CN102331349A - 永磁轴承刚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种永磁轴承实验装置，包括驱动部分、测量部分和基座（11）；驱动部分包括电动机（1）、弹性联轴器（2）和调心球轴承支座（3），测量部分包括转轴（6）、永磁轴承组件（5）位移传感器（4）（10）、力传感器（9）、加载轴承（7）和导向座（8）。转轴一端采用调心球轴承支承，另一端采用永磁轴承支承。通过涡流位移传感器（4）和（10）分别测量转轴（6）在径向两个方向和轴向方向的位移；通过三坐标力传感器（9）测量定磁环组件（14）径向两个方向和轴向方向的力，从而测出永磁轴承的支承刚度。本发明能在静态和动态情况下对永磁轴承进行测量，且结构简单、测量数据可靠，为永磁轴承设计提供实验依据。

Description

永磁轴承刚度测量装置

技术领域

本发明涉及磁悬浮支承技术领域，具体涉及到一种测试永磁轴承刚度的实验装置。

背景技术

磁悬浮支承技术越来越受到人们的关注与重视，其应用已涉及到磁悬浮列车、磁悬浮电主轴、飞轮储能系统、人工心脏泵等领域。磁悬浮轴承是利用磁力将转子悬浮起来，它与普通轴承相比，具有无机械接触、无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、加工精度要求低等特点，能在较宽的温度范围下工作。

磁悬浮轴承包括主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和混合式磁悬浮轴承三大类，其中被动磁悬浮轴承应用最多的是永磁轴承，永磁轴承由动、静磁环组成，它是利用动静磁环间产生的永磁磁力来悬浮被支承件，使其在一个方向上具有自身稳定悬浮特性。与主动磁悬浮轴承相比，永磁轴承具有体积小、结构简单、可靠性高、无需控制和无能量消耗等优点。近年随着一些高性能的稀土永磁材料的出现，永磁轴承受到越来越多人的关注。

现有构建永磁轴承数学模型的方法有很多，如等效磁荷法，等效电流法，有限元法等。人们利用这些方法也建立出很多数学模型，但这些模型有的适用范围小，有的很复杂，有的精度不高，不利于指导永磁轴承的结构设计和优化。另外，永磁轴承磁路结构复杂，漏磁严重，其磁场具有很强的耦合特性和非线性，其理论计算的边界值很难准确确定。因此需要对其进行试验研究，用实验的方法来修正理论模型，使永磁轴承的设计更精确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种永磁轴承刚度测量装置，该装置能测出在不同载荷情况下，动静磁环间在径向、轴向的相对位移以及动静磁环间在径向、轴向的作用力；并且无论在转轴静止或是转动时都能工作，即能测出永磁轴承的静态参数和动态参数，能为永磁轴承的理论研究工作提供可靠的实验依据。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括基座和装在基座上的驱动部分、测量部分。驱动部分为电动机，其输出轴通过弹性联轴器与转轴联结从而驱动转轴。测量部分包括径向位移传感器、永磁轴承组件、转轴、加载轴承、导向座、力传感器和轴向位移传感器，转轴的一端采用调心球轴承支承，另一端采用永磁轴承组件支承；通过径向位移传感器和轴向位移传感器，分别测量转轴在径向两个方向和轴向方向的位移；通过力传感器测量定磁环组件径向两个方向和轴向方向的力，从而测出永磁轴承的支承刚度。

所述永磁轴承组件由动磁环组件和定磁环组件构成，其中：动磁环组件通过动磁环组件保持架由锁紧螺母安装在转轴上，定磁环组件通过定磁环组件保持架由永磁轴承端盖安装在永磁轴承支座中。

所述的动磁环组件和定磁环组件均由多片永磁环沿轴向叠加，并且分别通过压紧螺杆固定在所述保持架上。

所述的永磁环可以由钕铁硼材料或者其他永磁材料制作，充磁方向不限，其他永磁材料为铝镍钴、铁氧体或稀土钴。

所述的多片永磁环，其中部分用相同尺寸的铝环或其他不导磁材料环代替。其他不导磁材料为铜或不锈钢。

所述的动磁环组件的永磁环的端部为不导磁材料做成的动磁环隔磁环；定磁环组件的永磁环的端部为不导磁材料做成的定磁环隔磁环。

所述的弹性联轴器可以采用LM型梅花弹性联轴器。

所述的力传感器可以采用三坐标力传感器，该传感器上端通过螺钉与永磁轴承支座连接，下端通过螺栓固定在导向座上。

所述的导向座可以采用丝杆螺母副实现轴向平移运动，采用锁紧螺母固定，用以控制定磁环的轴向位移。

所述的加载轴承可以采用深沟球轴承，安装在转轴的末端。

所述的径向位移传感器和轴向位移传感器可以采用涡流位移传感器，它们分别沿转轴径向、轴向布置在永磁轴承端盖上。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要的优点：

1.能在静态和动态情况下对永磁轴承的径向位移和轴向位移进行实时的测量，并能同步的进行径向和轴向的力，从而测出永磁轴承静态和动态的支承刚度。

2.既可以独立的测量永磁轴承径向和轴向的静动态支承刚度又可以实现两个方向支承刚度的同时测量。

3.能通过加载轴承加载及导向座调节实现径向和轴向连续的精确加载，从而测出支承刚度随定磁环组件和动磁环组件间位移的变化关系。

4.能通过更换不同磁化方向和结构尺寸的永磁环或用不导磁材料环代替永磁环实现不同磁化方向、不同结构、不同尺寸及不同磁环对数的永磁轴承的刚度测量。

5.本装置结构简单、操作方便、测量数据点多、测量数据可靠，能为永磁轴承设计提供实验依据。

附图说明

图1是本发明提供的永磁轴承刚度测量装置的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图的俯视图。

图4为图1中永磁轴承叠加结构示意图（剖面图）。

图5为图4的左视图。

图6为定磁环组件和动磁环组件中单片永磁环的结构示意图。

图7为图6的左视图。

图8为调心球轴承支座结构示意图。

图9为位移传感器位置布置图。

图10为实验装置静态轴向刚度实验结构示意图。

图11为实验装置静态径向刚度实验结构示意图。

图中：1.电动机；2.弹性联轴器；3.调心球轴承支座；4.径向位移传感器；5.永磁轴承组件；6.转轴；7.加载轴承；8.导向座；9.力传感器；10.轴向位移传感器；11.基座；12.永磁轴承端盖； 13.定磁环组件保持架； 14.定磁环组件； 15.永磁轴承支座； 16.定磁环隔磁环；17.动磁环组件；18.动磁环隔磁环；19.动磁环组件保持架；20.锁紧螺母；21.键；22.压紧螺杆；23.永磁环；24.轴承支座；25.调心球轴承；26.调心球轴承端盖；27.轴向固定支架。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明是一种永磁轴承刚度测量装置，其结构如图1至图3所示，包括基座11和装在基座11上的驱动部分、测量部分，其中：驱动部分为电动机1，其输出轴通过弹性联轴器2与转轴6联结从而驱动转轴。测量部分包括径向位移传感器4、永磁轴承组件5、转轴6、加载轴承7、导向座8、力传感器9和轴向位移传感器10，转轴6的一端采用调心球轴承支承，另一端采用永磁轴承组件5支承；通过径向位移传感器4和轴向位移传感器10，分别测量转轴6在径向两个方向和轴向方向的位移；通过力传感器9测量定磁环组件14径向两个方向和轴向方向的力，从而测出永磁轴承的支承刚度。

所述的永磁轴承组件5，其结构如图4和图5所示：由永磁轴承端盖12、永磁轴承、永磁轴承支座15和构成。永磁轴承由定磁环组件14和动磁环组件17构成。动磁环组件17通过动磁环隔磁环18和压紧螺杆22将若干片（例如4片）永磁环23固定在动磁环组件保持架19上，再由键21以及锁紧螺母20安装在转轴6上。定磁环组件14通过定磁环隔磁环16和压紧螺杆22将若干片（例如4片）永磁环23固定在定磁环组件保持架13上，再安装在永磁轴承支座15中，并且由永磁轴承端盖12完成轴向固定。工作时，永磁轴承将承受主轴自重以及外加测量载荷等主要载荷。

上述的动磁环组件17可由多片（例如4片）永磁环沿轴向叠加而成，每片永磁环23（又称动磁环）的结构如图6和图7所示，该永磁环的磁体为圆环形结构的永久磁体，任意充磁方均可。动磁环套在转轴上，该动磁环的径向位移由径向载荷控制。

上述的定磁环组件14可由多片（例如4片）永磁环沿轴向叠加而成，每片永磁环23（又称定磁环）的结构如图6和图7所示，该定磁环的磁体为圆环形结构的永久磁体，任意充磁方均可。定磁环通过力传感器9与导向座8连接，该定磁环的轴向位移由导向座控制；可读出定磁环受到的三个方向分力，即动定磁环间的相互作用力；通过同时测量永磁轴承的力和沿力方向的位移即可得出其刚度；通过驱动电动机驱动可实现永磁轴承动态和静态刚度的测量。

上述的动磁环组件17和定磁环组件14中，部分永磁环可用相同尺寸的铝环或其他不导磁材料环代替，从而实现对不同对数永磁环组成的永磁轴承组件5进行测量。

上述的动磁环隔磁环18可以由铝或其他不导磁材料（如铜、不锈钢等）制成。

所述的调心球轴承支座3，其结构如图8所示：由轴承支座24、调心球轴承25和调心球轴承端盖26组成。调心球轴承25安装在转轴6上，并通过调心球轴承端盖26固定在轴承支座24上。轴承支座24由4个螺栓固定在基座11上。

所述径向位移传感器4为涡流位移传感器，采用两个，固定在永磁轴承组件5的永磁轴承端盖12上。径向位移传感器4的探头指向转轴6的被测圆周面，布置位置如图9所示。

所述轴向位移传感器10为涡流位移传感器，其固定在永磁轴承组件5的永磁轴承端盖12上。轴向位移传感器10的探头指向动磁环组件保持架19的端面，布置位置如图9所示。

所述力传感器9为三坐标力传感器，又称三分量力传感器。该传感器上端通过4个螺钉与永磁轴承组件5连接，下端通过4个螺栓固定在导向座8上。

所述加载轴承7采用深沟球轴承，安装在转轴6的末端。砝码挂在该轴承外圈实现加载。

所述的导向座8采用丝杆螺母副实现轴向平移运动，采用锁紧螺母固定，该导向座由4个螺栓固定在基座11上。该导向座可以控制定磁环的轴向位移。

本发明用于永磁轴承的动态刚度测量和静态刚度测量。

静态轴向刚度测量时去掉电动机1、弹性联轴器2，并加上轴向固定支架27，其结构如图10所示；静态径向刚度测量时去掉电动机1、弹性联轴器2，其结构如图11所示。

动态刚度测量时，加上电动机1、弹性联轴器2，其结构如图1所示。

本发明提供的永磁轴承刚度测量装置，通过驱动部分的拆装，可以测试在动态和静态条件下的永磁轴承的刚度。下面简述不同条件下的工作过程。

1. 动态刚度测量：

转轴6的一端采用调心球轴承支座3支承，另一端采用永磁轴承支承。调心球轴承轴端通过弹性联轴器2与电动机1相连，永磁轴承轴端加载轴承不挂砝码。对力传感器9调零：调节导向座8的位置，使力传感器轴向力读数为零，再对径向上两个方向力的读数调零。力传感器调零工作完成后，对3个位移传感器（两个径向位移传感器4，轴向位移传感器10）进行初始位置设定。完成后在加载轴承7上加载所需径向载荷，同时调整导向座8加载所需轴向载荷。待稳定后启动电动机1，调节到所需的转速，记录力传感器9和3个位移传感器所测数据。

2. 静态轴向刚度测量：

转轴6的一端采用调心球轴承支座3支承，另一端采用永磁轴承支承。永磁轴承轴端加载轴承不挂砝码。对力传感器9调零：调节导向座8位置，使力传感器轴向力读数为零，然后在永磁轴承轴端加上轴向固定杆使轴向位移固定，再对径向上两个方向力的读数调零。力传感器调零工作完成后，对3个位移传感器（两个径向位移传感器4，轴向位移传感器10）进行初始位置设定。完成后调节导向座8位置获得所需的轴向位移，读出力传感器轴向力，记录力传感器9和3个位移传感器所测数据。

3. 静态径向/轴向刚度测量：

转轴6的一端采用调心球轴承支座3支承，另一端采用永磁轴承支承。永磁轴承轴端加载轴承不挂砝码，计算永磁轴承端承载的载荷。对力传感器进行初始位置设定：调节导向座8位置，使力传感器轴向力读数及水平方向径向力读数为零，使竖直方向径向力的读数为计算所得的永磁轴承载荷值。力传感器调整工作完成后，对3个位移传感器（两个径向位移传感器4，轴向位移传感器10）进行初始位置设定。完成后在通过在加载轴承上加载所需径向载荷，同时调整导向座8加载所需轴向载荷，记录力传感器9和3个位移传感器所测数据。

Claims (10)

1.一种永磁轴承刚度测量装置，包括基座和装在基座上的驱动部分、测量部分，其特征是驱动部分为电动机，其输出轴通过弹性联轴器与转轴联结从而驱动转轴；测量部分包括径向位移传感器、永磁轴承组件、转轴、加载轴承、导向座、力传感器和轴向位移传感器，转轴的一端采用调心球轴承支承，另一端采用永磁轴承组件支承；通过径向位移传感器和轴向位移传感器，分别测量转轴在径向两个方向和轴向方向的位移；通过力传感器测量定磁环组件径向两个方向和轴向方向的力，从而测出永磁轴承的支承刚度。

2.根据权利要求1所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于所述永磁轴承组件由动磁环组件和定磁环组件构成，其中：动磁环组件通过动磁环组件保持架由锁紧螺母安装在转轴上，定磁环组件通过定磁环组件保持架由永磁轴承端盖安装在永磁轴承支座中。

3.根据权利要求2所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：动磁环组件和定磁环组件均由多片永磁环沿轴向叠加，并且分别通过压紧螺杆固定在所述保持架上。

4.根据权利要求3所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：永磁环由钕铁硼材料或者其他永磁材料制作，充磁方向不限，其他永磁材料为铝镍钴、铁氧体或稀土钴。

5.根据权利要求3所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：多片永磁环中，部分用相同尺寸的铝环或其他不导磁材料环代替，其他不导磁材料为铜或不锈钢。

6.根据权利要求3所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：动磁环组件的永磁环的端部为不导磁材料做成的动磁环隔磁环；定磁环组件的永磁环的端部为不导磁材料做成的定磁环隔磁环。

7.根据权利要求1所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：弹性联轴器采用LM型梅花弹性联轴器。

8.根据权利要求1所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：力传感器采用三坐标力传感器，该传感器上端通过螺钉与永磁轴承支座连接，下端通过螺栓固定在导向座上；所述导向座采用丝杆螺母副实现轴向平移运动，采用锁紧螺母固定，用以控制定磁环的轴向位移。

9.根据权利要求1所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：加载轴承采用深沟球轴承，安装在转轴的末端。

10.根据权利要求1所述的永磁轴承刚度测量装置，其特征在于：径向位移传感器和轴向位移传感器采用涡流位移传感器，分别沿转轴径向、轴向布置在永磁轴承端盖上。

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