CN217327707U

CN217327707U - 一种u形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵

Info

Publication number: CN217327707U
Application number: CN202220750817.0U
Authority: CN
Inventors: 张建明; 冯亦冠
Original assignee: Hanyu Group JSCL
Current assignee: Hanyu Group JSCL
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2032-03-31

Abstract

本实用新型提供一种U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，包括：具有轴向的吸入口和径向或切向的吐出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁心单相永磁同步电动机；所述电动机的铁心“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴，每个极靴的极弧由不同半径的与转子同轴的圆弧相连接而构成，第一半径圆弧对应的圆心角为Φ_b，第二半径R_大圆弧或渐变半径段曲线对应的圆心角为Φ_a,所述Φ_a与Φ_b之比值为：0.2≦(Φ_a/Φ_b)≦0.9。本技术方案能够满足在低压情况下离心泵启动的可靠性，特别是增大了较小气隙段极弧宽度占比，降低了永磁转子穿越空气气隙的磁密，减少磁阻，同样负载条件下，电动机运行电流较小，效率提高。

Description

一种U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵

技术领域

本发明涉及U形铁心单相永磁同步电动机(简称“U形电动机”)驱动的离心泵，IPC分类可属于F04D 25/06。

背景技术

使用“U”形铁心的微型永磁同步电动机属凸极电动机，结构简单，尤其是装配效率和铁心冲片利用率很高。其现有技术可见如下资料：机械工业出版社2009年版《小功率永磁电动机原理、设计及应用》；中国电力出版社2007年版《永磁电动机》。该电动机定、转子间若为电动机常用的均匀气隙即不能自启动，因而传统设计该气隙为非均匀气隙，在非通电和无显著转动阻滞时，永磁转子的磁极轴线即向气隙小即磁阻小的方向自然偏转而离开定子励磁磁场轴线一角度，称为启动角。通电后，定子的励磁磁场对转子磁场该启动角的校直作用，对转子产生启动转矩实现自启动。然而，非均匀气隙提供启动转矩的同时，也降低了运行效果，主要是气隙增大极弧段的磁阻增加，减少了运行转矩，电动机电流及温升均有所增加，电动机效率下降，且非均匀气隙必然伴生转矩脉动，因此增加振动和噪声。

现有技术该电动机驱动的离心泵，可见于本申请人公开号为CN103501095A的中国专利申请，该泵广泛用于洗衣机和洗碗机等家用电器，其性能的提高也有待所述电动机的问题的改善。

公知常识和术语可参见机械工业出版社1982年第1版或1997年第2版《机械工程手册》和《电机工程手册》以及国家标准GB/T 7021《离心泵名词术语》,国家标准GB/T12350-2009 《小功率电动机的安全要求》,国家标准GB/T23105-2008《家用和类型用途电动水泵》,机械工业出版社2013年第2版《实用冲压技术手册》，机械工业出版社2009年版《小功率永磁电动机原理、设计及应用》，中国电力出版社2007年版《永磁电动机》。

发明内容

因此，本实用新型的目的在于提供一种用于家用电器的离心泵，所述离心泵的电动机的铁心启动结构经过特殊设计，能够满足离心泵的启动可靠性，特别是在低压情况下；同时避免离心泵运行电流增大，效率下降及温升上升。

本实用新型解决技术问题技术方案是：一种使用U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，包括：具有轴向的吸入口和径向或切向的吐出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁心单相永磁同步电动机；所述电动机包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形，该圆柱形外周直径C取值范围为15mm～22mm；

——定子，包括“U”字形的叠片铁心和该铁心所穿越的定子绕组；叠片铁心的外沿宽度 A的取值范围为：25mm-40mm；叠片铁心的外沿高度B的取值范围为：45mm-72mm；叠片铁心的叠厚取值范围为:5mm-20mm；绕组使用铜包铝漆包线或铝漆包线；

——所述铁心“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴，每个极靴的极弧由两段不同半径的与转子同轴的圆弧相连接而构成，第一半径R_小圆弧对应的圆心角为Φ_b，第二半径R_大圆弧或渐变半径段曲线对应的圆心角为Φ_a，则所述Φ_a与Φ_b之比值为： 0.2≦(Φ_a/Φ_b)≦0.9。

分析和实验表明，本技术方案能够满足在低压情况下离心泵启动的可靠性，特别是增大了较小气隙段极弧宽度比例，降低了永磁转子穿越空气气隙的磁密，减少磁阻，同样负载条件下，电动机运行电流较小，效率提高。

进一步地，所述极弧的两段圆弧半径R_大与R_小的差值为：0.35mm≦(R_大-R_小)≦0.9mm。该设计既可以满足冲压工艺要求,又可以满足转矩及启动转矩的要求。

进一步地，Φ_a与Φ_b之比值为:0.5≦(Φ_a/Φ_b)≦0.8，R_大与R_小之差值为：0.35mm≦(R _大-R_小)≦0.65mm。运行转矩及启动转矩可以取得最佳的性能平衡。

进一步地，在所述第一半径为R_小的圆弧末端，采取与其相切的直线与第二半径为R_大圆弧相连接。将极弧的不同圆弧段采用相切线段连接，可以减少运行转矩脉动，因此可以减少振动和噪声。

本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。

附图说明

图1是现有技术离心泵基本机械结构主视图。

图2是本发明实施例离心泵的电动机的非均匀气隙的结构示意图。

图3是本发明实施例非均匀气隙的两段圆弧半径差对转矩影响的仿真图。

图4是本发明实施例非均匀气隙的两段圆弧半径差对启动力矩影响的仿真图。

图5是本发明实施例非均匀气隙的两段圆弧圆心角比值对转矩影响的仿真图。

图6是本发明实施例非均匀气隙的两段圆弧圆心角比值对启动力矩影响的仿真图。

图7是本发明另一实施例离心泵的电动机的非均匀气隙的结构示意图。

附图标记

永磁转子1，绕组2，铁心3，吸入口103，吐出口104，离心式叶轮105，泵盖106，泵体107，轴承108，转子筒171。

具体实施方式

本发明实施例离心泵是在现有技术离心式离心泵的基础上改进而成，其继承该离心泵的基本结构如图1所示，包括：

——U形电动机(图1示出其永磁转子1、定子铁心3)及其经一启动机构同轴传动的离心式叶轮105。离心式叶轮105为注塑成型，具有4个径向式叶片(叶片数也可以为3、5或6，采用奇数片更有利于降低振动噪声)。

——环绕叶轮起涡壳作用的泵盖106，其具有轴向的吸入口103和切向的吐出口104；当然也可以设计为径向的吐出口，以适应U形电动机在无定向控制时旋转方向不确定的情况；

——支承或/和封闭所述永磁同步电动机、叶轮105和泵盖106的泵体107、轴承108等附件；

——转子筒171，插于所述永磁同步电动机的定、转子间起隔水作用。

该U形电动机的电磁基本结构如图2所示，包括：

——永磁转子1，为径向两极充磁的圆柱形，直径C为15mm-22mm；

——定子，由“U”字形的叠片铁心3及其左、右臂穿越的绕组2组成。叠片铁心3的外沿宽度A的取值范围为：25mm-40mm；叠片铁心3的外沿高度B的取值范围为：45mm-72mm；叠片铁心3的叠厚取值范围为:5mm-20mm；绕组2使用铜漆包线。

叠片铁心3穿越绕组2后露出的上部形成极面分别靠往永磁转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴31和右极靴32；极靴与永磁转子1圆柱面间气隙的宽度于每一极下沿逆时针方向收窄，因而在自由状态下，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度Φ₀，构成启动角Φ₀。当然，上述偏转方向也可以设计为顺时针，即气隙的宽度改为于每一极下沿顺时针方向收窄。本实施例中，该气隙收窄的极弧由两段同圆心不同半径的且与转子 1同轴的圆弧相连接而构成，第二半径R_大的圆弧的圆心角为Φ_a,第一半径R_小圆弧的圆心角为Φ_b，该2段圆弧的首尾连接形成台阶。

上述定子结构以图示“U”字形垂直的二臂为极身和底部的水平段为磁轭，但也有以“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，后者的绕组缠绕于极身仅1个线圈架上。

我们在实践中发现，该U形电动机设置的非均匀气隙的半径增大段圆弧的半径大小及其圆心角大小不但对启动转矩有影响，同时也影响电动机转矩及电动机效率，为满足离心泵启动的可靠性及避免损失电动机转矩及降低效率，可以采用仿真软件对上述定子铁心形成非均匀气隙的两段圆弧的数值范围进行优选设计。

本实用新型实施例离心泵大体维持U形电动机电磁结构为：

——叠片铁心3叠厚8.5mm；

——叠片铁心3“U”字形的尺寸为：外沿宽度A＝37mm，外沿高度B＝60mm±0.5mm，叠片磁路宽度D＝11mm±1mm；

——仍使用排水泵驱动电机的永磁转子，即永磁转子1的外径C＝19mm；

——绕组改用铜包铝漆包线，并大体维持原匝数和线径。

——电动机额定转矩为0.027Nm，按行业经验，其最小启动转矩一般要求不小于1.8倍的额定转矩，即取0.0486Nm。

非均匀气隙的两段圆弧的半径差值对转矩及启动转矩影响的仿真结果如图3、图4所示，随着(R_大-R_小)的差值增大，驱动电动机输出的转矩及启动转矩均减少。

根据图3，优选出额定转矩对应的(R_大-R_小)差值，本实施例额定转矩对应的(R_大-R_小)差值为0.9，随着差值减少，转矩越大；根据图4，(R_大-R_小)差值为0.9时，其对应的启动转矩0.05966Nm，远大于1.8倍的额定转矩0.0486Nm，能实现可靠启动，而且随着差值减少，启动转矩越大。因此确定(R_大-R_小)差值的上限值为0.9，同时考虑到《实用冲压技术手册》对凹槽台阶选值的要求，两段圆弧的台阶差即(R_大-R_小)差值应大于硅钢片的常规厚度,根据该工艺要求，确定(R_大-R_小)差值的下限值为0.35。因此，两段圆弧的半径差值优选为：0.35mm ≦(R_大-R_小)≦0.9mm。

非均匀气隙的两段圆弧圆心角比值关系对转矩及启动转矩影响的仿真结果如图5、图6 所示，驱动电动机输出的转矩随着Φ_a与Φ_b之比值的的增大而变小；启动转矩随着Φ_a与Φ_b之比值先增加后减小。

根据图6所示，本实施例启动转矩曲线峰顶对应的Φ_a与Φ_b之比值为0.9，Φ_a与Φ_b之比值大于0.9后，启动转矩及输出转矩均减少，由此，我们可以得出Φ_a与Φ_b之比值的上限值为0.9；另外，根据图6所示启动转矩最小值可以得出对应的Φ_a与Φ_b之比值的下限值,本实施例，启动转矩最小值为0.0486Nm，其对应的Φ_a与Φ_b之比值为0.2，即Φ_a与Φ_b之比值的下限值为0.2。另外，根据图5，额定转矩对应的Φ_a与Φ_b之比值1.68，Φ_a与Φ_b之比值小于1.68，转矩增大，效率变高。所以，根据上述分析，可以得到Φ_a与Φ_b之比值优选范围为：0.2≦(Φ_a/Φ_b)≦0.9。

结合仿真设计得出的上述技术方案在保障了启动转矩同时，由于较小半径段圆弧的圆心角比例较大，增加了小间隙极弧的宽度，从而降低了永磁转子穿越空气气隙的磁密，减少了磁路磁阻，同样负载条件下，负载电流减少，为绕组使用单位电阻有所增大但单位长度价格降低超过60％的铜包铝漆包线或铝漆包线创造了条件，因而可降低综合成本，电动机效率和起动性能也因电流减少可以改善。

进一步地，本申请人对上述根据仿真结果初选的设计参数进行了以下测试验证。

测试要求：国家标准GB/T12350-2009《小功率电动机的安全要求》要求短时工作的电动机在0.85倍额定电压下能够启动50次。本实用新型离心泵的驱动电动机属于短时工作的电动机，其额定电压/频率为：220V/50HZ，则其需要满足的低压启动电压为187V，在启动电压为187V能够启动50次即判定为启动测试合格。另外根据国家标准GB/T23105-2008《家用和类型用途电动水泵》的规定要求，在额定电压下测试离心泵正常工作的最大效率。试验结果如下表所示：

样品号	R<sub>大</sub>-R<sub>小</sub>(mm)	Φ<sub>a</sub>/Φ<sub>b</sub>	低压启动性能	最大效率
					1	0.35	0.2	合格	0.128
2	0.35	0.6	合格	0.125
					3	0.35	0.9	合格	0.122
4	0.35	1.0	不合格	0.120
					5	0.5	0.2	合格	0.121
6	0.5	0.6	合格	0.120
					7	0.5	0.9	合格	0.119
8	0.5	1.0	不合格	0.118
					9	0.7	0.2	合格	0.120
10	0.7	0.6	合格	0.118
					11	0.7	0.9	合格	0.117
12	0.7	1.0	不合格	0.115
					13	0.9	0.2	合格	0.116
14	0.9	0.6	合格	0.115
					15	0.9	0.9	合格	0.114
16	0.9	1.0	不合格	0.112

进一步的，选取现有技术离心式离心泵的不同直径转子及铁心尺寸进行同样的仿真及测试，其实验及仿真数据表明，Φ_a与Φ_b之比值优选为：0.2≦(Φ_a/Φ_b)≦0.9和两段圆弧的半径差值优选为：0.35mm≦(R_大-R_小)≦0.9mm，对于叶轮直径为20mm～70mm和永磁转子直径为15mm～22mm，叠片铁心的外沿宽度为25mm-40mm，叠片铁心外沿高度B为45mm-72mm，叠片铁心的叠厚为5mm-20mm，绕组使用铜包铝漆包线或铝漆包线的U形电动机驱动的微型离心泵，可获得可靠的启动性能及较高的电机效率。而且当Φ_a与Φ_b之比值为0.5≦(Φ_a/Φ_b)≦ 0.8，两段圆弧的半径差值为0.35mm≦(R_大-R_小)≦0.65mm时，运行转矩与启动转矩取得较佳的平衡。

此外，可按照以下设计特点对离心泵进行设计调整：

——叠片铁心的叠厚宜按照泵负载功率有所调整，通常与叶轮尺寸(主要是叶轮直径和叶片宽度)和转速正相关；

——永磁转子多使用铁氧体制成，长度比叠片铁心叠厚增加4～20倍气隙长度(表磁高者取大值)；当然也可以使用铷铁硼等稀土永磁材料制成，其长度宜比铁心叠厚小；

——绕组匝数按所使用的电源调整，与额定电压大体成正比，与额定频率大体成反比；

——“U”字形叠片在上述尺寸A、B、C确定后，磁路宽度D取决于条料中二个“U”字形倒扣套料冲裁余量的选择，工艺设备允许时，D越大越有利于提高性价比；

——“U”字形叠片除极靴之外的部分一般按等宽磁路设计，当为提高冲裁材料利用率等需按非等宽磁路设计时，通常对磁路较短的段按偏窄设计；

如上述,本发明另一优选实施例的离心泵的设计为:

——叶轮105：无前盘，直径为33.5mm±4.5mm；叶片，径向，宽度为11mm±2mm，叶片数为5±1；

——泵盖106：吐出口为径向；

——永磁转子1：使用磁性材料为铁氧体，外径C＝19mm，长度为20mm～25mm；

——叠片铁心3：叠厚为12mm；“U”字形的尺寸为：外沿宽度A＝37mm，外沿高度B＝60mm ±0.5mm，叠片磁路宽度D＝12mm±1mm；

——定子绕组使用国家标准的聚酯或聚氨酯漆包圆铝线。

——“U”形的定子铁心极靴中所述第一半径R_小的圆弧末端，采用与其相切的直线与第二半径R_大圆弧段相连接；

本实施例具体采用极靴的第一半径R_小的圆弧对应的圆心角Φ_b＝66°,变化半径弧段对应的圆心角为Φ_a，其起始点则由所述切线的首端开始，在第二半径R_大圆弧的末端结束，Φ_a＝34°，Φ_a/Φ_b＝0.52；另外R_大＝11.65mm,R_小＝11mm,圆弧的半径差值(R_大-R_小)＝0.65mm。实验表明，可获得可靠的启动性能及较好的电动机效率，另外采用相切线段连接不同气隙的两段圆弧，可以减少运行转矩脉动，因此可以减少振动和噪声。

以上所述实施例、设计例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，例如：极靴设有第一半径R_小的圆弧，其对应的圆心角为Φ_b，但与第一半径R_小圆弧末端连接的是一段由渐变增大半径组成的曲线，该曲线对应的圆心角为Φ_a，其起始点由第一半径R_小圆弧末端开始，在渐变增大半径组成的曲线末端，即最大半径圆弧段(相当于第二半径R_大)末端结束。这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，包括：具有轴向的吸入口和径向或切向的吐出口的泵盖、离心式叶轮和同轴传动该叶轮的U形铁心单相永磁同步电动机；所述电动机包括：

——定子，包括“U”字形的叠片铁心和该铁心所穿越的定子绕组；叠片铁心的外沿宽度A的取值范围为：25mm-40mm；叠片铁心的外沿高度B的取值范围为：45mm-72mm；叠片铁心的叠厚取值范围为:5mm-20mm；绕组使用铜包铝漆包线或铝漆包线；

——所述铁心“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面的左、右极靴，每个极靴的极弧由不同半径的与转子同轴的圆弧相连接而构成，第一半径R_小对应的圆弧的圆心角为Φ_b,第二半径R_大对应的圆弧或渐变增大半径段曲线的圆心角为Φ_a；

其特征在于，所述Φ_a与Φ_b之比值为：0.2≦(Φ_a/Φ_b)≦0.9。

2.按照权利要求1所述U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，其特征在于，第二半径R_大与第一半径R_小之差值为：0.35mm≦(R_大-R_小)≦0.9mm。

3.按照权利要求2所述U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，其特征在于，Φ_a与Φ_b之比值为:0.5≦(Φ_a/Φ_b)≦0.8，第二半径R_大与第一半径R_小之差值为：0.35mm≦(R _大-R_小)≦0.65mm。

4.按照权利要求1-3任一所述U形铁心单相永磁同步电动机驱动的离心泵，其特征在于，在所述第一半径为R_小的圆弧末端，采取与其相切的直线与第二半径为R_大的圆弧相连接。