CN218850469U - 通用流体模组及应用该通用流体模组的通用流体装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流体机械设计及制造技术领域，具体涉及一种通用流体模组及应用该通用流体模组的通用流体装置。本实用新型的通用流体模组包括内置电驱绕组的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功能件；各永磁体环绕转子轴线依序均布式的贴附安装于转子内壁处，并与定子外壁间存有可供转子回转的活动间隙。该通用流体模组通过集成有工作件的转子外置而具备电驱绕组的定子内置的方式，从而保证了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

通用流体模组及应用该通用流体模组的通用流体装置

技术领域

本实用新型属于流体机械设计及制造技术领域，具体涉及一种通用流体模组及应用该通用流体模组的通用流体装置。

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。是否能够研发出一种集成化设计的通用流体机械，从而在确保设备小体积的同时，还能进一步提高通用流体机械的整体效率，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而使用可靠便捷的通用流体模组，其通过集成有工作件的转子外置而具备电驱绕组的定子内置的方式，从而保证了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；本实用新型的另一个目的在于提供一种基于上述通用流体模组的通用流体装置，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。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种通用流体模组，其特征在于：包括内置电驱绕组的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功能件；各永磁体环绕转子轴线依序均布式的贴附安装于转子内壁处，并与定子外壁间存有可供转子回转的活动间隙。

优选的，所述永磁体长度大于定子长度，以使得永磁体的两端均沿定子轴向伸出定子两端，且永磁体的其中一端的伸出长度大于另一端的伸出长度。

优选的，永磁体为四方板状或弧瓦状，且永磁体的两侧边均设置圆倒角；永磁体的两侧边与转子轴线间具备相同角度的夹角α，0＜α＜8°。

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。

优选的，所述定子包括铁芯以及同轴安装于铁芯外壁处的隔离套，隔离套长度与定子长度相等，且所述活动间隙位于隔离套外壁与永磁体内壁之间处。

优选的，通用流体装置，该通用流体装置采用了所述的通用流体模组，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；所述功能件为叶片，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。

优选的，通用流体装置，该通用流体装置采用了所述的通用流体模组，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，叶片构成所述功能件；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。

优选的，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0＜γ≤5°。

优选的，通用流体装置，该通用流体装置采用了所述的通用流体模组，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，该主齿轮构成所述功能件，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。

本实用新型的有益效果在于：

1)、通过上述方案，本实用新型依靠定子在内而转子在外的布局方式，并将功能件也即叶片或主齿轮等一体式的固定在转子外壁处，从而使得整体结构的集成化达到了最大化，体积更为小巧，结构之间也更为紧凑，更适合小体积的工况下使用。同时，区别于传统的转子轴在内的布置结构，本实用新型的负载就在转子上，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，相应也就保证甚至提升了自身乃至所应用的通用流体机械的实际使用寿命，成效显著。

2)、为了得到一个恒定的轴向磁推力，本实用新型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，本实用新型还相应提供基于上述通用流体模组的通用流体装置，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7、图9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8为图7的左视图的剖视示意图。

本实用新型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1-9，对本实用新型的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本实用新型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；叶片或主齿轮等功能件21通过一体铸造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。图1中能显然看出永磁体22轴向长度L_m，定子10长度L_a，可知L_m＞L_a；同时，永磁体22两端的伸出长度ΔL_m1和ΔL_m2，其中ΔL_m2略大于ΔL_m1。

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。

当然，更优选的，两侧边的修剪结构甚至可以进一步的满足以下关系式：

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；类似于传统转轴类转子20的倾斜状的转子20槽和偏斜走线的转子20铝条，四方板状或弧瓦状永磁体22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22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2所示；

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，参照图2所示；

Δh_m＝h_m-Δh_m1，h_m为永磁体22的径向最大厚度，Δh_m1为永磁体22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22的侧边的圆倒角，参照图2所示。

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h_c与辅助槽13槽宽b_c的比值为0.65～1.5；辅助槽13槽深h_c满足h_c/h_r＝0.15～0.25，其中h_r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。甚至可针对性的设计级槽23的槽深h_z和槽宽b_z，以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，带有级槽23的通用流体模组，磁槽转矩也会较传统方案有明显改善。

在上述结构的基础上，本实用新型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。

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所示。

与传统蜗壳50的隔舌51相比，本实用新型的蜗壳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0＜γ≤5°，这样可以在增加泵扬程的同时，降低泵运行噪音。

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7-8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9所示。此时，本实用新型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。工作时，通过主动轴处主齿轮啮合从动杆，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，如带有主齿轮外径可根据其所需功率而定，而主齿轮外径或者说螺杆泵中主动杆的直径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，本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本实用新型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，本实用新型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实用新型内。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。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种通用流体模组，其特征在于：包括内置电驱绕组(11)的定子(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功能件(21)；各永磁体(22)环绕转子(20)轴线依序均布式的贴附安装于转子(20)内壁处，并与定子(10)外壁间存有可供转子(20)回转的活动间隙。

2.根据权利要求1所述的通用流体模组，其特征在于：所述永磁体(22)长度大于定子(10)长度，以使得永磁体(22)的两端均沿定子(10)轴向伸出定子(10)两端，且永磁体(22)的其中一端的伸出长度大于另一端的伸出长度。

3.根据权利要求2所述的通用流体模组，其特征在于：永磁体(22)为四方板状或弧瓦状，且永磁体(22)的两侧边均设置圆倒角；永磁体(22)的两侧边与转子(20)轴线间具备相同角度的夹角α，0＜α＜8°。

4.根据权利要求1或2或3所述的通用流体模组，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(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；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。

5.根据权利要求1或2或3所述的通用流体模组，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。

6.根据权利要求1或2或3所述的通用流体模组，其特征在于：所述定子(10)包括铁芯(10a)以及同轴安装于铁芯(10a)外壁处的隔离套(10b)，隔离套(10b)长度与定子(10)长度相等，且所述活动间隙位于隔离套(10b)外壁与永磁体(22)内壁之间处。

7.通用流体装置，该通用流体装置采用了如权利要求1或2或3所述的通用流体模组，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；所述功能件(21)为叶片，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。

8.通用流体装置，该通用流体装置采用了如权利要求1或2或3所述的通用流体模组，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)，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；定子(10)后端固定在蜗壳(50)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。

9.根据权利要求8所述的通用流体装置，其特征在于：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0＜γ＜5°。

10.通用流体装置，该通用流体装置采用了如权利要求1或2或3所述的通用流体模组，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，该主齿轮构成所述功能件(21)，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。

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