CN103591139A - 用于高速转子的被动径向永磁轴承 - Google Patents

用于高速转子的被动径向永磁轴承 Download PDF

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本发明公开了一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,它包括壳体和安装在壳体内的至少一组轴承单元,轴承单元包括绝磁环和两个均轴向充磁并且之间留有安装腔的磁环,磁环同轴布置,并且充磁后的两个磁环的相对的一面为异性磁极,绝磁环套装在转子上,并且绝磁环位于两个磁环之间的安装腔内并与磁环同轴布置,绝磁环的外壁上还套装有至少一个导体和线圈,磁环均具有内通孔,内通孔的直径和绝磁环套装导体后的外径相等。它无需主动控制,并且无摩擦损耗,能够有效并快捷提供转子转动时的径向支承力以及阻尼,确保转子在高速工况下高效、稳定地工作。

Description

用于高速转子的被动径向永磁轴承
技术领域
    本发明涉及一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,属于设备制造技术领域。
背景技术
目前,为了确保轴系能稳定、高效地运转,在离心机、涡轮机、储能飞轮等各种高速旋转机械中,转子的支承常采用各种低功耗的轴承,另一方面,为了确保转子-轴承系统的稳定运行,还需要在轴系中引入阻尼装置。
常用的轴承有——超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械轴承。电磁悬浮轴承虽然可以实现主动控制,但是制作成本较高、控制系统复杂,且其自身也需要供电;超导磁悬浮轴承不需要主动控制,但需要一套低温的液态氮冷却系统,增加了系统的成本与体积;机械轴承的摩擦功耗较大;永磁轴承不需要主动控制,价格低廉,但永磁轴承不可能获得全部6个自由度的稳定悬浮。
阻尼装置方面,常见的悬吊式阻尼器能够提供的径向刚度与阻尼过小且体积较大,加工精度要求也较高;摆锤式挤压油膜阻尼器虽能提供较大的径向支承刚度及阻尼,但机构中需要用到机械轴承,故摩擦损耗大,另外,由于润滑油的存在,工作环境较差。
因此,一种采用永磁环制作而成,具有阻尼能力、无需主动控制、无摩擦损耗的径向轴承支承将有着重要的工业应用价值。
发明内容
    本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,它无需主动控制,并且无摩擦损耗,能够有效并快捷提供转子转动时的径向支承力,确保转子在高速工况下高效、稳定地工作。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是:一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,它包括壳体和安装在壳体内的至少一组轴承单元,轴承单元包括绝磁环和两个均轴向充磁并且之间留有安装腔的磁环,磁环同轴布置,并且充磁后的两个磁环的相对的一面为异性磁极,绝磁环套装在转子上,并且绝磁环位于两个磁环之间的安装腔内并与磁环同轴布置,绝磁环的外壁上还套装有至少一个导体,磁环均具有内通孔,内通孔的直径和绝磁环套装导体后的外径相等。
进一步为了转子稳定运行提供必要的阻尼,所述的绝磁环的外壁上还套装有线圈,所述的绝磁环并排套装导体和线圈后的外径与磁环的内通孔的直径相等。
进一步为了有效用于耗散感应电流带来的能量,所述的线圈上还连接有负载。
进一步,所述的每个绝磁环上的导体有两个,所述的线圈位于两个导体之间。
进一步,所述的线圈为表面涂有绝缘漆的铜线圈绕制而成。
进一步,所述的每组轴承单元的两个磁环之间设置有绝磁垫环,并且绝磁垫环位于绝磁环的外围。
进一步,所述的壳体上在与转子相对的部位上安装有过载保护套,并且过载保护套设置在转子的外围。
进一步,所述的壳体由不锈钢或铝合金材料制成。
进一步,所述的磁环由Nd-Fe-B材料制成。
进一步,所述的绝磁环由玻璃纤维或碳纤维或环氧树脂材料制成。
采用了上述技术方案后,本发明具有以下的有益效果:
1、工作时,如果转子的几何中心与磁场的几何中心重合,导体在工作中不切割磁力线,导体内磁通量便没有发生变化,导体内不会产生感应电流,导体也不会受到电磁力的作用;在转子过临界转速时,即转子的几何中心与磁场的几何中心发生偏移时,导体内磁通量就会发生变化,导体内便产生了感应电流。此时,导体受到洛伦兹力的作用,此力与偏移方向相反,迫使转子回到原来的位置,从而能够有效并快捷提供转子转动时的径向支承力。
2、工作时,如果转子的几何中心与磁场的几何中心重合,线圈在工作中不切割磁力线,线圈内磁通量便没有发生变化,线圈内不会产生感应电流;在转子过临界转速时,即转子的几何中心与磁场的几何中心发生偏移时,线圈内磁通量就会发生变化,线圈内便产生了感应电流,此时,线圈内的电流则可以通过线圈自身的电阻来耗散,以此来达到耗散轴系多余能量的目的,为转子稳定运行提供必要阻尼。
3、本轴承采用了轴对称结构,当转子中心偏移一段距离时,转子只受到沿偏移方向相反的恢复力作用,而不会受到与偏移方向垂直的切向力的作用,避免了对转子公转的影响,从而保证了转子的稳定运转。
4、本轴承中的磁环是固定不动的,避免了磁环在高速转动时由离心力带来的环向拉应力作用而遭到损坏,使之更适合高速工况下工作。
5、本轴承中各个零部件之间没有接触,故无摩擦损耗。
6、本轴承装置是使用磁环及其它机械零件组合装配而成,具有结构简单、不需要主动控制;如与永磁轴承配合支承,可以获得全部6个自由度的稳定悬浮,且无需主动控制的转子-轴承系统。
附图说明
图1为本发明的用于高速转子的被动径向永磁轴承的结构示意图;
图2为本发明的转子中心O1与磁场中心O2重合时的情形示意图;
图3为转子中心O1偏移距离e的情形示意图。
具体实施方式
   为了使本发明的内容更容易被清楚地理解,下面根据具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,它包括壳体3和安装在壳体3内的至少一组轴承单元,轴承单元包括绝磁环7和两个均轴向充磁并且之间留有安装腔11的磁环1,磁环1同轴布置,并且充磁后的两个磁环1的相对的一面为异性磁极,绝磁环7套装在转子6上,并且绝磁环7位于两个磁环1之间的安装腔11内并与磁环1同轴布置,绝磁环7的外壁上还套装有至少一个导体8,磁环1均具有内通孔1-1,内通孔1-1的直径和绝磁环7套装导体8后的外径相等。
如图1所示,绝磁环7的外壁上还套装有线圈9,绝磁环7并排套装导体8和线圈9后的外径与磁环的内通孔的直径相等。
如图1所示,线圈9上还连接有负载。负载可放置早转子轴内。
如图1所示,每个绝磁环7上的导体8有两个,线圈9位于两个导体8之间。
线圈9为表面涂有绝缘漆的铜线圈绕制而成。
如图1所示,每组轴承单元的两个磁环1之间设置有绝磁垫环2,并且绝磁垫环2位于绝磁环7的外围。绝磁垫环2可采用铝合金(牌号为2A13)制造加工。
如图1所示,壳体3上在与转子6相对的部位上安装有过载保护套5,并且过载保护套5设置在转子6的外围。过载保护套5可采用青铜或聚四氟乙烯制造加工,但不限于此。
壳体3由不锈钢或铝合金材料制成,但不限于此。其中,不锈钢牌号为1Cr18Ni9Ti;铝合金牌号为2A13;
磁环1由Nd-Fe-B材料制成,但不限于此。
绝磁环7可以采用不导电的绝磁材料制成,譬如,绝磁环7由玻璃纤维或碳纤维或环氧树脂材料制成,但不限于此。
导体8由紫铜材料制成,但不限于此。
本发明轴承不限磁环和绝磁环的数量,还可以沿轴向增加磁环及绝磁环的数量,来提高径向支承的刚度及阻尼能力。
本发明的工作原理如下:
如图2所示,工作时,当转子6的几何中心O1与磁场的中心O2(即磁环1的几何中心)重合时,导体8与线圈9均不切割磁力线,故导体8与线圈9内不会产生感应电流,导体8也会受到洛伦兹力的作用;如图3所示,当转子6的几何中心O1与磁场的中心O2不重合时,设转子中心由O2位置偏移了e距离到达了O1位置,则穿过导体8与线圈9的磁通量等于磁场的磁感应强度B与图3中打了剖面线部分面积的乘积,因为导体8与线圈9内磁通量的增加,导体8与线圈9内将产生了感应电流,其方向应为顺时针方向,带有电流的导体8会受到一个与偏移方向相反的洛伦兹力,迫使转子6回到原来的位置,本轴承正是基于上述原理来为系统提供径向支承;另外,由于线圈9内也有感应电流的产生,再加之线圈9的匝数多的缘故,线圈9的电阻会耗散掉转子6多余的能量,本轴承正是基于上述原理来为系统提供阻尼。
   以上所述的具体实施例,对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:它包括壳体(3)和安装在壳体(3)内的至少一组轴承单元,轴承单元包括绝磁环(7)和两个均轴向充磁并且之间留有安装腔(11)的磁环(1),磁环(1)同轴布置,并且充磁后的两个磁环(1)的相对的一面为异性磁极,绝磁环(7)套装在转子(6)上,并且绝磁环(7)位于两个磁环(1)之间的安装腔(11)内并与磁环(1)同轴布置,绝磁环(7)的外壁上还套装有至少一个导体(8),磁环(1)均具有内通孔(1-1),内通孔(1-1)的直径和绝磁环(7)套装导体(8)后的外径相等。
2.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的绝磁环(7)的外壁上还套装有线圈(9),所述的绝磁环(7)并排套装导体(8)和线圈(9)后的外径与磁环的内通孔的直径相等。
3.根据权利要求2所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的线圈(9)上还连接有负载。
4.根据权利要求2所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的每个绝磁环(7)上的导体(8)有两个,所述的线圈(9)位于两个导体(8)之间。
5.根据权利要求2或3或4所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的线圈(9)为表面涂有绝缘漆的铜线圈绕制而成。
6.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的每组轴承单元的两个磁环(1)之间设置有绝磁垫环(2),并且绝磁垫环(2)位于绝磁环(7)的外围。
7.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的壳体(3)上在与转子(6)相对的部位上安装有过载保护套(5),并且过载保护套(5)设置在转子(6)的外围。
8.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的壳体(3)由不锈钢或铝合金材料制成。
9.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于:所述的磁环(1)由Nd-Fe-B材料制成。
10.根据权利要求1所述的用于高速转子的被动径向永磁轴承,其特征在于: 所述的绝磁环(7)由玻璃纤维或碳纤维或环氧树脂材料制成。
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