CN1065326C - 压力跟随和配合跟随的密封结构及其电机－泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种密封结构及其电机-泵系统。密封体M内腔C和压力跟随器(比如说是一个橡皮囊)B中都充满液体，通过管道D将密封体M内腔C与置于外部泵空间A的压力跟随器B连通，所以密封体M内腔C与压力跟随器B所处的外部空间A压力相等，从而实现无压差密封，使密封体的壁不受压力。同时，采用垂直于转轴的平面密封结构，旋转珐琅E可轴向移动地套在轴6上，用键配合随轴6旋转，在弹簧Q的压力作用下，紧贴静珐琅F实现密封。

Description

压力跟随和配合跟随的密封结构及其电机-泵系统

本发明是关于电机在潜水、潜油、潜卤、(以下简称潜液)，以及防腐、防爆、方面的密封结构的改进。

以潜水电机为例，它要解决两个关键问题：一、定子绕组的绝缘问题，二、阻止泥沙进入电机的问题。现在的潜水电机有充油、充水和干式三种，充油式电机是定子和转子置于密封体内并充油，使电机内部与外部液体隔离，但是轴封仅仅是一个动密封，很容易泄漏，当电机密封体内进的水到一定数量时，电机的绝缘性能下降以至不能工作；对充水式的而言，电机定子线圈须采用特殊的管套线，线圈绝缘不成问题，但是相对于同容量的电机需要增大体积和成本，另外，由于密封体“呼吸”的原因，会有很多带泥沙的水进入电机密封体内，产生电腐蚀和磨损轴承。同样，防腐、防爆电机也是存在密封困难的问题。干式的应用较少，暂不讨论。

很多人尝式过对定子线圈实行静密封，这样就可以有可靠的绝缘，同时又不需采用充水式的那种管套线，但是由于密封体的金属与填料之间的膨涨系数的不同，加上密封体内外的压差，使得对定子线圈实行静密封很难实现，或者使电机性能下降。

本发明就是针对上述的动密封和静密封存在的密封困难的问题，提出了新的密封结构和随时保持电机密封体内外无压差的结构。对轴封提出配合跟随的结构。

本发明是一种密封结构及其电机-泵系统。其特征是压力跟随和配合跟随的结构以及采用这种结构做成的充液的特种电机和泵系统，以图1为例进行说明，密封体M内腔C和压力跟随器(比如说是一个橡皮囊)B中都充满液体，通过管道D将密封体M内腔C与置于外部空间A(泵体2也处在空间A，其压力不断变化)的压力跟随器B连通，这就是压力跟随器的结构。(因为密封体M内腔C与压力跟随器B连通而压力完全相等，又因为压力跟随器B与它所处的外部空间A压力相等，)所以密封体M内腔C与压力跟随器B所处的泵体2外部空间A压力相等，从而实现无压差密封，使密封体的壁不受压力，这就是压力跟随原理。这对静密封而言对其密封层的强度和密封性的要求大大降低；对动密封而言，没有压差将使渗漏大大减小。

对泵的密封结构而言，其转动轴6在L处的动密封(简称轴封)是最困难的，本发明提出垂直于转轴的平面密封结构，旋转珐琅E可轴向移动地套在轴6上，用键配合随轴6旋转，(以下称为可轴向移动旋转珐琅)，密封圈3在珐琅E和转轴6之间实现静密封，空间A和空间C之间的泄漏仅仅发生在相对运动的两个平面(珐琅E和密封体珐琅F的接触面I、J)之间，这是动密封，在弹簧压力、磁引力或其它压力的作用下，使固定于密封体上的静珐琅F的平面J和固定于转轴上的旋转珐琅E的平面I紧密相贴，图1中，在弹簧Q的压力作用下，珐琅E的旋转平面I与密封体M上的轴封静珐琅F平面J紧密接触，两平面之间保证磨擦系数不大且接触压力适中(即磨擦力不大)，但是配合的间隙却很小(即密封效果好)，而且因为弹簧Q的垂直于平面I的压力始终保持两平面的良好接触，并且即算两平面有磨损也会在压力的作用下不增加间隙，使两平面的配合处于一种自我调节的状态下，这就是配合跟随原理。弹簧Q的支撑珐琅G固定于轴6随轴转动。密封圈H防止轴向泄漏，粗略看来密封圈H与传统的轴封是一回事，但是事实上密封圈H是静密封而传统的轴封是动密封，所以密封圈H不会有磨损，而且静密封更可靠。

为了进一步加强密封效果，可以通过图2、图3和图4中的隔离层K与外围密封层对定子线圈9实现静密封。还可以增加一级或多级隔离舱。

压力跟随器是本发明的关键，压力跟随器的壁是柔性的和耐腐的，其外形可以任意设计(通常是一个橡皮囊，也可以用薄的金属和塑料制成，在说明书附图中，它的形状象小救生圈)，放置于密封体的外面，通过管道传递外部空间与内腔的液压，使密封体内外压力相等。对于压力跟随器而言，它也可以用于传统方法的轴封和静密封的密封体内充液的密封装置。图2、图3、图4中定子静密封空间C1通过管道D1与压力跟随器B1连通，转子的密封空间C2通过管道D2与压力跟随器B2连通，隔离舱的密封空间C3通过管道D3与压力跟随器B3连通，压力跟随器B1、B2、B3置于泵空间A中，使得密封空间C1、C2、C3的压力与泵空间A相等。图2中还有一个小型压力跟随器B4，当珐琅E1和E2实现密封后，两珐琅所夹的空间C4需要通过B4实现压力跟随。

配合跟随是一种新型密封结构，配合跟随结构有多种组合，图1只是其中一种，还有以下许多种：从轴向受力和移动的结构来看，有压迫旋转珐琅移动(图2中E、E1、E2，图3中E4，图4中E6；它们通过键配合随转轴6转动，轴向可以小距离位移)和压迫静珐琅移动(图3中F3，图4中F5，它们在旋转方向上被定位而不能旋转，但是在轴向可以作小距离位移)两种；从密封方向来看，有旋转珐琅从密封体内向外压(图2中E1，图3中E3，图4中E5)和从密封体外向密封体内压(图2中E、E2，图3中E4，图4中E6)两类；从密封面的形状来看，以上虽然仅仅提到平面，但是这种配合跟随的轴密封面从广义而言不仅仅只能是平面，每个密封面都可以是各种曲面(如图2中P2，图3中P3)；平行于转轴的弹簧力使轴封的旋转珐琅和静珐琅轴封面在结合处(图2中P、P1、P2，图3中P3、P4，图4中P5、P6)始终维持良好的配合；另外，还可以用图1中弹簧Q7压迫转轴6轴向移动的方法使固定于转轴的动珐琅平面I与静珐琅平面J紧贴。图4中，如果将珐琅E6做成固定于转轴6上部件，连接静珐琅F6的构件16的刚度不是很大，可以在弹簧Q5的压力下向上位移，就可以使珐琅F6和E6互相紧贴而密封。

本发明进一步的特征是其压紧密封面的力可以采用弹簧，还可以采用磁力，在密封体内外有压力差时，还可以利用内外压力差。图4中的珐琅F6或E6是永磁材料构件。附图上所画的弹簧表示是单根大口径的弹簧或多根小口径的弹簧。

珐琅本身也有密封结构的问题，在配合跟随的两个相配合的珐琅中，有一个是在轴向固定的，另一个是在轴向可移动的，定义可轴向移动的珐琅为间隙调整珐琅，当间隙调整珐琅装在转轴上时(图1中E，图2中E、E1、E2，图3中E4，图4中E6)，它与转轴6之间有很小的配合间隙，同样，当间隙调整珐琅装在密封体上时(图3中F3，图4中F5)，与它的定位机座(图3中14，图4中14)的密封采用很小的配合间隙，使它们既能相对轴向滑动，又有较好的密封；为了进一步加强间隙调整珐琅在轴向滑动面的密封，还可以加密封圈(图1中H，图2中H、H1、H2，图3中H3、H4、，图4中H5、H6)；如果将密封圈轴向加长，在整个滑动部位都换成软的密封套，那么，密封套不但起密封作用，还起软连接的作用，软连接有助于密封面消除跳动。

本发明的定子静密封结构，在定子内圆表面采用隔离层结构。定子的密封层是静密封。图2、图3、图4中，定子密封层由隔离层K、上端盖4、下端盖11和机壳8构成，其中隔离层K是定子内圆的表面部分，它是关键部分之一。用不锈钢作为这一部分包在定子齿外是一种方法，但是这会使涡流增大且气隙增大引起空载电流增加。为了不损害电机的性能，密封层在位于定子铁芯内圆表面的这一部分(图2中的粗黑线K对应铁芯的一段)，拔掉在齿间的槽楔，在原槽楔处填满树脂材料(树脂材料中添加磁性粉末就成了磁性槽泥)，树脂材料与铁芯的齿部共同组成隔离层，然后用压力浸渍涂料将缝隙填满。某些压缩机的电机定子铁芯没有机壳，这就需要结合隔离层专门给定子做一个密封层，实现定子的静密封。

定子静密封在定子内圆表明采用磁性套筒结构。图2、图3、图4中隔离层K对应定子铁芯的一段采用磁性套筒，它既具有密封的功能也具有降低齿谐波损耗的功能，它分为三种结构：

整筒式磁性套筒。采用很薄的硅钢片焊成的圆筒，其外径等于定子铁芯的内径。

薄圆环叠层式磁性套筒。薄圆环单层式磁性套筒(图5)的外径等于定子铁芯的内径，它是由一些薄的硅钢片长条焊制而成的圆环组成，相当于将一个薄圆筒切成许多小段以减小涡流损耗，装入定子铁芯内圆表面，就成了薄圆环单层式磁性套筒，将环与环之间的缝隙用胶填满，使之不渗漏作为密封层的一部分，但是因为每两个相邻的圆环之间都有一条缝隙，有可能泄漏，为了密封可靠，采用薄圆环叠层式磁性套筒较好，再装入一组同样宽的圆环，其外径等于前一个磁性套筒的内径，两组磁性套筒的接缝相互错开，就组成了叠层式磁性套筒，这样就得到了很好的密封效果。

薄长条螺旋叠层式磁性套筒。薄长条螺旋叠层式磁性套筒(图6)的外径等于定子铁芯的内径，它是由一根薄且窄的硅钢片长条绕制而成的螺旋式磁性套筒，装入定子铁芯内圆表面，就成了薄长条螺旋单层式磁性套筒。将相邻的环与环之间的缝隙用胶填满，使之不渗漏作为密封层的一部分，但是因为每两个相邻的环之间都有一条缝隙，有可能泄漏，为了密封可靠，采用薄长条螺旋叠层式磁性套筒较好，即再装入一组同样的薄长条螺旋单层式磁性套筒，其外径等于前一个磁性套筒的内径，两组磁性套筒的接缝相互错开，就组成了叠层式磁性套筒，这样就得到了很好的密封效果。

本发明的密封结构的多种组合，定子的静密封、定子和转子整体的密封、加密封隔离舱几种密封方法可以单独采用或组合采用，每个密封体都配置一个压力跟随器。定子的静密封有通过隔离层、机壳、端盖形成密封层的方法；而某些压缩机的电机定子铁芯没有机壳，这就需要结合隔离层给定子专门做一个密封层，实现定子的静密封。采用它的密封结构还可以做成的防爆电机，电机中被油浸满，它的火花被湮没，与外界隔开，起到防爆作用。密封结构可以是权利要求3所述的多种形式，每个密封体都配置一个压力跟随器。这种密封结构还可以用于需要转轴的轴封处进行防漏液(如轮船推进器的转轴)的密封和机械防尘密封。

说明书附图解释：

图1为单级密封空间和一个压力跟随器的电机-泵系统原理图。

图2为采用多个密封空间和多个压力跟随器实现多级密封电机泵的原理图，定子密封空间C1配备压力跟随器B1，转子密封空间C2配备压力跟随器B2，隔离舱密封空间C3配备压力跟随器B3；配合跟随器全部为弹簧压迫可轴向移动式旋转珐琅的结构。

图3与图2相同的是也采用多个密封空间和多个压力跟随器，实现多级密封；不同的是，配合跟随器除了采用弹簧压迫旋转珐琅的结构外，还采用了弹簧压迫可轴向移动式静珐琅的结构。

图4与图2相同的是也采用多个密封空间和多个压力跟随器；不同的是，配合跟随器除了采用弹簧压迫珐琅的结构外，还采用了磁铁吸引珐琅的结构。

图5为薄圆环单层式磁性套筒，其外径等于定子铁芯的内径，它是由一些薄的硅钢片长条焊制而成的圆环组成。是制造隔离层K的部件。

图6为薄长条螺旋单层式磁性套筒，其外径等于定子铁芯的内径，它是由一根薄且窄的硅钢片长条绕制而成的螺旋式磁性套筒。是制造隔离层K的部件。

各图标号说明。相同的部件采用相同的标号。

图1中，1-泵体密封盖；2-泵；3-密封垫；5-定子；6-转轴；7-转子；17-轴承；A-泵空间；B-压力跟随器；C-密封体空间；D-压力跟随器的管道；E-旋转珐琅，在键的作用下随转轴旋转，但是轴向可以在弹簧Q的压力下移动；F-密封的静珐琅；G-弹簧支撑珐琅；H-密封圈，在珐琅E和转轴6之间起密封作用；I-旋转珐琅的密封面；J-静珐琅的密封面；L-转轴需要密封处；M-电机密封体；Q-弹簧，将E压得贴紧F；Q7-弹簧，将E压得贴紧F的另一种方法。

图2、图3、图4的共同部分有：1-泵空间密封盖；2-泵体；3-密封垫；4-电机上端盖；5-电机定子；6-转轴；7-电机转子；8-电机机壳；9-定子线圈；10-转子导条；11-电机端盖；12-轴承。A-泵空间；B1-压力跟随器(与定子密封空间C1配套的)；C1-定子密封空间；D1-压力跟随器B1与定子密封空间C1的连通管道；B2-压力跟随器(与转子密封空间C2配套的)；C2-转子密封空间；D2-压力跟随器B2与转子密封空间C2的连通管道；B3-压力跟随器(与隔离舱空间C3配套的)；C3-隔离舱空间；D3-压力跟随器B3与隔离舱空间C3的连通管道；K-隔离层或磁性套筒密封层。

不同的部分有：

图2中，F-密封静珐琅；P-密封面；E-可轴向移动旋转珐琅；H-密封圈；Q1-弹簧；H1-密封圈；E1-可轴向移动旋转珐琅；P1-密封面；15-隔离舱密封体；C4-珐琅E1和E2所夹的微小空间；B4-与C4相配合的压力跟随器和管道；P2-密封曲面；H2-密封圈；E2-可轴向移动旋转珐琅；Q2-弹簧；G2-弹簧的支撑珐琅。

图3中，14-静珐琅支座；E3-不可轴向移动旋转珐琅；F3-可轴向移动静珐琅；P3-密封曲面；H3-密封圈；Q3-弹簧；15-隔离舱密封体；F4-静珐琅；P4-密封面；E4-可轴向移动旋转珐琅；H4-密封圈；Q4-弹簧；G4-弹簧Q4的支撑珐琅。

图4中，14-静珐琅支座；E5-不可轴向移动旋转珐琅；P5-密封面；H5-密封圈；F5-可轴向移动静珐琅；Q5-弹簧；15-隔离舱密封体；16-可以产生轴向位移的密封体局部；F6-静密封珐琅；P6-密封面；H6-密封圈；E6-可轴向移动旋转珐琅。

Claims (5)

1、一种用于电机-泵系统的密封结构，所述电机-泵系统包括一泵和一电机，该电机通过一电机轴驱动该泵，所述电机的定子和转子位于一电机密封内腔C中，所述泵位于外部空间A中，一密封体M将所述密封内腔C与所述外部空间A密封隔开，密封内腔C中充满一种液体，其特征在于：所述外部空间A中装有一压力跟随器B，一管道D将密封内腔C与压力跟随器B连通，因此，压力跟随器B中充满与密封内腔C中相同的液体，所述压力跟随器B的结构和材料使其可以自动调节密封内腔C中的压力，使密封内腔C与外部空间A中的压力总是相等，从而实现无压差密封。

2、一种权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述压力跟随器是一种柔性和耐腐材料制作的囊，所述材料包括橡胶、塑料。

3、一种权利要求1所述的密封结构，其特征在于：有一种旋转珐琅的密封结构，在电机轴6的处于外部空间A中的部分上套有一密封珐琅E，该珐琅通过键配合安装在轴6上可随轴6旋转，可在该轴上沿轴向滑动，并与密封体M上的静珐琅F相接触，一弹簧装置Q将该密封珐琅E压紧在密封体M的静珐琅F上，也可以由磁力将该旋转密封珐琅E吸引紧贴在密封体M的静珐琅F上；与旋转珐琅E的密封结构对称的，还有一种静珐琅F3的密封结构，该珐琅F3定位于静珐琅支座14，不随轴6旋转，可在该轴上沿轴向滑动，并与转轴6上的旋转珐琅E3相接触，一弹簧装置Q3将该静珐琅F3压紧在旋转珐琅E3上，也可以由磁力将该静珐琅F3吸引紧贴在旋转珐琅E3上。

4、一种权利要求1所述的密封结构，其特征在于：通过隔离层K与外围密封层对定子线圈9实现静密封以及增加一级或多级隔离舱C3，进一步加强密封效果；密封结构可采用多种组合，定子的静密封、定子和转子整体的密封、加密封隔离舱几种密封方法可以单独采用或组合采用，每个密封体都配置一个压力跟随器，定子静密封空间C1通过管道D1与压力跟随器B1连通，转子的密封空间C2通过管道D2与压力跟随器B2连通，隔离舱的密封空间C3通过管道D3与压力跟随器B3连通，压力跟随器B1、B2、B3置于泵空间A中，使得密封空间C1、C2、C3的压力与泵空间A相等。

5、一种权利要求1所述的密封结构，其特征在于：采用压力跟随器和配合跟随器的密封结构还可以做成防爆电机，电机中被油浸满，如果电机密封内腔中产生电火花，将会被油湮没，与外界隔开，起到防爆作用，成为一种防爆电机。

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