CN116566161A - 一种非接触式的低温旋转机械轴系结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式的低温旋转机械轴系结构，包括第一轴段、第二轴段、以及连接所述第一轴段和所述第二轴段的磁力联轴器，所述磁力联轴器包括内环和套设在所述内环外的外环，所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述内环和所述外环，或者所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述外环和所述内环，其中所述内环和所述外环的内侧均间隔设置有多个永磁体，本发明将主轴分为两段，采用磁力联轴器实现非接触连接，可以减少轴向漏热，有利于提高整机效率。
Description
技术领域
本发明涉及低温机械技术领域，特别是涉及一种非接触式的低温旋转机械轴系结构。
背景技术
随着航天和能源领域的发展，液氢、液氦、超流氦等低温液体受到越来越多的关注。低温旋转机械是一种在可以在低温环境中运行的动力部件，例如冷压缩机主要用于大型超流氦系统中低温负压氦气的输送，低温泵主要用于低温液体的输送等。
传统的低温旋转机械轴系结构均包含电机、轴承、叶轮、轴等。电机为整个机械提供动力输入；轴承为稳定运行提供支撑；叶轮是做功部件，与低温工质直接接触；轴传输扭矩，将电机提供的动力传输给叶轮。由于技术和成本的原因，低温电机及低温轴承没有大规模市场化应用，目前主流方案是将电机与轴承部分放置在室温温区，将叶轮放置在低温温区，轴跨温区连接，从室温到低温的漏热是影响低温旋转机械效率的重要因素，而轴系结构的设计成为解决这一问题的关键技术。在结构设计时，常采用几种措施：(1)采用加长轴，延长室温到低温的距离；(2)采用真空轴，减薄轴壁；(3)采用绝热材料填充，减少辐射及对流。
然而，采用加长轴和真空轴的方式，虽然能在一定程度上减少热传导，从而降低轴向漏热，但是会影响轴系的转子动力学：当轴的长度加长、轴壁减薄后，对隔热有利，对轴系的高速稳定运行不利。采用绝热材料填充可以减少辐射和对流，但填充的空间有限，且需要足够的填充空间才能起到较为明显的隔热效果。
发明内容
本发明的一目的是，提供一种非接触式的低温旋转机械轴系结构，将主轴分为两段，采用磁力联轴器实现非接触连接，可以减少轴向漏热，有利于提高整机效率。
本发明提供了一种非接触式的低温旋转机械轴系结构，包括第一轴段、第二轴段、以及连接所述第一轴段和所述第二轴段的磁力联轴器，所述磁力联轴器包括内环和套设在所述内环外的外环，所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述内环和所述外环，或者所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述外环和所述内环，其中所述内环和所述外环的内侧均间隔设置有多个永磁体。
在本发明的一实施例中，所述内环和所述外环均为齿状结构，即所述内环和所述外环的内侧间隔设置有多个齿槽，各所述永磁体分别设置于对应的齿槽内。
在本发明的一实施例中，各所述永磁体沿所述内环和所述外环的中心轴线的延伸方向插入设置于对应的齿槽。
在本发明的一实施例中，所述内环设置的所述永磁体为内环永磁体，所述内环永磁体包括交替间隔设置的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体均为径向充磁，且充磁方向相反。
在本发明的一实施例中，所述外环设置的所述永磁体为外环永磁体，所述外环永磁体包括交替间隔设置的第三永磁体和第四永磁体，所述第三永磁体和所述第四永磁体均为径向充磁，且充磁方向相反，其中所述第三永磁体与充磁方向相同的所述第一永磁体相对设置，所述第四永磁体与充磁方向相同的所述第二永磁体相对设置。
在本发明的一实施例中，所述第一轴段和所述第二轴段分别采用焊接、法兰连接、一体成型、管连接中的任一种方式与所述磁力联轴器相连接。
在本发明的一实施例中，所述第二轴段设置有至少一真空段。
在本发明的一实施例中，所述非接触式的低温旋转机械轴系结构还包括设置低温温区的叶轮和设置在常温温区的电机，其中所述第一轴段连接所述电机与所述轴承，所述第二轴段连接所述叶轮。
在本发明的一实施例中，所述非接触式的低温旋转机械轴系结构还包括至少两个轴承，两个所述轴承分别于所述电机的两侧套设在所述第一轴段上。
在本发明的一实施例中，所述轴承为机械轴承、磁悬浮轴承、气体轴承中的任一种。
本发明将低温旋转机械轴系结构中的主轴采用两段式设计，将主轴分为用于连接常温端的第一轴段和用于连接低温端的第二轴段，并通过磁力联轴器连接所述第一轴段和所述第二轴段，实现两个轴段的非接触式连接，可以有效减少轴向漏热，有利于提高整机效率。而且本发明的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构在减少轴向漏热的同时，不会对轴系的转子动力学产生影响，能够确保整个轴系高速稳定运行。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构的结构示意图。
图2为图1所示的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构的部分结构示意图。
图3为图1所示的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构的磁力联轴器的结构示意图。
图4为图3所示的所述磁力联轴器的一种永磁体的磁场方向示意图。
图5为图3所示的所述磁力联轴器的另一种永磁体的磁场方向示意图。
附图标号说明：
电机101；轴承102；第一轴段103；第二轴段104；真空段1041；叶轮105；磁力联轴器200；内环210；外环220；永磁体230；内环永磁体231；第一永磁体201；第二永磁体202；外环永磁体232；第三永磁体203；第四永磁体204；齿槽205。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，根据本发明的一优选实施例的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构的具体结构被阐明。
如图1至图3所示，所述非接触式的低温旋转机械轴系结构包括第一轴段103、第二轴段104、以及连接所述第一轴段103和所述第二轴段104的磁力联轴器200，所述磁力联轴器200包括内环210和套设在所述内环210外的外环220，所述第一轴段103和所述第二轴段104分别连接于所述内环210和所述外环220，或者所述第一轴段103和所述第二轴段104分别连接于所述外环220和所述内环210，其中所述内环210和所述外环220的内侧均间隔设置有多个永磁体230。
可以理解的是，本发明将低温旋转机械轴系结构中的主轴采用两段式设计，将主轴分为用于连接常温端的所述第一轴段103和用于连接低温端的所述第二轴段104，并通过磁力联轴器200连接所述第一轴段103和所述第二轴段104，实现两个轴段的非接触式连接，可以有效减少轴向漏热，有利于提高整机效率。
而且，由于本发明采用所述磁力联轴器200来实现两个轴段的连接，无需加长主轴或者减薄主轴的轴壁，因此在减小轴向漏热的同时，不会对轴系的转子动力学产生影响，能够确保整个轴系高速稳定运行。
另外，所述磁力联轴器200通过焊接、法兰连接、一体成型、管连接中的任一种方式分别与所述第一轴段103和所述第二轴段104相连接。
优选地，在这一具体实施例中，本发明采用焊接或者在同一根轴进行端部加工形成所述磁力联轴器200的内环210和外环220，如图1所示，因此不需要占用轴系中太多的装配空间，通过在所述第一轴段103和所述第二轴段104原有的连接空间内即可实现所述磁力联轴器200的加工和安装，无需像现有的采用填充绝热材料的方式需要足够的填充空间才能起到较为明显的隔热效果。也就是说，本发明通过所述磁力联轴器200实现所述第一轴段103和所述第二轴段104之间非接触式连接的方式，无需占用太多装配空间，即可以实现良好的隔热效果，实现方式简单、易行。
具体地，如图2和图3所示，所述内环210和所述外环220均为齿状结构，即所述内环210和所述外环220的内侧间隔设置有多个齿槽205，各所述永磁体230分别设置于对应的齿槽205内。
具体地，在这一实施例中，各所述永磁体230沿所述内环210和所述外环220的中心轴线的延伸方向插入设置于对应的齿槽205。
特别地，所述永磁体230为自所述内环210或所述外环220的外径向内径方向由宽变窄的块状结构，所述永磁体230的形状和大小与对应的所述齿槽205相一致。
可以理解的是，所述磁力联轴器200采用径向式结构，分为所述内环210与所述外环220，分别与所述第一轴段103和所述第二轴段104相连，结构紧凑。所述磁力联轴器200的所述内环210和所述外环220均采用内插永磁体的结构，形成“齿状”分布，有利于在减小轴向漏热的同时，确保整个轴系高速稳定运行。
如图3所示，所述内环210设置的所述永磁体230为内环永磁体231，所述内环永磁体231包括交替间隔设置的第一永磁体201和第二永磁体202，所述第一永磁体201和所述第二永磁体202均为径向充磁，且充磁方向相反。所述外环220设置的所述永磁体230为外环永磁体232，所述外环永磁体232包括交替间隔设置的第三永磁体203和第四永磁体204，所述第三永磁体203和所述第四永磁体204均为径向充磁，且充磁方向相反，其中所述第三永磁体203与充磁方向相同的所述第一永磁体201相对设置，所述第四永磁体204与充磁方向相同的所述第二永磁体202相对设置。
也就是说，所述内环永磁体231插入所述磁力联轴器200的所述内环210的所述齿槽205中，所述外环永磁体232插入所述磁力联轴器200的所述外环220的所述齿槽205中，所述齿槽205根据对应的永磁体的尺寸确定，本发明对此不作限制。
应该理解的是，如果所述内环210和所述外环220的永磁体不是间隔设置，而且永磁体的充磁方向一致，则相当于整个内环或外环的外径是一个相同的磁场，内径是一个相同的磁场，就没有办法形成“齿”的结构，也就无法传递扭矩，所述磁力联轴器200将会失去作用。因此本发明将所述内环210和所述外环220的永磁体间隔设置，且相邻两个永磁体的充磁方向相反，是为了确保，所述内环210和所述外环220能够形成“齿状”的结构，起到传递扭矩的作用。
所述内环210和所述外环220中，同种充磁方向的永磁体相对设置，如所述第一永磁体201和所述第三永磁体203均为图4示意的永磁体，其充磁方向均为径向充磁，内径为S极，外径为N极，两者相对设置。所述第二永磁体202和所述第四永磁体204均为图5示意的永磁体，其充磁方向均为径向充磁，内径为N极，外径为S极，两者相对设置。
可以理解的是，本发明将所述内环210和所述外环220中同种充磁方向的永磁体相对设置，是为了确保所述内环210和所述外环220不接触，从而形成所述第一轴段103和所述第二轴段104之间的非接触式连接。
应该理解的是，所述内环210和所述外环220的永磁体的大小可以根据实际需求进行设置，两者的永磁体大小可以相同也可以不同，两者的永磁体的数量也可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作限制。
进一步地，本发明的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构跨温区，常温部分为电机101、轴承102等结构，低温部分根据工况设计叶轮105等通流结构，所述第一轴段103和所述第二轴段104分别连接常温与低温部分并传输动力。
也就是说，所述非接触式的低温旋转机械轴系结构还包括设置低温温区的叶轮105和设置在常温温区的电机101与至少一轴承102，其中所述第一轴段103连接所述电机101与所述轴承102，可根据实际需要选择性设计隔热材料，如聚氨酯、G10等隔热材料；所述第二轴段104连接所述叶轮105，可根据实际需要选择性设计真空段1041，所述真空段1041可以增大轴向热阻，减小室温端向低温端漏热。所述真空段1041和隔热材料一样，可以根据不同机械的需要进行设计。
在这一具体实施例中，如图2所示，所述第二轴段104设置有至少一真空段1041。
值得一提的是，所述电机101提供动力驱动，可以根据实际需要选择电机101类型及结构，本发明对此不作限制。
在这一具体实施例中，所述轴承102为两个，两个所述轴承102分别于所述电机101的两侧套设在所述第一轴段103上。
可选地，所述轴承102支承转子稳定运行，可以根据实际需要选择机械轴承、磁悬浮轴承、气体轴承等类型及结构，必要时设置止推轴承。
还值得一提的是，所述叶轮105等通流结构为做功部件，可根据实际需要设计。
可以理解的是，本发明将低温旋转机械轴系结构中的主轴采用两段式设计，将主轴分为用于连接常温端的第一轴段103和用于连接低温端的第二轴段104，并通过磁力联轴器200连接所述第一轴段103和所述第二轴段104，实现两个轴段的非接触式连接，可以有效减少轴向漏热，有利于提高整机效率。而且本发明的所述非接触式的低温旋转机械轴系结构在减少轴向漏热的同时，不会对轴系的转子动力学产生影响，能够确保整个轴系高速稳定运行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，包括第一轴段、第二轴段、以及连接所述第一轴段和所述第二轴段的磁力联轴器，所述磁力联轴器包括内环和套设在所述内环外的外环，所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述内环和所述外环，或者所述第一轴段和所述第二轴段分别连接于所述外环和所述内环，其中所述内环和所述外环的内侧均间隔设置有多个永磁体。
2.根据权利要求1所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述内环和所述外环均为齿状结构，即所述内环和所述外环的内侧间隔设置有多个齿槽，各所述永磁体分别设置于对应的齿槽内。
3.根据权利要求2所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，各所述永磁体沿所述内环和所述外环的中心轴线的延伸方向插入设置于对应的齿槽。
4.根据权利要求2所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述内环设置的所述永磁体为内环永磁体，所述内环永磁体包括交替间隔设置的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体均为径向充磁，且充磁方向相反。
5.根据权利要求4所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述外环设置的所述永磁体为外环永磁体，所述外环永磁体包括交替间隔设置的第三永磁体和第四永磁体，所述第三永磁体和所述第四永磁体均为径向充磁，且充磁方向相反，其中所述第三永磁体与充磁方向相同的所述第一永磁体相对设置，所述第四永磁体与充磁方向相同的所述第二永磁体相对设置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述第一轴段和所述第二轴段分别采用焊接、法兰连接、一体成型、管连接中的任一种方式与所述磁力联轴器相连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述第二轴段设置有至少一真空段。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，还包括设置低温温区的叶轮和设置在常温温区的电机，其中所述第一轴段连接所述电机，所述第二轴段连接所述叶轮。
9.根据权利要求8所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，还包括设置在常温温区的至少两个轴承，两个所述轴承分别于所述电机的两侧套设在所述第一轴段上。
10.根据权利要求9所述的非接触式的低温旋转机械轴系结构，其特征在于，所述轴承为机械轴承、磁悬浮轴承、气体轴承中的任一种。
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