够产生n次谐波占主导的磁场，凸极铁能够匹配输入端永磁体和固定端永磁体所产生的两个气隙磁场(气隙磁场是用来作传递能量的，气隙磁场由输出端永磁体的磁场和固定永磁体的磁场共同建立的，是这两种磁场的相互作用的结果)，对输入转子产生的n次谐波占主导的磁场进行调整，以输入端永磁体由2对永磁体I组成、固定端永磁体由11对永磁体II组成、凸极铁共13个为例，调整过程为：输入转子上的2对永磁体I产生一个2次谐波占主导的磁场，与11对永磁体II产生的11次谐波磁场作用后，经13个凸极铁的调整，产生一个13次谐波占主导的磁场，由于调整后的13次谐波磁场与凸极铁凸极数相同，可以进行磁极耦合，得到与该磁密谐波相等的转动速度，实现动力的传递，同时由于输出转子产生的磁场谐波分量与调整后的输入转子磁场产生的谐波分量相匹配，因此输出的传递转矩增大；

2)保证输出转子具有一定的速比及转矩传递稳定，输入端永磁体与凸极铁之间相互作用力的切向分量会引起齿槽转矩，齿槽转矩与磁极的形状和磁场的分布等有关，会使结构的转矩产生波动，产生震动和噪声，出现转速波动，使结构不能平稳运行，凸极铁具有导磁作用，能调制磁场，将漏磁变为有效磁场，增加输入端永磁体的利用率，减少输入端永磁体与凸极铁之间的切向力，进而减小齿槽转矩，保证输出转子具有一定的速比及转矩传递稳定；

3)改善了永磁材料太脆易裂的缺点，可以提供更好的机械可靠性，传统的输出转子上设有永磁体，由于永磁材料较脆易裂，导致输出转子的机械可靠性较差，本发明的输出转子上无永磁体，只含有凸极铁，凸极铁相对于永磁材料结实耐用，显著提高了输出转子的机械可靠性。

作为优选的方案：

如上所述的一种调磁型磁力泵，输入端永磁体与固定端永磁体的间距为2～3mm，固定端永磁体与凸极铁的间距为2～3mm。输入端永磁体与固定端永磁体之间的间隙以及固定端永磁体与凸极铁之间的间隙即气隙，作用是传递能量，间距越小，气隙磁场链越短，传递的能量越大，即间距越小越好，但间距过小会影响安装，所以将间距设置为2～3mm。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括固定在背铁的端面a上的端面支架，端面支架包含一中心圆柱，所有的永磁体I与端面支架的中心圆柱的周面固定连接。设置端面支架主要是为了固定永磁体I，端面支架的具体结构不限于此，只要能有效固定永磁体I即可。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括固定在调磁型磁力泵内的固定支架，固定支架包含一中心圆柱，所有的永磁体II与固定支架的中心圆柱的周面固定连接。设置固定支架主要是为了固定永磁体II，固定支架的具体结构不限于此，只要能有效固定永磁体II即可。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括输入轴，背铁背向输出转子的端面与输入轴垂直连接，背铁与输入轴共轴。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括输入端外壳，背铁和固定端永磁体安装在输入端外壳内，输入轴从输入端外壳中穿出。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括输出轴和叶轮，输出转子背向背铁的端面与输出轴的一端面连接，输出轴的另一端面与叶轮连接，输出转子、输出轴和叶轮共轴。

如上所述的一种调磁型磁力泵，还包括输出端外壳，凸极铁、输出转子、输出轴和叶轮安装在输出端外壳内。

有益效果：

(1)本发明的调磁型磁力泵采用端面式耦合结构，规避了同轴度的影响，更适用于在密闭、真空等环境，尤其是不同介质间传递动力；

(2)本发明通过在输入转子和输出转子之间加入固定端永磁体，产生了与输入端永磁体的磁场耦合的额外有效磁场，进而改变了输入端永磁体的磁通分布，致使输出的传递转矩增加；

(3)本发明的输出转子采用无永磁体的简单凸极铁结构，改善了永磁材料太脆易裂的缺点，可以提供更好的机械可靠性，并且匹配输入端永磁体和固定端永磁体所产生的两个气隙磁场，调制出一系列谐波磁场，可显著减小输入转子、输出转子中的齿槽转矩，使输出转子具有一定的速比及稳定的输出转矩，实现输入转子和输出转子无接触、无摩擦的传动的同时，提高磁力泵的输出转矩，减少了电动机振动对泵的影响；

(4)与现有技术相比，本发明不仅能实现输入、输出转子无接触、无摩擦的传动，具有结构简单、噪音低、密封效果好等优点，还利用磁场调制原理，提高了磁力泵的转矩性能，并且输入和输出部分采用分离式设计，提高了磁力泵的可维护性。

附图说明

图1～2为调磁型磁力泵的结构示意图；

图3为调磁型磁力泵的轴侧剖视图；

图4为输入端外壳、端面支架、输入端永磁体的连接结构的剖面图；

图5为输入端外壳、固定端永磁体、固定支架的连接结构的剖面图；

图6为输出端外壳、输出转子与凸极铁的连接结构的剖面图；

图7为叶轮的剖面图；

图8为加入固定端永磁体前输入端永磁体的磁通线分布图；

图9为加入固定端永磁体后输入端永磁体的磁通线分布图；

图10为加入固定端永磁体前输出转子的磁通分布图；

图11为加入固定端永磁体后输出转子的磁通分布图；

图12为实施例1的调磁型磁力泵的输入输出转矩图；

图13为对比例1的磁力泵的结构示意图；

图14为对比例1的磁力泵的输入输出转矩图；

图15为对比例2的磁力泵的输入输出转矩图；

图16为对比例3的磁力泵的结构示意图；

图17为对比例3的磁力泵的输入输出转矩图；

其中，1-输入轴，2-输入轴端盖，3-背铁，4-端面支架，5-输入端外壳，6-输入端永磁体，7-固定端永磁体，8-固定支架，9-输出转子，10-输出轴，11-叶轮，12-输出端外壳，13-凸极铁。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种调磁型磁力泵，如图1～3所示，包括圆柱状背铁3、圆柱状输出转子9、端面支架4、固定支架8、输入轴1、输入轴端盖2、输入端外壳5、输出轴10、叶轮11(如图7所示)和输出端外壳12，背铁3的端面a与输出转子9的端面b相对，端面支架4固定在背铁3的端面a上，固定支架8固定在调磁型磁力泵内，背铁3背向输出转子9的端面与输入轴1垂直连接，背铁3与输入轴1共轴，输出转子9背向背铁3的端面与输出轴10的一端面连接，输出轴10的另一端面与叶轮11连接，输出转子9、输出轴10和叶轮11共轴；

如图4所示，背铁3的端面a上固定有输入端永磁体6，输入端永磁体6由2对轴向充磁且尺寸相同的扇环形块状永磁体I组成(一对N-S永磁体为一对极对数)，所有的永磁体I环绕背铁3的中心轴圆周均布且共曲面，相邻永磁体I的磁化方向相反，所有的永磁体I与端面支架4的中心圆柱的周面固定连接；

如图6所示，输出转子9的端面b上固定有13个尺寸相同的扇环形块状凸极铁13，所有的凸极铁13环绕输出转子9的中心轴圆周均布且共曲面；

背铁3的中心轴与输出转子9的中心轴重合；

如图5所示，背铁3和输出转子9之间设有一固定在调磁型磁力泵内的固定端永磁体7，固定端永磁体7由11对轴向充磁且尺寸相同的扇环形块状永磁体II组成，所有的永磁体II环绕背铁3的中心轴圆周均布且共曲面，相邻永磁体II的磁化方向相反，所有的永磁体II与固定支架8的中心圆柱的周面固定连接；

共曲面即尺寸较大的曲面位于同一圆柱的周面上，尺寸较小的曲面位于同一圆柱的周面上；

输入端永磁体6与固定端永磁体7的间距为2mm，固定端永磁体7与凸极铁13的间距为2mm；

背铁3和固定端永磁体7安装在输入端外壳5内，输入轴1从输入端外壳5和输入轴端盖2中穿出，凸极铁13、输出转子9、输出轴10和叶轮11安装在输出端外壳12内。

加入固定端永磁体前输入端永磁体的磁通线分布如图8所示，从图中可以看出，输入端永磁体的会产生部分漏磁，未能充分利用，加入固定端永磁体后输入端永磁体的磁通线分布如图9所示，从图中可以看出，固定端永磁体产生的磁场与输入端永磁体产生的漏磁相互耦合，磁通线增加，形成了更多的有效磁通回路线，提高了输入端永磁体的利用率，加入固定端永磁体前输出转子的磁通分布如图10所示，加入固定端永磁体后输出转子的磁通分布如图11所示，对比可以看出，加入固定端永磁体后，输出转子的磁通显著增大，导致输出的传递转矩显著增加。

使用时，电机驱动输入轴带动输入转子(即由背铁、输入端永磁体等组成的整体)旋转，输入端永磁体产生旋转磁场，通过与输出转子上凸极铁间的磁力作用驱动输出转子旋转，工作时输出转子上凸极铁调制匹配输入端永磁体和固定端永磁体所产生的两个气隙磁场，可充分提高永磁体的利用率，并显著减小输入、输出转子中的齿槽转矩，降低磁泄漏，使输出转子与输入转子间具有一定速比，得到较大且稳定的输出转矩，输入输出转矩图如图12所示。

对比例1

一种磁力泵，如图13所示，基本同实施例1，不同之处在于不含有固定端永磁体和固定支架，其输入输出转矩图如图14所示，将图12和图14对比可以看出，图14的传递转矩稳定性不好，且输出转距较小。

对比例2

一种磁力泵，基本同实施例1，不同之处在于不含有固定端永磁体和固定支架，且凸极铁被替换为永磁体，其输入输出转矩图如图15所示，将图12和图15对比可以看出，图15的传递转矩稳定性不好，且输出转距较小。

对比例3

一种磁力泵，如图16所示，基本同实施例1，不同之处在于固定端永磁体被替换为中间导磁环，且凸极铁被替换为永磁体，其输入输出转矩图如图17所示，将图12和图17对比可以看出，图17的输出转距较小。

Claims (8)

1.一种调磁型磁力泵，包括圆柱状背铁和圆柱状输出转子，背铁的端面a与输出转子的端面b相对；背铁的端面a上固定有输入端永磁体；其特征是：

输出转子的端面b上固定有多对尺寸相同的扇环形块状凸极铁，所有的凸极铁环绕输出转子的中心轴圆周均布且共曲面；

背铁的中心轴与输出转子的中心轴重合；

背铁和输出转子之间设有一固定在调磁型磁力泵内的固定端永磁体；

输入端永磁体或固定端永磁体由多对轴向充磁、尺寸相同、环绕背铁的中心轴圆周均布且共曲面的扇环形块状永磁体组成，相邻永磁体的磁化方向相反；输入端永磁体由多对永磁体I组成；固定端永磁体由多对永磁体II组成；

共曲面即尺寸较大的曲面位于同一圆柱的周面上，尺寸较小的曲面位于同一圆柱的周面上；

凸极铁的凸极数等于永磁体I的极对数与永磁体II的极对数之和。

2.根据权利要求1所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，输入端永磁体与固定端永磁体的间距为2～3mm，固定端永磁体与凸极铁的间距为2～3mm。

3.根据权利要求1所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括固定在背铁的端面a上的端面支架，端面支架包含一中心圆柱，所有的永磁体I与端面支架的中心圆柱的周面固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括固定在调磁型磁力泵内的固定支架，固定支架包含一中心圆柱，所有的永磁体II与固定支架的中心圆柱的周面固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括输入轴，背铁背向输出转子的端面与输入轴垂直连接，背铁与输入轴共轴。

6.根据权利要求5所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括输入端外壳，背铁和固定端永磁体安装在输入端外壳内，输入轴从输入端外壳中穿出。

7.根据权利要求1所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括输出轴和叶轮，输出转子背向背铁的端面与输出轴的一端面连接，输出轴的另一端面与叶轮连接，输出转子、输出轴和叶轮共轴。

8.根据权利要求7所述的一种调磁型磁力泵，其特征在于，还包括输出端外壳，凸极铁、输出转子、输出轴和叶轮安装在输出端外壳内。

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