CN105207528B - 一种组合式磁力耦合器及其驱动的多工况变负载双螺杆泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式磁力耦合器及其驱动的多工况变负载双螺杆泵，除了普通双螺杆泵具有的构件之外，主要还包括一种圆筒式和圆盘式磁力耦合器相组合的组合式磁力耦合器，以及起到完全密封作用的隔离套。通过磁力的作用使驱动轴带动泵轴转动，从而透过器壁实现无接触的扭矩、动能传递。本发明的一种组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵不存在普通单吸双螺杆泵轴向力过大的问题，能完全无泄漏地输送高压、腐蚀性液体及毒害液体，具有相当的安全性；且无需任何密封装置，适用于高纯度的流程，更大大拓宽了双螺杆泵的使用范围。

Description

一种组合式磁力耦合器及其驱动的多工况变负载双螺杆泵

技术领域

本发明属于机械泵领域，特别是一种组合式磁力耦合器及其驱动的多工况变负载双螺杆泵。

背景技术

双螺杆泵作为一种应用非常广泛的容积泵，具有输送介质平稳、压力脉动微弱、机械振动小、噪声低等特点，且具有很强的自吸性能，因其结构特点常用于多相混输。如用作油、气、水、微量细小固相颗粒等多相混输泵及原油输送泵，及用作石油化学工业中各种树脂、颜料、石蜡、油漆、油墨、乳胶、各种油品、原油、重油等装载和运输泵。

由于双螺杆泵的出口压力一般较高，泄漏比较严重，使用成本较低的普通机械密封将大大缩小螺杆泵的适用范围，正因其密封性的局限，螺杆泵技术发展至今尚未正式投入到危险品如：有毒、强腐蚀等液体的输送中。而对于加设隔离套并采用磁力驱动的双螺杆泵，无需使用机械密封即可保证零泄漏，因此可极大拓宽双螺杆泵的使用范围。

发明内容

本发明旨在提出一种能够平衡泵轴向力的组合式磁力耦合器，以及应用该耦合器进行驱动的且能够不使用机械密封便能保证零泄漏的一种特种双螺杆泵，依靠磁力传动加设隔离套实现有毒、强腐蚀性等液体的输送，从而保证安全、环保，亦旨在克服单吸螺杆泵的轴向力问题，从而对其进行新的磁路设计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种组合式磁力耦合器，包括外磁转子和内磁转子，所述外磁转子和内磁转子之间设有隔离套；所述外磁转子包括外磁钢体，所述外磁钢体由圆盘结构和圆筒结构两部分用螺栓连接构成，该外磁钢体的圆盘结构中心套筒通过键与输入轴的一端相连，外磁钢体圆筒结构内套轴向外磁钢，外磁钢体圆盘结构均匀嵌入多块径向外磁钢，形成环形外磁钢圈；所述内磁转子包括内磁钢体，内磁钢体与泵轴通过键相连接，所述内磁钢体圆周部位外套轴向内磁钢，并保证轴向内磁钢和轴向外磁钢轴向位置一致；所述内磁钢体尾部一端与外磁钢体圆盘结构嵌入的径向外磁钢相对应地嵌入多块径向内磁钢，形成内磁钢圈；所述轴向外磁钢、轴向内磁钢布置成拉推式组合型磁路，其磁钢以不同极性呈偶数密集交替排列，轴向外磁钢、轴向内磁钢在泵无运转时由于磁力的作用一一对应，此时内外磁钢相互吸引；所述径向外磁钢、径向内磁钢同样地以不同极性交替嵌入到外磁钢体、内磁钢体上，在泵无运转时径向外磁钢与径向内磁钢存在半个磁钢角度的偏差。

进一步，所述轴向外磁钢通过外磁钢压盖配合第二六角头螺栓紧固在外磁钢体圆筒结构上；所述轴向内磁钢通过内磁钢压盖配合第四六角头螺栓紧固在内磁钢体圆周部位。

进一步，所述轴向外磁钢、轴向内磁钢、径向外磁钢、径向内磁钢为钕铁硼永磁体。

进一步，还包括，所述隔离套为圆筒状，其材料选用非金属材料工业氧化锆陶瓷，厚度为2-4mm，隔离套夹设在内磁转子和外磁转子中间，并配合第三六角头螺栓固定在泵后盖板上。

一种组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，包括使用上述的组合式磁力耦合器、双螺杆泵、轴承外架、输入轴；所述双螺杆泵的泵轴上依次套有导轴承座、挡水推力盘、导轴承、推力弹簧、推力块、内磁转子，推力块和内磁转子之间设有推力球，内磁钢体与泵轴用键相连接；所述轴承外架分为两个腔室，内腔室和外腔室，轴承外架的一端固定在双螺杆泵后盖板上从而形成内腔室，且组合式磁力耦合器位于内腔室中；轴承外架的另一部分为外腔室，外腔室内部含有润滑油，外腔室靠近内腔室的端面为内壁，外腔室最外层端面为外壁，所述内壁与外壁的轴向中心线开有过孔，所述输入轴穿过该过孔并与前轴承、后轴承配合安装在轴承外架上。

进一步，所述导轴承座通过六角头螺钉固定在双螺杆泵的后盖板上，挡水推力盘顶住导轴承座套轴布置，导轴承顶住挡水推力盘套轴布置，导轴承座和导轴承之间套有轴套，轴套顶住导轴承座，推力弹簧夹设在轴套与导轴承、泵轴之间，推力块压住推力弹簧套轴布置；内磁钢体与推力块之间加设推力球套轴布置，用螺母进行预紧，压缩推力弹簧形成推力，保持各部件轴向位置固定。

进一步，所述轴承外架为方便螺栓安装的镂空结构，通过第一六角头螺栓固定在双螺杆泵的后盖板上。

进一步，所述输入轴外套前轴承与后轴承，穿过轴承外架、轴承座和轴承盖后通过键与外磁转子连接；所述输入轴凸缘分别与轴承座、轴承盖配合夹紧前轴承与后轴承保证其轴向位置固定。

进一步，所述轴承外架的轴承安装端前后分别安装有轴承座和轴承盖，其中轴承座配合第六六角头螺栓固定在轴承外架内壁上，轴承盖配合六角头螺栓固定在轴承外架外壁上。

本发明的一种组合式磁力耦合器及其驱动的多工况变负载双螺杆泵，优点如下：

1.与普通单吸双螺杆泵相比，几乎不存在轴向力的问题，可大大增加相关零部件的使用寿命。

2.不存在工质泄漏的问题，可安全输送腐蚀性、有毒害、有污染的液体，扩大了双螺杆泵的适用范围。

3.能适用多种负载工况，且这种磁路的磁力耦合器具有体积小、漏磁少、工作磁场强度高、结构紧凑不易滑脱、功率损耗小等优点。

4.当满足最低的传动扭矩要求时，该组合式磁力耦合器具有更小的直径，因此用磁量更少，涡流损失更小，更经济。

5.隔离套内部构件无需使用润滑油、和密封液，可用于高纯度的流程。

附图说明

图1为磁力驱动多工况变负载双螺杆泵总装配图；

图2为圆筒式密集型拉推磁力耦合器结构图；

图3为圆盘式圆端面作用磁力耦合器磁块嵌入示意图；

图4为放大后的泵轴处零件装配图。

图中：1-六角头螺钉，2-导轴承座，3-泵后盖板，4-第一六角头螺栓，5-第二六角头螺栓，6-轴向外磁钢，7-轴向内磁钢，8-外磁钢体，9-内磁钢体，10-径向内磁钢，11-径向外磁钢，12-轴承座，13-前轴承，14-挡水推力盘，15-第三六角头螺栓，16-第四六角头螺栓，17-内磁钢压盖，18-外磁钢压盖，19-轴套，20-推力弹簧，21-推力块，22-螺母，23-隔离套，24-第五六角头螺栓，25-后轴承，26-轴承盖，27-轴承外架，28-第六六角头螺栓，29-键，30-泵轴，31-输入轴，33-导轴承，34-推力球。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为磁力驱动多工况变负载双螺杆泵总装配图。一种磁力驱动多工况变负载双螺杆泵总装配图，除了常规双螺杆泵应有的结构之外，还包括组合式磁力耦合器、隔离套23、轴承外架27、输入轴31。

所述组合式磁力耦合器包括外磁转子和内磁转子，外磁转子结构方面：外磁钢体8与输入轴31通过键相连接，所述外磁钢体8由圆盘结构和圆筒结构两部分用螺栓连接构成，外磁钢体8圆筒结构内套轴向外磁钢6并用外磁钢压盖18配合第二六角头螺栓5紧固使轴向外磁钢6保持固定；外磁钢体8圆盘结构均匀嵌入16块径向外磁钢11形成环形外磁钢圈。内磁转子结构方面：内磁钢体9与泵轴30通过键相连接，所述内磁钢体9圆周部位外套轴向内磁钢7并用内磁钢压盖17配合第四六角头螺栓16紧固使轴向内磁钢7保持固定，并保证内磁钢7和外磁钢6轴向位置一致；所述内磁钢体9尾部与外磁钢体圆盘结构嵌入的径向外磁钢11相对应地嵌入16块径向内磁钢10形成内磁钢圈。在隔离套23内的泵轴30依次穿过导轴承座2、前推力盘14、导轴承20、后推力盘21和内磁转子。导轴承座2通过六角头螺钉1固定在泵后盖板3上。前推力盘14顶住导轴承座2套轴布置，导轴承20顶住前推力盘14套轴布置，导轴承座2和导轴承20之间套有轴套19，后推力盘21顶住导轴承20和轴套19套轴布置，最后，内磁转子9与泵轴30通过键相连接顶住后推力盘并用螺母22拧紧，保持轴向位置固定。隔离套23夹设在内磁转子和外磁转子中间，并配合第三六角头螺栓15固定在泵后盖板3上。输入轴31通过轴上的凸缘为前轴承13、后轴承25定位，轴承座12配合第五六角头螺栓24固定在轴承外架27内侧，轴承盖26配合第六六角头螺栓28固定在轴承外架27外侧。输入轴31外套前轴承13与后轴承25，穿过轴承外架27、轴承座12和轴承盖26后通过键与外磁转子连接；输入轴31凸缘分别与轴承座12、轴承盖26配合夹紧前轴承13与后轴承25保证其轴向位置固定。轴承外架27为方便螺栓安装的镂空结构，通过第一六角头螺栓4固定在泵后盖板3上。

上述隔离套23材料选用非金属材料工业氧化锆陶瓷，隔离套厚度即可略薄一般为2-4mm，隔离套23夹设在内磁转子和外磁转子中间，并配合第三六角头螺栓15固定在泵后盖板3上。理论上，内磁转子和外磁转子应保证与隔离套之间具有最小的工作间隙，间隙增大，消耗在间隙的磁通密度也会增加，导致转矩下降，实际情况应依照零件的加工情况以及选用的隔离套的厚度而定。

所述轴承外架27的外腔室为润滑油箱，含有润滑油，保证前轴承13与后轴承25的润滑。所述轴向外磁钢6、轴向内磁钢7、径向外磁钢11、径向内磁钢10为钕铁硼永磁体。

图2为圆筒式密集型拉推磁力耦合器结构图。从外到内依次为外磁钢体8、轴向外磁钢6、隔离套23、轴向内磁钢7以及内磁钢体9，磁钢以不同极性呈偶数密集交替排列。

图3为圆盘式圆端面作用磁力耦合器磁块嵌入示意图，所嵌入永磁块总数为16，且在隔离套23两端，内磁转子与外磁转子嵌入的永磁块外表面端具有相反的磁性，因此能产生吸力平衡双螺杆泵的产生的轴向力。图4为放大后的泵轴处零件装配图。

本发明的一种组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵工作过程如下：

泵在未运行状态下，轴向内、外磁钢在磁力的作用下一一对应，此时轴向内外磁钢相互吸引，径向内、外磁钢因角度差异存在斥力，当驱动轴旋转瞬间，内磁转子存在负载停留在初始位置，而外磁转子旋转到一定相位角，轴向内、外磁钢对应磁极下面互相吸引，相邻异极面因转动角度而相互排斥，产生的引力与斥力的合力使得外磁转子带动内磁转子旋转，受斥力作用的径向内磁钢在驱动瞬间本身具有相对于径向外磁钢的转动趋势，因此该斥力能协助轴向内、外磁钢的相互作用力对旋转快速地做出反应，当驱动力矩与负载力矩达到平衡时，内外转子同步运转，从而实现磁力驱动。而圆盘式圆端面作用磁力耦合器始终存在永磁块之间的斥力，此斥力将与双螺杆泵的产生的轴向力平衡。

本发明采用组合式磁力耦合器，即圆筒式密集型拉推磁力耦合器与圆盘式嵌入永磁块的端面作用磁力耦合器相结合再加上整体的磁路设计，使其具有下述的优点以及创新性：

对于圆筒式密集型拉推磁力耦合器，其磁钢以不同极性呈偶数密集交替排列。当启动时的外磁转子转过一定角度，其内、外磁钢对应磁极下面互相吸引，相邻异极面因转动角度而相互排斥，产生的引力与斥力的合力使得外磁转子带动内磁转子旋转，当泵处于稳定工况时，负载的阻力矩与驱动力矩达到平衡，内、外磁钢的相位角保持不变，理论上内磁钢的从动磁极位于外磁钢相邻主动磁极中间位置时，具有最大的转矩。这种磁路的磁力耦合器具有体积小、漏磁少、工作磁场强度高、结构紧凑不易滑脱、功率损耗小等优点。

而对于圆盘式嵌入永磁块的端面作用磁力耦合器，因其嵌入永磁块的对应圆盘相互吸引将产生很大的轴向力，由于双螺杆泵出口端的压力很高，压力作用在螺杆螺旋端面上也将产生极大的轴向力，把握好螺杆安装的旋向以及圆盘磁力耦合器的用磁量即可使两轴向力相抵消。

当泵开始运行，外磁钢体8开始转动时，此种圆盘式嵌入永磁块的端面作用磁力耦合器的磁路设计，其产生的合力能快速地形成较大的力矩从而协助圆筒式密集型拉推磁力耦合器加快内磁钢体转动的响应，因此具有不易滑脱的优点。随着泵出口压力增加，负载也随之增加，轴向力也随之增大，内外磁钢在该工况下稳定运行的相位角会稍微增大，从而形成更大的扭矩。这就导致圆盘式嵌入永磁块的端面作用磁力耦合器的径向内、外磁钢同极性的磁极具有更大的对影面积从而形成更大的推力，正好与增大的轴向力相抵消。理论上当径向内、外磁钢相同极性的嵌入磁块的磁极角度偏差为零，即磁极完全对应时产生的推力最大，与轴向内外磁钢配合产生的转矩也达到最大，因此以此作为该种磁力驱动双螺杆泵的最大负载工况点。此时的转速达到最高，出口压力达到最大，其轴向力平衡设计如下。

最大负载工况点的从动螺杆轴向力会附加到主动螺杆上，因此只需求得主动螺杆的轴向力，对于常用的A型双螺杆泵其轴向力可按下式计算：

其中P_ZA为介质作用在两根螺杆横截面为螺杆衬套孔面积上的轴向压力；d₂为上平衡活塞直径；P为泵出口全压；P_d为排出压力；P_f为上平衡活塞轴封腔压力；d₁为泵体外轴径；P_a为大气压。而P_ZA＝5.829873R²P,其中R为主从螺杆轴中心距。

而对于本发明，由于其结构的改变，将原设计螺杆泵出口改为进口，进口改为出口。泵出口泵轴伸出段到挡水推力盘之间的腔内的压力对上平衡活塞及对挡水推力盘的轴向力可视为大小相近方向相反，且由于大气压对轴向力影响不大可忽略不计，需对上式作出调整，调整如下：

其中：d₁为泵体外轴径，也为本设计双螺杆泵螺杆的齿根圆直径和下平衡活塞的直径。此公式也试用于其他类型的双螺杆泵，但P_ZA要根据实际衬套孔面积来确定。

对于圆盘式嵌入永磁块的端面作用磁力耦合器，径向内、外磁钢对应磁极间的最大磁推力可由以下过程推导。圆片类磁体距圆片表面X处的表场强度为：

其中：B_r为永磁体剩余磁感应强度(T)；L为圆片厚度(m)；R为圆片半径(m)；所以径向内、外磁钢单个扇环形嵌入磁极产生的磁场强度为

其中θ为单个扇环形嵌入磁极对应的圆心角；R为单个扇环形嵌入磁极长弧对应圆心角；r为单个扇环形嵌入磁极短弧对应圆心角。则径向内、外磁钢形成的磁场强度H_g＝2H_i，其相互作用力为

F＝NB_rH_gA

其中N为磁极对数，本发明N＝16；A为一对磁极的对应面积(m²)。要达到轴向力平衡，使F＝P_Z即能满足要求。

对于推力球的选用，其代替了以往磁力泵的推力盘，这样能利用滚动代替滑动，减小了摩擦损失提高了泵的运行效率。而推力弹簧除了为螺母提供可变化的预紧力，还能调节对应径向内、外磁钢的间隙，使轴向力具有可调节性，同时保护了导轴承，轴承座等受力部件，增加了其使用寿命。

此外，对于隔离套材料的选择，选用非金属材料工业氧化锆陶瓷。对于金属材料隔离套工作中会感应出电涡流，并产生热量，一方面会使磁钢的温度升高，产生退磁；另一方面，会使隔离套周围介质迅速汽化，使冷却失效，磁力矩下降，产生滑脱。在滑脱情况下，内外磁钢和隔离套产生的热量使温度上升更快，容易引发安全事故。因此，选用非金属材料工业氧化锆陶瓷，虽加工成本高于金属材料，但是在运转期间，传动效率高，可以防止磁钢温度上升过快，同时耐腐蚀性、耐热性和耐摩擦性也高，且氧化锆陶瓷具有较高的强度，可使隔离套壁厚适当减小。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种组合式磁力耦合器，其特征在于，包括外磁转子和内磁转子，所述外磁转子和内磁转子之间设有隔离套(23)；

所述外磁转子包括外磁钢体(8)，所述外磁钢体(8)由圆盘结构和圆筒结构两部分用螺栓连接构成，该外磁钢体(8)的圆盘结构中心套筒通过键与输入轴(31)的一端相连，外磁钢体(8)圆筒结构内套有轴向外磁钢(6)，外磁钢体(8)圆盘结构均匀嵌入多块径向外磁钢(11)，形成环形外磁钢圈；

所述内磁转子包括内磁钢体(9)，内磁钢体(9)与泵轴(30)通过键相连接，所述内磁钢体(9)圆周部位外套有轴向内磁钢(7)，并保证轴向内磁钢(7)和轴向外磁钢(6)轴向位置一致；所述内磁钢体(9)尾部一端与外磁钢体圆盘结构嵌入的径向外磁钢(11)相对应地嵌入多块径向内磁钢(10)，形成内磁钢圈；

所述轴向外磁钢(6)、轴向内磁钢(7)布置成拉推式组合型磁路，其磁钢以不同极性呈偶数密集交替排列，轴向外磁钢(6)、轴向内磁钢(7)在泵无运转时由于磁力的作用一一对应，此时内外磁钢相互吸引；所述径向外磁钢(11)、径向内磁钢(10)同样地以不同极性交替嵌入到外磁钢体(8)、内磁钢体(9)上，在泵无运转时径向外磁钢(11)与径向内磁钢(10)存在半个磁钢角度的偏差；

所述轴向外磁钢(6)通过外磁钢压盖(18)配合第二六角头螺栓(5)紧固在外磁钢体(8)圆筒结构上；所述轴向内磁钢(7)通过内磁钢压盖(17)配合第四六角头螺栓(16)紧固在内磁钢体(9)圆周部位；

所述轴向外磁钢(6)、轴向内磁钢(7)、径向外磁钢(11)、径向内磁钢(10)为钕铁硼永磁体。

2.根据权利要求1所述的组合式磁力耦合器，其特征在于，还包括，所述隔离套(23)为圆筒状，其材料选用非金属材料工业氧化锆陶瓷，厚度为2-4mm，隔离套(23)夹设在内磁转子和外磁转子中间，并配合第三六角头螺栓(15)固定在泵后盖板(3)上。

3.一种组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，其特征在于，包括使用上述权利要求1至2所述的组合式磁力耦合器、双螺杆泵、轴承外架(27)、输入轴(31)；

所述双螺杆泵的泵轴(30)上依次套有导轴承座(2)、挡水推力盘(14)、导轴承(33)、推力弹簧(20)、推力块(21)、内磁转子，推力块(21)和内磁转子之间设有推力球(34)，内磁钢体(9)与泵轴(30)用键相连接；

所述轴承外架(27)分为两个腔室，内腔室和外腔室，轴承外架(27)的一端固定在双螺杆泵后盖板(3)上从而形成内腔室，且组合式磁力耦合器位于内腔室中；轴承外架(27)的另一部分为外腔室，外腔室内部含有润滑油，外腔室靠近内腔室的端面为内壁，外腔室最外层端面为外壁，所述内壁与外壁的轴向中心线开有过孔，所述输入轴(31)穿过该过孔并与前轴承(13)、后轴承(25)配合安装在轴承外架(27)上。

4.根据权利要求3所述的组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，其特征在于，所述导轴承座(2)通过六角头螺钉(1)固定在双螺杆泵的后盖板(3)上，挡水推力盘(14)顶住导轴承座(2)套轴布置，导轴承(33)顶住挡水推力盘(14)套轴布置，导轴承座(2)和导轴承(33)之间套有轴套(19)，轴套(19)顶住导轴承座(2)，推力弹簧(20)夹设在轴套(19)与导轴承(33)、泵轴(30)之间，推力块(21)压住推力弹簧(20)套轴布置；内磁钢体(9)与推力块(21)之间加设推力球(34)套轴布置，用螺母(22)进行预紧，压缩推力弹簧(20)形成推力，保持各部件轴向位置固定。

5.根据权利要求3所述的组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，其特征在于，所述轴承外架(27)为方便螺栓安装的镂空结构，通过第一六角头螺栓(4)固定在双螺杆泵的后盖板(3)上。

6.根据权利要求3所述的组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，其特征在于，所述输入轴(31)外套前轴承(13)与后轴承(25)，穿过轴承外架(27)、轴承座(12)和轴承盖(26)后通过键与外磁转子连接；所述输入轴(31)凸缘分别与轴承座(12)、轴承盖(26)配合夹紧前轴承(13)与后轴承(25)保证其轴向位置固定。

7.根据权利要求6所述的组合式磁力耦合器驱动的多工况变负载双螺杆泵，其特征在于，所述轴承外架(27)的轴承安装端前后分别安装有轴承座(12)和轴承盖(26)，其中轴承座(12)配合六角头螺栓(24)固定在轴承外架(27)内壁上，轴承盖(26)配合第六六角头螺栓(28)固定在轴承外架(27)外壁上。