一种具有双磁阻结构的磁悬浮泵的制作方法

[0001]
本发明属于泵技术领域，涉及一种具有双磁阻结构的磁悬浮泵。


背景技术：

[0002]
在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用高洁净度流体。磁悬浮泵因其独特的原理优势，被越来越多地应用在各行各业。由于非接触的驱动方式以及磁悬浮定位方式，磁悬浮泵的转子旋转中不与固体摩擦，可以用高洁净度不锈钢或者聚四氟乙烯(ptfe)等高洁净度材料包覆转子，产生的污染物少，尤其适用于高洁净度场合。例如在浸没式光刻机中利用磁悬浮泵提供动力向曝光空间提供超纯水；在医学方向，磁悬浮血泵因为可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题，已被当作应用作人工心脏来使用。
[0003]
现有的磁悬浮泵包括两套导线绕组，一套绕组为悬浮绕组，使转子在径向和轴向悬浮于泵腔之中，也即构成磁悬浮轴承；另一套绕组为驱动绕组，利用电磁力驱动转子旋转。但是现有的磁悬浮泵技术，在对于转子的悬浮控制中，仅采用了单磁阻轴承被动悬浮，不可避免地有悬浮轴向刚度和倾斜刚度薄弱的缺点，在转子受到扰动力干扰时，容易从平衡位置发生偏移，可能造成功率输出不稳定，更有可能造成转子与泵腔的碰撞而发生损坏。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的就是提供一种具有双磁阻结构的磁悬浮泵。本发明在磁悬浮泵的绕组布置中设计了两个磁阻，增强了转子悬浮的轴向刚度和径向刚度，提高了抵抗外部冲击的能力。本发明包括叶轮、转子架、转子永磁体、导磁体、附加永磁体、定子硅钢、悬浮绕组和驱动绕组；叶轮与转子架连接，转子架内容纳转子永磁体、导磁体和附加永磁体；叶轮与转子架容纳于泵壳内部。转子永磁体轴向充磁；转子永磁体的上下两侧分别连接导磁体；导磁体具有中心对称分布的多个凸出部，导磁体的径向外侧以中心对称的布局形式连接多个附加永磁体，并且所述凸出部与所述附加永磁体间隔设置；附加永磁体沿径向方向充磁；多个定子硅钢轴对称地设置于转子永磁体的径向外侧，定子硅钢的一个端面靠近上侧导磁体并与其凸出部或附加永磁体的径向外侧面对齐，定子硅钢的另一个端面靠近下侧导磁体并与其凸出部或附加永磁体的径向外侧面对齐；每个定子硅钢上设置一个悬浮绕组和一个驱动绕组；一侧定子硅钢上的悬浮绕组和驱动绕组形成的磁极方向相反，与之对称设置的另一侧定子硅钢上的悬浮绕组和驱动绕组形成的磁极方向相同。
[0005]
设置定子的悬浮绕组和驱动绕组磁极对数相差1，并且驱动绕组的磁极对数与转子的磁极对数一致。
[0006]
作为优选，所述定子硅钢采用多片u形硅钢片叠加而成。
[0007]
作为优选，所述附加永磁体是贴片磁钢。
[0008]
叶轮设置于转子架的径向内侧；泵壳设置入口和出口，泵的入口和出口共轴设置，且叶轮的轴线与入口和出口的轴线基本重合。
[0009]
或叶轮设置于转子架的轴向一端外侧，在叶轮轴向一端的泵壳上设置入口，在叶轮径向外侧的泵壳上设置出口。
[0010]
叶轮的轴向两端设置圆角或斜面。
[0011]
作为优选，叶轮、转子架以及泵腔中与流体接触的壁面采用超洁净材料。
[0012]
本发明设置双磁阻结构，增强转子悬浮的径向、轴向和倾斜刚度，降低叶轮和转子受扰动力时偏离悬浮位置并与泵壳发生碰撞的概率，提高磁悬浮泵的可靠性；叶轮可以采用轴流泵的水力结构形式，能够充分利用转子架的径向内侧空间设置叶轮，有利于使泵体的结构紧凑；叶轮可以采用离心泵形式的水力结构，以获得更大的扬程。
附图说明
[0013]
图1为本发明实施例一的结构示意图；
[0014]
图2为本发明实施例一的磁体布置示意图；
[0015]
图3为本发明实施例一的转子磁体布置上视图；
[0016]
图4为本发明实施例一的转子磁体布置下视图；
[0017]
图5为本发明实施例一的悬浮绕组和驱动绕组布置示意图；
[0018]
图6为最小磁阻原理；
[0019]
图7为本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
[0020]
实施例一
[0021]
如图1所示，一种具有双磁阻结构的磁悬浮泵，包括叶轮1、转子架2、转子永磁体3、附加永磁体4、泵壳5、悬浮绕组6、驱动绕组7、定子架8、定子硅钢9；泵壳5具有入口11和出口12，泵壳5内部形成泵腔，泵腔中设置有转子，转子包括叶轮1和转子架2；图中实施例采用轴流泵形式的水力结构，即泵的入口11和出口12共轴设置，且叶轮1的轴线与入口11和出口12的轴线基本上重合，叶轮1的旋转使得流体沿叶轮1的轴向自入口11向出口12的方向流动；叶轮1的径向外侧连接于转子架2，叶轮1的轴向两端设置圆角或斜面，避免与流体的接触面积过大，造成冲击；叶轮1的径向外侧以及转子架2的内部容纳有转子永磁体3和附加永磁体4；泵壳5的外部包括悬浮绕组6、驱动绕组7、定子架8和定子硅钢9。
[0022]
如图2所示，转子永磁体3是环形的轴向充磁永磁体，在图2中上侧为s极，下侧为n极；转子永磁体3的轴向两端设置导磁体10；参考图3和图4，导磁体10的结构大致呈环形并且具有两个中心对称设置的凸出部，两个附加永磁体4可以是贴片磁钢，附加永磁体4中心对称地贴附于导磁体10的径向外侧面，且与突出部间隔设置；附加永磁体4的充磁方向为径向厚度方向，对于图2中a视角看到的上侧导磁体10，也即图3而言，导磁体10的凸出部磁极为s极，则附加永磁体4的径向外侧磁极为n极；类似地，对于图2中b视角看到的下侧导磁体10，也即图4而言，导磁体10的凸出部磁极为n极，则附加永磁体4的径向外侧磁极为s极。多个定子硅钢9轴对称地设置于转子的径向外侧，每个定子硅钢9可以采用若干片u型硅钢片粘合而成；每个定子硅钢9的两个端面分别与上下侧导磁体10的突出部侧面接近并对齐，每个定子硅钢9上分别缠绕两个导线绕组，绕组之一为悬浮绕组6，另外一个绕组为驱动绕组7；悬浮绕组6和驱动绕组7可以设置于泵的径向侧面上，以获得紧凑的泵体轴向尺寸。一侧
定子硅钢9上的悬浮绕组6和驱动绕组7形成的磁极方向相反，与之对称设置的另一侧定子硅钢9上的悬浮绕组6和驱动绕组7形成的磁极方向相同；每个驱动绕组7产生的磁场，穿过定子硅钢9、导磁体10和转子永磁体形成闭合磁路，即图2中虚线箭头所示的磁路；位于轴对称位置的一对悬浮绕组6产生的磁场，穿过定子硅钢9和上下侧导磁体10形成闭合磁路，即图2中实线箭头所示的磁路；悬浮绕组6和驱动绕组7产生的闭合磁路中，都形成了轴向上下两侧的两个气隙，也即两个磁阻，此即为双磁阻结构。
[0023]
图5示出了各个定子硅钢9上的悬浮绕组6和驱动绕组7的缠绕方式，为了便于观察，将绕组线圈的截面以径向外侧向上反转的方式从磁悬浮泵轴线的平行方向旋转为垂直方向，图中黑点表示电流方向垂直于纸面向外，
“×”
表示电流方向垂直于纸面向里。图5所示的实施例中轴对称地设置了6个定子硅钢9，对侧的定子硅钢9上的悬浮绕组6和驱动绕组7成对配置，形成三相绕组形式的悬浮绕组6_u、6_v、6_w和驱动绕组7_u、7_v、7_w；对称设置的绕组线圈相串联；设置悬浮绕组6的布置方式，使每相悬浮绕组6形成一对极；设置驱动绕组7的布置方式，使每相驱动绕组形成两对极；设置定子的悬浮绕组6和驱动绕组7极对数相差1，并且驱动绕组7的极对数与转子的磁极对数一致，例如图2至图5所示实施例中，转子永磁体9、导磁体10和附加永磁体4共形成了2对磁极，驱动绕组7产生的极对数也是2，而悬浮绕组6产生的极对数为1。向悬浮绕组6通入电流，悬浮磁场产生的悬浮力将转子磁钢从偏移位置定位到中心平衡位置，实现转子磁钢的悬浮。通过电压调制，向驱动绕组7通入电流，产生驱动磁场，和转子磁钢的磁场相互作用，产生驱动转子磁钢的力，驱动转子磁钢旋转。
[0024]
结合图6解释最小磁阻原理及本发明的双磁阻结构。磁感线穿过两对磁极，磁感线穿过的间隙为磁阻，存在磁场力使得磁阻趋向于最小，此为最小磁阻原理；例如图6中，中间的磁体与两侧的磁体中心线重合时，磁阻最小，而图6(a)中，中间磁体偏离平衡位置δx，此时磁阻不再为最小，因此中间磁体与两侧的磁体之间产生的水平向作用力f_x和垂直向作用力f_y的合力f趋向于使中间磁体回到平衡位置，也即图6(b)所示的最小磁阻位置。在图2中，轴对称存在的磁阻使得转子趋向于维持在径向和轴向的中心位置，增大了转子悬浮的径向刚度和轴向刚度；上下侧磁阻组合而成的双磁阻结构，一方面增大了转子悬浮的径向刚度和轴向刚度，另一方面也抑制了转子绕垂直于纸面方向的偏转，也即增大了转子悬浮的倾斜刚度。径向、轴向以及倾斜刚度的增大，有利于转子维持在平衡位置，减小与泵腔碰撞的概率，提高磁悬浮泵工作的可靠性。
[0025]
为了适应高洁净度或者耐腐蚀场合，叶轮1、转子架2以及泵腔中与流体接触的壁面应当是超洁净材料，可选的超洁净材料包括但不仅限于如过氟烷氧基(pfa)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)等含氟塑料或其任意组合。实施例二
[0026]
如图7所示，叶轮1设置于转子架2的轴向一端外侧，在叶轮1轴向一端的泵壳5上设置入口11，在叶轮1径向外侧的泵壳上设置出口12；磁悬浮泵以离心泵形式的水力结构，将来自入口11的流体旋转后获得离心方向的动力从出口12泵出。其余实施方式与实施例一相同。
[0027]
对于本发明涉及的磁悬浮泵而言，实施例一采用轴流泵的水力结构形式，能够充分利用转子架2的径向内侧空间设置叶轮，有利于使泵体的结构紧凑；实施例一的轴流泵形式，使叶轮1和转子架2主要受到流体轴向方向的作用力，而实施例二中采用离心泵形式的水力结构，相对轴流泵形式可以更容易获得较大的扬程，离心泵形式的叶轮1和转子架2主
要受到使转子架1倾斜的偏转力；使用本发明所述的双磁阻结构，在径向、轴向和倾斜三种磁悬浮刚度中能够更明显地改善转子架2的倾斜刚度，因此对离心磁悬浮泵的抗扰动改善效果更佳。
[0028]
在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0029]
以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。