CN114710004B - 一种低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低温工程中的磁力耦合传动领域，具体涉及一种低温泵用复合聚磁式永磁‑超导耦合传动装置，低温泵包括泵壳、叶轮轴、叶轮、设在泵壳外侧的输入轴和永磁转子轭铁，以及设在泵壳内侧的超导转子轭铁和输出轴；永磁转子轭铁内侧开设有多个内设有复合聚磁式U型永磁极和导磁铁片的U型槽，超导转子轭铁上间隔布设有一圈扇形的超导片，永磁极与超导片间隔工作气隙非接触对应连接，超导转子轭铁中间通过径向磁悬浮轴承与悬架部件转动连接，超导转子轭铁外侧与输出轴固定连接。通过改进永磁盘磁极的排布方式，减小永磁转子漏磁，改善励磁磁场分布；利用超导片的强捕获磁场与高载流密度，提升传输转矩，实现了常温端至低温端的无接触转矩传输。
Description
技术领域
本发明属于低温工程中的磁力耦合传动领域，具体涉及一种低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置。
背景技术
低温清洁能源、航空航天飞行器的低温推进剂等低温液体的生产输送多采用低温泵送装置完成。目前，中小型低温液体泵多采用长轴耦合的泵机分离式结构，由于长轴连接的泵机两端温差巨大，这类泵送装置存在密封困难与故障多发的问题。
随着永磁材料的发展，磁力传动技术被提出，并用在各种风机、泵类等机械设备上。将磁力耦合传动技术用于长轴耦合式低温液体泵，能够将常温端电机的转矩无接触的传递至低温端叶轮。磁力耦合传动技术能够实现无接触转矩传递，应用在泵类等机械设备能够避免传统机械传动方式的摩擦损耗，并且能够将旋转动密封转化为静密封。例如公开号CN210859251U的专利，将磁力耦合器应用在磁力驱动泵中，实现了电动机转矩的无接触传递；公开号N112311197B的专利，采用一种90度Halbach排布的双层永磁转子与导体转子，双层复合永磁体转子中的一个永磁体盘与另一个永磁体盘通过铝制外壳隔开，通过电机驱动双层复合永磁转子，导体转子产生的涡流使得其在变化的磁场中转动，实现无接触转矩传递。
然而，受低温环境的影响，常规磁力耦合器永磁材料易碎性增强、机械强度下降，铜材料产生电磁转矩的同时也产生较大涡流损耗，造成低温液体汽化。此外，磁力耦合器的主、从动侧间隔着容器壁，工作气隙较大，传输转矩的提升空间有限。在极低温环境与大气隙工况来看，上述磁力耦合传动装置难以满足低温液体泵应用的技术需求。
发明内容
针对现有磁力传动技术在低温液体泵送过程中的不足，本发明提供了一种复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，它能够适应大气隙、低温工况，并且具有稳定可靠、易于分离的特点。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，包括电动机、联轴器和低温泵，所述低温泵包括泵壳和设在泵壳内部的叶轮轴和叶轮，所述泵壳上设有泵入口和泵出口，还包括设在低温泵驱动端泵壳外侧的输入轴和永磁转子轭铁，以及设在低温泵驱动端泵壳内侧的超导转子轭铁和输出轴；所述电动机通过联轴器与低温泵的输入轴连接，所述输入轴同轴固接有永磁转子轭铁，所述永磁转子轭铁内侧沿圆周方向开设有多个U型槽，所述U型槽内配合设置有复合聚磁式U型永磁极，所述复合聚磁式U型永磁极中间设置有导磁铁片；超导转子轭铁靠近永磁转子轭铁的一侧间隔布设有一圈扇形的超导片，所述复合聚磁式U型永磁极与超导片非接触地对应连接，所述复合聚磁式U型永磁极与超导片之间留设有工作气隙，输出轴朝向工作气隙的一端同轴固接有悬架部件，超导转子轭铁中间通过径向磁悬浮轴承与悬架部件转动连接，超导转子轭铁外侧与输出轴固定连接。
进一步地，所述复合聚磁式U型永磁极由第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体、第四永磁体和第五永磁体横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第二永磁体和第四永磁体横截面呈扇形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片。
进一步地，所述复合聚磁式U型永磁极由第六永磁体、第七永磁体和第八永磁体横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第七永磁体横截面呈半圆形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片。
进一步地，所述永磁转子轭铁的U型槽中的复合聚磁式U型永磁极与永磁转子轭铁相固接。
进一步地，所述径向磁悬浮轴承包括同轴套设的内圈和外圈，内圈为超导定子，外圈为永磁转子，内圈和外圈之间留设有悬浮间隙。
进一步地，所述超导片固定设置在超导转子轭铁上。
进一步地，所述复合聚磁式U型永磁极与超导片为等间距或不等间距排布，从动侧超导片不等间距排布，能够降低转矩波动，使输出转矩更加稳定。
进一步地，所述超导片采用超导块材制作而成或采用超导带材堆叠而成。
本发明还包括能够使其正常使用的其它组件，均为本领域的常规手段，另外，本发明中未加限定的装置或组件，例如：电动机、联轴器、泵壳、叶轮轴和叶轮等，均采用本领域的现有技术。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，主动侧永磁盘采用U型磁极单元，不仅能够极大的降低漏磁，提高永磁体的利用率，还增强了耦合装置工作气隙的轴向磁密，传递更大的转矩，同时显著降低涡流损耗，减小温升，改善永磁-超导磁力耦合传动装置的传输特性；主从动盘间的轴向力小，减小了磁悬浮轴承的轴向负荷，延长了磁悬浮轴承的使用寿命；避免了潜液式低温电机产生的热损耗、消除了长轴机械耦合结构带来的漏热问题和低温旋转动密封问题；有效利用了低温介质提供的冷却环境，省去了超导体需要的制冷系统。
利用超导体的高载流密度与强捕获磁场特性，对永磁转子与超导转子的排布进行设计，实现了电动机转矩的稳定无接触传递；为改善永磁-超导耦合传动装置的转矩传输性能，通过设计磁极形状并组合，对比聚磁式磁极、Halbach磁极与U型磁极等的磁场分布规律，使用U型磁极大大提高了永磁-超导耦合传动装置的轴向气隙磁通密度，从而提高装置传递转矩的大小，具有稳定可靠、大传输转矩、易于分离的优势。
附图说明
图1为实施例1中复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置的结构示意图。
图2为实施例1中主动侧永磁盘、从动侧超导盘组合的三维爆炸图。
图3为实施例1中主动侧永磁盘、从动侧超导盘组合的三维装配图。
图4为实施例1中径向磁悬浮轴承的结构示意图。
图5为实施例1中复合聚磁式U型永磁极的三维爆炸图。
图6为实施例2中复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置的结构示意图。
图7为实施例2中复合聚磁式U型永磁极的三维爆炸图。
图8为Halbach、聚磁式和U型磁极在气隙1mm处的轴向磁通密度二维模拟图。
图9为Halbach、聚磁式和U型磁极在等磁量下的转矩传输特性二维仿真图。
图中：1、电动机；2、联轴器；3、输入轴；4、永磁转子轭铁；5、导磁铁片；6、U型槽；7、复合聚磁式U型永磁极；8、第一永磁体；9、第二永磁体；10、第三永磁体；11、第四永磁体；12、第五永磁体；13、工作气隙；14、超导转子轭铁；15、超导片；16、输出轴；17、径向磁悬浮轴承；17-1、径向磁悬浮轴承超导定子；17-2、径向磁悬浮轴承永磁转子；18、悬架部件；19、泵壳；20、叶轮轴；21、叶轮；22、泵入口；23、泵出口；24、第六永磁体；25、第七永磁体；26、第八永磁体。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行清晰完整地描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的部分实施例，而非全部实施例。
实施例1
如图1-3所示，一种低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，包括电动机1、联轴器2和低温泵，所述低温泵包括泵壳19和设在泵壳19内部的叶轮轴20和叶轮21，所述泵壳19上设有泵入口22和泵出口23，所述低温泵还包括设在低温泵驱动端泵壳19外侧的输入轴3和永磁转子轭铁4，以及设在低温泵驱动端泵壳19内侧的超导转子轭铁14和输出轴16；所述电动机1通过联轴器2与低温泵的输入轴3连接，所述输入轴3同轴固接有永磁转子轭铁4；所述永磁转子轭铁4内侧沿圆周方向开设有多个U型槽6，所述U型槽6内配合设置有复合聚磁式U型永磁极7，所述复合聚磁式U型永磁极7中间设置有导磁铁片5；超导转子轭铁14靠近永磁转子轭铁4的一侧间隔布设有一圈扇形的超导片15，所述复合聚磁式U型永磁极7与超导片15非接触地对应连接，所述复合聚磁式U型永磁极7与超导片15之间留设有工作气隙13，输出轴16朝向工作气隙13的一端同轴固接有悬架部件18，超导转子轭铁14中间通过径向磁悬浮轴承17与悬架部件18转动连接，超导转子轭铁14外侧与输出轴16固定连接。
所述永磁转子轭铁4作为主动侧永磁盘，与电动机1相连接，提供动力转矩，所述超导转子轭铁14作为从动侧超导盘，与输出轴16相连接，驱动负载旋转，主动侧永磁盘与从动侧超导盘之间存在5-10mm的工作气隙，并且被泵壳19隔开，完全通过磁力传导实现非接触式动力传输。
所述永磁转子轭铁4的U型槽6中的复合聚磁式U型永磁极7与永磁转子轭铁4相固接。所述超导片15固定设置在超导转子轭铁14上。所述超导片15采用超导块材制作。所述复合聚磁式U型永磁极7与超导片15为等间距排布。
如图4所示，所述径向磁悬浮轴承17包括同轴套设的内圈和外圈，内圈为超导定子17-1，外圈为永磁转子17-2，内圈和外圈之间留设有悬浮间隙。
如图5所示，所述复合聚磁式U型永磁极7由第一永磁体8、第二永磁体9、第三永磁体10、第四永磁体11和第五永磁体12横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第二永磁体9和第四永磁体11横截面呈扇形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片5。
实施例2
如图6-7所示，该实施例与实施例1的区别仅在于：所述复合聚磁式U型永磁极7由第六永磁体24、第七永磁体25和第八永磁体26横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第七永磁体25横截面呈半圆形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片5。
如图8所示，在不同组合形式的磁极在等量永磁材料下，二维展开模型在气隙1mm处的轴向磁通密度，其中，Halbach、聚磁式分别表示现有技术中的海尔贝克磁极和聚磁式磁极，U型磁极表示本申请实施例1-2中复合聚磁式U型永磁极，可见，U型磁极的组合方式轴向磁场最强。
如图9所示，在不同组合形式的磁极在等量永磁材料下，二维仿真得到的转矩输出结果，其中，Halbach、聚磁式分别表示现有技术中的海尔贝克磁极和聚磁式磁极，U型磁极表示本申请实施例1-2中复合聚磁式U型永磁极，可见，U型磁极的平均转矩更大。
本发明的技术方案并不限于上述具体实施例的限制，在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，包括电动机（1）、联轴器（2）和低温泵，所述低温泵包括泵壳（19）和设在泵壳（19）内部的叶轮轴（20）和叶轮（21），所述泵壳（19）上设有泵入口（22）和泵出口（23），其特征在于：所述低温泵还包括设在低温泵驱动端泵壳（19）外侧的输入轴（3）和永磁转子轭铁（4），以及设在低温泵驱动端泵壳（19）内侧的超导转子轭铁（14）和输出轴（16）；所述电动机（1）通过联轴器（2）与低温泵的输入轴（3）连接，所述输入轴（3）同轴固接有永磁转子轭铁（4），所述永磁转子轭铁（4）内侧沿圆周方向开设有多个U型槽（6），所述U型槽（6）内配合设置有复合聚磁式U型永磁极（7），所述复合聚磁式U型永磁极（7）中间设置有导磁铁片（5）；超导转子轭铁（14）靠近永磁转子轭铁（4）的一侧间隔布设有一圈扇形的超导片（15），所述复合聚磁式U型永磁极（7）与超导片（15）非接触地对应连接，所述复合聚磁式U型永磁极（7）与超导片（15）之间留设有工作气隙（13），输出轴（16）朝向工作气隙（13）的一端同轴固接有悬架部件（18），超导转子轭铁（14）中间通过径向磁悬浮轴承（17）与悬架部件（18）转动连接，超导转子轭铁（14）外侧与输出轴（16）固定连接；
其中，所述复合聚磁式U型永磁极（7）由第一永磁体（8）、第二永磁体（9）、第三永磁体（10）、第四永磁体（11）和第五永磁体（12）横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第二永磁体（9）和第四永磁体（11）横截面呈扇形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片（5）；
或者，所述复合聚磁式U型永磁极（7）由第六永磁体（24）、第七永磁体（25）和第八永磁体（26）横截面按照U字形依次紧密贴合拼接构成，其中第七永磁体（25）横截面呈半圆形，且各永磁体的充磁方向均指向导磁铁片（5）。
2.根据权利要求1所述的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，其特征在于：所述复合聚磁式U型永磁极（7）与永磁转子轭铁（4）固定设置在U型槽（6）中。
3.根据权利要求1所述的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承（17）包括同轴套设的内圈和外圈，内圈为超导定子（17-1），外圈为永磁转子（17-2），内圈和外圈之间留设有悬浮间隙。
4.根据权利要求1所述的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，其特征在于：所述超导片（15）固定设置在超导转子轭铁（14）上。
5.根据权利要求1所述的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，其特征在于：所述复合聚磁式U型永磁极（7）与超导片（15）为等间距或不等间距排布。
6.根据权利要求1所述的低温泵用复合聚磁式永磁-超导耦合传动装置，其特征在于：所述超导片（15）采用超导块材制作而成或采用超导带材堆叠而成。
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