CN112564406A - 一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，尤其涉及低压安全注射系统用电动球阀驱动技术领域。其为驱动‑减速一体化，降低了安装高度，减少了外部安装空间。包括机壳组件、定子、非导磁屏蔽壳体、转子组件、减速机组件及控制组件，非导磁屏蔽壳体位于定子与转子之间，固定在机壳上，将转子组件、减速机组件和球阀旋转螺杆屏蔽在其腔体内部；转子中心轴为一偏心轴，其出轴后连接同轴齿轮，齿轮与两级减速齿轮配合，后输出齿轮与球阀阀杆端连接，将转矩传递给球阀旋转螺杆，带动球阀的周向转动，整个动作过程均采用控制组件控制阀门的开启或关闭及速度。

Description

一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统
技术领域
本发明涉及一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，尤其涉及低压安全注射系统用电动球阀驱动技术领域。
背景技术
阀门是流体运输过程中的重要组成装置，其在各个行业应用较广，主要有石油、石化、化工、冶金、电力、水利、城建、消防，机械、煤炭、食品及船舶等领域。其中，对于启闭件作较低转速（20r/m以下）旋转运动的阀门(球阀和蝶阀)，其驱动结构主要是主传动机构异步电机的输出轴连接多级减速机带动阀门启闭件，多级减速机通常装在独立的壳体内再与电动执行机构拼接。而且，对于应用在化工、核电、以及舰艇等要求运输和盛装高温、高压、高放射性、剧毒性介质的球阀，它的可靠性、安全性、精准性有着更为严格的要求。
目前，现有阀门驱动技术中，全封闭屏蔽驱动结构已得到广泛的应用，例如，专利号为201710203884.4的专利是采用密封屏蔽结构的一种旋转式阀门驱动装置，但其仅是通过线圈与永磁体的电磁力使阀杆同步转动90°，但是，屏蔽结构上下均有密封结构，且永磁体未做特殊选型与处理，这些设计方式难以满足高温、高压及腐蚀性介质的使用环境。专利号为201020231772.3的专利是采用全屏蔽结构的电动球阀电传动装置，但其驱动方式为“鼠笼转子+减速机”的异步减速驱动模式，这种设计方式启动电流大，减速机速比较大，传动效率低，无法实现阀门的精准开闭，且鼠笼转子的铜或铝极易与高温介质发生反应，污染阀体内的介质。
本发明专利采用的一体式全屏蔽结构永磁驱动系统在综合考量阀体连接件较低转速（20r/m以下）与驱动系统所占空间体积的前提下，采取低转速大转矩永磁电机+低速比减速机集成一体化的结构，不仅很好的克服了现有技术的缺陷，而且实现了对阀门的高效与精准控制，提升了阀门的可靠性与安全性。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括机壳组件、定子、非导磁屏蔽壳体、转子组件、减速机组件及控制组件，非导磁屏蔽壳体位于定子与转子之间，固定在机壳上，将转子组件、减速机组件和球阀旋转螺杆屏蔽在其腔体内部。
转子中心轴为一偏心轴，其出轴后连接同轴齿轮，齿轮与两级减速齿轮配合，后输出齿轮与球阀阀杆端连接，将转矩传递给球阀旋转螺杆，带动球阀的周向转动，整个动作过程均采用控制组件控制阀门的开启或关闭及速度。
进一步地，所述机壳组件包括壳体、端盖、顶盖及接线盒，壳体外表面圆周设有接线盒与散热筋，散热筋起到散热和加固壳体的作用；端盖位于壳体上部，通过端盖紧固螺栓把合到机壳上。顶盖位于端盖下部，通过内、外螺纹与壳体内侧紧密装配。
更进一步地，所述顶盖侧壁螺纹退刀槽下部外圆侧设有O型密封圈沟槽，用O型圈对顶盖与壳体间隙进行密封，起到保护壳体内定子的作用。
更进一步地，所述顶盖下部为内锥台形结构与非导磁屏蔽壳体外锥台形顶端配合，承受阀体内高压介质通过非导磁屏蔽壳体传递的压力。
更进一步地，所述接线盒采用迷宫式陶瓷橡胶密封，并通过螺钉、压板固定压紧的结构设计，将接线盒外与机壳内部空间隔绝，对电机内部系统形成二次保护，可承受外部液体介质一定的压力，防止外部压力液体介质进入内部定子腔、机座腔体，且接线盒内部进行抽真空充氮气处理，对内部部件进行防氧化保护。
进一步地，定子由铁心与线圈组成，定子采用梨形半闭口槽，定子绕组采用双层集中式绕组叠绕下线。
进一步地，非导磁屏蔽壳体通过螺栓固定在壳体法兰上，其外侧为定子，内侧为转子组件与减速机组件，非导磁屏蔽壳体与转子之间设有气隙，定、转子在其中发生电枢反应，从而进行能量传递。
进一步地，转子组件由永磁体、转子铁心、转子轴、轴承组件、减速齿轮、输出齿轮、偏心套、隔套组成，转子铁心采用内置式径向结构，永磁体固定于铁心卡槽内，转子铁心与转子轴为整体结构，转子轴上部与内嵌在非导磁屏蔽壳体内层槽内的调心轴承配合，下部与安装在透盖及同轴齿轮内的滚珠轴承配合，输出齿轮通过中心轴轴肩及两列滚珠轴承固定到滚珠轴承内圈，通过输出齿轮下方形凹槽与球阀阀杆方形杆头连接，进而传递电机扭矩。
进一步地，转子轴采用整体锻造加工工艺，对于电机转子安装磁体部位采用先钻孔后铰孔工艺，铰制空腔沿周向均布；装配时将磁体嵌入，依靠机加精度保证转子磁体安装精度，进而保证电机运转性能。
进一步地，调心滚子轴承、同轴齿轮与减速齿轮、减速齿轮与输出齿轮利用充满在非导磁屏蔽壳体内腔的管道介质进行润滑，从而省去了回转组件的定期润滑处理，避免了润滑油脂对管道介质的污染。
进一步地，针对阀门启停和锁死采用堵转电流与行程时间控制双保险；阀门到达位置一定堵转，检测电流瞬间变大，通过PLC逻辑控制变频器停机，在HMI中可以调节联锁阈值；阀门关闭和开启的限位电流可以设定为不同的值。在阀门开启和关闭过程中，通过PLC记录开启和关闭结束后的有效时间，同时与限位电流联合作为联锁判断，当二者同时满足时，PLC逻辑控制系统停机。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明中全封闭低速永磁驱动系统本身特性，提升了球阀的效率，通过设置在转子与定子之间的整体非导磁屏蔽壳体，将管道介质封闭于密闭腔体内部，并且利用介质对转子的轴承进行润滑和冷却，同时非导磁屏蔽壳体承受管道内部介质的压力，对整体输送系统形成第一道防漏措施。转子轴为整体轴式结构，转子腔体与轴为整体锻造，电机轴转动带动同轴齿轮、减速齿轮，后经输出齿轮将动力传递到球阀阀杆，为驱动-减速一体化，降低了安装高度，减少了外部安装空间。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1：本发明专利一个实例中的电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统结构示意图。
图2：本发明专利一个实例中的电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统电气控制逻辑图。
图中，101为过渡法兰节、102为非导磁屏蔽壳体螺钉、103为紧固套、104为同轴齿轮、105为减速齿轮、106为调心滚子轴承一、107为支撑架、108为调心滚子轴承二、109为转子轴、110为转子、111为非导磁屏蔽壳体、112为顶盖、113为端盖、114为端盖螺栓、115为机壳、116为密封圈、117为轴承隔套、118为同轴齿轮挡环、119为输出齿轮轴承挡环、120为输出齿轮轴承、121为转子支座、122为转子下端轴承、123为输出齿轮、124为连接螺栓、126为定子、127为接线盒。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明包括机壳组件、定子126、非导磁屏蔽壳体111、转子组件、减速机组件及控制组件。
具体组成如下：过渡法兰节101、非导磁屏蔽壳体螺钉102、紧固套103、同轴齿轮104、减速齿轮105、调心滚子轴承一106、支撑架107、调心滚子轴承二 108、转子轴109、转子110、非导磁屏蔽壳体111、顶盖112、端盖113、端盖螺栓114、机壳115、密封圈116、轴承隔套117、同轴齿轮挡环118、输出齿轮轴承挡环119、输出齿轮轴承120、转子支座121、转子下端轴承122、输出齿轮123、连接螺栓124、电气控制、定子126、接线盒127。
所述电机上部设有外部端盖113，通过端盖紧固螺栓114把合到电机壳体115上，端盖113下部为带螺纹的顶盖112，其承受非导磁屏蔽壳体111内介质压力，其密封沟槽内O型密封圈116起到二次密封作用。非导磁屏蔽壳体111外侧为定子126，内侧为转子110，非导磁屏蔽壳体111固定在定子126内腔，与转子110之间留有气隙，形成转子110转动空间。转子轴109上部安装有转子轴承，下部安装有调心滚子轴承106、同轴齿轮104、减速齿轮105，从而保证转子110旋转传递扭矩，转子下部安装有输出齿轮123，其端部有方形凹槽，与球阀阀杆端部方形阀杆连接，进而将扭矩传递到球阀，下部调心轴承120安装在紧固套103内，承受上部转子110及减速部分的重量，紧固套103与非导磁屏蔽壳体111为螺纹连接，通过防松销轴将两者定位；非导磁屏蔽壳体111通过螺栓与机壳115把合到一起，从而将非导磁屏蔽壳体111内部件重量传递到机壳115，在电气控制125下实现启停。
本发明的目的是提供一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，通过简化传动链及利用永磁电机本身特性，从而达到提高效率及节能的作用。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：101为过渡法兰节、102为非导磁屏蔽壳体螺钉、103为紧固套、104为同轴齿轮、105为减速齿轮、106为调心滚子轴承一、107为支撑架、108为调心滚子轴承二、109为转子轴、110为转子、111为非导磁屏蔽壳体、112为顶盖、113为端盖、114为端盖螺栓、115为机壳、116为密封圈、117为轴承隔套、118为同轴齿轮挡环、119为输出齿轮轴承挡环、120为输出齿轮轴承、121为转子支座、122为转子下端轴承、123为输出齿轮、124为连接螺栓、126为定子、127为接线盒。其中所述电机外壳为整体铸造，永磁定子安装于电机壳内腔，定子内腔为整体式非导磁屏蔽壳体，非导磁屏蔽壳体内腔为电机转子，非导磁屏蔽壳体紧贴于定子内壁。
具体地，定子槽绝缘材料采用绝缘等级（220℃）6650（NHN）型号聚酰亚胺薄膜。
具体地，永磁体采用SmCo30H牌号钐钴永磁材料，且磁体表面采用电喷涂石墨烯防腐蚀处理。
具体地，非导磁屏蔽壳体与机壳壳体为TC4钛合金材质，其余结构件均采用316L不锈钢材质，且均为锻造-数控精密加工一体成型。
具体地，定子与转子铁心均采用 DW400-50型无取向冷轧硅钢片。
具体地，全封闭低速永磁驱动系统可应用于温度≤350℃、压力≤30MPa介质环境的球阀电驱动领域。
进一步地，输出齿轮与减速齿轮因其齿轮摩擦形成自锁，阀杆设计扭矩小于齿轮传动的摩擦力矩，从而形成机构自锁，解决了阀体完全闭合后的反弹问题。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：密闭式接线盒127，其通过迷宫式陶瓷橡胶密封将机壳体密封，阻止外部流体浸入系统内部。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：非导磁屏蔽壳体111外端法兰与电机外壳115法兰紧密贴合，从而将转子110与球阀组成密闭腔体，防止管道内部介质外溢。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：转子轴109连接同轴齿轮104，通过减速齿轮105将动力传递到输出齿轮123，从而由输出齿轮123将动力传递到球阀阀杆，带动球阀开启与关闭。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：转子110上部轴承无润滑装置，通过球阀溢流到非导磁屏蔽壳体内的介质进行润滑及冷却。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统包括：针对阀门启停和锁死采用堵转电流与行程时间控制双保险。阀门到达位置一定堵转，检测电流瞬间变大，通过PLC逻辑控制变频器停机，在HMI中可以调节联锁阈值。阀门关闭和开启的限位电流可以设定为不同的值。在阀门开启和关闭过程中，通过PLC记录开启和关闭结束后的有效时间，同时与限位电流联合作为联锁判断，当二者同时满足时，PLC逻辑控制系统停机。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统的关球阀阶段为：关阀命令开启后，PLC延时通断定时器开始计时，进行电流大小判断；基于电流变送器检测的电流会随着闸阀与液体接触以及堵转过程电流变大，来判断在关阀过程中卡阻以及阀关到位情况。电流经过霍尔电流变送器反馈到微型PLC中，电流超过设定阈值，时间超过设定值（如40s），即视为阀门正常关闭到位；电流超过设定阈值，但时间未到达设定值（如40s），即视为关阀过程中出现卡阻情况；以上两种情况应立即停止电机工作，断开变频控制，解除电机自锁。行程时间控制作为经霍尔电流变送器关闭阀门阶段的第二段防线，目的是确保电动阀门关紧，无渗漏。
在一个实施方式中，所述电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统的开球阀阶段为：关阀命令开启后，PLC延时通断定时器开始计时，进行电流大小判断。当运行时间大于设定时间（如40S）且电流超过设定阈值，即视为开阀到位；当运行时间小于于设定时间（如40S）且电流超过设定阈值，即视为开阀过程中出现卡阻情况。以上两种情况应立即停止电机工作，断开变频控制，解除电机自锁。球阀会借着液体的压力往前推，霍尔电流变送器检测的电流要比关闭球阀阶段检测的电流值小的多，所以以行程时间为第一段防线，球阀运行到初始位置，电机停转；而霍尔电流变送器作为第二段防线，配合第一道防线完成开启闸阀的工作。
从上述方案中可以看出，由于本发明中全封闭低速永磁驱动系统特性，提升了球阀的效率，通过设置在转子110与定子126之间的整体非导磁屏蔽壳体，将管道介质封闭于密闭腔体内部，并且利用介质对转子的轴承106、108进行润滑和冷却，同时非导磁屏蔽壳体111承受管道内部介质的压力，对整体输送系统形成第一道防漏措施。转子轴109为整体轴式结构，转子腔体与轴为整体锻造，轴转动带动同轴齿轮104、减速齿轮105，后经输出齿轮123将动力传递到球阀阀杆，为驱动-减速一体化，降低了安装高度，减少了外部安装空间。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于，包括机壳组件、定子、非导磁屏蔽壳体、转子组件、减速机组件及控制组件，非导磁屏蔽壳体位于定子与转子之间，固定在机壳上，将转子组件、减速机组件和球阀旋转螺杆屏蔽在其腔体内部；
转子中心轴为一偏心轴，其出轴后连接同轴齿轮，齿轮与两级减速齿轮配合，后输出齿轮与球阀阀杆端连接，将转矩传递给球阀旋转螺杆，带动球阀的周向转动，整个动作过程均采用控制组件控制阀门的开启或关闭及速度。
2.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：所述机壳组件包括壳体、端盖、顶盖及接线盒，壳体外表面圆周设有接线盒与散热筋，散热筋起到散热和加固壳体的作用；端盖位于壳体上部，通过端盖紧固螺栓把合到机壳上；顶盖位于端盖下部，通过内、外螺纹与壳体内侧紧密装配。
3.根据权利要求2所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：所述顶盖侧壁螺纹退刀槽下部外圆侧设有O型密封圈沟槽，用O型圈对顶盖与壳体间隙进行密封，起到保护壳体内定子的作用。
4.根据权利要求2所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：所述顶盖下部为内锥台形结构与非导磁屏蔽壳体外锥台形顶端配合，承受阀体内高压介质通过非导磁屏蔽壳体传递的压力。
5.根据权利要求2所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：所述接线盒采用迷宫式陶瓷橡胶密封，并通过螺钉、压板固定压紧的结构设计，将接线盒外与机壳内部空间隔绝，对电机内部系统形成二次保护，可承受外部液体介质一定的压力，防止外部压力液体介质进入内部定子腔、机座腔体，且接线盒内部进行抽真空充氮气处理，对内部部件进行防氧化保护。
6.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：定子由铁心与线圈组成，定子采用梨形半闭口槽，定子绕组采用双层集中式绕组叠绕下线。
7.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：非导磁屏蔽壳体通过螺栓固定在壳体法兰上，其外侧为定子，内侧为转子组件与减速机组件，非导磁屏蔽壳体与转子之间设有气隙，定、转子在其中发生电枢反应，从而进行能量传递。
8.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：转子组件由永磁体、转子铁心、转子轴、轴承组件、减速齿轮、输出齿轮、偏心套、隔套组成，转子铁心采用内置式径向结构，永磁体固定于铁心卡槽内，转子铁心与转子轴为整体结构，转子轴上部与内嵌在非导磁屏蔽壳体内层槽内的调心轴承配合，下部与安装在透盖及同轴齿轮内的滚珠轴承配合，输出齿轮通过中心轴轴肩及两列滚珠轴承固定到滚珠轴承内圈，通过输出齿轮下方形凹槽与球阀阀杆方形杆头连接，进而传递电机扭矩。
9.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：转子轴采用整体锻造加工工艺，对于电机转子安装磁体部位采用先钻孔后铰孔工艺，铰制空腔沿周向均布；装配时将磁体嵌入，依靠机加精度保证转子磁体安装精度，进而保证电机运转性能；调心滚子轴承、同轴齿轮与减速齿轮、减速齿轮与输出齿轮利用充满在非导磁屏蔽壳体内腔的管道介质进行润滑，从而省去了回转组件的定期润滑处理，避免了润滑油脂对管道介质的污染。
10.根据权利要求1所述的一种电动球阀用全封闭低速永磁驱动系统，其特征在于：针对阀门启停和锁死采用堵转电流与行程时间控制双保险；阀门到达位置一定堵转，检测电流瞬间变大，通过PLC逻辑控制变频器停机，在HMI中可以调节联锁阈值；阀门关闭和开启的限位电流可以设定为不同的值；在阀门开启和关闭过程中，通过PLC记录开启和关闭结束后的有效时间，同时与限位电流联合作为联锁判断，当二者同时满足时，PLC逻辑控制系统停机。
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