CN114001036B - 一种微型水力悬浮机械泵及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型水力悬浮机械泵及其装配方法。所述水力悬浮微泵包含蜗壳、上端盖、定位薄片、叶轮、空心杯电机、防水套，转子；空心杯电机包括电机外壳，后盖板，磁钢转子，线圈以及铁芯；所述的防水套与电机处于分离状态，其下部拥有定位凸台与电机相应位置的凹槽实现径向配合，同时此处凹槽与凸台之间装有薄片以实现防水套的轴向定位。本发明的微型水力悬浮机械泵工作时，液体通过上端盖的周向进水口进入防水套，转子套筒外壁和防水套内壁间形成液膜，使旋转部件径向悬浮；轴向上线圈绕组产生磁力与流场水力协同作用，磁钢转子在轴向悬浮，大大提高微型水力悬浮泵的寿命。定位薄片的作用在于精确调整叶轮和泵腔的相对位置而实现快速装配。

Description

一种微型水力悬浮机械泵及其装配方法
技术领域
本发明属于机械泵领域，更具体地，涉及一种微型水力悬浮机械泵及其装配方法。
背景技术
随着电子设备的集成度越来越高，单位面积内会集成越来越多的电子元件，意味着单位面积上的发热量会相应地大幅增加，主动热控系统的大规模使用成为必然，微型泵正是主动热控系统的核心驱动器件。同时，微型机械泵作为微机电系统的一个重要研究方向，在化学输运系统、特种泵送系统、医疗设备等领域也得到广泛应用。
目前行业内的叶片式微型泵大多含有轴承，轴承的存在必定带来机械摩擦而导致磨损。对于像不间断工作的数据中心服务器等工作场景而言，要求液冷微泵能够长时间连续运行，设计出在如此长时间高速运行下少磨损或不磨损的轴承是极具挑战性的。针对此，研究人员利用水力悬浮原理或者磁力悬浮原理设计出了不同形式的悬浮微泵，使得它们彻底摆脱了传统的轴承结构，能有效解决高转速下轴承磨损的问题。其中，磁力悬浮轴承可采用主动控制方案和永磁悬浮方案。主动控制方案需要利用传感器捕捉到转子的位置，并反馈位置信号给辅助线圈，其会产生平衡力使得转子时刻处于悬浮状态。但是此种方案系统构造复杂而且系统损耗较大，发热严重。而永磁悬浮方案虽然系统简单，装配要求不高，但是无法实现全自由度悬浮。
水力悬浮技术则能是通过泵内部流体的水力作用使转子全自由度悬浮，例如CN106949069A和CN106762694A所述的水力悬浮微型泵则通过水力螺旋槽止推轴承实现了轴向的悬浮，但是在此种止推轴承的安装过程中由于对动环和静环的水平度要求非常高使得其装配成为了一道难题，且螺旋槽的加工精度要求也极高。如CN106989050A所述的水力悬浮微型泵则巧妙利用微泵内部流场的特性在没有止推轴承的情况下实现了轴向的稳定悬浮。
但是，由于微泵在运行过程中由于流场的变化旋转的叶片会出现一定范围的轴向移动从而与静止部件产生刮擦，因此其叶片的轴向位置调整成为了其稳定悬浮的关键。对CN106989050A所述的微型泵而言，唯一的调整方法是用手进行调整叶片与磁钢转子之间的轴向距离，从而使叶轮处于泵腔合适位置以保证叶轮在较宽的工况范围内不会和静止部件刮擦。但是，装配过程中此操作需要不断反复进行，微泵内部的零件需要不断地被拆解，不可避免会对零件造成损伤，再加上此种手段仅仅是凭感觉调试，因此耗时也非常长。
综上所述，目前的水力悬浮泵虽然能够实现悬浮无摩擦运行，但是由于其结构设计的缺陷带来的繁琐的装配过程降低了良品率，增加了生产成本，限制了其大规模应用。
发明内容
针对现有水力悬浮机械泵结构上的不足和装配上的难点，本发明提出的一种悬浮增强的水力悬浮机械泵及其配套的装配方法。具有结构简单，操作方便，能适应变工况运行的优点，大大提高微型机械泵的可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水力悬浮机械泵，包括：蜗壳、密封垫圈、上端盖、防水套、定位薄片、空心杯电机、叶轮、转子套筒和轴套和电机底盖；其中，
所述蜗壳上设置有进水通道和出水通道，所述蜗壳的内部空间作为泵腔，所述进水通道和出水通道分别与所述泵腔连通；防水套的下端封闭，上端开口且设有法兰；
所述空心杯电机包括电机外壳、铁芯、线圈和磁钢转子；所述电机外壳的侧壁上安装所述铁芯，铁芯内壁套装线圈，所述线圈的内孔套装防水套，以防止液体流入线圈；所述的防水套与电机外壳处于分离状态，防水套的法兰下部拥有定位凸台，以与空心杯电机相应位置的凹槽配合实现径向限位；凹槽与定位凸台之间垫装有定位薄片，通过调整定位薄片的数量和/或厚度以实现防水套的轴向定位；蜗壳和电机外壳固连且所述防水套上端面和蜗壳之间设置有密封垫圈，防水套也用于承接所述上端盖；所述上端盖上设置有与所述泵腔连通的周向进水口，以用于使水流入防水套内，所述转子套筒套接在所述磁钢转子的外侧，所述的轴套套固在磁钢转子的内孔壁面；所述磁钢转子位于所述防水套内并且所述叶轮的转轴穿过中间出水口与轴套内壁配合连接，并且所述叶轮的叶片位于所述泵腔内，所述轴套的内侧壁与叶轮转轴的外侧面之间具有第一空隙作为第一水流通道，所述第一水流通道与所述泵腔连通，所述转子套筒的外侧壁与所述防水套的内侧壁之间存在第二空隙作为第二水流通道，所述第二水流通道与所述周向进水口连通。
进一步地，所述电机外壳上设置有高度较低的凹台与高出此凹台的铁芯共同形成所述凹槽，以与所述定位凸台配合。
进一步地，所述定位凸台的内径大于铁芯外径，定位凸台外表面与电机外壳凹台内壁面之间为过盈配合。
进一步地，转子套筒的外表面加工有多条凹凸相间的直槽。
进一步地，定位薄片的外径小于定位凸台的外径，内径大于铁芯的外径。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种微型水力机械泵的装配方法，包括如下步骤：
S1、将磁钢转子与转子套筒、轴套固连；
S2、将叶轮轴端穿过上端盖中间出水口插入与磁钢转子连接的轴套内孔中，并调整叶轮的插入深度至预定的初始位置；再将磁钢转子放入防水套内孔中，并将上端盖与防水套固连；
S3、在防水套上端面安装并固定蜗壳，然后使泵运行；根据叶轮的叶片在泵腔内的位置取出防水套再进行增减定位薄片数量和/或厚度的操作，直至运行过程中叶轮的叶片既不和上端盖的平面刮擦也不和蜗壳刮擦，这时微泵转子的轴向位置即调整完毕；
S4、锁定防水套，完成转子的轴向装配。
进一步地，如若初始安装位置不当，运行时叶片向下与上端盖刮擦时，通过减少定位薄片的数量或厚度操作使得泵腔相对于叶轮向下移动，从而使得叶轮不与任何静止部件刮擦；反之则通过增加定位薄片的数量或厚度操作使得泵腔相对于叶轮向上移动，使得叶轮不与任何静止部件刮擦。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.防水套4与电机外壳6采用分离式设计，且防水套4下侧面设计的凸台结构与电机外壳6-铁芯8的凹槽结构形成配合，可以保证转子在防水套4中的同心度；防水套4-蜗壳1的轴向位置可以通过增减薄片5数量或者厚度进行定量精准的控制，与原来手动调节叶轮7的叶片和蜗壳1的相对位置比可以大大提高装配的效率，不会对零件造成损伤，大大提高了良品率。
2.水力悬浮型微型泵的径向悬浮是通过定转子之间形成的锲形间隙实现，但在微泵运行过程中外界的震动可能超出径向悬浮结构的承载能力，因而也存在悬浮失效的风险。因此，通过优化设计对水力悬浮微泵的径向悬浮力进行增强，则可以大大提高其运行稳定性，本发明在转子套筒10的外侧壁上周向设置有多条凹凸相间的直槽，一方面可以使液体流经转子套筒10外壁时形成回流冲击进而增大径向的悬浮力，增强抗震能力；另一方面可以对转子套筒10以及防水套4之间的液膜形成扰动作用，从而增强电机的散热能力，保障微泵运行可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的上端盖的结构示意简图；
图3是本发明中电机外壳，防水套和蜗壳的轴向位置剖视图；
图4是本发明中叶轮轴结构示意图；
图5是本发明中转子套筒的结构示意图；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-蜗壳、2-密封垫圈、1a-进水通道、1b-出水通道、1c-蜗壳凹槽、1d-通孔、3-上端盖、3a-中间出水口、3b-周向进水口、4-防水套、4a-上部定位凸台、4b-定位凸台、5-定位薄片、6-电机外壳、6a-凹槽、6b-电机螺纹孔、7-叶轮、7a-配合面、7b-切削面、8-铁芯、9-线圈、10-转子套筒、11-磁钢转子、12-轴套、13-电机底盖。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图4，一种微型水力悬浮机械泵，包括蜗壳1、密封垫圈2、上端盖3、防水套4、定位薄片5、空心杯电机、叶轮7、转子套筒10、轴套12、和电机底盖13，其中：
所述蜗壳1上设置有进水通道1a和出水通道1b，所述蜗壳1的内部空间作为泵腔，所述进水通道1a和出水通道1b分别与所述泵腔连通；进入机械泵的大部分的流体主要是通过这种方式流出，少部分进入防水套4内部以实现悬浮功能并带走热量。
所述空心杯电机包括电机外壳6、铁芯8、线圈9和磁钢转子11，所述电机外壳6的侧壁上安装所述铁芯8，铁芯8内壁套装线圈9，所述线圈9的内孔套装防水套4，以防止液体流入电机线圈9；所述的防水套4与电机外壳6处于分离状态，其法兰下部设有定位凸台4b，电机外壳6上设置有高度较低的凹台与高出此凹台的铁芯8共同形成一凹槽6a与所述定位凸台4b配合。优选地，本实施例中定位凸台4b和凹槽6a的侧壁之间为过盈配合，以便于调节轴向位置且保留一定的径向限位功能。同时，此处的电机外壳6的凹槽6a与防水套4上的定位凸台4b之间垫装有一定数量的定位薄片5以实现防水套4的轴向定位。本实施例中定位薄片5优选为硅胶薄片，外径比防水套凸台4b外径小0.15mm，内径比铁芯外径大0.15mm，以便于取放，厚度为0.1mm，上述材料、尺寸均可以依据实际情况设置，不限于此。通过增减薄片5数目或厚度可调整防水套4和与之配合的蜗壳1的相对位置。
所述防水套4上端面也设置有一上部定位凸台4a和蜗壳1相应位置的蜗壳凹槽1c进行配合，之间设置有密封垫圈2。本实施例中，蜗壳1和电机外壳6之间通过螺钉固连在一起。并且防水套4中部设有一阶梯槽用于承接所述上端盖3。所述上端盖3上设置有与所述泵腔连通的周向进水口3b，以用于使水流入防水套4内。
所述表面加工有凹凸直槽的转子套筒10套接在所述磁钢转子11的外侧，所述的轴套12套固在磁钢转子11的内孔壁面。所述磁钢转子11位于所述防水套4内并且所述叶轮7的转轴穿过所述的上端盖3中心孔与轴套12内壁配合连接；所述叶轮7的叶片位于所述泵腔内，所述轴套12的内侧壁与叶轮转轴7的外侧面之间具有第一空隙作为第一水流通道，所述第一水流通道与所述泵腔连通；所述转子套筒10的外侧壁与所述防水套4的内侧壁之间存在第二空隙作为第二水流通道，所述第二水流通道与所述上端盖3中间出水口3a连通；少部分水流从第二水流通道进入防水套4，流经磁钢转子11的侧壁、内壁和上下端面再从上端盖中间出水口3a流入泵腔中，由此产生了径向和轴向的液膜，提供悬浮力的同时带走电机的热量。
所述磁钢转子11与所述上端盖3之间存在第三间隙，并且该第三间隙能让水流入所述第三间隙后对磁钢转子11产生轴向的推力。
所述线圈9与所述电机外壳6之间设置所述铁芯8，所述铁芯8和线圈9能与所述磁钢转子11之间产生磁力，从而与磁钢转子11顶部和底部的水对所述磁钢转子11的推力共同配合来限制所述磁钢转子11的轴向位移。
为实现叶轮7的可靠安装，本发明中叶轮7轴端与磁钢转子11内孔的轴套12为过盈配合。优选地，在本实施例中叶轮7的转轴可以采用一根圆柱轴进行加工，将外侧削去一部分，以便于与轴套12之间形成间隙，其中7a为配合面，7b为切削面，切削面7b与轴套12之间形成第一水流通道。
防水套4与蜗壳1共同构成微型泵的泵腔。防水套4与蜗壳1相接触的接触端面上设置有定位凸台4a，蜗壳1相应设置有定位凹槽1c，两者之间用密封圈2密封。为防止叶轮2偏心安装带来的机械干涉和对性能的不利影响，电机外壳6上设置有螺纹孔6b，蜗壳1在相应位置开设通孔1d，两者通过螺钉完成连接。
本发明的微型水力悬浮机械泵工作原理如下：
转子套筒10外壁和防水套4的内壁之间能通过液体形成径向液体动压轴承，另外，液体在进入磁钢转子11与上端盖3之间的空隙时，会对磁钢转子11产生向下的推力，液体进到防水套4的内底面时，会对磁钢转子11产生向上的推力，从而也使磁钢转子11与防水套4之间产生间隙，在磁钢转子11上的向下和向上的两个方向推力的合力，再加上磁钢转子11与铁芯8的磁力，能限制磁钢转子11的轴向位移，实现全自由度的悬浮，摆脱了摩擦对轴承的磨损。
基于上述工作原理，由于微泵在运行过程中由于流场的变化旋转的叶片会出现一定范围的轴向移动从而与静止部件产生刮擦，因此其叶片的轴向位置调整成为了其稳定悬浮的关键。
考虑到稳定悬浮时磁钢转子11的轴向位置稳定在一定的范围内，现有技术是直接手动调整叶轮7的叶片与磁钢转子11上端面的轴向距离，也就是调整叶轮7的转轴插入磁钢转子的深度，来改变稳定悬浮时叶轮叶片在泵腔内的高度，从而使叶轮处于泵腔合适位置以保证叶轮在较宽的工况范围内不会和静止部件刮擦。但也正如背景技术所述的那样，这种调整方式一方面需要拆解蜗壳1、上端盖3、防水套4、叶轮7、转子套筒10和转子磁钢11等零件，操作繁琐，降低零件使用寿命；另一方面，由于缺乏运行状态下叶轮轴向位置的监测手段，叶轮7的叶片与磁钢转子11上端面的轴向距离只能凭感觉进行调试，这无疑又会增加拆解零件的次数，耗时长的同时又进一步增大了零件损伤的风险。
因此，本发明特别提出了将防水套4与电机外壳6采用分离式设计，即防水套4与蜗壳1整体移动而无需拆解，其整体的轴向位置可以通过增减薄片5数量或者厚度进行定量精准的控制。而由于稳定水力悬浮状态下磁钢转子11的轴向位置稳定在一定的范围内，防水套4与蜗壳1整体小幅移动并不会破坏其稳定悬浮环境，因此防水套4与蜗壳1整体上下移动亦可调整叶轮叶片在泵腔内的位置，以保证叶轮在较宽的工况范围内不会和静止部件刮擦。因此，本发明与现有技术相比可以大大提高装配的效率，不会对零件造成损伤，大大提高了良品率。
另外转子套筒10的外侧壁上周向设置有多条凹凸相间的直槽。此结构加工简单，有如下两点优势：一方面可以使液体流经转子套筒10外壁时形成回流冲击进而增大径向的悬浮力，增强微泵的抗震能力；另一方面可以对转子套筒10以及防水套4之间的液膜形成扰动作用，从而增强液体对电机的散热能力。
基于以上构思，本发明的装配步骤如下：
S1、将磁钢转子11与转子套筒10、轴套12固定连接，优选地，本实施例用胶水粘连固化。
S2、将叶轮7轴端穿过上端盖3中心孔插入与磁钢转子11连接的轴套12内孔中，并将叶轮7的轴插入磁钢转子11的内孔中达到预定的初始位置。再将磁钢转子11放入防水套4内孔中，并将上端盖3卡进防水套4与之配合的孔内。在凹槽6a中装入一定数目的定位薄片5。
S3、接上蜗壳1，使泵运行，并根据叶轮叶片的刮擦情况增减定位薄片5的数量和/或厚度。在一个优选的实施方式中，通过增减定位薄片5的数量来改善刮擦情况，例如：发现叶轮7的叶片在泵腔内向下与上端盖3刮擦时，取出防水套4，通过减少定位薄片5的数量即可使得泵腔相对于叶轮7向下移动；发现叶轮7的叶片在泵腔内向上与蜗壳1刮擦时，取出防水套4，装入新的定位薄片5可使得泵腔相对于叶轮7向上移动；通过重复上述步骤，直至叶轮7既不和上端盖3摩擦也不和蜗壳1摩擦。
S4、使叶轮7处于泵腔中的合适位置之后，再将防水套与电机外壳6锁定。优选地，在本实施例中锁定方法如下：将粘连剂填入定位薄片5与电机外壳6-铁芯8形成的凹槽6a之间的空隙中，再将防水套4的定位凸台4b装入凹槽6a，粘连剂固化后即锁定防水套4。完成了转子的轴向装配之后，卡上电机底盖13即完成整机装配。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微型水力悬浮机械泵，其特征在于，包括：蜗壳(1)、密封垫圈(2)、上端盖(3)、防水套(4)、定位薄片(5)、空心杯电机、叶轮(7)、转子套筒(10)和轴套(12)和电机底盖(13)；其中，
所述蜗壳(1)上设置有进水通道(1a)和出水通道(1b)，所述蜗壳(1)的内部空间作为泵腔，所述进水通道(1a)和出水通道(1b)分别与所述泵腔连通；防水套(4)的下端封闭，上端开口且设有法兰；
所述空心杯电机包括电机外壳(6)、铁芯(8)、线圈(9)和磁钢转子(11)；所述电机外壳(6)的侧壁上安装所述铁芯(8)，铁芯(8)内壁套装线圈(9)，所述线圈(9)的内孔套装防水套(4)，以防止液体流入线圈(9)；所述的防水套(4)与电机外壳(6)处于分离状态，防水套(4)的法兰下部拥有定位凸台(4b)，以与空心杯电机相应位置的凹槽(6a)配合实现径向限位，凹槽(6a)位于电机外壳(6)上；凹槽(6a)与定位凸台(4b)之间垫装有定位薄片(5)，通过调整定位薄片(5)的数量和/或厚度以实现防水套的轴向定位；蜗壳(1)和电机外壳(6)固连且所述防水套(4)上端面和蜗壳(1)之间设置有密封垫圈(2)，防水套(4)也用于承接所述上端盖(3)；所述上端盖(3)上设置有与所述泵腔连通的周向进水口(3b)，以用于使水流入防水套(4)内，所述转子套筒(10)套接在所述磁钢转子(11)的外侧，所述的轴套(12)套固在磁钢转子(11)的内孔壁面；所述磁钢转子(11)位于所述防水套(4)内并且所述叶轮(7)的转轴穿过上端盖(3)的中间出水口(3a)与轴套(12)内壁配合连接，并且所述叶轮(7)的叶片位于所述泵腔内，所述轴套(12)的内侧壁与叶轮(7)转轴的外侧面之间具有第一空隙作为第一水流通道，所述第一水流通道与所述泵腔连通，所述转子套筒(10)的外侧壁与所述防水套(4)的内侧壁之间存在第二空隙作为第二水流通道，所述第二水流通道与所述周向进水口(3b)连通。
2.根据权利要求1所述的一种微型水力悬浮机械泵，其特征在于，所述电机外壳(6)上设置有凹台，凹台与高出此凹台的铁芯(8)共同形成所述凹槽(6a)，以与所述定位凸台(4b)配合。
3.根据权利要求2所述的一种微型水力悬浮机械泵，其特征在于，所述定位凸台(4b)的内径大于铁芯(8)外径，定位凸台(4b)外表面与电机外壳(6)凹台内壁面之间为过盈配合。
4.根据权利要求1所述的一种微型水力悬浮机械泵，其特征在于，转子套筒(10)的外表面加工有多条凹凸相间的直槽。
5.根据权利要求1所述的一种微型水力悬浮机械泵，其特征在于，定位薄片(5)的外径小于定位凸台(4b)的外径，内径大于铁芯(8)的外径。
6.如权利要求1所述的一种微型水力悬浮机械泵的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将磁钢转子(11)与转子套筒(10)、轴套(12)固连；
S2、将叶轮(7)轴端穿过上端盖(3)中间出水口(3a)插入与磁钢转子(11)连接的轴套(12)内孔中，并调整叶轮(7)的插入深度至预定的初始位置；再将磁钢转子(11)放入防水套(4)内孔中，并将上端盖(3)与防水套(4)固连；
S3、在防水套(4)上端面安装并固定蜗壳(1)，然后使泵运行；根据叶轮(7)的叶片在泵腔内的位置取出防水套(4)再进行增减定位薄片(5)数量和/或厚度的操作，直至运行过程中叶轮(7)的叶片既不和上端盖(3)的平面刮擦也不和蜗壳(1)刮擦，这时微泵转子的轴向位置即调整完毕；
S4、锁定防水套(4)，完成转子的轴向装配。
7.根据权利要求6所述的一种微型水力悬浮机械泵的装配方法，其特征在于，如若初始安装位置不当，运行时叶片向下与上端盖(3)刮擦时，通过减少定位薄片(5)的数量或厚度操作使得泵腔相对于叶轮(7)向下移动，从而使得叶轮(7)不与任何静止部件刮擦；反之则通过增加定位薄片(5)的数量或厚度操作使得泵腔相对于叶轮(7)向上移动，使得叶轮(7)不与任何静止部件刮擦。
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