CN114165456A - 一种基于磁液双悬浮结构的离心泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁液双悬浮结构的离心泵。本发明的液力悬浮‑驱动系统安装在电磁悬浮‑驱动系统上，液力悬浮‑驱动系统根据不平衡液桥在叶轮转子表面产生的压差，使叶轮转子受到向心的液力悬浮力进而完成叶轮转子的自动调节，且液桥的自平衡调节无需任何反馈信号及复杂控制；电磁悬浮‑驱动系统通过控制电流产生的变化磁场来改变叶轮转子内永磁体周围的气隙磁场分布，使叶轮转子内的永磁体受到向心的麦克斯韦力合力，以完成快速悬浮。液力悬浮‑驱动系统和电磁悬浮‑驱动系统为叶轮转子提供多维度的悬浮力。本发明在磁液双悬浮结构的支承下，可使叶轮转子更稳定地悬浮旋转，进而使离心泵具备更佳的性能。

Description

一种基于磁液双悬浮结构的离心泵

技术领域

本发明涉及超洁净流控元件技术领域的一种离心泵，特别是涉及一种基于磁液双悬浮结构的离心泵。

背景技术

在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用高洁净度流体。磁悬浮离心泵因其独特的原理优势，被越来越多地应用在各行各业。作为一种流体动力源，磁悬浮离心泵由于其产生污染少的特点，在高纯流体系统中被广泛应用。由于非接触的驱动方式以及磁悬浮定位方式，旋转中不与固体摩擦，可以用高洁净度不锈钢或者聚四氟乙烯(PTFE)等高洁净度材料包覆转子，产生的污染物少，尤其适用于高洁净度场合。

目前市场上的磁悬浮离心泵产品只有电磁悬浮-驱动系统来支承转子，无自动调节的液力悬浮-驱动系统。而这必须要用大电流产生的电磁径向力来抵消离心泵叶轮的径向力，因此它将消耗很大一部分的功率。在部分使用场合下，系统能产生的最大电磁径向悬浮力可能不足以克服叶轮径向力和电机的单边磁拉力之和，进而无法使离心泵稳定工作。

目前已有学者提出将静压轴承与电磁轴承相结合的轴承系统及其控制方法，例如公开号为CN111237338A。该系统仅为轴承系统，仅用于支承转子，无法实现超洁净流体的运送。且单自由度的轴承系统仅能保证一个方向上的稳定。此外该静压轴承系统的液力平衡的控制环节中，需要电磁阀作为执行元件，而电磁阀的低响应速度极慢，这将导致整个系统的悬浮响应速度大大降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，主要用于解决转子叶轮在悬浮旋转时的径向偏心问题，使转子能够更稳定地悬浮旋转，进而使磁悬浮离心泵工作在更稳定的状态。

本发明的技术方案如下：

本发明包括叶轮转子、液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统；叶轮转子设置在液力悬浮-驱动系统内，液力悬浮-驱动系统安装在电磁悬浮-驱动系统上，液力悬浮-驱动系统用于为叶轮转子提供液力径向悬浮力，电磁悬浮-驱动系统用于为叶轮转子提供电磁径向悬浮力；液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统构成磁液双悬浮结构，用于保证叶轮转子的稳定悬浮和旋转，实现离心泵的稳定工作。

所述液力悬浮-驱动系统包括泵盖、单向节流阀和泵壳；

泵壳上固定安装有泵盖，泵壳内放置有叶轮转子，叶轮转子与泵盖、泵壳之间均设置有间隔，在泵壳上部的一侧设置有离心泵出口，离心泵出口的一侧面通过管道与单向节流阀相连接，单向节流阀通过管道与泵壳的下部连通，泵壳的下部固定安装在电磁悬浮-驱动系统中。

所述泵壳的下部与叶轮转子之间的间隙作为承载腔，泵壳的下部的内圆周侧面开设有多个沿圆周等间隔布置的轴向回流槽，相邻两个轴向回流槽之间的泵壳内圆周侧面上还开设有液体腔，每个液体腔的泵壳内圆周侧面上还开设有节流孔，各个节流孔分别通过对应的管道与单向节流阀连通，使得从离心泵出口流出的部分液体依次流过单向节流阀、各个节流孔和对应的液体腔后流入承载腔以及轴向回流槽，回流后的液体经过叶轮转子增压后重新从离心泵出口流出，构成一个液体循环。

所述电磁悬浮-驱动系统包括多根7字型定子硅钢、底部圆孔硅钢、多个悬浮绕组和多个驱动绕组；

多根7字型定子硅钢沿圆周等间隔地固定安装在底部圆孔硅钢上，多根7字型定子硅钢上端的内侧面之间安装有液力悬浮-驱动系统，底部圆孔硅钢上的每根7字型定子硅钢上从下到上依次绕有一个悬浮绕组和一个驱动绕组。

所述悬浮绕组和驱动绕组的个数、极对数、绕组类型和相数根据实际情况进行设置。

本发明的有益效果为：

本发明采用电磁悬浮-驱动和液力悬浮-驱动两套支承系统，其中电磁悬浮-驱动系统为大气隙、弱阻尼、负刚度、吸力型支承系统，而液力悬浮-驱动系统为小间隙、强阻尼、正刚度、斥力型支承系统。液力悬浮-驱动系统的强阻尼、正刚度特性增强了磁液双悬浮系统的缓冲吸振能力，大幅提高承载能力及支承刚度，电磁悬浮-驱动系统则增强了磁液双悬浮系统响应快速性、主动控制性等优点。且液力悬浮轴承的供压源为液力悬浮-驱动系统本身，使整个磁液双悬浮系统集成度高，结构简单。磁液双悬浮系统同时兼具了两套支撑系统的优点，弱化了本身存在的缺点，降低了磁悬浮离心泵在极端工况下的电流损耗，扩展了磁悬浮离心泵在不同工况下的工作范围，在磁液双悬浮系统的支承下，可使叶轮更稳定地悬浮旋转，进而使磁液双悬浮离心泵具备更佳的性能。

附图说明

图1为本发明磁悬浮离心泵的各部分组成示意图；

图2为液力悬浮轴承的剖面示意图；

图3为液力悬浮轴承的截面示意图；

图4为液力悬浮-驱动系统的组成原理图；

图5为液力悬浮-驱动系统的等效液桥原理图；

图6为单自由度液力悬浮轴承的供液示意图；

图7为电磁悬浮力产生原理图；

图8为电磁驱动扭矩产生原理图；

图9为本实施例中驱动绕组的绕线示意图；

图10为本实施例中悬浮绕组的绕线示意图；

图中：泵盖1，叶轮转子2，泵壳3，7字型定子硅钢4a，底部圆孔硅钢4b，悬浮绕组5，驱动绕组6，承载腔9，轴向回流槽10，节流孔11，液体腔12，单向节流阀14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，离心泵包括叶轮转子2、液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统；叶轮转子2设置在液力悬浮-驱动系统内，液力悬浮-驱动系统安装在电磁悬浮-驱动系统上，液力悬浮-驱动系统用于为叶轮转子2提供液力径向悬浮力，电磁悬浮-驱动系统用于为叶轮转子2提供电磁径向悬浮力；液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统构成磁液双悬浮结构，用于保证叶轮转子的稳定悬浮和旋转，实现离心泵的稳定工作。

液力悬浮-驱动系统包括泵盖1、单向节流阀14和泵壳3；

泵壳3上固定安装有泵盖1，泵壳3内放置有叶轮转子2，叶轮转子2与泵盖1、泵壳3之间均设置有间隔，在泵壳3上部的一侧即(内部环形压水室的切线方向上)设置有离心泵出口，离心泵出口的一侧面通过管道与单向节流阀14相连接，单向节流阀14通过管道与泵壳3的下部的多个节流孔11连通，泵壳3的下部固定安装在电磁悬浮-驱动系统中。

如图2和图3所示，泵壳3的下部作为液力悬浮轴承，液力悬浮轴承如图2中的虚线区域所示。泵壳3的下部与叶轮转子2之间的间隙作为承载腔9，泵壳3的下部的内圆周侧面开设有多个沿圆周等间隔布置的轴向回流槽10，相邻两个轴向回流槽10之间的泵壳3内圆周侧面上还开设有液体腔12，每个液体腔12的泵壳3内圆周侧面上还开设有节流孔11，各个节流孔11分别通过对应的管道与单向节流阀14连通，管道如图2中的实线圈所示，使得从离心泵出口流出的部分液体依次流过单向节流阀、各个节流孔11和对应的液体腔12后流入承载腔9以及轴向回流槽10，回流后的液体经过叶轮转子2增压后重新从离心泵出口流出，构成一个液体循环。承载腔9和各个液体腔12中不同静压分布的液体用于提供液力径向悬浮力。

如图4表示了液力悬浮-驱动系统中液体的循环过程。从泵壳3中泵出的液体经过单向节流阀14后流到液力悬浮轴承中，再通过轴承的回流槽后，返回至泵腔，最终构成一个液体循环。液体由离心泵泵至出口后，会流经单向节流阀14，并依次经过液力悬浮轴承的节流孔11、液体腔12、承载腔9，并形成具有较大压力的液膜，进而形成对叶轮转子2的承载力，使叶轮转子2发生径向移动，最后液体通过轴向回流槽10和承载腔9回到泵壳3上部的泵腔中，完成了整个液体的回路。

液力悬浮-驱动系统的承载力的大小会随着转速而变化，但无论转速如何变化，液力悬浮-驱动系统的承载力都可以提供向心的恢复力，所以液力悬浮-驱动系统在工作在多种工况下均可以稳定运行。系统中有供压液体持续给叶轮转子提供悬浮的动力，使叶轮转子悬浮。其中供压液体取自液力悬浮-驱动系统本身，即供压液体能完成自循环。本实施例中，轴向回流槽10设置为4个，因此液力悬浮轴承中液体腔之间呈90°分布。

而二自由度液力悬浮轴承中的转子(叶轮转子2的下部分圆柱体)能够保持在轴瓦中心的原理如下。当转子开始旋转的时候，若转子贴近承载腔9右侧壁面，承载腔9的右侧壁面由于间隙减小，压力变大。而此时，承载腔9的左侧壁面由于间隙的增加，压力变小。转子在左右侧压力差作用下，左移到中心位置。当转子受到向上的力后，承载腔9的上侧壁面间隙变小，压力变大，承载腔9的下侧壁面间隙变大，压力变小，因此上下两侧压力差会使转子向下运动，最后使转子运动到中心位置。此处的上下左右均只是对图3而言。

电磁悬浮-驱动系统包括多根7字型定子硅钢4a、底部圆孔硅钢4b、多个悬浮绕组5和多个驱动绕组6；

多根7字型定子硅钢4a沿圆周等间隔地固定安装在底部圆孔硅钢4b上，多根7字型定子硅钢4a上端的内侧面之间安装有液力悬浮-驱动系统的泵壳3的下部，具体实施中，多根7字型定子硅钢4a上端面与泵壳3下部的台阶面之间通过紧固件进行固接，底部圆孔硅钢4b上的每根7字型定子硅钢上从下到上依次绕有一个悬浮绕组5和一个驱动绕组6。

悬浮绕组5和驱动绕组6的个数、极对数、绕组类型和相数根据实际情况进行设置。

本实施例中，8个7字型定子硅钢4a和1个底部圆孔硅钢4b，两者采用装配的方式组装在一起并构成定子硅钢。每1个7字型定子硅钢4a上都绕有悬浮绕组5，其绕制方式为两相两对极。在空间中相隔90°分布的4个悬浮绕组5依次串联组成一相绕组。通电时，一相绕组中的4个悬浮绕组5沿圆周呈现“N-S-N-S”的分布。驱动绕组6的绕制方式为两相一对极。

如图9所示，为本实施例的驱动线圈绕线示意图，绕线方式为两相一对极，2个两两不相邻的驱动绕组组成一相绕组，图9的(a)和(b)分别为驱动线圈中A、B两相绕线示意图。图中示意了当每相绕组通电时，各个绕组上的电流流向，即示意了绕组的绕制方式。

如图10所示，为本实施例的悬浮线圈绕线示意图，绕线方式为两相两对极，4个两两不相邻的悬浮绕组组成一相绕组，图10的(a)和(b)分别为悬浮线圈中C、D两相绕线示意图。图中示意了当每相绕组通电时，各个绕组上的电流流向，即示意了绕组的绕制方式。

由于，无轴承薄片电机的定子齿数、极对数和相数之间的组合方式可以多种多样，而本电磁悬浮-驱动系统对于定子齿数、极对数和相数的选择不限于此。因此，对最多12个齿的无轴承薄片电机的所有可能配置进行总结，但总结有以下限制：驱动绕组和悬浮绕组的设计最多为三相，同类型的绕组的配置均一致。在去除了原理可行但实用性不高的组合形式之后，将各参数组合形式以表格呈现，如下表所示。

表1电磁悬浮-驱动系统中各参数的配置

N:齿数；p_i:极对数；t_i:绕组类型(A:非对称绕组分布；S:对称绕组分布)；m_i:相数；

q_i:每相中每极的定子槽数，i＝1表示悬浮绕组5，i＝2表示驱动绕组6，

叶轮转子2下部分的圆柱体内设置有永磁体。叶轮转子在泵壳内部，叶轮转子中永磁体充磁方向为平行径向充磁，叶轮转子表面法向磁势基波为正弦波。电磁悬浮-驱动系统通过控制电流产生定向旋转的磁场，叶轮转子中的转子永磁体被电磁悬浮-驱动系统驱动，叶轮转子也会被带着旋转，液体受到旋转的叶轮转子的挤压后向外运动，流经泵壳后会将液体的动能转换成压力势能，最终完成离心泵扬程的输出。

由大量研究表明，液力悬浮-驱动系统的流量、压力和液阻之间的关系和电路系统中的电流、电压和电阻之间的关系相似。可以运用“欧姆定律”来解释液力悬浮轴承悬浮原理的相关问题。

图5为液力悬浮-驱动系统等效液桥原理图，总的液体压力P受到两方面的影响。一方面是节流孔11和单向节流阀14造成的液阻R_g，另一方面为半径间隙处的液体腔12造成的可变液阻R_h，两者相互串联。

在图6中，两个关于泵壳(3)中心对称布置的节流孔和与节流孔连接的单向节流阀的液阻分别用R_g1和R_g3等效。与当前两个节流孔对应相连的两个液体腔(图6中分别是上下布置)的液阻分别用R_h1和R_h3表示。上下液体腔中的液体压力分别用P_r1和P_r3表示，上下液体腔的流量分别用Q₁、Q₃表示，主要由关于泵壳(3)中心对称布置的两个节流孔和液体腔构成单自由度的液力悬浮轴承。由此可得流体相关参数关系：

其中P_s为供液压力，即液力悬浮-驱动系统输出的相对压力，可得到液体腔P_r1、P_r3的压力计算表达式，如下式：

所提供的液力悬浮力为：

F_液力＝A_e·(P_r1-P_r3)

其中A_e表示液体静压作用在叶轮转子上的有效作用面积；

图7(a)和图7(b)分别表示了本电磁悬浮-驱动系统所产生的x方向和y方向的悬浮力原理图。图7(a)和图7(b)中的绕线分别为一相绕组。如图7的(a)所示，由永磁转子和驱动绕组激励的双极磁场在图中以实线100表示，i_b1为使叶轮转子中永磁体产生x方向的悬浮力的悬浮绕组电流，记为第一悬浮绕组电流；i_b2为使叶轮转子中永磁体产生y方向的悬浮力的悬浮绕组电流，记为第二悬浮绕组电流。当径向位移传感器检测到叶轮转子向左偏移的时候，会施加第一悬浮绕组电流i_b1到所示线圈，并产生四极叠加磁场(虚线)101，这导致左侧气隙的磁通密度减小而右侧气隙的磁通密度增大。因此，向左的麦克斯韦力102减小，而向右的麦克斯韦力103增加，而产生了沿正x方向的麦克斯韦力合力F_x 104。

如图7的(b)所示，当叶轮转子向下偏移时，将第二悬浮绕组电流i_b2施加到所示线圈时，将在正y方向产生一个麦克斯韦力合力F_y105。基于此原理，可以通过力-电流模型同时改变第一和第二悬浮绕组电流i_b1和i_b2来产生与转子角位置无关的径向力。此外，在此过程中还会出现洛伦兹力，出现的径向洛伦兹力与麦克斯韦力方向相同，并会叠加到麦克斯韦力上。因此，通过麦克斯韦力和洛伦兹力地互相叠加，可以产生稳定的径向悬浮力，使转子悬浮。由于本电机的结构为塔式电机的结构，洛伦兹力量级较小且线圈周围的漏磁很小，洛伦兹力可忽略不计。

所提供的电磁悬浮力为

其中F_ix和F_iy分别为x轴和y轴上的径向可控悬浮力分量；K_M为麦克斯韦力常数，K_L为洛伦兹力常数；Ψ_1d和Ψ_1q分别为永磁体与驱动绕组的磁链之和在d轴和q轴方向的分量；i_2d和i_2q分别为悬浮绕组电流在d轴和q轴上的分量；p₁和p₂分别为驱动绕组和悬浮绕组的极对数；L_M2为悬浮绕组的互感；l为定子铁芯的有效长度，r为叶轮转子内部圆形永磁体的半径，μ₀为真空磁导率，N₁和N₂分别为驱动和悬浮绕组的匝数，K_N1和K_N2分别为驱动和悬浮绕组的绕组因子，m₁为驱动绕组的相数。

综上，本专利中的磁液双悬浮结构采用电磁悬浮和液力悬浮两套支承系统，兼具了2套系统的优点，能够使系统更加稳定地工作。且产生的总悬浮力为：F_悬浮＝F_电磁+F_液力。

如图8所示，为电磁悬浮-驱动系统中产生扭矩的原理图。通过在绕组上通入电流来产生定向旋转的磁场，洛伦兹力产生的扭矩会驱动电磁悬浮-驱动系统中的转子。i_d1为使叶轮转子中永磁体产生扭矩的驱动绕组电流，当通入i_d1之后，将产生一个垂直于永磁体磁场的定子磁场，此时叶轮转子中的永磁体上会产生最大扭矩。图中实线所示为叶轮转子中的永磁体在整个磁路中产生的磁通量方向，虚线所示为图中所示绕组通入i_d1后在磁路中所形成的磁通量方向。两磁场相互作用，使叶轮转子中的永磁体产生切线方向上的扭矩。i_d1为i_1q在图中所示一相驱动绕组上的分量，此处i_d1＝i_1q。i_1q可用来使定子产生一个大小稳定并以稳定角速度旋转的定向磁场。因此，旋转的永磁体会带动叶轮转子旋转，叶轮转子会实时受到稳定的驱动转矩和液力负载转矩。所产生的电磁扭矩为：

其中i_1q为驱动绕组的q轴电流分量，Ψ_PM为等效永磁体磁链。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，其特征在于，包括叶轮转子(2)、液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统；叶轮转子(2)设置在液力悬浮-驱动系统内，液力悬浮-驱动系统安装在电磁悬浮-驱动系统上，液力悬浮-驱动系统用于为叶轮转子(2)提供液力径向悬浮力，电磁悬浮-驱动系统用于为叶轮转子(2)提供电磁径向悬浮力；液力悬浮-驱动系统和电磁悬浮-驱动系统构成磁液双悬浮结构，用于保证叶轮转子的稳定悬浮和旋转，实现离心泵的稳定工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，其特征在于，所述液力悬浮-驱动系统包括泵盖(1)、单向节流阀(14)和泵壳(3)；

泵壳(3)上固定安装有泵盖(1)，泵壳(3)内放置有叶轮转子(2)，叶轮转子(2)与泵盖(1)、泵壳(3)之间均设置有间隔，在泵壳(3)上部的一侧设置有离心泵出口，离心泵出口的一侧面通过管道与单向节流阀(14)相连接，单向节流阀(14)通过管道与泵壳(3)的下部连通，泵壳(3)的下部固定安装在电磁悬浮-驱动系统中。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，其特征在于，所述泵壳(3)的下部与叶轮转子(2)之间的间隙作为承载腔(9)，泵壳(3)的下部的内圆周侧面开设有多个沿圆周等间隔布置的轴向回流槽(10)，相邻两个轴向回流槽(10)之间的泵壳(3)内圆周侧面上还开设有液体腔(12)，每个液体腔(12)的泵壳(3)内圆周侧面上还开设有节流孔(11)，各个节流孔(11)分别通过对应的管道与单向节流阀(14)连通，使得从离心泵出口流出的部分液体依次流过单向节流阀、各个节流孔(11)和对应的液体腔(12)后流入承载腔(9)以及轴向回流槽(10)，回流后的液体经过叶轮转子(2)增压后重新从离心泵出口流出，构成一个液体循环。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，其特征在于，所述电磁悬浮-驱动系统包括多根7字型定子硅钢(4a)、底部圆孔硅钢(4b)、多个悬浮绕组(5)和多个驱动绕组(6)；

多根7字型定子硅钢(4a)沿圆周等间隔地固定安装在底部圆孔硅钢(4b)上，多根7字型定子硅钢(4a)上端的内侧面之间安装有液力悬浮-驱动系统，底部圆孔硅钢(4b)上的每根7字型定子硅钢上从下到上依次绕有一个悬浮绕组(5)和一个驱动绕组(6)。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁液双悬浮结构的离心泵，其特征在于，所述悬浮绕组(5)和驱动绕组(6)的个数、极对数、绕组类型和相数根据实际情况进行设置。

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