CN208057433U - 离心泵与永磁同步电机配套装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了离心泵与永磁同步电机配套装置。本实用新型包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器，离心泵的泵壳的泵腔中设置叶轮，叶轮中心固穿的泵体轴伸出泵壳，泵壳上开设进水口和出水口，出水口上依次串接有示波器、压力传感器，压力传感器的信号输出端通过电线连接伺服驱动器；永磁同步电机的电机壳内设置定子和转子，转子中心固穿的电机轴伸出电机壳，电机壳上设置温度检测仪和转速传感器，温度检测仪的信号输出端、转速传感器的信号输出端均通过电线连接伺服驱动器；电机轴的驱动端与泵体轴的传动端之间设置扭矩传感器，扭矩传感器的信号输出端通过电线连接伺服驱动器，伺服驱动器通过变频器电控连接永磁同步电机。

Description

离心泵与永磁同步电机配套装置

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种泵与电机的配合作用，特别是一种离心泵与永磁同步电机配套装置。

背景技术

电机与离心泵相辅相成，共同构筑了传统工业的相当大的基础和市场。传统意义上，离心泵的启动频次相对较少，连续运行时间相对较长，因此对电机的灵活性要求较低。然而，随着离心泵的工作环境越发多样，工况变化的不可控因素逐渐增多，使离心泵与电机共同维持在高效率工作状态不仅是节能减排的需要，也是市场对节约成本的必然走向。

例如离心泵的一种——自吸式离心泵，由于其工作环境经常需要开机和停机，无法像其他离心泵长时间保持工作状态，因此，从结构设计出发，通过回流的设计和引液的储存，使得自吸泵在运行前不需要灌泵，启动后叶轮高速旋转带动叶轮流道和吸入管道中的两相流(水与空气)达到气液分离室，其中空气沿出水管排出而液相回流至叶轮内部，逐渐将吸入管道内的空气排空，达到正常工作状态。由此可以避免反复开停机所不必要的灌泵等操作。

然而，例如自吸泵在自吸过程，以及离心泵在小流量工况下，其需要的扭矩较小，或对转速的要求较低。此时如果使泵和电机长时间维持在高扭矩或高转速的工作条件，则会导致效率骤降，引起不必要的能源浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可以智能化的根据离心泵所处的工作状态，对应调节永磁同步电机工作频率的离心泵与永磁同步电机配套装置。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：离心泵与永磁同步电机配套装置，包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器，所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内具有泵腔，所述泵腔中设置叶轮，所述叶轮的中心固穿泵体轴，所述泵体轴的传动端伸出所述泵壳，所述泵壳上开设进水口和出水口，所述进水口通过管腔连通所述泵腔的叶轮流道，所述叶轮流道连通一蜗壳，所述蜗壳连通一气液分离室，所述气液分离室的顶端连通上述出水口，所述气液分离室的底部连通回流室，所述回流室通过回流孔连通所述叶轮流道，所述出水口上依次串接有示波器、压力传感器，所述压力传感器的信号输出端通过电线连接所述伺服驱动器；所述永磁同步电机包括电机壳，所述电机壳内设置定子和转子，所述定子设置在外圈，所述转子设置在内圈，所述转子的中心固穿有电机轴，所述电机轴的驱动端伸出所述电机壳，所述电机壳上设置温度检测仪和转速传感器，所述温度检测仪的信号输出端、转速传感器的信号输出端均通过电线连接所述伺服驱动器；所述电机轴的驱动端与泵体轴的传动端之间设置扭矩传感器，所述电机轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接，所述泵体轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传感器的信号输出端通过电线连接所述伺服驱动器，所述伺服驱动器通过变频器电控连接所述永磁同步电机。

本离心泵与永磁同步电机配套装置中，永磁同步电机作为动力源，永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化，无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁同步电机起动时，由于其转子惯性较大，使得电机无法获得足够的起动扭矩。永磁同步电机以某一频率旋转时，负载的变化只是改变了定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角，此时电机仍保持同步转速旋转，当定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角，此时电机定子磁场与转子永磁体间的磁力将无法维持负载平衡，使得转子脱离同步转速发生失步。引入伺服驱动器对电机变频调速可以有效解决永磁同步电机异步起动和失步振荡。

离心泵作为载体，此处以自吸式离心泵作为样本。自吸式离心泵简称自吸泵，自吸泵的自吸过程包括气液混合过程、气液分离过程和自吸循环液的再循环过程。自吸泵内自吸过程是一种复杂的两相流动结构，内部流场特别是叶轮出口射流液体与回流孔回流液体之间形成的剪切层，加速气液混合及空泡流的形成和壮大，进而加快气体的溶解与排出。由于自吸过程所用的引液，往往只有正常工况时的一半，因此自吸过程时自吸泵所需要的启动扭矩较正常运转时小得多，这也与永磁同步电机启动扭矩较小相配合，减小了永磁同步电机的启动负载，防止过载的发生。

伺服驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服器的分散性大、零漂、低可靠性等问题，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元组成，并连接与之配套的永磁同步电机和相应的反馈检测器件，其中伺服控制单元包括压力控制器、扭矩控制器、温度控制器等等。

当离心泵内流动状态不稳定，如自吸过程时，离心泵出水口输出压力信号不稳定，故增加示波器。

联轴器需要具有较高的敏感性和平衡性，以便于扭矩传感器捕捉扭矩的变化，同时，由于装置的一体化，所以轴向偏差和径向偏差会较小，对联轴器的负荷也较小。梅花联轴器具有较大的轴向、径向和角向补偿能力，结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。因此，选用很好平衡性能和适用于高转速应用的梅花联轴器。

压力传感器、温度检测仪、转速传感器与扭矩传感器的使用方式均为现有技术。压力传感器、温度检测仪、转速传感器、扭矩传感器与伺服驱动器的连接方式、信号传递功能均为现有技术。伺服驱动器电控永磁同步电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

在上述的离心泵与永磁同步电机配套装置中，所述转子与电机轴之间卡设固定键，所述转子的内壁上设置卡位槽，所述电机轴的外壁上凹设键槽，所述固定键的一部分嵌入键槽内，另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子与电机轴通过键槽结构形成可靠的固连，以确保一并同步转动。

在上述的离心泵与永磁同步电机配套装置中，所述电机轴的两端套接有轴承，所述轴承通过支撑架与所述电机壳形成固定安装，所述轴承的端面上贴设V型密封圈。通过轴承的转动支撑，使电机轴将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现轴承端部的密封作用。

在上述的离心泵与永磁同步电机配套装置中，所述电机轴的尾端上固套有风扇，所述风扇的外周罩设有罩壳，所述罩壳与所述电机壳相固连。定子和转子在工作中会产生大量的热量，风扇由电机轴带动同步转动，在电机工作时，会随着电机轴旋转而产生风流对电机进行散热。

在上述的离心泵与永磁同步电机配套装置中，所述电机壳的外壁上设置若干散热翅片，若干所述散热翅片呈平行排列。通过壳体外壁上的若干散热翅片，进一步进行对电机的散热作用。

在上述的离心泵与永磁同步电机配套装置中，所述泵壳的侧部设置清淤口，所述清淤口连通所述管腔，所述清淤口上设置清淤阀门。由于自吸泵往往会输送固液两相流介质，工作一段时间之后，需要打开常闭的清淤口进行清理。

与现有技术相比，本离心泵与永磁同步电机配套装置，伺服驱动器接收来自永磁同步电机的转速和温度信号，来自离心泵的压力信号和扭矩信号，根据因素影响的次序判断实时工况，并对应调节永磁同步电机的实时输出功率，以实现精确控制，达到高效节能的效果，并保证安全运行。

附图说明

图1是本离心泵与永磁同步电机配套装置的结构示意图。

图2是本监测调控方法的逻辑流程图。

图中，1、泵壳；1a、进水口；1b、出水口；2、叶轮；3、泵体轴；4、蜗壳；5、气液分离室；6、回流室；7、清淤口；8、压力传感器；9、电机壳；10、定子；11、转子；12、电机轴；13、风扇；14、散热翅片；15、温度检测仪；16、转速传感器；17、联轴器；18、扭矩传感器；19、伺服驱动器。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，本离心泵与永磁同步电机配套装置，包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器19，离心泵包括泵壳1，泵壳1内具有泵腔，泵腔中设置叶轮2，叶轮2的中心固穿泵体轴3，泵体轴3的传动端伸出泵壳1，泵壳1上开设进水口1a和出水口1b，进水口1a通过管腔连通泵腔的叶轮流道，叶轮流道连通一蜗壳4，蜗壳4连通一气液分离室5，气液分离室5的顶端连通出水口1b，气液分离室5的底部连通回流室6，回流室6通过回流孔连通叶轮流道，出水口1b上依次串接有示波器、压力传感器8，压力传感器8的信号输出端通过电线连接伺服驱动器19；永磁同步电机包括电机壳9，电机壳9内设置定子10和转子11，定子10设置在外圈，转子11设置在内圈，转子11的中心固穿有电机轴12，电机轴12的驱动端伸出电机壳9，电机壳9上设置温度检测仪15和转速传感器16，温度检测仪15的信号输出端、转速传感器16的信号输出端均通过电线连接伺服驱动器19；电机轴12的驱动端与泵体轴3的传动端之间设置扭矩传感器18，电机轴12通过联轴器17与扭矩传感器18连接，泵体轴3通过联轴器17与扭矩传感器18连接，扭矩传感器18的信号输出端通过电线连接伺服驱动器19，伺服驱动器19通过变频器电控连接永磁同步电机。

本离心泵与永磁同步电机配套装置中，永磁同步电机作为动力源，永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化，无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁同步电机起动时，由于其转子11惯性较大，使得电机无法获得足够的起动扭矩。永磁同步电机以某一频率旋转时，负载的变化只是改变了定子10磁场轴线与转子11磁极轴线的夹角，此时电机仍保持同步转速旋转，当定子10磁场轴线与转子11磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角，此时电机定子10磁场与转子11永磁体间的磁力将无法维持负载平衡，使得转子11脱离同步转速发生失步。引入伺服驱动器19对电机变频调速可以有效解决永磁同步电机异步起动和失步振荡。

离心泵作为载体，此处以自吸式离心泵作为样本。自吸式离心泵简称自吸泵，自吸泵的自吸过程包括气液混合过程、气液分离过程和自吸循环液的再循环过程。自吸泵内自吸过程是一种复杂的两相流动结构，内部流场特别是叶轮2出口射流液体与回流孔回流液体之间形成的剪切层，加速气液混合及空泡流的形成和壮大，进而加快气体的溶解与排出。由于自吸过程所用的引液，往往只有正常工况时的一半，因此自吸过程时自吸泵所需要的启动扭矩较正常运转时小得多，这也与永磁同步电机启动扭矩较小相配合，减小了永磁同步电机的启动负载，防止过载的发生。

伺服驱动器19经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器19不仅克服了模拟式伺服器的分散性大、零漂、低可靠性等问题，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器19不仅结构简单，而且性能更加的可靠。伺服驱动器19主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元组成，并连接与之配套的永磁同步电机和相应的反馈检测器件，其中伺服控制单元包括压力控制器、扭矩控制器、温度控制器等等。

当离心泵内流动状态不稳定，如自吸过程时，离心泵出水口1b输出压力信号不稳定，故增加示波器。

联轴器17需要具有较高的敏感性和平衡性，以便于扭矩传感器18捕捉扭矩的变化，同时，由于装置的一体化，所以轴向偏差和径向偏差会较小，对联轴器17的负荷也较小。梅花联轴器17具有较大的轴向、径向和角向补偿能力，结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。因此，选用很好平衡性能和适用于高转速应用的梅花联轴器17。

压力传感器8、温度检测仪15、转速传感器16与扭矩传感器18的使用方式均为现有技术。压力传感器8、温度检测仪15、转速传感器16、扭矩传感器18与伺服驱动器19的连接方式、信号传递功能均为现有技术。伺服驱动器19电控永磁同步电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

转子11与电机轴12之间卡设固定键，转子11的内壁上设置卡位槽，电机轴12的外壁上凹设键槽，固定键的一部分嵌入键槽内，另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子11与电机轴12通过键槽结构形成可靠的固连，以确保一并同步转动。

电机轴12的两端套接有轴承，轴承通过支撑架与电机壳9形成固定安装，轴承的端面上贴设V型密封圈。通过轴承的转动支撑，使电机轴12将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现轴承端部的密封作用。

电机轴12的尾端上固套有风扇13，风扇13的外周罩设有罩壳，罩壳与电机壳9相固连。定子10和转子11在工作中会产生大量的热量，风扇13由电机轴12带动同步转动，在电机工作时，会随着电机轴12旋转而产生风流对电机进行散热。

电机壳9的外壁上设置若干散热翅片14，若干散热翅片14呈平行排列。通过壳体外壁上的若干散热翅片14，进一步进行对电机的散热作用。

泵壳1的侧部设置清淤口7，清淤口7连通管腔，清淤口7上设置清淤阀门。由于自吸泵往往会输送固液两相流介质，工作一段时间之后，需要打开常闭的清淤口7进行清理。

如图2所示，本离心泵与永磁同步电机配套装置的监测调控方法，包括以下步骤：

1)、永磁同步电机起动时，其变频器输出较低频率的电压形成旋转缓慢的定子10磁场，随着负载角的增大，电磁扭矩也相应增大并克服转子11惯性使其旋转，其转速随着变频器频率的升高而逐渐升高至某一转速，完成起动过程；

2)、通过永磁同步电机起动，同步驱动电机轴12运转，通过联轴器17同步带动泵体轴3转动，实现离心泵的启动运行；

3)、离心泵运行过程中，其输送流体的流量和流体的组分随时发生变化，对应所需要的扭矩随时进行改变；

4)、预先在伺服驱动器19中设定临界温度值和危险温度值，通过温度检测仪15将永磁同步电机的实时温度信号传递至伺服驱动器19，

a、若实时温度值超过临界温度值而不超过危险温度值时，伺服驱动器19对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低；

b、若实时温度值超过危险温度值时，伺服驱动器19对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

在实际运转中如果遇到严苛工况或者事故时，散热翅片14和风扇13的散热效果难以保证电机的温度在安全范围，必须通过伺服驱动器19调控电机以避免损坏。永磁电机内永久磁铁的耐温是130～140度左右，所以一般电机都表明最高温度110～120度，故依据不同的电机型号需自行指定两温度指标。临界温度值为额定力矩最高可接受的相对基础室温的温升；危险温度值为损害内部元件的温度。

5)、预先在伺服驱动器19中设定临界转速值和危险转速值，通过转速传感器16将永磁同步电机的实时转速信号传递至伺服驱动器19，

a、若实时转速值超过临界转速值而不超过危险转速值时，伺服驱动器19对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低；

b、若实时转速值超过危险转速值时，伺服驱动器19对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

临界转速值为额定力矩最高可接受的相对基础转速；危险转速值为损害内部元件的转速。

6)、在永磁同步电机的实时信息不超过临界温度值和临界转速值的情况下，当压力传感器8所检测的压力信号稳定时，因压力信号比扭矩信号的测量更为快捷，故依据压力信号进行控制；通过压力传感器8将离心泵出水口1b液流的实时压力信号传递至伺服驱动器19，

a、当离心泵输送流体的流量减少时，相应出水口1b所检测压力值会增加，说明离心泵的消耗功率低于永磁同步电机的输入功率，则伺服驱动器19对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低；

b、当离心泵输送流体的流量增加时，相应出水口1b所检测压力值会减小，说明离心泵的消耗功率高于永磁同步电机的输入功率，则伺服驱动器19对单片机控制单元输出正反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压升高、功率增加；

7)、在永磁同步电机的实时信息不超过临界温度值和临界转速值的情况下，当压力传感器8所检测的压力信号不稳定时，依据扭矩信号进行控制；通过扭矩传感器18将离心泵的实时扭矩信号传递至伺服驱动器19，

a、当检测到离心泵的扭矩降低时，说明离心泵的消耗功率低于永磁同步电机的输入功率，则伺服驱动器19对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低；

b、当检测到离心泵的扭矩升高时，说明离心泵的消耗功率高于永磁同步电机的输入功率，则伺服驱动器19对单片机控制单元输出正反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压升高、功率增加。

当输送固液两相流介质时，压力脉动较大，压力变化难以准确定义，所以通过对扭矩的监测，可以更加准确的确定实时工况。

自吸泵工作时，由于工况经常变化，如果一直维持恒定的轴功率，则难以使自吸泵长期处于高效运行。因此，需要依据实时工况进行电机输入功率的调节。永磁同步电机采用的是永久磁铁励磁，其磁场可以视为是恒定；同时电机转速就是同步转速，即其转差为零。这些条件使得伺服驱动器19在驱动永磁同步电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低。在变频调速中对转速和转矩实行闭环控制，可随时调节同步转速，避免永磁同步电机出现失步现象。

步骤1)中，永磁同步电机启动，其定子10通入三相交流电时，三相电流在定子10绕组的电阻上产生电压降，由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，通过切割定子10绕组产生感应电动势，进而以电磁力拖动转子11以同步转速旋转。

步骤2)中，在启动之前，离心泵的叶轮流道内存有没过轴线的残留的引液，启动时，叶轮2随同泵体轴3转动，将引液与叶轮流道和吸入管腔内的空气一并汇入蜗壳4中，再进入气液分离室5中，随后气相沿出水口1b逸出，液相受重力影响流入回流室6，进一步通过回流孔流回叶轮流道中。

自吸泵根据工作环境需要频繁进行停机、开机，且输送介质的量和状态不稳定，经常会发生改变。为此，自吸泵通过回流和引液的设计避免了其他离心泵在开机之前所必须的灌泵操作。自吸泵的自吸阶段，由于其做功的流体较少，所需要的轴功率较低，所以永磁同步电机在启动时扭矩较小的缺点便可以忽略。

伺服驱动器19将反馈信息传至电流控制器，得到三相电压指令，控制芯片通过三相电压指令，经过反向、延时后，得到指令电波输出到功率器件，控制永磁同步电机运行。

本离心泵与永磁同步电机配套装置，伺服驱动器19接收来自永磁同步电机的转速和温度信号，来自离心泵的压力信号和扭矩信号，根据因素影响的次序判断实时工况，并对应调节永磁同步电机的实时输出功率，以实现精确控制，达到高效节能的效果，并保证安全运行。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了泵壳1；进水口1a；出水口1b；叶轮2；泵体轴3；蜗壳4；气液分离室5；回流室6；清淤口7；压力传感器8；电机壳9；定子10；转子11；电机轴12；风扇13；散热翅片14；温度检测仪15；转速传感器16；联轴器17；扭矩传感器18；伺服驱动器19等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (6)

1.离心泵与永磁同步电机配套装置，包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器，其特征在于，所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内具有泵腔，所述泵腔中设置叶轮，所述叶轮的中心固穿泵体轴，所述泵体轴的传动端伸出所述泵壳，所述泵壳上开设进水口和出水口，所述进水口通过管腔连通所述泵腔的叶轮流道，所述叶轮流道连通一蜗壳，所述蜗壳连通一气液分离室，所述气液分离室的顶端连通上述出水口，所述气液分离室的底部连通回流室，所述回流室通过回流孔连通所述叶轮流道，所述出水口上依次串接有示波器、压力传感器，所述压力传感器的信号输出端通过电线连接所述伺服驱动器；所述永磁同步电机包括电机壳，所述电机壳内设置定子和转子，所述定子设置在外圈，所述转子设置在内圈，所述转子的中心固穿有电机轴，所述电机轴的驱动端伸出所述电机壳，所述电机壳上设置温度检测仪和转速传感器，所述温度检测仪的信号输出端、转速传感器的信号输出端均通过电线连接所述伺服驱动器；所述电机轴的驱动端与泵体轴的传动端之间设置扭矩传感器，所述电机轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接，所述泵体轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接，所述扭矩传感器的信号输出端通过电线连接所述伺服驱动器，所述伺服驱动器通过变频器电控连接所述永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的离心泵与永磁同步电机配套装置，其特征在于，所述转子与电机轴之间卡设固定键，所述转子的内壁上设置卡位槽，所述电机轴的外壁上凹设键槽，所述固定键的一部分嵌入键槽内，另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。

3.根据权利要求1所述的离心泵与永磁同步电机配套装置，其特征在于，所述电机轴的两端套接有轴承，所述轴承通过支撑架与所述电机壳形成固定安装，所述轴承的端面上贴设V型密封圈。

4.根据权利要求1所述的离心泵与永磁同步电机配套装置，其特征在于，所述电机轴的尾端上固套有风扇，所述风扇的外周罩设有罩壳，所述罩壳与所述电机壳相固连。

5.根据权利要求1所述的离心泵与永磁同步电机配套装置，其特征在于，所述电机壳的外壁上设置若干散热翅片，若干所述散热翅片呈平行排列。

6.根据权利要求1所述的离心泵与永磁同步电机配套装置，其特征在于，所述泵壳的侧部设置清淤口，所述清淤口连通所述管腔，所述清淤口上设置清淤阀门。