CN115828661A

CN115828661A - 用于集成式通用流体机械的转子设计方法及通用流体模组

Info

Publication number: CN115828661A
Application number: CN202211367411.5A
Authority: CN
Inventors: 燕浩; 苏晓珍
Original assignee: Intelligent Manufacturing Institute of Hefei University Technology
Current assignee: Intelligent Manufacturing Institute of Hefei University Technology
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明属于转子制造技术领域，具体涉及一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法及通用流体模组。本发明的转子设计方法包括以下步骤：1)、求取电驱长度增量；2)、求取有效永磁体长度增量；3)、求取永磁体轴向长度；4)、获得步骤3)中的永磁体轴向长度和步骤1)中的定子长度后，将永磁体两端均伸出定子的两端，从而分别获得永磁体两端的伸出长度。本发明可在确保电驱绕组的有效利用率的同时，实现气隙磁场沿轴向分布的均匀性需求，从而确保甚至提升转子的实际工作效率。

Description

用于集成式通用流体机械的转子设计方法及通用流体模组

技术领域

本发明属于转子制造技术领域，具体涉及一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法及通用流体模组。

背景技术

通用流体机械是指以流体(液体或气体)为工质进行能量转换的机械。按照能力转换形式可以分为原动机(水轮机、汽轮机等)和工作机 (泵、压缩机等)，前者是将流体的能量转变为机械能；后者是将机械能转变为流体的能量，使流体增压并实现输送等工业目的，具有品种多、且量大的特点，广泛分布于石油化工、钢铁冶金、抗洪排涝市政工程、船舶军工工程等领域，其安全可靠运行与人民的生活息息相关。一般来说，通用流体机械结构是由电机、中间连接架(托架、轴承箱等)、流体机械功能件(泵为蜗壳和叶片、压缩机为螺杆/漩涡叶片和壳体、水轮机为叶片和蜗壳)组成；受跨专业的影响，电机、中间连接架和流体机械功能件是分开制造、安装，最后连接在一起的，也就是说，电机为电机学科，是单独制造、加工；流体机械功能件属于流体机械学科，也是单独制造、加工。为了能够使电机与流体机械功能件连接在一起，并实现其功能，需要中间连接架将二者连接在一起，这样会造成整个通用流体机械整体架构增大，增加了制造过程中的碳排放。另外，由于中间连接架的存在，增加了轴承、密封等部件的摩擦损失，使其运行过程中能耗增大，同时增加了易损部件的数量，极大地降低了通用流体机械的使用寿命。尤其在水力机械领域，受机械密封寿命的影响，造成水力机械每年均要维修，增大了使用过程维修费用。此外，目前转子待解决的技术问题也还包括：其一，目前转子关于有效电驱的利用率普遍不高；其二，由于电机的定子端面附近存在边缘磁场，使得气隙磁场沿轴向分布不均匀，也容易影响到转子的实际工作效率；其三，如何优化转子结构，从而使得最终得到的成品电机始终有恒定的轴向磁推力，也一直是转子的优化性设计的核心问题。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其可在确保电驱绕组的有效利用率的同时，实现气隙磁场沿轴向分布的均匀性需求，从而确保甚至提升转子的实际工作效率。本发明的另一个目的在于提供一种应用所述转子设计方法的通用流体模组，从而通过集成化设计，减少中间连接架和减少易损部件数量及摩擦损失，来进一步提高机组的整体效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、以下公式求取电驱长度增量

其中：

为定子的有效电驱长度，通过将端部磁通处的匝链电枢绕组, 归入气隙有效磁通后获得；

L_a为定子长度；

h_m为永磁体的径向最大厚度；

δ为定子外壁至永磁体内壁的气隙径向距离；

h_in为定子外壁处隔离套厚度；当通用流体机械输送介质为气体时， h_in为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜h_in＜3mm；

2)、以下式求取有效永磁体长度增量

式中A₁、A₂、A₃和A₄分别为系数，取值如下：

3)、以下式求取永磁体轴向长度L_m：

其中：

为有效永磁体长度，和定子的有效电驱长度

一样，通过将端部磁通处的匝链电枢绕组,归入气隙有效磁通后获得；

4)、由步骤3)中的永磁体轴向长度L_m和步骤1)中的定子长度L_a，可知L_m＞L_a；

此时，将永磁体两端均伸出定子的两端，从而分别获得永磁体两端的伸出长度ΔL_m1和ΔL_m2，两者满足下式：

优选的，集成式通用流体机械为介质泵时，ΔL_m2所在的永磁体一端为负载所在端。

优选的，永磁体两端部等宽；相比于永磁体两端部，永磁体的两条侧边则均为修剪结构，并满足以下关系式：

其中：

α为永磁体的侧边与转子轴线所形成的夹角角度；

β₁为在转子横截面上，永磁体上的修剪起始位置距离侧边所占的角度；

β₂为在转子横截面上，永磁体的两侧边之间所占的角度；

Δh_m＝h_m-Δh_m1，h_m为永磁体的径向最大厚度，Δh_m1为永磁体的修剪起始位置距离侧边的径向厚度；

R为永磁体的侧边倒角。

优选的，永磁体为四方板状或弧瓦状。

优选的，应用所述的一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法的通用流体模组，其特征在于：该通用流体模组包括定子以及同轴套设在定子外的转子，转子外壁一体式的固定有叶片或轮齿；各永磁体环绕转子轴线依序均布式的安装于转子内壁处，并与定子外壁处同轴固接的隔离套间存有活动间隙；在转子的横截面上，每一块永磁体的两条侧边所在的转子内壁处均分别布置一组内凹的级槽，级槽贯穿转子且槽长方向平行永磁体的侧边；

所述级槽的槽深h_z和槽宽b_z满足下式：

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案，一方面，为了充分利用有效材料，通过本发明的步骤计算，可知永磁体轴向长度L_m是大于定子长度L_a的，从而实现了对定子区域处的电驱绕组的最大化利用，避免了材料的浪费现象。另一方面，由于定子端面附近存在边缘磁场，使得气隙磁场沿轴向分布不均匀；为了解决这以问题，本发明将端部磁通处的电驱绕组归入气隙有效磁通，从而引入有效电驱长度和有效永磁体长度，从而确保了气隙磁场沿轴向分布的均匀性需求，最终满足转子的高工作效率要求，成效显著。

2)、通过转子和定子搭配形成的整机结构，可使得定子和转子均淹没在流体介质内部，流体介质可以有效吸收大部分振动、噪音，使整个机组的振动、噪音大大减低。此外，转子和定子所形成的一体化设计理念，也杜绝了电机和流体机械的选配过程，提高了机电部分与流体机械部分之间的适配度，整体上提升了机组效率。本发明可使电机和流体机械功能件高度集成，负载就在转子上，无需额外的中间连接架，碳排放更小；减少了中间连接架，也意味著配套的轴承、密封等的取消，相应的摩擦损失也更低，能耗更低，结构更为紧凑合理，也进一步的提高了机组的整体效率。

附图说明

图1为本发明的其中一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的转子处永磁体与定子的配合状态示意图；

图3为永磁体与转子的装配关系图；

图4为本发明的转子设计方法与传统转子结构的电磁转矩仿真对比图；

图5为本发明的转子设计方法与传统转子结构的磁槽转矩仿真对比图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-定子；11-隔离套；20-转子；21-永磁体；22-级槽；23-叶片。

具体实施方式

为便于理解，此处以轴流泵为例，结合图1-5，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体结构如图1所示，其结构主要包括外部的转子20和位于转子20内部的定子10；叶片23安装于转子20上，并在流道两端布置相应的引流叶及导流叶，最终形成本发明的通用流体模组的其中一种实施例构造。从图1可看出，由于叶片23与转子20集成为一体结构，当转子20转动时使流体不断进入转子20和定子10内，通过各配合件的间隙流出，这样能够极大的带走转子20和定子10运转时所产生的热量，提高轴流式泵的实际寿命；配合本发明的下述转子设计方法对转子 20进行优化改造，可在确保电驱绕组的有效利用率的同时，实现气隙磁场沿轴向分布的均匀性需求，从而确保甚至提升转子20乃至整个通用流体模组的实际工作效率。

更具体而言，一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、以下公式求取电驱长度增量

其中：

为定子10的有效电驱长度，通过将端部磁通处的匝链电枢绕组,归入气隙有效磁通后获得；

L_a为定子10长度；

h_m为永磁体21的径向最大厚度；

δ为定子10外壁至永磁体21内壁的气隙径向距离；

h_in为定子10外壁处隔离套11厚度；当通用流体机械输送介质为气体时，h_in为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜h_in＜3mm；

2)、以下式求取有效永磁体21长度增量

由于电驱长度增量

和有效永磁体21长度增量

均与 (h_m+δ+h_in)有关，因此需满足以下多项式：

式中A₁、A₂、A₃和A₄分别为系数，取值如下：

3)、以下式求取永磁体21轴向长度L_m：

其中：

为有效永磁体21长度，和定子10的有效电驱长度

4)、由步骤3)中的永磁体21轴向长度L_m和步骤1)中的定子10 长度L_a，可知L_m＞L_a；

此时，将永磁体21两端均伸出定子10的两端，从而分别获得永磁体21两端的伸出长度ΔL_m1和ΔL_m2，其中ΔL_m2略大于ΔL_m1，两者满足下式：

当通用流体机械的功率较小时，取大值。而当集成式通用流体机械为介质泵时，ΔL_m2所在的永磁体21一端为负载所在端。

4)、进行永磁体21修剪步骤：

参照图2所示，永磁体21两端部等宽，而相比于永磁体21两端部，永磁体21的两条侧边则均为修剪结构，并满足以下关系式：

其中：

α为永磁体21的侧边与转子20轴线所形成的夹角角度；类似于传统转轴类转子的倾斜状的转子槽和偏斜走线的转子铝条，四方板状或弧瓦状永磁体21在安装时整体也呈偏斜状的贴附在转子20内壁处，其长度方向与转子20轴线可自然形成一定的夹角角度，即α；

β₁为在转子20横截面上，永磁体21上的修剪起始位置距离侧边所占的角度；β₁与下述β₂相同原理，均是由各个点至转子20轴线处连线，并求的两根连线所形成的夹角，具体参照图3所示；

β₂为在转子20横截面上，永磁体21的两侧边之间所占的角度，参照图3所示；

Δh_m＝h_m-Δh_m1，h_m为永磁体21的径向最大厚度，Δh_m1为永磁体 21的修剪起始位置距离侧边的径向厚度，参照图2所示；

R为永磁体21的侧边倒角，参照图3所示。

5)、求取级槽22的槽深h_z和槽宽b_z：

如图3所示的级槽22的槽深h_z和槽宽b_z满足下式：

实施例1：

按照本发明的上述设计方法，得到了一款电机参数，具体如下：

a)、在已知定子10基本尺寸的基础上，通过将端部磁通处的电驱绕组归入气隙有效磁通后，获得定子10的有效电驱长度

同时，假设输送介质为水，也即此时通用流体机械输送介质为液体，得h_in为1mm，h_m为4mm，δ＝2.5mm，L_a＝66mm，通过公式：

可知

b)、亦知有效永磁体21长度

A₁、A₂、A₃和A₄分别为 0,0,0.5,0.02，多项式

可以变为

得

通过公式：

可知L_m＝64.75mm，取整为65mm。

c)、已知L_m＝65mm，L_a＝66mm，且令

获得ΔL_m2为3.5mm，ΔL_m1为4.5mm。由于该通用流体机械为轴流泵，因此ΔL_m2所在的永磁体 21一端为负载所在端，也即整个泵体的轴向磁推力的合力最终指向泵体的负载所在端。

d)、永磁体的侧边修剪结构则满足下面关系：α＝5°；β₁＝14°，β₂＝60°，修剪起始位置满足

△h_m＝1.76mm，h_m如前述为4mm，修剪厚度满足

R＝1.32mm，此时边缘处倒圆R满足

e)、转子20中包含有均匀布置的级槽22，满足下面关系：

且

为验证上述解析模型的准确性，也为了验证本发明的效果，以上述设计的电机为了进行了有限元分析、仿真，结果如图4和图5所示。

结论：

从图4中，我们可以得到，按照本发明上述设计方法设计的转子20，与目前的内置式的定子10组合所得到的电机结构，也即通用流体模组，其电磁转矩有很大的提升：平均电磁转矩为5.99N·m，较原始方案 (5.52N·m)提高了8.51％。从电磁转矩的波动来看，改进后的方案波动相对较小，改进后的电机运行相对较为平稳，工作效率也更高。

另外，从图5所示的磁槽转矩图上来看：改进后的方案的磁槽转矩较原始方案也即-0.8N·m～0.8N·m而言，有明显改善，本发明的方案可使得电机结构的磁槽转矩在-0.42N·m～0.42N·m范围内波动，减小了接近50％，可以说成效非常显著。

由此可见，通过本发明的方案进行改进后的电机，其性能得到了明显的提升。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、以下公式求取电驱长度增量

其中：

为定子(10)的有效电驱长度，通过将端部磁通处的匝链电枢绕组,归入气隙有效磁通后获得；

L_a为定子(10)长度；

h_m为永磁体(21)的径向最大厚度；

δ为定子(10)外壁至永磁体(21)内壁的气隙径向距离；

h_in为定子(10)外壁处隔离套(11)厚度；当通用流体机械输送介质为气体时，h_in为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜h_in＜3mm；

2)、以下式求取有效永磁体(21)长度增量

式中A₁、A₂、A₃和A₄分别为系数，取值如下：

3)、以下式求取永磁体(21)轴向长度L_m：

其中：

为有效永磁体(21)长度，和定子(10)的有效电驱长度

4)、由步骤3)中的永磁体(21)轴向长度L_m和步骤1)中的定子(10)长度L_a，可知L_m＞L_a；

此时，将永磁体(21)两端均伸出定子(10)的两端，从而分别获得永磁体(21)两端的伸出长度ΔL_m1和ΔL_m2，两者满足下式：

2.根据权利要求1所述的一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于：集成式通用流体机械为介质泵时，ΔL_m2所在的永磁体(21)一端为负载所在端。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于：永磁体(21)两端部等宽；相比于永磁体(21)两端部，永磁体(21)的两条侧边则均为修剪结构，并满足以下关系式：

其中：

α为永磁体(21)的侧边与转子(20)轴线所形成的夹角角度；

β₁为在转子(20)横截面上，永磁体(21)上的修剪起始位置距离侧边所占的角度；

β₂为在转子(20)横截面上，永磁体(21)的两侧边之间所占的角度；

Δh_m＝h_m-Δh_m1，h_m为永磁体(21)的径向最大厚度，Δh_m1为永磁体(21)的修剪起始位置距离侧边的径向厚度；

R为永磁体(21)的侧边倒角。

4.根据权利要求3所述的一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法，其特征在于：永磁体(21)为四方板状或弧瓦状。

5.应用权利要求3所述的一种用于集成式通用流体机械的转子设计方法的通用流体模组，其特征在于：该通用流体模组包括定子(10)以及同轴套设在定子(10)外的转子(20)，转子(20)外壁一体式的固定有叶片或轮齿；各永磁体环绕转子(20)轴线依序均布式的安装于转子(20)内壁处，并与定子(10)外壁处同轴固接的隔离套(11)间存有活动间隙；在转子(20)的横截面上，每一块永磁体(21)的两条侧边所在的转子(20)内壁处均分别布置一组内凹的级槽(22)，级槽(22)贯穿转子(20)且槽长方向平行永磁体(21)的侧边；

所述级槽(22)的槽深h_z和槽宽b_z满足下式：