一种贴片式行波压电离心泵及其驱动方法与流程

本发明涉及流体机械领域，尤其涉及一种贴片式行波压电离心泵及其驱动方法。

背景技术：

离心泵具有适用范围广、转速高、效率高、流量大、性能平稳等特点，是泵类产品中最重要的一种泵，其产值占泵的总产值的80%左右，广泛应用于国民经济建设的各个领域。

传统离心泵工作时需要外设电机进行驱动，这样电机和离心泵相分离，因此结构复杂，体积较大且不易小型化，而且离心泵在运转过程中还会产生较大噪声，无法供应小流量；此外，传统电机的运转会产生电磁污染，这会限制其在医疗、卫生等对磁场敏感的领域的应用。

随着微机电系统领域的发展，传统设备的小型化和微型化已经成为未来发展的趋势，而传统离心泵的工作方式和结构设计的不足，已经限制了其应用范围和体积的进一步小型化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对技术背景中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式行波压电离心泵及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式行波压电离心泵，包含泵体、定子、转子、预压力组件、闭式叶轮和四片压电陶瓷片；

所述泵体为上端开口下端封闭的空心圆柱体，其侧壁的外壁面上设有进流口和出流口，侧壁的内壁面上设有凹陷的、和所述出流口相联通的蜗壳型流道，底壁的内壁面上设有进流孔、且底壁内设有用于联通进流口和进流孔的管道；所述蜗壳型流道的轴线和底壁平行，且直径由起点至出流口逐渐变大；

所述定子呈圆柱状，盖在所述泵体上端面上，和所述泵体固连形成腔体；所述定子的中心设有通孔，定子的下端面上设有圆形凹槽；所述定子在其下端面圆形凹槽的边缘处均匀设有若干相对其下端面凸起的驱动齿；

所述转子呈圆台状，其下端面中心处设有圆形凹槽，且转子的中心设有和所述圆形凹槽相联通的通孔；

所述预压力组件包含螺栓帽、双头螺柱、第一轴承和第二轴承，其中，所述双头螺柱一端和所述螺栓帽螺纹连接，另一端依次穿过定子中心的通孔、转子中心的通孔伸入转子下端面的圆形凹槽内；所述第一轴承的内圈和所述双头螺柱固连、外圈和所述螺栓帽固连；所述第二轴承设置在转子下端面的圆形凹槽内，内圈和双头螺柱固连、外圈和转子固连；

所述转子的上端面伸入所述定子下端面的圆形凹槽内，且转子的锥面和所述定子下端面上各个驱动齿相抵；所述螺栓帽用于调整转子锥面和各个驱动齿之间的预压力；

所述闭式叶轮设置在所述转子的下端面上，用于在转子转动时将从进流孔进入的流体由蜗壳型流道泵至出流口；

所述四片压电陶瓷片均为矩形，沿周向均匀设置在所述定子侧壁的外壁面上，用于接收外部电信号激发定子产生弯振、进而通过各个驱动齿带动转子转动；令连线经过定子中心的两片压电陶瓷片为一组，各组压电陶瓷片中两片压电陶瓷片的极化方向相同。

作为本发明一种贴片式行波压电离心泵进一步的优化方案，所述泵体上端部均匀设置有四个螺纹盲孔，所述定子通过四个螺钉和所述泵体固连。

作为本发明一种贴片式行波压电离心泵进一步的优化方案，所述第一轴承和定子的上端面之间设有密封圈。

作为本发明一种贴片式行波压电离心泵进一步的优化方案，所述闭式叶轮包含前盖板和若干呈弧线形的叶片；

所述前盖板中心设有用于进水的通孔；

所述若干叶片设置在转子下端面和前盖板之间、分别和转子下端、前盖板固连，且该若干叶片呈螺旋状设置，使得转子下端面和前盖板之间形成若干内窄外宽的弧线形流道。

作为本发明一种贴片式行波压电离心泵进一步的优化方案，所述泵体在其底壁内壁面出流孔处设有圆形凸台，所述凸台中心设有上宽下窄和所述出流孔相联通的通孔。

本发明还公开了一种该贴片式行波压电离心泵的驱动方法，包含以下步骤：

对两组压电陶瓷片分别施加具有π/2相位差的电信号，激发出两相在空间上具有π/2相位差的n阶面内弯振模态，n为大于等于2的整数，从而在所述定子上形成旋转行波，使得定子上各个驱动齿做微幅椭圆运动，进而在在预压力作用下通过摩擦作用驱动转子；转子带动闭式叶轮转动，将从进流孔进入的流体由蜗壳型流道泵至出流口。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将驱动装置和离心泵集成为一体，具有结构简单，易于密封，易于小型化等优点；此外驱动部分的低噪声运行、速度控制性好、不产生电磁也不受电磁干扰、断电自锁等优点，拓宽了离心泵的应用范围。

附图说明

图1是本发明的整体三维结构示意图；

图2是本发明整体结构的剖面示意图；

图3是本发明中泵体内部蜗壳型流道及闭式叶轮的剖面示意图；

图4是本发明中泵体四分之一三维剖视及流体流动示意图；

图5是本发明中转子和闭式叶轮相配合后流体的流动示意图；

图6是本发明中定子的三维结构示意图；

图7是本发明中定子的振动模态示意图；

图8是本发明中定子、转子、闭式叶轮相配合的三维结构示意图。

其中，1-泵体，2-定子，3-压电陶瓷片，4-进流口，5-出流口，6-螺栓帽，7-转子，8-双头螺柱，9-第一轴承，10-密封圈，11-第二轴承，12-驱动齿，13-闭式叶轮，14-蜗壳型流道，15-弧线形流道，16-前盖板，17-叶片，18-定子中心的通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种贴片式行波压电离心泵，包含泵体、定子、转子、预压力组件、闭式叶轮和四片压电陶瓷片。

如图2、图4所示，所述泵体为上端开口下端封闭的空心圆柱体，其侧壁的外壁面上设有进流口和出流口，侧壁的内壁面上设有凹陷的、和所述出流口相联通的蜗壳型流道，底壁的内壁面上设有进流孔、且底壁内设有用于联通进流口和进流孔的管道；所述蜗壳型流道的轴线和底壁平行，且直径由起点至出流口逐渐变大。所述泵体上端部均匀设置有四个螺纹盲孔，所述定子通过四个螺钉和所述泵体固连。

如图2、图6所示，所述定子呈圆柱状，盖在所述泵体上端面上，和所述泵体固连形成腔体；所述定子的中心设有通孔，定子的下端面上设有圆形凹槽；所述定子在其下端面圆形凹槽的边缘处均匀设有若干相对其下端面凸起的驱动齿。

如图2所示，所述转子呈圆台状，其下端面中心处设有圆形凹槽，且转子的中心设有和所述圆形凹槽相联通的通孔；所述预压力组件包含螺栓帽、双头螺柱、第一轴承和第二轴承，其中，所述双头螺柱一端和所述螺栓帽螺纹连接，另一端依次穿过定子中心的通孔、转子中心的通孔伸入转子下端面的圆形凹槽内；所述第一轴承的内圈和所述双头螺柱固连、外圈和所述螺栓帽固连；所述第二轴承设置在转子下端面的圆形凹槽内，内圈和双头螺柱固连、外圈和转子固连；

如图2、图8所示，所述转子的上端面伸入所述定子下端面的圆形凹槽内，且转子的锥面和所述定子下端面上各个驱动齿相抵；所述螺栓帽用于调整转子锥面和各个驱动齿之间的预压力。

如图2、图5、图8所示，所述闭式叶轮设置在所述转子的下端面上，用于在转子转动时将从进流孔进入的流体由蜗壳型流道泵至出流口；所述闭式叶轮包含前盖板和若干呈弧线形的叶片；所述前盖板中心设有用于进水的通孔；所述若干叶片设置在转子下端面和前盖板之间、分别和转子下端、前盖板固连，且该若干叶片呈螺旋状设置，使得转子下端面和前盖板之间形成若干内窄外宽的弧线形流道。所述泵体在其底壁内壁面出流孔处设有圆形凸台，所述凸台中心设有上宽下窄和所述出流孔相联通的通孔。

所述四片压电陶瓷片均为矩形，沿周向均匀设置在所述定子侧壁的外壁面上，用于接收外部电信号激发定子产生弯振、进而通过各个驱动齿带动转子转动；令连线经过定子中心的两片压电陶瓷片为一组，各组压电陶瓷片中两片压电陶瓷片的极化方向相同。

所述第一轴承和定子的上端面之间设有密封圈。

如图3所示，泵体内部蜗壳型流道沿顺时针方向内径逐渐变大，为渐扩式流道，流体从转子下端面和前盖板之间的弧线形流道进入蜗壳型流道，最后从出流口流出；这有利于收集来自弧线形流道外缘切线方向的工作流体，并使工作流体的部分动能转化为静压能，实现流体增压。

如图5所示，转子下端面和前盖板之间的弧线形流道有利于转子在旋转状态下完成对流体的加速；箭头为工作流体流动示意方向，以其中一个弧线形流道为例示意工作流体的情况；初始状态弧线形流道浸没在流体中，将电信号施加在压电陶瓷片上，激发出相应模态驱动转子旋转，弧线形流道内部的工作流体由于相对运动，在离心力作用下，沿弧线形流道外缘的切线方向被甩出，进入蜗壳型流道，同时闭式叶轮中心形成低压区；在泵体内部流体与闭式叶轮中心流体压差的作用下，流体被吸入弧线形流道，依靠转子不断地旋转，流体便能连续地被吸入甩出，经过蜗壳型流道将部分动能转化为静压能，实现流体增压，最后进入出流口；工作流体在贴片式行波压电离心泵中获得的机械能量最终表现为出流口静压能的提高。

本发明还公开了一种该贴片式行波压电离心泵的驱动方法，包含以下步骤：

对两组压电陶瓷片分别施加具有π/2相位差的电信号，激发出两相在空间上具有π/2相位差的n阶面内弯振模态，n为大于等于2的整数，从而在所述定子上形成旋转行波，使得定子上各个驱动齿做微幅椭圆运动，进而在在预压力作用下通过摩擦作用驱动转子；转子带动闭式叶轮转动，将将从进流孔进入的流体由蜗壳型流道泵至出流口。

如图7所示，箭头方向为压电陶瓷片极化方向，四个压电陶瓷片极化方向相同；三个椭圆代表某一时刻环形齿上形成的空间上的椭圆运动轨迹，两个虚线曲边三角形代表两相在空间上具有π/2相位差的面内弯振模态。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。