CN106468268A - 磁浮转子机构 - Google Patents

Abstract

一种磁浮转子机构，包括第一径向磁浮轴承、第二径向磁浮轴承、马达模组、流力元件机构及转轴。流力元件机构包括第一轴向磁浮轴承、第二轴向磁浮轴承及叶轮。叶轮用以推动一流体且作为推力盘。流力元件机构、第一径向磁浮轴承、马达模组与第二径向磁浮轴承系依序排列。本发明将叶轮作为轴向推力盘，轴向磁浮轴承同时可作为流力元件，使磁浮转子机构更为紧实并简化安装程序，且转子受热膨胀对推力盘位置影响降低，可同时提升磁浮转子的轴向位移稳定度，并达到叶轮端精密间隙的要求。

Description

磁浮转子机构

技术领域

本发明是有关于一种磁浮转子机构，且特别是有关于一种应用于流体机械的磁浮转子机构。

背景技术

传统用于对流体作功的磁浮转子机构包括叶轮、转轴、二个径向磁浮轴承、推力盘及二个轴向磁浮轴承，推力盘位于二个轴向磁浮轴承之间，叶轮则置于转轴的一端。当轴向磁浮轴承通电，可对推力盘产生磁吸力，以控制磁浮转子的轴向位移。

然而，推力盘及轴向磁浮轴承通常与叶轮间有一段距离，再加上转子受热膨胀伸长，导致轴向磁浮轴承与叶轮之间的误差加大(离愈远误差量愈大)，使得轴向磁浮轴承难以稳定地控制磁浮转子的轴向位移，抑或者使得叶轮端无法保持精密间隙的要求。

发明内容

本发明有关于一种磁浮转子机构，将叶轮作为轴向推力盘，轴向磁浮轴承同时可作为流力元件，使磁浮转子机构更为紧实并简化安装程序，且转子受热膨胀对推力盘位置影响降低，可同时提升磁浮转子的轴向位移稳定度，并达到叶轮端精密间隙的要求。

依照本发明一实施例，提出一种磁浮转子机构。磁浮转子机构包括一第一径向磁浮轴承、一第二径向磁浮轴承、一马达模组、一流力元件机构及一磁浮转子。流力元件机构包括一第一轴向磁浮轴承、一第二轴向磁浮轴承及一叶轮。叶轮位于第一轴向磁浮轴承与第二轴向磁浮轴承之间，其中叶轮用以推动一流体且作为一推力盘。磁浮转子穿过流力元件机构、第一径向磁浮轴承、马达模组与第二径向磁浮轴承，其中流力元件机构、第一径向磁浮轴承、马达模组与第二径向磁浮轴承系依序排列。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的应用于流体机械的磁浮转子机构的剖视图。

图2绘示图1的磁浮转子机构的局部2’的放大图。

图3A绘示依照本发明一实施例的叶轮的外观图。

图3B绘示图3A的叶轮的前视图。

图4绘示图2的流力元件机构的电流与控制力关系图。

图5绘示依照本发明另一实施例的磁浮转子机构的局部剖视图。

图6绘示依照本发明另一实施例的磁浮转子机构的局部剖视图。

其中，附图标记

100、200、300：磁浮转子机构

105、205：壳体

105s1：第一壁面

105s2：第二壁面

1051：突出部

110：转轴

111：固定端

110s1：第一端面

120：第一径向磁浮轴承

130：马达模组

140：第二径向磁浮轴承

150、250：流力元件机构

151：叶轮

151s1：第一叶轮侧面

151s2：第二叶轮侧面

1511：推力盘

1512：叶片

152、252：第一轴向磁浮轴承

152s1：第一内侧面

152s2：第三外侧面

1521、1531：线圈

153、253：第二轴向磁浮轴承

153s1：第二内侧面

153s2：第四外侧面

154：第一辅助轴承

154s1：第一外侧面

155：第二辅助轴承

155s1：第二外侧面

160：固定件

160s1：第二端面

170：第一位置传感器

180：第二位置传感器

252s：第一抵接面

252r：第一凹部

253s：第二抵接面

253r：第二凹部

250r：流道

252u：第一顶面

253u：第二顶面

C1、C2：曲线

H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7：距离

S1、S2、S3、S4：间距

M1：第一标记

M2：第二标记

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

图1绘示依照本发明一实施例的应用于流体机械的磁浮转子机构100的剖视图，而图2绘示图1的磁浮转子机构100的局部2’的放大图。

磁浮转子机构100例如是泵，可驱动流体至一远处或高处。磁浮转子机构100包括壳体105、转轴110、第一径向磁浮轴承120、马达模组130、第二径向磁浮轴承140、流力元件机构150、固定件160、第一位置传感器170及第二位置传感器180。虽然图未绘示，然本发明实施例可更包括一控制器，以控制转轴110、第一径向磁浮轴承120、马达模组130、第二径向磁浮轴承140、流力元件机构150、第一位置传感器170及第二位置传感器180的运作。

转轴110穿过流力元件机构150、第一径向磁浮轴承120、马达模组130与第二径向磁浮轴承140，其中流力元件机构150、第一径向磁浮轴承120、马达模组130与第二径向磁浮轴承140从转轴110的前端往后端的方向依序排列。

如图2所示，流力元件机构150包括叶轮151、第一轴向磁浮轴承152、第二轴向磁浮轴承153、第一辅助轴承154及第二辅助轴承155。叶轮151位于第一轴向磁浮轴承152与第二轴向磁浮轴承153之间。于壳体105的突出部1051、第一轴向磁浮轴承152与第二轴向磁浮轴承153之间形成流道。叶轮151固定于转轴110上，使当转轴110转动时，叶轮151可推动流体流动。

第一轴向磁浮轴承152及第二轴向磁浮轴承153分别设于壳体105的突出部1051上，例如以螺合方式分别固定于突出部1051的相对的第一壁面105s1与第二壁面105s2上。

叶轮151可作为推力盘。详细地说，第一轴向磁浮轴承152的线圈1521通电后，叶轮151与第一轴向磁浮轴承152之间可产生磁力，以驱动转轴110进行轴向位移(例如将转轴110往+Z轴向推动)；相似地，第二轴向磁浮轴承153的线圈1531通电后，叶轮151与第二轴向磁浮轴承153之间可产生磁力，以驱动转轴110进行轴向位移(例如将转轴110往-Z轴向推动)。透过控制第一轴向磁浮轴承152及/或第二轴向磁浮轴承153的电流，可控制转轴110的轴向位移量。

请参见第3A及3B图，图3A绘示依照本发明一实施例的叶轮151的外观图，而图3B绘示图3A的叶轮151的前视图。本实施例中，叶轮151为圆盘型，然可视需求设计成不同外型。叶轮151包括推力盘1511及多个叶片1512，其中叶片1512设于推力盘1511的外缘。叶片1512可作为流力元件。详细来说，叶片1512可对流体作功，以建立流体的扬程。在一实施例中，叶轮151具有导磁性，其材料例如是具导磁性的主轴用钢、低碳钢等。

第一辅助轴承154及第二辅助轴承155分别设于第一轴向磁浮轴承152及第二轴向磁浮轴承153上。第一辅助轴承154具有第一外侧面154s1，而第二轴向磁浮轴承155且具有第二外侧面155s1，其中转轴110的第一端面110s1与固定件160的第二端面160s1之间的距离为H1，第一辅助轴承154的第一外侧面154s1与第二轴向磁浮轴承155的第二外侧面155s1之间的距离为H2；在本实施例中，距离H1大于距离H2，使磁浮转子机构100在正常使用下，第一辅助轴承154及第二辅助轴承155不会与第一轴向磁浮轴承152及第二轴向磁浮轴承153干涉。

第一辅助轴承154及第二辅助轴承155可避免第一轴向磁浮轴承152及第二轴向磁浮轴承153受到撞击破坏。详细来说，叶轮151具有相对的第一叶轮侧面151s1及第二叶轮侧面151s2，其中第一叶轮侧面151s1面向第一轴向磁浮轴承152的第一内侧面152s1，第二叶轮侧面151s2面向第二轴向磁浮轴承153的第二内侧面153s1。叶轮151的第一叶轮侧面151s1与第一轴向磁浮轴承152的第一内侧面152s1之间的间距为S1，固定件160的第二端面160s1与第二辅助轴承155的第二外侧面155s1之间的间距为S2；在本实施例中，间距S2小于间距S1，使当转轴110的-Z轴向相对位移量超过间距S2时，转轴110会先撞到第二辅助轴承155，而非叶轮151先撞到第一轴向轴承152，如此可避免叶轮151与第一轴向磁浮轴承152受到撞击破坏。

相似地，叶轮151的第二叶轮侧面151s2与第二轴向磁浮轴承153的第二内侧面153s1之间的间距为S3，转轴110的第一端面110s1与第一辅助轴承154的第一外侧面154s1之间的间距为S4；在本实施例中，间距S4小于间距S3，使当转轴110的+Z轴向相对位移量超过间距S4时，转轴110会先撞到第一辅助轴承154，而非叶轮151先撞到第二轴向磁浮轴承153，如此可避免叶轮151与第二轴向磁浮轴承153受到撞击破坏。

第一位置传感器170例如是轴向位置传感器。第一位置传感器170的侦测方向对准转轴110的第一标记M1。第一位置传感器170可透过侦测第一标记M1的位置判断转轴110的轴向位置。当第一位置传感器170的侦测方向对准转轴110的第一标记M1时，叶轮151的中心对准突出部1051的中心，此时间距S1与间距S3大致上相等；如此一来，当第一位置传感器170感知到第一标记M1偏位时，表示叶轮151已产生轴向位移，则第一轴向磁浮轴承152及第二轴向磁浮轴承153可控制转轴110进行轴向位移，让第一标记M1的中心大致上或精准地对准第一位置感测器170的中心。上述偏位的原因可能是转轴110的振动或其它原因所引起。

第二位置传感器180例如是径向位置传感器。第二位置传感器180对准转轴110的第二标记M2。第二位置传感器180可透过侦测第二标记M2的位置判断转轴110上第二标记M2的径向位置，而第一径向磁浮轴承120(绘示于图1)可控制转轴110进行径向位移，以控制转轴110上第二标记M2的径向位置。同理，在靠近第二径向轴承140的地方也安装同样的径向位置感测器与第二标记M2，以控制转轴110在第二径向轴承140端的径向位置。

图4绘示流力元件机构150的电流与控制力的关系图。图中的曲线C1表示推力盘(即叶轮151)与轴向磁浮轴承的间距S1与间距S3相异时的电流与控制力的输出关系，而直线C2表示间距S1与间距S3相等时的电流与控制力的输出关系。比较曲线C1及C2可知，当间距S1与间距S3相等时，控制力输出为线性；当间距S1与间距S3相异时，控制力输出为非线性。相较于非线性控制曲线，线性的控制力输出较有助于稳定地控制转轴110的位置。当推力盘与轴向感测标记间存在一段距离，且转轴110受热膨胀时，以上非线性控制力输出的情形将会发生。在一般公知的磁浮转子系统中，推力盘与叶轮为不同元件，因此，轴向标记与推力盘之间和轴向标记与叶轮之间各有一段不相同的距离，为了保持叶轮的效率，轴向标记通常会选择靠叶轮较近的位置，使得轴向标记与叶轮的主轴热膨胀量可以忽略，从而保持叶轮的间隙不变。然而，也因此使得轴向标记与推力盘的距离较长，轴向力常常受到主轴膨胀的影响变成非线性输出。

由于本发明实施例的叶轮151本身可作为推力盘，因此可以设置第一标记M1尽量靠近叶轮151的位置(即距离L1缩短)，使推力盘(即叶轮151)位置的热膨胀量最小；如此一来，本发明实施例的推力盘151与第一轴向轴承152的间距S1及推力盘151与第二轴向轴承153的间距S3可视为不受主轴110热膨胀影响，使轴向推力盘151在控制力的输出上可维持线性关系(如图4的曲线C2所示)，以提升磁浮转子机构100在运转上的稳定度。

此外，如图2所示，转轴110包括固定端111，固定件160可固定于固定端111。本实施例中，固定端111与固定件160分别具有相配合的螺纹，使固定端111与固定件160可彼此螺合，以固定转轴110与固定件160的相对位置。

转轴110的第一端面110s1与第一辅助轴承154的第一外侧面154s1之间的间距S4及第二端面160s1与第二外侧面155s1之间的间距S2可由下式(1)决定。

S2+S4＝H1-(H3+H4+H5+H6+H7)........(1)

式(1)中，H3表示突出部1051的第一壁面105s1与第二壁面105s2之间的距离，H4表示突出部1051的第一壁面105s1与第一轴向磁浮轴承152的第三外侧面152s2的距离，H5表示突出部1051的第二壁面105s2与第二轴向磁浮轴承153的第四外侧面153s2的距离，H6表示第一轴向磁浮轴承152的第三外侧面152s2与第一辅助轴承154的第一外侧面154s1的距离，H7表示第二轴向磁浮轴承153的第四外侧面153s2与第二辅助轴承155的第二外侧面155s1的距离。距离H3、H4、H5、H6及H7可于元件设计阶段决定，使间距S2及S4可于元件设计阶段决定，进而决定间距S1及S3的数值范围，以获得预设或预期的电流与控制力输出关系。

由于本发明实施例的叶轮151可做为推力盘，且叶轮151、第一轴向磁浮轴承152与第二轴向磁浮轴承153互相邻近设置，使距离H3、H4、H5、H6及H7的范围集中在小范围内(如集中在转轴110的前端或突出部1051附近)，如此可缩小公差累积量，增加组装后磁浮转子机构100的间距S2及S4的精度。此外，由于叶轮151可做为推力盘，因此本发明实施例可省略额外的推力盘成本及组装工序，使磁浮转子机构100在组装上更简单且体积更小。

图5绘示依照本发明另一实施例的磁浮转子机构200的局部剖视图。磁浮转子机构200包括壳体105、转轴110、第一径向磁浮轴承120(未绘示)、马达模组130(未绘示)、第二径向磁浮轴承140(未绘示)、流力元件机构250、固定件160、第一位置传感器170及第二位置传感器180。

流力元件机构250包括叶轮151、第一轴向磁浮轴承252、第二轴向磁浮轴承253、第一辅助轴承154及第二辅助轴承155。与上述实施例磁浮转子机构100不同的是，本发明实施例的磁浮转子机构200的第一轴向磁浮轴承252具有第一抵接面252s及第一凹部252r，其中第一凹部252r从第一抵接面252s内凹，而第二轴向磁浮轴承253具有第二抵接面253s及第二凹部253r，其中第二凹部253r从第二抵接面253s内凹。此外，第一抵接面252s与第二抵接面253s相抵接，使第一凹部252r与第二凹部253r之间形成一流道250r。叶轮151转动时，流体于流道250r内受到叶轮151的推动。

进一步地说，本发明实施例的第一轴向磁浮轴承252及第二轴向磁浮轴承253可作为流道盖板，叶轮151设于其内，并于其内推动流体。如此，磁浮转子机构200可省略额外的流道盖板成本及组装工序，使磁浮转子机构100在组装上更简单且体积更小。

此外，虽然图未绘示，然第一轴向磁浮轴承252及/或第二轴向磁浮轴承253可具有流体入口及流体出口，流体从流体入口进入到叶轮151，叶轮151推动流体往流体出口输送，使流体可往高处或远处输送。

第一轴向磁浮轴承252及第二轴向磁浮轴承253分别具有第一顶面252u及第二顶面253u，其可透过螺合方式(未绘示)固定于磁浮转子机构200的壳体205。本实施例中，壳体205可省略图2的突出部1051。

图6绘示依照本发明另一实施例的磁浮转子机构300的局部剖视图。磁浮转子机构300包括壳体105、转轴110、第一径向磁浮轴承120(未绘示)、马达模组130(未绘示)、第二径向磁浮轴承140(未绘示)、流力元件机构250、固定件160、第一位置传感器170及第二位置传感器180。

在本实施例中，流力元件机构250包括叶轮151、第一轴向磁浮轴承252、第二轴向磁浮轴承253、第一辅助轴承154及第二辅助轴承155。与上述磁浮转子机构200不同的是，本发明实施例的磁浮转子机构300的第一轴向磁浮轴承252及第二轴向磁浮轴承253分别固定于壳体105的突出部1051的第一壁面105s1及第二壁面105s2，使壳体105、第一轴向磁浮轴承252与第二轴向磁浮轴承253之间形成流道250r。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种应用于流体机械的磁浮转子机构，其特征在于，包括：

一第一径向磁浮轴承；

一第二径向磁浮轴承；

一马达模组；

一流力元件机构，包括：

一第一轴向磁浮轴承；

一第二轴向磁浮轴承；及

一叶轮，位于该第一轴向磁浮轴承与该第二轴向磁浮轴承之间，其中该叶轮用以推动一流体且作为一推力盘；以及

一转轴，穿过该流力元件机构、该第一径向磁浮轴承、该马达模组与该第二径向磁浮轴承，其中该流力元件机构、该第一径向磁浮轴承、该马达模组与该第二径向磁浮轴承依序排列。

2.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，更包括一壳体，该壳体具有一突出部，该叶轮的中心对准该突出部的中心。

3.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，更包括一壳体，该壳体具有相对的一第一壁面与一第二壁面，该第一轴向磁浮轴承与该第二轴向磁浮轴承分别固设于该第一壁面与该第二壁面。

4.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，该转轴具有一第一端面，该磁浮转子机构更包括：

一固定件，具有一第二端面；

其中，该流力元件机构更包括：

一第一辅助轴承，设于该第一轴向磁浮轴承上且具有一第一外侧面；及

一第二辅助轴承，设于该第二轴向磁浮轴承上且具有一第二外侧面；

其中，该第一端面与该第二端面之间的距离大于该第一外侧面与该第二外侧面之间的距离。

5.如权利要求4所述的磁浮转子机构，其特征在于，该叶轮具有相对的一第一叶轮侧面及一第二叶轮侧面，该第一叶轮侧面面向该第一轴向磁浮轴承的一第一内侧面，该第二叶轮侧面面向该第二轴向磁浮轴承的一第二内侧面，该第一叶轮侧面与该第一内侧面之间的间距大于该第二端面与该第二外侧面之间的间距，而该第二叶轮侧面与该第二内侧面之间的间距大于该第一端面与该第一外侧面之间的间距。

6.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，更包括：

一第一位置传感器，邻近该流力元件机构设置，用以侦测该转轴于一第一方向的位置。

7.如权利要求6所述的磁浮转子机构，其特征在于，该第一位置传感器为轴向位置传感器，该第一方向为轴向。

8.如权利要求6所述的磁浮转子机构，其特征在于，更包括：

一第二位置传感器，邻近该流力元件机构设置，用以侦测该转轴沿一第二方向的位置。

9.如权利要求8所述的磁浮转子机构，其特征在于，该第二位置传感器为径向位置传感器，该第二方向为径向。

10.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，该第一轴向磁浮轴承具有一第一抵接面及一第一凹部，该第一凹部从该第一抵接面内凹，该第二轴向磁浮轴承具有一第二抵接面及一第二凹部，该第二凹部从该第二抵接面内凹，且该第一抵接面与该第二抵接面相抵接，该第一凹部与该第二凹部之间形成一流道。

11.如权利要求1所述的磁浮转子机构，其特征在于，该第一轴向磁浮轴承与该第二轴向磁浮轴承固设于一壳体，该壳体、该第一轴向磁浮轴承与该第二轴向磁浮轴承之间形成一流道。