一种高负载三元流动叶轮及其马达的制作方法

本发明属于马达技术领域，具体涉及一种高负载三元流动叶轮及其马达。

背景技术：

随着吸尘器无刷马达市场的日益成熟，小体积、大功率(如450w以上)无刷电机马达对于市场的需求越来越大；相应的伴随着小体积(小体积由于空间限制势必伴随着相对直径小、负载小的叶轮)、大功率带来的必然是超高转速(超12万转速)，超高转速所带来的问题反馈在：风机叶轮的强度、轴承的寿命、马达结构的强度、电机发热、工艺精度要求、噪声以及马达成本费用的问题。

因此在马达体积不变、功率不变的情况下如何降低转速是解决当下问题的主要途径之一。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高负载三元流动叶轮及其马达。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一方面，本发明公开一种高负载三元流动叶轮，包括：叶轮本体以及设置于叶轮本体上的多个形状一致的叶片，叶轮本体的中心具有轴孔，多个叶片叶轮本体的轴线为中心呈螺旋排列，叶轮本体呈圆台状，且叶轮本体靠近其进风口侧的直径小于叶轮本体靠近其出风口侧的直径。

本发明公开一种高负载三元流动叶轮，叶轮本体呈圆台状，保证气体流动空间前提下，最大极限的增大叶轮直径从而增大叶轮负载降低转速。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，叶轮本体的进口面积s1与出口面积s2之比在1～1.3之间；

s1＝(d2²*π/4)-(d1²*π/4)；

s2＝(d4²*π/4)-(d3²*π/4)；

其中，d1为叶片前缘与动叶轮轮毂面线切的圆；d2为叶片前缘最外侧线切的圆；d3为叶片尾缘与动叶轮轮毂面线切的圆；d4为叶片尾缘最外侧线切的圆。

采用上述优选的方案，叶轮进出口面积在这个比例范围内，其气体流经叶轮流道时减小了气体在流道内因流速的变化，而产生叶片气体脱流的现象，从而减小了涡流损失，提高了气动效率。

作为优选的方案，叶片的数量为7～9之间；每片叶片的型线k1和型线k2均为采用三阶贝塞尔曲线拟合出来的空间曲线；

其中，型线k1为叶片靠近动叶轮轮毂面侧与其相切的型线；

型线k2为叶片远离动叶轮轮毂面侧最外缘的型线。

采用上述优选的方案，具有更好的气动效率。

作为优选的方案，最内侧靠近动叶轮轮毂面叶片前缘与圆周切向的角度β1在45～47度之间；

最外侧叶片前缘与圆周切向的角度β1’在23～25度之间；

最内侧靠近动叶轮轮毂面叶片尾缘与圆周切向的角度β2在48～52度之间；

最外侧叶片尾缘与圆周切向的角度β2’在30～35度之间；

叶片前缘最外侧一点过叶轮中心的直线与叶片尾缘最外侧一点过叶轮中心的直线的夹角为叶片包角θ，所述叶片包角θ在88～92度之间。

采用上述优选的方案，具有更好的气动效率。

作为优选的方案，叶片尾缘外侧端型线与水平面之间的夹角为叶片尾缘斜切角α，叶片尾缘斜切角α在3～5度之间。

采用上述优选的方案，具有更好的气动效率，且叶片尾缘斜切角度α有效抑制了气体流出叶轮时尾缘脱流现象。

另一方面，本发明还公开马达，包括：机壳、风罩、支架、后盖板、定叶轮、铁芯、转子、pcb电控板以及上述任一种高负载三元流动叶轮。

作为优选的方案，在机壳内圈靠近铁芯的位置开设有散热孔。

采用上述优选的方案，可以更好的实现散热。

作为优选的方案，机壳的开口面积s3与其内圈面积s4之比在0.08～0.1之间。

采用上述优选的方案，散热效果更佳。

作为优选的方案，机壳的内壁上设有多个间隔分布的内圈支撑筋和外圈支撑筋，内圈支撑筋的长度l1为外圈支撑筋的长度l2的一半。

采用上述优选的方案，可以良好的平衡气动噪声以及气动效率两方面。作为优选的方案，轴孔为阶梯状结构，远离定叶轮的一段为间隙段l3，靠近定叶轮的一段为过盈段l4，l3与l4的比值在0.5～0.6之间。

采用上述优选的方案，动叶轮与转子转轴之间采用过渡配合方式，杜绝动叶轮在高速旋转下脱离轴的风险，可靠性稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的侧视图。

图2为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的俯视图(标注有d1、d2、d3、d4)。

图3为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的俯视图(标注有k1、k2)。

图4为本发明实施例提供的三阶贝塞尔曲线图。

图5为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的侧视图(标注有β1、β1’)。

图6为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的俯视图(标注有β2、β2’)。

图7为本发明实施例提供的高负载三元流动叶轮的俯视图(标注有θ、α)。

图8为本发明实施例提供的马达的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的马达的局部结构示意图。

图10为本发明实施例提供的机壳的局部结构示意图。

图11为本发明实施例提供的马达上半部分的局部剖视图。

图12为本发明实施例提供的cfd仿真流场流线示意图。

图13为本发明实施例提供的cfd仿真流场矢量流速示意图。

图14为本发明实施例提供的cfd仿真叶轮剖面的矢量子午流速图。

图15为本发明实施例提供的基于iec60312测试空气性能测试数据。

图16为本发明实施例提供的基于iec60312测试空气性能曲线图。

其中：1-高负载三元流动叶轮，11-叶轮本体，12-叶片，13-轴孔，2-机壳，21-内圈支撑筋，22-外圈支撑筋，3-风罩，4-支架，5-后盖板，6-定叶轮，7-铁芯，8-转子，9-pcb电控板，10-散热孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件，不应当解释为排除附加的部件。

为了达到本发明的目的，一种高负载三元流动叶轮及其马达的其中一些实施例中，如图1所示，一种高负载三元流动叶轮包括：叶轮本体11以及设置于叶轮本体11上的多个形状一致的叶片12，叶轮本体11的中心具有轴孔13，多个叶片12以叶轮本体的轴线11为中心呈螺旋排列，叶轮本体11呈圆台状，且叶轮本体11靠近其进风口侧的直径小于叶轮本体11靠近其出风口侧的直径。

根据叶轮理论圆周速度u＝πdn/60，式中：d为叶轮直径；n为转速，可看出转速n的大小与叶轮直径有关，直径越大转速越低。

叶轮本体11呈圆台状，圆台锥顶角ε的大小直接影响叶轮进出口面积比例，间接影响叶轮流场变动从而影响叶轮的气动效率。通过仿真计算以及实验验证圆台的锥顶角ε在60～65度之间，其进出面积比列在合理的范围内。ε

本发明公开一种高负载三元流动叶轮1，叶轮本体11呈圆台状，叶轮本体11的直径大小沿其轴向从一端向其另一端逐渐增大，在保证气体流动空间前提下，最大极限的增大叶轮直径从而增大叶轮负载降低转速。

如图2所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，叶轮本体11的进口面积s1与出口面积s2之比在1～1.3之间；

s1＝(d2²*π/4)-(d1²*π/4)；

s2＝(d4²*π/4)-(d3²*π/4)；

其中，d1为叶片12前缘与动叶轮轮毂面线切的圆；d2为叶片12前缘最外侧线切的圆；d3为叶片12尾缘与动叶轮轮毂面线切的圆；d4为叶片12尾缘最外侧线切的圆。

采用上述优选的方案，叶轮进出口面积在这个比例范围内，其气体流经叶轮流道时减小了气体在流道内因流速的变化，而产生叶片12气体脱流的现象，从而减小了涡流损失，提高了气动效率。由于流道面积不断扩大，流速逐渐变慢，压力逐渐变大，叶轮中实际做工的静能增大动能减小，效率提升。

如图3所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，每片叶片12的型线k1和型线k2均为采用三阶贝塞尔曲线拟合出来的空间曲线；

其中，型线k1为叶片12靠近动叶轮轮毂面侧与其相切的型线；

型线k2为叶片12远离动叶轮轮毂面侧最外缘的型线。

采用上述优选的方案，叶片12的形状为空间叶片12，其叶片12形状的绘形也区别于传统的单圆弧绘图，而是采用三阶贝塞尔曲线拟合出来的空间曲线，具有更好的气动效率。

如图4所示，三阶贝塞尔曲线理论公式为：

b(t)＝p0(1-t)³+3p1t(1-t)²+3p2t²(1-t)+p3t³，t＝(0～1)；

式中：b(t)为t时间下点的，在同一平面内p0为起点，p3为终点p1p2为控制点。

由p0至p1的连续点q0，描述一条线段；由p1至p2的连续点q2，描述一条线段；由p2至p3的连续点q4，描述一条线段；再由q0至q2直线的连续点q1描述一条线段；同理q2至q3直线的连续点q1描述一条线段；由q1至q3的连续点b(t)描述一条三阶贝塞尔曲线。

如图5-7所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，最内侧靠近动叶轮轮毂面叶片12前缘与圆周切向的角度β1在45～47度之间；

最外侧叶片12前缘与圆周切向的角度β1’在23～25度之间；

最内侧靠近动叶轮轮毂面叶片12尾缘与圆周切向的角度β2在48～52度之间；

最外侧叶片12尾缘与圆周切向的角度β2’在30～35度之间；

叶片12前缘最外侧一点过叶轮中心的直线与叶片12尾缘最外、侧一点过叶轮中心的直线的夹角为叶片12包角θ，叶片12包角θ在88～92度之间。

采用上述优选的方案，上述5个参数因素实际定义了叶轮叶片12的空间扭曲形状，叶轮流道是一个截面积逐渐扩张的空间弯曲流道，而气体在流经叶轮流道时，由于面积的逐渐增大会产生气体流速不均的现象，从而产生涡流现象。通过仿真计算以及流场分析，本叶轮在此参数范围内拟合出的叶片12形状，气体流经叶轮叶片12时，产生叶片12气体脱流现象较小，减小了涡流损失。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，叶片12尾缘外侧端型线与水平面之间的夹角为叶片12尾缘斜切角α，叶片12尾缘斜切角α在3～5度之间。

采用上述优选的方案，具有更好的气动效率，且叶片12尾缘斜切角度α有效抑制了气体流出叶轮时尾缘脱流现象。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，叶片12的数量在7～9之间，风机性能在以上参数范围内较为稳定，气动效率波动误差较小，在1％～2％左右。

如图8所示，另一方面，本发明还公开马达，包括：机壳2、风罩3、支架4、后盖板5、定叶轮6、铁芯7、转子8、pcb电控板9以及上述任一实施例公开的高负载三元流动叶轮1。

如图9所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在机壳2内圈靠近铁芯7的位置开设有散热孔10。

采用上述优选的方案，可以更好的实现散热，改善高功率下(450w以上)的马达铁芯7散热问题，散热孔10可以设计成间接开孔式结构，进一步增大进风的面积，冷却铁芯7发热温度，其铁芯7温度在同功率下对比不开孔的，降低8～10度左右。

进一步，机壳2的开口面积s3与其内圈面积s4之比在0.08～0.1之间。

采用上述优选的方案，散热效果更佳。

如图10所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，机壳2的内壁上设有多个间隔分布的内圈支撑筋21和外圈支撑筋22，内圈支撑筋21的长度l1为外圈支撑筋22的长度l2的一半。

采用上述优选的方案，可以良好的平衡气动噪声以及气动效率两方面。进一步，内圈支撑筋21和外圈支撑筋22的总筋数在16～18根。

如图11所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，轴孔13为阶梯状结构，远离定叶轮6的一段为间隙段l3，靠近定叶轮6的一段为过盈段l4，l3与l4的比值在0.5～0.6之间。

采用上述优选的方案，间隙段l3是用来涂抹粘度大的混合胶水固定动叶轮。动叶轮与转子转轴之间采用过渡配合方式，杜绝动叶轮在高速旋转下脱离轴的风险，可靠性稳定。

以上多种实施方式可交叉并行实现。

根据吸尘器的马达市场的需求趋势，在小体积马达的基础上，同时考虑其制作工艺、马达可靠性方面等，本发明公开一种高功率相对低转速的高负载三元流动叶轮及其马达。

马达为小体积结构(最大直径不超过46mm)，经测试，如图12-16所示，图12的流线图反馈工作流动的理论状态；图13和14的矢量图反馈流动状态的同时，反馈出气在风机中不同位置下的流速的大小。

图16中，h代表真空度，eat代表效率，p2代表有效功率，p1代表输入功率。图16表明马达在不同流量下的实际效率、真空度、有效功率的性能曲线图。

本发明在550w大功率下全开(50孔板)的转速109000rpm，其气动效率最高可达51.5％(基于欧标空气性能测试标准iec60312测试)，远远低于目前市面上同功率下(全开板孔转速超12万转)，直径大于46mm马达的转速。

本发明高负载三元流动叶轮及其马达具有以下有益效果：

1)在马达体积不变、功率不变的情况下，降低转速。

2)由于转速的降低其对于马达零部件的需求条件相对降低，相应的降低了生产成本。

3)提高了高功率下马达寿命试验的可靠性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。