CN101482149A - 一种特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，包括自内向外依次同轴线的转子、备用轴承、环形磁体、环形导体、弹性件和机壳，或自内向外依次同轴线的转子、备用轴承、环形导体、环形磁体、隔磁套、弹性件和机壳。工作时，通过控制线圈中的电流，可以方便地改变作用在紧固在备用轴承外面可动环形磁体或环形导体上的动力特性，达到控制备用轴承特性的目的。本发明不仅可以减少主动电磁轴承失效后坠落过程中转子的振动，避免出现由碰摩引起的反进动，而且还可以减小主动电磁轴承失效后坠落过程中作用在备用轴承上的冲击力，增强备用轴承的可靠性和使用寿命。本发明结构简单、使用方便、可广泛应用在以主动电磁轴承或其它磁轴承支承的各类旋转机械上。

Description

一种特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置

技术领域

本发明涉及主动电磁轴承的备用轴承装置，尤其是特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置。

背景技术

主动电磁轴承是利用电磁吸力将转子无机械接触地悬浮起来的一种新型支承装置，它由轴承本体、传感器、控制器及功率放大器等组成，是集电磁学、电力电子、控制理论以及计算机科学于一体的最具代表性的高技术机电一体化产品。它的基本工作原理是通过传感器检测轴颈的位移信号，控制器按照一定的控制规律将检测到的位移信号变换成控制信号传递给功率放大器，然后功率放大器将控制信号转换成控制电流在磁铁中产生磁力使转子动态地维持在中心位置。

与传统的机械轴承相比，主动电磁轴承具有许多优点，如(a)支承在主动电磁轴承上的转子最高转速只受到转子材料强度的限制，为设计高速大功率旋转机械提供了可能性；不受速径值的限制，因而轴颈直径可以较大，增强转子系统对振动和不稳定性的不敏感性；不需要润滑和密封，没有润滑剂对环境的污染，省掉了润滑剂的存储、过滤、冷却和循环等设备使系统设计更为简单；由于实现了无接触支承，因而消除了磨损和接触疲劳产生的寿命问题等。(b).由于采用了主动控制技术，主动电磁轴承的性能可以通过控制器方便地进行在线调节和控制，从而满足转子在不同工作状态及在受到不同外激扰作用时对轴承特性的要求，能够显著地改善转子系统的动态特性。(c).主动电磁轴承可以自动输出轴颈位置的信息，不需添加任何设备就可实现对轴承转子系统运行状态的监测，从而可以使旋转机械系统智能化。目前主动电磁轴承已经得到人们的肯定，已有一些主动电磁轴承的产品，并在诸如离心压缩机、涡轮分子泵、飞轮储能、高速机床主轴、离心干燥机、空分设备等设备上得到了越来越广泛的应用。

然而，主动电磁轴承本身为一不稳定系统，在无反馈控制或断电的情况下主动电磁轴承无承载能力，所以除了必须采用反馈控制之外，更重要的是为了防止主动电磁轴承系统中的任一部分发生故障导致整个轴承不能正常工作或者在主动电磁轴承使用中突然断电引起的突发事故的出现，必须要附加一套备用轴承，以保证在主动电磁轴承过载或在断电失效的情况下转子系统还能在短时间内可靠地工作，这是目前影响主动电磁轴承可靠性及工业应用的一个关键。

目前可供使用的主动电磁轴承的备用轴承有多种形式，其中由滚动轴承组成的固定间隙的备用轴承以及由具有自润滑功能的滑动轴承的备用轴承最为常用的。研究表明无论对固定间隙滚动型备用轴承还是对滑动型备用轴承，如果将其固定在一个外弹性阻尼支承结构上，可以明显地改善主动电磁轴承在失效坠落过程中转子系统的振动以及备用轴承所受的冲击力的大小。不同条件转子在坠落过程中对外弹性阻尼支承的动力特性，即阻尼和刚度，的要求是不同的。然而目前使用的带有外弹性的阻尼支承结构的固定间隙滚动型备用轴承以及滑动型备用轴承的动力特性不能按照转子系统的工作条件而发生改变，所以不能够取得满意的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力特性可控、结构简单、使用方便、适用在诸如真空、高温和低温环境的用于主动电磁轴承的特性可控的备用轴承装置。

本发明的用于主动电磁轴承的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置是将一般备用轴承与基础间的直接刚性连接变为具有特性可控的弹性支承结构的方式来实现的。其技术解决方案有以下二种：

方案1

特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，包括自内向外依次同轴线的转子、备用轴承、环形磁体、环形导体和机壳，转子的外圆与备用轴承的内圆之间留有间隙，环形磁体的外圆与环形导体(4)的内圆之间留有间隙，环形磁体紧固在备用轴承上，环形磁体的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈，环形导体紧固在机壳上，机壳上固定有支撑座，支撑座与环形磁体之间连接有弹性件。

方案2

特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，包括自内向外依次同轴线的转子、备用轴承、环形导体、环形磁体、隔磁套和机壳，转子的外圆与备用轴承的内圆之间留有间隙，环形导体紧固在备用轴承上，环形导体的外圆与环形磁体的内圆之间留有间隙，环形磁体的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈，隔磁套的内圆与环形磁体的外圆紧，隔磁套的外圆紧固在机壳上，机壳上固定有支撑座，支撑座与环形导体之间连接有弹性件。

本发明的优点为：

(1).结构简单、可以在低温、高温以及真空等特殊环境中使用；

(2).动力特性可控，动力特性的控制只需要一个可控的直流电源，系统的响应时间短，便于对备用轴承的动力特性进行实时控制。

附图说明

图1是本发明方案1的一种具体结构示意图；

图2是本发明方案2的一种具体结构示意图；

图3是本发明中的弹性件示意图；图3(a)为鼠笼式弹性支承，图3(b)为弹性环式弹性支承，图3(c)为O形圈弹性支承结构；

图4是图1实例在不同电流条件下转子系统在非旋转条件下的频响函数；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，包括自内向外依次同轴线的转子1、备用轴承2、环形磁体3、环形导体4和机壳5，转子1的外圆与备用轴承2的内圆之间留有间隙6，环形磁体3的外圆与环形导体4的内圆之间留有间隙7，环形磁体3紧固在备用轴承2上，环形磁体3的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈10，环形导体4紧固在机壳5上，机壳5上固定有支撑座9，支撑座9与环形磁体3之间连接有弹性件8。

图例中的弹性件8采用的是弹性杆，或者也可以用图3所示的鼠笼式弹性支承，或弹性环式弹性支承，或O形圈或金属橡胶等弹性支撑结构。

上述的环形磁体3可以为整体结构，也可以由L型截面的环形磁体和矩形截面的环形磁体组成。环形磁体3可以是电磁激励形成的电磁铁，或为永磁材料做成的磁铁，或为电磁激励形成的电磁铁与永磁材料做成的磁铁的混合结构。

所说的备用轴承2可以是滚动轴承或滑动轴承或轴瓦轴承。

环形导体4由导磁材料或非导磁材料制成。在环形磁体3与环形导体4之间存在着非旋转的相对运动，环形磁体3与环形导体4之间的间隙7可为真空，如果希望得到大的阻尼力，可以间隙7中注入工作流体，或设置O形圈或金属橡胶。这样可进一步地提高备用轴承的动力特性。

当线圈10通电后，在环形磁体3和环形导体4之间的径向间隙间就形成图中13所示的环形磁场，由于弹性支承结构的存在，环形磁体3只能随转子1涡动而并不旋转。当环形磁体3在这个磁场中出现径向的相对运动时，在环形磁体3上就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈10中的电流，就可以方便地改变作用在弹性支承结构上的力，从而达到控制备用轴承特性的目的。备用轴承动力特性的可控，不仅可以减少主动电磁轴承失效后坠落过程中转子的振动，避免转子系统出现由碰摩引起的反进动，而且还可以减小主动电磁轴承失效后坠落过程中作用在备用轴承上的冲击力，增强备用轴承的可靠性和使用寿命。

设计时，环形磁体3与环形导体4间径向间隙，以及传统备用轴承2的内圈与转子1之间的径向间隙的和不应大于主动电磁轴承的间隙。环形磁体3与环形导体4间径向间隙的选择应以在线圈10中施加较小的电流就可以在该间隙中产生所需的磁场强度以及在坠落过程中不至于使环形磁体3与环形导体4相碰为准则。环形磁体3两端工作段的轴向长度应以使该工作面上不出现磁饱和为准。

图2所示的是特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置的另一种结构，它包括自内向外依次同轴线的转子1、备用轴承2、环形导体4、环形磁体3、隔磁套14和机壳5，转子1的外圆与备用轴承2的内圆之间留有间隙6，环形导体4紧固在备用轴承2上，环形导体4的外圆与环形磁体3的内圆之间留有间隙7，环形磁体3的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈10，隔磁套14的内圆与环形磁体3的外圆紧，隔磁套14的外圆紧固在机壳5上，机壳5上固定有支撑座9，支撑座9与环形导体4之间连接有弹性件8。

同样图例中的弹性件8采用的是弹性杆，或者也可以用图3所示的鼠笼式弹性支承或弹性环式弹性支承或O形圈或金属橡胶等弹性支撑结构。环形磁体3可以为整体结构，也可以由L型截面的环形磁体和矩形截面的环形磁体组成。所说的传统备用轴承2可以是滚动轴承或滑动轴承或轴瓦轴承。机壳5可以是导磁材料，也可以是非导磁材料，当机壳5为非导磁材料时，则环形磁体3可以直接固定在机壳上，否则需通过隔磁环14固定在机壳5上。

环形导体4由导磁材料或非导磁材料制成。在环形磁体3与环形导体4之间存在着非旋转的相对运动，环形磁体3与环形导体4之间的间隙7可为真空，如果希望得到大的阻尼力，可以间隙7中注入工作流体，或设置O形圈或金属橡胶。这样可进一步地提高备用轴承的动力特性。

当线圈10通电后，在环形磁体3和环形导体4之间的径向间隙间就形成图中13所示的环形磁场，由于弹性支承结构的存在，环形磁体3只能随转子1涡动而并不旋转。当环形磁体3在这个磁场中出现径向的相对运动时，在环形磁体3上就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈10中的电流，就可以方便地改变作用在弹性支承结构上的力，从而达到控制备用轴承特性的目的。备用轴承动力特性的可控，不仅可以减少主动电磁轴承失效后坠落过程中转子的振动，避免转子系统出现由碰摩引起的反进动，而且还可以减小主动电磁轴承失效后坠落过程中作用在备用轴承上的冲击力，增强备用轴承的可靠性和使用寿命。

设计时，环形磁体3与环形导体4间径向间隙，以及传统备用轴承2的内圈与转子1之间的径向间隙的和不应大于主动电磁轴承的间隙。环形磁体3与环形导体4间径向间隙的选择应以在线圈3中施加较小的电流就可以在该间隙中产生所需的磁场强度以及在坠落过程中不至于使环形磁体3与环形导体4相碰为准则。环形磁体3两端工作段的轴向长度应以使该工作面上不出现磁饱和为准。

上述图1、图2实例中，固定在支撑座9上的弹性件8可以采用一端也可以采用两端对称的结构。

图4为图1的主动电磁轴承的特性可控的备用轴承装置在无油状态下测得的非旋转状态下不同电流对某转子系统水平方向一阶共振频率段的频响函数曲线的影响，图中箭头表示电流依次增大的方向。在频率响应曲线上峰值的迅速减小表明了阻尼装置使转子系统的阻尼明显增大；频率响应曲线上峰值向低转速方向移动表明环形磁体3与环形导体4之间存在一个负刚度的弹性力。通过控制线圈中的电流，就可以方便地改变作用在备用轴承上的力，从而达到控制备用轴承特性的目的。

试验表明，随着电流的增大，主动电磁轴承失效坠落过程中转子系统的振动逐渐减小，特别是避免了转子系统中出现由碰摩引起的全间隙范围内的多次冲击或反进动运动。可见通过改变备用轴承的动力特性，不仅可以减少主动电磁轴承失效后坠落过程中转子的振动，避免转子系统出现由碰摩引起的反进动，而且还可以减小主动电磁轴承失效后坠落过程中作用在备用轴承上的冲击力，增强备用轴承的可靠性和使用寿命。

Claims (10)

1.一种特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是包括自内向外依次同轴线的转子(1)、备用轴承(2)、环形磁体(3)、环形导体(4)和机壳(5)，转子(1)的外圆与备用轴承(2)的内圆之间留有间隙(6)，环形磁体(3)的外圆与环形导体(4)的内圆之间留有间隙(7)，环形磁体(3)紧固在备用轴承(2)上，环形磁体(3)的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈(10)，环形导体(4)紧固在机壳(5)上，机壳(5)上固定有支撑座(9)，支撑座(9)与环形磁体(3)之间连接有弹性件(8)。

2.根据权利要求1所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征在于环形导体(4)是由导磁材料或非导磁材料制成。环形磁体(3)与环形导体(4)之间的间隙(7)为真空，或注入工作流体，或设置O形圈或金属橡胶。

3.根据权利要求1所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是所说的弹性件(8)是弹性杆或鼠笼式弹性支承或弹性环式弹性支承或O形圈或金属橡胶弹性支撑结构。

4.根据权利要求1所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是所说的备用轴承(2)是滚动轴承或滑动轴承或轴瓦轴承。

5.根据权利要求1所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是环形磁体(3)是电磁激励形成的电磁铁，或为永磁材料做成的磁铁，或为电磁激励形成的电磁铁与永磁材料做成的磁铁的混合结构。

6.一种特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是包括自内向外依次同轴线的转子(1)、备用轴承(2)、环形导体(4)、环形磁体(3)、隔磁套(14)和机壳(5)，转子(1)的外圆与备用轴承(2)的内圆之间留有间隙(6)，环形导体(4)紧固在备用轴承(2)上，环形导体(4)的外圆与环形磁体(3)的内圆之间留有间隙(7)，环形磁体(3)的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈(10)，隔磁套(14)的内圆与环形磁体(3)的外圆紧，隔磁套(14)的外圆紧固在机壳(5)上，机壳(5)上固定有支撑座(9)，支撑座(9)与环形导体(4)之间连接有弹性件(8)。

7.根据权利要求6所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征在于环形导体(4)是由导磁材料或非导磁材料制成。环形磁体(3)与环形导体(4)之间的间隙(7)为真空，或注入工作流体，或设置O形圈或金属橡胶。

8.根据权利要求6所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是所说的弹性件(8)是弹性杆或鼠笼式弹性支承或弹性环式弹性支承或O形圈或金属橡胶等弹性支撑结构。

9.根据权利要求6所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是所说的备用轴承(2)是滚动轴承或滑动轴承或轴瓦轴承。

10.根据权利要求6所述的特性可控的主动电磁轴承的备用轴承装置，其特征是环形磁体(3)可以是电磁激励形成的电磁铁，或为永磁材料做成的磁铁，或为电磁激励形成的电磁铁与永磁材料做成的磁铁的混合结构。

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