CN103233984A - 一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是公开一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承，包括上、下辅助支承组件两部分，分别位于立式飞轮转子轴的上、下两端；并在转子轴和轴承之间分别加装上支承套、下支承套和下轴承套；且上支承套与下支承套均与轴过盈配合；下支承套外表面为外圆柱面和锥面，下轴承套内表面为内圆柱面和锥面；其有益效果在于：既能对储能飞轮转子在高速旋转、坠落和静止时实现安全可靠支承，又能当飞轮转子轴坠落时靠锥面引导，使转子快速进入自动定心状态，有效地减小冲击和振动，进而延长了飞轮储能系统的寿命及安全可靠性。
Description
技术领域
一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承，属于机械工程传动元件以外的转动部件和轴承领域。
背景技术
利用飞轮储能已广泛地应用到各种机器设备中，其结构形式基本上是采用金属飞轮，普通机械轴承支承；转速一般较低，具有较大的质量。
随着科技的进步，利用储能量与旋转速度平方成正比这一原理，发展了现代的飞轮储能技术，从而形成了飞轮储能系统。飞轮储能系统主要由复合材料飞轮、电动机/发电机、电磁轴承、能量转换系统和真空系统等组成。电动机/发电机实现能量的转换，当充电时以电动机方式运行，将电能转换为高速旋转飞轮的机械能；当放电时以发电机方式运行，将机械能转换为电能。由于转速很高，飞轮需采用高强度的纤维复合材料。为减小飞轮运行阻力，采用电磁轴承支承，并密封在真空室内工作。因此，现代飞轮储能系统具有较高的比能量、比效率。目前已成功应用到不间断电源、可再生能源光伏发电和风力发电的调峰，以及混合动力汽车等领域。
储能飞轮转子由于采用电磁轴承支承，所以辅助轴承（即着陆轴承）是不可缺少的组件。其主要是作用：（1）在电磁轴承不工作时，支承飞轮转子；（2）磁轴承系统故障或过载时，保护转动部分与固定部分不发生碰摩，使其具有一定间隙；（3）当停机或无悬浮力时保证飞轮转子安全着陆；辅助轴承起作用时，伴随着与高速旋转的飞轮转子发生碰摩，使飞轮转子处于混沌的工作状态，对整个系统产生很大的影响。因此，安全可靠的辅助支承设计是飞轮储能系统的关键，也是正常工作的必要保证。
中国专利《一种立式磁悬浮轴承辅助轴承装置》（申请号:CN201210031244）公开了一种轴承装置，包括轴承基座、角接触轴承组、轴承端盖、带轴肩的转轴、挡圈；所述角接触轴承组为一组非对称安装的角接触轴承；轴承基座套设在所述角接触轴承组外面，轴承底座下部的凸缘顶在角接触轴承组的外圈底部；轴承端盖通过螺栓连接于轴承基座顶部，并顶在角接触轴承组的外圈顶部；所述挡圈固接于带轴肩的转轴外围，角接触轴承组的内圈位于挡圈与转轴的轴肩之间，且角接触轴承组与挡圈和转轴的轴肩之间留有间隙。中国专利《一种滚动滑动一体式辅助轴承》（申请号:CN201210258948）也公开了一种辅助轴承，它主要包括滚动轴承、固定轴承内圈的挡圈、内衬轴瓦的轴承基座、轴承端盖，其中，滚动轴承内圈与转子过盈配合，磁轴承正常工作时滚动轴承整体随之转动，过载或跌落时滚动轴承内部的滚动及外圈与基座间的滑动同时发生。
上述两项发明的不足之处在于：设计时，所涉及的间隙大小难于确定，过小，影响转子磁悬浮；过大，过载或跌落时会产生冲击和振动。
发明内容
本发明的目的是公开一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承系统，包括上、下辅助支承组件两部分，分别位于立式飞轮转子轴的上、下两端；并在转子轴和轴承之间分别加装上支承套、上支承套和下轴承套；且上支承套与下支承套均与轴过盈配合；下支承套外表面为外圆柱面和锥面，下轴承套内表面为内圆柱面和锥面；其有益效果在于：即能对储能飞轮转子在高速旋转、坠落和静止时实现安全可靠支承，又能当飞轮转子轴坠落时靠锥面引导，使转子快速进入自动定心状态，有效地减小冲击和振动，进而延长了飞轮储能系统的寿命及安全可靠性。
立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承系统分为上辅助支承组件和下辅助支承组件两部分；两者分别位于立式飞轮转子轴的上下两端；包括：向心球轴承、角接触轴承、上支承套、下支承套、下轴承套和轴承端盖；其中，上支承套与轴上端过盈配合，下支承套与轴下端过盈配合；上、下支承套采用轴承钢材料并经相应热处理，与轴无相对运动；上辅助支承采用向心球轴承，下辅助支承采用面对面或背靠背的成对角接触轴承，轴承采用高温润滑脂或真空润滑脂润滑；下支承套外表面为外圆柱面和锥面，下轴承套内表面为内圆柱面和锥面，当飞轮转子轴坠落时靠锥面引导，使转子快速进入自动定心状态。
上辅助支承组件只承受径向力，其轴向不与转子轴接触，径向向心轴承内表面与上支承套有一定间隙，磁轴承正常工作时，径向不接触，仅在磁轴承故障及转子静止时发生碰摩或接触。下辅助支承组件既能承受径向力也能承受上下双向轴向力，当飞轮转子在磁轴承正常工作时其径向和轴向均不与轴上的下支套相接触，当磁轴承系统发生故障时，高速旋转的飞轮转子坠落过程先是锥面接触，引导飞轮转子下端快速进入支承中心位置，然后轴向端面接触，以承担转子的全部重量和撞击力，另外下端也能承受向上的轴向力，径向工作情况同上辅助支承一样。
本发明的有益效果在于：较好地满足飞轮转子高速旋转坠落、径向碰摩、静止支承三种工作模式的需要，且由于锥面结构的自定心作用，有效地减小了飞轮转子坠落过程中的冲击和振动，进而延长了飞轮储能系统的寿命及安全可靠性。
附图说明
图1一种立式磁悬浮飞轮转子及其辅助支承结构图
图2一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承的上辅助支承组件结构图
图3一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承的下辅助支承组件结构图
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。
图1示出了一种立式磁悬浮飞轮转子辅助支承在磁悬浮储能飞轮系统中位置和结构；包括上辅助支承组件1、上径向磁轴承定子线圈2、轴向磁轴承定子线圈3、飞轮轮毂和复合材料轮缘4、电动机/发电机定子线圈5、下径向磁轴承定子线圈6、下辅助支承组件7、下径向轴承转子8、电动机/发电机定子9、轴向磁轴承推力盘10、飞轮转子轴11、上径向轴承转子12。其中，飞轮轮毂和复合材料轮缘4、下径向轴承转子8、电动机/发电机定子9、轴向磁轴承推力盘10、上径向轴承转子12均装于飞轮转子轴11上，构成飞轮转子，是储能飞轮的旋转部件；而上辅助支承组件1、上径向磁轴承定子线圈2、轴向磁轴承定子线圈3、电动机/发电机定子线圈5、下径向磁轴承定子线圈6、下辅助支承组件7均安装在储能飞轮壳体上，是非旋转的部件。飞轮转子工作时靠磁轴承支承、旋转部件与固定部件在轴向和径向都具有一定的间隙，其中，上辅助支承组件1和下辅助支承组件7在轴向和径向与旋转部件的间隙最小，以确保任何情况下磁轴承的定子和转子、电动机/发电机的定子和转子都不发生接触。
如图2所示的上辅助支承组件包括：向心球轴承1-1、上支承套1-2、止推垫1-3、上辅助支承座1-4、上轴承压盖1-5、上固定螺钉1-6；其中，向心球轴承1-1压装在上辅助支承座1-4的中心孔内，由孔内凸肩限位，并用螺栓和上轴承压盖1-5压紧；上支承套1-2与转子轴11上端过盈配合，而与向心球轴承1-1内圈动配合，即留有上径向间隙01；转子轴11的上端面加装直径大于向心球轴承1-1内圈的止推垫1-3，并用固定螺钉1-6旋紧；上支承套1-2上的凸肩与向心球轴承1-1的下端面留有上轴向间隙02。所述的上辅助支承组件借助上辅助支承座1-4上的法兰孔安装在储能系统的固定支承上。
磁轴承正常工作时，上支承套1-2、上止推垫1-3和上固定螺钉1-6将与转子轴11一起运动；而向心球轴承1-1因与上支承套1-2间存在径向间隙01和轴向间隙02处于静止状态；当磁轴承故障或过载时，上支承套1-2外表面与向心球轴承1-1内圈表面碰摩，对转子轴11上端起到辅助支承的作用。
如图3所示的下辅助支承组件包括：成对面对面（或背靠背）的角接触球轴承7-1、轴承支承套7-2、下支承套7-3、下辅助支承座7-4、锁紧螺母7-5、下止推垫7-6、下固定螺钉7-7、下轴承压盖7-8；其中，角接触球轴承7-1压装在下辅助支承座7-4的中心孔内，由孔内凸肩限位，并用螺栓和下轴承压盖7-8压紧；轴承支承套7-2内表面具有以园锥面为过渡段的阶梯圆柱面，与角接触球轴承7-1内圈过盈配合，并以上端的外凸肩限位，下端借助锁紧螺母7-5紧固；下支承套7-3外表面的下半部分具有与轴承支承套7-2内表面上的园锥面等长度、等锥角的过渡段，而过渡段两侧的圆柱面分别与轴承支承套7-2内表面上的圆柱面动配合，即留有下径向间隙03；另一端加工有凸肩；下支承套7-3的内孔与转子轴11下端过盈配合，两者压装后，端面处加装直径大于轴承支承套7-2外径的下止推垫7-6，并用下固定螺钉7-7旋紧；设计要求，下固定螺钉7-7旋紧后，下止推垫7-6端面与轴承支承套7-2端面之间存在下轴向间隙04。所述的下辅助支承组件借助下辅助支承座7-4上的法兰孔安装在储能系统的另一固定支承上，用以承受轴向力和径向力。
所述圆锥面的锥顶角β应该远大于自锁角，本发明选为60°；而上径向间隙01、上轴向间隙02、下径向间隙03和下轴向间隙04满足磁悬浮飞轮的常规设计要求。
飞轮转子正常工作时，由于下径向间隙03、下轴向间隙04的存在以及凸肩端面05处和圆锥面06处也会出现间隙，使角接触球轴承7-1和轴承支承套7-2整体处于静止状态。飞轮转子静止模式时，下支承套7-3和轴承支承套7-2以凸肩端面05接触，承担飞轮转子的重量；飞轮转子由于磁轴承故障或过载模式时，轴承支承套7-2内圆柱面与下支承套7-3外圆柱面发生碰摩，转子下端起保护支承作用；当高速旋转的飞轮转子坠落模式时，轴承支承套7-2和下支承套7-3先以圆锥面06处碰摩接触，进而引导飞轮转子轴11的下端进入自动定心过程，然后凸肩端面05接触。当飞轮转子浮起高度过大时，下止推垫7-6的上表面与轴承支承套7-2下端面接触，实现轴向保护。
本实施方式中，发生碰摩的零件，如支承套、轴承支承套、止推垫等采用轴承钢材料，表面经相应热处理。轴承采用高速精密轴承并使用耐高温润滑脂或真空润滑脂润滑。此外，在所述的上、下辅助支承中均有检测温度和振动的传感器安装位置，上固定螺钉1-6和下固定螺钉7-7除起固定螺钉作用外，其端面还是位置和速度传感器的检测表面。
本发明的有益效果在于：较好地满足飞轮转子高速旋转坠落、径向碰摩、静止支承三种工作模式的需要，且由于锥面结构的自定心作用，有效地减小了飞轮转子坠落过程中的冲击和振动，进而延长了飞轮储能系统的寿命及安全可靠性。
Claims (1)
1.一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承，分为上辅助支承组件和下辅助支承组件两大部分，且每部分均包括轴承支承座、滚珠球轴承、轴承压盖和固定螺钉；其特征在于：所述的上辅助支承组件中加装的上支承套（1-2）与转子轴（11）上端过盈配合，而与向心球轴承（1-1）内圈动配合，即留有上径向间隙（01）；转子轴（11）的上端面加装直径大于向心球轴承（1-1）内圈的止推垫（1-3），并用固定螺钉（1-6）旋紧；上支承套（1-2）凸肩的上平面与向心球轴承（1-1）的下端面间存在上轴向间隙（02）；所述的下辅助支承组件中加装的轴承支承套（7-2）的内表面具有以圆锥面（06）为过渡段的阶梯圆柱面，外表面与角接触球轴承（7-1）内圈过盈配合，并以上端的外凸肩限位；加装的下支承套（7-3）与转子轴（11）下端过盈配合，端面处加装直径大于轴承支承套（7-2）外径的止推垫（7-6），并用下固定螺钉（7-7）旋紧；加装的下支承套（7-3）的外表面的下半部分具有与轴承支承套（7-2）内表面上的圆锥面（06）等长度、等锥角的过渡段，而过渡段两侧的圆柱面分别与轴承支承套（7-2）内表面上的圆柱面动配合，即留有下径向间隙（03）；轴承支承套（7-2）与下止推垫（7-6）的端面之间存在下轴向间隙（04）；向心球轴承（1-1）和角接触球轴承（7-1）分别压装在上辅助支承座（1-4）和下辅助支承座（7-4）的中心孔内，分别由孔内凸肩限位，并用轴承压盖和螺栓压紧；所述的上、下辅助支承组件借助上辅助支承座（1-4）和下辅助支承座（7-4）上的法兰孔和螺栓安装在飞轮储能系统的上、下固定支承上；所述圆锥面的锥顶角β远大于自锁角；而上径向间隙（01）、上轴向间隙（02）、下径向间隙（03）和下轴向间隙（04）满足磁悬浮飞轮的常规设计要求。
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