CN106300798A - 一种无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统 - Google Patents

Abstract

一种无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，涉及一种带有多极永磁体旋转主轴的无轴封电泵，特别涉及一种永磁调速、无动密封、感应式的异步永磁调速机泵动力传输结构。利用绝缘、非磁性材料制作的绝缘定子密封腔将嵌入永磁体的主轴密封在电泵内部，通过电动机带动外转子切割磁力线，产生感应电流，利用感应电流在磁场中受力的反作用力带动永磁内转子转动，进而传递动能。该方法将磁力离心泵的永磁耦合、无动密封的特点与永磁调速器磁耦合节能调速的特性相融合，揭示了一种无动密封、无泄漏风险、节能环保的调速电泵结构，并提出了相应的电泵速度PID控制方法。

Description

一种无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统

技术领域

本发明涉及一种带有多极永磁体旋转主轴的无轴封电泵，特别涉及一种永磁调速、无动密封、感应式的异步永磁调速机泵动力传输系统。

背景技术

磁力离心泵是在常规离心泵的基础上,借助静磁场之间的作用力，采用磁力耦合实现力矩无接触传递的一种电泵。它是无轴封、无泄漏、耐腐蚀、无污染的新型环保型离心式泵。

磁力离心泵通常由泵体、隔离套及连接部件组成能够承受压力的密封腔体。在密封腔体的外部有一个旋转的永磁场，并通过磁场的作用，带动密封腔体内部的永磁转子部件同步旋转，而密封腔体内部的转子部件带动叶轮实现对流体的做功。由于由定子部件组成的密闭的密封腔体不存在动密封，并且带动叶轮做功的旋转轴不穿出密闭的密封腔，从而保证了磁力泵的零泄露、无污染。

磁力离心泵系统通常由电动机、磁力耦合器和离心泵组成，其主要特点是利用磁力耦合器传递动力，当电动机带动磁力耦合器外磁转子旋转时,磁力线穿过间隙和隔离套，作用于内磁转子上，使泵转子与电动机同步旋转。整个力矩传递过程无机械接触，由于液体被封闭在静止的隔离套内，在泵轴的动力输入端没有动密封，因而流体完全在密封腔内，没有外泄的缝隙，达到了无泄漏的技术要求。

磁力离心泵在水力上遵循了原离心泵的优点及特性。它取消了传统的机械密封装置，将电动机与泵的刚性连接改为无接触的柔性连接，从根本上消除了轴封泄漏。但是由于其外转子和内转子都是由永磁体构成的同步耦合机构，因此电泵的内转子转速等于电机带动的外传子转速，因而磁力耦合器本身不具备调速的特性。要想改变这种电泵的转速，必须通过电力电子的方法调节电机的转速。

另一方面，永磁调速器(永磁联轴器)是近年来国际上开发的一项突破性新技术，是专门针对风机、泵类离心负载调速节能的实用性技术。永磁调速器是透过气隙传递转矩的革命性传动设备,电机与负载设备转轴之间无需机械连结,电机旋转时带动一个导体盘，在装有强力磁铁的永磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导体盘中产生涡电流,该涡电流在导体盘上产生反感磁场，拉动导体盘与永磁的相对运动，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。它具有高效节能、高可靠性、无刚性连接传递扭矩、适合恶劣环 境下应用、系统整体振动小、使用寿命长等特点。其典型特征是利用永磁调磁器的磁耦合度调节实现电泵的转速，避开了变频器环节，不产生高次谐波污染，低转速下不造成电机发热。但是永磁调速器通常放置在电机和泵轴之间，用软连接代替硬连接，它仍然无法避免电泵转轴穿出密封腔的现实，在电泵设计中必须考虑转轴动密封的问题。

通过对磁力离心泵和永磁调速器的特性分析，我们发现如果通过机械结构的创新型设计，改变电磁耦合的作用方式，将磁力离心泵的永磁耦合、无动密封的特点与永磁调速器磁耦合节能调速的特性相融合，克服两种动力传输系统的缺点，就能设计并实现一种无动密封、无变频器的节能调速机泵系统。

发明内容

本发明专利通过对电动机与泵轴之间动力传输系统的新型机械结构设计，将磁力离心泵的永磁耦合、无动密封的特点与永磁调速器磁耦合节能调速的特性相融合，揭示了一种无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统。其关键点是无动密封、无轴封、无泄漏风险、调速和节能。

电动机与电泵之间的动力传输如附图1所示，其主体部分由多极永磁内转子4和6、绝缘定子密封腔3和外转子5等三部分组成；绝缘定子密封腔12与泵腔9之间是相通的，12内部充满泵送介质，多极永磁内转子完全位于绝缘定子密封腔内部，没有连到泵体腔外；电机通过直接带动的外转子位于密封腔外，与密封腔没有直接的机械接触；内、外转子之间的磁路由三种材料或工质构成：空气气息、绝缘定子密封腔壳体和泵送的介质。

在多极永磁内转子上镶嵌了若干个扇环柱形、径向磁化的耐高温永磁体6，其磁化方向沿径向(r方向)，空间静磁场分布如附图2所示；这些永磁体产生的磁力线沿径向从内向外依次穿过泵送介质、绝缘定子密封腔外壳和外转子，并返回形成闭合磁路；外转子外部的铁筒1和内转子内部的转轴铁芯9提供了一个高导磁的磁路闭合路径，将磁力线有效地限制在铜筒2的运动切割范围内；由于所有磁体内部的磁化方向一致，因此通过调节各个小磁体之间的间距，可以改变磁场的径向分量，从而改善外转子感受到的静磁场大小，使更多的磁力线沿径向穿过外转子；圆筒形的外转子在电机带动下旋转，切割磁力线，其内部产生感应涡流，感应涡流在静磁场中受到力的作用产生旋转阻力矩，其反力矩作用于密封腔内的永磁转子，带动泵的旋转。

通过调节外转子和绝缘定子密封腔之间的轴向距离调节内、外转子之间的轴向重合区的长度，也就是电磁感应耦合系数，进而实现电泵的调速；为了能使电磁感应耦合系数对轴向位移敏感，必须合理设计磁体的轴向长度和圆周方向上的弧度和间距角；内、外转子之间的 工作介质，包括绝缘定子密封腔壁、泵送介质和空气必须为非磁性(μ_r≈1)、导电能力弱的材料和工质；由于磁通必须流经绝缘定子密封腔壁，导致磁路气隙较宽，因此须通过增加永磁体扇环柱的长度增加电磁耦合系数和速度调节范围。

多极感应式永磁调速泵的承压能力与绝缘定子密封腔壁的厚度正相关，而绝缘定子密封腔壁的厚度受到内、外转子间气隙厚度的制约；通过增加绝缘定子密封腔壁厚度提高承压能力时，将会导致电磁耦合系数和电泵转速的下降；绝缘定子密封腔壁厚度由泵体承压值和电泵额定参数综合决定。

通过安装于绝缘定子密封腔外壁的霍尔元件探测永磁内转子的永磁场的运动，从而得到电泵转速；基于霍尔元件的电泵转速测量需要提前获得永磁内转子的磁极个数，用霍尔元件输出脉冲的频率除以磁极个数可以得到电泵的旋转频率；以霍尔元件检测的电泵转速作为受控对象，内、外转子的轴向距离作为调节参数，可构建电泵转速的PID闭环控制系统。

附图说明

图1无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统机械结构正视图。

图中：1电泵外壳，2推力轴承，3绝缘定子密封腔外壳，4内转子轴，5外转子，6内转子轴上镶嵌的径向(r方向)磁化的永磁体，7外转子与绝缘定子密封腔外壳之间的气隙，8传动系统中心轴线，9电泵内腔，10可以轴向(z方向)运动的电机输出转轴，11霍尔传感器，12充满电泵工作介质的绝缘定子密封腔。

图2 8磁极永磁内转子的空间静磁场分布。

图中：1外转子外侧铁筒，2外转子内测铜筒，3绝缘定子密封腔外气隙，4绝缘定子密封腔外壳，5绝缘定子密封腔内气隙，6永磁体安装骨架，7磁力线，8永磁体，9转轴铁芯。

图3永磁调速控制系统框图。

图中：1PID控制算法，2伺服电机位置控制系统，3永磁调速系统，4霍尔元件测速系统，5转速设定值n_s，6转速偏差n_e，7伺服控制系统接收信号设定值，8伺服控制系统输出的外转子位置，9内转子转速设定值，10霍尔元件测量的内转子转速，11比较环节。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如附图1所示，电泵的动力来源于电动机，电动机输出转轴10直接带动外转子旋转。外转子呈单边开口的圆筒形，圆筒内表面由铜材料制成，外表面骨架为软磁材料铁制成。外转 子内部是绝缘定子密封腔3，其腔壁也为圆筒形，内转子4完全位于绝缘定子密封腔10内。内、外转子之间有一定宽度的气隙7，是没有机械连接关系的。外转子与内转子的轴向(z方向)重合长度可以通过安装在电机输出转轴上的位置伺服系统调节。通过一个伺服电机通过螺杆、推力轴承和花键连接可以带动外转子沿轴向(z方向)左右移动。当重合长度增加时，电磁感应耦合度增加，在相同转差率的情况下可以增加内转子输出的转矩，带动泵体内的叶轮转动，将能量传递给流体。

外转子在外，永磁内转子在内的设计结构，很好的考虑了感应涡流散热的问题。首先选用电导率非常高的铜质材料作为外转子，大大减小了涡流的热效应，同时转动的外转子可以通过自然风冷或者水冷散热，可以提高系统的整体性能和寿命。

绝缘定子密封腔外壳3与4和6组成的内永磁转子之间是有相对运动的，因此绝缘定子密封腔3的外壁必须采用绝缘、非磁性材料，从而减小密封腔外壁对电磁感应的屏蔽作用。例如可选用高强度、高承压的玻璃钢材料。绝缘定子密封腔3与金属泵体1之间是静止不动的，只需要采用普通的静密封方法即可实现整个电泵的密封，无需动密封装置。

内转子轴4由圆柱形不锈钢骨架构成，外侧内嵌6永磁体。由于4与6之间没有相对运动，因此只需要使用不导磁的金属材料制作骨架即可，可选用不锈钢。若干个扇柱形的永磁体围绕内转子排布一周，嵌入在内转子预先成型的槽内。永磁体材料可选用耐高温的钐钴经充磁后嵌入骨架中。由于在其它参数一定的情况下，扇柱形永磁体轴向长度越长，其系统电磁耦合程度越高，相同工况下的转差率就越小，因此在空间允许的情况下应尽量增加扇柱形永磁体的轴向长度。

在绝缘定子密封腔靠近电泵端的位置处安放一个霍尔元件11，用于探测内永磁转子转动形成的磁场，这个探测信号以方波形式输出。在单位时间内对方波计数，再除以永磁内转子的磁极数可以得到内转子的转动频率，进而得到内转子转速。通过将此转速与设定的转速进行比较，也就是用实测转速减去设定转速，得到转速差，利用PID调节方法去控制位置伺服系统的输出，便可构成一个闭环的内转子转速控制系统，系统框图如附图3所示。首先转速设定值5减去霍尔元件测量的内转子转速10，得到转速偏差6，将6送入PID调节器，调节器输出设定值7，送给伺服电机位置控制系统2，控制外转子的轴向(z方向)位置。外转子的轴向位置作为永磁调速系统3的输入，3的输出便是内转子的转速，最终构成一个PID闭环控制系统。

当控制系统控制外转子沿轴向(z方向)运动时，有可能会给内转子产生轴向的扰动力，迫使内转子发生轴向窜动，因此在内转子轴4与泵外壳1之间加入推力轴承2，防止内转子向左的窜动。内转子向右的窜动由电泵左端的机械机构进行消除，动力传输系统内转子左侧 的泵体部分与通用电泵相同，在图中没有画出。

Claims (5)

1.一种无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，其特征在于电动机与电泵之间的动力传输由多极永磁内转子、绝缘定子密封腔和外转子三部分组成；绝缘定子密封腔与泵腔是一体的，多极永磁内转子完全位于绝缘定子密封腔内部，没有连到泵体腔外；电机直接带动的外转子位于密封腔外，与密封腔没有直接的机械接触；它与多极永磁内转子之间的磁路气隙由三种材料或工质构成：空气、绝缘定子密封腔壳体和泵送的介质。

2.根据权利1所述的无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，其特征在于在多极永磁内转子上镶嵌了若干个扇环柱形、径向磁化的耐高温永磁体；这些永磁体产生的磁力线沿径向从内向外依次穿过泵送介质、绝缘定子密封腔外壳和外转子，并返回形成闭合磁路；圆筒形的外转子在电机带动下旋转，切割磁力线，其内部产生感应涡流，感应涡流在静磁场中受到力的作用产生旋转阻力矩，其反力矩作用于密封腔内的永磁转子，带动泵轴的旋转。

3.根据权利1或2所述的无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，其特征在于圆筒状的外转子由铜和铁两种材料嵌套而成，外层为铁筒，内层为铜筒；通过调节外转子和绝缘定子密封腔之间的轴向距离调节内、外转子之间的轴向重合区的长度，也就是电磁感应耦合系数，进而实现电泵的调速；内、外转子之间的工作介质，包括绝缘定子密封腔壁、泵送介质和空气必须为非磁性(μ_r≈1)、导电能力弱的材料和工质；由于磁通必须流经绝缘定子密封腔壁，导致磁路气隙较宽，因而需要通过增加永磁体扇环柱的长度增加电磁耦合系数和速度调节范围。

4.根据权利1或2或3所述的无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，其特征在于多极感应式永磁调速泵的承压能力与绝缘定子密封腔壁的厚度正相关，而绝缘定子密封腔壁的厚度受到内、外转子间气隙厚度的制约；通过增加绝缘定子密封腔壁厚度提高承压能力时，将会导致电磁耦合系数和电泵转速的下降；绝缘定子密封腔壁厚度由泵体承压值和电泵额定参数综合决定。

5.根据权利1或2或3或4所述的无轴封的多极感应式永磁调速机泵动力传输系统，其特征在于通过安装于绝缘定子密封腔外壁的霍尔元件探测永磁内转子外永磁场的运动，从而得到电泵转速；基于霍尔元件的电泵转速测量需要提前获得永磁内转子的磁极个数，用霍尔元件输出脉冲的频率除以磁极个数可以得到电泵的旋转频率；以霍尔元件检测的电泵转速作为受控对象，内、外转子的轴向距离作为调节参数，通过一个控制外转子运动的位置伺服控制系统，可构建电泵内转子转速的PID闭环控制系统。