專利名稱：直流無刷高效電動機潛水泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將電動機和水泵結(jié)構(gòu)高度簡化，利用直流電源作電源、自身的電動機作動力，能夠抽動流體(包括液體、空氣)或者起到水泵作用的一種高效泵體，屬于機械電子產(chǎn)品領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，公知公用的由電動機帶動的水泵結(jié)構(gòu)復雜，由電動機的旋轉(zhuǎn)軸帶動水泵中的葉輪轉(zhuǎn)動，促使液體流動。在此種泵體中傳動軸旋轉(zhuǎn)所需的能量浪費了一定的能源；由于結(jié)構(gòu)復雜，降低了泵的可靠性，提高了故障率。在用電動機作動力的船中，由電動機帶動的葉輪外露，在水中高速旋轉(zhuǎn)，可割傷水中生物(也可能致死)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了以上缺點，與一般的電動機帶動的泵有較大不同，有明顯改進，主要由永磁體、導磁體、電磁線圈、葉輪、隔離網(wǎng)、軸承、冷卻管、保護外殼等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比一般的電動機帶動的水泵簡化很多，提高了可靠性，降低了故障率。本發(fā)明的工作原理如下接通直流電源后，由特殊的控制電路控制電磁線圈內(nèi)電流方向，電磁線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場相互垂直，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時使葉輪轉(zhuǎn)動；葉輪片為圖4所示曲線形，旋轉(zhuǎn)時在泵的一端產(chǎn)生吸力，吸入流體，由于離心力作用，流體沿葉輪片間空隙運動，從泵的另一端流出，從而促使流體定向流動。


下面對圖1-9進行說明。圖1是本發(fā)明的橫向截面圖，其中，1是隔離網(wǎng)，2是葉輪片，3是轉(zhuǎn)子導磁體，4是永磁體，5是非導磁體，6是斜向凸條，7是間隙，8是定子導磁體，9是電磁線圈，10是冷卻管，11是保護外殼。圖2是本發(fā)明的縱向剖面圖，其中，1是隔離網(wǎng)，2是葉輪片，3是轉(zhuǎn)子導磁體，4是永磁體，5是定子導磁體，6是定子端部，7是電磁線圈，8是軸承，9是冷卻管，10是保護外殼，11是定子端部與轉(zhuǎn)子端部之間空隙，12是錐形外殼。圖3是本發(fā)明的永磁體磁力線分布圖，箭頭方向為磁力線方向，N、S為永磁體兩極。圖4是本發(fā)明的葉輪展開后的平面圖，圖5是本發(fā)明的葉輪展開后的左視圖，在這兩圖中，1是葉輪片，2是轉(zhuǎn)子導磁體。圖6是本發(fā)明的隔離網(wǎng)展開后的平面圖，圖7是本發(fā)明的隔離網(wǎng)展開后的左視圖。圖8是電磁線圈繞組示意圖，其中，A1和A2、B1和B2、C1和C2、D1和D2分別為線圈A、B、C、D的兩端接頭。圖9是控制電路原理圖，其中，U是直流電源，K1、K3、K5、K7是功率開關(guān)三極管，K2、K4、K6、K8是可控硅二極管，HA1、HA2、HB1、HB2是霍爾元件，A1-A2、B1-B2分別是電磁線圈A、B。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
按照圖3所示，本發(fā)明的優(yōu)點在于流過每一個永磁體的磁通除自身產(chǎn)生的磁通外，還有來自其相鄰兩邊的兩個永磁體各一半的磁通，從而使流過每一個永磁體的磁通增大了一倍，也使流過導磁體和電磁線圈的磁通增大了一倍，而電動機轉(zhuǎn)矩與主磁通量(或磁感應強度)成正比關(guān)系，因而較大地提高了電動機效率。
按照圖1、2、8、9所示，本發(fā)明的特征在于1、電磁線圈繞組數(shù)量為永磁體個數(shù)的一半；每個繞組內(nèi)線圈排列如圖8所示，線圈之間平行交錯排列，每一個繞組近一半的線圈(如圖8中線圈A、B、C、D的左邊垂線方向的電磁線)正對永磁體的N極，另外近一半的線圈(如圖8中線圈A、B、C、D的右邊垂線方向的電磁線)正對永磁體的S極；線圈個數(shù)由導磁體尺寸大小、電動機功率等因素而定，沒有特殊要求，而一般直流無刷電動機不一樣，其個數(shù)有特殊要求，制造工藝相對較高，難度較大，而本發(fā)明制造工藝相對要求較低，容易制造，降低了制造成本。2、電動機控制電路以線圈A為例進行說明；在線圈A兩端分別放置兩個霍爾元件HA1、HA2，其位置剛好是HA1正對永磁體的N極，HA2正對永磁體的S極；霍爾元件在接通電源后，其產(chǎn)生信號由轉(zhuǎn)子上的永磁體控制，不必另加控制磁體；利用霍爾元件產(chǎn)生信號控制功率開關(guān)管導通或關(guān)閉，功率開關(guān)管可用功率開關(guān)三極管，也可用可控硅二極管和其它功率開關(guān)管；在HA1正對永磁體的N極時，HA1產(chǎn)生一正向電壓信號，使K1和K3導通，而HA2正對永磁體的S極，HA2無正向電壓信號產(chǎn)生，K2和K4不導通，沒有電流流過，相當于開路，這樣電流從直流電源正極流過K1，進入線圈A的A1端，從A2端流出，流過K3，進入電源負極，此時產(chǎn)生力矩促使轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過A1位置后，HA1正對永磁體的S極，而HA2正對永磁體的N極，同理，霍爾元件HA2產(chǎn)生一正向電壓信號，使K2和K4導通，而HA1正對永磁體的S極，HA1無正向電壓信號產(chǎn)生，K1和K3不導通，相當于開路，這樣電流從直流電源正極流過K2，進入線圈A的A2端，從A1端流出，流過K4，進入電源負極，此時產(chǎn)生力矩促使轉(zhuǎn)子繼續(xù)向逆時針方向轉(zhuǎn)動；對與線圈A平行的線圈B、C、D等等，其控制原理與A相同，這樣，不管永磁體轉(zhuǎn)到什么方向(或是在起動時)，電流經(jīng)控制電路控制，其方向始終是使電流產(chǎn)生的磁場的方向與永磁體磁場方向垂直，并且產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在任何時候都使轉(zhuǎn)子向同一方向轉(zhuǎn)動；如前所述，電動機效率是很高的，除去相鄰永磁體之間需要一定間距(中間放置非導磁體，其間只有很少量的磁力線通過)外，在其余位置永磁體磁場與線圈電流產(chǎn)生磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電動機效率高達90％左右；如前所述，電動機起動轉(zhuǎn)矩是很大的，在起動時，減去功率開關(guān)管電壓降(此電壓降很小)，作用在線圈上的有效電壓約等于電源電壓；而在轉(zhuǎn)動時，由于線圈切割永磁體磁力線，會產(chǎn)生反向的感應電動勢，有效電壓為電源電壓減去感應電動勢和功率開關(guān)管上電壓降，作用在線圈上的有效電壓降低了，此時轉(zhuǎn)矩小于起動時轉(zhuǎn)矩。3、通過以下辦法可以使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)第一種，在圖9中，把線圈A接線倒置，在控制電路中接A1處改為接A2，接A2處改為接A1，其余線圈依此法改接，其余元件接法和位置不變；第二種，在線圈A中，霍爾元件的位置不變，用HA1的信號控制K2和K4，用HA2的信號控制K1和K3，其余線圈一樣改動；如前所述，在控制電路中增加相應的開關(guān)，就可以方便地控制轉(zhuǎn)子和葉輪旋轉(zhuǎn)方向，從而可以方便地控制被抽動流體流動方向。4、把兩個轉(zhuǎn)向不同而流體流動方向相同、功率相同的本發(fā)明產(chǎn)品通過固定部件把定子固定在一起，兩個定子的轉(zhuǎn)矩相互抵消，不但可以減小震動和噪聲，而且不需把本發(fā)明產(chǎn)品固定在其它固定物件上。5、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以達到很高，轉(zhuǎn)速與電源電壓、負載、轉(zhuǎn)子和葉輪的重量和尺寸，在空氣中時還與空氣阻力、音障等等因素有關(guān)，在理論上轉(zhuǎn)速可高達10000轉(zhuǎn)/分以上。
由于本發(fā)明通常放置在被抽動的流體中，所以需要良好的密封，密封部位在圖2中11處，即在定子端部和轉(zhuǎn)子導磁體端部之間縫隙處密封，既可用機械密封，也可用磁性液體密封，機械密封由于磨擦而容易產(chǎn)生熱量，而磁性液體密封產(chǎn)生熱量很少，而且密封性能也很好。
在定子導磁體中由于磁場變化而產(chǎn)生熱量，在電磁線圈中有電流流過也會產(chǎn)生熱量，這兩種熱量來源是本發(fā)明中產(chǎn)生的主要熱量，本發(fā)明采用的是外接冷卻管的內(nèi)部循環(huán)冷卻方式用導熱性能好的金屬管作為冷卻管，冷卻管兩端從定子兩端端部接入，與定子和轉(zhuǎn)子之間空隙接通，在定子周圍安裝多個冷卻管，如圖1、2中所示；在轉(zhuǎn)子非導磁體上有一些微微凸起的斜條(如圖1中所示，其突起高度大大小于定子與轉(zhuǎn)子之間間隙寬度)；在轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙和冷卻管內(nèi)充滿冷卻液或冷卻氣，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于非導磁體上斜條的作用，使冷卻液或冷卻氣流入冷卻管一端，經(jīng)過冷卻管向外散熱，從另一端流入定子與轉(zhuǎn)子之間間隙，由于保護外殼不是密閉的(如圖1中所示)，所以冷卻管可以在被抽動的流體中散熱，有較好的散熱作用；如果這樣散熱的效率達不到要求，還可以從外部對冷卻管進行冷卻，以增強散熱效果。被抽動流體流過泵時，與轉(zhuǎn)子導磁體和葉輪片等部件接觸，也可帶走一部分熱量。
本發(fā)明外部無運動部件，在作為機動船(或艇)的動力時一般不會對水中生物造成傷害。但在轉(zhuǎn)子圓筒內(nèi)有葉輪高速旋轉(zhuǎn)，對流過液體中生物可能造成傷害，本發(fā)明加了一隔離網(wǎng)，隔離網(wǎng)由強度較高的硬質(zhì)線條(如金屬條)構(gòu)成，其兩端與定子兩端連接，這樣，大于網(wǎng)格的生物可從葉輪旋轉(zhuǎn)時形成的中間空洞通過，不會割傷。如果在流體流入的一端端部加上隔離網(wǎng)，本發(fā)明也可以不用內(nèi)部隔離網(wǎng)。因此本發(fā)明一般不會對流體中生物造成傷害，從而起到環(huán)保的作用。
本發(fā)明在作為船或艇等運動機械的動力用時，要考慮到本發(fā)明的外型所造成的阻力，為減小阻力，可以在兩端部環(huán)繞定子各加上一圈硬質(zhì)錐形體(如圖2中12所示)。
本發(fā)明既可作為抽水泵使用，也可作為船、潛水艇等運動機械的動力使用，還可以作為產(chǎn)生高壓、高速射流的水槍或氣槍使用，等等，用途較為廣泛；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，與一般的泵相比，減少了很多部件，減輕了重量，也節(jié)約了時間和人力，節(jié)約制造成本至少在20％以上；由于減少了運動部件，而節(jié)省了電力在20％以上，而且噪聲也較低。因此，本發(fā)明具有很大的實用價值和廣闊的市場前景。
權(quán)利要求
1.直流無刷高效電動機潛水泵是把電動機和潛水泵高度結(jié)合在一起的、主要能實現(xiàn)水泵作用的、由自身電動機帶動的一種機械電子產(chǎn)品，其特征在于直流電動機部分的轉(zhuǎn)子主要由永磁體和導磁體組成，呈圓筒狀，中間為一圓柱狀空心，導磁體在內(nèi)，永磁體在外，兩者緊密相連；永磁體有偶數(shù)塊，從橫截面看，兩鄰兩塊永磁體之間有一定間隙(比永磁體寬度小得多)，并且朝外的磁場極性相反；定子導磁體在永磁體外，也呈圓筒狀；定子導磁體與永磁體之間有一較小的間隙；定子導磁體中開有徑向槽，槽內(nèi)有電磁線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1，其特征在于泵的結(jié)構(gòu)是在導磁體內(nèi)壁上有葉輪片(轉(zhuǎn)子導磁體與葉輪片制作成一體)，葉輪片形狀略為“S”形或反“S”形，葉輪片在越接近轉(zhuǎn)子導磁體處就越厚，越接近轉(zhuǎn)子導磁體中心軸線處就越薄，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉輪跟著旋轉(zhuǎn)，葉輪中心處形成一圓柱狀空心。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1，其特征在于在每相鄰兩塊永磁體之間有厚度與永磁體相同的非導磁體，固定在轉(zhuǎn)子導磁體上，朝外的一側(cè)有略微凸起的斜條(其凸起高度大大小于永磁體與定子導磁體之間間隙寬度)，從橫截面看略呈半圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1，其特征在于電磁線圈繞組數(shù)量為永磁體個數(shù)的一半；每個繞組內(nèi)線圈個數(shù)由導磁體和永磁體尺寸大小、電動機功率等因素而定；線圈放置在定子導磁體中的徑向槽內(nèi)，線圈之間平行交錯排列，每一個繞組近一半的線圈正對永磁體的N極，另外近一半的線圈正對永磁體的S極。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1，其特征在于本發(fā)明控制電路主要由霍爾元件和功率開關(guān)管組成；在每個線圈兩端分別放置一個霍爾元件，正對永磁體，用霍爾元件產(chǎn)生的電壓信號控制線圈內(nèi)電流方向，從而控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向；控制霍爾元件的磁場由永磁體產(chǎn)生的主磁場提供。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1和3，其特征在于冷卻系統(tǒng)由冷卻液(或冷卻氣)和冷卻管組成；冷卻管兩端與定子相接，與定子和轉(zhuǎn)子之間空隙相通，冷卻管管體在定子之外，在冷卻管內(nèi)、定子和轉(zhuǎn)子之間空隙充滿冷卻液(或冷卻氣)；當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，非導磁體跟著旋轉(zhuǎn)，在其上的凸起的斜條使冷卻液(或冷卻氣)在定子和轉(zhuǎn)子之間空隙、冷卻管內(nèi)流動，由冷卻管向外散熱。
全文摘要
一種把直流無刷電動機和潛水泵高度結(jié)合在一起的、由自身電動機帶動的一種電動機泵。轉(zhuǎn)子主要由永磁體和導磁體組成，呈圓筒狀；在轉(zhuǎn)子導磁體內(nèi)壁上有葉輪片，葉輪片形狀略為“S”形或反“S”形，在轉(zhuǎn)子帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪中間形成一圓柱狀空心；定子導磁體在轉(zhuǎn)子之外，其中繞有電磁線圈。通過由霍爾元件和功率開關(guān)管組成的特殊控制電路控制電流方向，從而控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉輪跟著旋轉(zhuǎn)，由于葉輪片呈彎曲狀，而使泵的一端產(chǎn)生吸力；由于離心力的作用，被吸入的流體沿葉輪片間空隙高速運動，從泵的另一端流出。其結(jié)構(gòu)比一般的電動機帶動的泵簡單，重量更輕，噪音更低，制造成本更低，效率更高。
文檔編號H02K29/00GK1747282SQ20041006084
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者李德建 申請人:李德建