CN113137373B - 一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵 - Google Patents

一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵结构，包括内部引流式进水口补偿结构和双向进水口补偿结构，叶轮系统同时受到多入口输入的液体压力，以补偿或平衡轴向冲击，以解决现有磁悬浮泵入水口水压波动导致转子轴向受到较大冲击，从而造成的转子旋转失稳、脉冲式出水、摩擦导致出水不纯、功率受限等问题。所述内部引流式进水口补偿结构主要特征在于内部引流式泵头结构；所述双向进水口补偿结构包括单电机形式和双电机形式，所述单电机形式和双电机形式主要特征在于双入口式泵头结构。本发明合理优化结构，利用内部引流式或多入口代替单入口来补偿或平衡叶轮运转过程中的轴向冲击，具有旋转稳定，出水平稳，功率大，结构紧凑等优点。

Description

一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵
技术领域
本发明涉及磁悬浮泵技术领域，尤其是涉及一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵。
背景技术
磁悬浮泵是一种没有机械轴承、不用润滑油且无机械部件摩擦的电磁驱动流体泵。其叶轮转动过程无摩擦，没有机械磨损，从而避免了污染颗粒的产生。磁悬浮泵由于有以上特点，广泛应用于医学(人工心脏)、半导体(超纯水的泵送)、生物技术(无泄漏、无缝隙设计)、电镀(密封设计)等领域。目前设计的磁悬浮泵轴向悬浮基本采用薄片式永磁被动悬浮设计，轴向悬浮刚度较差；且大多为离心式泵头，入口水流压力使得悬浮叶轮受到轴向冲击，导致叶轮悬浮旋转失稳，从而限制了泵头的液力设计(流量、压力)，进一步限制了泵水功率。
基于液力平衡原理的磁悬浮泵的轴向冲击补偿结构，借助内部引流和或外部多入口等方式，利用液力平衡原理，将叶轮上表面，即入口处的液体压力传递到叶轮下表面，合理优化流道设计，平衡轴向冲击，使磁悬浮泵轴向悬浮稳定，且在一定范围内增大了泵的输出功率。
发明内容
本发明是为了解决现有磁悬浮泵入水口水压波动导致转子轴向受到较大冲击，从而造成的转子旋转失稳、脉冲式出水、摩擦导致出水不纯和功率受限等问题，提供一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵。
本发明包括磁悬浮电机、泵头和叶轮系统；磁悬浮电机与泵头固定连接；叶轮机系统设置在泵头的叶轮腔内，通过磁钢转子与磁悬浮电机的相互作用悬浮在叶轮腔内。
所述泵头顶部为主入水口，泵头内部主入水口下方为泵腔，泵腔侧壁设置出水口，泵头内部泵腔下方为叶轮腔，叶轮腔外设置叶轮罩，主入水口底部开有引流入水口，泵腔侧壁设置泵壁内流道，叶轮腔底部设置有泵底入水口；叶轮罩固定设置在磁悬浮电机的固定架上；
所述叶轮系统包括磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座；叶轮系统的转子腔为实心结构，磁钢转子内嵌于转子腔内；转子腔一侧固定在带凹槽底座上，转子腔另一侧设置导水叶片，导水叶片通过顶板固定，顶板中心开有圆孔；导水叶片的外圆切线方向与磁钢转子旋转方向一致；出水口的出水方向与磁钢转子的旋转线速度方向一致；叶轮系统的运动限定在泵头的叶轮腔内，叶轮系统在运转过程中与泵头的叶轮腔无直接接触；
所述泵头的主入水口和叶轮系统的顶板的中心圆孔构成第一液体流道；泵头的引流入水口和泵壁内流道构成第二液体流道；
本发明还可以包括磁悬浮电机、泵头和叶轮系统；磁悬浮电机与泵头固定连接；叶轮机系统设置在泵头的叶轮腔内，通过磁钢转子与磁悬浮电机的相互作用悬浮在叶轮腔内。
所述泵头顶部为主入水口，泵头内部主入水口下方为泵腔，泵腔侧壁设置出水口，泵头内部泵腔下方为叶轮腔，叶轮腔外设置叶轮罩，叶轮腔底部设置有辅入水口；叶轮罩固定设置在磁悬浮电机的固定架上；
所述叶轮系统包括磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座；叶轮系统的转子腔为实心结构，磁钢转子内嵌于转子腔内；转子腔一侧固定在带凹槽底座上，转子腔另一侧设置导水叶片，导水叶片通过顶板固定，顶板中心开有圆孔；导水叶片的外圆切线方向与磁钢转子旋转方向一致；出水口的出水方向与磁钢转子的旋转线速度方向一致；叶轮系统的运动限定在泵头的叶轮腔内，叶轮系统在运转过程中与泵头的叶轮腔无直接接触；
所述泵头的主入水口和叶轮系统的顶板的中心圆孔构成第一液体流道；泵头的主入水口和辅入水口通过三通接口连接；泵头的主入水口、泵腔、辅入水口与叶轮系统的导水叶片、转子腔、带凹槽底座共同构成第二液体流道；
进一步的，所述的磁悬浮电机包括正转电机和反转电机；叶轮系统包括正向磁钢转子、导水叶片、转子腔和反向磁钢转子；泵头包括左入水口、右入水口、泵腔和出水口；所述左入水口和右入水口对称分布，叶轮系统的转子腔中心开有通孔；正转电机驱动正向磁钢转子绕轴转动，反转电机驱动反向磁钢转子绕轴转动，正向磁钢转子和反向磁钢转子以反向的方向绕轴转动。
作为优选，磁悬浮电机为无轴承电机，包括绕组、背铁、导磁架和固定架。
作为优选，所述的泵头的叶轮腔圆周内径大于叶轮系统的转子腔外径。
作为优选，所述的磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座一体成型。
作为优选，所述的泵头的主入水口孔径大于辅入水口孔径；作为优选，所述的泵腔底部设置内外壁支撑块。
本发明合理优化结构设计，利用内部引流式或多入口的方式代替单入口来补偿或平衡叶轮运转过程中的轴向冲击，具有旋转稳定，出水平稳，功率大，结构紧凑的优点。
附图说明
图1为具体实施方式一的剖面及流道结构、轴向压力分布示意图；
图2为具体实施方式一的泵头内流道结构示意图；
图3为具体实施方式一的内外壁支撑块结构示意图；
图4为叶轮系统结构及叶轮系统轴向压力分布示意图；
图5为具体实施方式二的结构示意图；
图6为具体实施方式二的剖面及内流道结构、轴向压力分布示意图；
图7为具体实施方式二的外流道结构示意图；
图8为具体实施方式三的结构及轴向压力分布示意图；
具体实施方式
一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，包括内部引流式进水口补偿结构或双向进水口补偿结构,叶轮系统同时受到多入口输入的液体压力，以补偿或平衡轴向冲击。双向进水口补偿结构还分为单电机形式和双电机形式。
下面结合附图分别对内部引流式进水口补偿结构、双向进水口补偿结构的单电机形式和双向进水口补偿结构的双电机形式进行说明。
具体实施方式一：内部引流式进水口补偿结构，结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式；
如图1所示，内部引流式进水口补偿结构包括磁悬浮电机1、泵头2和叶轮系统3。泵头2利用螺栓连接在磁悬浮电机1的固定架1-4上，叶轮系统3利用磁钢转子3-1和磁悬浮电机1的相互作用悬浮在泵头2的叶轮腔2-4内。
磁悬浮电机1包括绕组1-1、背铁1-2、导磁架1-3和固定架1-4。导磁架1-3紧固连接在背铁1-2上，绕组1-1紧密环绕连接在导磁架1-3上，固定架1-4与导磁架1-3紧固连接。所述磁悬浮电机1为无轴承电机。
如图2和3所示，泵头2包括主入水口2-1、泵腔2-2、出水口2-3、叶轮腔2-4、叶轮罩2-5、引流入水口2-6、泵壁内流道2-7、内外壁支撑块2-8和泵底入水口2-9；叶轮罩2-5固定安装在磁悬浮电机1的固定架1-4上。
如图4所示，叶轮系统3为一体成型,包括磁钢转子3-1、导水叶片3-2、转子腔3-3、顶板3-4和带凹槽底座3-5；转子腔3-3紧密包覆磁钢转子3-1,转子腔3-3中心为实心结构，液体不可从叶轮系统3的中心通过。泵头2的叶轮腔2-4圆周内径大于叶轮系统3的转子腔3-3外径；叶轮系统3的运动限定在泵头2的叶轮腔2-4内，叶轮系统3在运转过程中与泵头2的叶轮腔2-4无直接接触。导水叶片3-2的外圆切线方向与磁钢转子3-1旋转方向一致；出水口2-3的方向与磁钢转子3-1的旋转线速度方向一致。
传统的离心式泵只有一个入水口和一个出水口，等同于只有主入水口2-1和出水口2-3，叶轮系统3受到较大的上表面液体压力F1和远小于F1的下表面的液体压力F2而导致叶轮系统3的轴向有不平衡的液力冲击，影响磁悬浮泵内叶轮的轴向悬浮。
本实施例所述的内部引流式进水口补偿结构，如图1和图4所示，主入水口2-1和顶板3-4的中心圆孔构成第一液体流道；引流入水口2-6和泵壁内流道2-7构成第二液体流道；主入水口2-1液体压力为F1，即转子腔3-3上表面承受主入水口2-1的液体压力为F1；泵底入水口2-9的液体压力为F2，即转子腔3-3的下表面承受泵底入水口2-9的液体压力F2。主入水口2-1的液体压力F1大于或等于所述泵底入水口2-9的液体压力F2；内部引流式进水口补偿结构通过调节主入水口2-1和泵底入水口2-9的液体压力F1、F2的大小，将泵底入水口2-9的液体压力接入转子腔3-3的下表面，平衡转子腔3-3上表面压力F1带来的轴向冲击，减小轴向不平衡，优化磁悬浮电机工作状态，使整泵工作平稳。
具体实施方式二：双向进水口补偿结构的单电机形式，结合图5、图6、图7明本实施方式。
如图5所示，双向进水口补偿结构的单电机形式与具体实施方式一的内部引流式进水口补偿结构不同之处在于，单电机形式的泵头2设计有辅入水口2-10，而不包括引流入水口2-6和泵壁内流道2-7，其余特征与具体实施例一所述的内部引流式进水口补偿结构相同。
如图6和7所示，泵头2的主入水口2-1的入口和辅入水口2-10的入口通过三通接头的两个接口连接，三通接头的第三个接口接入水源，以此保证主入水口2-1和辅入水口2-10的入口水压大小相等；泵头2的主入水口2-1孔径大于辅入水口2-10孔径。
泵头2的主入水口2-1、泵腔2-2、辅入水口2-10与叶轮系统3的导水叶片3-2、转子腔3-3、带凹槽底座3-5共同构成第二液体流道；所述泵头2的主入水口2-1液体压力为F1，辅入水口2-10的液体压力为F2，所述主入水口2-1的液体压力F1大于或等于所述辅入水口2-10的液体压力F2；所述双向进水口补偿结构的单电机形式通过调节主入水口2-1和辅入水口2-10的液体压力F1、F2的大小，平衡轴向冲击。
双向进水口补偿结构的单电机形式的其他特征与内部引流式进水口补偿结构相同。
具体实施方式三：双向进水口补偿结构的双电机形式，结合图8说明本实施方式。
如图8所示，双向进水口补偿结构的双电机形式包含正转电机7、叶轮系统3、反转电机5和泵头2。正转电机7通过螺栓连接在叶轮系统3一侧，所述反转电机5通过螺栓连接在叶轮系统3的另一侧，正转电机7和反转电机5相对于叶轮系统3对称布置。所述泵头2悬浮在叶轮系统3的叶轮腔内。正转电机7、反转电机5实质为磁悬浮电机。叶轮系统3的转子腔3-3中心开有通孔，液体从转子腔中心通孔流过。叶轮系统3在运转过程中与所述泵头2的叶轮腔2-4无直接接触。
叶轮系统3包括正向磁钢转子3-1、导水叶片3-2、转子腔3-3和反向磁钢转子3-6；叶轮系统3为一体成型；所述的正转电机7和反转电机5对应的正向磁钢转子3-1和反向磁钢转子3-6的旋转运动的绝对速度大小和方向相同；正向磁钢转子3-1相对于正转电机7和反向磁钢转子3-6相对于反转电机5的旋转运动的相对速度大小相同，方向相反。
泵头2包含左入水口2-11、右入水口2-12、泵腔2-2和出水口2-3；所述左入水口2-11和右入水口2-12对称分布，用三通接口连接。
泵头2的右入水口2-12液体压力为F1，转子腔3-3右表面承受右入水口2-12的液体压力F1；左入水口2-11的液体压力为F2，转子腔3-3的左表面承受左入水口2-11的液体压力F2；所述双向进水口补偿结构的双电机形式通过调节右入水口2-12和左入水口2-11的液体压力F1、F2的大小，平衡轴向冲击。
双向进水口补偿结构的双电机形式的其他特征与所述内部引流式进水口补偿结构相同。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：包括磁悬浮电机、泵头和叶轮系统；磁悬浮电机与泵头固定连接；叶轮系统设置在泵头的叶轮腔内，通过磁钢转子与磁悬浮电机的相互作用悬浮在叶轮腔内；
所述泵头顶部为主入水口，泵头内部主入水口下方为泵腔，泵腔侧壁设置出水口，泵头内部泵腔下方为叶轮腔，叶轮腔外设置叶轮罩，主入水口底部开有引流入水口，泵腔侧壁设置泵壁内流道，叶轮腔底部设置有泵底入水口，引流入水口与泵壁内流道连通，泵壁内流道与泵底入水口连通；叶轮罩固定设置在磁悬浮电机的固定架上；
所述叶轮系统包括磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座；叶轮系统的转子腔为实心结构，磁钢转子内嵌于转子腔内；转子腔一侧固定在带凹槽底座上，转子腔另一侧设置导水叶片，导水叶片通过顶板固定，顶板中心开有圆孔；导水叶片的外圆切线方向与磁钢转子旋转方向一致；出水口的出水方向与磁钢转子的旋转线速度方向一致；叶轮系统的运动限定在泵头的叶轮腔内，叶轮系统在运转过程中与泵头的叶轮腔无直接接触；
所述泵头的主入水口和叶轮系统的顶板的中心圆孔构成第一液体流道；泵头的引流入水口和泵壁内流道构成第二液体流道。
2.如权利要求1所述的一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：所述的磁悬浮电机为无轴承电机，包括绕组、背铁、导磁架和固定架。
3.如权利要求1所述的一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：所述的泵头的叶轮腔圆周内径大于叶轮系统的转子腔外径。
4.如权利要求1所述的一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：所述的磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座一体成型。
5.如权利要求1所述的一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：所述的泵腔底部设置内外壁支撑块。
6.一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：包括磁悬浮电机、泵头和叶轮系统；磁悬浮电机与泵头固定连接；叶轮系统设置在泵头的叶轮腔内，通过磁钢转子与磁悬浮电机的相互作用悬浮在叶轮腔内；
所述泵头顶部为主入水口，泵头内部主入水口下方为泵腔，泵腔侧壁设置出水口，泵头内部泵腔下方为叶轮腔，叶轮腔外设置叶轮罩，叶轮腔底部设置有辅入水口；叶轮罩固定设置在磁悬浮电机的固定架上；
所述叶轮系统包括磁钢转子、导水叶片、转子腔、顶板和带凹槽底座；叶轮系统的转子腔为实心结构，磁钢转子内嵌于转子腔内；转子腔一侧固定在带凹槽底座上，转子腔另一侧设置导水叶片，导水叶片通过顶板固定，顶板中心开有圆孔；导水叶片的外圆切线方向与磁钢转子旋转方向一致；出水口的出水方向与磁钢转子的旋转线速度方向一致；叶轮系统的运动限定在泵头的叶轮腔内，叶轮系统在运转过程中与泵头的叶轮腔无直接接触；
所述泵头的主入水口和叶轮系统的顶板的中心圆孔构成第一液体流道；泵头的主入水口和辅入水口通过三通接口连接；辅入水口与泵腔连通，将液体引流至叶轮系统异于主入水口的一侧。
7.如权利要求6所述的一种基于液力平衡原理的磁悬浮泵，其特征在于：所述的泵头的主入水口孔径大于辅入水口孔径。
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