CN101403414A - 一种带预紧的电磁－弹性箔片气体组合轴承 - Google Patents

Abstract

一种带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承，包括有电磁轴承和嵌套在电磁轴承与转子轴颈之间的弹性箔片轴承，电磁轴承内壁上设有磁极，且在其轴向上设有端盖，磁极上设有凸台，箔片轴承轴承座组件上设有伸出部分，在轴承座组件沿圆周方向均匀布置的伸出部分的内壁上设置有槽，槽内通过预紧安装有顶层弹性箔片和底层弹性波箔，线圈通电后在极靴和转子轴颈之间形成了电磁场，极靴对转子轴颈产生吸引力，当转速上升到一定值时，在顶层弹性箔片和转子轴颈之间形成抵消顶层弹性箔片的预紧力后将转子浮起，具有体积小、阻尼相当、成本低、功耗低、承载力高的特点。

Description

一种带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承

技术领域

本发明属于高速无油润滑支承设备技术领域，特别涉及一种带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承。

背景技术

由于电磁轴承是通过无机械接触电磁力和电子控制实现对转子的支承，其无需润滑与密封，完全消除了磨损；同时，因为其具备可控性，可以对转子的位置进行主动控制，并且控制系统可确定轴承的刚度和阻尼，具有很好的可设计性；由于电磁轴承在运动的过程中可控可调，故而具有很好的动态性能；另外，其还具有寿命长、工作温度范围大(-253～+450℃)等特点。但是，由于材料的磁饱和性和电磁发热等原因，无法更进一步地提高电磁轴承的承载能力。

弹性箔片轴承具有良好的自适应性，可以在高温、高速和高污染条件下长期运行，不需要供油或控制系统等辅助装置，因此结构简单。弹性箔片轴承由于采用气体作为润滑介质，因此承载能力比较低，阻尼和刚度也相对比较低；另外，在起动和停机阶段，由于轴颈和箔片之间产生了摩擦，因此磨损较大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种体积小、阻尼相当、成本低的带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承，其具有功耗低、精度高、承载力高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承，包括有电磁轴承1和嵌套在电磁轴承1与转子轴颈2之间的弹性箔片轴承3，其中电磁轴承1内壁上设置有磁极4，并且在其轴向上设置有压紧磁极4的端盖5，磁极4用于缠绕线圈6，磁极4在靠近弹性箔片轴承3端的极靴17处沿径向向外5mm处设置了凸台7；箔片轴承轴承座组件8沿轴线方向插入到电磁轴承1各个磁极4的间隙内，并与凸台7形成配合，共同组成箔片轴承轴承座；箔片轴承轴承座组件8上设置有n个(n＝4，6，8，10，12)伸出部分9，在箔片轴承轴承座组件8沿圆周方向均匀布置的m(m＝1，2，3，4，5，6)个伸出部分9的内壁上沿轴向设置有槽10，槽10内安装有顶层弹性箔片11和底层弹性波箔12(n与m的关系具体如下：当n＝4时，m＝1，4；当n＝6时，m＝1，3；当n＝8时，m＝1，4，；当n＝10时，m＝1，5；当n＝12时，m＝1，4，6)。

所述的磁极4的数目为n个(n＝4，6，8，10，12)。

所述的顶层弹性箔片11与底层波箔12的数目均为m(m＝1，2，3，4，5，6)个。

所述的磁极4是由厚度为0.5mm的硅钢片13叠压而成。

所述的顶层弹性箔片11是平箔，其材料为耐高温镍基合金，许可温度达700℃。

所述的顶层弹性箔片11靠近转子轴颈2的表面上设置有PM304耐高温涂层14，许可温度达500℃。

所述的顶层弹性箔片11紧贴底层波箔12安装，在圆周方向上相邻两箔片首尾搭接，即：第二片的前半段搭接在第一片的后半段上，m(m＝1，2，3，4，5，6)片顺次循环搭接。

所述的底层弹性波箔12径向紧贴箔片轴承轴承座组件8与电磁轴承磁极4端部形成的圆周内表面。

所述的底层弹性波箔12的长度是顶层弹性箔片11长度的一半。

所述的箔片轴承轴承座组件8的材料为硬铝，属于非电磁材料，对电磁场分布没有影响。

所述的槽10的径向偏角为30°。

由于本发明是在电磁轴承1中嵌套弹性箔片轴承3的带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承，其具有以下优点：

第一，集成度高：与电磁轴承和弹性箔片轴承本身相比，本发明采用嵌套式结构，将弹性箔片轴承嵌入到电磁轴承与转轴轴颈之间，减小了轴承轴向尺寸，同时也缩小了轴承的总体积，减小了经济成本，具有集成度高，经济性高的特点。

第二，动态刚度高，承载力提高：由于本发明采用电磁轴承和弹性箔片气体轴承并联工作，极大幅度地提高了轴承的刚度和承载力。

第三，阻尼和稳定性高：由于弹性箔片气体轴承相对于磁轴承可提供较高结构阻尼，可以大幅度地减小转子过临界时的振幅，并可以通过电磁轴承用简单的控制规律使电磁轴承系统顺利地跨过弯曲临界转速，所以本发明的组合轴承不但具有可以提高系统的阻尼和稳定程度，而且具有可简化电磁轴承的控制系统的特点。

第四，结构简化：由于本发明的组合轴承不需要专门的辅助轴承，故具有结构简化的特点。

附图说明

图1为本发明的整体结构二维视图，其中(a)为整体结构主视图；(b)为整体结构剖面图。

图2为本发明的箔片轴承3部分的局部二维放大视图。

图3为本发明的电磁轴承部分叠装硅钢片13二维视图，其中(a)为叠装硅钢片13的主视图；(b)为叠装硅钢片13的剖面图。

图4为本发明的箔片轴承轴承座组件8二维视图，其中(a)为箔片轴承轴承座组件8的主视图；(b)为箔片轴承轴承座组件8的左视图。

图5为本发明的电磁轴承1运行形成磁场的磁力线分布图。

图6为本发明的弹性箔片轴承3气膜挤压作用示意图，其中(a)为气膜厚度H与气体在运动方向上的位置x之间的关系示意图；(b)为气膜压力P与气体在运动方向上的位置x之间的关系示意图。

图7为本发明的弹性箔片轴承部分预紧过程示意图，其中(a)为预紧前拱箔的相对位置示意图，(b)为预紧后拱箔的相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1、图2、图3、图4，一种带预紧的电磁-弹性箔片气体组合轴承，包括有电磁轴承1以及嵌套在电磁轴承1与转子轴颈2之间的弹性箔片轴承3，其中电磁轴承1的内壁上设置有n个(n＝4，6，8，10，12)磁极4及在其轴向上压紧磁极4的端盖5，磁极4上设置有线圈6，对线圈6进行浸漆并在其两端粘结绝缘纸进行固定，磁极4靠近弹性箔片轴承3端的极靴17处沿径向向外5mm处设置了凸台7。本发明的组合轴承磁极4的结构与普通的电磁轴承磁极不同，普通电磁轴承磁极没有端部的凸台7，而此凸台7的设计是为了实现将弹性箔片轴承座组件8沿轴向插入到各磁极4沿圆周方向均布的空隙内并与之形成一定的配合，同时，凸台7对线圈6起限位作用。磁极4是由厚度为0.5mm的硅钢片13沿轴向叠压而成，具体是将硅钢片毛料叠压后，通过线切割的方式将其加工成最终所要求的形状。同时，硅钢片13两端用端盖5压紧，最后用4个铆钉15将其以及箔片轴承轴承座组件8沿轴向连接。

采用硅钢片13叠装方式，可以避免因采用整体钢结构形成大的涡流损耗。箔片轴承轴承座组件8上设置有与电磁轴承磁极4在轴向上相互配合安装的同方向n个(n＝4，6，8，10，12)伸出部分9。箔片轴承轴承座组件8的材料为硬铝，属于非导磁材料，其不影响电磁轴承1的磁路分布。在箔片轴承轴承座组件8沿圆周方向均匀布置的m(m＝1，2，3，4，5，6)个伸出部分9的内壁上沿轴向设置有槽10，此槽10沿径向的偏角为30°(n与m的关系具体如下：当n＝4时，m＝1，4；当n＝6时，m＝1，3；当n＝8时，m＝1，4，；当n＝10时，m＝1，5；当n＝12时，m＝1，4，6)。顶层弹性箔片11和底层弹性波箔12就插在此槽10内，设置的偏角在一定程度上有防止顶层弹性箔片11和底层弹性波箔12在工作过程中发生脱落的作用；顶层弹性箔片11和底层弹性波箔12插入槽10后，采用销16楔紧。顶层弹性箔片11是平箔，其材料为耐高温镍基合金，许可温度达700℃，顶层弹性箔片11靠近转子轴颈2的表面上设置有PM304耐高温涂层14，许可温度达500℃，它可以很好地改善轴承的起停性能，提高轴承寿命。顶层弹性箔片11紧贴底层波箔12安装，在圆周方向上相邻两箔片首尾搭接，即：第二片的前半段搭接在第一片的后半段上，m(m＝1，2，3，4，5，6)片顺次循环搭接。

底层弹性波箔12径向紧贴箔片轴承轴承座组件8与电磁轴承磁极4端部形成的圆周内表面，底层弹性波箔12的长度是顶层弹性箔片11长度的一半。弹性箔片轴承轴承座组件8沿轴线方向插入到电磁轴承1各个磁极4的间隙内，并与凸台7形成可靠配合，共同组成箔片轴承轴承座。

参见图5、图6，线圈6通电后，由于电磁感应效应，在由硅钢片13组成的磁极4极靴17和转子轴颈2之间形成了电磁场。当转速上升到一定值时，在顶层弹性箔片11和转子轴颈2之间由于气体润滑作用形成气体动压力。其中，图5是用对本发明建立的二维模型，并通过加载电流，产生了电磁场；图6(a)的横坐标x表示气体在运动方向上的位置，纵坐标y表示气膜的厚度，Ha表示在a处气膜的厚度，Hb表示在b处气膜的厚度，H(x)表示在x处气膜的厚度；图6(b)的横坐标x表示气体在运动方向上的位置，纵坐标y表示气膜的压力，P₀表示在a、b处气膜的压力，Pmax表示气膜的最大压力。

参见图7，顶层弹性箔片(11)在装入轴承轴承座组件(8)后，有一定程度的预紧，可以通过调整预紧的大小来改变轴承的承载能力。这种预紧是通过设计顶层弹性箔片(11)的成形半径和轴承座组件(8)的内半径来实现的，其中，顶层弹性箔片的成形半径＝1.5～3.0×轴承座组件的内半径。

本发明的工作原理：

开始阶段线圈6通电后，由于电磁感应效应，在由硅钢片13组成的磁极4极靴17和转子轴颈2之间形成了电磁场，在磁场的作用下，极靴17对转子轴颈2产生了吸引力。通过控制这个电磁力可以使转子轴颈2受到的弹性箔片轴承3预紧力最小，从而使得转子轴颈2受到的压力和摩擦力最小，这样就会减小顶层弹性箔片11在启动阶段的磨损，延长弹性箔片轴承3的寿命。当转速上升到一定值时，在顶层弹性箔片11和转子轴颈2之间由于气体润滑作用形成的气体动压力足以抵消顶层弹性箔片11的预紧力后，将转子浮起。最终，电磁轴承1和弹性箔片轴承3共同承担转子的静态载荷和动态载荷。

电磁轴承和弹性箔片气体轴承并联工作，因此它的刚度是电磁轴承和箔片气体轴承的刚度之和，箔片气体轴承可以提供比电磁轴承大的多的阻尼，因此可以大幅度地提高电磁轴承控制系统的增益，从而显著提高电磁轴承的动态刚度，可以大幅度地减小转子过临界时的振幅，可以用简单的控制规律使电磁轴承系统顺利地跨过弯曲临界转速。此外，高温固体耐磨涂层研究的突破使得磁-弹性箔片组合轴承可以应用于高速(旋转速度5,0000～9,0000r/min)、高温(温度工作范围500℃～700℃)的涡轮旋转机械中，同时大幅度提高了轴承的承载能力。

Claims (10)

1、一种带预紧的磁-弹性箔片组合轴承，其特征在于，包括有电磁轴承(1)、嵌套在电磁轴承(1)与转子轴颈(2)之间的弹性箔片轴承(3)，其中电磁轴承(1)内壁上设置有磁极(4)，并且在其轴向上设置有压紧磁极(4)的端盖(5)，磁极(4)用于缠绕线圈(6)，磁极(4)在靠近弹性箔片轴承(3)端的极靴(17)处沿径向向外5mm处设置了凸台(7)，箔片轴承轴承座组件(8)沿轴线方向插入到电磁轴承(1)各个磁极(4)的间隙内，并与凸台(7)形成可靠配合，共同组成箔片轴承轴承座；箔片轴承轴承座组件(8)上设置有n(n＝4，6，8，10，12)个伸出部分(9)，在箔片轴承轴承座组件(8)沿圆周方向均匀布置的m(m＝1，2，3，4，5，6)个伸出部分(9)的内壁上沿轴向设置有槽(10)(n与m的关系具体如下：当n＝4时，m＝1，4；当n＝6时，m＝1，3；当n＝8时，m＝1，4，；当n＝10时，m＝1，5；当n＝12时，m＝1，4，6)，槽(10)内安装有顶层弹性箔片(11)和底层弹性波箔(12)。

2、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的顶层弹性箔片(11)安装后有一定程度的预紧，这种预紧是通过设计顶层箔片的成形半径和轴承座组件的内孔半径来实现的，顶层箔片的成形半径＝1.5～3.0×轴承座组件的内孔半径。

3、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的磁极(4)的数目为n(n＝4，6，8，10，12)个，磁极(4)是由厚度为0.5mm的硅钢片(13)叠压而成。

4、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的顶层弹性箔片(11)与底层波箔(12)的数目均为m(m＝1，2，3，4，5，6)个。

5、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的顶层弹性箔片(11)靠近转子轴颈(2)的表面上设置有PM304耐高温涂层(14)，其许可温度可达500℃。

6、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的顶层弹性箔片(11)紧贴底层波箔(12)安装，在圆周方向上相邻两箔片首尾搭接，即：第二片的前半段搭接在第一片的后半段上，m(m＝1，2，3，4，5，6)片顺次循环搭接。

7、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的底层弹性波箔(12)径向紧贴箔片轴承轴承座组件(8)与电磁轴承磁极(4)端部形成的圆周内表面。

8、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的底层弹性波箔(12)的长度是顶层弹性箔片长度的一半。

9、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的箔片轴承轴承座组件(8)的材料为硬铝。

10、根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述的槽(10)的径向偏角为30°。

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