CN117748818B - 一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构。该结构其由电机1、多级泵2、轴向磁轴承3、径向磁轴承、保护轴承、转轴9、过滤器10等组成。该结构取消了传统泵组结构中的机械密封、联轴器等部件，将电机轴与泵轴集成，采用两悬浮支点、三保护支点对转子进行整体悬浮与保护，实现转子无接触支撑。基于多级叶轮式泵组的紧凑型结构形式，有效压缩了泵组轴向长度，使得整体装置的集成度得到显著提高。

Description

一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构。

背景技术

磁轴承具有与转子无物理接触、支承刚度可调等优点，在提高船舶旋转机械的运行转速和效率等方面展现了良好的应用前景。

将磁轴承应用于多级泵组后，由于增加了转子悬浮单元，会导致轴向长度和重量的增加；另外，电机轴与叶轮轴共轴后，轴系长度增长，导致临界转速下降，增加了磁轴承控制难度。

韩国发明专利KR102506960B1公开了一种单级叶轮式的磁悬浮泵，叶轮以非接触方式支撑在固定部分的中心，叶轮的推力通过电磁线圈产生的轴向力来平衡，并通过调节线圈电流来调整轴向力大小。但是，该技术方案仅能提供单个方向的轴向力，且在磁轴承断电、外部强烈冲击、大角度倾斜摇摆等极端情况下无法提供径向与轴向方向的保护支承，有动静相擦的风险，并且对于多级泵等细长转子而言这种风险更高。

有鉴于此，有必要设计一种针对多级叶轮式泵组的紧凑型结构形式的两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，以解决上述问题，从而更好地发挥磁轴承的技术优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构。该结构将电机轴与叶轮轴共轴设计，并在泵组的两端布置径向磁轴承，实现两支点悬浮支撑；另外，考虑到轴系加长等因素，在泵组顶端、中部、底部分别设置保护轴承，以对泵组转子进行三支点保护支撑。所述泵组结构中电机转子、磁轴承转子、多级泵叶轮集成于一根轴上，并采用全悬浮支撑方案，取消传统泵组中所有的接触式支撑、机械密封等装置。

为压缩泵组轴向长度，提高装置集成度，在泵组设计时充分贯彻“功能复用”的设计理念，具体措施如下：

一是尽可能压缩电机端部绕组的轴向长度，同时，在保证电机及磁轴承定子绕组安全爬电距离的前提下尽可能压缩端部空间；

二是将上径向磁轴承与电机定子整体灌封，以共用端部空间；

三是上、下轴向磁轴承共用一个转子推力盘，以压缩轴向磁轴承的安装空间；

四是将上保护轴承的径向保护和轴向保护功能集成于一体，以压缩上保护轴承的安装空间；

五是将轴向磁轴承转子推力盘、转轴的轴肩作为轴向保护轴承的推力面，如此无需再单独设置保护轴承推力盘，节约轴向空间；

六是将中保护轴承布置在电机端部与转轴之间，以充分利用电机定转子之间的剩余空间；

七是将多级泵叶轮与电机转子紧邻布置，以压缩电机转子与叶轮的轴向距离。

作为本发明的进一步改进，从叶轮侧引一路旁通管路，将工作介质引入电机及磁轴承工作间隙，利用多级泵内的工作介质实现电机侧的循环冷却。

作为本发明的进一步改进，为防止叶轮口环、级间口环、保护轴承产生振动短路，相对传统的泵组而言，应适当增加叶轮口环间隙、级间口环间隙和保护轴承间隙，以避免间隙流产生过大的水膜力或油膜力。

作为本发明的进一步改进，中、下保护轴承仅提供径向方向的保护，以释放轴向方向的自由度约束，更好适应轴系热胀冷缩产生的变形。

作为本发明的进一步改进，为防止泵组部件动静相擦，原则上：电机机械间隙>磁轴承径向间隙>多级泵口环间隙>径向保护间隙，磁轴承轴向间隙>轴向保护间隙。

具体技术方案如下：

为实现上述发明目的，本发明提供了一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其包括电机、多极泵泵组、轴向磁轴承、径向磁轴承和保护轴承；

所述径向磁轴承设置于泵组电机的两端，起径向悬浮作用；

所述轴向磁轴承设置于所述泵组的顶端，起轴向悬浮作用；

所述保护轴承分别设置在所述泵组的上、中、下部位，起保护作用。

作为本发明的进一步改进，所述径向磁轴承包括上径向磁轴承、下径向磁轴承；所述上径向磁轴承中的上径向磁轴承定子与所述电机中的电机定子共用一个定子安装基座。

作为本发明的进一步改进，所述轴向磁轴承为单向非对称紧凑结构，上轴向磁轴承定子、下轴向磁轴承定子两者共用一个磁轴承转子推力盘。

作为本发明的进一步改进，所述保护轴承包括分别设置于所述泵组上、中、下部位的上保护轴承、中保护轴承、下保护轴承；

所述上保护轴承由瓦基、径向部瓦和轴向部瓦组成，供径向及轴向方向的保护；所述中保护轴承、下保护轴承均为单一的径向瓦结构，仅提供径向方向保护；

所述保护轴承采用但不限定于滑动式轴承。

作为本发明的进一步改进，所述多级泵通过旁通管路与轴向磁轴承管道连接；所述旁通管路上设置有过滤器；

通过所述旁通管路将工作介质依次引入轴向磁轴承、电机、多级泵的工作间隙以实现电机侧的内循环冷却。

作为本发明的进一步改进，所述电机、多级泵、轴向磁轴承、径向磁轴承和保护轴承共轴设置，前述五者共用同一根转轴。

作为本发明的进一步改进，所述多级泵的多级叶轮采用但不限定于背靠背安装方式。

作为本发明的进一步改进，所述多级叶轮的相邻叶轮间设置换向器或过渡流道；

所述多级叶轮还包括叶轮口环和节流阀口环。

作为本发明的进一步改进，电机定转子机械间隙>径向磁轴承间隙>多级泵口环间隙>保护轴承径向间隙，轴向磁轴承间隙>轴向保护间隙。

作为本发明的进一步改进，当定/转子中心线重合时，各理论间隙相对大小关系如下设置：

(1)，上轴向磁轴承间隙等于下轴向磁轴承间隙；

(2)，上轴向保护间隙等于下轴向保护间隙；

(3)，上保护轴承径向间隙等于中保护间隙等于下保护间隙；

(4)，上径向磁轴承间隙等于下径向磁轴承间隙；

(5)，上轴向保护间隙＜上轴向磁轴承间隙；

(6)，上保护轴承径向间隙＜min（叶轮口环间隙，级间口环间隙）；

(7)，max（叶轮口环间隙，级间口环间隙）＜上径向磁轴承间隙＜电机定转子机械间隙。

本发明的有益效果是：

本发明提供的两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，为压缩泵组轴向长度，提高装置集成度，在泵组结构设计时充分采用多重功能复用的集成设计：一是尽可能压缩电机端部绕组的轴向长度，同时，在保证电机及磁轴承定子绕组安全爬电距离的前提下尽可能压缩端部空间；二是将上径向磁轴承与电机定子整体灌封，以共用端部空间；三是上、下轴向磁轴承共用一个转子推力盘，以压缩轴向磁轴承的安装空间；四是将上保护轴承的径向保护和轴向保护功能集成于一体，以压缩上保护轴承的安装空间；五是将轴向磁轴承转子推力盘、转轴的轴肩作为轴向保护轴承的推力面，如此无需再单独设置保护轴承推力盘，节约轴向空间；六是将中保护轴承布置在电机端部与转轴之间，以充分利用电机定转子之间的剩余空间；七是将多级泵叶轮与电机转子紧邻布置，以压缩电机转子与叶轮的轴向距离。

附图说明

图1为本发明提供的两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构示意图。

附图标记

1-电机；101-电机定子；102-电机转子；103-绝缘导热胶；2-多级泵； 201-首级叶轮；202-次级叶轮；203-次末级叶轮；204-末级叶轮；205-级间节流阀；206-叶轮锁紧螺母；207-叶轮口环；208-级间口环；209-换向器；210-过渡流道。3-轴向磁轴承；301-上轴向磁轴承；302-下轴向磁轴承；303-转子推力盘；4-上径向磁轴承；401-上径向磁轴承定子；402-上径向磁轴承转子；5-下径向磁轴承；501-下径向磁轴承定子；502-下径向磁轴承转子；6-上保护轴承；7-中保护轴承；8-下保护轴承；9-转轴；10-过滤器；g₁-上轴向磁轴承间隙；g₂-下轴向磁轴承间隙；g₃-上轴向保护间隙；g₄-下轴向保护间隙；g₅-上保护轴承径向间隙；g₆-上径向磁轴承间隙；g₇-电机定转子机械间隙；g₈-中保护间隙；g₉-下保护间隙；g₁₀-下径向磁轴承间隙；g₁₁-叶轮口环间隙；g₁₂-级间口环间隙。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，本发明提供了一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其由电机1、多级泵2、轴向磁轴承3、径向磁轴承、保护轴承、转轴9、过滤器10等组成。

所述电机1、多级泵2、轴向磁轴承3、径向磁轴承、保护轴承共轴设计，共同用同一根转轴9。

所述电机1包括电机定子101和电机转子102。

所述轴向磁轴承3布置在泵组顶端，起轴向悬浮作用，其由上轴向磁轴承301、下轴向磁轴承302和转子推力盘303组成。

在本实施方式中，所述轴向磁轴承3采用但不限定于单向非对称紧凑结构，上、下轴向磁轴承301、302共用一个磁轴承转子推力盘303，以节约轴向空间。其中，上、下轴向磁轴承定子位于转子推力盘303两侧，以分别提供向上、向下轴向电磁力。

所述径向磁轴承包括上径向磁轴承4、下径向磁轴承5；上径向磁轴承4、下径向磁轴承5分别布置在泵组的两端，构成了转子的上、下两个悬浮支点，起径向悬浮作用。

在本实施方式中，所述上径向磁轴承4中的上径向磁轴承定子401与所述电机1中的电机定子101共用一个定子安装基座，采用但不限定用绝缘导热胶103整体灌封。

所述保护轴承分别设置在所述泵组的上、中、下部位，起保护作用。

在本实施方式中，所述保护轴承包括分别设置于所述泵组上、中、下部位的上保护轴承6、中保护轴承7、下保护轴承8，起保护作用。上保护轴承6将径向、轴向保护轴承集成为一体，以提供径向和轴向方向的保护；中、下保护轴承7、8仅提供径向方向保护，以释放轴向方向的自由度约束，更好适应轴系热胀冷缩产生的变形。

具体来讲，所述上保护轴承6由瓦基、径向瓦和轴向瓦组成，供径向及轴向方向的保护；所述中保护轴承7、下保护轴承8均为单一的径向瓦结构，仅提供径向方向保护。

在本发明中，所述保护轴承采用但不限定于滑动式轴承。

所述多级泵2中，多级泵叶轮推荐采用背靠背方式布置以最大限度平衡轴向力，以充分抵消叶轮轴向力，残余轴向力通过轴向磁轴承3来平衡。口环的设计间隙大于保护轴承径向保护间隙，以避免口环处动静相擦。

在本实施方式中，多级泵叶轮包括首级叶轮201、次级叶轮202、次末级叶轮203、末级叶轮204。需要说明的是，在本发明的多级泵2中，叶轮级数不限定于4级，针对其他级数的多级泵仍然适用于本实施方案。

在本实施方式中，电机轴与叶轮轴共用一根转轴9，以压缩轴系长度、简化轴系布置。并且，转轴9上集成了推力盘303、上径向磁轴承转子402、电机转子102、下径向磁轴承转子502、多级泵叶轮201/202/203/204、节流阀205、锁紧螺母206。

本发明将所述泵组结构中电机转子、磁轴承转子、多级泵叶轮集成于一根轴上，并采用全悬浮支撑方案，取消传统泵组中所有的接触式支撑、机械密封等装置。

在其他实施方式中，在多级泵叶轮的相邻叶轮间设置换向器209或过渡流道210，以将上一级叶轮的出流整流后导入下一级叶轮的进口。

另外，设置叶轮口环207以对叶轮进行保护，设置节流阀口环208以减小末级叶轮的泄流。

在本实施方式中，为对电机及磁轴承有效冷却，从多级泵2级间引出一路旁通管路接至电机侧，如此，工作介质在经多级泵2做功后并经过滤器10进入电机侧内部间隙以实现冷却，且过滤器10应能对工作介质中的杂质有效过滤。工作介质在过滤后依次通过轴向电磁间隙（轴向磁轴承间隙）g₁/g₂、上轴向保护间隙（上轴向保护间隙）g₃、上径向保护间隙（上保护轴承径向间隙）g₅、下轴向保护间隙（下轴向保护间隙）g₄、上径向电磁间隙（上径向磁轴承间隙）g₆、电机间隙（电机定转子机械间隙）g₇、中径向保护间隙（中保护间隙）g₈、叶轮口环间隙（叶轮口环间隙）g₁₁回到多级泵2的主流区，构成内循环。

为防止叶轮口环、级间口环、保护轴承产生振动短路，相对传统的泵组而言，应适当增加叶轮口环间隙、级间口环间隙和保护轴承间隙，以避免间隙流产生过大的水膜力或油膜力。

为防止泵组部件动静相擦，理论间隙设置如下：

电机定转子机械间隙>径向磁轴承间隙>多级泵口环间隙>保护轴承径向间隙；轴向磁轴承间隙>轴向保护间隙。

在本实施方式中，当定/转子中心线重合时，各理论间隙相对大小推荐如下：(1)，上轴向磁轴承间隙等于下轴向磁轴承间隙；

(2)，上轴向保护间隙等于下轴向保护间隙；

(3)，上保护轴承径向间隙等于中保护间隙等于下保护间隙；

(4)，上径向磁轴承间隙等于下径向磁轴承间隙；

(5)，上轴向保护间隙＜上轴向磁轴承间隙；

(6)，上保护轴承径向间隙＜min（叶轮口环间隙，级间口环间隙）；

(7)，max（叶轮口环间隙，级间口环间隙）＜上径向磁轴承间隙＜电机定转子机械间隙。

在一些实施方式中，多级泵2内的工作介质为油，则电机及磁轴承无需增加屏蔽措施。

在其他实施方式中，多级泵2内的工作介质为水或其他液体，则电机及磁轴承需增加屏蔽措施。

屏蔽措施为在电机定子、磁轴承定子铁芯外部采用屏蔽套整体包裹以隔绝外部介质，避免介质渗入电机内部；同时，对电机定子、磁轴承定子进行整体灌封，进一步提高其绝缘性能。

综上所述，本发明提供了一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构。该结构其由电机1、多级泵2、轴向磁轴承3、径向磁轴承、保护轴承、转轴9、过滤器10等组成。该结构取消了传统泵组结构中的机械密封、联轴器等部件，将电机轴与泵轴集成，采用两悬浮支点、三保护支点对转子进行整体悬浮与保护，实现转子无接触支撑。磁浮泵组相对传统泵组而言，由于增加了转子悬浮单元，会带来体积重量的增加；同时，将电机轴与泵轴集成后会降低转子的临界转速。为此，本发明在结构拓扑设计上充分贯彻“功能复用”的设计理念，以提高装置的集成度和紧凑性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述磁浮泵组拓扑结构包括电机（1）、多级泵（2）、轴向磁轴承（3）、径向磁轴承和保护轴承；

所述径向磁轴承设置于泵组的两端，起径向悬浮作用；

所述轴向磁轴承（3）设置于泵组的顶端，起轴向悬浮作用，所述轴向磁轴承（3）为单向非对称紧凑结构，上轴向磁轴承定子（301）、下轴向磁轴承定子（302）两者共用一个磁轴承转子推力盘（303）；

所述保护轴承分别设置在泵组的上、中、下部位，起保护作用；

所述径向磁轴承包括上径向磁轴承（4）、下径向磁轴承（5）；

所述保护轴承包括分别设置于所述泵组上、中、下部位的上保护轴承（6）、中保护轴承（7）、下保护轴承（8）；

上保护轴承（6）和磁轴承转子推力盘（303）之间构成上轴向保护间隙（g3）；上保护轴承（6）与邻近的转轴肩部之间构成下轴向保护间隙（g4）；

所述多级泵（2）包括叶轮口环（207）和节流阀口环（208）；

级间节流阀（205）和节流阀口环（208）构成级间口环间隙（g12），叶轮口环（207）和叶轮之间构成叶轮口环间隙（g11）；

当定/转子中心线重合时，各理论间隙相对大小关系如下设置：

(1)，上轴向磁轴承间隙等于下轴向磁轴承间隙；

(2)，上轴向保护间隙等于下轴向保护间隙；

(3)，上保护轴承径向间隙等于中保护间隙等于下保护间隙；

(4)，上径向磁轴承间隙等于下径向磁轴承间隙；

(5)，上轴向保护间隙＜上轴向磁轴承间隙；

(6)，上保护轴承径向间隙＜min（叶轮口环间隙，级间口环间隙）；

(7)，max（叶轮口环间隙，级间口环间隙）＜上径向磁轴承间隙＜电机定转子机械间隙。

2.根据权利要求1所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述上径向磁轴承（4）中的上径向磁轴承定子（401）与所述电机（1）中的电机定子（101）共用一个定子安装基座。

3.根据权利要求1所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述上保护轴承（6）由瓦基、径向瓦和轴向瓦组成，供径向及轴向方向的保护；所述中保护轴承（7）、下保护轴承（8）均为单一的径向瓦结构，仅提供径向方向保护；

所述保护轴承采用滑动式轴承。

4.根据权利要求1所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述多级泵（2）通过旁通管路与轴向磁轴承（3）管道连接；所述旁通管路上设置有过滤器（10）；

通过所述旁通管路将工作介质依次引入轴向磁轴承（3）、电机（1）、多级泵（2）的工作间隙以实现电机侧的内循环冷却。

5.根据权利要求1所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述电机（1）、多级泵（2）、轴向磁轴承（3）、径向磁轴承和保护轴承共轴设置，前述五者共用同一根转轴（9）。

6.根据权利要求1所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述多级泵（2）的多级叶轮采用背靠背安装方式。

7.根据权利要求6所述的一种两悬浮支点三保护支点多级叶轮式磁浮泵组拓扑结构，其特征在于：所述多级叶轮的相邻叶轮间设置换向器（209）或过渡流道（210）。