CN103307120B - 一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承 - 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轴承，借助加装于支承座和双排角接触球轴承之间、装有橡胶阻尼圈的缓冲体吸收转子坠落时的冲击能量；并在转子轴和轴承内套之间加装具有圆柱和圆锥接触面的轴套和轴承套；轴套、轴承套、双排角接触轴承和缓冲体封装于支承座、轴承压盖和缓冲体压盖之内，组成一个模块化的辅助轴承；它成对使用，分别安装在悬浮飞轮转子的两端，形成储能飞轮转子高速旋转、坠落和静止时的安全可靠支承。具有使用方便、自定心、阻尼减振、系列化等优点。
Description
技术领域
一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承，用于解决飞轮储能系统中磁悬浮飞轮转子静止或因磁轴承系统过载、故障时着陆引发的支撑问题；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
飞轮储能系统作为一种机械电池已成功应用到不间断电源（UPS）系统中，具有较高的比能量和比效率，充放电迅速并能寿命无影响，清洁环保，长寿命等优点。在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也有广阔的应用前景。
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/发电机实现电能和机械能的转换，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。
储能飞轮转子由于采用电磁轴承支承，所以辅助轴承（也叫着陆轴承）不可缺少的组件。其主要作用：（1）在飞轮转子静止时，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，保护电磁轴承和电动机等。（3）当停机或无悬浮力时保证高速旋转飞轮转子安全着陆。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飞轮储能系统的关键，也储能系统正常工作的必要保证。
中国专利《用于磁悬浮轴承系统的向心保护轴承》（申请号:CN200710192283）公开了“一种用于磁悬浮轴承系统的向心保护轴承，属磁悬浮轴承。该轴承包括第一层滚动轴承的内圈(1)和外圈(2)、转接环(3)、第二层滚动轴承的内圈(4)和外圈(5)、由径向弹性阻尼器的内环(6)和外环(8)以及径向多层(3～20层)波纹钢板(7)组成的径向弹性阻尼器、螺钉(9)、端盖(10)、机座(11)、转子组件(12)。将传统结构中由一个滚动轴承承担的转速由两个或两个以上的轴承承担，提高了轴承的工作转速；利用径向弹性阻尼器在径向的弹性变形和切线方向的摩擦力做功来吸收由振动与冲击而产生的能量，提高了保护轴承寿命。……。”其不足之处在于径向多层(3～20层)波纹钢板(7)组成的径向弹性阻尼器的刚性较大，降低了吸震能力。
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轴承，借助加装于支承座和双排角接触轴承之间、装有橡胶阻尼圈的缓冲体吸收转子坠落时的冲击能量；并在转子轴和轴承内套之间加装具有圆柱和圆锥接触面的轴套和轴承套；轴套、轴承套、双排角接触轴承和缓冲体封装于支承座、轴承压盖和缓冲体压盖之内，组成一个模块化的辅助轴承；它成对使用，分别安装在悬浮飞轮转子的两端，形成储能飞轮转子高速旋转、坠落和静止时的安全可靠支承。具有使用方便、自定心、阻尼减振、系列化等优点。
一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承，包括：轴套、旋转部件本体、支承座三部分；其中，旋转部件本体由轴承套、双排角接触球轴承、锁紧螺母、缓冲体、轴承压盖和缓冲体压盖共同组成；支承座与磁悬浮飞轮转子外壳上的固定支承固连；所述的轴套与飞轮转子轴的端部紧配合，外表面由外圆柱面和锥面组成，用轴承钢之类的耐磨材料制成，可更换；所述轴承套的内表面也由与轴套外表面相吻合的圆柱面和锥面组成；圆柱面间有间隙，数值小于磁轴承、电动机/发电机的气隙，起保护作用；锥面在飞轮转子坠落时起自定心作用，抑制转子轴的混沌工作状态；所述的缓冲体为圆环体，外部加工有沟槽，用于安装橡胶阻尼圈，以缓冲转子的冲击和振动；所述的支承座和缓冲体之间有周向止动螺钉，用于限制两者圆周方向转动；角接触球轴承为双排，面对面（或背对背）安装，可承受轴向和径向力。
本发明的优点在于：
（1）自定心。磁悬浮飞轮转子坠落时先利用锥面引导，使其自动回到安装中心，细化和控制了整个坠落过程。
（2）模块化。旋转部件及与轴、机体联接组成一个模块化结构，简化了连接形式，内部更安全可靠。
（3）阻尼减振。磁悬浮飞轮转子与辅助支承间的径向碰磨和坠落，将引起振动，采用此结构一方面衰减了这种振动，另一方向减小了向机体的传递。
（4）系列化。辅助轴承磁悬浮转子工作必不可少部件，本发明可根据转子重量、轴径、不平衡、转动惯量等指标制成系列化部件，以便采用磁悬浮支承轴系选用。
附图说明
图1一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承剖面图
图2一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承成对使用时安装示意图
具体实施方式
下面给出本发明的优选实施方式并结合附图加以说明。
如图1所示，一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承，包括支承座1、阻尼圈2、止动螺钉3、角接触球轴承4、轴承套5、轴套6、缓冲体7、螺钉8和9、锁紧螺母10、锁片11、轴承压盖12，缓冲体压盖13。其中，轴承套5、双排角接触球轴承4、锁紧螺母10、缓冲体7、轴承压盖12组成旋转部件本体；支承座1与磁悬浮飞轮转子外壳上的固定支承固连；轴套6内表面与飞轮转子轴的端部紧配合，外表面由圆柱面和锥面组成；用轴承钢之类的耐磨材料制成，可更换；轴承套5用轴承钢之类的耐磨材料制成并经相应的热处理，外表面与双排角接触轴承4的内圈过盈配合，且一端借助凸肩定位，另一端借助锁片11和锁紧螺母10紧固；而内表面也由与轴套6外表面相吻合的圆柱面和锥面组成；圆柱面间有间隙，数值小于磁轴承、电动机/发电机的气隙，起保护作用；锥面在飞轮转子坠落时起自定心作用，抑制转子轴的混沌工作状态；所述的缓冲体7为圆环体，外部加工有沟槽，用于安装橡胶阻尼圈2，使支承座1与缓冲体7隔离，形成弹性支承，以缓冲转子的冲击和振动，其刚度和阻尼根据转子动力学特性设计或选取；支承座1和缓冲体7用止动螺钉3相连，但与缓冲体7有间隙，缓冲体7可相对于支承座1和缓冲体压盖13有微小的运动，以使阻尼圈2发挥作用，但两者不能周向运动。
角接触球轴承4为双排，面对面（或背对背）安装，可承受轴向和径向力，选择高速精密轴承，用高温润滑脂或真空润滑脂润滑。飞轮转子完全着陆后，轴套6的凸肩下端面与轴承套5的凸肩上端面以圆环面接触。
本发明也可根据需要安装检测温度和振动等传感器，使其功能更大化。
图2示出了模块化的辅助轴承成对使用时安装示意图，包括：模块化的辅助轴承、上径向磁轴承定子线圈32、轴向磁轴承定子线圈33、飞轮轮毂和复合材料轮缘34、电动机/发电机定子线圈35、下径向磁轴承定子线圈36、下径向轴承转子18、电动机/发电机定子19、轴向磁轴承推力盘20、飞轮转子轴21、上径向轴承转子22；其中，飞轮轮毂和复合材料轮缘34、下径向轴承转子18、电动机/发电机定子19、轴向磁轴承推力盘20、上径向轴承转子22均装于飞轮转子轴21上，构成飞轮转子，为储能飞轮的旋转部件；而组装成一体的辅助轴承、上径向磁轴承定子线圈32、轴向磁轴承定子线圈33、电动机/发电机定子线圈35、下径向磁轴承定子线圈36、电动机/发电机定子线圈35、下径向磁轴承定子线圈36安装在储能飞轮壳体上，为不旋转的固定部件。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，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。模块化自定心辅助轴承7在飞轮转子辅助支承轴系中采用两组，但安装方向不同。上面一组在飞轮转子悬浮过度时锥面及环面接触，限制向上的运动，同时径向圆柱面可限制转子轴上端的径向移动；下面一组完全发挥着陆和碰磨时的功能和作用。
由上下两组相同的模块化辅助轴承支承的立式磁悬浮飞轮转子，结构紧凑，能有效地延长使用寿命，具有使用方便、自定心、阻尼减振、系列化等优点。
Claims (1)
1.一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助轴承，包括支承座、轴承、阻尼器；其特征在于：作为阻尼器的旋转部件本体包括：缓冲体(7)、阻尼圈(2)、止动螺钉(3)、角接触球轴承(4)、轴承套(5)、锁紧螺母(10)、锁片(11)、轴承压盖(12)，缓冲体压盖(13)；其中，角接触球轴承(4)为双排，成对面对面或背靠背布置；轴承套(5)外表面与角接触球轴承(4)的内圈过盈配合，且一端借助凸肩定位，另一端借助锁片(11)和锁紧螺母(10)紧固；而内表面则由与装配到飞轮转子轴端的轴套(6)外表面相吻合的圆柱面和锥面组成，圆柱面间有间隙，数值小于磁轴承与电动机/发电机之间的气隙；轴套(6)的凸肩下端面与轴承套(5)的凸肩上端面以圆环面接触；缓冲体(7)为圆环体，外部加工有沟槽，用于安装橡胶阻尼圈(2)；支承座(1)和缓冲体(7)用止动螺钉(3)相连，与缓冲体(7)留有间隙；缓冲体(7)可相对于支承座(1)和缓冲体压盖(13)有微小的移动，但缓冲体(7)与支承座(1)之间以及缓冲体(7)与缓冲体压盖(13)之间均不能周向运动；支承座(1)与磁悬浮飞轮转子外壳上的固定支承固连。
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