一种永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵及其工作方法

本发明属于永磁同步电机，具体涉及一种永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵及其工作方法。

背景技术：

1、磁悬浮离心泵采用磁悬浮技术，使旋转部分悬浮，处于无接触状态，相比传统离心泵的机械轴承，这样的设计消除了机械摩擦，减少了能量损失，提高了效率，此外，由于磁悬浮离心泵无需机械密封，降低了泄漏的风险，特别是在处理有毒、腐蚀性或昂贵液体时，可以防止因液体泄漏对环境和设备产生的危害。现有的磁悬浮离心泵主要由无刷直流电机驱动，但是当负载过大或长时间超过额定转速时，容易造成电机寿命缩短，而永磁同步电机具有功率密度高、调速性能好等优点，被用于驱动磁悬浮离心泵，相较于无刷直流电机，永磁同步电机省去了传统机械传动中的损耗，寿命长，但是现有的永磁同步电机具有较为严重的漏磁现象，而漏磁现象的产生会使得磁悬浮离心泵的输出转矩减小，负载能力下降，输出效率降低，损耗增加，且漏磁会导致电机过热，缩短使用寿命，因此需要设计一种漏磁现象少的永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵及其工作方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一种永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵，包括定子、泵体和转子。

4、所述定子包括底座、绕组线圈组、定子铁芯和固定座。所述固定座与底座同轴且上下间距设置；底座上固定有沿周向均布的六个定子铁芯；所述固定座内圆弧面上开设有沿周向均布的六个通槽，且每个定子铁芯远离底座的一端嵌入一个通槽内；每个定子铁芯上位于固定座和底座之间的位置绕有绕组线圈组，绕组线圈组由绕组线圈一和绕组线圈二组成；所述每个定子铁芯的内圆弧面上开设有对称布置的两个矩形槽，每个定子铁芯两侧靠近内圆弧面的位置处均设有一体成型的极靴，且极靴为尖角状；其中，绕组线圈一绕在定子铁芯上靠近底座的一端，为驱动线圈，绕组线圈二绕在定子铁芯上靠近转子的一端，为悬浮线圈，每相对设置的两个定子铁芯上的绕组线圈组为一组绕组。

5、所述泵体包括壳体、转子座、叶轮、法兰、端盖和顶座。所述固定座和底座均固定于壳体内；顶座固定于固定座上，将定子密封在壳体内，且顶座开设有输出流道，输出流道与顶座内腔连通；所述转子座固定于顶座内，且位于固定座的中心位置处；端盖固定于顶座上，且中部开设的输入流道与顶座内腔连通，法兰固定于端盖上。

6、所述转子置于转子座内，包括永磁体、转子铁芯和磁盘；所述磁盘设于转子座内，磁盘上固定有沿周向等距布置的四个转子铁芯，且每相邻两个转子铁芯之间设有一个永磁体；所述每个转子铁芯的外圆弧面上开设有对称布置的两个圆弧槽，每个转子铁芯的两侧矩形面上均开设有凹槽，每个永磁体的两侧矩形面上靠外的位置处均开设有槽口，且每个永磁体的两侧嵌入相邻两个转子铁芯上邻近的凹槽内，与相应的凹槽固定；所述叶轮设于顶座内腔处，并与各转子铁芯上远离磁盘的一端均固定；其中，永磁体的横截面为梯形，各转子铁芯的外圆弧面与各永磁体的外圆弧面组成一个圆柱面。

7、优选地，所述定子铁芯上位于绕组线圈一和绕组线圈二之间的位置固定有隔离垫。

8、优选地，所述转子铁芯与永磁体之间还通过环氧树脂胶封固定。

9、优选地，所述转子铁芯顶面中心位置开有三角形孔洞。

10、优选地，所述壳体内固定有沿周向均布的三个霍尔角度传感器和沿周向均布的三个电涡流位移传感器。

11、优选地，所述定子铁芯结构的选取过程为：设定定子铁芯横截面面积、极靴坡度以及极靴长度的取值范围，并在定子铁芯横截面面积、极靴坡度以及极靴长度的取值范围内均选取多个节点，采用正交试验法对定子铁芯横截面面积、极靴坡度以及极靴长度的取值范围内选取的节点进行组合，得到各实验组合一，采用各实验组合一通过电磁仿真软件maxwell进行仿真实验，得到预设最大功率下各实验组合一定子铁芯处的磁感应强度云图、极靴处的磁力线分布云图以及气隙磁密波形，然后选取定子铁芯的磁感应强度未超过定子铁芯的磁密饱和值，且气隙谐波畸变率和极靴处漏磁现象处于预设选取范围一内的一个实验组合一。

12、优选地，所述永磁体的尺寸选取过程为：设永磁体内侧宽度为l1，外侧位于槽口位置处的宽度为l2，槽口尺寸与永磁体横截面积不变，设定l1与l2的比值范围，在比值范围内平均选取n个的比值，且n≥5，采用选取的n个比值通过电磁仿真软件maxwell进行仿真实验，得到n个比值下的齿槽转矩和电磁转矩仿真结果，然后选取n个仿真结果中最优仿真结果所对应的比值，并在与该比值相邻的两个比值之间的范围内平均选取m个的比值，且m＞n，采用选取的m个比值通过电磁仿真软件maxwell进行仿真实验，得到m个比值下的齿槽转矩和电磁转矩仿真结果，然后选取m个仿真结果中最优仿真结果的比值，即为最优的l1与l2的比值

13、优选地，所述圆弧槽和矩形槽的尺寸选取过程为：设置圆弧槽直径r、矩形槽长宽比、转子铁芯上两圆弧槽夹角a以及定子铁芯上两矩形槽夹角的取值范围，并在圆弧槽直径r、矩形槽长宽比、转子铁芯上两圆弧槽夹角a以及定子铁芯上两矩形槽夹角的取值范围内均选取多个节点，采用正交试验法对圆弧槽直径r、矩形槽长宽比、转子铁芯上两圆弧槽夹角a以及定子铁芯上两矩形槽夹角的取值范围内选取的多个节点进行组合，得到各实验组合二，采用各实验组合二通过电磁仿真软件maxwell进行仿真实验，得到各实验组合二下的电磁转矩数据图和磁路分布云图，选取电磁转矩均值、转矩波动以及永磁体漏磁现象处于预设选取范围二内的实验组合二。

14、本发明一种永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵的工作方法，具体如下：

15、将三组绕组的绕组线圈一与一个三相交流电源的u相、v相和w相分别相接，将三组绕组的绕组线圈二与另一个三相交流电源的u相、v相和w相分别相接，将顶座的输出流道与输送管固定并连通，并将端盖的输入流道没入待输送液体液面以下；使各绕组线圈一和各绕组线圈二均通电，各绕组线圈二产生励磁悬浮磁场，励磁悬浮磁场与磁盘的磁场相互作用，使得磁盘带动各永磁体、各转子铁芯以及叶轮悬浮，同时各绕组线圈一产生励磁驱动磁场，励磁驱动磁场与各永磁体的磁场相互作用，驱动各永磁体带动磁盘、叶轮和各转子铁芯旋转，旋转的叶轮将待输送液体从端盖的输入流道引入叶轮中，并将待输送液体从顶座的输出流道输送至输送管中；

16、其中，定子铁芯上设有的极靴使得气隙增大，进而使得气隙磁密波形的谐波畸变率降低，磁悬浮离心泵运行时的稳定性提高，且由于极靴的形状为尖角状，使得极靴的横截面积减小，进而使得极靴的磁阻提高，通过的磁通量减少，同时由于定子铁芯上开设的矩形槽对磁路分布进行调整，使得绕组线圈组产生的磁力线未穿过气隙而从极靴处自行闭合的现象减少；此外，永磁体的横截面形状为梯形，永磁体的外圆弧面与气隙之间未设置转子铁芯，使得永磁体外圆弧面处产生的磁力线直接穿过气隙与绕组线圈组产生的磁力线形成闭合磁路，磁力线闭合路径缩短，且圆弧槽与矩形槽共同作用，使得永磁体在相邻转子铁芯与正对的定子铁芯产生闭合磁路的现象减少。

17、本发明具有以下有益效果：

18、1、本发明所提出的以特定结构的永磁同步电机驱动的磁悬浮离心泵，能够实现对液体的输送工作，且本发明使用的特定结构的永磁同步电机，在传统永磁同步电机的结构基础上进行了改进，使得漏磁现象减少，增大了输出转矩、负载能力和输出效率，减少了损耗，提高了使用寿命。具体地，本发明通过各定子铁芯上开设的圆弧槽，以及各转子铁芯上开设的矩形槽实现了对整个磁路分布的优化调整，减少了漏磁现象，提高了永磁体的利用率，进而提高了电磁转矩，从而提高了输出转矩和负载能力，提高了输出效率降低，降低了损耗，增加了使用寿命，并且还减弱了定子与转子之间的齿槽转矩，提高转子运行的稳定性，进而提高了磁悬浮离心泵控制的精确性；进一步，本发明采用梯形永磁体代替传统的矩形永磁体，并使梯形永磁体的外圆弧面与气隙直接接触，缩短了磁力线闭合路径，降低了磁力线的损耗，进一步提高了永磁体的利用率，提高了电磁转矩，提高了输出转矩和负载能力，同时梯形永磁体的使用还优化了磁路分布，避免了因转子铁芯局部磁感应强度远超材料的磁密饱和值而引起的波动现象的发生。

19、2、本发明通过在各定子铁芯上设置极靴，增大转子与定子之间的气隙，使得气隙磁密波形的谐波畸变率降低，进而使得磁悬浮离心泵运行时的稳定性提高，且本发明中的极靴形状设置为尖角状，使得极靴的横截面积减小，进而使得极靴的磁阻提高，通过的磁通量减少，同时由于相应定子铁芯上矩形槽对磁路分布的调整，使得线圈产生的磁力线穿过气隙与永磁体或磁盘产生的磁力线闭合，线圈产生的磁力线未穿过气隙而从极靴处自行闭合的现象减少，在提高磁悬浮离心泵运行稳定性的同时，进一步减少了漏磁现象。

20、3、本发明中转子铁芯与永磁体采用镶嵌的方式进行固定，并采用了灌胶封装工艺，增加了转子的整体机械强度，有效减缓了运行时产生的振动，避免了共振现象的产生，降低了噪音水平，且本发明采用了热导率高的环氧树脂，提高了胶封后转子的散热能力，进一步延长了使用寿命。