CN116412139B - 一种内嵌式外转子电力直驱水环泵及其悬浮力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌式外转子电力直驱水环泵及其悬浮力控制方法，包括泵壳、电机结构和叶轮组件，泵壳包括前端盖、后端盖和圆盘；所述电机结构包括定子组件和外转子，所述外转子套装在所述定子组件的外部，所述定子组件安装于所述后端盖内；所述叶轮组件同轴安装于所述定子组件的外部，当电源接通后，所述定子组件产生旋转磁场驱动所述外转子带动所述叶轮组件旋转。本发明将水环泵与电机集成一体化，取消了传统水环泵穿过泵壳的叶轮驱动轴系及密封装置，提升了可靠性；提供了一种悬浮电机绕组产生外转子悬浮力的控制方法，可有效实时监测转子的x、y方向的径向偏移量，实现泵机一体的智能化控制并实现稳定运行。

Description

一种内嵌式外转子电力直驱水环泵及其悬浮力控制方法

技术领域

本发明涉及水环泵技术领域，尤其涉及一种内嵌式外转子电力直驱水环泵。

背景技术

水环泵是工业中重要的气体及水输送装置，在各类工厂的输送方面起到重要作用。

当前，水环泵普遍采用轴联驱动的方式，例如中国专利CN 217761315 U具有降噪散热功能的立体式一体机水环泵，即为轴联驱动的水环泵，这种常规的驱动方式损耗大，缺点明显。缺点具体体现在工业连续化生产中难以实现现场的快速修复，一旦轴出现磨损，势必造成水环泵的停机。并且，机械轴传动因机械损耗造成水环泵的效率较低。另外，在电机与泵联轴器对中，常常因连接精度不够或者磨损造成的连接松动导致泵体出现较大的噪音。

以上为常规的轴联驱动的缺点，均为水环泵的轴联驱动易发生磨损、损耗导致，因此，亟须一种采用无轴驱动、效率高、噪声小的水环泵来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种内嵌式外转子电力直驱水环泵，解决现有技术中水环泵轴联驱动易磨损、损耗的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种内嵌式外转子电力直驱水环泵，包括：

泵壳，泵壳包括前端盖、后端盖和圆盘，所述前端盖上同侧设置有进气管道和出气管道，所述圆盘设置在所述前端盖与所述后端盖之间，所述圆盘上开设有进气孔、排气孔和液孔，所述进气孔与所述进气管道相通，所述排气孔与所述出气管道相通，所述液孔用于流动工质的通过；

电机结构，所述电机结构包括定子组件和外转子，所述外转子套装在所述定子组件的外部，所述定子组件安装于所述后端盖内，所述定子组件的线圈引线自所述后端盖引出，与外界电源相连；

叶轮组件，所述叶轮组件同轴安装于所述定子组件的外部，所述外转子设置于所述叶轮组件的中心轴线处，当电源接通后，所述定子组件产生旋转磁场驱动所述外转子带动所述叶轮组件旋转。

进一步的，所述叶轮组件包括叶轮轮毂和若干叶片，所述叶轮轮毂和所述叶片均设于后端盖内，所述叶片的根部与所述叶轮轮毂外壁相连。

进一步的，所述外转子包括转子铁心和永磁体，所述转子铁心安装在所述叶轮轮毂内侧，所述永磁体贴装于所述转子铁心内侧。

进一步的，所述定子组件包括定子本体、悬浮力绕组和转矩绕组，所述悬浮力绕组和所述转矩绕组均设置在所述定子本体上。

进一步的，还包括悬浮转子控制系统，所述悬浮转子控制系统包括基准位置监测模块、PID控制器、基准位置修正模块，所述基准位置监测模块设置在所述外转子的末端，用于检测所述外转子是否偏移位置，所述基准位置修正模块设置在所述PID控制器上，用于调节悬浮力绕组的电流。

进一步的，所述基准位置监测模块包括基准板、基准杆和摄像子单元，所述基准板设置在所述后端盖内并贴靠在所述外转子的末端，若干个所述基准杆在所述基准板上呈圆周分布，且圆周半径等于所述外转子内径，所述基准杆长度方向平行于所述外转子基准轴方向，且所述基准杆的一端与所述外转子末端贴合，所述摄像子单元与所述基准杆的另一端连接，所述基准杆用于反应外转子实时位置，以配合摄像子单元检测是否发生偏移。

进一步的，所述定子组件与所述外转子的套装间隙为0.75mm-1mm。

进一步的，所述转子铁心包括若干个叠加设置的硅钢片。

进一步的，所述电机结构上设置有防护涂层。

本发明的技术方案还提供一种外转子悬浮力的控制方法，其运用于如上所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵进行，包括步骤：

S1: 基准杆用于反应外转子实时位置，通过摄像子单元以机器视觉的方式来检测是否发生偏移，若偏移量大于设定值，设定值为100微米，则进入S2；

S2: 基准位置监测模块向PID控制器发出偏移信号，进入S3；

S3:PID 控制器用于在接收到偏移信号后，根据基准杆上摄像子单元拍摄的偏移图像确定外转子当前的位置信息，并将所述位置信息反馈至基准位置修正模块；

S4：基准位置信息修正模块用于基于PID控制器的偏移信息，调节悬浮力绕组中的电流，进而控制悬浮力的大小，使得外转子回到预设位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：将水环泵与电机集成一体化，取消了传统水环泵穿过泵壳的叶轮驱动轴系及密封装置，提升了可靠性；采用悬浮电机绕组可有效提高电机运行功率和使用寿命，并提供了一种悬浮电机绕组产生外转子悬浮力的控制方法，可有效实时监测转子的x、y方向的径向偏移量，实现泵机一体的智能化控制并实现稳定运行。

附图说明

图1是根据本发明实施例所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵结构爆炸视图；

图2是根据本发明实施例所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵侧面剖视图；

图3是根据本发明实施例所述的叶轮-电机示意图；

图4是根据本发明实施例所述的悬浮力控制系统原理流程图；

图中：1、泵壳；101、前端盖；102后端盖；103、圆盘；104、螺栓；1011、进气管道；1012、出气管道；1013、进液管道；1014、出液管道；1015、螺栓孔；1021、支撑轴；1031、进气孔；1032、出气孔；1033、液孔；1034、轴孔；

2、电机结构；201、定子组件；202、外转子；2021、转子铁心；2022、永磁体；

3、叶轮组件；301、叶片；302、叶轮轮毂；

4、悬浮转子控制系统；401、基准板；4011、基准杆；4012、摄像子单元；403、PID控制器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

如图1-4所示，本发明提供了一种内嵌式外转子电力直驱水环泵，包括泵壳1、电机结构2和叶轮组件3，将叶轮组件3与电机结构2结合，以紧凑的结构安装至泵壳1内。

具体的，泵壳1包括前端盖101、后端盖102和圆盘103，所述前端盖101上同侧设置有进气管道1011和出气管道1012，所述圆盘103设置在所述前端盖101与所述后端盖102之间，前端盖101、后端盖102和圆盘103上均开设有若干个螺栓孔1015，且螺栓孔1015一一对应，再通过对应的螺栓104将对应的螺栓孔1015贯穿，从而将前端盖101、后端盖102和圆盘103进行安装。所述圆盘103上开设有进气孔1031、排气孔1032和液孔1033，所述进气孔1031与所述进气管道1011相通，所述排气孔1032与所述出气管道1012相通。圆盘103与后端盖102形成容纳电机结构2和叶轮组件3的空间，所述液孔1033用于流动工质的通过，流动工质流通至叶轮组件3处。

其中，所述电机结构2包括定子组件201和外转子202，所述外转子202套装在所述定子组件201的外部，所述定子组件201安装于所述后端盖102内，所述定子组件201的线圈引线自所述后端盖102引出，与外界电源相连，定子组件201的中间中空，从后端盖102上延伸出一根支撑轴1021，支撑轴1021插入至定子组件201内侧并与其固定，以达到支撑效果，并且，圆盘103上对应的开设有轴孔1034，对支撑轴1021的另一端进行定位和插接。所述叶轮组件3同轴安装于所述定子组件201的外部，所述外转子202设置于所述叶轮组件3的中心轴线处，当电源接通后，所述定子组件201产生旋转磁场驱动所述外转子202带动所述叶轮组件3旋转。

可以理解的，以定子组件201内置，再外套外转子202的方式，能够将电机结构2设置到叶轮组件3的中心位置，以将该结构紧凑安装至叶轮组件3区域中，缩短整体的横向长度；所述电机结构上设置有防护涂层。

于本实施例中，叶轮组件3包括叶轮轮毂302和若干叶片301，所述叶轮轮毂302和所述叶片301均设于后端盖102内，所述叶片301的根部与所述叶轮轮毂302外壁相连，叶片301呈圆周分布在叶轮轮毂302上。

可以理解的，叶片301的数量根据实际需求进行设定。

进一步的，为了达到紧凑的结构，外转子202包括转子铁心2021和永磁体2022，所述转子铁心2021安装在所述叶轮轮毂302内侧，所述永磁体2022贴装于所述转子铁心2021内侧，以永磁体2022作为励磁源。

其中，定子组件201包括定子本体、悬浮力绕组和转矩绕组，所述悬浮力绕组和所述转矩绕组均设置在所述定子本体上，当电源接通后，定子组件201产生旋转磁场驱动叶片根部的外转子202上的永磁体2022带动叶轮组件3旋转。

具体的，所述定子本体由环保型材料环氧树脂制成，避免了采用定子铁芯因自感造成涡流损耗，定子绕组包括悬浮力绕组和转矩绕组，均匀安装在定子外表面的齿槽上，转矩绕组极对数p1与悬浮绕组的极对数p2等于p1=p2+1，由此可使转子组件通过定子绕组的悬浮力绕组通电后产生的交变磁场与定子绕组无接触周向地悬浮在定子绕组周围，所述转矩绕组通电后产生旋转磁场进而产生电磁转矩控制转子带动叶轮旋转。

即，两个磁场的旋转方向一致，两套绕组中产生气隙磁场的电流的频率相同。此时，转矩绕组气隙磁场与悬浮力绕组气隙磁场相互作用使无轴承永磁同步电机的转子稳定悬浮和运转。转矩绕组和悬浮力绕组产生的气隙磁场共同产生磁悬浮力，磁悬浮力大小与两套绕组的气隙磁通密度幅值成正比，通常为了使电机的转速平稳尽可能使转矩绕组产生的气隙磁场保持恒定而主要通过控制悬浮力绕组电流产生的气隙磁场调节磁悬浮力的大小，因此悬浮力绕组的通入电流大小和控制方法对无轴承电机的控制具有特殊的意义。

可以理解的，电机结构2为一种无轴承永磁电机的形式，具有磁悬浮轴承所有无摩擦、无磨损、无污染、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等优点，并且无轴承永磁电机比磁悬浮轴承支撑的电机结构紧凑。

进一步的，避免气隙过大或过小对气隙间的合成磁场造成影响，转子铁心2021包括若干个叠加设置的硅钢片，定子组件201与所述外转子202的套装间隙控制在0.75mm-1mm之间。

进一步的，为了对泵体内充入液体，前端盖101的两侧分别设置有进液管道1013和出液管道1014，所述进液管道1013和所述出液管道1014与所述液孔1033相连通。

在某一个实施例中，内嵌式外转子电力直驱水环泵还包括悬浮转子控制系统4，所述悬浮转子控制系统4包括基准位置监测模块、PID控制器403、基准位置修正模块，所述基准位置监测模块设置在所述外转子202的末端，用于检测所述外转子202是否偏移位置，所述基准位置修正模块设置在所述PID控制器403上，用于调节悬浮力绕组的电流。

可以理解的，基准位置修正模块采用电流控制元件，与PID控制器403以及悬浮力绕组进行电性连接，以PID控制器来控制该电流控制元件来调控电流。

具体的，基准位置监测模块包括基准板401、基准杆4011和摄像子单元4012，所述基准板401设置在所述后端盖102内并贴靠在所述外转子202的末端，若干个所述基准杆4011在所述基准板401上呈圆周分布，且圆周半径等于所述外转子202内径，所述基准杆4011长度方向平行于所述外转子202基准轴方向，且所述基准杆4011的一端与所述外转子202末端贴合，所述摄像子单元4012与所述基准杆4011的另一端连接，通过摄像子单元4012来捕捉画面信号，所述基准杆4011用于反应外转子202实时位置，以配合摄像子单元4012检测是否发生偏移。

优选的，基准杆4011的数量为八个。

本发明提供了一种外转子悬浮力的控制方法，其运用于如上的内嵌式外转子电力直驱水环泵进行，包括步骤：

S1: 基准杆4011用于反应外转子202的实时位置，通过摄像子单元4012以机器视觉的方式来检测是否发生偏移，若偏移量大于设定值，设定值为100微米，则进入S2；

S2: 基准位置监测模块向PID控制器403发出偏移信号，进入S3；

S3:PID 控制器403用于在接收到偏移信号后，根据基准杆4011上摄像子单元4012拍摄的偏移图像确定外转子当前的位置信息，并将所述位置信息反馈至基准位置修正模块；

S4：基准位置信息修正模块用于基于PID控制器403的偏移信息，调节悬浮力绕组中的电流，进而控制悬浮力的大小，使得外转子202回到预设位置。

本发明的具体工作流程：所述摄像子单元4012用于拍摄外转子末端图像并发送至PID控制器403。PID控制器403在接收到所述基准位置监测模块的偏移信号时，启用摄像子单元4012并回收偏移图像。进一步的，确定外转子轴心在图像中的位置坐标，将偏移坐标与初始坐标对比，判断外转子在每一基准杆4011处相对初始位置出现的滑移情况。

其中，具体可采集t时间内的位移图像与预设位移差值的平均值X=(X(1)+…+X(i))/i，其中，X (i)为第i次采样差值，i是采样次数。最终将偏移信息反馈至基准位置信息修正模块，基准位置信息修正模块用于基于PID控制器403的偏移信息，调节悬浮力绕组中的电流，进而控制悬浮力的大小。

当其接收偏移类型信息为径向偏移时，可以对悬浮力绕组中的电流进行合理有效的调节，进而有效控制悬浮力的大小，使得外转子回到预设位置。

整个工作流程结束，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

相对于现有技术，本发明实施例至少具有如下效果：

（1）本发明提供一种内嵌式外转子电力直驱水环泵，通过泵机一体化设计，取消传统水环泵泵体与电机之间的轴封装置，减少了填料、有毒气、液体等的泄露，达到环保无污染的效果，同时泵机一体化设计，可有效显著的减少泵体所在空间的占地面积和泵系管路的复杂程度，降低制造维修成本。

（2）本发明选用电机为外转子式无轴承磁悬浮永磁同步电机，相比于常规磁悬浮轴承支撑的永磁同步电机，本发明选用的外转子式无轴承磁悬浮永磁同步电机不需润滑和密封，具有高速度、高精度、寿命长等优点，并且无轴承永磁电机比磁悬浮轴承支撑的电机结构紧凑，简化了结构设计。

（3）本发明的无轴承永磁电机转子铁心2021与永磁体2022组成外转子202周向外置于定子组件201周围，定子组件201通过固定于前后端盖的支撑轴1021固定，在定子绕组中的悬浮力绕组和转矩绕组通入合适的电流时，外转子202可稳定悬浮和运转，无机械噪音，且永磁体2022提供偏置磁场，无需励磁磁场，降低能耗，运行效率高。

（4）本发明提供的一种悬浮转子的外转子悬浮力的控制方法，可以对悬浮力绕组中的电流进行合理有效的调节，进而有效控制悬浮力的大小，使得外转子202回到预设位置，提升该水环泵的稳定性，保证其高效性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种内嵌式外转子电力直驱水环泵，其特征在于，包括：

泵壳，泵壳包括前端盖、后端盖和圆盘，所述前端盖上同侧设置有进气管道和出气管道，所述圆盘设置在所述前端盖与所述后端盖之间，所述圆盘上开设有进气孔、排气孔和液孔，所述进气孔与所述进气管道相通，所述排气孔与所述出气管道相通，所述液孔用于流动工质的通过；

电机结构，所述电机结构包括定子组件和外转子，所述外转子套装在所述定子组件的外部，所述定子组件安装于所述后端盖内，所述定子组件的线圈引线自所述后端盖引出，与外界电源相连，所述定子组件包括定子本体、悬浮力绕组和转矩绕组，所述悬浮力绕组和所述转矩绕组均设置在所述定子本体上，定子组件的中间中空，从后端盖上延伸出一根支撑轴，支撑轴插入至定子组件内侧并与其固定，圆盘上对应的开设有轴孔，对支撑轴的另一端进行定位和插接；

叶轮组件，所述叶轮组件包括叶轮轮毂和若干叶片，所述叶轮组件同轴安装于所述定子组件的外部，当电源接通后，所述定子组件产生旋转磁场驱动所述外转子带动所述叶轮组件旋转；

所述外转子包括转子铁心和永磁体，所述转子铁心安装在所述叶轮轮毂内侧，所述永磁体贴装于所述转子铁心内侧，所述定子组件与所述外转子的套装间隙为0.75mm-1mm；

还包括悬浮转子控制系统，所述悬浮转子控制系统包括基准位置监测模块、PID控制器、基准位置修正模块，所述基准位置监测模块设置在所述外转子的末端，用于检测所述外转子是否偏移位置，所述基准位置修正模块设置在所述PID控制器上，用于调节悬浮力绕组的电流，所述基准位置监测模块包括基准板、基准杆和摄像子单元，所述基准板设置在所述后端盖内并贴靠在所述外转子的末端，若干个所述基准杆在所述基准板上呈圆周分布，且圆周半径等于所述外转子内径，所述基准杆长度方向平行于所述外转子的轴向，且所述基准杆的一端与所述外转子末端贴合，所述摄像子单元与所述基准杆的另一端连接，所述基准杆用于反应外转子实时位置，以配合摄像子单元检测是否发生偏移。

2.根据权利要求1所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵，其特征在于，所述叶轮轮毂和所述叶片均设于后端盖内，所述叶片的根部与所述叶轮轮毂外壁相连。

3.根据权利要求2所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵，其特征在于，所述转子铁心包括若干个叠加设置的硅钢片。

4.根据权利要求3所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵，其特征在于，所述电机结构上设置有防护涂层。

5.一种外转子悬浮力的控制方法，其特征在于，其运用如权利要求1-4任一所述的内嵌式外转子电力直驱水环泵进行，包括步骤：

S1: 基准杆用于反应外转子实时位置，通过摄像子单元以机器视觉的方式来检测是否发生偏移，若偏移量大于设定值，设定值为100微米，则进入S2；

S2: 基准位置监测模块向PID控制器发出偏移信号，进入S3；

S3:PID 控制器用于在接收到偏移信号后，根据基准杆上摄像子单元拍摄的偏移图像确定外转子当前的位置信息，并将所述位置信息反馈至基准位置修正模块；

S4：基准位置信息修正模块用于基于PID控制器的偏移信息，调节悬浮力绕组中的电流，进而控制悬浮力的大小，使得外转子回到预设位置。