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1、(10)申请公布号 CN 102974474 A (43)申请公布日 2013.03.20 CN 102974474 A *CN102974474A* (21)申请号 201210452733.X (22)申请日 2012.11.13 B04B 9/02(2006.01) H02K 5/16(2006.01) H02K 1/22(2006.01) H02K 1/16(2006.01) H02K 5/20(2006.01) H02K 51/00(2006.01) (71)申请人 湖南航天机电设备与特种材料研究 所 地址 410205 湖南省长沙市 585 信箱 3 分箱 (72)发明人 杨尔卫 。
2、张颖博 汤浩 (74)专利代理机构 长沙正奇专利事务所有限责 任公司 43113 代理人 郭立中 (54) 发明名称 一种超速离心机 (57) 摘要 本发明公开了一种超速离心机。该离心机解 决了高速电机的研制和高速真空密封装置研制两 大难题， 高速电机设计中采用气浮、 磁浮混合支承 技术， 大大增强了支承刚度和支承稳定性 ； 护套 设计采用大过盈冷缩配合方式， 有效保护了转子 完整性 ； 转子采用三段式结构 ； 定子铁心采用了 相对折中的 12 槽结构， 绕组形式采用环型绕组 ； 冷却方式采用强制风冷方式， 保证了超速离心机 驱动装置的可靠稳定运行。高速真空密封采用磁 力驱动真空动密封连接方式。
3、， 通过内外磁转子相 互间的磁力传动， 实现动力的非接触传递。 超速离 心机的研制成功扭转了我国在超速离心机市场完 全依赖进口的被动局面， 具有广阔的市场前景和 巨大的社会效益。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种超速离心机， 包括由离心室隔离层 （1） 分隔成离心室和电机安装室的离心机壳 体 （2） ； 所述电机安装室内装有真空泵 （3） ， 变频器 （4） 和用于安装电机 （5） 的电机底座 （6） ； 所述离心室内。
4、设有用于装载离心头 （7） 的离心桶 （35） ， 所述电机 （5） 与离心头 （7） 连接 ； 其 特征在于， 所述电机 （5） 包括转子 （8） ， 套装在转子 （8） 外的定子 （9） ， 套装在转子 （8） 两端 的径向气浮轴承 （10） 和轴向磁浮轴承 （11） ； 所述转子 （8） 包括转轴 （12） ， 套装在转轴 （12） 外的转子护套 （13） ， 所述转轴 （12） 中部为永磁体 （14） ； 所述定子 （9） 由环形定子铁心 （15） 和绕于环形定子铁心 （15） 上的环形定子线圈绕组 （16） 组成 ； 所述径向气浮轴承 （10） 包括 套在转轴 （12） 上的环形气浮。
5、轴套 （17） ， 所述环形气浮轴套 （17） 与转轴 （12） 之间有环隙 ； 所 述气浮轴套 （17） 上设有三道环形凹槽， 中间的环形凹槽上设有与环隙连通的节流孔 （18） ， 所述节流孔 （18） 上设有与节流孔 （18） 分体的小孔阻尼塞 （19） ， 所述小孔阻尼塞 （19） 通过 压紧螺钉 （20） 与节流孔 （18） 压紧， 两端的凹槽上设有 O 型密封圈 （21） ； 所述轴向磁浮轴承 （11） 包括由套在转轴 （12） 端部定位环 （22） 两侧的两个 A 环形永磁 体 （23） 组成的轴磁浮单元， 套在轴磁浮单元外的定子磁浮单元 ； 所述定子磁浮单元包括磁 浮定子 （24。
6、） 和设于磁浮定子 （24） 内侧且分别与两个 A 环形永磁体 （23） 对应的 B 环形永磁 体 （25） ； 轴磁浮单元与定子磁浮单元之间通过 A 环形永磁体 （23） 与 B 环形永磁体 （25） 之 间的斥力保持间距 ； 所述轴磁浮单元上设有保护层 （26） ； 所述 A 环形永磁体 （25） 与定位环 （22） 之间设有隔离层 （27） ； 所述电机 （5） 外壳上设有风冷进气口 （28） ， 出气口 （29） ， 与节流 孔 （18） 连通的气浮轴承进气口 （30） 。 2. 如权利要求 1 所述的超速离心机， 其特征在于， 所述电机 （5） 外壳上设有 Y 形接线 盒 （31） 。
7、。 3. 如权利要求 1 所述的超速离心机， 其特征在于， 所述电机 （5） 通过磁力驱动真空动 密封装置与离心头 （7） 连接 ； 所述磁力驱动真空动密封装置包括内磁转子系统和套在内磁转子系统外的外磁转子 系统， 两者由离心室隔离层 （1） 隔开 ； 所述内磁转子系统包括套在电机输出轴 （32） 上的轮彀 （33） ； 所述轮彀 （33） 下端设有 张紧法兰 （34） ； 所述张紧法兰 （34） 与轮彀 （33） 之间设有张紧套 （36） ； 所述轮彀 （33） 上端 设有永磁体安装架 （37） ； 所述永磁体安装架 （37） 上装有由沿永磁体安装架 （37） 径向且磁 极交错排布的内永磁体。
8、 （38） 组成的内磁环 ； 所述内磁环外设有内保护套 （39） ； 所述外磁转 子系统包括由与内永磁体 （38） 对应的外永磁体 （40） 组成的外磁环 ； 所述外磁环外设有外 保护套 （41） ； 所述外保护套 （41） 顶部设有用于安装离心头 （7） 的离心轴 （42） ； 所述外保护 套 （41） 底端与离心室隔离层 （1） 底板上端面之间设有推力球轴承 （43） ； 离心室隔离层 （1） 上端与外保护套 （41） 内壁之间设有深沟球轴承 （44） 。 4. 如权利要求 1 所述的超速离心机， 其特征在于， 所述离心机壳体 （2） 上设有保护罩 （45） ， 操作面板 （46） 和万向。
9、轮 （47） 。 权 利 要 求 书 CN 102974474 A 2 1/5 页 3 一种超速离心机 技术领域 0001 本发明属于生物制药、 医学和生物工程设备技术领域， 具体涉及一种超速离心机。 背景技术 0002 离心机技术是分子生物学和生物化学研究中不可缺少的一种技术， 它是根据 物质的沉降系数、 浮力等方面的差异利用离心机高速旋转产生的离心力场， 使物体做沉 降运动， 从而使物质中的不同密度， 不同分子量的物质得以分离， 浓缩、 纯化和沉淀。基 本离心机设备大致可分为三种， 普通离心机转速在 10000rpm 以下， 高速离心机转速在 1000030000rpm， 超速离心机转速在。
10、30000rpm以上， 一般可达到60000100000rpm。 超速离 心机因其转速高， 涉及高速轴承技术， 超高速变频控制技术， 超高速转头强度和可靠性等问 题 自 80 年代开始， 国内对超速离心机进行过大量的研制， 从最早的齿轮增速达 60000rpm 的超速离心机到现今各企业研制的超速离心机， 由于受高速轴承与高速真空密封等关键技 术的制约， 均存在着发热、 精度低、 使用寿命短、 真空泄露等缺陷， 国内生产的超速离心机与 国外同类产品相比仍存在较大差距。国外超速离心机电机支承轴承采用先进的动压轴承， 因此离心机最高转速可达 100000rpm 以上， 国内由于材料及加工工艺的制约，。
11、 使得动压轴 承的设计制造难度极大。 0003 真空动密封一般分为接触密封、 非接触密封和软件变形密封， 软件变形密封主要 应用与摆动机构中， 且转速很低 ； 接触密封在采用先进材料及先进工艺条件下， 转速最高可 达 40000rpm， 速度再高便将会出现严重磨损， 产生大量热量， 导致传动效率低下， 系统工作 不稳定， 缩短使用寿命 ； 磁力驱动真空动密封连接装置由于具有无摩擦， 零泄漏的优点， 在真空密封中具有广 泛应用前景。随着第二、 三代永磁材料的问世， 磁力驱动技术得到进一步发展。磁力驱动真 空动密封装置已逐渐在各种真空动密封中得到应用， 发展前景也十分广阔。 发明内容 0004 本。
12、发明旨在克服现有技术的不足， 提供一种超速离心机。 0005 为了达到上述目的， 本发明提供的技术方案为 ： 所述超速离心机包括由离心室隔离层分隔成离心室和电机安装室的离心机壳体 ； 所述 电机安装室内装有真空泵， 变频器和用于安装电机的电机底座 ； 所述离心室内设有用于装 载离心头的离心桶， 所述电机与离心头连接 ； 所述电机包括转子， 套装在转子外的定子， 套装在转子两端的径向气浮轴承和轴向磁 浮轴承 ； 所述转子包括转轴， 套装在转轴外的转子护套， 所述转轴中部为永磁体 ； 所述定子由环形定子铁心和绕于环形定子铁心上的环形定子线圈绕组组成 ； 所述径向气浮轴承包括套在转轴上的环形气浮轴套。
13、， 所述环形气浮轴套与转轴之间有 说 明 书 CN 102974474 A 3 2/5 页 4 环隙 ； 所述气浮轴套上设有三道环形凹槽， 中间的环形凹槽上设有与环隙连通的节流孔， 所述节流孔上设有与节流孔分体的小孔阻尼塞， 所述小孔阻尼塞通过压紧螺钉与节流孔压 紧， 两端的凹槽上设有 O 型密封圈 ； 所述轴向磁浮轴承包括由安装在转轴端部定位环两侧的两个 A 环形永磁体组成的轴 磁浮单元， 套在轴磁浮单元外的定子磁浮单元 ； 所述定子磁浮单元包括磁浮定子和设于磁 浮定子内侧且分别与两个 A 环形永磁体对应的 B 环形永磁体 ； 轴磁浮单元与定子磁浮单元 之间通过 A 环形永磁体与 B 环形永。
14、磁体之间的斥力保持间距 ； 所述轴磁浮单元上设有保护 层 ； 所述 A 环形永磁体与定位环之间设有隔离层 ； 所述电机外壳上设有风冷进气口， 出气口， 与节流孔连通的气浮轴承进气口。 0006 另外， 所述电机外壳上设有 Y 形接线盒。所述电机通过磁力驱动真空动密封装置 与离心头连接 ； 所述磁力驱动真空动密封装置包括内磁转子系统和套在内磁转子系统外的 外磁转子系统， 两者由离心室隔离层隔开 ； 所述内磁转子系统包括套在电机输出轴上的轮 彀 ； 所述轮彀下端设有张紧法兰 ； 所述张紧法兰与轮彀之间设有张紧套 ； 所述轮彀上端设 有永磁体安装架 ； 所述永磁体安装架上装有由沿永磁体安装架径向且磁。
15、极交错排布的内永 磁体组成的内磁环 ； 所述内磁环外设有内保护套 ； 所述外磁转子系统包括由与内永磁体对 应的外永磁体组成的外磁环 ； 所述外磁环外设有外保护套 ； 所述外保护套顶部设有用于安 装离心头的离心轴 ； 所述外保护套底端与离心室隔离层底板上端面之间设有推力球轴承 ； 离心室隔离层上端与外保护套内壁之间设有深沟球轴承。所述离心机壳体上设有保护罩， 操作面板和万向轮。 0007 下面结合设计原理对本发明作进一步说明 ： 当高速电机的转速达到 60000r 时， 高速电机的单位铁耗将是普通电机的几十甚至上 百倍。如何减少高频电磁损耗及提高冷却效率是高速电机定子设计需要考虑的主要问题。 本。
16、发明超速离心机电机中的定子采用低损耗导磁材料， 定子绕组采用环形绕组， 有效缩短 了定子端部长度。 0008 电机采用径向气浮与轴向磁浮相结合的支承方式。 电机的径向气浮轴承的气浮轴 套上开有均匀的节流孔， 将小孔阻尼塞与各节流孔配合安装， 装配好后采用压紧螺钉进行 压紧定位， 径向气浮轴承采用 O 型密封圈进行密封， 形成密闭的高压气腔。节流孔为轴向节 流孔 （根据实际需要采用单排或双排） ， 提高轴承的支承力及支承刚度。该结构形式将轴套 和小孔阻尼塞采用分体式加工， 可以降低工艺及加工难度， 同时， 轴与轴套间的配合间隙和 节流孔关联， 最大限度的提高轴承的支承刚度。 压缩气体从气浮轴承进。
17、气口流入， 经节流孔 节流流入径向气浮轴承间隙， 然后从径向气浮轴承两端流出， 当上下气隙大小不同时， 转轴 的上下表面形成压差， 从而产生一定的支承力， 使转轴悬浮于空中。 电机的轴向磁浮轴承中 的两对环形永磁体的牌号为N38UH， 隔离层采用合金钢来隔离磁场。 由于电机轴承采用径向 气浮与轴向磁浮相结合的静压气浮轴承结构， 最高转速达 80000rpm 以上， 为超速离心机的 实现提供可靠的技术保证本专利采用磁力驱动真空动密封连接， 通过内外磁转子相互间的 磁力传动， 实现动力的非接触传递， 同时密封器件之间无运动摩擦， 摩擦损耗小， 密封性能 好， 传动效率高。 0009 本发明超速离心。
18、机中的高速真空密封采用磁力驱动真空动密封连接方式。 通过内 外磁转子相互间的磁力传动， 实现动力的非接触传递。内外磁转子系统依靠永磁体间的磁 说 明 书 CN 102974474 A 4 3/5 页 5 力传递能量， 实现动力的非接触传递。内、 外永磁体的排布为 8 对磁极相对的瓦磁， 其排布 形式如图 9 所示 ： 内、 外磁永磁体成对排布， 其箭头所示为磁极指向， 内磁与电机输出轴固 连， 当内磁环旋转小角度 后， 受磁力作用， 外磁环有恢复原状趋势， 即外磁环在内磁环磁 力作用下转动， 实现非接触磁力传动。 0010 本发明的超速离心机采用棱角带坡度的外形方式， 且实现操作面板与机体一体。
19、 化， 外形美观， 操作方便 ； 离心室采用高强度密封钢板进行安全保护， 多组密封橡胶圈多重 密封， 各类传感器实时监控， 确保离心机工作安全， 运转可靠 ； 高速电机与离心机转头之间 的运动传递通过磁力实现， 即依靠一对内外磁转子间的磁力传动， 实现动力的非接触传递， 保证密封器件之间无运动摩擦 ； 同时， 高速电机转轴直接驱动离心转头转轴， 避免了机械增 速带来的运行不稳、 效率低和噪声大等问题。 0011 与现有技术相比， 本发明的有益效果为 ： 本发明解决了高速电机的研制和高速真空密封装置研制两大难题， 高速电机设计中采 用气浮、 磁浮混合支承技术， 大大增强了支承刚度和支承稳定性 ；。
20、 护套设计采用大过盈冷缩 配合方式， 有效保护了转子完整性 ； 转子采用三段式结构 ； 定子铁心采用了相对折中的 12 槽结构， 绕组形式采用环型绕组 ； 冷却方式采用强制风冷方式， 保证了超速离心机驱动装置 的可靠稳定运行。高速真空密封采用磁力驱动真空动密封连接方式， 通过内外磁转子相互 间的磁力传动， 实现动力的非接触传递。本发明的超速离心机可以广泛应用于生物学、 医 学、 农学、 生物工程、 生物制药、 环保等行业的科研与生产中， 成功扭转了我国在超速离心机 市场完全依赖进口的被动局面， 具有广阔的市场前景和巨大的社会效益该项成果不仅可以 打破国外对超速离心机技术的封锁与垄断， 又可满足。
21、我国自身日益增长的市场需求。 附图说明 0012 图 1 为本发明离心机结构示意图 ； 图 2 为本发明离心机中电机结构示意图 ； 图 3 为图 2 的剖面图 ； 图 4 为本发明离心机中电机的转子结构示意图 ； 图 5 为本发明离心机中电机的定子结构示意图 ； 图 6 为本发明离心机中电机的径向气浮轴承结构示意图 ； 图 7 为本发明离心机中电机的轴向磁浮轴承结构示意图 ； 图 8 为本发明离心机中磁力驱动真空动密封装置结构示意图 ； 图 9 为磁力驱动真空动密封装置中内、 外永磁体的排布示意图。 0013 图中 ： 1、 离心室隔离层 ； 2、 离心机壳体 ； 3、 真空泵 ； 4、 变频。
22、器 ； 5、 电机 ； 6、 电机底 座 ； 7、 离心头 ； 8、 转子 ； 9、 定子 ； 10、 径向气浮轴承 ； 11、 轴向磁浮轴承 ； 12、 转轴 ； 13、 转子护 套 ； 14、 永磁体 ； 15、 环形定子铁心 ； 16、 环形定子线圈绕组 ； 17、 环形气浮轴套 ； 18、 节流孔 ； 19、 小孔阻尼塞 ； 20、 压紧螺钉 ； 21、 O 型密封圈 ； 22、 定位环 ； 23、 A 环形永磁体 ； 24、 磁浮定 子 ； 25、 B 环形永磁体 ； 26、 保护层 ； 27、 隔离层 ； 28、 风冷进气口 ； 29、 出气口 ； 30、 气浮轴承进 气口 ； 3。
23、1、 Y 形接线盒 ； 32、 电机输出轴 ； 33、 轮彀 ； 34、 张紧法兰 ； 35、 离心桶 ； 36、 张紧套 ； 37、 永磁体安装架 ； 38、 内永磁体 ； 39、 内保护套 ； 40、 外永磁体 ； 41、 外保护套 ； 42、 离心轴 ； 43、 推力球轴承 ； 44、 深沟球轴承 ； 45、 保护罩 ； 46、 操作面板 ； 47、 万向轮。 说 明 书 CN 102974474 A 5 4/5 页 6 具体实施方式 0014 实施例 1 参见图1至图9， 所述超速离心机包括由离心室隔离层1分隔成离心室和电机安装室的 离心机壳体 2 ； 所述电机安装室内装有真空泵 3，。
24、 变频器 4 和用于安装电机 5 的电机底座 6 ； 所述离心室内设有用于装载离心头 7 的离心桶 35， 所述电机 5 与离心头 7 连接 ； 所述电机 5 包括转子 8， 套装在转子 8 外的定子 9， 套装在转子 8 两端的径向气浮轴承 10 和轴向磁浮轴承 11 ； 所述转子 8 包括转轴 12， 套装在转轴 12 外的转子护套 13， 所述转轴 12 中部为永磁体 14 ； 所述定子 9 由环形定子铁心 15 和绕于环形定子铁心 15 上的环形定子线圈绕组 16 组 成 ； 所述径向气浮轴承10包括套在转轴12上的环形气浮轴套17， 所述环形气浮轴套17与 转轴12之间有环隙 ； 所。
25、述气浮轴套17上设有三道环形凹槽， 中间的环形凹槽上设有与环隙 连通的节流孔 18， 所述节流孔 18 上设有与节流孔 18 分体的小孔阻尼塞 19， 所述小孔阻尼 塞 19 通过压紧螺钉 20 与节流孔 18 压紧， 两端的凹槽上设有 O 型密封圈 21 ； 所述轴向磁浮轴承 11 包括由安装在转轴 12 端部定位环 22 两侧的两个 A 环形永磁体 23 组成的轴磁浮单元， 套在轴磁浮单元外的定子磁浮单元 ； 所述定子磁浮单元包括磁浮定 子 24 和设于磁浮定子 24 内侧且分别与两个 A 环形永磁体 23 对应的 B 环形永磁体 25 ； 轴 磁浮单元与定子磁浮单元之间通过 A 环形永磁。
26、体 23 与 B 环形永磁体 25 之间的斥力保持间 距 ； 所述轴磁浮单元上设有保护层 26 ； 所述 A 环形永磁体 25 与定位环 22 之间设有隔离层 27 ； 所述电机 5 外壳上设有风冷进气口 28， 出气口 29， 与节流孔 18 连通的气浮轴承进气口 30。 0015 其中， 所述电机 5 外壳上设有 Y 形接线盒 31。所述电机 5 通过磁力驱动真空动密 封装置与离心头 7 连接 ； 所述磁力驱动真空动密封装置包括内磁转子系统和套在内磁转子 系统外的外磁转子系统， 两者由离心室隔离层 1 隔开 ； 所述内磁转子系统包括套在电机输 出轴 32 上的轮彀 33 ； 所述轮彀 33。
27、 下端设有张紧法兰 34 ； 所述张紧法兰 34 与轮彀 33 之间 设有张紧套 36 ； 所述轮彀 33 上端设有永磁体安装架 37 ； 所述永磁体安装架 37 上装有由沿 永磁体安装架 37 径向且磁极交错排布的内永磁体 38 组成的内磁环 ； 所述内磁环外设有内 保护套 39 ； 所述外磁转子系统包括由与内永磁体 38 对应的外永磁体 40 组成的外磁环 ； 所 述外磁环外设有外保护套41 ； 所述外保护套41顶部设有用于安装离心头7的离心轴42 ； 所 述外保护套41底端与离心室隔离层1底板上端面之间设有推力球轴承43 ； 离心室隔离层1 上端与外保护套 41 内壁之间设有深沟球轴承 。
28、44。所述离心机壳体 2 上设有保护罩 45， 操 作面板 46 和万向轮 47。 0016 按照上述方案已成功研制了超速离心机核心部分高速电机， 完成了各项技术指标 试验验证， 实验结果表明该设备完全满足设计要求。高速真空密封装置也按照设计要求进 行了实验验证， 结果表明磁力驱动真空动密封连接技术设计合理， 能满足超速离心机要求。 将电机与真空密封装置连接， 同时增加真空系统及其各种控制系统， 即可实施超速离心机 说 明 书 CN 102974474 A 6 5/5 页 7 的整机装配。 0017 通过方案论证、 设计优化和实验， 最终将达到的设备指标如下 ： 总体指标 （1） 调速范围 ：。
29、 30000 60000rpm， 可自行设定 （2） 最大相对离心力 ： 241488g 转头半径 30 60mm） （3） 最大容量 ： 820ml （4） 转速精度 ： 50rpm （5） 温控精度 ： 1 （6） 真空度 ： 0.133 1.33Pa （7） 升降速时间 ： 30s 2min, 可自行设定 （8） 整机噪声 ： 65dB （9） 整机质量 ： 100KG 电机技术指标 (1) 额定功率 ： (2) 额定电压 ： (3) 额定频率 ： (4) 连接转矩 ： 4.8Nm (5) 额定相电压 ： (6) 额定效率 ： (7) 功率因数 ： (8) 额定相电流 ： (9) 冷却方式 ： 强制风冷 (1) 轴承转速 ： (2) 支承力 ： 100N (3) 支承刚度 ： (1) 约束力 100N 轴向窜动 2mm。 说 明 书 CN 102974474 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102974474 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 图 5图 6 说 明 书 附 图 CN 102974474 A 9 3/3 页 10 图 7 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102974474 A 10 。