CN102705367B - 一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，涉及一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，由永磁静环组件和导磁动环组成。磁静环组件中拼装永磁环为扇形永磁体拼装成的圆形磁环，拼装永磁环吸附在稳定薄钢盘上置于隔离环套内，永磁拼装环组件吸附在导磁静环中并用固定螺钉锁紧。导磁动环通过螺纹连接安装在转子上部的轴上，永磁静环组件在导磁动环之上，磁静环组件与导磁动环之间有轴向间隙，在拼装永磁环产生的强磁场作用下，形成永磁静环组件与导磁动环的永磁吸力承载转子的90～95%重量。本发明采用扇形永磁体组合成大尺寸永磁环，突破充磁机尺寸限制，实现重型永磁轴承的永磁环制作，适用于高速离心机、分子泵和飞轮轴系等重型高速旋转轴系。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，特别涉及一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承。
背景技术
工业中存在许多立式轴系的旋转机械，比如离心机、分子泵、飞轮储能电源机组等。为实现高速旋转支承、减少轴承损耗和提高轴承寿命，广泛采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承主要包括永磁悬浮轴承、电磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承等。
永磁悬浮轴承一般采用环形结构，由静环和动环组成，两环的中心轴线重合并与旋转机械的转子轴线重合，两环之间存在一定轴向间隙，静环通过结构件固定安装在机器壳体上，动环与转子同轴固接连接，永磁悬浮轴承工作时，动环随转子高速旋转，动环、静环之间的磁吸力或排斥力实现转子的轴向悬浮，永磁悬浮轴承的吸力或排斥力不稳定，永磁悬浮轴承一般配合机械定位轴承和电磁主动控制轴承使用。永磁悬浮轴承分为永磁吸力轴承和永磁斥力轴承，永磁吸力轴承与滚动轴承构成混合支承轴系，转子的轴的两端分别通过均为滚动轴承的机械定位轴承与机器壳体构成转动连接，机械轴承的轴向和径向限位功能保证静环与包括动环、转子和轴等旋转部件的轴向与径向间隙。永磁机械混合支承一般要求永磁静环组件和动环之间的永磁吸力为转子重量的90～95%。
永磁吸力轴承是一种被动磁轴承，不消耗能量，在高速离心机、分子泵、飞轮轴系悬浮中承担大部分轴系的重量，实现轴系的微损耗、长寿命支承。通常环形永磁吸力轴承的承载力有限，不超过1000N。永磁吸力轴承承载力受限于永磁环的尺寸，永磁吸力轴承的旋转速度受限于导磁动环的强度破坏。目前国内受充磁机规格限制，磁环外径很难大于120mm，因此现有技术的永磁吸力轴承不能用于重型机械。为了将永磁吸力轴承用于重型机械，尤其转子轴的直径为60mm或60mm以上的重型高速旋转轴系，必须改进永磁吸力轴承的永磁静环组件。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术所述的将永磁吸力轴承用于重型机械，尤其转子轴的直径为60mm或60mm以上的重型高速旋转轴系的问题，提供一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承。
本发明的技术方案如下：
具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承由永磁静环组件1和导磁动环2组成，导磁动环2与竖直设置的转子4上部的轴同轴固接，转子4的轴的上下两端分别通过均为滚动轴承的上轴承3和下轴承5与机器壳体构成转动连接，永磁静环组件1在导磁动环2之上固定在机器壳体上，永磁静环组件1与导磁动环2同轴并套在转子4上部的轴上，永磁静环组件1的内孔与转子4上部的轴之间有径向间隙，永磁静环组件1与导磁动环2有轴向间隙，其特征在于，所述永磁静环组件1由导磁静环101、固定螺钉102和永磁拼装环组件103组成，所述永磁拼装环组件103由隔离环套1031、拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033组成，隔离环套1031为由侧壁和底环构成的一体圆环状结构，底环的宽度为5～10mm，底环的厚度为1～2mm，在侧壁的外侧等间隔水平固接12个磁环组件锁紧环1034，磁环组件锁紧环1034的内圆为螺纹结构，拼装永磁环1032为由4～8块相同的扇形永磁体1035拼装成的圆形磁环，圆环形的稳定薄钢盘1033的内径和外径分别与拼装永磁环1032的内径和外径相同，拼装永磁环1032同轴吸附在稳定薄钢盘1033的下表面上，拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033的外径与隔离环套1031的侧壁的内径松配合，拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033镶嵌在隔离环套1031内，稳定薄钢盘1033的上表面和隔离环套1031的上沿在同一平面内；
所述导磁静环101为圆环结构，导磁静环101的轴向截面为L型，中心孔为穿过转子4上部的轴的轴孔，其直径比轴大2～10毫米，导磁静环101下部为导磁环突缘，导磁环突缘内的圆形区域为永磁拼装环组件安装处，在与隔离环套1031上12个磁环组件锁紧环1034的中心所在圆周相同半径的圆周上等间隔分布12个磁环固定孔1011，在磁环固定孔1011与轴孔之间的圆周上等间隔分布6个磁环安装螺纹孔1012，所述磁环固定孔1011和磁环安装螺纹孔1012均透孔；
稳定薄钢盘1033向上，永磁拼装环组件103与导磁静环101同轴，永磁拼装环组件103吸附在导磁静环101的永磁拼装环组件安装处内，稳定薄钢盘1033与导磁静环101接触，永磁拼装环组件103中的拼装永磁环1032的下表面与导磁静环101的导磁环突缘下表面在同一平面内，永磁拼装环组件103中的隔离环套1031的外径比导磁静环101的导磁环突缘的内径小5～10mm，12只固定螺钉102分别穿过相应的磁环固定孔1011与磁环组件锁紧环1034螺纹连接将永磁拼装环组件103与导磁静环101锁紧；
所述导磁动环2上部为圆盘结构，中心圆孔为与转子4上部的轴同轴固接的螺纹轴孔，螺纹轴孔内壁上有内缘螺纹202，螺纹轴孔之下为转子4的安装处，导磁动环2的外侧面上等间隔分布4～6个工艺孔203，导磁动环2下部为圆环形的动环锁定凸缘，在动环锁定凸缘的侧壁上等间隔分布4～6个动环锁定螺孔201，动环锁定螺孔201为透孔，导磁动环2通过螺纹连接安装在转子4上部的轴上，用顶丝在动环锁定螺孔201中将导磁动环2与转子4锁定；
所述永磁静环组件1与导磁动环2之间的轴向间隙为导磁动环2上表面与永磁静环组件1中的导磁静环101的导磁环突缘下表面之间的间隙，由上轴承3和下轴承5在机器壳体上的位置控制，永磁静环组件1与导磁动环2之间的轴向间隙为2～5mm，在拼装永磁环1032产生的强磁场作用下，形成永磁静环组件1与导磁动环2的吸力；
所述永磁静环组件1的内孔圆与转子4上部的轴之间的径向间隙为2～5mm，转子4上部的轴在永磁静环组件1的内孔中高速旋转。
所述拼装永磁环1032的内径为60～120mm，外径为内径的2～2.5倍，厚度为10～20mm；
所述扇形永磁体1035的材料为强磁材料NuFeB；
所述导磁静环101的材料为碳钢25；
所述稳定薄钢盘1033的材料为碳钢25；
所述隔离环套1031的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti；
所述导磁动环2的材料为合金钢40Cr；
所述永磁静环组件1与导磁动环2的吸力为10000N～50000N。
本发明的有益效果为，本发明为一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，采用扇形永磁体组合成大尺寸永磁环，突破充磁机尺寸限制，实现重型永磁轴承的永磁环制作；采用L形截面导磁静环、永磁环和导磁动环结构实现闭合磁路，充分利用永磁特性，实现了超过10000N的吸力，永磁静环组件1和导磁动环2之间的永磁吸力达到转子重量的90～95%；采用不导磁材料的隔离环套装多块扇形永磁体，实现拼装永磁环结构的安装与固定；导磁动环为高强度导磁合金钢，可以实现高速旋转。本发明适用于转子轴的直径为60mm或60mm以上的高速离心机、分子泵、飞轮轴系等重型高速旋转轴系。
附图说明
图1为永磁吸力轴承—滚动轴承混合支承轴系示意图；
图2为重型永磁吸力轴承结构示意图；
图3 为拼装永磁环组件结构示意图；
图4 为永磁拼装环主视图；
图5 为永磁拼装环组件与导磁静环贴合安装过程示意图。
图中，1--永磁静环组件，2--导磁动环，3--上轴承，4--转子，5--下轴承，6--螺杆，7--导向安装芯轴，101--导磁静环，102--固定螺钉，103--永磁拼装环组件，1011--磁环固定孔，1012--磁环安装螺纹孔，1031--隔离环套，1032--拼装永磁环，1033--稳定薄钢盘，1034--磁环组件锁紧环，1035--扇形永磁体，201--动环锁定螺孔，202--内缘螺纹，203--工艺孔。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
图1为永磁吸力轴承—滚动轴承混合支承轴系示意图，具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，由永磁静环组件1和导磁动环2组成，导磁动环2与竖直设置的转子4上部的轴同轴固接，转子4的轴的上下两端分别通过均为滚动轴承的上轴承3和下轴承5与机器壳体构成转动连接，永磁静环组件1在导磁动环2之上固定在机器壳体上，永磁静环组件1与导磁动环2同轴并套在转子4上部的轴上，永磁静环组件1的内孔与转子4上部的轴之间的径向间隙为2～5mm，转子4上部的轴在永磁静环组件1的内孔中高速旋转，永磁静环组件1与导磁动环2有2～5mm轴向间隙，永磁吸力轴承和滚动轴承构成混合支承轴系，永磁吸力轴承的永磁静环组件1和导磁动环2之间的永磁吸力承载转子的90～95%重量。
实施例重型永磁吸力轴承的结构如图2所示，永磁静环组件1由导磁静环101、固定螺钉102和永磁拼装环组件103组成。永磁拼装环组件103由隔离环套1031、拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033组成，图3 为拼装永磁环组件结构示意图，隔离环套1031为由侧壁和底环构成的一体圆环状结构，底环的宽度为8mm，底环的厚度为1mm，在侧壁的外侧等间隔水平固接12个磁环组件锁紧环1034，磁环组件锁紧环1034的内圆为螺纹结构，如图4所示，拼装永磁环1032为由4块相同的扇形永磁体1035拼装成的圆形磁环，拼装永磁环1032的内径为60mm，外径为150mm，厚度为15mm。圆环形的稳定薄钢盘1033的内径和外径分别与拼装永磁环1032的内径和外径相同，拼装永磁环1032同轴吸附在稳定薄钢盘1033的下表面上，拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033的外径与隔离环套1031的侧壁的内径松配合，拼装永磁环1032和稳定薄钢盘1033镶嵌在隔离环套1031内，稳定薄钢盘1033的上表面和隔离环套1031的上沿在同一平面内。
导磁静环101为圆环结构，导磁静环101的轴向截面为L型，中心孔为穿过转子4上部的轴的轴孔，导磁静环101下部为导磁环突缘，导磁环突缘内的圆形区域为永磁拼装环组件安装处，在与隔离环套1031上12个磁环组件锁紧环1034的中心所在圆周相同半径的圆周上等间隔分布12个磁环固定孔1011，在磁环固定孔1011与轴孔之间的圆周上等间隔分布6个磁环安装螺纹孔1012，所述磁环固定孔1011和磁环安装螺纹孔1012均透孔。
稳定薄钢盘1033向上，永磁拼装环组件103与导磁静环101同轴，永磁拼装环组件103吸附在导磁静环101的永磁拼装环组件安装处内，稳定薄钢盘1033与导磁静环101接触，永磁拼装环组件103中的拼装永磁环1032的下表面与导磁静环101的导磁环突缘下表面在同一平面内，永磁拼装环组件103中的隔离环套1031的外径比导磁静环101的导磁环突缘的内径小8mm，12只固定螺钉102分别穿过相应的磁环固定孔1011与磁环组件锁紧环1034螺纹连接将永磁拼装环组件103与导磁静环101锁紧。
导磁动环2上部为圆盘结构，中心圆孔为与转子4上部的轴同轴固接的螺纹轴孔，螺纹轴孔内壁上有内缘螺纹202，螺纹轴孔之下为转子4的安装处，导磁动环2的外侧面上等间隔分布4个工艺孔203，导磁动环2下部为圆环形的动环锁定凸缘，在动环锁定凸缘的侧壁上等间隔分布4个动环锁定螺孔201，动环锁定螺孔201为透孔，导磁动环2通过螺纹连接安装在转子4上部的轴上，用顶丝在动环锁定螺孔201中将导磁动环2与转子4锁定。
永磁静环组件1与导磁动环2之间的轴向间隙为导磁动环2上表面与永磁静环组件1中导磁静环101的导磁环突缘下表面之间的间隙，由上轴承3和下轴承5在机器壳体上的位置控制，永磁静环组件1与导磁动环2之间的轴向间隙为2.5mm，在拼装永磁环1032产生的强磁场作用下，形成永磁静环组件1与导磁动环2之间10000N以上的吸力。
扇形永磁体1035的材料为强磁材料NuFeB，导磁静环101的材料为碳钢25，稳定薄钢盘1033的材料为碳钢25，隔离环套1031的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，导磁动环2的材料为合金钢40Cr。
为了安全准确将永磁拼装环组件103置于导磁静环101的永磁拼装环组件安装处内，采用图5所示的永磁拼装环组件与导磁静环贴合安装过程，导磁静环101和永磁拼装环组件103通过导向安装芯轴7在径向定位，轴向移动，用6只螺杆6分别通过导磁静环101上的6个磁环安装螺纹孔1012将永磁拼装环组件103顶住，同时调节6只螺杆6，使永磁拼装环组件103与导磁静环101之间的轴向距离慢慢减小，直至永磁拼装环组件103与导磁静环101紧密贴合，撤掉6个螺杆，再用固定螺钉102将永磁拼装环组件103与导磁静环101锁紧。
本实施例的永磁轴承磁吸力可达到10000N以上，导磁动环为高强度导磁合金钢，可以实现高速旋转，能够用于转速度大于3600r/min重型机械。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，由永磁静环组件（1）和导磁动环（2）组成，导磁动环（2）与竖直设置的转子（4）上部的轴同轴固接，转子（4）的轴的上下两端分别通过均为滚动轴承的上轴承（3）和下轴承（5）与机器壳体构成转动连接，永磁静环组件（1）在导磁动环（2）之上固定在机器壳体上，永磁静环组件（1）与导磁动环（2）同轴并套在转子（4）上部的轴上，永磁静环组件（1）的内孔与转子（4）上部的轴之间有径向间隙，永磁静环组件（1）与导磁动环（2）有轴向间隙，从而实现非接触承载，其特征在于，所述永磁静环组件（1）由导磁静环（101）、固定螺钉（102）和永磁拼装环组件（103）组成，所述永磁拼装环组件（103）由隔离环套（1031）、拼装永磁环（1032）和稳定薄钢盘（1033）组成，隔离环套（1031）为由侧壁和底环构成的一体圆环状结构，底环的宽度为5～10mm，底环的厚度为1～2mm，在侧壁的外侧等间隔水平固接12个磁环组件锁紧环（1034），磁环组件锁紧环（1034）的内圆为螺纹结构，拼装永磁环（1032）为由4～8块相同的扇形永磁体（1035）拼装成的圆形磁环，圆环形的稳定薄钢盘（1033）的内径和外径分别与拼装永磁环（1032）的内径和外径相同，拼装永磁环（1032）同轴吸附在稳定薄钢盘（1033）的下表面上，拼装永磁环（1032）和稳定薄钢盘（1033）的外径与隔离环套（1031）的侧壁的内径松配合，拼装永磁环（1032）和稳定薄钢盘（1033）镶嵌在隔离环套（1031）内，稳定薄钢盘（1033）的上表面和隔离环套（1031）的上沿在同一平面内；
所述导磁静环（101）为圆环结构，导磁静环（101）的轴向截面为L型，中心孔为穿过转子（4）上部的轴的轴孔，导磁静环（101）下部为导磁环突缘，导磁环突缘内的圆形区域为永磁拼装环组件安装处，在与隔离环套（1031）上12个磁环组件锁紧环（1034）的中心所在圆周相同半径的圆周上等间隔分布12个磁环固定孔（1011），在磁环固定孔（1011）与轴孔之间的圆周上等间隔分布6个磁环安装螺纹孔（1012），所述磁环固定孔（1011）和磁环安装螺纹孔（1012）均透孔；
稳定薄钢盘（1033）向上，永磁拼装环组件（103）与导磁静环（101）同轴，永磁拼装环组件（103）吸附在导磁静环（101）的永磁拼装环组件安装处内，稳定薄钢盘（1033）与导磁静环（101）接触，永磁拼装环组件（103）中的拼装永磁环（1032）的下表面与导磁静环（101）的导磁环突缘下表面在同一平面内，永磁拼装环组件（103）中的隔离环套（1031）的外径比导磁静环（101）的导磁环突缘的内径小5～10mm，12只固定螺钉（102）分别穿过相应的磁环固定孔（1011）与磁环组件锁紧环（1034）螺纹连接将永磁拼装环组件（103）与导磁静环（101）锁紧；
所述导磁动环（2）上部为圆盘结构，中心圆孔为与转子（4）上部的轴同轴固接的螺纹轴孔，螺纹轴孔内壁上有内缘螺纹（202），螺纹轴孔之下为转子（4）的安装处，导磁动环（2）的外侧面上等间隔分布4～6个工艺孔（203），导磁动环（2）下部为圆环形的动环锁定凸缘，在动环锁定凸缘的侧壁上等间隔分布4～6个动环锁定螺孔（201），动环锁定螺孔（201）为透孔，导磁动环（2）通过螺纹连接安装在转子（4）上部的轴上，用顶丝在动环锁定螺孔（201）中将导磁动环（2）与转子（4）锁定；
所述永磁静环组件（1）与导磁动环（2）之间的轴向间隙为导磁动环（2）上表面与永磁静环组件（1）中的导磁静环（101）的导磁环突缘下表面之间的间隔，由上轴承（3）和下轴承（5）在机器壳体上的位置控制，永磁静环组件（1）与导磁动环（2）之间的轴向间隙为2～5mm，在拼装永磁环（1032）产生的强磁场作用下，形成永磁静环组件（1）与导磁动环（2）的吸力；
所述永磁静环组件（1）的内孔与转子（4）上部的轴之间的径向间隙为2～5mm，转子（4）上部的轴在永磁静环组件（1）的内孔中高速旋转。
2.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述拼装永磁环（1032）的内径为60～120mm，外径为内径的2～2.5倍，厚度为10～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述扇形永磁体（1035）的材料为强磁材料NuFeB。
4.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述导磁静环（101）的材料为碳钢25。
5.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述稳定薄钢盘（1033）的材料为碳钢25。
6.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述隔离环套（1031）的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。
7.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述导磁动环（2）的材料为合金钢40Cr。
8.根据权利要求1所述的一种具有拼装永磁环结构的重型永磁吸力轴承，其特征在于，所述永磁静环组件（1）与导磁动环（2）的吸力为10000N～50000N。
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