TWI658212B - 磁浮轉子機構 - Google Patents

Abstract

磁浮轉子機構包括第一徑向磁浮軸承、第二徑向磁浮軸承、馬達模組、流力元件機構及轉軸。流力元件機構包括第一軸向磁浮軸承、第二軸向磁浮軸承及葉輪。葉輪用以推動一流體且作為推力盤。流力元件機構、第一徑向磁浮軸承、馬達模組與第二徑向磁浮軸承係依序排列。

Description

磁浮轉子機構

本發明是有關於一種磁浮轉子機構，且特別是有關於一種應用於流體機械的磁浮轉子機構。

傳統用於對流體作功的磁浮轉子機構包括葉輪、轉軸、二個徑向磁浮軸承、推力盤及二個軸向磁浮軸承，推力盤位於二個軸向磁浮軸承之間，葉輪則置於轉軸之一端。當軸向磁浮軸承通電，可對推力盤產生磁吸力，以控制磁浮轉子的軸向位移。

然而，推力盤及軸向磁浮軸承通常與葉輪間有一段距離，再加上轉子受熱膨脹伸長，導致軸向磁浮軸承與葉輪之間的誤差加大(離愈遠誤差量愈大)，使得軸向磁浮軸承難以穩定地控制磁浮轉子的軸向位移，抑或者使得葉輪端無法保持精密間隙的要求。

本發明係有關於一種磁浮轉子機構，將葉輪作為軸向推力盤，軸向磁浮軸承同時可作為流力元件，使磁浮轉子機構更為緊實並簡化安裝程序，且轉子受熱膨脹對推力盤位置影響降低，可同時提昇磁浮轉子的軸向位移穩定度，並達到葉輪端精密 間隙的要求。

依照本發明一實施例，提出一種磁浮轉子機構。磁浮轉子機構包括一第一徑向磁浮軸承、一第二徑向磁浮軸承、一馬達模組、一流力元件機構及一磁浮轉子。流力元件機構包括一第一軸向磁浮軸承、一第二軸向磁浮軸承及一葉輪。葉輪位於第一軸向磁浮軸承與第二軸向磁浮軸承之間，其中葉輪用以推動一流體且作為一推力盤。磁浮轉子穿過流力元件機構、第一徑向磁浮軸承、馬達模組與第二徑向磁浮軸承，其中流力元件機構、第一徑向磁浮軸承、馬達模組與第二徑向磁浮軸承係依序排列。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉諸項實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100、200、300‧‧‧磁浮轉子機構

105、205‧‧‧殼體

105s1‧‧‧第一壁面

105s2‧‧‧第二壁面

1051‧‧‧突出部

110‧‧‧轉軸

111‧‧‧固定端

110s1‧‧‧第一端面

120‧‧‧第一徑向磁浮軸承

130‧‧‧馬達模組

140‧‧‧第二徑向磁浮軸承

150、250‧‧‧流力元件機構

151‧‧‧葉輪

151s1‧‧‧第一葉輪側面

151s2‧‧‧第二葉輪側面

1511‧‧‧推力盤

1512‧‧‧葉片

152、252‧‧‧第一軸向磁浮軸承

152s1‧‧‧第一內側面

152s2‧‧‧第三外側面

1521、1531‧‧‧線圈

153、253‧‧‧第二軸向磁浮軸承

153s1‧‧‧第二內側面

153s2‧‧‧第四外側面

154‧‧‧第一輔助軸承

154s1‧‧‧第一外側面

155‧‧‧第二輔助軸承

155s1‧‧‧第二外側面

160‧‧‧固定件

160s1‧‧‧第二端面

170‧‧‧第一位置感知器

180‧‧‧第二位置感知器

252s‧‧‧第一抵接面

252r‧‧‧第一凹部

253s‧‧‧第二抵接面

253r‧‧‧第二凹部

250r‧‧‧流道

252u‧‧‧第一頂面

253u‧‧‧第二頂面

C1、C2‧‧‧曲線

H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7‧‧‧距離

S1、S2、S3、S4‧‧‧間距

M1‧‧‧第一標記

M2‧‧‧第二標記

第1圖繪示依照本發明一實施例之應用於流體機械的磁浮轉子機構的剖視圖。

第2圖繪示第1圖之磁浮轉子機構的局部2’的放大圖。

第3A圖繪示依照本發明一實施例之葉輪的外觀圖。

第3B圖繪示第3A圖之葉輪的前視圖。

第4圖繪示第2圖之流力元件機構的電流與控制力關係圖。

第5圖繪示依照本發明另一實施例之磁浮轉子機構的局部剖視圖。

第6圖繪示依照本發明另一實施例之磁浮轉子機構的局部剖視圖。

第1圖繪示依照本發明一實施例之應用於流體機械的磁浮轉子機構100的剖視圖，而第2圖繪示第1圖之磁浮轉子機構100的局部2’的放大圖。

磁浮轉子機構100例如是幫浦，可驅動流體至一遠處或高處。磁浮轉子機構100包括殼體105、轉軸110、第一徑向磁浮軸承120、馬達模組130、第二徑向磁浮軸承140、流力元件機構150、固定件160、第一位置感知器170及第二位置感知器180。雖然圖未繪示，然本發明實施例可更包括一控制器，以控制轉軸110、第一徑向磁浮軸承120、馬達模組130、第二徑向磁浮軸承140、流力元件機構150、第一位置感知器170及第二位置感知器180的運作。

轉軸110穿過流力元件機構150、第一徑向磁浮軸承120、馬達模組130與第二徑向磁浮軸承140，其中流力元件機構150、第一徑向磁浮軸承120、馬達模組130與第二徑向磁浮軸承140從轉軸110的前端往後端的方向係依序排列。

如第2圖所示，流力元件機構150包括葉輪151、第一軸向磁浮軸承152、第二軸向磁浮軸承153、第一輔助軸承154及第二輔助軸承155。葉輪151位於第一軸向磁浮軸承152與第二軸向磁浮軸承153之間。於殼體105的突出部1051、第一軸向磁浮軸承152與第二軸向磁浮軸承153之間形成流道。葉輪151固定於轉軸110上，使當轉軸110轉動時，葉輪151可推動 流體流動。

第一軸向磁浮軸承152及第二軸向磁浮軸承153分別設於殼體105的突出部1051上，例如以螺合方式分別固定於突出部1051的相對之第一壁面105s1與第二壁面105s2上。

葉輪151可作為推力盤。詳細地說，第一軸向磁浮軸承152的線圈1521通電後，葉輪151與第一軸向磁浮軸承152之間可產生磁力，以驅動轉軸110進行軸向位移(例如將轉軸110往+Z軸向推動)；相似地，第二軸向磁浮軸承153的線圈1531通電後，葉輪151與第二軸向磁浮軸承153之間可產生磁力，以驅動轉軸110進行軸向位移(例如將轉軸110往-Z軸向推動)。透過控制第一軸向磁浮軸承152及/或第二軸向磁浮軸承153的電流，可控制轉軸110的軸向位移量。

請參見第3A及3B圖，第3A圖繪示依照本發明一實施例之葉輪151的外觀圖，而第3B圖繪示第3A圖之葉輪151的前視圖。本實施例中，葉輪151為圓盤型，然可視需求設計成不同外型。葉輪151包括推力盤1511及複數個葉片1512，其中葉片1512設於推力盤1511的外緣。葉片1512可作為流力元件。詳細來說，葉片1512可對流體作功，以建立流體的揚程。在一實施例中，葉輪151具有導磁性，其材料例如是具導磁性的主軸用鋼、低碳鋼等。

第一輔助軸承154及第二輔助軸承155分別設於第一軸向磁浮軸承152及第二軸向磁浮軸承153上。第一輔助軸承 154具有第一外側面154s1，而第二軸向磁浮軸承155且具有第二外側面155s1，其中轉軸110的第一端面110s1與固定件160的第二端面160s1之間的距離為H1，第一輔助軸承154的第一外側面154s1與第二軸向磁浮軸承155的第二外側面155s1之間的距離為H2；在本實施例中，距離H1大於距離H2，使磁浮轉子機構100在正常使用下，第一輔助軸承154及第二輔助軸承155不會與第一軸向磁浮軸承152及第二軸向磁浮軸承153干涉。

第一輔助軸承154及第二輔助軸承155可避免第一軸向磁浮軸承152及第二軸向磁浮軸承153受到撞擊破壞。詳細來說，葉輪151具有相對之第一葉輪側面151s1及第二葉輪側面151s2，其中第一葉輪側面151s1面向第一軸向磁浮軸承152的第一內側面152s1，第二葉輪側面151s2面向第二軸向磁浮軸承153的第二內側面153s1。葉輪151的第一葉輪側面151s1與第一軸向磁浮軸承152的第一內側面152s1之間的間距為S1，固定件160的第二端面160s1與第二輔助軸承155的第二外側面155s1之間的間距為S2；在本實施例中，間距S2小於間距S1，使當轉軸110的-Z軸向相對位移量超過間距S2時，轉軸110會先撞到第二輔助軸承155，而非葉輪151先撞到第一軸向軸承152，如此可避免葉輪151與第一軸向磁浮軸承152受到撞擊破壞。

相似地，葉輪151的第二葉輪側面151s2與第二軸向磁浮軸承153的第二內側面153s1之間的間距為S3，轉軸110的第一端面110s1與第一輔助軸承154的第一外側面154s1之間 的間距為S4；在本實施例巾，間距S4小於間距S3，使當轉軸110的+Z軸向相對位移量超過間距S4時，轉軸110會先撞到第一輔助軸承154，而非葉輪151先撞到第二軸向磁浮軸承153，如此可避免葉輪151與第二軸向磁浮軸承153受到撞擊破壞。

第一位置感知器170例如是軸向位置感知器。第一位置感知器170的偵測方向對準轉軸110的第一標記M1。第一位置感知器170可透過偵測第一標記M1的位置判斷轉軸110的軸向位置。當第一位置感知器170的偵測方向對準轉軸110的第一標記M1時，葉輪151的中心對準突出部1051的中心，此時間距S1與間距S3大致上相等；如此一來，當第一位置感知器170感知到第一標記M1偏位時，表示葉輪151已產生軸向位移，則第一軸向磁浮軸承152及第二軸向磁浮軸承153可控制轉軸110進行軸向位移，讓第一標記M1的中心大致上或精準地對準第一位置感測器170的中心。上述偏位的原因可能是轉軸110的振動或其它原因所引起。

第二位置感知器180例如是徑向位置感知器。第二位置感知器180對準轉軸110的第二標記M2。第二位置感知器180可透過偵測第二標記M2的位置判斷轉軸110上第二標記M2的徑向位置，而第一徑向磁浮軸承120(繪示於第1圖)可控制轉軸110進行徑向位移，以控制轉軸110上第二標記M2的徑向位置。同理，在靠近第二徑向軸承140的地方也安裝同樣的徑向位置感測器與第二標記M2，以控制轉軸110在第二徑向軸承140端的 徑向位置。

第4圖繪示流力元件機構150的電流與控制力的關係圖。圖中的曲線C1表示推力盤(即葉輪151)與軸向磁浮軸承的間距S1與間距S3相異時的電流與控制力的輸出關係，而直線C2表示間距S1與間距S3相等時的電流與控制力的輸出關係。比較曲線C1及C2可知，當間距S1與間距S3相等時，控制力輸出為線性；當間距S1與間距S3相異時，控制力輸出為非線性。相較於非線性控制曲線，線性的控制力輸出較有助於穩定地控制轉軸110的位置。當推力盤與軸向感測標記間存在一段距離，且轉軸110受熱膨脹時，以上非線性控制力輸出的情形將會發生。在一般習知的磁浮轉子系統中，推力盤與葉輪係為不同元件，因此，軸向標記與推力盤之間和軸向標記與葉輪之間各有一段不相同的距離，為了保持葉輪的效率，軸向標記通常會選擇靠葉輪較近的位置，使得軸向標記與葉輪的主軸熱膨脹量可以忽略，從而保持葉輪的間隙不變。然而，也因此使得軸向標記與推力盤的距離較長，軸向力常常受到主軸膨脹的影響變成非線性輸出。

由於本發明實施例的葉輪151本身可作為推力盤，因此可以設置第一標記M1盡量靠近葉輪151的位置(即距離L1縮短)，使推力盤(即葉輪151)位置的熱膨脹量最小；如此一來，本發明實施例之推力盤151與第一軸向軸承152的間距S1及推力盤151與第二軸向軸承153的間距S3可視為不受主軸110熱膨脹影響，使軸向推力盤151在控制力的輸出上可維持線性關係 (如第4圖之曲線C2所示)，以提升磁浮轉子機構100在運轉上的穩定度。

此外，如第2圖所示，轉軸110包括固定端111，固定件160可固定於固定端111。本實施例中，固定端111與固定件160分別具有相配合的螺紋，使固定端111與固定件160可彼此螺合，以固定轉軸110與固定件160的相對位置。

轉軸110的第一端面110s1與第一輔助軸承154的第一外側面154s1之間的間距S4及第二端面160s1與第二外側面155s1之間的間距S2可由下式(1)決定。

S2+S4=H1-(H3+H4+H5+H6+H7)........(1)

式(1)中，H3表示突出部1051的第一壁面105s1與第二壁面105s2之間的距離，H4表示突出部1051的第一壁面105s1與第一軸向磁浮軸承152的第三外側面152s2的距離，H5表示突出部1051的第二壁面105s2與第二軸向磁浮軸承153的第四外側面153s2的距離，H6表示第一軸向磁浮軸承152的第三外側面152s2與第一輔助軸承154的第一外側面154s1的距離，H7表示第二軸向磁浮軸承153的第四外側面153s2與第二輔助軸承155的第二外側面155s1的距離。距離H3、H4、H5、H6及H7可於元件設計階段決定，使間距S2及S4可於元件設計階段決定，進而決定間距S1及S3的數值範圍，以獲得預設或預期的電流與控制力輸出關係。

由於本發明實施例之葉輪151可做為推力盤，且葉 輪151、第一軸向磁浮軸承152與第二軸向磁浮軸承153互相鄰近設置，使距離H3、H4、H5、H6及H7的範圍集中在小範圍內(如集中在轉軸110的前端或突出部1051附近)，如此可縮小公差累積量，增加組裝後磁浮轉子機構100的間距S2及S4的精度。此外，由於葉輪151可做為推力盤，因此本發明實施例可省略額外的推力盤成本及組裝工序，使磁浮轉子機構100在組裝上更簡單且體積更小。

第5圖繪示依照本發明另一實施例之磁浮轉子機構200的局部剖視圖。磁浮轉子機構200包括殼體105、轉軸110、第一徑向磁浮軸承120(未繪示)、馬達模組130(未繪示)、第二徑向磁浮軸承140(未繪示)、流力元件機構250、固定件160、第一位置感知器170及第二位置感知器180。

流力元件機構250包括葉輪151、第一軸向磁浮軸承252、第二軸向磁浮軸承253、第一輔助軸承154及第二輔助軸承155。與上述實施例磁浮轉子機構100不同的是，本發明實施例之磁浮轉子機構200的第一軸向磁浮軸承252具有第一抵接面252s及第一凹部252r，其中第一凹部252r從第一抵接面252s內凹，而第二軸向磁浮軸承253具有第二抵接面253s及第二凹部253r，其中第二凹部253r從第二抵接面253s內凹。此外，第一抵接面252s與第二抵接面253s係相抵接，使第一凹部252r與第二凹部253r之間形成一流道250r。葉輪151轉動時，流體於流道250r內受到葉輪151的推動。

進一步地說，本發明實施例的第一軸向磁浮軸承252及第二軸向磁浮軸承253可作為流道蓋板，葉輪151設於其內，並於其內推動流體。如此，磁浮轉子機構200可省略額外的流道蓋板成本及組裝工序，使磁浮轉子機構100在組裝上更簡單且體積更小。

此外，雖然圖未繪示，然第一軸向磁浮軸承252及/或第二軸向磁浮軸承253可具有流體入口及流體出口，流體從流體入口進入到葉輪151，葉輪151推動流體往流體出口輸送，使流體可往高處或遠處輸送。

第一軸向磁浮軸承252及第二軸向磁浮軸承253分別具有第一頂面252u及第二頂面253u，其可透過螺合方式(未繪示)固定於磁浮轉子機構200的殼體205。本實施例中，殼體205可省略第2圖之突出部1051。

第6圖繪示依照本發明另一實施例之磁浮轉子機構300的局部剖視圖。磁浮轉子機構300包括殼體105、轉軸110、第一徑向磁浮軸承120(未繪示)、馬達模組130(未繪示)、第二徑向磁浮軸承140(未繪示)、流力元件機構250、固定件160、第一位置感知器170及第二位置感知器180。

在本實施例中，流力元件機構250包括葉輪151、第一軸向磁浮軸承252、第二軸向磁浮軸承253、第一輔助軸承154及第二輔助軸承155。與上述磁浮轉子機構200不同的是，本發明實施例之磁浮轉子機構300的第一軸向磁浮軸承252及第 二軸向磁浮軸承253分別固定於殼體105的突出部1051的第一壁面105s1及第二壁面105s2，使殼體105、第一軸向磁浮軸承252與第二軸向磁浮軸承253之間形成流道250r。

綜上所述，雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

1. 一種應用於流體機械的磁浮轉子機構，包括：一第一徑向磁浮軸承；一第二徑向磁浮軸承；一馬達模組；一流力元件機構，包括：一第一軸向磁浮軸承；一第二軸向磁浮軸承；及一葉輪，位於該第一軸向磁浮軸承與該第二軸向磁浮軸承之間，其中該葉輪用以推動一流體且作為一推力盤；以及一轉軸，穿過該流力元件機構、該第一徑向磁浮軸承、該馬達模組與該第二徑向磁浮軸承，其中該流力元件機構、該第一徑向磁浮軸承、該馬達模組與該第二徑向磁浮軸承係依序排列。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，更包括一殼體，該殼體具有一突出部，該葉輪的中心對準該突出部的中心。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，更包括一殼體，該殼體具有相對之一第一壁面與一第二壁面，該第一軸向磁浮軸承與該第二軸向磁浮軸承分別固設於該第一壁面與該第二壁面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，其中該轉軸具有一第一端面，該磁浮轉子機構更包括：一固定件，具有一第二端面；其中，該流力元件機構更包括：一第一輔助軸承，設於該第一軸向磁浮軸承且具有一第一外側面；及一第二輔助軸承，設於該第二軸向磁浮軸承且具有一第二外側面；其中，該第一端面與該第二端面的距離大於該第一外側面與該第二外側面之距離。
5. 如申請專利範圍第4項所述之磁浮轉子機構，其中該葉輪具有相對之一第一葉輪側面及一第二葉輪側面，該第一葉輪側面面向該第一軸向磁浮軸承的一第一內側面，該第二葉輪側面面向該第二軸向磁浮軸承的一第二內側面，該第一葉輪側面與該第一內側面的間距大於該第二端面與該第二外側面的間距，而該第二葉輪側面與該第二內側面的間距大於該第一端面與該第一外側面的間距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，更包括：一第一位置感知器，鄰近該流力元件機構設置，用以偵測該轉軸於一第一方向的位置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之磁浮轉子機構，其中該第一位置感知器係軸向位置感知器，該第一方向係軸向。
8. 如申請專利範圍第6項所述之磁浮轉子機構，更包括：一第二位置感知器，鄰近該流力元件機構設置，用以偵測該轉軸沿一第二方向的位置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之磁浮轉子機構，其中該第二位置感知器係徑向位置感知器，該第二方向係徑向。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，其中該第一軸向磁浮軸承具有一第一抵接面及一第一凹部，該第一凹部從該第一抵接面內凹，該第二軸向磁浮軸承具有一第二抵接面及一第二凹部，該第二凹部從該第二抵接面內凹，且該第一抵接面與該第二抵接面係相抵接，該第一凹部與該第二凹部之間形成一流道。
11. 如申請專利範圍第1項所述之磁浮轉子機構，其中該第一軸向磁浮軸承與該第二軸向磁浮軸承固設於一殼體，該殼體、該第一軸向磁浮軸承與該第二軸向磁浮軸承之間形成一流道。