CN112994525B - 一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵 - Google Patents

一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵 Download PDF

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Abstract

本发明属于低温液体储存和输送技术领域，公开了一种超导‑永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，包括离心泵蜗壳，离心泵蜗壳内设置有叶轮、轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子和芯轴，所述轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子以芯轴为中心轴，轴向磁通盘式电机转子和芯轴之间设置有相邻的轴向磁悬浮轴承和径向永磁轴承，轴向磁悬浮轴承和径向永磁轴承的定子轴向位置分别可调节。本发明所述方案能够克服悬浮力弛豫引起的悬浮体转子位置的下降或漂移的问题，有助于超导‑永磁混合式磁悬浮轴承系统应用在低温液体泵的长期连续工作场合。

Description

一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵
技术领域
本发明涉及工程低温液体储存和输送技术领域，尤其涉及一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵。
背景技术
无论低温清洁能源(如液氢、液化天然气)，还是超导装置等科研所需的低温冷却介质(如液氦、液氮)，以及石油、空分和化工生产过程中的低温液体产品(液氖、液氩)，航空航天飞行器的低温推进剂(液氢、液氧)等，在低温液体的输送、分配、加注、使用过程中，都需要低温液体泵协助完成。目前低温液体泵的市场和关键技术多被国外公司垄断，如美国FLOWSERVER、日本EBARA、法国CRYOSTAR等。作为石化产业中实施装备自主化的重点设备以来，我国在低温泵研制技术方面取得了一定成果，但还存在着一些问题。
传统低温液体泵多采用机械轴承，存在不同程度的轴承润滑困难和低温工作寿命短等问题。此外，在中小型低温液体输送场合，传统低温液体泵一般采用泵机分离式结构，即通过长轴将外部常温端电机与杜瓦内部低温端泵体耦合连接。这种低温液体泵的结构比较复杂且泵机系统轴向尺寸大，给低温泵运行带来两个问题：长轴耦合结构导致系统传导漏热，且故障多发(因不同部件的材料热膨胀系数不同，难以保证电机和泵体在低温环境下的同轴度)；及密封困难(由于泵体内外的巨大温差，难以在轴穿过的地方提供无泄漏的旋转密封)。
目前市面虽然出现磁悬浮轴承用来替代机械轴承，用于解决发热和如何提高转速的问题，但难以应用于极低温环境。而且，现有的超导磁悬浮轴承面临一个技术难点：超导磁悬浮力弛豫，即超导磁悬浮力会随时间呈现缓慢下降的趋势(超导体内部的磁通蠕动与流动的宏观表现)。这将打破悬浮体的原有受力平衡状态，引起悬浮体位置下降或漂移，这一问题将阻碍超导磁悬浮装备的长期连续工作。
发明内容
本发明的目的是要提供一种结构合理的超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，包括离心泵蜗壳，离心泵蜗壳内设置有叶轮、轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子和芯轴，所述轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子以芯轴为中心轴，叶轮与轴向磁通式电机转子连接；轴向磁通盘式电机转子和芯轴之间设置有轴向磁悬浮轴承和径向永磁轴承；所述芯轴从外向内依次为轴套、调节螺杆A和调节螺杆B，所述轴套一端与离心泵蜗壳固定连接，调节螺杆A和轴套内壁螺纹连接，调节螺杆B和调节螺杆A内壁螺纹连接，调节螺杆A和调节螺杆B分别在离心泵蜗壳外壁露出调节端部；所述轴向磁悬浮轴承包括轴向磁悬浮轴承定子和轴向磁悬浮轴承转子；所述径向永磁轴承包括永磁定子和永磁转子，调节螺杆A与永磁定子连接，调节螺杆B与轴向磁悬浮轴承定子连接。
优选的，所述轴向磁悬浮轴承为超导轴向磁悬浮轴承。
优选的，所述轴向磁通盘式电机转子在其与轴向磁通盘式电机定子之间的气隙侧表面覆盖有一层超导薄膜。
优选的，所述轴向磁通盘式电机转子包括转子基座、转子铁芯和转子导体，所述转子铁芯和转子导体固定设置于转子基座上，所述叶轮固定设置于转子基座下部；所述调节螺杆A下端为锥形，转子基座上设有与调节螺杆A下端相配合的锥形槽。调节螺杆A下端的锥形和转子基座上的锥形槽相互配合，构成机械止推轴承。该结构具有定心和轴向限位的辅助保护作用，可以有效防止轴向磁悬浮轴承转子发生扫膛和碰撞。
本申请的工作原理为：采用轴向磁通盘式电机的定子和转子，两者之间存在相互作用的轴、径向电磁力；轴向电磁力可以补偿泵液产生的部分轴向力和悬浮体转子的自重；采用变频控制电源对电机进行恒压频比方式调速时，可近似认为定、转子间的轴向电磁力恒定不变，这对于稳定电机定转子间轴向电磁力和悬浮体系统轴向稳定具有重要作用。径向电磁力则具有回复性，总是试图将转子拉回中心位置，有助于超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵悬浮体转子的径向稳定悬浮。
超导轴向磁悬浮轴承提供的轴向悬浮力与轴向磁悬浮轴承定转子间的轴向相对位移有特定的映射关系。本申请的超导轴向磁悬浮轴承定子连接有调节螺杆A，调节螺杆A相当于高度可调的轴向磁悬浮轴承定子主轴，通过手动或电动执行机构，改变调节螺杆A的高度，可以调整轴向磁悬浮轴承定子与轴向磁悬浮轴承定子的轴向相对位移，进而实现可调的轴向超导磁悬浮力。
同理，径向永磁轴承的定子位于调节螺杆B上，因此径向永磁轴承具有类似的调节原理和效果。
径向永磁轴承和轴向磁悬浮轴承相邻设置，径向永磁轴承提供约束轴向磁悬浮轴承转子的径向悬浮力。径向永磁轴承定子和轴向磁悬浮轴承转子构成一个轴向型永磁卸载轴承，提供用于悬浮体转子卸载的轴向悬浮力。
有益效果：(1)将超导磁悬浮技术应用于潜液式低温液体泵，低温泵所处低温液体工作环境可以直接为超导磁悬浮轴承的定子超导体提供冷却条件，从而省去冷却超导低温泵中超导体所需的制冷装置。
(2)解决传统泵机分离式结构低温液体泵存在的两个主要问题：伸长轴结构在低温环境下不同材料的收缩比不同引起泵各部件的同轴对齐问题；难以实现无泄漏的旋转密封。
(3)所述超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵利用超导磁悬浮轴承提供的自稳定悬浮力，实现转子-叶轮悬浮体的无接触、无摩擦自稳定悬浮运行。解决了传统低温泵采用机械轴承在低温环境下润滑困难、材料变脆和机械强度降低的问题，且更有利于电机泵系统实现低温环境下的高速运行。
(4)所述超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵采用轴向磁通盘式电机作为驱动电机，可以极大地减小泵机的轴向尺寸和占用空间；定子直接驱动转子-叶轮悬浮体旋转工作，消除中间复杂的机械传动轴或磁耦合装置、降低泵的结构复杂程度、提高系统工作可靠性。
(5)借助超导磁悬浮轴承系统的轴向悬浮力、径向导向力和低温盘式电机定转子间的轴、径向电磁悬浮力实现低温泵悬浮体转子的轴、径向力平衡，可以省去常规低温泵中复杂的轴、径向负荷平衡措施，简化泵的结构。
(6)本发明通过手动或电动执行机构，调整超导定子调节螺杆A和永磁定子调节螺杆B的高度，可使超导磁悬浮轴承和永磁辅助轴承产生不同大小的轴向磁悬浮力，从而补偿超导磁悬浮轴承因磁通弛豫引起的逐渐下降的悬浮力，保证在复杂工况下悬浮体转子受力平衡。因此，本发明所述方案能够克服悬浮力弛豫引起的悬浮体转子位置的下降或漂移的问题，有助于超导-永磁混合式磁悬浮轴承系统应用在低温液体泵的长期连续工作场合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的轴向磁通盘式电机定子结构示意图。
图3为本发明实施例1的轴向磁通盘式电机转子结构示意图。
图4为本发明的转子底座结构示意图。
图5为本发明实施例2的轴向磁通盘式电机转子结构示意图。
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描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-图4所示的一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，包括离心泵蜗壳1，离心泵蜗壳内设置有叶轮2、轴向磁通盘式电机定子3、轴向磁通盘式电机转子4和芯轴5，所述轴向磁通盘式电机定子3、轴向磁通盘式电机转子4以芯轴为中心轴，叶轮与轴向磁通式电机转子连接；轴向磁通盘式电机转子和芯轴之间设置有轴向磁悬浮轴承6和径向永磁轴承7；所述芯轴从外向内依次为轴套501、调节螺杆A502和调节螺杆B503，所述轴套一端与离心泵蜗壳固定连接，调节螺杆A和轴套内壁螺纹连接，调节螺杆B和调节螺杆A内壁螺纹连接，调节螺杆A和调节螺杆B分别在离心泵蜗壳外壁露出调节端部；所述轴向磁悬浮轴承6包括轴向磁悬浮轴承定子601和轴向磁悬浮轴承转子602；所述径向永磁轴承7包括永磁定子701和永磁转子702，调节螺杆A与永磁定子连接，调节螺杆B与轴向磁悬浮轴承定子连接。旋转调节螺杆A和调节螺杆B，可调整永磁定子702和轴向磁悬浮轴承定子601的轴向相对位置，进而改变径向永磁轴承7和轴向磁悬浮轴承6之间的定、转子间磁场耦合程度，实现调节径向永磁轴承7和轴向磁悬浮轴承6提供的轴、径向悬浮力大小。
具体的，所述轴向磁悬浮轴承为超导轴向磁悬浮轴承，其轴向磁悬浮轴承定子601可采用瓦片状超导块材拼接、或超导带材堆叠而成的圆环状超导定子；轴向磁悬浮轴承转子602也可采用永磁体与楔形导磁片组合的聚磁结构，或Halbach永磁体阵列结构，或预磁化的超导块材磁体。
具体的，如图3所示，所述轴向磁通盘式电机转子4为环状盘式结构，轴向磁通盘式电机转子在其与轴向磁通盘式电机定子之间的气隙侧表面覆盖有一层超导薄膜8。轴向磁通盘式电机转子包括转子铁芯402和转子基座401，转子铁芯固定设置于转子基座上，超导薄膜覆盖于转子铁芯上，所述叶轮固定设置于转子基座下部；所述调节螺杆B下端为锥形，转子基座上设有与调节螺杆B下端相配合的锥形槽9。调节螺杆B下端的锥形和转子基座上的锥形槽相互配合，构成机械止推轴承。该结构具有定心和轴向限位的辅助保护作用，可以有效防止轴向磁悬浮轴承转子发生扫膛和碰撞。
作为该实施例的一种优选方案，轴向磁通盘式电机定子3的绕组也可采用超导材料，形成全超导型轴向磁通盘式异步电机。
当轴向磁通盘式电机定子3上的绕组通电以后产生旋转磁场，会驱动轴向磁通盘式电机转子4以一定转速旋转，实现无接触转矩传动和无摩擦旋转运行。旋转的轴向磁通盘式电机转子4会带动离心泵叶轮2旋转对液体做功，使低温液体从入口进入离心泵蜗壳1发生离心运动，并以一定压力从出口甩出，从而实现低温液体的泵送。通过控制电机转速调节泵送扬程和流量，可以实现高效、快响应、无泄漏的低温液体输送。
实施例2
如图1图2图4图5所示的一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，包括离心泵蜗壳1，离心泵蜗壳内设置有叶轮2、轴向磁通盘式电机定子3、轴向磁通盘式电机转子4和芯轴5，所述轴向磁通盘式电机定子3、轴向磁通盘式电机转子4以芯轴为中心轴，叶轮与轴向磁通式电机转子连接；轴向磁通盘式电机转子和芯轴之间设置有轴向磁悬浮轴承6和径向永磁轴承7；所述芯轴从外向内依次为轴套501、调节螺杆A502和调节螺杆B503，所述轴套一端与离心泵蜗壳固定连接，调节螺杆A和轴套内壁螺纹连接，调节螺杆B和调节螺杆A内壁螺纹连接，调节螺杆A和调节螺杆B分别在离心泵蜗壳外壁露出调节端部；所述轴向磁悬浮轴承6包括轴向磁悬浮轴承定子601和轴向磁悬浮轴承转子602；所述径向永磁轴7承包括永磁定子701和永磁转子702，调节螺杆A与永磁定子连接，调节螺杆B与轴向磁悬浮轴承定子连接。旋转调节螺杆A和调节螺杆B，可调整永磁定子702和轴向磁悬浮轴承定子601的轴向相对位置，进而改变径向永磁轴承7和轴向磁悬浮轴承6之间的定、转子间磁场耦合程度，实现调节径向永磁轴承7和轴向磁悬浮轴承6提供的轴、径向悬浮力大小。
具体的，所述轴向磁悬浮轴承为超导轴向磁悬浮轴承，其轴向磁悬浮轴承定子601可采用瓦片状超导块材拼接、或超导带材堆叠而成的圆环状超导定子；轴向磁悬浮轴承转子602也可采用永磁体与楔形导磁片组合的聚磁结构，或Halbach永磁体阵列结构，或预磁化的超导块材磁体。
具体的，本实施例与实施例1的主要区别在于，如图5所示，所述轴向磁通盘式电机转子4包括转子基座401、转子铁芯402和转子导体403，所述转子铁芯固定设置于转子基座上，所述转子导体固定设置于转子铁芯上，转子导体可采用常规的轴向磁通盘式电机的鼠笼导体结构，其材质可采用常规导体铜或铝或超导材料，所述叶轮固定设置于转子基座下部；所述调节螺杆B下端为锥形，转子基座上设有与调节螺杆B下端相配合的锥形槽9。调节螺杆B下端的锥形和转子基座上的锥形槽相互配合，构成机械止推轴承。该结构具有定心和轴向限位的辅助保护作用，可以有效防止轴向磁悬浮轴承转子发生扫膛和碰撞。
作为该实施例的一种优选方案，轴向磁通盘式电机定子3的绕组采用超导材料，形成定子超导型轴向磁通盘式电机；更进一步，在该基础上，轴向磁通盘式电机转子的转子导体403也采用超导材料，两者结合形成全超导型轴向磁通盘式异步电机。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，包括离心泵蜗壳，其特征在于：离心泵蜗壳内设置有叶轮、轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子和芯轴，所述轴向磁通盘式电机定子、轴向磁通盘式电机转子以芯轴为中心轴，叶轮与轴向磁通式电机转子连接；轴向磁通盘式电机转子和芯轴之间设置有相邻的超导轴向磁悬浮轴承和径向永磁轴承；所述芯轴从外向内依次为轴套、调节螺杆A和调节螺杆B，所述轴套一端与离心泵蜗壳固定连接，调节螺杆A和轴套内壁螺纹连接，调节螺杆B和调节螺杆A内壁螺纹连接，调节螺杆A和调节螺杆B分别在离心泵蜗壳外壁露出调节端部；所述超导轴向磁悬浮轴承包括轴向磁悬浮轴承定子和轴向磁悬浮轴承转子；所述径向永磁轴承包括永磁定子和永磁转子，调节螺杆A与永磁定子连接，调节螺杆B与轴向磁悬浮轴承定子连接；
所述轴向磁悬浮轴承定子可采用瓦片状超导块材拼接、或超导带材堆叠而成的圆环状超导定子；轴向磁悬浮轴承转子也可采用永磁体与楔形导磁片组合的聚磁结构，或Halbach永磁体阵列结构，或预磁化的超导块材磁体。
2.根据权利要求1所述的超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，其特征在于：所述轴向磁通盘式电机转子在其与轴向磁通盘式电机定子之间的气隙侧表面覆盖有一层超导薄膜。
3.根据权利要求1所述的超导-永磁混合磁悬浮低温盘式潜液泵，其特征在于：所述轴向磁通盘式电机转子包括转子基座、转子铁芯和转子导体，所述转子铁芯固定设置于转子基座上，所述叶轮固定设置于转子基座下部；所述调节螺杆A下端为锥形，转子基座上设有与调节螺杆A下端相配合的锥形槽。
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