CN116050003A - 基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法及装置 - Google Patents

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CN116050003A CN202211360457.4A CN202211360457A CN116050003A CN 116050003 A CN116050003 A CN 116050003A CN 202211360457 A CN202211360457 A CN 202211360457A CN 116050003 A CN116050003 A CN 116050003A
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Abstract

本发明属于流体机械设计及制造技术领域，具体涉及一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法及装置。本发明的集成式通用流体机械设计方法包括以下步骤：1)定子设计，包括电驱直径的确定、有效电驱长度的确定、极距的确定；2)转子设计，包括求取电驱长度增量、有效永磁体长度增量、永磁体轴向长度、获得永磁体两端的伸出长度和进行永磁体的两条侧边的修剪；3)获取通用流体机械的额定功率的取值范围以及和流体做功功率的匹配关系。本发明的集成式通用流体机械设计方法可在确保机组正常工作的基础上，保证整体机构的紧凑性和集成化，最终为小体积和高寿命的通用流体机械的研发提供基础保证。

Description

基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法及装置
技术领域
本发明属于流体机械设计及制造技术领域，具体涉及一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法及装置。
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，这样电机和流体机械是两个独立的部件，整个机组的性能是由流体机械决定，电机则直接选配，无法形成一体化设计，会造成运行过程中的能量浪费；同时由于中间连接架的存在，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。再者，中间连接架的存在还会增加轴承、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。另外，机组的振动和噪音性能同样也是分别来自这两部分，机组总的振动和噪音性能，是两者间的矢量和；其中电机的噪音又是最主要的噪音来源，这时若进一步降低机组总的振动噪音则变的无法实现。因此，上述通用流体机械关键技术亟待解决。
发明内容
本发明的其中一个目的在于提供一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，可在确保机组正常工作的基础上，保证整体机构的紧凑性和集成化，最终为小体积和高寿命的通用流体机械的研发提供基础保证；本发明的另一个目的在于提供应用该通用流体机械设计方法的装置，从而针对性的实现了该通用流体机械设计方法在各个泵型中的具体装配状态，以便保证相应泵型的小体积和高寿命使用需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)定子设计：
1.1)电驱直径Da的确定：
电驱直径Da根据下式来确定：
Da＝int(D′a)+1
其中：
Figure BDA0003921955810000021
A′为电负荷预估值；B′δ为气隙磁密度预估值；ZN为额定转速；αi为计算极弧系数，表示计算极弧宽度与极距的比值；λ为长径比预估值；功率
Figure BDA0003921955810000022
PN为额定功率，U和I为额定电压和额定电流；
1.2)有效电驱长度La的确定：
La＝int(L′a)+1
其中：
L′a＝λDa；
1.3)极距τ的确定：
Figure BDA0003921955810000031
式中，p为级对数；
2)转子设计：
2.1)以下公式求取电驱长度增量
Figure BDA0003921955810000032
Figure BDA0003921955810000033
其中：
Figure BDA0003921955810000034
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；
La为定子长度；
hm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；
hin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，hin为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜hin＜3mm；
2.2)以下式求取有效永磁体长度增量
Figure BDA0003921955810000035
Figure BDA0003921955810000036
式中A1、A2、A3和A4分别为系数，取值如下：
Figure BDA0003921955810000037
2.3)以下式求取永磁体轴向长度Lm：
Figure BDA0003921955810000038
其中：
Figure BDA0003921955810000041
为有效永磁体长度，和定子的有效电驱长度
Figure BDA0003921955810000042
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；
2.4)由步骤3)中的永磁体轴向长度Lm和步骤1)中的定子长度La，可知Lm＞La；
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ΔLm1和ΔLm2，两者满足下式：
Figure BDA0003921955810000043
2.5)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：
Figure BDA0003921955810000044
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；
Δhm＝hm-Δhm1，hm为永磁体的径向最大厚度，Δhm1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；
3)通用流体机械的额定功率PN的取值范围以及和流体做功功率Pf的匹配关系如下式：
Figure BDA0003921955810000051
其中：
ρ为输送介质的密度；g为重力加速度；H为通用流体机械的额定扬程；Q为通用流体机械的额定流量；U为电压；I为电流；η为通用流体机械的效率。
优选的，λ的取值范围为0.6～1.5。
优选的，定子上开设有绕组槽以便安装电驱绕组；在定子的横截面上，相邻两组绕组槽之间的定子外壁处凹设有辅助槽，且该辅助槽沿定子轴向贯穿布置；所述辅助槽的槽深与辅助槽槽宽的比值的取值范围为0.65～1.5；辅助槽槽深与绕组槽槽深的比值的取值范围为0.15～0.25。
优选的，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hz和槽宽bz满足下式：
Figure BDA0003921955810000052
优选的，应用所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括具备直筒状泵腔的泵壳，泵壳的两端分别设置引流支撑盖和导流支撑盖；所述引流支撑盖内同轴布置引流轴且两者之间通过引流叶连接彼此，导流支撑盖内同轴布置导流轴且两者之间通过导流叶连接彼此，引流轴、导流轴、定子及转子彼此同轴，从而使得定子的两端固定于引流轴和导流轴处；转子外壁处的叶片外缘与泵壳筒腔壁之间存有配合间隙；泵壳筒腔壁和/或叶片外缘上布置有便于叶片动作时吸入流体的斜向吸入槽；
所述叶片的设计流程包括以下子步骤：
S1、选取表面光滑型鱼类，沿鱼体长度方向获取截面形成翼型轮廓；
S2、对翼型轮廓取点记录并拟合得到仿生翼型，具体包括以下式对翼型轮廓取点采用如下函数进行拟合：
Figure BDA0003921955810000061
Figure BDA0003921955810000062
Figure BDA0003921955810000063
其中e(k)＝(ln0.5)/(lnxk),(0≤xk≤1)，x(k)是翼型弦线上所选的节点；
yup为未经拟合的原始翼型的上骨线纵坐标；
ylow为未经拟合的原始翼型的下骨线纵坐标；
yOup为经拟合得到的新翼型的上骨线纵坐标；
yOlow为经拟合得到的新翼型的下骨线纵坐标；
fk(x)为形状函数；
n是形状函数fk(x)的个数；
ck及ck+n是形状函数的系数及优化过程的设计变量；
形状函数共有十组，其中设计变量：
c1∈[-0.006,0.006]；
c2∈[-0.001,0.006]；
c3∈[-0.006,0.008]；
c4∈[-0.005,0.005]；
c5∈[-0.005,0.010]；
c6∈[-0.008,0.006]；
c7∈[-0.010,0.010]；
c8∈[-0.005,0.010]；
c9∈[-0.005,0.005]；
c10∈[-0.005,0.015]；
S3、使用非支配解排序遗传算法NSGA-II对步骤S2中得到的仿生翼型进行优化设计，直至性能不再随着迭代次数的增加而提高时，得到帕累托最优翼型；
采用非支配解排序遗传算法NSGA-II进行优化时，设置人口数量为12，迭代20代，交叉概率为0.9，变异概率为0.01；
目标函数中最大升力系数Cl＝Fl/(0.5ρV∞ 2×O)；
最大升阻比J＝Fl/Fd；
其中Fl为翼型的升力；
Fd为翼型的阻力；
ρ为输送介质的密度；
V∞为离水翼无穷远处的流速；
O＝翼型的弦长×跨度；
S4、将完成优化后得到的翼型应用至叶片上；
翼型优化时在至少两种攻角下分别进行优化，从而得到帕累托最优翼型；随后对帕累托最优翼型在各攻角下的拟合点平均统计处理从而获得新的控制点，对新的控制点拟合获得一级优化翼型；对帕累托最优翼型在各攻角下优化结果的节点坐标进行统计平均处理，并在此拟合得到二级优化翼型；
在同一工况下验证帕累托最优翼型、一级优化翼型以及二级优化翼型的水力性能，选用水力性能最佳的一种翼型应用至叶片。
优选的，在步骤S1中，所述表面光滑型鱼类为多宝鱼，沿其鱼体方向间隔获取至少五处截面形成至少五种仿生翼型；在步骤S4中的翼型进一步优化，在翼型本体的翼面前缘处凸设有沿展长方向布置的凸鳍，各凸鳍沿翼型本体弦长方向平行间隔布置，凸鳍与翼型本体的前端存在夹角；且翼型本体的翼面前缘处曲线为：
y＝2.02x3-2.058x2+0.662x+0.003957；
取翼面前缘处曲线在x＝0.04+0.005处的切线作为新的X轴，以切点作为坐标原点建立与第m排凸鳍所对应的新的坐标系，新的坐标x’,y’为：
Figure BDA0003921955810000081
其中m为自翼面前缘到后缘各凸鳍的对应所在排数；
各凸鳍在其对应坐标系中的曲线为：
y′＝6.06x′2–4.116x′+0.662–h，h∈[0.0001，0.0004]；
所述凸鳍共有七排，h＝0.0001；所述凸鳍与翼型本体前端的夹角为5°～9°。
优选的，应用所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括具备叶轮腔的蜗壳，蜗壳内同轴的布置有带有叶片的离心叶轮；离心叶轮作为负载端固定在所述通用流体模组的转子外壁处；定子后端固定在蜗壳后部的泵盖上，定子的前端固定在叶轮腔的定位轴处；该定位轴通过径向延伸的支撑条固定在位于泵壳前端的进口段内壁处，支撑条数目与叶片数目彼此互质；布置在离心叶轮上的叶片包括长叶片以及逐一的布置在两条长叶片之间的各个短叶片，各短叶片和长叶片的起始端均位于离心叶轮的外缘处，且所述长叶片和短叶片均呈现涡卷状布局；
支撑条的进口与来流速度方向相同，支撑条的出口满足强制旋涡流动特征，即满足
Figure BDA0003921955810000091
其中，vu1i＝ζv′u1i表示对支撑条出口处的速度环量进行修正，ζ为线性修正系数，其值满足0.91≤ζ≤1.15，中间取值按照线性插值计算；vu1i为支撑条出口处不同半径R1i下的旋转速度沿轴向速度的分量；
所述短叶片的进口直径D′1和离心叶轮直径D2满足公式
Figure BDA0003921955810000092
相邻的短叶片出口边与长叶片出口边之间所形成夹角
Figure BDA0003921955810000093
和相邻的两条短叶片出口边之间所形成夹角
Figure BDA0003921955810000094
满足
Figure BDA0003921955810000095
在与定子轴线重合的轴向剖面上，蜗壳出口处的隔舌与定子轴线间存有夹角γ，且
Figure BDA00039219558100000910
优选的，长叶片和短叶片的进口边均采用修薄结构；修薄结构采用下面参数进行定义：
修薄地点到终点所占角
Figure BDA0003921955810000096
与叶片包角
Figure BDA0003921955810000097
的比值，满足
Figure BDA0003921955810000098
修薄后的厚度s1，与原始进口边厚度s2的比值，满足
Figure BDA0003921955810000099
优选的，应用所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括泵体，泵体包括直筒状的泵壳以及位于泵体两端的端盖，定子的两端固定在两组端盖处，且定子外的转子沿定子轴线方向向两组端盖处延伸，直至转子两端回转配合在两组端盖上；转子外壁布置主齿轮，主齿轮与回转配合在泵体内从动轴外壁间形成齿轮啮合配合，所述从动轴轴线与转子轴线彼此平行；
主齿轮外径d1大于副齿轮外径d2，且满足1.5＜d1/d2＜3.0；同时，可取主齿轮与泵壳间的间隙0.11～0.22mm；主齿轮与副齿轮间的齿隙为0.05～0.09mm；副齿轮与泵壳间的间隙0.09～0.11mm。
优选的，应用所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括泵体，泵体包括直筒状的泵壳以及位于泵体两端的端盖，定子的两端固定在两组端盖处，且定子外的转子沿定子轴线方向向两组端盖处延伸，直至转子两端回转配合在两组端盖上；转子外壁布置主齿轮从而形成主动杆，主齿轮与回转配合在泵体内带外螺纹的从动杆外壁间形成齿轮啮合配合，所述从动杆轴线与转子轴线彼此平行；
主动杆直径大于从动杆直径，主动杆直径与从动杆直径之比的取值范围在2到5之间；主动杆与泵壳间的间隙0.11～0.22mm；主动杆与从动杆间的间隙为0.05～0.09mm；从动杆与间的间隙0.09～0.11mm。
本发明的有益效果在于：
1)、通过上述结构，可使得本发明的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，本发明采用的一体化设计理念，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。
至此，本发明提供了机电一体化高度集成的通用流体机械设计方法，使电机和流体机械功能件高度集成，减少了中间连接架，减少了易损部件数量和摩擦损失，提高了机组的整体效率。
2)、为了得到一个恒定的轴向磁推力，本发明设计了不对称的轴向外伸结构，也即一方面永磁体的长度是大于定子长度的，另一方面，永磁体的两端超出定子两端的伸出长度彼此有差异，一端的伸出长度要大于另一端的伸出长度；这样，工作时，整个转子和定子所形成的通用流体模组会产生的轴向磁推力的合力会始终朝向较长的伸出长度所在端，也即预设的负载端，可有效提升通用流体模组乃至整个通用流体机械的实际工作效率。
3)、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在安装时整体也呈偏斜状的贴附在转子内壁处，其长度方向与转子轴线可自然形成一定的夹角角度，即α；该夹角可有效提升转子相对定子的回转效率，且整体构造紧凑合理，也不影响实际装配操作，一举多得。
4)、辅助槽不仅可以降低通用流体模组的齿槽转矩，对电磁转矩波动也有很好的抑制效果；从通用流体模组也即电机结构的运转平稳性上来看，增加辅助槽的电机结构的电磁扭矩波动相对较为较小，电机结构的运行要相对更为平稳。
5)、级槽的设计，可使得通用流体模组的电磁转矩的波动更小，运行相对较为平稳。另外，从磁槽转矩角度上来看，磁槽转矩也会较传统方案有明显改善，也即使得通用流体模组性能得到了明显的提升。
6)、在上述方案的基础上，本发明还相应提供基于上述通用流体模组的各个通用流体装置，从而具体化和针对性的实现通用流体模组在各个泵型中的装配状态，最终实现了相应泵型的小体积和高寿命使用需求。
附图说明
图1为定子和转子所配合形成的通用流体模组的结构剖视示意图；
图2为转子的局部结构的横截面示意图；
图3为定子的局部结构的横截面示意图；
图4、图5、图8、图10为通用流体模组所应用的四类泵型的结构示意图；
图6为图5所示结构的离心叶轮的端面视图；
图7为离心叶轮上的各叶片位置关系图；
图9为图8的左视图的剖视示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
10-定子；10a-铁芯；10b-隔离套；
11-电驱绕组；12-绕组槽；13-辅助槽；
20-转子；21-功能件；22-永磁体；23-级槽；30-泵壳；
41-引流支撑盖；41a-引流轴；41b-引流叶；42-导流支撑盖；
42a-导流轴；42b-导流叶；50-蜗壳；51-隔舌；
61-离心叶轮；61a-长叶片；61b-短叶片；62-泵盖；
63-定位轴；64-支撑条；65-进口段；70-端盖；80-从动轴。
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-10，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本发明的通用流体模组的具体结构如图1-3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；叶片或主齿轮甚至转子20处外螺纹等功能件21通过一体铸造或车加工等方式一体式的成型于转子20上，当然也可以通过后期焊固或螺栓固定等方式来形成一体式结构。定子10包括铁芯10a及套设在铁芯10a外的隔离套10b，隔离套10b与转子20之间设置可供转子20回转的活动间隙。
进一步设计时，一方面，参照图1所示的，转子20上布置的永磁体22的长度是长于定子10长度的，这使得安装后，永磁体22的两端均如图1所示的存在两处伸出长度。对于不同泵型而言，永磁体22的长度较长的伸出端必然是位于负载端所在端的，以实现恒定的轴向磁推力设计需求。
此外，就单独的转子20而言，永磁体22应当偏斜成一定角度，也即α，以满足转子20乃至整个通用流体模组的高效率工作需求。磁体两端部等宽；而相比于永磁体22两端部，永磁体22的两条侧边则均为修剪结构，包括在侧边设置如图2所示的圆倒角R等。
对于定子10而言，定子10上需开设有绕组槽12以便安装电驱绕组11。如图3所示的，在定子10的横截面上，相邻两组绕组槽12之间的定子10外壁处凹设有辅助槽13，且该辅助槽13沿定子10轴向贯穿布置。辅助槽13不仅可以降低永磁电机齿槽转矩，对电磁转矩波动也有很好的抑制效果，其主要几何结构如图3所示。
实际设计时，辅助槽13的槽数为1～6个，其几何结构可以为矩形、三角形、半圆形，梯形结构等。所述的辅助槽13槽深hc与辅助槽13槽宽bc的比值为0.65～1.5；辅助槽13槽深hc满足hc/hr＝0.15～0.25，其中hr为绕组槽12槽深。当然，绕组槽12的槽型可以为犁形槽、矩形槽、半犁形槽、斜肩圆底槽等。
同时，在转子20的横截面上，每一块永磁体22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23，级槽23贯穿转子20且槽长方向平行永磁体22的侧边。
更具体而言，本发明总体的设计步骤如下：
1)定子设计：
1.1)电驱直径Da的确定：
电驱直径Da根据下式来确定：
Da＝int(D′a)+1
其中：
Figure BDA0003921955810000131
A′为电负荷预估值；B′δ为气隙磁密度预估值；ZN为额定转速；αi为计算极弧系数，表示计算极弧宽度与极距的比值；λ为长径比预估值，取值范围为0.6～1.5；功率
Figure BDA0003921955810000132
PN为额定功率，U和I为额定电压和额定电流；
1.2)有效电驱长度La的确定：
La＝int(L′a)+1
其中：
L′a＝λDa；
1.3)极距τ的确定：
Figure BDA0003921955810000141
式中，p为级对数；
2)转子设计：
2.1)以下公式求取电驱长度增量
Figure BDA0003921955810000142
Figure BDA0003921955810000143
其中：
Figure BDA0003921955810000144
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；
La为定子长度；
hm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；
hin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，hin为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜hin＜3mm；
2.2)以下式求取有效永磁体长度增量
Figure BDA0003921955810000145
Figure BDA0003921955810000146
式中A1、A2、A3和A4分别为系数，取值如下：
Figure BDA0003921955810000147
2.3)以下式求取永磁体轴向长度Lm：
Figure BDA0003921955810000151
其中：
Figure BDA0003921955810000152
为有效永磁体长度，和定子的有效电驱长度
Figure BDA0003921955810000153
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；
2.4)由步骤3)中的永磁体轴向长度Lm和步骤1)中的定子长度La，可知Lm＞La；
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ΔLm1和ΔLm2，两者满足下式：
Figure BDA0003921955810000154
2.5)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：
Figure BDA0003921955810000155
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；
Δhm＝hm-Δhm1，hm为永磁体的径向最大厚度，Δhm1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；
3)通用流体机械的额定功率PN的取值范围以及和流体做功功率Pf的匹配关系如下式：
Figure BDA0003921955810000161
其中：
ρ为输送介质的密度；g为重力加速度；H为通用流体机械的额定扬程；Q为通用流体机械的额定流量；U为电压；I为电流；η为通用流体机械的效率。使用时，先根据水力机械所需工况，如流量Q，扬程H等，获得负载的额定功率PN的范围，确定在上述那一档，随后再确定流体做功功率Pf，最终用额度电压U和额度电流I来确定准确的额定功率PN。
辅助槽13的槽深与辅助槽槽宽的比值的取值范围为0.65～1.5；辅助槽13槽深与绕组槽12槽深的比值的取值范围为0.15～0.25。
同时，在转子20的横截面上，每一块永磁体22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23，级槽23贯穿转子20且槽长方向平行永磁体的侧边；所述级槽的槽深hz和槽宽bz满足下式：
Figure BDA0003921955810000162
在上述结构的基础上，本发明还提供了应用上述通用流体模组的四类泵型，分别包括：
1、轴流式流体机械
当通用流体机械为轴流式流体机械时，如图4所示的，其结构主要包括转子20和定子10形成的电机结构，转子20外布置构成功能件21的叶片；同时，该电机结构至于泵壳30内，并依靠位于泵壳30两端的引流支撑盖41和导流支撑盖42加以封闭，以便形成工作用的泵腔。工作时，需注意导流轴42a和引流轴41a的位置，以便安装相应的导流叶42b和引流叶41b；同时，导流轴42a和引流轴41a也为定子10的固定提供的安装载体。
转子20处的叶片外缘和/或泵壳30内壁处设置相应的斜向吸入槽。实际设计时，泵壳30内壁也即筒腔壁处可直接同轴凹设有内螺纹槽，而内螺纹槽的配合叶片外缘的部分自然也就形成了所述的斜向吸入槽。至于叶片外缘，由于面积较小，因此布置相应的斜向的凹槽即可。当转子20转动时，流体不断进入叶片和泵壳30之间的斜向吸入槽内；吸入的流体会依序通过各个配合件的间隙后流出，从而极大地带走转子20和定子10运转时所产生的热量，保护电驱绕组11和永磁体22磁性不受破坏，提高轴流式流体机械的实际使用寿命。
本发明还提供了一种应用于上述该轴流式流体机械的叶片的设计流程，包括以下子步骤：
S1、选取表面光滑型鱼类，沿鱼体长度方向获取截面形成翼型轮廓；
S2、对翼型轮廓取点记录并拟合得到仿生翼型，具体包括以下式对翼型轮廓取点采用如下函数进行拟合：
Figure BDA0003921955810000171
Figure BDA0003921955810000172
Figure BDA0003921955810000173
其中e(k)＝(ln 0.5)/(ln xk),(0≤xk≤1)，x(k)是翼型弦线上所选的节点；
yup为未经拟合的原始翼型的上骨线纵坐标；
ylow为未经拟合的原始翼型的下骨线纵坐标；
yOup为经拟合得到的新翼型的上骨线纵坐标；
yOlow为经拟合得到的新翼型的下骨线纵坐标；
fk(x)为形状函数；
n是形状函数fk(x)的个数；
ck及ck+n是形状函数的系数及优化过程的设计变量；
形状函数共有十组，其中设计变量：
c1∈[-0.006,0.006]；
c2∈[-0.001,0.006]；
c3∈[-0.006,0.008]；
c4∈[-0.005,0.005]；
c5∈[-0.005,0.010]；
c6∈[-0.008,0.006]；
c7∈[-0.010,0.010]；
c8∈[-0.005,0.010]；
c9∈[-0.005,0.005]；
c10∈[-0.005,0.015]；
S3、使用非支配解排序遗传算法NSGA-II对步骤S2中得到的仿生翼型进行优化设计，直至性能不再随着迭代次数的增加而提高时，得到帕累托最优翼型；
采用非支配解排序遗传算法NSGA-II进行优化时，设置人口数量为12，迭代20代，交叉概率为0.9，变异概率为0.01；
目标函数中最大升力系数Cl＝Fl/(0.5ρV∞ 2×O)；
最大升阻比J＝Fl/Fd；
其中Fl为翼型的升力；
Fd为翼型的阻力；
ρ为输送介质的密度；
V∞为离水翼无穷远处的流速；
O＝翼型的弦长×跨度；
S4、将完成优化后得到的翼型应用至叶片上；
翼型优化时在至少两种攻角下分别进行优化，从而得到帕累托最优翼型；随后对帕累托最优翼型在各攻角下的拟合点平均统计处理从而获得新的控制点，对新的控制点拟合获得一级优化翼型；对帕累托最优翼型在各攻角下优化结果的节点坐标进行统计平均处理，并在此拟合得到二级优化翼型；
在同一工况下验证帕累托最优翼型、一级优化翼型以及二级优化翼型的水力性能，选用水力性能最佳的一种翼型应用至叶片。
在步骤S1中，所述表面光滑型鱼类为多宝鱼，沿其鱼体方向间隔获取至少五处截面形成至少五种仿生翼型；在步骤S4中的翼型进一步优化，在翼型本体的翼面前缘处凸设有沿展长方向布置的凸鳍，各凸鳍沿翼型本体弦长方向平行间隔布置，凸鳍与翼型本体的前端存在夹角；且翼型本体的翼面前缘处曲线为：
y＝2.02x3-2.058x2+0.662x+0.003957；
取翼面前缘处曲线在x＝0.04+0.005处的切线作为新的X轴，以切点作为坐标原点建立与第m排凸鳍所对应的新的坐标系，新的坐标x’,y’为：
Figure BDA0003921955810000191
其中m为自翼面前缘到后缘各凸鳍的对应所在排数；
各凸鳍在其对应坐标系中的曲线为：
y′＝6.06x′2–4.116x′+0.662–h，h∈[0.0001,0.0004]；
所述凸鳍共有七排，h＝0.0001；所述凸鳍与翼型本体前端的夹角为5°～9°。
通过上述在多宝鱼鱼身翼型轮廓拟合形成仿生翼型的基础上，结合遗传算法优化翼型的升阻特性，使叶片能够在更加宽泛的工作区间内保持较高的性能，优化了上述泵型的性能，使水力机械适应更多的工作环境，达到对水力机械在多工况下优化的目的。此时，本发明经过优化后的水翼可以使泵在更宽泛的流量区间中保持着较高的运行效率，高效段的延长使上述泵型可以适应更加复杂的流量变化，从而大幅扩大上述泵型的应用范围；且上述泵型可以在更大的流量范围内保持较高的性能，使泵的工作范围得到了延长，提高了泵在复杂流量变化下的稳定性。当然，本发明通过在优化后的翼型表面增加凸鳍结构，也有效地抑制了湍流猝发并削弱了湍流猝发强度，增加了流体粘性底层的厚度，减小了壁面摩擦阻力，运行时阻力较低；且本发明还可加速非定常空化流动的演变，有效的改善水翼的空化现象和加速水翼的空化循环，大幅降低了空泡体积；通过翼面前缘的凸鳍结构产生第二个涡群，从而改变水翼的空化演变，第二涡群类似“滚动轴承”的作用，能达到到良好的减阻效果。
2、离心式流体机械
当同游流体机械为离心式流体机械时，如图5所示的，其包括具备叶轮腔的蜗壳50，蜗壳50内同轴的布置有带有叶片的离心叶轮61，叶片构成所述功能件21。离心叶轮61作为负载端固定在所述通用流体模组的转子20外壁处。同时，蜗壳50的后端布置泵盖62，从而在封闭蜗壳50后端的同时，提供定子10后端一个安装载体。蜗壳50的前端布置套筒状的进口段65，其与蜗壳50之间通过叶轮口环彼此固定和密封。进口段65内一体式布置带有支撑条64的定位轴63，定位轴63固定定子10的前端，且支撑条64数目与叶片数目彼此互质。
设计时，上述离心式流体机械的整个转子20安装完后，定子10及转子20所形成的总成需要进行动平衡试验，且需要满足相应的动平衡标准。同时，布置在离心叶轮61上的叶片还应当包括长叶片61a以及逐一的布置在两条长叶片61a之间的各个短叶片61b，各短叶片61b和长叶片61a的起始端均位于离心叶轮61的外缘处，且所述长叶片61a和短叶片61b均呈现涡卷状布局，具体参照图6-7所示。
与传统蜗壳50的隔舌51相比，本发明的蜗壳50处隔舌51形状为倾斜的直线；参照图5所示，其与水平方向的夹角为γ，且满足
Figure BDA0003921955810000211
这样可以在增加泵扬程的同时，降低泵运行噪音。当然，长叶片61a和短叶片61b也可以进行相应的修剪结构设计等，以确保其使用需求。
3.1、齿轮转子泵
当转子20为容积式挤压结构时，具体如齿轮转子泵时；此时，通用流体机械如图8-9所示，主要包括泵体，泵体包括直筒状的泵壳30以及位于泵体两端的端盖70。定子10的两端固定在两组端盖70处，且定子10外的转子20沿定子10轴线方向向两组端盖70处延伸，直至转子20两端回转配合在两组端盖70上。转子20外壁布置主齿轮，从动轴80位于转子20正下方，以使得转子20与从动轴80外壁处副齿轮间形成齿轮啮合配合，从动轴80轴线与转子20轴线彼此平行。
当然，泵盖62与转子20的相应端之间或可放置带有钢套的滑动轴承，也可以布置其他回转配件。同时，从动轴80与从动轴80上的副齿轮之间可安装有锁紧结构，以使得从动轴80与副齿轮之间形成一个整体。
作为上述方案的进一步构思：在基本的主齿轮外径d1大于副齿轮外径d2时，还需满足1.5＜d1/d2＜3.0；同时，可取主齿轮与泵壳30间的间隙0.11～0.22mm；主齿轮与副齿轮间的齿隙为0.05～0.09mm；副齿轮与泵壳30间的间隙0.09～0.11mm。当该进一步构思的通用流体机械工作时，实测可达到进一步的更佳的输送介质的目的。在输送介质的同时，整个动力系统均在主齿轮内部，并被介质淹没，这样可以大大降低运行过程中的流动和机械噪音。
3.2、螺杆泵
当转子20为容积式挤压结构时，具体如螺杆泵时，参照图10所示。此时，本发明的通用流体机械的主要结构与齿轮转子泵类似；区别点在于，从动轴80与从动轴80上的副齿轮共同形成了带外螺纹的从动杆，且从动杆为两组的上下分置啮合结构；转子20则构成了带外螺纹的主动杆。工作时，通过主动杆啮合从动杆，从而实现挤压式输料需求。其他如推力块等结构为螺杆泵的常规构造，此处就不再赘述。
当然，该结构也可以具备进一步的设计构思，如主动杆直径可根据其所需功率而定，而主动杆直径dz大于从动杆直径dc，dz与dc之比为2到5之间。同时，主动杆与泵壳30间的间隙0.11～0.22mm；主动杆与从动杆间的间隙为0.05～0.09mm；从动杆与泵体间的间隙0.09～0.11mm；由于转子20同为容积式挤压结构，因此该类参数与前述齿轮转子泵的参数相同。
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 (10)

1.一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)定子设计：
1.1)电驱直径Da的确定：
电驱直径Da根据下式来确定：
Da＝int(D′a)+1
其中：
Figure FDA0003921955800000011
A′为电负荷预估值；B′δ为气隙磁密度预估值；ZN为额定转速；αi为计算极弧系数，表示计算极弧宽度与极距的比值；λ为长径比预估值；功率
Figure FDA0003921955800000012
PN为额定功率，U和I为额定电压和额定电流；
1.2)有效电驱长度La的确定：
La＝int(L′a)+1
其中：
L′a＝λDa；
1.3)极距τ的确定：
Figure FDA0003921955800000013
式中，p为级对数；
2)转子设计：
2.1)以下公式求取电驱长度增量
Figure FDA0003921955800000014
Figure FDA0003921955800000015
其中：
Figure FDA0003921955800000016
为定子(10)的有效电驱长度，通过将端部磁通处的电驱绕组(11)归入气隙有效磁通后获得；
La为定子(10)长度；
hm为永磁体(22)的径向最大厚度；
δ为定子(10)外壁至永磁体(22)内壁的气隙径向距离；
hin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，hin为零；当通用流体机械输送介质为液体时，0＜hin＜3mm；
2.2)以下式求取有效永磁体(22)长度增量
Figure FDA0003921955800000021
Figure FDA0003921955800000022
式中A1、A2、A3和A4分别为系数，取值如下：
Figure FDA0003921955800000023
2.3)以下式求取永磁体(22)轴向长度Lm：
Figure FDA0003921955800000024
其中：
Figure FDA0003921955800000025
为有效永磁体(22)长度，和定子(10)的有效电驱长度
Figure FDA0003921955800000026
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；
2.4)由步骤3)中的永磁体(22)轴向长度Lm和步骤1)中的定子(10)长度La，可知Lm＞La；
此时，将永磁体(22)两端均伸出定子(10)的两端，从而分别获得永磁体(22)两端的伸出长度ΔLm1和ΔLm2，两者满足下式：
Figure FDA0003921955800000027
2.5)永磁体(22)两端部等宽；相比于永磁体(22)两端部，永磁体(22)的两条侧边则均为修剪结构，并满足以下关系式：
Figure FDA0003921955800000031
其中：
α为永磁体(22)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(22)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(22)的两侧边之间所占的角度；
Δhm＝hm-Δhm1，hm为永磁体(22)的径向最大厚度，Δhm1为永磁体(22)的修剪起始位置距离侧边的径向厚度；
R为永磁体(22)的侧边倒角；
3)通用流体机械的额定功率PN的取值范围以及和流体做功功率Pf的匹配关系如下式：
Figure FDA0003921955800000032
其中：
ρ为输送介质的密度；g为重力加速度；H为通用流体机械的额定扬程；Q为通用流体机械的额定流量；U为额定电压；I为额定电流；η为通用流体机械的效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，其特征在于：λ的取值范围为0.6～1.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，其特征在于：定子(10)上开设有绕组槽(12)以便安装电驱绕组(11)；在定子(10)的横截面上，相邻两组绕组槽(12)之间的定子外壁处凹设有辅助槽(13)，且该辅助槽(13)沿定子(10)轴向贯穿布置；所述辅助槽(13)的槽深与辅助槽(13)槽宽的比值的取值范围为0.65～1.5；辅助槽(13)槽深与绕组槽(12)槽深的比值的取值范围为0.15～0.25。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法，其特征在于：在转子(20)的横截面上，每一块永磁体(22)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(23)，级槽(23)贯穿转子(20)且槽长方向平行永磁体(22)的侧边；所述级槽(23)的槽深hz和槽宽bz满足下式：
Figure FDA0003921955800000041
5.应用如权利要求1或2或3所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括具备直筒状泵腔的泵壳(30)，泵壳(30)的两端分别设置引流支撑盖(41)和导流支撑盖(42)；所述引流支撑盖(41)内同轴布置引流轴(41a)且两者之间通过引流叶(41b)连接彼此，导流支撑盖(42)内同轴布置导流轴(42a)且两者之间通过导流叶(42b)连接彼此，引流轴(41a)、导流轴(42a)、定子(10)及转子(20)彼此同轴，从而使得定子(10)的两端固定于引流轴(41a)和导流轴(42a)处；转子(20)外壁处的叶片外缘与泵壳(30)筒腔壁之间存有配合间隙；泵壳(30)筒腔壁和/或叶片外缘上布置有便于叶片动作时吸入流体的斜向吸入槽；
所述叶片的设计流程包括以下子步骤：
S1、选取表面光滑型鱼类，沿鱼体长度方向获取截面形成翼型轮廓；
S2、对翼型轮廓取点记录并拟合得到仿生翼型，具体包括以下式对翼型轮廓取点采用如下函数进行拟合：
Figure FDA0003921955800000051
Figure FDA0003921955800000052
Figure FDA0003921955800000053
其中e(k)＝(ln0.5)/(ln xk),(0≤xk≤1)，x(k)是翼型弦线上所选的节点；
yup为未经拟合的原始翼型的上骨线纵坐标；
ylow为未经拟合的原始翼型的下骨线纵坐标；
yOup为经拟合得到的新翼型的上骨线纵坐标；
yOlow为经拟合得到的新翼型的下骨线纵坐标；
fk(x)为形状函数；
n是形状函数fk(x)的个数；
ck及ck+n是形状函数的系数及优化过程的设计变量；
形状函数共有十组，其中设计变量：
c1∈[-0.006,0.006]；
c2∈[-0.001,0.006]；
c3∈[-0.006,0.008]；
c4∈[-0.005,0.005]；
c5∈[-0.005,0.010]；
c6∈[-0.008,0.006]；
c7∈[-0.010,0.010]；
c8∈[-0.005,0.010]；
c9∈[-0.005,0.005]；
c10∈[-0.005,0.015]；
S3、使用非支配解排序遗传算法NSGA-II对步骤S2中得到的仿生翼型进行优化设计，直至性能不再随着迭代次数的增加而提高时，得到帕累托最优翼型；
采用非支配解排序遗传算法NSGA-II进行优化时，设置人口数量为12，迭代20代，交叉概率为0.9，变异概率为0.01；
目标函数中最大升力系数Cl＝Fl/(0.5ρV∞ 2×O)；
最大升阻比J＝Fl/Fd；
其中Fl为翼型的升力；
Fd为翼型的阻力；
ρ为输送介质的密度；
V∞为离水翼无穷远处的流速；
O＝翼型的弦长×跨度；
S4、将完成优化后得到的翼型应用至叶片上；
翼型优化时在至少两种攻角下分别进行优化，从而得到帕累托最优翼型；随后对帕累托最优翼型在各攻角下的拟合点平均统计处理从而获得新的控制点，对新的控制点拟合获得一级优化翼型；对帕累托最优翼型在各攻角下优化结果的节点坐标进行统计平均处理，并在此拟合得到二级优化翼型；
在同一工况下验证帕累托最优翼型、一级优化翼型以及二级优化翼型的水力性能，选用水力性能最佳的一种翼型应用至叶片。
6.根据权利要求5所述的基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：在步骤S1中，所述表面光滑型鱼类为多宝鱼，沿其鱼体方向间隔获取至少五处截面形成至少五种仿生翼型；在步骤S4中的翼型进一步优化，在翼型本体的翼面前缘处凸设有沿展长方向布置的凸鳍，各凸鳍沿翼型本体弦长方向平行间隔布置，凸鳍与翼型本体的前端存在夹角；且翼型本体的翼面前缘处曲线为：
y＝2.02x3-2.058x2+0.662x+0.003957；
取翼面前缘处曲线在x＝0.04(m-1)+0.005处的切线作为新的X轴，以切点作为坐标原点建立与第m排凸鳍所对应的新的坐标系，新的坐标x’,y’为：
Figure FDA0003921955800000071
其中m为自翼面前缘到后缘各凸鳍的对应所在排数；
各凸鳍在其对应坐标系中的曲线为：
y′＝6.06x′2–4.116x′+0.662–(m–1)h，h∈[0.0001,0.0004]；
所述凸鳍共有七排，h＝0.0001；所述凸鳍与翼型本体前端的夹角为5°～9°。
7.应用如权利要求1或2或3所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括具备叶轮腔的蜗壳(50)，蜗壳(50)内同轴的布置有带有叶片的离心叶轮(61)；离心叶轮作(61)为负载端固定在所述通用流体模组的转子(20)外壁处；定子(10)后端固定在蜗壳(61)后部的泵盖(62)上，定子(10)的前端固定在叶轮腔的定位轴(63)处；该定位轴(63)通过径向延伸的支撑条(64)固定在位于泵壳(30)前端的进口段(65)内壁处，支撑条(64)数目与叶片数目彼此互质；布置在离心叶轮(61)上的叶片包括长叶片(61a)以及逐一的布置在两条长叶片(61a)之间的各个短叶片(61b)，各短叶片(61b)和长叶片(61a)的起始端均位于离心叶轮(61)的外缘处，且所述长叶片(61a)和短叶片(61b)均呈现涡卷状布局；
支撑条(64)的进口与来流速度方向相同，支撑条(64)的出口满足强制旋涡流动特征，即满足
Figure FDA0003921955800000081
其中，vu1i＝ζv′u1i表示对支撑条(64)出口处的速度环量进行修正，ζ为线性修正系数，其值满足0.91≤ζ≤1.15，中间取值按照线性插值计算；vu1i为支撑条(64)出口处不同半径R1i下的旋转速度沿轴向速度的分量；
所述短叶片(61b)的进口直径D′1和离心叶轮(61)直径D2满足公式
Figure FDA0003921955800000082
相邻的短叶片(61b)出口边与长叶片(61a)出口边之间所形成夹角
Figure FDA0003921955800000083
和相邻的两条短叶片(61b)出口边之间所形成夹角
Figure FDA0003921955800000084
满足
Figure FDA0003921955800000085
在与定子(10)轴线重合的轴向剖面上，蜗壳(50)出口处的隔舌(51)与定子(10)轴线间存有夹角γ，且
Figure FDA0003921955800000086
8.根据权利要求7所述的基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：长叶片(61a)和短叶片(61b)的进口边均采用修薄结构；修薄结构采用下面参数进行定义：
修薄地点到终点所占角
Figure FDA0003921955800000087
与叶片包角
Figure FDA0003921955800000088
的比值，满足
Figure FDA0003921955800000089
修薄后的厚度s1，与原始进口边厚度s2的比值，满足
Figure FDA00039219558000000810
9.应用如权利要求1或2或3所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括泵体，泵体包括直筒状的泵壳(30)以及位于泵体两端的端盖(70)，定子(10)的两端固定在两组端盖(70)处，且定子(10)外的转子(20)沿定子(10)轴线方向向两组端盖(70)处延伸，直至转子(20)两端回转配合在两组端盖(70)上；转子(20)外壁布置主齿轮，主齿轮与回转配合在泵体内从动轴(80)外壁间形成齿轮啮合配合，所述从动轴(80)轴线与转子(20)轴线彼此平行；
主齿轮外径d1大于副齿轮外径d2，且满足1.5＜d1/d2＜3.0；同时，可取主齿轮与泵壳(30)间的间隙0.11～0.22mm；主齿轮与副齿轮间的齿隙为0.05～0.09mm；副齿轮与泵壳(30)间的间隙0.09～0.11mm。
10.应用如权利要求1或2或3所述的一种基于机电一体化的集成式通用流体机械设计方法的装置，其特征在于：包括泵体，泵体包括直筒状的泵壳(30)以及位于泵体两端的端盖(70)，定子(10)的两端固定在两组端盖(70)处，且定子(10)外的转子(20)沿定子(10)轴线方向向两组端盖(70)处延伸，直至转子(20)两端回转配合在两组端盖(70)上；转子(20)外壁布置主齿轮从而形成主动杆，主齿轮与回转配合在泵体内带外螺纹的从动杆外壁间形成齿轮啮合配合，所述从动杆轴线与转子(20)轴线彼此平行；
主动杆直径大于从动杆直径，主动杆直径与从动杆直径之比的取值范围在2到5之间；主动杆与泵壳(30)间的间隙0.11～0.22mm；主动杆与从动杆间的间隙为0.05～0.09mm；从动杆与(30)间的间隙0.09～0.11mm。
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