[发明专利]一种具有三自由度磁轴承的磁悬浮泵

说明书

本发明涉及一种具有三自由度磁轴承的磁悬浮泵，包括三自由度磁轴承与旋转驱动组件，三自由度磁轴承对转子及叶轮起到悬浮和定位作用，旋转驱动组件具有外转子结构；主要用于解决二自由度无轴承电机应用于泵时，转子在轴向上出现的不稳定现象。并且改善悬浮绕组磁链和驱动绕组磁链之间存在的耦合问题，降低电机控制难度。结构紧凑，便于应用于高洁净度场合；旋转驱动绕组与悬浮绕组磁链不耦合，便于控制。

技术领域

本发明涉及磁悬浮泵技术领域，特别是涉及一种具有三自由度磁轴承的磁悬浮泵。

背景技术

在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用高洁净度流体。磁悬浮泵因其独特的原理优势，被越来越多地应用在各行各业。在生命科学领域中，磁悬浮血泵因为可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题，已被当作人工心脏来使用。在生物技术中，磁悬浮泵因为没有细菌存活的缝隙或小缝隙，而被广泛地应用于灭菌工艺，这使它成为生化应用的理想泵。又如光刻机中的化学药液供给系统是晶片清洗机的重要功能单元，其需要的超洁净环境要求相应的液体泵具备耐化学腐蚀、不产生污染颗粒、外形尺寸小、输出的压力较高和流量较大等特性。因此，目前磁悬浮液体泵已成为浸没式光刻、清洗、涂胶显影等半导体机台的核心流控部件。作为一种流体动力源，磁悬浮泵由于其产生污染少的特点，在高纯流体系统中具有广泛应用。磁悬浮泵的基本原理是将电机的转子与泵叶轮结合，利用磁场驱动转子旋转，并且利用磁场使转子不借助轴承悬浮与泵腔内。由于非接触的驱动方式以及磁悬浮定位方式，旋转中不与固体摩擦，可以用高洁净度不锈钢或者聚四氟乙烯(PTFE)等高洁净度材料包覆转子，产生的污染物少，尤其适用于高洁净度场合。

目前磁悬浮泵包含的电机大多为二自由度无轴承薄片电机。如Levitronix生产的磁悬浮离心泵中的永磁薄片电机，它可实现径向两自由度的主动控制悬浮，除径向和转子转动自由度外的另外三个自由度悬浮是利用磁阻力实现的。由于另外三个自由度为被动悬浮而无法实现主动控制，泵流量的变化极易造成上述另外三个自由度上电机转子的不稳定运行。且由于其结构的限制，如磁悬浮泵在运行时，转子容易在轴向位置偏移，造成水泵运行不稳定、泵液不稳定等问题。

若将三自由度的磁悬浮电机应用于磁悬浮泵，可以在很大程度上改善二自由度磁悬浮电机无法提供稳定轴向力的弊端，但电机或者驱动绕组与三自由度磁轴承之间的相对位置会大大影响电机的性能。例如公开号为CN107547010A的中国发明专利公开了一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法，由于其三自由度轴承和电机部分结构不紧凑、转子结构冗余等问题，而并不适合作为磁悬浮泵的电机。另有例如公开号为CN101207310A的中国发明专利，公开了轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，其悬浮力及驱动力数学模型复杂，且磁轴承的悬浮绕组和电机的驱动绕组两者集成在同一闭合磁路中，而使得悬浮绕组磁链和驱动绕组磁链相耦合，当电机负载较大，而使驱动绕组中电流较大时，转矩控制和悬浮控制之间存在强耦合，很大程度增加了控制的难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有三自由度磁轴承的磁悬浮泵，包括三自由度磁轴承和外转子永磁同步电机。主要用于解决二自由度无轴承电机应用于泵时，转子在轴向上出现的不稳定现象。并且改善悬浮绕组磁链和驱动绕组磁链之间存在的耦合问题，降低电机控制难度。以及提出一种可应用于磁悬浮离心泵的合理且紧凑的三自由度磁悬浮电机结构。

本发明包括泵头、三自由度磁轴承和旋转驱动组件；

所述泵头是一个容纳和转移被泵送流体的腔体，泵头设置入液口和出液口，泵头内设置叶轮；