[发明专利]封装式磁体组件和用于制造它的工艺

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是于2007年11月2日提交的美国专利申请No.11/934,396的部分继续申请并要求享有其权益，该美国专利申请No.11/934,396则要求享有于2007年3月8日提交的题名为“用于腐蚀环境中的磁轴承”的美国临时专利申请No.60/905,710的权益，这些美国专利申请均通过引用而完整地结合在本文中。

技术领域

本公开涉及利用磁轴承并可用于腐蚀环境中的转子和定子组件，以及组装磁轴承的工艺。该转子和定子组件可用于涡轮膨胀机、泵、压缩机、电动机和发电机、以及相似的用于石油和天然气工业的涡轮机械中。

背景技术

涡轮膨胀机是一种减小进气流的压力的装置。在这样做时，在减压期间可提取有用功。此外，从涡轮膨胀机中还可能产生流出流(effluent stream)。这种流出流然后可穿过分离器或蒸馏塔，以便将该流出流分离到重质液体流中。涡轮膨胀机利用旋转设备，其是相对较昂贵的，并且通常包括安装在外壳中的径向内流式涡轮转子，外壳具有径向入口和轴向出口。涡轮转子通过固定在转子上的轴而可旋转地安装在轴承中。这种涡轮膨胀机可供各种广泛的不同气流用于诸如空气分离、天然气加工和传输、膨胀过程中的压力下降的能量的回收、相关过程的废热的热能回收等等。压缩机可作为一种装置与涡轮膨胀机相关联，以取得功或只是消散来自涡轮膨胀机的能量。

目前有三种主要类型的轴承，其可用于支撑涡轮机械，例如上面提到的涡轮膨胀机或压缩机中的转子轴。各种类型的轴承包括磁轴承、滚柱元件轴承和流体薄膜轴承。磁轴承利用电磁力而定位和支撑移动的轴。该轴可进行回转(旋转)或往复运动(线性平移)。相比之下，流体薄膜轴承和滚柱元件轴承都与转子轴直接接触，并且通常需要基于流体的滑润剂，例如油。

磁轴承提供了超越流体膜轴承和滚柱元件轴承的优越性能。磁轴承通常具有较低的阻力损失、较高的刚性和阻尼属性、以及适中的负载能力。另外，不同于其它类型的轴承，磁轴承不需要润滑，因而消除了油、阀门、泵、过滤器、冷却器等等，其增加了复杂性，并且包括工艺污染的风险。

在一种用于转子和定子组件的典型的磁轴承布局中，定子包围由铁磁性材料形成的转子轴，定子包括多个电磁线圈。各个电磁线圈被称为磁径向轴承，因为它们径向包围转子，电磁线圈产生磁场，其倾向于吸引转子轴。在围绕转子轴的合适位置上，转子轴组件受到定子内部的这些活动的磁径向轴承的支撑。通过改变特定磁体的线圈中的电流的量，可控制吸引力，使得转子保持居中于磁体之间。定子中的传感器包围转子，并测量转子离居中位置的偏差。数字处理器使用来自传感器的信号以确定如何调整磁体中的电流，从而使转子居中于磁体之间。检测轴位置、处理数据和调整线圈中的电流的循环可在高达25,000次每秒的速率下发生。因为转子“浮动”在空间中而不与磁体相接触，所以不需要任何类型的润滑。

耐摩轴承以及密封件可安装在转子轴的各端，以便在未激励磁轴承时支撑轴。这避免了在转子轴和定子的径向磁轴承之间的任何接触。这些辅助轴承或“备用”轴承通常是干的、润滑的，并且在正常操作期间保持无负载的。

在石油和天然气工业中，转子和定子组件可在工艺气体中运转，工艺气体还可用作冷却剂。工艺气体通常是在大约10巴至大约200巴的压力下的天然气。不幸的是，天然气可能具有高度的污染物。这些污染物可包括腐蚀剂例如硫化氢(H₂S)、水、CO₂、油和其它。在最坏的情况下，水和H₂S的组合导致被称为湿酸气的东西，它是一种更具腐蚀性的气体。磁轴承通常需要冷却，从而保持轴承构件中的可接受的温度。利用工艺气体直接作为冷却剂，其在实现一种较少密封的系统方面提供了显著的优点，其消除了对于缓冲气体(其在上游石油和天然气应用中通常不能得到)的需求，并且增强了安装的涡轮机械的安全性和可操作性。然而，磁轴承组件的冷却，以及因此其在包含上述污染物的工艺气体环境中的使用，对于易受损的磁轴承构件造成了极大的风险。

美国腐蚀工程师协会(NACE)标准MR0175，“用于油田设备的硫化物应力腐蚀破裂防腐剂金属材料”是在石油和天然气工业中广泛使用的标准，其规定了为用于酸气环境中的机械提供良好的使用寿命所需要的合适的材料、热处理条件和硬度等级。NACE遵从性材料或成分是相当耐腐蚀的，这些腐蚀可发生在非NACE遵从性材料暴露于酸气和/或湿酸气时。例如，NACE遵从性焊缝通常需要焊接后热处理工艺，以消除任何焊缝应力，焊缝应力将通常有助于易受腐蚀性。目前在石油和天然气工业中还没有使用完全遵从NACE的磁轴承系统。