TW202246655A - 電磁旋轉驅動器、離心泵及泵單元 - Google Patents

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湯瑪士 施內伯格
湯瑪士 努斯鮑默
馬塞爾 史特勒
喬納斯 吉內
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瑞士商力威磁浮技術有限公司
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Abstract

本發明是關於一種設計成內部轉子的電磁旋轉驅動器，其具有轉子(3)，轉子(3)包含環形或碟形磁效核心(31)而被徑向配置在外的定子(2)包圍，其中定子(2)具有複數個定子極(21)，其配置在磁效核心(31)周圍並且每個定子極(21)在每個情形中是由面對轉子(3)之磁效核心(31)的末端面(211)所界定，其中定子(2)設計成軸承兼驅動式定子，藉此轉子(3)可以在繞著界定軸向(A)之所欲旋轉軸的操作狀態下無接觸地被磁性驅動，以及藉此轉子(3)可以相對於定子(2)而無接觸地磁浮，其中轉子(3)在垂直於軸向(A)的徑向平面(E)中主動地磁浮且在軸向(A)被動地磁性穩定和抵抗傾斜。轉子(3)的磁效核心(31)具有轉子高度(HR)，其為磁效核心(31)在軸向(A)的最大延伸，其中轉子高度(HR)大於定子極高度(HS)，定子極高度(HS)是由定子極(21)之末端面(211)在軸向(A)的最大延伸所界定。再者，本發明提出具有此種旋轉驅動器(1)的離心泵和泵單元。

Description

電磁旋轉驅動器、離心泵及泵單元
根據個別範疇之申請專利範圍獨立項的序言，本發明關於電磁旋轉驅動器、具有此種電磁旋轉驅動器的離心泵、用於此種離心泵的泵單元。
電磁旋轉驅動器是已知的，其根據無軸承馬達的原理來設計和操作。無軸承馬達一詞意謂當中的轉子相對於定子而完全磁浮的電磁旋轉驅動器，其中沒有設置分開的磁性軸承。為此目的，定子設計成軸承兼驅動式定子，其同時是電驅動器的定子和磁浮的定子。旋轉磁場可以用定子的電繞組來產生，其一方面施加力矩在轉子上(使轉子實現繞著所欲旋轉軸的旋轉)，另一方面施加剪切力(其可以如所欲的設定至轉子上，如此則可以主動控制或調節轉子的徑向位置)。因此，可以主動調節轉子的三個自由度，亦即其旋轉和其徑向位置(二個自由度)。相對於進一步的三個自由度，亦即其在軸向的位置和相對於與所欲旋轉軸垂直之徑向平面的傾斜(二個自由度)，轉子藉由磁阻力而被動地磁浮或穩定，亦即它無法被控制。轉子完全磁浮而無分開的磁性軸承是其性質，這賦予其無軸承馬達的名稱。於軸承兼驅動式定子，軸承功能無法與驅動功能分開。
此種無軸承馬達舉例而言揭示於美國專利第6,053,705號，已在大量的應用中得到證明。由於沒有機械軸承的緣故，無軸承馬達尤其適合泵送、混合或攪拌裝置，以此來輸送極敏感的物質(舉例而言為血液泵)，或相對於純度來說有極高的要求(舉例而言在醫藥產業或生技產業)，或以此輸送研磨性或侵蝕性物質(其會極快摧毀機械軸承，舉例而言為用於半導體產業之漿液的泵或混合器)。
無軸承馬達之原理的進一步優點是把轉子設計成整合式轉子，其同時是電磁旋轉驅動器的轉子和泵的轉子。除了無接觸的磁浮以外，在此的優點還是極緊湊且節省空間的設計。
附帶而言，無軸承馬達的原理也允許有譬如離心泵的設計，其中轉子可以極容易與定子分開。此為極大的優點，因為以此方式，舉例而言，則轉子或包含轉子的泵單元可以設計成單次使用零件以供單次使用。今日，此種單次使用應用時常取代了以下過程：由於極高純度要求的緣故，先前在該過程中接觸過待處理之物質的那些組件都必須以精巧方式來清潔和殺菌，舉例而言是藉由蒸氣殺菌。當設計用於單次使用時，接觸待處理之物質的那些組件恰僅使用一次，然後以新的(亦即未用過的)單次使用零件來取代以供下一次應用。
醫藥產業和生技產業可以在此舉作範例。在此頻繁地生產溶液和懸浮液，其須小心且溫和地輸送物質。
於醫藥產業，舉例而言在製造醫藥活性物質時，對純度有極高的要求，接觸該物質的組件甚至常常必須殺菌。生物科技也有類似的要求，舉例而言在製造、處理或培養生物物質、細胞或微有機體時，在此必須確保有極高的純度而不危及製出產品的可用性。生物反應器可以在此舉作進一步範例，舉例而言，其中培養了組織或特殊細胞的生物替代物或其他極敏感的物質。在此也需要離心泵，舉例而言以確保營養流體有持續摻混或它在混合槽中有連續循環。就此方面而言必須確保有極高純度以保護物質或製出的產品免於汙染。另一應用範例是血液泵，其當然對純度還有對尤其是紅血球的溫和處理有最高的要求。
於離心泵設計用於單次使用的這種應用，離心泵典型是由單次使用裝置和可再使用的裝置所組成。單次使用裝置包含接觸物質的那些組件，以及建構成單次使用零件以供單次使用的那些組件。此舉例而言為泵單元，其具有泵外殼和當中配置的轉子，其形成離心泵的推進器。可再使用的裝置包含永久使用(亦即多次)的那些組件，舉例而言為電磁旋轉驅動器的定子。
於成功地使用無軸承馬達的所有這些應用，原則上有可能把無軸承馬達設計成內部轉子，亦即轉子位在內部並且定子配置在它周圍。然而，例如美國專利第6,053,705號所揭示的此種電磁旋轉驅動器仍有改善的空間。
因此，此種裝置經常在轉子的磁浮方面具有相對為低的軸向勁度，尤其也是因為在定子和轉子之間的空氣間隙中之磁通量的通量密度較小，並且磁通量密度在轉子之軸向偏移的梯度也由於高分散的緣故而較小。
始於此技術現況，因而本發明的目的是提出一種設計成內部轉子的電磁旋轉驅動器，其所包含的轉子可以無接觸地磁性驅動且可以無接觸地磁浮，藉此尤其顯著改善轉子之磁性穩定的軸向勁度。附帶而言，本發明的目的是提出一種包含此種旋轉驅動器的離心泵。再者，本發明要提出一種用於此種離心泵的泵單元，其尤其也可以設計用於單次使用。
本發明符合此目的之申請標的之特徵則在於個別範疇的申請專利範圍獨立項的特徵。
根據本發明，因此本發明是關於一種設計成內部轉子的電磁旋轉驅動器，其具有轉子，轉子包含環形或碟形磁效核心而被徑向配置在外的定子包圍，其中定子具有複數個定子極，其配置在磁效核心周圍並且每個定子極在每個情形中是由面對轉子之磁效核心的末端面所界定，其中定子設計成軸承兼驅動式定子，藉此轉子可以在繞著界定軸向之所欲旋轉軸的操作狀態下無接觸地被磁性驅動，以及藉此轉子可以相對於定子而無接觸地磁浮，其中轉子在垂直於軸向的徑向平面中主動地磁浮且在軸向被動地磁性穩定和抵抗傾斜。轉子的磁效核心具有轉子高度，其為磁效核心在軸向的最大延伸，其中轉子高度大於定子極高度，定子極高度是由定子極之末端面在軸向的最大延伸所界定。
尤其較佳而言，轉子的磁效核心做永磁性設計，亦即它包含至少一永久磁石或它由永磁性材料所構成。再者，較佳的是定子極的每個末端面在軸向具有相同的延伸，如此則對於每個末端面，其在軸向的個別延伸等於定子極高度。
由於轉子之磁效核心所具有的轉子高度大於定子極高度的緣故，導致磁通量集中在末端面和轉子的磁效核心之間的空氣間隙，亦即磁通量密度在空氣間隙中增加。由於轉子之磁性穩定的軸向勁度至少近似二次方地隨著空氣間隙中的磁通量密度而增加，故軸向勁度不成比例地隨著轉子高度而增加。因此，轉子高度大於定子極高度則導致轉子之磁浮或穩定的軸向勁度增加。
為了不減少轉子的傾斜勁度太多，亦即其相對於與軸向垂直的徑向平面之傾斜的阻力，較佳的是轉子之磁效核心的外徑與轉子高度的比例不落在數值2.8以下。
於較佳具體態樣，磁效核心包含中央區域，其相對於軸向而配置在第一邊緣區域和第二邊緣區域之間，以及該中央區域具有轉子直徑，其中第一邊緣區域形成磁效核心的第一軸向邊界表面而具有第一邊緣直徑，其中第二邊緣區域形成磁效核心的第二軸向邊界表面而具有第二邊緣直徑，以及其中每個邊緣直徑小於轉子直徑。
於此具體態樣，轉子之磁性核心的徑向外區域因此可以設計有低於第一和第二軸向邊界表面之間區域的高度(在軸向測量)。這具有的優點是導致磁性穩定的軸向勁度也有所增加，但傾斜勁度的減少顯著較小。
較佳而言，中央區域具有中央高度，其為中央區域在軸向的延伸，藉此中央高度的尺寸相同於定子極高度。這具有的優點是轉子之磁效核心的徑向外區域(亦即位置直接相對於定子極之末端面的區域)具有與定子極之末端面相同的軸向延伸，如此則在空氣間隙中造成極高的磁通量密度，這關於驅動轉子旋轉的力矩也是有利的。
進一步較佳的措施是磁效核心具有外表面，其不是在中央區域和第一軸向邊界表面之間就是在中央區域和第二軸向邊界表面之間不平行於軸向。以此方式，則可以實現的是中央區域和二軸向邊界表面之間的磁通量場線不從轉子之垂直於軸向的磁效核心冒出，而是以小於90°的角度冒出。因此，場線相對於徑向而更外地進入線圈核心的定子極，這改善了轉子的磁浮或穩定。
尤其較佳的是第一和第二邊緣區域中的至少一者設計呈截頭圓錐形式、呈球狀碟形式或呈拋物面碟形式。由於此種具體態樣的緣故，尤其可以實現的是界定轉子之磁效核心的外表面在中央區域和第一軸向邊界表面之間以及在中央區域和第二軸向邊界表面之間都不平行於軸向，如此則磁通量的場線在此是以不同於90°的角度來進出轉子的磁效核心。
第一和第二邊緣區域可能做不同設計。因此，舉例而言，第一邊緣區域可以設計呈截頭圓錐形，以及第二邊緣區域呈球狀碟形。當然，也有可能第一和第二邊緣區域以相同方式來設計。
根據第一較佳具體態樣(其也表示成徑向馬達)，每個定子極攜載至少一集中繞組，使得每個集中繞組配置在徑向平面中。因此，於此第一具體態樣，用於產生電磁場的繞組配置在相同於轉子之磁效核心的平面中。
根據第二較佳具體態樣，旋轉驅動器設計成寺廟(temple)馬達，以及定子具有複數個線圈核心，每個線圈核心包含棒狀縱向支件和橫向支件，縱向支件在軸向上從第一端延伸至第二端，橫向支件配置在縱向支件的第二端且在徑向平面中，以及該橫向支件在垂直於軸向的徑向上延伸，其中每個橫向支件形成一定子極，以及其中至少一集中繞組配置在每個縱向支件上，該繞組包圍個別的縱向支件。於此作為寺廟馬達的具體態樣，用於產生電磁場的繞組因此配置在磁性中央平面下方且對齊的方式致使其線圈軸於每個情形皆落在軸向上。
再者，本發明提出的是一種用於輸送流體的離心泵，其特徵在於離心泵包含根據本發明所設計的電磁旋轉驅動器，電磁旋轉驅動器的轉子設計成離心泵的轉子。
較佳而言，離心泵包含泵單元，其具有泵外殼，泵外殼包含用於待輸送之流體的入口和出口，其中轉子配置於泵外殼中且包含用於輸送流體的複數個葉片，其中泵單元的設計方式致使泵單元可以插入定子中，使得轉子的磁效核心被定子極包圍。
再者，本發明提出一種用於離心泵的泵單元，其特徵在於泵單元設計用於根據本發明所設計的離心泵。
根據較佳具體態樣，泵外殼包含基部和蓋子，其以密封方式而彼此連接，其中泵外殼的出口完全配置於基部中。
轉子具有中央鏜孔也是較佳措施，中央鏜孔在軸向延伸而完全穿過轉子，如此則至少部分補償葉片所產生的軸向推力。
較佳而言，泵單元設計成可脫離地連接至根據本發明之離心泵的定子。
根據較佳具體態樣，泵單元設計成單次使用裝置以供單次使用。
本發明之進一步有利的措施和具體態樣則源自申請專利範圍附屬項。
圖1顯示根據本發明的旋轉驅動器之第一具體態樣的立體截面圖，其整個以參考符號1來代表。圖1顯示電磁旋轉驅動器1的軸向截面，其中截面是沿著圖2的截面線I-I。為了更好了解，圖2更顯示穿過電磁旋轉驅動器1的截面，該截面沿著圖1的截面線II-II而垂直於軸向。
電磁旋轉驅動器1設計成內部轉子且包含定子2和轉子3，轉子3相對於定子2而無接觸地磁浮。再者，轉子3可以藉由定子2來繞著所欲旋轉軸而無接觸地磁性驅動。所欲旋轉軸是指當轉子3相對於定子2而在置中且不傾斜之位置的操作狀態下轉子3旋轉所繞的軸，如圖1所示。此所欲旋轉軸界定軸向A。經常而言，界定軸向A的所欲旋轉軸對應於定子2的中央軸。
以下，徑向是指垂直於軸向A的方向。
轉子3包含磁效核心31，其是以環形或碟形方式所設計。根據圖1的代表圖，磁效核心31設計成碟型且界定磁性中央平面C。轉子3之磁效核心31的磁性中央平面C是指垂直於軸向A的平面，而當轉子3在軸向A不傾斜且不偏移時的操作狀態下，轉子3的磁效核心31懸浮於此平面中。通常而言，於碟形或環形磁效核心31，磁性中央平面C是轉子3之磁效核心31的幾何中央平面，其垂直於軸向A。轉子3的磁效核心31於操作狀態下懸浮在定子2中的平面也稱為徑向平面E。徑向平面界定直角坐標系統的x-y平面，坐標的z軸則在軸向A延伸。若轉子3的磁效核心31相對於軸向(A)不傾斜且不偏移，則徑向平面E與磁性中央平面C重合。
圖2顯示的截面是在徑向平面E。
磁效核心31或轉子3的徑向位置是指轉子3在徑向平面E中的位置。
由於足以理解本發明，故圖式的轉子3於每個情形下僅呈現磁效核心31，譬如圖1到10。要了解轉子3當然可以包含其他組件，例如護套或封裝，其較佳是由塑膠、金屬、金屬合金、陶瓷或陶瓷材料所製成。再者，轉子3也可能包含用於混合、攪動或泵送流體的葉片(舉例而言見圖12)或其他組件。
為了更好了解，圖5更顯示轉子3之磁效核心31的視圖。
如為內部轉子的經常情形，轉子3且尤其是轉子3的磁效核心31被徑向往外配置的定子2包圍。定子2包含複數個明顯的定子極21 (在此有六個定子極21)，每個定子極21從徑向往外的環形回路22而徑向往內延伸朝向轉子3。每個定子極21配置在徑向平面E中且於每個情形下是由面對轉子3之磁效核心31的末端面211所界定。在電磁旋轉驅動器1的操作期間，所欲的位置則是磁效核心31置中在定子極21的末端面211之間。
為了產生轉子3之磁性驅動和磁浮所需的旋轉電磁場，定子極21攜載了繞組。於在此所述的具體態樣，繞組設計成集中繞組61，舉例而言其設計的方式致使於每個情形下恰一個集中繞組61纏繞在每個定子極21周圍，如此則每個集中繞組61也配置在徑向平面E。於操作狀態，旋轉電磁場是由這些集中繞組61所產生，以此則力矩實現在轉子3上且任何可調整的橫向力可以在徑向上施加至轉子3上，如此則可以主動控制或調節轉子3的徑向位置(亦即其在垂直於軸向A之徑向平面E中的位置)。
轉子3的「磁效核心」(magnetically effective core) 31是指轉子3與定子極21磁性互動以產生力矩和產生磁浮力的區域。
如已所言，磁效核心31是以碟形方式所設計。再者，磁效核心31是以永磁性方式所設計。為此目的，磁效核心31可以包含至少一永久磁石，但也可以包含幾個永久磁石，或者(如在此所述的具體態樣)整個是由永磁性材料所構成，如此則磁效核心31是永久磁石。轉子3之磁效核心的磁化在圖1、圖2、圖5的每個情形中是以箭號來呈現，而在磁效核心31無參考符號。磁效核心31因此在徑向上磁化。
鐵磁性或次鐵磁性材料典型稱為永久磁石，其磁性堅硬，亦即具有高矯頑場強度。矯頑場強度是將材料去磁化所需的磁場強度。在本案的架構裡，永久磁石理解為一種組件或材料，其所具有的矯頑場強度(更精確而言是磁性極化的矯頑場強度)等於超過每公尺10,000安培。
定子2的環形回路22和定子極21都各由軟磁性材料所製成，因為它們作為通量傳導元件以導引磁通量。適合的軟磁性材料舉例而言是鐵磁性或次鐵磁性材料，亦即尤其是鐵、鎳鐵、鈷鐵、矽鐵或μ金屬。在此情形，對於定子2，偏好定子片堆疊的設計，其中定子極21和回路22以金屬片來設計，亦即它們是由幾個堆疊的薄金屬片元件所構成。再者，有可能定子極21和回路22是由前述材料之加壓且後續燒結的顆粒所構成。金屬性顆粒較佳嵌埋於塑膠基質中，如此則它們彼此至少部分絕緣，藉此可以使渦電流損失最小化。因此，由電絕緣且壓縮之金屬顆粒所構成的軟磁性複合物也適合定子。尤其，這些軟磁性複合物也表示成SMC (soft magnetic composite)，其可以由披覆了電絕緣層的鐵粉顆粒所構成。這些SMC然後藉由粉末冶金過程而形成所欲形狀。
在電磁旋轉驅動器1的操作期間，轉子3的磁效核心31根據上述無軸承馬達的原理而與定子2的定子極21互動，其中轉子3可以無接觸地被磁性驅動且可以相對於定子2而無接觸地磁浮。為此目的，定子2設計成軸承兼驅動式定子，以此則轉子3可以在繞著所欲旋轉軸的操作狀態下無接觸地被磁性驅動(亦即它可以被設成旋轉)且可以相對於定子2而無接觸地磁浮。可以主動調節轉子3的三個自由度，亦即其在徑向平面E中的位置和其旋轉。相對於它在軸向A對徑向平面E的軸向偏移，轉子3的磁效核心31藉由磁阻力而被動地磁性穩定，亦即它無法被控制。而且，相對於剩餘的二個自由度，亦即相對於與所欲旋轉軸垂直之徑向平面E的傾斜，轉子3的磁效核心31也是被動地磁性穩定，這稍後將以圖3和圖4來解釋。由於磁效核心31與定子極21互動的緣故，轉子3因此在軸向A被動地磁浮或被動地磁性穩定和抵抗傾斜(總共三個自由度)且在徑向平面中(二個自由度)主動地磁浮。
如同一般情形，主動磁浮在本案架構中也稱為可以主動控制或調節的磁浮，舉例而言藉由集中繞組61所產生的旋轉電磁場來為之。被動地磁浮或被動地磁性穩定是無法控制或調節的。被動地磁浮或穩定舉例而言是基於磁阻力，其當轉子3偏移其所欲位置時(譬如當它在軸向A位移或偏移或當它傾斜時)把轉子3再度帶回到其所欲位置。
徑向懸浮或以徑向方式來懸浮是指轉子3的懸浮而可以穩定轉子3的徑向位置，亦即轉子3在徑向平面E中且因此相對於其徑向位置來懸浮。
軸向懸浮或以軸向方式來懸浮以及軸向穩定或以軸向方式來穩定分別是指轉子3的懸浮或穩定，其一方面使轉子3的位置相對於軸向A而穩定，並且另一方面使轉子3穩定而抵抗傾斜。此種傾斜代表二個自由度且所表示的偏移是轉子3的瞬間旋轉軸不再恰指向軸向A而與所欲旋轉軸包出不同於零的角度。於傾斜的情形，磁性中央平面C因此不再落在徑向平面E中或平行於徑向平面E，磁性中央平面C卻與徑向平面E包出不同於零的角度。
於無軸承馬達的情形，相較於古典的磁性軸承，馬達的磁浮和驅動藉由旋轉電磁場而實現。典型而言，於無軸承馬達，磁性驅動和懸浮功能是由二旋轉磁場的疊加而產生，二旋轉磁場經常表示成驅動場和控制場。由定子2之繞組所產生的這二旋轉場經常具有相差一的極對數。舉例而言，若驅動場具有極對數p，則控制場具有極對數p+1或p-1。在此情形，在徑向平面中作用在磁效核心31上的切線力是以驅動場來產生，其引起力矩，這造成繞著軸向A的旋轉。由於驅動場和控制場疊加的緣故，也有可能在徑向平面中於磁效核心31上產生橫向力，其可以如所欲地調節且可以此來調節磁效核心31於徑向平面中的位置。因此，不可能把集中繞組61所產生的電磁通量區分成僅供驅動旋轉的(電)磁通量和僅實現磁浮的(電)磁通量。
為了產生驅動場和控制場，一方面有可能使用二不同繞組系統，亦即一者產生驅動場且另一者產生控制場。用於產生驅動場的線圈便經常表示為驅動線圈，用於產生控制場的線圈便經常表示為控制線圈。這些線圈中所表現的電流便表示為驅動電流或控制電流。另一方面，也有可能僅以單一繞組系統來產生驅動和懸浮功能(如在此所述的具體態樣)，如此因而驅動線圈和控制線圈之間無區別。這可以採以下方式來實現：於每個情形下由控制裝置所決定之驅動電流和控制電流的數值藉由計算而相加或疊加(譬如以來軟體輔助)，並且所得的總電流表現於個別的集中繞組61中。在此情形，當然不再可能去區分控制線圈和驅動線圈。於在此所述的第一具體態樣，實現了最後所言的變化例，亦即定子2中的驅動線圈和控制線圈之間無區別，而每個情形下僅有一個繞組系統，其六個集中繞組61表現出驅動電流和控制電流的計算總和。然而，當然也有可能以定子2中設有二個分開繞組系統的這種方式來設計根據本發明的電磁旋轉驅動器1，亦即一系統具有分開的驅動線圈且另一系統具有分開的控制線圈。然後，舉例而言，每個情形中的二集中繞組設在每個定子極21上，一集中繞組作為驅動線圈且另一集中繞組作為控制線圈。
尤其為了進一步改善轉子3的被動磁性穩定，根據本發明，轉子3之磁效核心31的設計方式致使它具有大於定子極高度HS(圖1)的轉子高度HR(也見圖5)。轉子高度HR是磁效核心31在軸向A的最大延伸。
於第一具體態樣(尤其見圖5)，磁效核心31相對於軸向而由第一軸向邊界表面311和第二軸向邊界表面312所界定，其都垂直於軸向A且因此彼此平行。於此具體態樣，第一軸向邊界表面311和第二軸向邊界表面312之間的垂直距離是轉子高度HR。
定子極高度HS是由定子極21之末端面211在軸向A的最大延伸所界定。較佳而言，所有末端面211在軸向具有相同的延伸，如此則每個末端面211在軸向A具有相同的最大延伸，亦即定子極高度HS。再者，較佳的是每個末端面211設計成使得當從圓周方向來看時其軸向高度是恆定的。每個末端面211的軸向高度便等於定子極高度HS。
由於根據本發明轉子3的磁效核心31之設計的緣故，可以顯著改善轉子之磁浮或磁性穩定的軸向勁度，因為磁效核心31相對於軸向A的較高設計導致磁通量密度集中在定子極21的末端面211和轉子3的磁效核心31之間的空氣間隙。由於此磁通量密度集中在空氣間隙的緣故，也導致磁通量密度在從末端面211和磁效核心31之間(至少近似)均質場到相對於軸向A而盛行於定子極21上或下方之雜散場區域的過渡區有顯著較強的梯度。於圖式，舉例而言為圖1到圖4，磁通量的場線分別是以定子極21和磁效核心31之間的虛線來代表，其中直的平行場線指出均質場的區域而彎曲場線指出雜散場的區域。
由於磁浮的軸向勁度隨著磁通量密度而二次方地增加且因此不成比例地隨著轉子高度HR而增加，故根據本發明的具體態樣可以達成磁浮之軸向勁度的顯著改善。再者，以此具體態樣而把磁通量集中於空氣間隙中，也可以增加驅動轉子3之旋轉的力矩。
於在此所述的具體態樣(見圖5)，磁效核心31具有中央區域32，其相對於軸向A而配置在第一邊緣區域33和第二邊緣區域34之間，其中邊緣區域33、34都直接相鄰於中央區域32。中央區域32具有直徑，其表示成轉子直徑RZ。中央區域32在軸向A具有中央高度HZ，其小於轉子高度HR。
第一邊緣區域33形成磁效核心31的第一軸向邊界表面311，其中第一軸向邊界表面311具有第一邊緣直徑R1而為其外徑。第二邊緣區域34形成磁效核心31的第二軸向邊界表面312，其中第二軸向邊界表面312具有第二邊緣直徑R2而為其外徑。邊緣直徑R1和R2都小於轉子直徑RZ。第一邊緣直徑R1和第二邊緣直徑R2可以為相同尺寸，如圖5所呈現。於其他具體態樣，第一邊緣直徑和第二邊緣直徑可能為不同尺寸。
於圖5呈現之磁效核心31的具體態樣，中央區域32在軸向截面中具有矩形輪廓，其具有中央高度HZ作為高度和轉子直徑RZ作為寬度。
尤其較佳而言，磁效核心31的中央區域32設計成使得中央高度HZ相同於定子極高度HS。
第一邊緣區域33和第二邊緣區域34皆設計呈截頭圓錐形式，其中每個情形下的截頭圓錐具有在其基底的直徑(其對應於轉子直徑RZ)和在其背對基底之軸向邊界表面311、312的較小直徑(其分別對應於第一邊緣直徑R1和第二邊緣直徑R2)。
較佳但非必要而言，第一邊緣區域311和第二邊緣區域312以相同方式來設計。
也可能是下面這種具體態樣：第一邊緣區域33和/或第二邊緣區域34設計呈圓形碟的形狀，其直徑對應於第一邊緣直徑R1或第二邊緣直徑R2，如此則第一邊緣區域33和/或第二邊緣區域34在軸向截面中便具有矩形輪廓。
然而，偏好磁效核心31以下的這種具體態樣：磁效核心31具有外表面，其既不在中央區域32和第一軸向邊界表面311之間也不在中央區域32和第二軸向邊界表面312之間平行於軸向A。因此，偏好以下的這種具體態樣：第一軸向邊界表面311和第二軸向邊界表面都藉由對軸向A傾斜或彎曲的過渡區35而連接於中央區域32。
由於此措施的緣故，顯著改善了轉子3的傾斜剛性，亦即它對傾斜的抵抗力或它從傾斜位置返回至所欲位置的能力。
如已所言，於圖5所呈現的具體態樣，第一邊緣區域33和第二邊緣區域34皆設計呈截頭圓錐形式。截頭圓錐的傾斜是以截頭圓錐角度α來描述，其是過渡區35和軸向A之間的銳角。
實務上，幾何尺寸的特定組合已證明是尤其有利的。
對於轉子高度HR和中央高度HZ的高度比例，偏好1.2到1.6的範圍，亦即1.2≤HR/HZ≤1.6，其中截頭圓錐角度α是在15度和60度之間，亦即15°≤α≤60°。已顯示有利的是若截頭圓錐角度α愈大，則高度比例HR/HZ就愈大。
再者，已顯示有利的是若轉子直徑RZ和轉子高度HR的比例是在二和三之間，亦即2≤RZ/HR≤3，藉此這比例可以較佳選擇為愈小，則截頭圓錐角度α就愈大。
尤其較佳而言，轉子高度HR和中央高度HZ的高度比例是在1.3到1.5的範圍，亦即1.3≤HR/HZ≤1.5，其中截頭圓錐角度α是在20度和30度之間，亦即20°≤α≤30°。對於轉子直徑RZ和轉子高度HR的比例，尤其偏好2.3到2.7的範圍，亦即2.3≤RZ/HR≤2.7。
特別較佳而言，轉子高度HR和中央高度HZ的高度比例約1.46，亦即HR/HZ=1.46，其中截頭圓錐角度α約22.5度，亦即α=22.5°。
於圖3和圖4，分別示範了轉子3抵抗傾斜和轉子3在軸向A抵抗位移之被動磁浮的軸向勁度。在此情形，再次以虛線來呈現轉子3的磁效核心和定子極21之間的磁通量場線而無參考符號。
圖3顯示轉子的磁效核心在傾斜位置，其中磁性中央平面C與軸向A包出不同於零的角度。於此位置，根據代表圖而指向下的力分量FA作用在軸向A而在磁效核心31根據代表圖是相對於左末端面211的區域；同時根據代表圖而指向上的力分量FA作用在軸向A而在磁效核心31根據代表圖是相對於右末端面211的區域。因此，這二力分量FA施加力矩在磁效核心31上，而把它帶回到其所欲位置，亦即回到磁性中央平面C垂直於軸向A的非傾斜位置。
圖4顯示轉子3的磁效核心31相對於軸向A而在位移或偏移位置。在此情形，磁性中央平面C仍垂直於軸向A，但相對於徑向平面E而往下平行位移(如所示)。於此位置，根據代表圖而指向上的力分量FA作用在軸向A而在磁效核心31根據代表圖是相對於左末端面211的區域，並且根據代表圖也指向上的力分量FA作用在軸向A而在磁效核心31根據代表圖是相對於右末端面211的區域。因此，這二力分量FA施力在磁效核心31上，而把它帶回到磁性中央平面C落於徑向平面E中的所欲位置。
下面基於圖6到圖9來解釋轉子3或轉子3的磁效核心31之具體態樣的多種樣變化例。將僅討論相對於先前解釋的差異。否則，先前解釋也以相同或類似相同的方式而適用這些變化例。再者，也有可能基於變化例來組合所述措施。
圖6示範轉子3之磁效核心31的第一變化例。於此第一變化例，磁效核心31整體設計在軸向A的高度等於轉子高度HR。於此具體態樣，磁效核心31沒有任何可能與中央區域區分的明確邊緣區域。磁效核心設計成圓形碟或圓柱形碟，其中此碟具有直徑(其為轉子直徑RZ)和軸向高度(其為轉子高度HR)。當然，磁效核心31也可以設計成環形碟。
圖7顯示磁效核心31之第二變化例在軸向的截面。第二變化例大大地對應於圖5所呈現的具體態樣，但具有中央鏜孔36，其在軸向A延伸而從第一軸向邊界表面311至第二軸向邊界表面312穿過整個磁效核心31。
圖8顯示磁效核心31的第三變化例。第三變化例大大地對應於圖5所呈現的具體態樣，但在第一邊緣區域33和第二邊緣區域34有不同的設計。於第三變化例，邊緣區域33、34都設計呈球狀碟形式或呈拋物面碟形式，亦即過渡區35都設計得彎曲，舉例而言而成球殼的一部分或拋物面的一部分。過渡區35的傾斜舉例而言可以用傾斜角度β來描述，其可以與截頭圓錐角度α類似相同的方式來界定。因此，舉例而言，傾斜角度β是過渡區35的切線與軸向A所夾的銳角。如同截頭圓錐角度α，相同的解釋類似地適用傾斜角度β。
圖9顯示磁效核心31的第四變化例。第四變化例大大地對應於圖5所呈現的具體態樣，但第一邊緣區域33的設計有所不同。於第四變化例，僅第二邊緣區域34設計呈截頭圓錐形式，而第一邊緣區域設計呈球狀碟形式或呈拋物面碟形式。
圖10顯示根據本發明的電磁旋轉驅動器之第二具體態樣在軸向A的截面。為了更好了解，圖11更顯示第二具體態樣從軸向A來看的平面圖。
下面將僅討論與第一具體態樣的差異。第二具體態樣的相同零件或功能上等同的零件是以相同於第一具體態樣或其變化例的參考符號來表示。尤其，參考符號具有相同於已關於第一具體態樣所解釋的意義。要了解第一具體態樣及其變化例的所有先前解釋也以相同方式或類似相同的方式而適用於第二具體態樣。
於第二具體態樣，電磁旋轉驅動器1設計成寺廟馬達。電磁旋轉驅動器1包含定子，其中定子2具有複數個線圈核心25，其每一者包含在軸向A從第一端261延伸至第二端262的棒狀縱向支件26，以及包含配置在縱向支件26之第二端262的橫向支件27。每個橫向支件27在徑向延伸朝向轉子3。因此，每個線圈核心25具有L形，其中縱向支件26各形成在軸向A延伸之L的長支件，並且在徑向上垂直於縱向支件26而延伸朝向轉子3的橫向支件27各形成L的短支件。
每個橫向支件27形成某一定子極21。相較於設計成徑向馬達的第一具體態樣，集中繞組61不是由定子極21所攜載，但至少一集中繞組61配置在每個縱向支件26上而包圍個別的縱向支件26。
當轉子3的磁效核心31於操作期間是在其所欲位置時，磁效核心31置中在橫向支件27所形成的定子極21之間，如此則定子極21分別配置於磁性中央平面C和徑向平面E中(在此情形，這二平面相同)。根據代表圖，集中繞組配置在徑向平面E下方且對齊成使得其線圈軸在軸向A延伸。
縱向支件26的所有第一端261 (根據圖10的代表圖，這些是下端)彼此藉由回路22而連接。回路22較佳以環形方式來設計。有可能是下面這種具體態樣(見圖10)：回路22沿著縱向支件的所有第一端261而徑向往內延伸。然而，也有可能回路22沿著其圓周而具有複數個凹陷，每個凹陷接收某一第一端262。
再者，本發明提出一種用於輸送流體的離心泵100，其特徵在於離心泵100包含根據本發明所設計的電磁旋轉驅動器1，其中電磁旋轉驅動器1的轉子3設計成離心泵100的轉子3。
圖12顯示根據本發明之離心泵的具體態樣在軸向A的截面，其整個以參考符號100來表示。
於離心泵100的這具體態樣，電磁旋轉驅動器1設計成寺廟馬達，亦即根據第二具體態樣(圖10、圖11)。
離心泵100包含泵單元50，其具有泵外殼51，泵外殼51包含用於待輸送之流體的入口52和出口53，其中轉子3配置在泵外殼51中且包含用於輸送流體的複數個葉片54。泵單元50的設計方式致使泵單元50可以插入定子2中，使得轉子3的磁效核心31被定子極21包圍。
有利的方面是轉子3設計成整合式轉子，因為同時是電磁旋轉驅動器1的轉子3和離心泵100的轉子3，而以此來輸送流體。總之，轉子3因此滿足三功能於一體：它是電磁驅動器1的轉子3、它是磁浮轉子3、它是一或多種流體作用在上面的推進器。整合式轉子的這具體態樣所提供的優點是極緊湊且節省空間的設計。
為了更好了解，圖13更以沿著圖14之截面線XIII-XIII的截面來顯示離心泵100的泵單元50之稍微更詳細的代表圖。圖14顯示泵單元50從軸向A來看的平面圖。
泵單元的泵外殼51包含基部512和蓋子511，其以密封方式而彼此連接，其中泵外殼51的出口53完全配置於基部512中。蓋子511包含在軸向A延伸的入口52，如此則流體從軸向A流至轉子3。
就此而言，也是實質方面的是出口53完全配置於基部512中，如此則出口53沒有任何分離線、焊接線或類似的接合。
本身已知的任何方法都適合以密封方式來連接蓋子511和基部512。因此，舉例而言，基部512和蓋子511可以藉由螺絲連接、掣夾連接、扣入連接、膠黏或多樣類型的焊接(舉例而言為紅外線焊接)而彼此連接。視連接的類型而定，可能有利的是在基部512和蓋子511之間設有密封元件513，舉例而言為O形環。
轉子3包含用於輸送流體的複數個葉片54。於在此所述之具體態樣的情形，總共設有四個葉片54，藉此該數字具有範例性特徵。轉子3進一步包含護套38，藉此來包住且較佳密封地包住轉子3的磁效核心31，如此則轉子3的磁效核心31不接觸待輸送的流體。所有葉片54都配置在護套38上且相對於轉子3的圓周方向而等距地配置。每個葉片54在徑向上往外延伸且以抗力矩的方式而連接於護套38。葉片54可能是分開的組件，其然後固定於護套38。當然，也有可能所有的葉片54是護套38的整合式零件，亦即護套38設計有全部的葉片54而成單一件。具有葉片54的轉子3形成推進器或離心泵100的推進器，一或多種流體則作用在上面。
較佳而言，轉子3包含中央鏜孔36，其在軸向A延伸而完全穿過轉子3。可以藉此中央鏜孔36而確保有至少部分的軸向推力補償，如此則緩和轉子3的被動軸向磁浮。
視應用而定，舉例而言，若離心泵使用作為血液泵，則較佳的是泵單元50的泵外殼51以及護套38和葉片54是由一或更多種塑膠所製成。適合的塑膠為：聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚對酞酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚胺甲酸酯(PU)、聚二氟亞乙烯(PVDF)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚丙烯基、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)或聚矽氧。對於許多應用，商標名為Teflon的已知材料、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟氧烷基聚合物(PFA)也是適合的塑膠。
較佳而言，泵單元50設計成可脫離地連接至離心泵100的定子2。為此目的，幾個突耳57可以設在泵外殼51上，舉例而言，其可以與定子2偕同運作而呈插旋連接的形式。
於尤其較佳的具體態樣，泵單元50設計成單次使用裝置以供單次使用，其可以插入設計成可再使用裝置的定子2中。離心泵100便由泵單元50(其設計成單次使用裝置以供單次使用)和定子2(其設計成可再使用的裝置而設計供多次使用)所組成。定子2典型也包含電磁旋轉驅動器1的控制、調節和供應單元。
「單次使用裝置」(single-use device)一詞和其他具有「單次使用」(single-use)用語的內文是指設計成單次使用的這種組件或零件，亦即根據其所欲目的而僅可以使用一次然後就丟棄。然後必須使用新的、先前未用過的單次使用零件以供新應用。於單次使用裝置的概念或設計，因而實質的方面是單次使用裝置可以與可再使用的裝置組裝而以可能最簡單的方式來形成離心泵。單次使用裝置因而應能夠以極簡單的方式來更換，而不需高度組裝工夫。尤其較佳而言，單次使用裝置應能夠與可再使用的裝置組裝和分開而不使用工具。泵單元50可能設計成此種單次使用裝置。
離心泵100舉例而言可能使用於醫療產業作為血液泵，或者可能在醫藥產業或生技產業中找到用途。離心泵100特別適合接觸待混合之物質的組件實質上有極高程度之純度或殺菌的這種應用。
要了解根據本發明而用於輸送流體的離心泵100也可以用電磁旋轉驅動器1來設計，其是根據第一具體態樣(圖1、圖2)所設計，亦即作為徑向馬達，其中繞組61配置在徑向平面E中的定子極21上。
1:電磁旋轉驅動器 2:定子 21:定子極 211:末端面 22:回路 25:線圈核心 26:縱向支件 261:第一端 262:第二端 27:橫向支件 3:轉子 31:磁效核心 311:第一軸向邊界表面 312:第二軸向邊界表面 32:中央區域 33:第一邊緣區域 34:第二邊緣區域 35:過渡區 36:中央鏜孔 38:護套 50:泵單元 51:泵外殼 511:蓋子 512:基部 513:密封元件 52:入口 53:出口 54:葉片 57:突耳 61:集中繞組 100:離心泵 A:軸向 C:磁性中央平面 E:徑向平面 FA:力分量 HR:轉子高度 HS:定子極高度 HZ:中央高度 R1:第一邊緣直徑 R2:第二邊緣直徑 RZ:轉子直徑 α:截頭圓錐角度 β:傾斜角度
下面基於具體態樣和基於圖式來更詳細解釋本發明。部分示意的圖式顯示： [圖1]：根據本發明的電磁旋轉驅動器之第一具體態樣在軸向的截面，其中截面是沿著圖2的截面線I-I， [圖2]：穿過第一具體態樣的截面，截面是沿著圖1的截面線II-II而垂直於軸向， [圖3]：如圖1，但轉子傾斜， [圖4]：如圖1，但轉子在軸向位移， [圖5]：第一具體態樣之轉子的磁效核心， [圖6]：轉子之磁效核心的第一變化例而類似於圖1的代表圖， [圖7]：轉子之磁效核心的第二變化例在軸向之截面， [圖8]：轉子之磁效核心的第三變化例， [圖9]：轉子之磁效核心的第四變化例， [圖10]：根據本發明的電磁旋轉驅動器之第二具體態樣在軸向的截面， [圖11]：第二具體態樣從軸向來看的平面圖， [圖12]：根據本發明的離心泵之具體態樣在軸向的截面， [圖13]：圖12之離心泵的泵單元沿著圖14之截面線XIII-XIII的軸向截面，以及 [圖14]：圖13之泵單元從軸向來看的平面圖。
1:電磁旋轉驅動器
2:定子
21:定子極
211:末端面
3:轉子
31:磁效核心
61:集中繞組
A:軸向
C:磁性中央平面
E:徑向平面
HR:轉子高度
HS:定子極高度

Claims (15)

  1. 一種電磁旋轉驅動器，設計成內部轉子，該電磁旋轉驅動器具有轉子(3)，該轉子(3)包含環形或碟形磁效核心(31)而被徑向配置在外的定子(2)包圍，其中該定子(2)具有複數個定子極(21)，其配置在該磁效核心(31)周圍並且每個定子極(21)在每個情形中是由面對該轉子(3)之該磁效核心(31)的末端面(211)所界定，其中該定子(2)設計成軸承兼驅動式定子，藉此該轉子(3)可以在繞著界定軸向(A)之所欲旋轉軸的操作狀態下無接觸地被磁性驅動，以及藉此該轉子(3)可以相對於該定子(2)而無接觸地磁浮，其中該轉子(3)在垂直於該軸向(A)的徑向平面(E)中主動地磁浮且在該軸向(A)被動地磁性穩定和抵抗傾斜； 該電磁旋轉驅動器的特徵在於：該轉子(3)的該磁效核心(31)具有轉子高度(HR)，其為該磁效核心(31)在該軸向(A)的最大延伸，其中該轉子高度(HR)大於定子極高度(HS)，該定子極高度(HS)是由該定子極(21)之該末端面(211)在該軸向(A)的最大延伸所界定。
  2. 根據請求項1的旋轉驅動器，其中該磁效核心(31)包含中央區域(32)，其相對於該軸向(A)而配置在第一邊緣區域(33)和第二邊緣區域(34)之間，以及該中央區域(32)具有轉子直徑(RZ)，其中該第一邊緣區域(33)形成該磁效核心(31)的第一軸向邊界表面(311)而具有第一邊緣直徑(R1)，其中該第二邊緣區域(34)形成該磁效核心(31)的第二軸向邊界表面(312)而具有第二邊緣直徑(R2)，以及其中每個邊緣直徑(R1、R2)小於該轉子直徑(RZ)。
  3. 根據請求項2的旋轉驅動器，其中該中央區域(32)具有中央高度(HZ)，其為該中央區域(32)在該軸向(A)的延伸，其中該中央高度(HZ)的尺寸相同於該定子極高度(HS)。
  4. 根據請求項2的旋轉驅動器，其中該磁效核心(31)具有外表面，其不是在該中央區域(32)和該第一軸向邊界表面(311)之間就是在該中央區域(32)和該第二軸向邊界表面(312)之間不平行於該軸向(A)。
  5. 根據請求項2的旋轉驅動器，其中該第一和第二邊緣區域(33、34)中的至少一者設計呈截頭圓錐形式、呈球狀碟形式或呈拋物面碟形式。
  6. 根據請求項2的旋轉驅動器，其中該第一邊緣區域(33)和該第二邊緣區域(34)以相同方式來設計。
  7. 根據請求項1的旋轉驅動器，其中每個定子極(21)攜載至少一集中繞組(61)，使得每個集中繞組(61)配置在該徑向平面(E)中。
  8. 根據請求項1至6中任一項的旋轉驅動器，其中該旋轉驅動器設計成寺廟(temple)馬達，以及該定子(2)具有複數個線圈核心(25)，每個線圈核心(25)包含棒狀縱向支件(26)和橫向支件(27)，該縱向支件(26)在該軸向(A)從第一端(261)延伸至第二端(262)，該橫向支件(27)配置在該縱向支件(26)的該第二端(262)且在該徑向平面(E)中，以及該橫向支件(27)在垂直於該軸向(A)的徑向上延伸，其中每個橫向支件(27)形成該定子極(21)中的一者，以及其中至少一集中繞組(61)配置在每個縱向支件(26)上而包圍該個別的縱向支件(26)。
  9. 一種用於輸送流體的離心泵，其特徵在於該離心泵包含根據請求項1至8中任一項所設計的電磁旋轉驅動器(1)，該電磁旋轉驅動器(1)的該轉子(3)設計成該離心泵的該轉子(3)。
  10. 根據請求項9的離心泵，其包含泵單元(50)，該泵單元(50)具有泵外殼(51)，其包含用於待輸送之流體的入口(52)和出口(53)，其中該轉子(3)配置於該泵外殼(51)中且包含用於輸送該流體的複數個葉片(54)，其中該泵單元(50)的設計方式致使該泵單元(50)可以插入該定子(2)中，使得該轉子(3)的該磁效核心(31)被該定子極(21)包圍。
  11. 一種用於離心泵的泵單元，其特徵在於該泵單元(50)設計用於根據請求項10所設計的離心泵(100)。
  12. 根據請求項11的泵單元，其中該泵外殼(51)包含基部(512)和蓋子(511)，其以密封方式而彼此連接，其中該泵外殼(51)的該出口(53)完全配置於該基部(512)中。
  13. 根據請求項11的泵單元，其中該轉子(3)具有中央鏜孔(36)，其在該軸向(A)延伸而完全穿過該轉子(3)。
  14. 根據請求項11的泵單元，其設計成可脫離地連接至根據請求項9之該離心泵(100)的該定子(2)。
  15. 根據請求項11至14中任一項的泵單元，其中該泵單元(50)設計成單次使用裝置以供單次使用。
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