CN101662180A - 准磁浮混合轴承支承式转子及该高速感应电动旋转机械 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的用于高速感应电动旋转机械的准磁浮混合轴承支承式转子，包括：永磁悬浮与滚动轴承辅助支承的准磁浮支承系统、转子铁心绕组和转轴。准磁浮支承系统中的永磁径向轴承采取轴向磁化的内外磁环多组并置，角接触球轴承作为径向辅助支承，并与滑动推力轴承共同承受轴向推力；转子铁心冲片采用圆形闭口槽，铁心绕组采取冷铆联接；内磁环上设有隔磁内套和外层保护套，外磁环间设有冷却气道。采用本发明的准磁浮混合轴承支承式转子及该高速感应电动旋转机械，转子圆周线速度可以稳定达到200m/s以上，效果是显著的。

Description

准磁浮混合轴承支承式转子及该高速感应电动旋转机械

技术领域

本发明涉及一种用于高速感应电动旋转机械的准磁浮混合轴承支承式转子，特别涉及用于大容量的由高速感应电动机驱动的空气制冷机、空气压缩机等的转子，其中转子以例如不小于每分钟数万转的高速旋转。本发明也涉及包括该转子的其它高速感应电动旋转机械。

背景技术

大功率、高转速的高速感应电动机(20kw，60000/min以上)设计主要有两大技术问题要解决：一是轴承设计；二是电机高速旋转时防止转子产生变形而破坏。目前，对这种大功率、高转速的电机轴承设计一般都考虑采用电磁轴承与滚动轴承混合支承的主动型磁力轴承支承方式，而仅用陶瓷球滚动轴承是无法满足电动机大功率、高转速的运行条件的。并且这种磁力轴承的电控和制造复杂，价格昂贵、可靠性较低，目前还不能商品化；液体滑动轴承因电机高速旋转时的摩擦损失较大和空气滑动轴承的承载力小等原因而受到一定程度的使用限制。本发明的永磁悬浮与滚动轴承辅助支承的准磁浮支承系统，采取轴向磁化的内外磁环多组并置作为径向主轴承，角接触球轴承作为径向辅助支承，并与滑动推力轴承共同承受轴向推力。准磁浮支承系统运行稳定、可靠。

对于电机的转子铁心绕组结构，目前，国内外鼠笼式高速感应电动机分别采用铸铝笼型和铜笼型两种。大容量、高转速的电机转子铁心冲片一般都采用圆形闭口槽。由于大容量、高转速的电机转子铁心绕组采用铸铝笼型在电机的电磁设计上有一定的难度，以及铝笼浇铸的质量控制和材质不易保证等原因，电机的电气性能参数得不到保证和运行可靠性受到影响。

世界著名的瑞士IBAG公司的高速三相异步电动机的转子铁心绕组有分别采用铜笼型和铸铝笼型的，目前已普遍采用铜笼型。据了解，国外的铜笼型制造工艺有采用真空融化焊接铜粉形成铜条，类似于粉末冶金高温烧结工艺，这样可以保证铜条和铁心槽道的贴合度，但工艺复杂、成本太高且技术不太成熟。

另一种工艺是，铜笼型转子铁心绕组的端环和导条联接采用焊接方式，但由此而导致的是焊接后的端环和导条端部材料变软，无法抵抗材料超高速旋转产生的离心力作用而破坏，一般都要在端环上加保护套，但由此又会引起端环的散热条件恶化。

本发明的高速感应电动旋转机械的转子铁心绕组采取冷铆联接，端环部分具有足够的抗拉强度，在保证电动机磁学特性的前提下，克服了转子高速旋转时导条对铁心轮缘和端环轮缘的离心力破坏作用，保证了电机可靠运行。

本发明的目的，是提供一种用于高速感应电动旋转机械的准磁浮混合轴承支承式转子和包括该转子的高速感应电动旋转机械。

发明内容

发明采取的技术方案是一种用于高速感应电动旋转机械的准磁浮混合轴承支承式转子，包括：永磁悬浮与滚动轴承辅助支承的准磁浮支承系统、转子铁心绕组和转轴。准磁浮支承系统包括：永磁径向轴承、角接触球轴承和滑动推力轴承。

永磁径向轴承采取轴向磁化的内外磁环多组并置作为主支承，角接触球轴承作为径向辅助支承，并与滑动推力轴承共同承受轴向推力。滑动推力轴承上带有冷却滚动轴承的风扇叶片，转轴上的构件采取过盈等方式连接。

本发明的有益效果是高速感应电动旋转机械的转子圆周线速度可以达到200m/s以上，电机运行稳定、可靠。

附图说明

图1是一种作为包括本发明的转子的高速感应电动旋转机械的空气制冷机主视图。

图2是本发明的准磁浮混合轴承支承式转子的主视图。

图3是图1中的外磁环组件视图。

图4是本发明的一对单组永磁径向轴承磁力平衡中心点的测量与控制图。

图5是本发明的一对三组永磁径向轴承磁力平衡中心点的测量与控制图。

图6是图2中的转子铁心绕组的主视图。

图7是转子铁心绕组的冷旋压工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施例。图1表示为一种空气制冷机1的主视图，该制冷机1由一台包括本发明的准磁浮混合轴承支承式转子6的电动机直接驱动。图1中，空气制冷机1在其中部包括一电动机4。电动机4包括准磁浮混合轴承支承式转子6和定子5。转子6采用一对三组永磁径向轴承2作为主支承，一对角接触球轴承8作为径向辅助支承，并与一对滑动推力轴承7共同承受轴向推力。滑动推力轴承7上带有冷却角接触球轴承8的风扇叶片，当低压滑油喷射到高速旋转的滑动推力轴承7上时，依靠其上的风扇叶片将滑油击成雾状对角接触球轴承8进行润滑和冷却。制冷叶轮9和压气叶轮11固定在转子6的两个轴端部上。永磁径向轴承2上设有温度传感器10和磁拉力显示计3。

图2表示上述空气制冷机1的准磁浮混合轴承支承式转子6。

图1中的永磁径向轴承2设计为：

采取三组轴向磁化的内外磁环并置且按极性相同装配，构成三组斥力型永磁径向轴承2。

图2中，内磁环组件12由三个内磁环13、两个软磁垫圈16、一个内套14和三个外层保护套15组成。内套14和外层保护套15采用非导磁的高强度不锈钢。

内磁环13与外层保护套15之间用一个不小于0.05mm的过盈配合量通过热套组合为一体，然后再轴向磁化。主要基于：由于内外磁环均采用高通量密度的烧结式钕铁硼稀土磁体，但这种材料的工作温度点较低，脆性较大，热膨胀系数极小，抗拉强度也低，因此，转子6高速旋转时内磁环13会因无法抵抗离心力的作用而破坏，必须要用外层保护套15给内磁环13一个沿径向压紧的预应力并加以保护。但由于内磁环13的脆性较大，若采用液压力，用一个不小于0.025mm的过盈配合量将两者压入，而又不使内磁环13被压坏是不太可能的，最好的方法就是采取热套后再轴向磁化的工艺。

这样做，不仅不会因热套而影响内磁环13被磁化的均匀性，还可以控制内磁环13的径向压紧预应力在一定范围内。

内磁环组件12装配后，软磁垫圈16、内套14和外层保护套15的外圆周相邻接触面之间采用激光焊接为一体，以增强内磁环组件12的机械强度。

图3中，外磁环组件24由三个拼块式外磁环25、两层软磁衬垫条27、一个压板26、三个磁平衡定心圈28和一个外磁环座29组成。磁平衡定心圈28和外磁环座29最好采用铝合金隔磁，压板26最好采用铜合金隔磁。

由于采用了拼块式外磁环25，增大了永磁径向轴承2的径向刚度，虽然这一特征在图3中未表示出。这是由于磁体的磁密分布主要集中在磁体的较浅表层，如果将外磁环做成多个拼块式结构，就可以明显增大外磁环25内圆周上的磁场密度。并且，还可以通过调整外磁环25的拼块数和布置方式，改变转子6的磁悬浮受力状态。

外磁环25之间粘贴有多条锥形的软磁衬垫条27，以构成对冷却气流形成收敛加速状的冷却通道，从空气制冷机1出口引入的深冷气体，通过温度传感器10对内外磁环进行适时温控。

图4和图5中的永磁径向轴承2的磁力平衡中心点测量与控制，首先是要尽可能地保证内磁环13和外磁环25被磁化的均匀性，尤其是内磁环13，因为它决定了转子6的旋转精度。

图4中，根据三组磁环和转子6系上所有零部件的总重量，在三座标测量仪上测量出装有磁平衡定心圈28的一对单组外磁环25与三分之一总重量的模拟转子系30的磁力平衡中心点，即模拟转子系30的旋转中心。

以此中心点加工外磁环25上的磁平衡定心圈28，得到一对单组永磁径向轴承2的磁力平衡中心与外磁环组件24的装配几何中心重合点。

而后，按照图5，将装有磁平衡定心圈28的三组外磁环25和转子6系上的所有零部件按照装配要求放置于V型铁上，360度转动三组外磁环25并调整相对角度，使三组外磁环25在任一角度上的转轴20中心变动量控制在0～0.005mm范围内，再将三组外磁环25作组合定位标记后进行装配。

图2中，转子铁心绕组19上的端环21与动平衡套18之间隔有双面绝缘金属片22，并在端环21的外凸台上喷涂有一层绝缘漆膜23，动平衡套18将端环21外凸台径向固定。

转子铁心绕组19、动平衡套18、衬套17和滑动推力轴承7，用一个与转轴20不小于0.05mm的过盈配合量，热套到转轴20上；内磁环组件12用一个与转轴20不小于0.02mm的过盈配合量，通过液压安装到转轴20上；角接触球轴承8与转轴20之间采用0.004～0.007mm的间隙配合装配。

图6中的转子铁心绕组19是这样设计的：

采用一定厚度的圆形闭口槽转子铁心冲片31，将数块冲片按一定的规格长度叠压成圆筒形，由插入转子铁心槽道中的导条32与端环21冷铆连接，整体构成转子铁心绕组19；

导条32采用抗拉强度高的冷拔硬化紫铜条，端环21采用高强度、高导电性的耐热铬锆铜；

导条32与转子铁心槽壁33之间的间隙采用图7所示的冷旋压工艺使之相互紧贴，以保证转子6在高速旋转时不会因导条32抖动而导致的动不平衡现象发生；

转子铁心绕组19的外圆周上相邻两导条之间沿轴向采用激光焊接形成焊带34，以增强转子6的机械强度。

由于图2中的整体直圆柱状的准磁浮混合轴承支承式转子6结构，增强了转子6的机械强度和刚度，由图1所表示的空气制冷机1，转子6的圆周线速度可以稳定达到200m/s以上，效果是显著的。

Claims (7)

1、一种用于高速感应电动旋转机械的准磁浮混合轴承支承式转子(6)，包括：永磁悬浮与滚动轴承辅助支承的准磁浮支承系统、转子铁心绕组(19)和转轴(20)。

2、根据权利要求1所述的永磁悬浮与滚动轴承辅助支承的准磁浮支承系统，包括：永磁径向轴承(2)、角接触球轴承(8)和滑动推力轴承(7)。

3、根据权利要求2所述的永磁径向轴承(2)，包括：

采取n＝2～6组轴向磁化的内外磁环并置且按极性相同装配，构成多组斥力型永磁径向轴承(2)；

内磁环组件(12)由内磁环(13)、软磁垫圈(16)和非导磁材料的内套(14)及外层保护套(15)组成：

内磁环(13)与外层保护套(15)之间用一个不小于0.05mm的过盈配合量通过热套组合为一体，然后再轴向磁化；

内磁环组件(12)上的软磁垫圈(16)、内套(14)和外层保护套(15)的外圆周相邻接触面之间采用激光焊接为一体；

外磁环组件(24)由拼块式外磁环(25)、软磁衬垫条(27)和非导磁材料的压板(26)、磁平衡定心圈(28)、外磁环座(29)组成；

外磁环(25)之间粘贴有多条锥形的软磁衬垫条(27)，以构成对冷却气流形成收敛加速状的冷却通道。

4、根据权利要求1所述的准磁浮混合轴承支承式转子(6)，永磁径向轴承(2)的磁力平衡中心点的测量与控制，包括：

根据磁环组数和转子(6)系上所有零部件的总重量，在三座标测量仪上测量出装有磁平衡定心圈(28)的一对单组外磁环(25)与n分之一总重量的模拟转子系(30)的磁力平衡中心点，即模拟转子系(30)的旋转中心；

以此中心点加工外磁环(25)上的磁平衡定心圈(28)，得到一对单组永磁径向轴承(2)的磁力平衡中心与外磁环组件(24)的装配几何中心重合点；

而后，将装有磁平衡定心圈(28)的n组外磁环(25)和转子(6)系上的所有零部件按照装配要求放置于V型铁上，360度转动外磁环(25)并调整相对角度，使n组外磁环(25)在任一角度上的转轴(20)中心变动量控制在精度范围内，再将n组外磁环(25)作组合定位标记。

5、根据权利要求1所述的准磁浮混合轴承支承式转子(6)，其结构特征是：

转子铁心绕组(19)上的端环(21)与动平衡套(18)之间隔有双面绝缘金属片(22)，并在端环(21)的外凸台上喷涂有一层绝缘漆膜(23)，动平衡套(18)将端环(21)外凸台径向固定；

转子铁心绕组(19)、动平衡套(18)、衬套(17)和滑动推力轴承(7)，用一个与转轴(20)不小于0.05mm的过盈配合量，热套到转轴(20)上；

内磁环组件(12)用一个与转轴(20)不小于0.02mm的过盈配合量，通过液压安装到转轴(20)上；

角接触球轴承(8)与转轴(20)之间采用0.004～0.007mm的间隙配合装配。

6、根据权利要求1所述的转子铁心绕组(19)，包括：

采用一定厚度的圆形闭口槽转子铁心冲片(31)，将数块冲片按一定的规格长度叠压成圆筒形，由插入转子铁心槽道中的导条(32)与端环(21)冷铆连接，整体构成转子铁心绕组(19)；

导条(32)采用紫铜条，端环(21)采用高强度、高导电性的有色金属合金；

导条(32)与转子铁心槽壁(33)之间的间隙，采用冷旋压工艺使之相互贴紧；

转子铁心绕组(19)的外圆周上相邻两导条之间沿轴向采用激光焊接形成焊带(34)。

7、一种高速感应电动旋转机械，包括一个权利要求1所述的准磁浮混合轴承支承式转子(6)。

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