离心泵与永磁电机安全运行控制装置的制作方法

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种泵与电机的配合作用，特别是一种离心泵与永磁电机安全运行控制装置。

背景技术：

电机与泵相辅相成，共同构筑了传统工业的相当大的基础和市场。随着泵的工作环境越发多样，工况变化的不可控因素逐渐增多，使泵与电机共同维持在高效率工作状态不仅是节能减排的需要，也是市场对节约成本的必然走向。泵与电机配合使用过程中，经常会出现一些共同的问题，如振动过大，温升严重，噪声大等，严重影响工作效率，且对设备的使用寿命也有很大的损害。

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。其设计的精密性也就对其工作的环境比较严苛。如果设计或使用不当，永磁电机在过高温度，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。所以对电机的温度和振动幅度实时监测是非常有必要的。同样的问题在泵的设计和使用过中也很明显。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种通过实时监测离心泵和永磁电机，采集温度信息、振动信息及噪声信息以判断两者所处工作状态，对其可能存在的故障进行预估并提前预防的离心泵与永磁电机安全运行控制装置。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：离心泵与永磁电机安全运行控制装置，包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器，所述离心泵包括泵壳，所述泵壳内具有泵腔，所述泵腔中设置叶轮，所述叶轮的中心固穿泵体轴，所述泵体轴的传动端套接泵轴承及泵端盖后伸出所述泵壳，所述泵壳上开设进水口和出水口，所述进水口通过管腔连通所述泵腔的叶轮流道，所述叶轮流道连通一蜗壳，所述蜗壳连通一气液分离室，所述气液分离室的顶端连通上述出水口，所述气液分离室的底部连通回流室，所述回流室通过回流孔连通所述叶轮流道，所述出水口处设置噪声传感器，所述泵端盖的旁侧设置泵体温度传感器，所述泵端盖上设置泵体振动传感器，所述噪声传感器的信号输出端、泵体温度传感器的信号输出端及泵体振动传感器的信号输出端均通过电线连接所述伺服驱动器；所述永磁同步电机包括电机壳，所述电机壳内设置定子和转子，所述转子的中心固穿有电机轴，所述电机轴的驱动端套接电机轴承及电机端盖后伸出所述电机壳，所述电机壳的外壁上设置第一温度传感器，所述电机端盖的旁侧设置第二温度传感器，所述电机端盖上设置电机振动传感器，所述第一温度传感器的信号输出端、第二温度传感器的信号输出端及电机振动传感器的信号输出端均通过电线连接所述伺服驱动器；所述电机轴的驱动端与泵体轴的传动端之间通过联轴器固连，所述伺服驱动器通过变频器电控连接所述永磁同步电机。

本离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，永磁同步电机作为动力源，永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化。永磁体在受到剧烈的振动或者是敲打后，有可能引起其内部磁畴发生变化，磁畴的磁矩方向发生变化后,磁钢磁性能会变差,就会造成磁钢退磁。永磁同步电机温度的变化也会引起磁钢性能的变化，当温度超过一定值，材料磁性能将逐渐降低，当温度恢复后，其剩磁不会恢复，造成不可逆退磁。

离心泵作为载体，此处以自吸式离心泵作为样本。自吸式离心泵简称自吸泵，自吸泵的自吸过程包括气液混合过程、气液分离过程和自吸循环液的再循环过程。自吸泵内自吸过程是一种复杂的两相流动结构，内部流场特别是叶轮出口射流液体与回流孔回流液体之间形成的剪切层，加速气液混合及空泡流的形成和壮大，进而加快气体的溶解与排出。由于自吸过程所用的引液，往往只有正常工况时的一半，因此自吸过程时自吸泵所需要的启动扭矩较正常运转时小得多，这也与永磁同步电机启动扭矩较小相配合，减小了永磁同步电机的启动负载，防止过载的发生。一旦泵体温度过高，会对机械密封造成影响，可能会引起泄露，甚至导致电机轴承损坏，不利于正常工作。

泵的转轴一般与电机的转轴直接相连，使得泵的动态性能和电机的动态性能相互干涉；在高速旋转中，动、静平衡未能满足要求，导致与流体作用的部件受水流状况影响较大；流体运动本身的复杂性，也是限制泵动态性能稳定性的一个因素。泵产生的振动对设备本身造成影响，缩短寿命。其次，泵的振动传递到其他设备时也会造成不良影响。泵与电机配合使用过程中，也会加剧电机的噪声产生。电机产生的噪声主要来源于轴承，电机绝大多数选用滚动轴承，具体包括滚珠轴承和滚柱轴承。滚动轴承有内圈、外圈,其间还有滚珠/滚柱和保持架,在电机旋转过程中,这些元件会有相对运动,导致不规则的摩擦和碰撞而产生噪声,特别是在电机高速运转的情况下尤为明显。

伺服驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服器的分散性大、零漂、低可靠性等问题，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元组成，并连接与之配套的永磁同步电机和相应的反馈检测器件。

联轴器需要保证良好的平衡性和敏感性，梅花联轴器具有较大的轴向、径向和角向补偿能力，结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合，所以选用梅花联轴器。

噪声传感器、温度传感器与振动传感器的使用方式均为现有技术。噪声传感器、温度传感器、振动传感器与伺服驱动器的连接方式、信号传递功能均为现有技术。伺服驱动器电控永磁同步电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

在上述的离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，所述转子与电机轴之间卡设固定键，所述转子的内壁上设置卡位槽，所述电机轴的外壁上凹设键槽，所述固定键的一部分嵌入键槽内，另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子与电机轴通过键槽结构形成可靠的固连，以确保一并同步转动。

在上述的离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，所述电机轴的两端均套接有上述电机轴承，所述电机轴承通过支撑架与所述电机壳形成固定安装，所述电机轴承与电机端盖之间设置V型密封圈。通过电机轴承的转动支撑，使电机轴将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现电机轴承端部的密封作用。

在上述的离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，所述电机轴的尾端上固套有风扇，所述风扇的外周罩设有罩壳，所述罩壳与所述电机壳相固连。定子和转子在工作中会产生大量的热量，风扇由电机轴带动同步转动，在电机工作时，会随着电机轴旋转而产生风流对电机进行散热。

在上述的离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，所述电机壳的外壁上设置若干散热翅片，若干所述散热翅片呈平行排列。通过壳体外壁上的若干散热翅片，进一步进行对电机的散热作用。

在上述的离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，所述泵壳的侧部设置清淤口，所述清淤口连通所述管腔，所述清淤口上设置清淤阀门。由于自吸泵往往会输送固液两相流介质，工作一段时间之后，需要打开常闭的清淤口进行清理。

与现有技术相比，本离心泵与永磁电机安全运行控制装置，通过模拟仿真，在两台设备的合适工况点配备相应的传感器，实时监测所需要的状态参数，由温度、振动及噪声多方面测评，将实时参数传输到控制系统，并分析评估其可能存在的问题，反馈给相应的控制元件，起到预先防范作用，从而保证泵与电机的安全可靠运行；并实现精确控制，达到高效节能的效果。

附图说明

图1是本离心泵与永磁电机安全运行控制装置的结构示意图。

图2是本实用新型的控制系统框图。

图中，1、泵壳；1a、进水口；1b、出水口；2、叶轮；3、泵体轴；4、泵轴承；5、泵端盖；6、蜗壳；7、气液分离室；8、回流室；9、清淤口；10、噪声传感器；11、泵体温度传感器；12、泵体振动传感器；13、电机壳；14、定子；15、转子；16、电机轴；17、风扇；18、散热翅片；19、第一温度传感器；20、第二温度传感器；21、电机振动传感器；22、联轴器；23、伺服驱动器。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，本离心泵与永磁电机安全运行控制装置，包括离心泵、永磁同步电机和伺服驱动器23，离心泵包括泵壳1，泵壳1内具有泵腔，泵腔中设置叶轮2，叶轮2的中心固穿泵体轴3，泵体轴3的传动端套接泵轴承4及泵端盖5后伸出泵壳1，泵壳1上开设进水口1a和出水口1b，进水口1a通过管腔连通泵腔的叶轮流道，叶轮流道连通一蜗壳6，蜗壳6连通一气液分离室7，气液分离室7的顶端连通出水口1b，气液分离室7的底部连通回流室8，回流室8通过回流孔连通叶轮流道，出水口1b处设置噪声传感器10，泵端盖5的旁侧设置泵体温度传感器11，泵端盖5上设置泵体振动传感器12，噪声传感器10的信号输出端、泵体温度传感器11的信号输出端及泵体振动传感器12的信号输出端均通过电线连接伺服驱动器23；永磁同步电机包括电机壳13，电机壳13内设置定子14和转子15，转子15的中心固穿有电机轴16，电机轴16的驱动端套接电机轴承及电机端盖后伸出电机壳13，电机壳13的外壁上设置第一温度传感器19，电机端盖的旁侧设置第二温度传感器20，电机端盖上设置电机振动传感器21，第一温度传感器19的信号输出端、第二温度传感器20的信号输出端及电机振动传感器21的信号输出端均通过电线连接伺服驱动器23；电机轴16的驱动端与泵体轴3的传动端之间通过联轴器22固连，伺服驱动器23通过变频器电控连接永磁同步电机。

本离心泵与永磁电机安全运行控制装置中，永磁同步电机作为动力源，永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化。永磁体在受到剧烈的振动或者是敲打后，有可能引起其内部磁畴发生变化，磁畴的磁矩方向发生变化后,磁钢磁性能会变差,就会造成磁钢退磁。永磁同步电机温度的变化也会引起磁钢性能的变化，当温度超过一定值，材料磁性能将逐渐降低，当温度恢复后，其剩磁不会恢复，造成不可逆退磁。

离心泵作为载体，此处以自吸式离心泵作为样本。自吸式离心泵简称自吸泵，自吸泵的自吸过程包括气液混合过程、气液分离过程和自吸循环液的再循环过程。自吸泵内自吸过程是一种复杂的两相流动结构，内部流场特别是叶轮2出口射流液体与回流孔回流液体之间形成的剪切层，加速气液混合及空泡流的形成和壮大，进而加快气体的溶解与排出。由于自吸过程所用的引液，往往只有正常工况时的一半，因此自吸过程时自吸泵所需要的启动扭矩较正常运转时小得多，这也与永磁同步电机启动扭矩较小相配合，减小了永磁同步电机的启动负载，防止过载的发生。一旦泵体温度过高，会对机械密封造成影响，可能会引起泄露，甚至导致电机轴承损坏，不利于正常工作。

泵的转轴一般与电机的转轴直接相连，使得泵的动态性能和电机的动态性能相互干涉；在高速旋转中，动、静平衡未能满足要求，导致与流体作用的部件受水流状况影响较大；流体运动本身的复杂性，也是限制泵动态性能稳定性的一个因素。泵产生的振动对设备本身造成影响，缩短寿命。其次，泵的振动传递到其他设备时也会造成不良影响。泵与电机配合使用过程中，也会加剧电机的噪声产生。电机产生的噪声主要来源于轴承，电机绝大多数选用滚动轴承，具体包括滚珠轴承和滚柱轴承。滚动轴承有内圈、外圈,其间还有滚珠/滚柱和保持架,在电机旋转过程中,这些元件会有相对运动,导致不规则的摩擦和碰撞而产生噪声,特别是在电机高速运转的情况下尤为明显。

伺服驱动器23经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器23不仅克服了模拟式伺服器的分散性大、零漂、低可靠性等问题，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器23不仅结构简单，而且性能更加的可靠。伺服驱动器23主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元组成，并连接与之配套的永磁同步电机和相应的反馈检测器件。

联轴器22需要保证良好的平衡性和敏感性，梅花联轴器具有较大的轴向、径向和角向补偿能力，结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合，所以选用梅花联轴器。

噪声传感器10、温度传感器与振动传感器的使用方式均为现有技术。噪声传感器10、温度传感器、振动传感器与伺服驱动器23的连接方式、信号传递功能均为现有技术。伺服驱动器23电控永磁同步电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

转子15与电机轴16之间卡设固定键，转子15的内壁上设置卡位槽，电机轴16的外壁上凹设键槽，固定键的一部分嵌入键槽内，另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子15与电机轴16通过键槽结构形成可靠的固连，以确保一并同步转动。

电机轴16的两端均套接有电机轴承，电机轴承通过支撑架与电机壳13形成固定安装，电机轴承与电机端盖之间设置V型密封圈。通过电机轴承的转动支撑，使电机轴16将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现电机轴承端部的密封作用。

电机轴16的尾端上固套有风扇17，风扇17的外周罩设有罩壳，罩壳与电机壳13相固连。定子14和转子15在工作中会产生大量的热量，风扇17由电机轴16带动同步转动，在电机工作时，会随着电机轴16旋转而产生风流对电机进行散热。

电机壳13的外壁上设置若干散热翅片18，若干散热翅片18呈平行排列。通过壳体外壁上的若干散热翅片18，进一步进行对电机的散热作用。

泵壳1的侧部设置清淤口9，清淤口9连通管腔，清淤口9上设置清淤阀门。由于自吸泵往往会输送固液两相流介质，工作一段时间之后，需要打开常闭的清淤口9进行清理。

如图2所示，本离心泵与永磁电机安全运行控制装置的调控方法，包括以下步骤：

1)、永磁同步电机起动时，其变频器输出较低频率的电压形成旋转缓慢的定子14磁场，随着负载角的增大，电磁扭矩也相应增大并克服转子15惯性使其旋转，其转速随着变频器频率的升高而逐渐升高至某一转速，完成起动过程；

2)、通过永磁同步电机起动，同步驱动电机轴16运转，通过联轴器22同步带动泵体轴3转动，实现离心泵的启动运行；

3)、离心泵运行过程中，其输送流体的流量和流体的组分随时发生变化，所需要的扭矩随时进行改变，由此永磁同步电机的输出功率对应需求进行变化；

4)、预先在伺服驱动器23中设定电机临界温度值和电机危险温度值，电机实时温度值不超过电机临界温度值属于正常工作，电机实时温度值位于电机临界温度值和电机危险温度值之间属于异常工作，电机实时温度值超过电机危险温度值属于危险工作；通过第一温度传感器19监测电机壳13表面的温度，将第一实时温度信号传递至伺服驱动器23，通过第二温度传感器20监测电机端盖的温度，将第二实时温度信号传递至伺服驱动器23，

a、若第一实时温度值和/或第二实时温度值表明永磁同步电机处于异常工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低，直至第一实时温度值和第二实时温度值均表明永磁同步电机恢复正常工作状态；

b、若第一实时温度值和/或第二实时温度值表明永磁同步电机处于危险工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

在实际运转中如果遇到严苛工况或者事故时，散热翅片18和风扇17的散热效果难以保证电机的温度在安全范围，必须通过伺服驱动器23调控电机以避免损坏。永磁电机内永久磁铁的耐温是130～140度左右，所以一般电机都表明最高温度110～120度，故依据不同的电机型号需自行指定两温度指标。临界温度值为额定力矩最高可接受的相对基础室温的温升；危险温度值为损害内部元件的温度。

5)、预先在伺服驱动器23中设定电机临界振动值和电机危险振动值，电机实时振动值不超过电机临界振动值属于正常工作，电机实时振动值位于电机临界振动值和电机危险振动值之间属于异常工作，电机实时振动值超过电机危险振动值属于危险工作；通过电机振动传感器21监测电机端盖的振动情况，将电机实时振动信号传递至伺服驱动器23，

a、若电机实时振动值表明永磁同步电机处于异常工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低，直至电机实时振动值表明永磁同步电机恢复正常工作状态；

b、若电机实时振动值表明永磁同步电机处于危险工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

通常在电机结构中,刚性转子15引起静不平衡导致的离心力在机座上产生大小相等、相位相同的振动；由动不平衡导致的离心力的力偶在机座上产生大小相等、相位相反的振动。还有附加零件如风扇17造成的振动等，此类振动均对电机正常运转造成不良影响。

6)、预先在伺服驱动器23中设定泵临界温度值和泵危险温度值，泵实时温度值不超过泵临界温度值属于正常工作，泵实时温度值位于泵临界温度值和泵危险温度值之间属于异常工作，泵实时温度值超过泵危险温度值属于危险工作；通过泵体温度传感器11监测泵端盖5的温度，将泵实时温度信号传递至伺服驱动器23，

a、若泵实时温度值表明离心泵处于异常工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低，直至泵实时温度值表明离心泵恢复正常工作状态；

b、若泵实时温度值表明离心泵处于危险工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

7)、预先在伺服驱动器23中设定泵临界振动值和泵危险振动值，泵实时振动值不超过泵临界振动值属于正常工作，泵实时振动值位于泵临界振动值和泵危险振动值之间属于异常工作，泵实时振动值超过泵危险振动值属于危险工作；通过泵体振动传感器12监测泵端盖5的振动情况，将泵实时振动信号传递至伺服驱动器23，

a、若泵实时振动值表明离心泵处于异常工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低，直至泵实时振动值表明离心泵恢复正常工作状态；

b、若泵实时振动值表明离心泵处于危险工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机；

7)、预先在伺服驱动器23中设定泵临界噪声值和泵危险噪声值，泵实时噪声值不超过泵临界噪声值属于正常工作，泵实时噪声值位于泵临界噪声值和泵危险噪声值之间属于异常工作，泵实时噪声值超过泵危险噪声值属于危险工作；通过噪声传感器10监测泵壳1出水口1b的噪声分贝，将泵实时噪声信号传递至伺服驱动器23，

a、若泵实时噪声值表明离心泵处于异常工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出负反馈信号，以通过变频器调节永磁同步电机的电压降低、功率降低，直至泵实时噪声值表明离心泵恢复正常工作状态；

b、若泵实时噪声值表明离心泵处于危险工作状态，伺服驱动器23对单片机控制单元输出停车信号，以通过变频器调控永磁同步电机停机。

关于各项温度值、振动值及噪声值的设定，其参数范围根据具体的电机型号，配备的水泵型号及具体工况设定，在此不作具体阐述。

自吸泵工作时，由于工况经常变化，如果一直维持恒定的轴功率，则难以使自吸泵长期处于高效运行。因此，需要依据实时工况进行电机输入功率的调节。永磁同步电机采用的是永久磁铁励磁，其磁场可以视为是恒定；同时电机转速就是同步转速，即其转差为零。这些条件使得伺服驱动器23在驱动永磁同步电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低。

步骤1)中，永磁同步电机启动，其定子14通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降，由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，通过切割定子绕组产生感应电动势，进而以电磁力拖动转子15以同步转速旋转。

步骤2)中，在启动之前，离心泵的叶轮流道内存有没过轴线的残留的引液，启动时，叶轮2随同泵体轴3转动，将引液与叶轮流道和吸入管腔内的空气一并汇入蜗壳6中，再进入气液分离室7中，随后气相沿出水口1b逸出，液相受重力影响流入回流室8，进一步通过回流孔流回叶轮流道中。

自吸泵根据工作环境需要频繁进行停机、开机，且输送介质的量和状态不稳定，经常会发生改变。为此，自吸泵通过回流和引液的设计避免了其他离心泵在开机之前所必须的灌泵操作。自吸泵的自吸阶段，由于其做功的流体较少，所需要的轴功率较低，所以永磁同步电机在启动时扭矩较小的缺点便可以忽略。

伺服驱动器23将反馈信息传至电流控制器，得到三相电压指令，控制芯片通过三相电压指令，经过反向、延时后，得到指令电波输出到功率器件，控制永磁同步电机运行。

本离心泵与永磁电机安全运行控制装置，通过模拟仿真，在两台设备的合适工况点配备相应的传感器，实时监测所需要的状态参数，由温度、振动及噪声多方面测评，将实时参数传输到控制系统，并分析评估其可能存在的问题，反馈给相应的控制元件，起到预先防范作用，从而保证泵与电机的安全可靠运行；并实现精确控制，达到高效节能的效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了泵壳1；进水口1a；出水口1b；叶轮2；泵体轴3；泵轴承4；泵端盖5；蜗壳6；气液分离室7；回流室8；清淤口9；噪声传感器10；泵体温度传感器11；泵体振动传感器12；电机壳13；定子14；转子15；电机轴16；风扇17；散热翅片18；第一温度传感器19；第二温度传感器20；电机振动传感器21；联轴器22；伺服驱动器23等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。