高速风机及其设计方法、增氧机及增氧系统与流程

本技术属于高速风机，具体地，提供一种高速风机及其设计方法。

背景技术：

1、采用涡轮、蜗壳结构的高速风机具有高效率、大风量、低噪音等特点，已广泛应用于通风换气、冷却散热，以及水产养殖领域的水体增氧等工业、民用场合，目前常见的高速风机机头部分，一般采用的是如图1所示的径向磁通电机加涡轮涡壳方案，为了满足充氧量指标，风机需要进行高速旋转，此时将对电机轴产生可达到100～200n的轴向气动力，上述轴向气动力作用于轴承上，将影响轴承的运转稳定性，并增大其摩擦与磨损，因此，径向磁通电机的轴承需要采用前二后一结构，前端采用dt组配的陶瓷角接触轴承，以承受气动轴向力，后端采用一个陶瓷角接触轴承，前后轴承采用df组配。

2、虽然采用上述方案的电机可以通过增加轴承数量的方式对气动轴向力进行分担，然而持续地承受轴向力仍将对轴承寿命产生不可忽视的影响，根据对现有的15kw级高速风机使用情况的统计，多数风机在运行时长达到4000～8000h后，其电机轴承即需要进行更换。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本技术提供一种高速风机，该高速风机包括壳体组件以及设置于所述壳体组件内部的涡轮、轴向磁通电机、轴承组件；所述轴向磁通电机包括主轴以及沿轴向依次套设于所述主轴上的第一定子组件、转子组件、第二定子组件；所述主轴与所述涡轮及转子组件固定连接，所述轴承组件套设于所述主轴与所述壳体组件之间；所述第一定子组件、第二定子组件与所述壳体组件固定连接，并且所述第二定子组件与所述涡轮的轴向距离大于所述第一定子组件与所述涡轮的轴向距离，所述第二定子组件对所述转子组件的轴向磁吸力大于所述第一定子组件对所述转子组件的轴向磁吸力。

2、本技术提供的高速风机，通过非对称式设置的第一定子组件、第二定子组件，相对于转子组件产生与轴向气动力反向的轴向磁吸力合力，从而对风机高速旋转工况下对轴承所施加的轴向载荷进行平衡，无需增加轴承数量就能够有针对性地缓解了较大的轴向气动力所造成的轴承磨损加剧问题，有效地提升高速风机的使用寿命及运转平稳性。

3、进一步地，所述第一定子组件包括第一铁芯及缠绕于所述第一铁芯上的多组第一线圈绕组，所述第二定子组件包括第二铁芯以及缠绕于所述第二铁芯上的多组第二线圈绕组；

4、所述转子组件包括朝向所述第一定子组件的多个第一n极磁铁和第一s极磁铁，以及朝向所述第二定子组件的多个第二n极磁铁和第二s极磁铁；

5、各个所述第一n极磁铁和第一s极磁铁沿周向交替设置，各个所述第二n极磁铁和第二s极磁铁沿周向交替设置，且所述第二n极磁铁和第二s极磁铁对所述第二铁芯的轴向磁吸力大于所述第一n极磁铁和第一s极磁铁对所述第一铁芯的轴向磁吸力。

6、可选地，所述第二n极磁铁及所述第二s极磁铁的径向长度大于所述第一n极磁铁及所述第一s极磁铁的径向长度，和/或所述第二铁芯的径向尺寸大于所述第一铁芯的径向尺寸。

7、可选地，所述第二n极磁铁及所述第二s极磁铁与所述第二铁芯的轴向距离小于所述第一n极磁铁及所述第一s极磁铁与所述第一铁芯的轴向距离。

8、进一步地，所述轴承组件包括一个第一轴承和一个第二轴承，所述第一轴承与所述涡轮的轴向距离小于所述第二轴承与所述涡轮的轴向距离。

9、优选地，所述高速风机还包括预紧结构，所述预紧结构弹性地抵接于所述第二轴承背向所述涡轮的一端与所述壳体组件之间。

10、优选地，所述高速风机还包括轴向磁吸力稳定机构，用于将所述转子组件受到的轴向磁吸力合力保持在设计范围内，其中，所述轴向磁吸力合力的方向为沿轴向远离所述涡轮的方向，大小为所述第二定子组件对所述转子组件的轴向磁吸力与所述第一定子组件对所述转子组件的轴向磁吸力的差值。

11、进一步地，所述轴向磁吸力稳定机构包括套设于所述主轴上的压缩弹簧及弹簧挡圈；

12、所述弹簧挡圈位于所述第一轴承背向所述涡轮的一端；所述压缩弹簧位于所述弹簧挡圈以及固定设置于所述主轴或所述转子组件上的弹簧阻挡结构之间。

13、优选地，所述压缩弹簧的长度被设置为满足以下约束条件：当所述高速风机处于静止状态时，所述压缩弹簧被所述弹簧挡圈和所述弹簧阻挡结构压缩所产生的弹性形变力小于预设的弹性形变力阈值。

14、优选地，所述压缩弹簧的弹性系数基于以下步骤确定：

15、对所述转子组件施加一朝向涡轮的虚拟位移，所述虚拟位移的大小不超过最大轴向气动力引起的主轴相对位移；

16、计算转子组件在发生虚拟位移处受到的轴向磁吸力合力；

17、基于所述虚拟位移的大小、转子组件在静止状态下受到的轴向磁吸力合力以及其在虚拟位移处受到的轴向磁吸力合力确定所述压缩弹簧的弹性系数。

18、优选地，所述壳体组件包括沿轴向依次固定连接的进气口、蜗壳、连接法兰及后壳；

19、所述第一定子组件与所述连接法兰固定连接，所述第二定子组件与所述后壳固定连接。

20、优选地，所述高速风机还包括骨架油封和/或密封圈；

21、所述骨架油封设置于所述连接法兰朝向所述蜗壳的一侧，用于对所述连接法兰与所述主轴之间的缝隙进行密封；

22、所述密封圈设置于所述连接法兰朝向所述后壳的一侧，用于对所述连接法兰与所述后壳之间的缝隙进行密封。

23、优选地，所述第二轴承的保持架与外圈之间还套设有防蠕动o型圈。

24、优选地，每一组沿轴向依次套设于所述主轴上的第一定子组件、转子组件、第二定子组件构成一个非对称式定子转子组合，所述非对称式定子转子组合的数量大于等于1。

25、本技术还提供一种高速风机的设计方法，用于设计前述的高速风机，包括以下步骤：

26、基于高速风机的设计指标确定所述高速风机的设计工况；

27、基于所述高速风机的设计工况确定所述涡轮、蜗壳的规格，以及所述高速风机达到设计工况时的功率范围wtarget；

28、计算所述高速风机处于设计工况时的轴向气动力fp；

29、基于fp确定轴向磁吸力合力的取值范围ftarget，其中，ftarget的方向与fp的方向相反；

30、设计所述第一定子组件、第二定子组件、转子组件的规格参数，使得所述高速风机在静止状态时，所述第二定子组件对所述转子组件的磁吸力f2与所述第一定子组件对所述转子组件的磁吸力f1之差满足ftarget，以及所述高速风机达到设计工况时，通过所述第一定子组件驱动所述转子组件的功率w1与通过所述第二定子组件驱动所述转子组件的功率w2之和满足wtarget。

31、优选地，所述高速风机还包括轴向磁吸力稳定机构，包括套设于所述主轴上的弹簧挡圈、压缩弹簧，所述设计方法还包括以下步骤：

32、确定所述压缩弹簧的长度及弹性系数。

33、优选地，所述压缩弹簧的弹性系数通过以下步骤确定：

34、对所述转子组件施加一朝向涡轮的虚拟位移，所述虚拟位移的大小不超过最大轴向气动力引起的主轴相对位移；

35、计算转子组件在发生虚拟位移处受到的轴向磁吸力合力；

36、基于所述虚拟位移的大小、转子组件在静止状态下受到的轴向磁吸力合力以及其在虚拟位移处受到的轴向磁吸力合力确定所述压缩弹簧的弹性系数。

37、本技术通过实施例还提供一种增氧机，应用前述的高速风机向水体内进行增氧操作。

38、本技术通过实施例还提供一种增氧系统，包括：前述的增氧机，以及输气管道、控制单元；所述增氧机在所述控制单元的控制下，通过所述输气管道向水体内进行增氧操作。