CN117748819A - 叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其由屏蔽电机、轴向磁轴承、泵体、保护轴承及传感器系统等组成。该结构总成将电机轴与叶轮轴共轴设计，并通过磁轴承将转子整体悬浮，实现转子无接触支撑，以抑制转子‑轴承系统产生的机械振动；同时，利用电磁轴承施加可控电磁力，可对主要机械线谱进行主动对消；另外，将转子悬浮后，可有效减少泵组轴承磨损，提高装置的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成。
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、实现减振降噪等方面展现了良好的应用前景。
将磁轴承应用于泵组后，通常会衍生出以下几个方面的问题，一是传统泵组结构中的机械密封导致悬浮转子振动短路问题；二是电机侧与泵工作区连通后，电机及磁轴承的密封问题；三是电机及磁轴承转子在工作介质中高速旋转带来的摩擦损耗问题；四是电机增加屏蔽后带来的涡流损耗问题；五是转子摩擦损耗与定子涡流损耗产生的温升问题；六是电机轴与叶轮轴共轴后，轴系长度增长导致临界转速降低的问题。
有鉴于此，有必要设计一种改进的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，以解决上述诸多技术问题。
发明内容
本发明的目的在于为抑制磁浮型泵组转子轴承系统带来的机械振动、提高系统运行可靠性，提供一种紧凑型磁浮泵组结构形式的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成。该结构总成将电机轴与叶轮轴共轴设计，并通过磁轴承将转子整体悬浮，实现转子无接触支撑，以抑制转子-轴承系统产生的机械振动；同时，利用电磁轴承施加可控电磁力，可对主要机械线谱进行主动对消；另外，将转子悬浮后，可有效减少泵组轴承磨损，提高装置的运行可靠性。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其包括屏蔽电机、泵体、径向/轴向磁轴承、保护轴承；
所述泵体的叶轮悬臂式安装于所述屏蔽电机的轴伸端；所述轴向磁轴承安装于所述屏蔽电机的非伸端；
在所述屏蔽电机中，径向磁轴承安装于所述屏蔽电机的两端，径向磁轴承定子与电机定子整体灌封为集成一体化结构，径向磁轴承转子与电机转子采用焊接或过盈装配的方式集成在转轴上。
作为本发明的进一步改进，所述轴向磁轴承包括上轴向磁轴承定子、下轴向磁轴承定子，前述两者共用一个磁轴承转子推力盘，并就近安装在所述转轴的同侧。
作为本发明的进一步改进，所述保护轴承包括设置于屏蔽电机两端的上保护轴承和下保护轴承；
所述上保护轴承为径向、轴向保护轴承集成一体化结构，包括上保护面、径向保护面、下保护面；
所述上保护面与轴向磁轴承转子推力盘的下端面构成摩擦副；所述径向保护面与转轴的轴颈构成摩擦副；所述下保护面与转轴的轴肩构成摩擦副，三个保护面共同为转子-轴承系统提供径向和轴向方向的保护。
作为本发明的进一步改进，所述上保护轴承和下保护轴承选用但不限定为滑动式水润滑轴承或者滑动式油润滑轴承。
作为本发明的进一步改进，所述泵体的出口端通过旁通管路与屏蔽电机的顶端管道连接；所述旁通管路上设置有过滤器；
通过旁通管路将工作介质引入屏蔽电机和轴向磁轴承工作间隙以实现电机侧的循环冷却。
作为本发明的进一步改进，所述屏蔽电机的电机轴与所述泵体的叶轮轴共用一根转轴；
所述屏蔽电机的两侧分别设置由径向磁轴承提供的悬浮支点和由所述保护轴承提供的保护支点。
作为本发明的进一步改进，所述屏蔽电机的定子内圆设置一体化的屏蔽套；
所述轴向磁轴承上设置轴向磁轴承屏蔽套。
作为本发明的进一步改进，所述叶轮与转轴末端采用小过盈装配；在叶轮的上盖板、下盖板上分别设置上口环、下口环。
作为本发明的进一步改进，当定/转子中心线重合时，各间隙需满足如下关系：
(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下保护轴承径向间隙；
(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＜上口环轴向间隙＜上轴向磁轴承间隙；
(6)，上保护轴承径向间隙＜min（下口环径向间隙，上口环径向间隙）；
(7)，max（下口环径向间隙，上口环径向间隙）＜上径向磁轴承间隙＜电机定转子机械间隙。
作为本发明的进一步改进，所述过滤器有效过滤工作介质中颗粒尺寸超过δ 5 的杂质。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，将电机轴与叶轮轴共轴设计，并通过磁轴承将转子整体悬浮，实现转子无接触支撑，以抑制转子-轴承系统产生的机械振动；同时，利用电磁轴承施加可控电磁力，可对主要机械线谱进行主动对消；另外，将转子悬浮后，可有效减少泵组轴承磨损，提高装置的运行可靠性。
2、本发明提供的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，磁浮型泵组转子采用全悬浮支撑方案，取消传统泵组中所有的接触式支撑、机械密封装置。并且，磁浮型泵组定子采用屏蔽电机与屏蔽磁轴承，以解决电机侧与泵侧连通后的密封问题。为带走定子涡流损耗与转子摩擦损耗产生的热量，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以实现电机侧的循环冷却。
附图说明
图1为本发明提供的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成示意图；
图2为本发明提供的轴向磁轴承及上保护轴承结构示意图；
图3为本发明提供的屏蔽电机及径向磁轴承结构示意图；
图4为本发明提供的悬臂式叶轮及下保护轴承结构示意图。
附图标记
1-屏蔽电机；2-泵体；3-轴向磁轴承；4-上保护轴承；5-下保护轴承；6a/6b-上径向位移传感器；7a/7b-下径向位移传感器；8-轴向位移传感器；9-转速传感器；10-旁通管路；11a-上轴向磁轴承；11b-下轴向磁轴承；12-上径向磁轴承定子；13-叶轮安装键；14-电机定子；15-绝缘导热胶；16-下径向磁轴承定子；17-转轴；18-轴向磁轴承转子推力盘；19-上径向磁轴承转子；20-电机转子；21-下径向磁轴承转子；22-叶轮锁紧螺母；23-叶轮上口环；24-叶轮下口环；25-叶轮；25a-叶轮上盖板；25b-叶轮下盖板；26-过滤器；27-上轴向磁轴承绕组；28-上轴向磁轴承定子屏蔽套；29-下轴向磁轴承绕组；30-下轴向磁轴承定子屏蔽套；31-上轴向磁轴承间隙；32-下轴向磁轴承间隙；33-上保护轴承径向间隙；34-上轴向保护间隙；35-下轴向保护间隙；36-上径向磁轴承间隙；37-电机定转子机械间隙；38-下径向磁轴承间隙；39-上径向磁轴承定子屏蔽套；40-电机定子屏蔽套；41-下径向磁轴承定子屏蔽套；42-下径向保护间隙；43-下口环径向间隙；44-上口环轴向间隙；45-上口环径向间隙。
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，本发明提供了一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其由屏蔽电机1、泵体2、轴向磁轴承3、保护轴承及传感器系统等组成。所述磁浮型泵组结构总成中，电机转子、磁轴承转子、泵叶轮集成于一根转轴上。所述磁浮型泵组结构总成中的转子采用全悬浮支撑方案，取消传统泵组中所有的接触式支撑、机械密封装置。
请参阅图1-2所示，轴向磁轴承3安装于屏蔽电机1的非伸端，其中上、下轴向磁轴承定子11a、11b分列轴向磁轴承转子推力盘18两侧，以提供不同方向的轴向电磁力。
本发明中，上、下轴向磁轴承定子11a、11b共用一个磁轴承转子推力盘18，并就近安装在轴17的同侧，如此既可节约轴向空间，又能减小轴胀对轴向电磁间隙上轴向磁轴承间隙31(δ1)、下轴向磁轴承间隙32(δ2)的影响；以充分压缩轴向磁轴承的轴向长度，提高轴向磁轴承3的集成度。
请参阅图1-2所示，所述保护轴承包括与所述屏蔽电机1共轴设计且分别设置于屏蔽电机1两端的上保护轴承4和下保护轴承5。
具体来说，上保护轴承4安装于轴向磁轴承3和屏蔽电机1之间，下保护轴承5安装于泵体2和屏蔽电机1之间，以对转子轴承系统提供保护。上保护轴承4将轴向与径向保护轴承集成设计，以充分压缩保护轴承的轴向长度，提高保护轴承的集成度。
在一种实施方式中，上保护轴承4将径向、轴向保护轴承集成为一体，其上保护面4a与轴向磁轴承转子推力盘18的下端面构成摩擦副，径向保护面4b与转轴17的轴颈构成摩擦副，下保护面4c与转轴17的轴肩构成摩擦副，三个保护面共同为转子-轴承系统提供径向和轴向方向的保护。同时，上、下保护面4a、4c集成后，还可减小轴胀对轴向保护间隙上轴向保护间隙34(δ3)、下轴向保护间隙35(δ4)的影响。另外，为释放转轴17热胀冷缩产生的变形，下保护轴承5仅提供径向方向保护，推荐释放轴向方向的自由度约束，以更好适应轴系热胀冷缩产生的变形。
本发明中，所述上保护轴承4、下保护轴承5优先选用但不限定于滑动式水（或油）润滑轴承。
图3示出了屏蔽电机及径向磁轴承结构，其中，上径向磁轴承12/19、下径向磁轴承16/21分别设置于屏蔽电机1的两端，上、下径向磁轴承定子12、16与电机定子14采用绝缘导热胶15整体灌封后集成为一体，上、下径向磁轴承转子19、21与电机转子20采用焊接或过盈装配的方式集成在转轴17上。
径向磁轴承定子与电机定子集成设计，以充分压缩电机轴向长度，提高电机的集成度。
具体来讲，所述屏蔽电机1的电机轴与所述泵体2的叶轮轴共用一根转轴17，以压缩轴系长度、简化轴系布置，并在屏蔽电机1两侧各设置一个悬浮支点和一个保护支点，其中上、下径向磁轴承12/19、16/21提供悬浮支点，上、下保护轴承4、5提供保护支点。
所述屏蔽电机1的定子内圆设置一体化的屏蔽套；所述轴向磁轴承3上设置轴向磁轴承屏蔽套。
具体来讲，为实现对电机及磁轴承的屏蔽保护，在屏蔽电机1定子内圆设置屏蔽套39、40、41，其中上、下径向磁定子屏蔽套39、41与电机定子屏蔽套40整体加工成型；同时，设置上、下轴向磁轴承屏蔽套28、30，以分别对上、下轴向磁轴承定子绕组27、29进行屏蔽保护。
在一些实施方式中，所述屏蔽电机1及屏蔽磁轴承定子采用薄壁护套，护套材料优选电阻率高、耐腐蚀的金属护套，或复合材料护套，或金属基复合材料护套，以减小涡流损耗。
磁浮型泵组定子采用屏蔽电机与屏蔽磁轴承，以解决电机侧与泵侧连通后的密封问题。
本发明中，所述屏蔽电机转子推荐采用但不限定于细长型转子，以降低电机转子线速度，减小摩擦损耗。
图4示出了悬臂式叶轮及下保护轴承结构，泵体2的做功部件—叶轮25悬臂式地安装于屏蔽电机1的轴伸端，叶轮25与轴17末端采用小过盈装配，并利用键13周向固定、锁紧螺母22轴向固定，同时在叶轮25的上、下盖板25a、25b分别设置上、下口环23、24。
在本实施方式中，悬臂式安装的叶轮级数不限定为1级或2级。
为带走定子涡流损耗与转子摩擦损耗产生的热量，从叶轮25侧引一路旁通管路10，将工作介质引入电机及磁轴承工作间隙以实现电机侧的循环冷却。所述泵体2的出口端通过旁通管路10与屏蔽电机1的顶端管道连接；所述旁通管路10上设置有过滤器26；通过旁通管路10将工作介质引入屏蔽电机1和轴向磁轴承3工作间隙以实现电机侧的循环冷却。
具体来讲，为对屏蔽电机1、轴向磁轴承3有效冷却，从泵体2出口端引出一路旁通管路10接至屏蔽电机顶端。如此，工作介质在经叶轮25做功后并经过滤器26进入电机侧内部间隙以实现冷却，并通过轴向电磁间隙（上轴向磁轴承间隙31(δ1)/下轴向磁轴承间隙32(δ2)）、轴向保护间隙（上轴向保护间隙34(δ3)/下轴向保护间隙35(δ4)）、上保护轴承径向间隙33(δ5)、上径向磁轴承间隙36(δ6)、电机定转子机械间隙37(δ7)、下径向磁轴承间隙38(δ8)、下径向保护间隙42(δ9)、叶轮下口环径向间隙43(δ10)回到泵体2的主流区，构成内循环。
为防止叶轮口环、保护轴承产生振动短路，相对传统的泵组而言，适当增加叶轮口环间隙和保护轴承间隙，以保证叶轮口环、保护轴承不产生过大的水膜力或油膜力。为防止泵组部件动静相擦，叶轮口环间隙、磁轴承间隙应小于保护间隙。
在本实施方式中，当定转子中心线重合时，各理论间隙需满足如下关系：(1)，上轴向磁轴承间隙31等于下轴向磁轴承间隙32；
(2)，上轴向保护间隙34等于下轴向保护间隙35；
(3)，上保护轴承径向间隙33等于下保护轴承径向间隙42；
(4)，上径向磁轴承间隙36等于下径向磁轴承间隙38；
(5)，上轴向保护间隙34＜上口环轴向间隙44＜上轴向磁轴承间隙31；
(6)，上保护轴承径向间隙33＜min（下口环径向间隙43，上口环径向间隙45）；
(7)，max（下口环径向间隙43，上口环径向间隙45）＜上径向磁轴承间隙36＜电机定转子机械间隙37。
为防止工作介质中杂质进入电机侧间隙通道造成轴承磨损和卡滞，推荐在旁通管路上设置过滤器，以对杂质颗粒尺寸大于保护间隙的杂质进行前置过滤。
在本实施方式中，过滤器26应能对工作介质中颗粒尺度超过δ5的杂质有效过滤。
请参阅图1所示，上、下径向位移传感器6a/6b、7a/7b沿径向分别布置在上、下径向磁轴承转子19、21附近，以检测转子径向位移；轴向位移传感器8沿轴向布置在转轴17顶端，以检测转子轴向位移；转速传感器9可沿轴向布置在转轴17端部或沿径向布置在转子旋转面附近，以检测转子转速。
综上所述，本发明提供了一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其由屏蔽电机、轴向磁轴承、泵体、保护轴承及传感器系统等组成。该结构总成将电机轴与叶轮轴共轴设计，并通过磁轴承将转子整体悬浮，实现转子无接触支撑，以抑制转子-轴承系统产生的机械振动；同时，利用电磁轴承施加可控电磁力，可对主要机械线谱进行主动对消；另外，将转子悬浮后，可有效减少泵组轴承磨损，提高装置的运行可靠性。
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 (10)
1.一种叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：包括屏蔽电机（1）、泵体（2）、轴向磁轴承（3）、保护轴承；
所述泵体（2）的叶轮（25）悬臂式安装于所述屏蔽电机（1）的轴伸端；所述轴向磁轴承（3）安装于所述屏蔽电机（1）的非伸端；
在所述屏蔽电机（1）中，径向磁轴承安装于所述屏蔽电机（1）的两端，其中，径向磁轴承定子与电机定子（14）为集成一体化结构，径向磁轴承转子与电机转子（20）一体化集成在转轴（17）上。
2.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述轴向磁轴承（3）包括上轴向磁轴承定子（11a）、下轴向磁轴承定子（11b），前述两者共用一个磁轴承转子推力盘（18），并就近安装在所述转轴（17）的同侧。
3.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述保护轴承包括设置于屏蔽电机（1）两端的上保护轴承（4）和下保护轴承（5）；
所述上保护轴承（4）为径向、轴向保护轴承集成一体化结构，包括上保护面（4a）、径向保护面（4b）、下保护面（4c）；
所述上保护面（4a）与轴向磁轴承转子推力盘（18）的下端面构成摩擦副；所述径向保护面（4b）与转轴（17）的轴颈构成摩擦副；所述下保护面（4c）与转轴（17）的轴肩构成摩擦副，三个保护面共同为转子-轴承系统提供径向和轴向方向的保护。
4.根据权利要求3所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述上保护轴承（4）和下保护轴承（5）选用但不限定为滑动式水润滑轴承或者滑动式油润滑轴承。
5.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述泵体（2）的出口端通过旁通管路（10）与轴向磁轴承（3）管道连接；所述旁通管路（10）上设置有过滤器（26）；
通过旁通管路（10）将工作介质引入屏蔽电机（1）和轴向磁轴承（3）工作间隙以实现电机侧的循环冷却。
6.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述屏蔽电机（1）的电机轴与所述泵体（2）的叶轮轴共用一根转轴（17）；
所述屏蔽电机（1）的两侧分别设置由径向磁轴承提供的悬浮支点和由所述保护轴承提供的保护支点。
7.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述屏蔽电机（1）的定子内圆设置一体化的屏蔽套；
所述轴向磁轴承（3）上设置轴向磁轴承屏蔽套。
8.根据权利要求1所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述叶轮（25）与转轴（17）的末端采用小过盈装配；在叶轮（25）的上盖板（25a）、下盖板（25b）上分别设置上口环（23）、下口环（24）。
9.根据权利要求8所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：当定/转子中心线重合时，各间隙需满足如下关系：
(1)，上轴向磁轴承间隙（31）等于下轴向磁轴承间隙（32）；
(2)，上轴向保护间隙（34）等于下轴向保护间隙（35）；
(3)，上保护轴承径向间隙（33）等于下保护轴承径向间隙（42）；
(4)，上径向磁轴承间隙（36）等于下径向磁轴承间隙（38）；
(5)，上轴向保护间隙（34）＜上口环轴向间隙（44）＜上轴向磁轴承间隙（31）；
(6)，上保护轴承径向间隙（33）＜min（下口环径向间隙（43），上口环径向间隙（45））；
(7)，max（下口环径向间隙（43），上口环径向间隙（45））＜上径向磁轴承间隙（36）＜电机定转子机械间隙（37）。
10.根据权利要求9所述的叶轮悬臂式安装的两支点磁浮型泵组结构总成，其特征在于：所述过滤器（26）过滤工作介质中颗粒尺寸超过δ 5 的杂质。
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