CN212508951U - 一种泵用组合式永磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种泵用组合式永磁悬浮轴承，安装于磁力传动泵中，包括两组轴向永磁悬浮轴承和一组径向永磁悬浮轴承；轴向永磁悬浮均包括固定在泵盖上的轴向静磁圈和固定在泵轴上的轴向动磁圈，磁圈均为轴向充磁，靠近叶轮侧的磁圈极性相反，远离叶轮侧的磁圈极性相同；径向永磁悬浮轴承包括与泵盖固定的静磁部件以及固定在泵轴上的动磁部件，静磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形静磁圈，动磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形动磁圈；环形静磁圈和环形动磁圈均为径向充磁，相邻环形静磁圈和相邻环形动磁圈的极性均相反。利用本实用新型，可以消除传统永磁推力轴承因两侧动磁盘磁力相反导致磁能作用效率较低的弊端。

Description

一种泵用组合式永磁悬浮轴承

技术领域

本实用新型属于磁力传动泵技术领域，尤其是涉及一种泵用组合式永磁悬浮轴承。

背景技术

磁力传动泵在工业装置上已大量使用，主要用于石油化工输送易燃易爆、有毒、高温等介质，在核工业上也有使用。磁力泵具有以下优点：

(1)密封可靠

磁力泵由于采用隔离套静密封，取消了常规离心泵上的易损件-机械密封，使机组的运行可靠性大大提高，延长了无故障运行时间。介质中的颗粒通过性好，不易发生定转子碰擦所造成的密封损坏事故。

(2)维修方便

磁力泵结构简单，拆装方便，电动机为常规电动机，便于检修。

(3)过载保护

磁力传动器属于非接触式传动器，当泵出现意外造成过载时，磁力传动器会因过载造成内外磁滑脱。滑脱后，磁力传动器不再传递功率，电机此时处于空转状态，避免电机因过载而损坏。

(4)减振降噪

磁力传动泵的功率传递为非接触式，即泵轴与电机轴非接触，提高了轴系的刚性和抗振性，降低不对中振动，同时泵轴也不会将其所受的水力激振及轴向力直接作用于电机轴，有利于电机的减振。

磁力传动泵的原理是通过磁力传动器内外永磁体的磁力耦合进行常规电机与泵之间的非接触功率传输。隔离套将介质密封在泵腔内，与外界隔离，隔离套与壳体之间用密封垫静密封，实现零泄漏；适用于输送腐蚀、危险、有毒、放射性或高压高温的介质。与常规的机械密封泵相比，磁力泵可以大大减轻或消除因泄漏而引起的灾难性事故与危害，延长产品的使用寿命，特别适合于在特定苛刻工况下工作。典型的直联式磁力传动泵中，外磁转子与电机轴头直联，运转时形成旋转磁场拖动内磁转子，整个泵转子部件由滑动轴承支撑，轴向通过推力盘进行位移约束。

当泵在运转中，由于a.叶轮前后盖板不对称；b.轴台、轴端等结构影响；c.动反力；d.离心泵的叶轮两盘面面积不一样等因素导致转子部件会承受很大的轴向力，因此在设计时必须考虑轴向力平衡的问题。针对轴向力平衡的措施，目前较常采用的是：

1.平衡孔，但该方法会影响主流流动状态，可能导致泵扬程及效率下降，甚至会加大泵的振动；2.平衡管，但该方法会影响泵的扬程及效率；3.双吸叶轮，但有些泵并不合适采用；4.背叶片；5.平衡鼓和平衡盘；6.推轴承。对于止推轴承，目前具有：

a.电磁力悬浮止推轴承，该轴承依靠电磁技术解决止推环磨损，但其结构相对复杂，而且轴承需要在介质内接入电路，当介质易燃易爆时，危险性将剧增，且不符合防爆要求，故难以在易燃易爆介质中应用，实用性不强；同时，该专利还需要在介质压力腔内布置位置反馈传感器，增加了工艺难度，降低了运行可靠性；电磁悬浮轴承需要用电，一旦意外失电，转子受力直接摩擦将导致轴承损坏；

b.水润滑止推轴承，该轴承为接触式，长时间运转后会导致轴承磨损，且当轴向力波动较大时，轴承不断承受冲击后可能会造成轴承损坏，如SIC轴承会碎裂等；

c.传统的永磁止推轴承，该轴承是采用轴向充磁的同极相对的平面对平面磁路，由装在转子上的动磁盘和装在基体上的静磁盘组成，由于转子需要双向止推，因此需要两对背靠背或面对面的动磁盘和静磁盘。两个动磁盘所受到的磁力方向相反，当两侧磁盘间距相等时转子受到的轴向总磁力为0，此时转子处于原始位置，但当转子受到轴向力时，转子向一侧方向移动，该侧磁极间距变小，动磁盘受到的磁力变大，另一侧一对磁极间距变大，动磁盘受到的磁力变小，总磁力与受力方向相反，直到一个稳定的位置。但由于两个动磁盘受到的磁力方向相反，一侧动磁盘受到的磁力的一部分将会被另一侧的动磁盘的磁力抵消，因此磁能作用效率较低，磁能利用率较低。

实用新型内容

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种泵用组合式永磁悬浮轴承，既解决接触式轴承存在轴向磨损的情况，也消除了传统永磁推力轴承因两侧动磁盘磁力相反导致磁能作用效率较低和电磁力轴承存在失电及机构复杂等的弊端。

一种泵用组合式永磁悬浮轴承，安装于磁力传动泵中，所述的磁力传动泵包括泵体、泵盖和隔离套组成的承压壳体，泵轴设置在承压壳体内，泵盖内设有支撑泵轴的两组水润滑轴承，泵轴的两端分别连接叶轮和内磁转子，与内磁转子相对应的外磁转子连接传动轴的一端，传动轴的另一端和配套的电机传动连接，内磁转子和外磁转子之间设有隔离套；其特征在于：所述的泵用组合式永磁悬浮轴承包括两组轴向永磁悬浮轴承和一组径向永磁悬浮轴承；

两组轴向永磁悬浮轴承分别设置在两组水润滑轴承的外端侧，每组轴向永磁悬浮轴承包括正对的轴向静磁圈和轴向动磁圈，其中，所述的轴向静磁圈固定在泵盖上，所述的轴向动磁圈固定在泵轴上；所述轴向永磁悬浮轴承的磁圈均为轴向充磁，靠近叶轮侧的两个磁圈极性相反，远离叶轮侧的两个磁圈极性相同；

所述的径向永磁悬浮轴承设置在两组水润滑轴承之间，包括与泵盖固定的静磁部件以及固定在泵轴上的动磁部件，所述的静磁部件和动磁部件均为圆筒形，所述的静磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形静磁圈，所述的动磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形动磁圈；每个环形静磁圈和环形动磁圈的轴向宽度相等；环形静磁圈和环形动磁圈均为径向充磁，相邻环形静磁圈和相邻环形动磁圈的极性均相反；环形静磁圈和环形动磁圈的数量相同，在未受外力作用的自由状态时正对的环形静磁圈和环形动磁圈极性相反。

本实用新型在使用过程中，轴承径向上采用传统的水润滑轴承进行位移约束，轴向上采用水润滑轴承两侧的两组轴向永磁悬浮轴承进行轴向约束，且两组轴向永磁悬浮轴承的磁力方向相同，不会抵消，提高了磁能作用效率；当泵不运行时，径向永磁悬浮轴承会抵消轴向永磁悬浮轴承的磁力之和，不会导致转子部件贴合在静止部件上，以至于泵无法开机运转。

优选地，在径向永磁悬浮轴承中，环形静磁圈与环形动磁圈均通过AB胶粘贴于磁座上，且表面分别有薄壁金属材质的衬套和轴套包覆，衬套和轴套的端部通过焊接与磁圈安装座密封，所述的环形静磁圈和环形动磁圈通过磁圈安装座分别与泵盖和泵轴固定。

优选地，所述的径向永磁悬浮轴承中，环形静磁圈与环形动磁圈的数量均至少为3个。

优选地，每个环形静磁圈和环形动磁圈分别由同一径向充磁方向的多个扇形永磁体组装而成，每个永磁体的径向厚度相同，方便充磁和制作。

进一步地，所述永磁体的材料为铷铁硼或钐钴。

优选地，所述轴向永磁悬浮轴承和轴向永磁悬浮轴承的静磁部件与动磁部件之间的初始设计间隙大于径向永磁悬浮轴承(由环形动磁圈和环形静磁圈组成)上单个永磁体轴向长度的一半。

进一步地，所述静磁部件与动磁部件之间的初始设计间隙为1～3mm。

径向永磁悬浮轴承的最大轴向磁平衡力大于两组轴向永磁悬浮轴承的最大轴向磁平衡力之和。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型采用轴向布置的轴向永磁悬浮轴承代替易磨损和启动冲击时易损坏的常规机械止推轴承，通过磁力非接触耦合，承受叶轮水力及转子自重产生的轴向力等，提高离心泵运行可靠性。

2、本实用新型可以使传统离心泵取消叶轮平衡孔和平衡管等结构，提高泵的扬程及效率，且取消平衡孔利于泵的减振降噪。

3、本实用新型在泵不运行时，采用径向布置的径向永磁悬浮轴承，会抵消轴向永磁悬浮轴承的磁力之和，不会导致转子部件贴合在静止部件上，以至于泵无法开机运转；且在泵运行时，轴向永磁悬浮轴承的磁力方向相同，不会抵消，提高了磁能作用效率。

4、本实用新型的组合轴承轴向承载能力较强，且磁能作用效率高，当转子部件受到水力轴向力时，产生较少的轴向位移即可使转子稳定在适宜的位置上，避免转子轴向位移过大影响水力性能。

5、本实用新型中的径向永磁悬浮轴承，可根据转子部件承受轴向力的大小，沿轴向扩展合适的磁圈数量，且该磁圈的安装座加工于轴套和衬套内(需保证两者强度足够)，故并未增加轴套尺寸，也不会增加额外的圆盘摩擦损失。

6、本实用新型的组合轴承结构简单，易于布置，不会增加泵的额外尺寸。

附图说明

图1为本实用新型一种泵用组合式永磁悬浮轴承的安装示意图。

图2为图1中区域A的局部放大图；

图3为本实用新型中径向永磁悬浮轴承的磁圈示意图；

图4为本实用新型中径向永磁悬浮轴承的承载原理图；

图5为本实用新型实施例中模拟试验时磁力轴承力与位移关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

一种泵用组合式永磁悬浮轴承，安装于磁力传动泵中，如图1～2所示，磁力传动泵包括泵体1、泵盖3和隔离套组成的承压壳体，泵轴5设置在承压壳体内，泵盖3内设有支撑泵轴的两组水润滑轴承8，泵轴5的两端分别连接叶轮2和内磁转子，与内磁转子相对应的外磁转子连接传动轴的一端，传动轴的另一端和配套的电机4传动连接，内磁转子和外磁转子之间设有隔离套。

泵用组合式永磁悬浮轴承包括两组轴向永磁悬浮轴承和一组径向永磁悬浮轴承。

如图2所示，轴向永磁悬浮轴承6和轴向永磁悬浮轴承7分别设置在两组水润滑轴承8的外端侧，每组轴向永磁悬浮轴承包括正对的轴向静磁圈和轴向动磁圈，其中，轴向静磁圈固定在泵盖上，轴向动磁圈固定在泵轴上；所述轴向永磁悬浮轴承的磁圈均为轴向充磁，靠近叶轮侧的轴向永磁悬浮轴承6的两个磁圈极性相反，远离叶轮侧的轴向永磁悬浮轴承7的两个磁圈极性相同。由于两组轴向永磁悬浮轴承的磁力方向相同，不会抵消，提高了磁能作用效率。

如图2所示，径向永磁悬浮轴承设置在两组水润滑轴承8之间，包括与泵盖固定的静磁部件以及固定在泵轴5上的动磁部件，静磁部件和动磁部件均为圆筒形，静磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形静磁圈9，动磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形动磁圈10；每个环形静磁圈9和环形动磁圈10的轴向宽度相等；环形静磁圈9和环形动磁圈10均为径向充磁，相邻环形静磁圈9和相邻环形动磁圈10的极性均相反；环形静磁圈和环形动磁圈的数量相同，在未受外力作用的自由状态时正对的环形静磁圈和环形动磁圈极性相反。

如图3所示，每个环形静磁圈9和环形动磁圈10分别由同一径向充磁方向的多个扇形的永磁体20组装而成，每个永磁体20的径向厚度相同。永磁体20的材料可以铷铁硼或钐钴等稀土材料。

如图4所示，在径向永磁悬浮轴承中，环形静磁圈9与环形动磁圈10均通过AB胶粘贴于磁座上，且表面分别有薄壁金属材质的衬套13和轴套14包覆。

衬套13的端部通过焊接与磁圈安装座11密封，轴套14的端部通过焊接与磁圈安装座12密封，环形静磁圈9和环形动磁圈10通过磁圈安装座分别与泵盖和泵轴固定。

对于径向永磁悬浮轴承，当转子受轴向力作轴向移动时，动磁部件也将一并轴向移动，对于径向永磁悬浮轴承，此时环形动磁圈10相对于环形静磁圈9将产生轴向位移，导致磁极错位，此时每个环形动磁圈10的磁极受到原正对的环形静磁圈9的异性磁极的吸引力，同时又受到在移动方向上该磁极邻近的同性磁极的排斥力，每个磁圈受到的磁力会达到单个磁圈时受力的2倍，且磁力随着错位量增大而增大，当错位位置达到永磁体轴向长度的一半时其轴向磁力最大，其原理如图4所示。对于轴向布置轴向永磁悬浮轴承，其左侧轴承对转子部件表现为吸力，右侧轴承对转子部件表现为斥力，也将辅助维持转子部件的轴向力平衡。

轴向永磁悬浮轴承6和轴向永磁悬浮轴承7上，静磁部件与动磁部件之间的初始设计间隙大于径向永磁悬浮轴承(由环形动磁圈10和环形静磁圈9组成)上单个永磁体轴向长度的一半。通过该设置，可以保证转子部件窜动时，其窜动量可以达到单个永磁体轴向长度的一半，此时推力轴承的磁拉力最大且达到设计最大值。

如图5所示，为设计的推力轴承试验，该试验中，传动半径64mm，径向永磁悬浮轴承的总磁长为70mm，有10个环形静磁圈和10个环形动磁圈，每个磁圈的厚度为7mm，磁隙2mm，N40H。从试验结果可以看出，如单片磁钢轴向长度为7mm时，当错位3.5mm时该轴承轴向承载能力达到最大设计值。本实用新型取消了传统的推力盘结构，当泵组启动时依靠磁拉力实现转子部件的轴向力平衡，启动较为稳定；当泵组正常运行时没有推力盘与止推轴承间的碰摩，其振动特性较好，且不会存在长期运行后推力盘由于磨损导致轴向止推能力下降，使泵运行不稳定甚至推力盘碎裂的情况。

在设计安装时，径向永磁悬浮轴承的最大轴向磁平衡力大于两组轴向永磁悬浮轴承的最大轴向磁平衡力之和。

在具体设计装配时分成三个步骤，1、理论设计：通过该磁钢的磁能积，环形动磁圈和环形静磁圈的间隙、每条磁钢的弧长、磁钢总长度、磁钢厚度等推算径向永磁悬浮轴承和轴向永磁悬浮轴承的最大承载力；2、有限元分析验证：对上述理论计算结果通过电磁场有限元方法进行设计校核，验证该设计满足使用要求；3、待该组合式悬浮轴承制造、加工及安装完毕后，在厂内进行100h的运转试验，试验后将泵拆解，检查各零件无碰擦等。

本实用新型在泵不运行时，采用径向布置的径向永磁悬浮轴承，会抵消轴向永磁悬浮轴承的磁力之和，不会导致转子部件贴合在静止部件上，以至于泵无法开机运转；且在泵运行时，轴向永磁悬浮轴承的磁力方向相同，不会抵消，提高了磁能作用效率。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种泵用组合式永磁悬浮轴承，安装于磁力传动泵中，所述的磁力传动泵包括泵体、泵盖和隔离套组成的承压壳体，泵轴设置在承压壳体内，泵盖内设有支撑泵轴的两组水润滑轴承，泵轴的两端分别连接叶轮和内磁转子，与内磁转子相对应的外磁转子连接传动轴的一端，传动轴的另一端和配套的电机传动连接，内磁转子和外磁转子之间设有隔离套；其特征在于：所述的泵用组合式永磁悬浮轴承包括两组轴向永磁悬浮轴承和一组径向永磁悬浮轴承；

两组轴向永磁悬浮轴承分别设置在两组水润滑轴承的外端侧，每组轴向永磁悬浮轴承包括正对的轴向静磁圈和轴向动磁圈，其中，所述的轴向静磁圈固定在泵盖上，所述的轴向动磁圈固定在泵轴上；所述轴向永磁悬浮轴承的磁圈均为轴向充磁，靠近叶轮侧的两个磁圈极性相反，远离叶轮侧的两个磁圈极性相同；

所述的径向永磁悬浮轴承设置在两组水润滑轴承之间，包括与泵盖固定的静磁部件以及固定在泵轴上的动磁部件，所述的静磁部件和动磁部件均为圆筒形，所述的静磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形静磁圈，所述的动磁部件包括多个沿轴向排列安装的环形动磁圈；每个环形静磁圈和环形动磁圈的轴向宽度相等；环形静磁圈和环形动磁圈均为径向充磁，相邻环形静磁圈和相邻环形动磁圈的极性均相反；环形静磁圈和环形动磁圈的数量相同，在未受外力作用的自由状态时正对的环形静磁圈和环形动磁圈极性相反。

2.根据权利要求1所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，在径向永磁悬浮轴承中，环形静磁圈与环形动磁圈均通过AB胶粘贴于磁座上，且表面分别有薄壁金属材质的衬套和轴套包覆，衬套和轴套的端部通过焊接与磁圈安装座密封，所述的环形静磁圈和环形动磁圈通过磁圈安装座分别与泵盖和泵轴固定。

3.根据权利要求1所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，所述的径向永磁悬浮轴承中，环形静磁圈与环形动磁圈的数量均至少为3个。

4.根据权利要求1所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，每个环形静磁圈和环形动磁圈分别由同一径向充磁方向的多个扇形永磁体组装而成，每个永磁体的径向厚度相同。

5.根据权利要求4所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁体的材料为铷铁硼或钐钴。

6.根据权利要求4所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，所述静磁部件与动磁部件之间的初始设计间隙大于径向永磁悬浮轴承上单个永磁体轴向长度的一半。

7.根据权利要求1所述的泵用组合式永磁悬浮轴承，其特征在于，所述静磁部件与动磁部件之间的初始设计间隙为1～3mm。

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