CN104454991A - 自感应磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自感应磁轴承，它包括：至少一个磁对组件，磁对组件包括上永磁环、隔磁垫圈和下永磁环，隔磁垫圈设置在上永磁环和下永磁环之间以便其用于隔开上永磁环和下永磁环，上永磁环和下永磁环均轴向充磁，并且上永磁环和下永磁环分别与隔磁垫圈相接触的一面为异性磁极；可径向摆动的轴颈，轴颈内用于可旋转支承转轴，并且轴颈的外壁上设置有至少一个感应线圈，感应线圈和磁对组件一一对应，感应线圈放置在相对应的上永磁环和下永磁环之间，轴颈下端与绝磁壳体之间的环形缝隙内充满磁流变液，电磁线圈与感应线圈相联通，电磁线圈放置在磁流变液内。本发明无需主动控制，且无摩擦损耗、带自感应功能，确保了转子在高速工况下高效、稳定地工作。

Description

自感应磁轴承
技术领域
    本发明涉及一种自感应磁轴承，针对高速旋转机械（如离心机、涡轮机、储能飞轮等）中关键零部件转子，对其进行径向支承并提供阻尼的轴承装置，属于设备制造的技术领域。
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。
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，提供一种自感应磁轴承，它无需主动控制，且无摩擦损耗、带自感应功能，确保了转子在高速工况下高效、稳定地工作，同时该轴承在与永磁轴承等无磨损被动轴承配合使用时可实现六个自由度“全悬浮”的目的。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种自感应磁轴承，它包括：
至少一个磁对组件，所述磁对组件包括上永磁环、隔磁垫圈和下永磁环，隔磁垫圈设置在上永磁环和下永磁环之间以便其用于隔开上永磁环和下永磁环，上永磁环和下永磁环均轴向充磁，并且上永磁环和下永磁环分别与隔磁垫圈相接触的一面为异性磁极；
可径向摆动的轴颈，所述轴颈内用于可旋转支承转轴，并且轴颈的外壁上设置有至少一个感应线圈，感应线圈和磁对组件一一对应，感应线圈放置在相对应的上永磁环和下永磁环之间，并且感应线圈、上永磁环和下永磁环同轴布置，感应线圈的外径与上永磁环和下永磁环的内径相等。
本发明进一步所要解决的技术问题是：使其具有阻尼能力，自感应磁轴承还包括阻尼机构，所述阻尼机构包括磁流变液、绝磁壳体和电磁线圈，所述电磁线圈安装在轴颈的端部上，并且电磁线圈和所述感应线圈电性连接，所述的磁流变液容置在轴颈上安装电磁线圈的端部与绝磁壳体之间所形成的容置空间内。
进一步，所述的绝磁壳体由不锈钢或铝合金材料制成。
进一步为了实现轴颈只径向摆动不转动的目的，所述的轴颈的端部通过弹性轴与外部的固定支架相连接以实现轴颈的径向摆动。
进一步为了固定磁对组件，自感应磁轴承还包括绝磁环，所述磁对组件安装在绝磁环内。
进一步，所述的轴颈由不锈钢材料制成。
采用了上述技术方案后，工作时，如果感应线圈的几何中心与上永磁环和下永磁环产生的磁场的几何中心重合，感应线圈内的磁通量便没有变化，其内不会产生感应电流，感应线圈也不会受到洛伦兹力的作用；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，感应线圈内磁通量就会发生变化，感应线圈内便产生了感应电流，因此会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，从而为转子系统提供了径向支承；另一方面，感应线圈与电磁线圈相连通，电磁线圈内也会产生电流，并生成磁场，磁场的强弱取决于电流的大小（轴颈振幅的大小），磁场可以改变磁力线圈与绝磁壳体之间磁流变液的剪切屈服强度，进而改变液体的流动阻尼力，当轴颈摆动时，可以通过挤压磁流变液来达到耗散轴系多余能量的目的，为系统稳定运行提供必要阻尼，本轴承将磁对组件固定，避免了上永磁环和下永磁环在高速转动时，由离心力带来的环向拉应力作用而遭到损坏；各个零部件之间没有接触，故无摩擦损耗；本轴承采用轴对称结构，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，综上所述，装置能确保转子在高速工况下高效、稳定地工作。
附图说明
图1为本发明的自感应磁轴承的结构示意图。
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，一种自感应磁轴承，它包括：
至少一个磁对组件，所述磁对组件包括上永磁环4、隔磁垫圈3和下永磁环2，隔磁垫圈3设置在上永磁环4和下永磁环2之间以便其用于隔开上永磁环4和下永磁环2，上永磁环4和下永磁环2均轴向充磁，并且上永磁环4和下永磁环2分别与隔磁垫圈3相接触的一面为异性磁极；
可径向摆动的轴颈6，轴颈6内通过滚动轴承7可旋转支承转轴8，并且轴颈6的外壁上设置有至少一个感应线圈5，感应线圈5和磁对组件一一对应，感应线圈5放置在相对应的上永磁环4和下永磁环2之间，并且感应线圈5、上永磁环4和下永磁环2同轴布置，感应线圈5的外径与上永磁环4和下永磁环2的内径相等；其中，转轴8为高速旋转机械上的转子上零部件。
如图1所示，自感应磁轴承还包括阻尼机构，所述阻尼机构包括磁流变液9、绝磁壳体10和电磁线圈11，电磁线圈11安装在轴颈6的端部上，并且电磁线圈11和所述感应线圈5电性连接，磁流变液9容置在轴颈6上安装电磁线圈11的端部与绝磁壳体10之间所形成的容置空间内。
绝磁壳体10由不锈钢（牌号为1Cr18Ni9Ti）或铝合金（牌号为2A13）材料制成，但不限于此。
轴颈6的端部通过弹性轴12与外部的固定支架相连接以实现轴颈6的径向摆动。
如图1所示，自感应磁轴承还包括绝磁环1，磁对组件安装在绝磁环1内。
轴颈6由不锈钢（牌号为1Cr18Ni9Ti）材料制成。
上永磁环4和下永磁环2的材料均为Nd-Fe-B，牌号N40。
感应线圈5、电磁线圈11采用表面涂有绝缘漆的铜线圈绕制而成；
磁流变液9可以采购重庆仪表材料研究所研制的MRF—J型磁流变液或美国LORD公司生产的同类产品。
本发明还可以沿轴向增加磁对组件及绝磁环的数量，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：
工作时，如果感应线圈5的几何中心与上永磁环4和下永磁环2产生的磁场的几何中心重合，感应线圈5内的磁通量便没有变化，其内不会产生感应电流，感应线圈5也不会受到洛伦兹力的作用；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，感应线圈5内磁通量就会发生变化，感应线圈5内便产生了感应电流，因此会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，从而为转子系统提供了径向支承；另一方面，感应线圈5与电磁线圈11相连通，电磁线圈11内也会产生电流，并生成磁场，磁场的强弱取决于电流的大小（轴颈6振幅的大小），磁场可以改变磁力线圈与绝磁壳体10之间磁流变液9的剪切屈服强度，进而改变液体的流动阻尼力，当轴颈6摆动时，可以通过挤压磁流变液来达到耗散轴系多余能量的目的，为系统稳定运行提供必要阻尼，本轴承将磁对组件固定，避免了上永磁环4和下永磁环2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；各个零部件之间没有接触，故无摩擦损耗；本轴承采用轴对称结构，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，综上所述，装置能确保转子在高速工况下高效、稳定地工作。
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 (6)

1.一种自感应磁轴承，其特征在于，它包括：
至少一个磁对组件，所述磁对组件包括上永磁环（4）、隔磁垫圈（3）和下永磁环（2），隔磁垫圈（3）设置在上永磁环（4）和下永磁环（2）之间以便其用于隔开上永磁环（4）和下永磁环（2），上永磁环（4）和下永磁环（2）均轴向充磁，并且上永磁环（4）和下永磁环（2）分别与隔磁垫圈（3）相接触的一面为异性磁极；
可径向摆动的轴颈（6），所述轴颈（6）内用于可旋转支承转轴（8），并且轴颈（6）的外壁上设置有至少一个感应线圈（5），感应线圈（5）和磁对组件一一对应，感应线圈（5）放置在相对应的上永磁环（4）和下永磁环（2）之间，并且感应线圈（5）、上永磁环（4）和下永磁环（2）同轴布置，感应线圈（5）的外径与上永磁环（4）和下永磁环（2）的内径相等。
2.根据权利要求1所述的自感应磁轴承，其特征在于：还包括阻尼机构，所述阻尼机构包括磁流变液（9）、绝磁壳体（10）和电磁线圈（11），所述电磁线圈（11）安装在轴颈（6）的端部上，并且电磁线圈（11）和所述感应线圈（5）电性连接，所述的磁流变液（9）容置在轴颈（6）上安装电磁线圈（11）的端部与绝磁壳体（10）之间所形成的容置空间内。
3.根据权利要求2所述的自感应磁轴承，其特征在于：所述的绝磁壳体（10）由不锈钢或铝合金材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的自感应磁轴承，其特征在于：所述的轴颈（6）的端部通过弹性轴（12）与外部的固定支架相连接以实现轴颈（6）的径向摆动。
5.根据权利要求1或2所述的自感应磁轴承，其特征在于：还包括绝磁环（1），所述磁对组件安装在绝磁环（1）内。
6.根据权利要求1或2所述的自感应磁轴承，其特征在于：所述的轴颈（6）由不锈钢材料制成。
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