CN104632884A - 一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，所述保护轴承为一体加工成型结构件；所述保护轴承上设计有轴承外圈、轴承内圈和柔性簧片；所述柔性簧片置于轴承外圈与轴承内圈之间，且柔性簧片与轴承外圈存在有外间隙，柔性簧片与轴承内圈存在有内间隙。该保护轴承在轴承内圈与外圈之间设计了柔性簧片结构，且柔性簧片与轴承内圈的接合处为柔性变形点。本发明设计的保护轴承在转子失稳产生巨大冲击时，能利用柔性簧片自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能而不至于损坏设备内部其他零部件。

Description

一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，更特别地说，是指一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承。

背景技术

近年来，由于磁悬浮技术的进步，使直驱类型的高速旋转设备：如高速磁悬浮鼓风机\压缩机、超高真空分子泵、磁悬浮储能飞轮和磁悬浮力矩陀螺等获得了长足的发展。磁悬浮技术具体是指磁悬浮轴承(或称磁轴承)技术，是利用电磁力将转子悬浮起来，以代替传统的机械轴承支撑。磁轴承可以克服机械轴承擦损耗大的缺点，运行过程中转子无任何机械接触，无摩擦、无润滑，提高了机械寿命。因此其转速可以非常高，通常在10000rpm～60000rpm之间。其几何尺寸远小于输出功率相同的常规旋转设备，有效地节约了材料，大幅度提高了设备的能量密度。磁悬浮技术使得直接驱动负载变成可能，无需增速机构，减小了系统体积，可实现零传动损耗运行，效率高，大大降低了运行噪声，在航空航天、新能源和精密制造等特殊领域具有广阔的应用前景。

保护轴承作为磁悬浮高速旋转设备的必要组件，具有以下三个所用：

(1)工作时起保护作用，主要体现在对磁轴承的保护。

(2)停止时起支撑作用，主要体现在对转子的支承。

(3)调试时起辅助作用，主要体现在对控制系统的辅助。

但采用传统的滚珠轴承作为保护轴承，却存在先天的缺陷。磁悬浮转子一般工作在数万转每分，能量密度较高，当失稳现象发生时，高速转子会突然与保护轴承发生碰撞，并带动保护轴承一起转动。有可能导致轴承保持架的机械损坏。使转子继续与设备内部其他组件如磁轴承和电机定子等发生碰撞，导致设备报废。或由于摩擦生热会使滚珠和轴承膨胀，导致保护轴承卡死停转。

为了克服滚珠式保护轴承这种先天的缺陷，试图探索设计一种具有缓冲和储能功能的保护轴承结构，以适应这种意外情况。试想如果有一种保护轴承是柔性的，在转子失稳产生巨大冲击时，能利用自身的弹性变形吸收掉大量的能量而不至于损坏零部件，那将是对磁悬浮高速旋转设备的一种巨大改进。

发明内容

为了避免磁悬浮高速旋转设备上的转子与磁轴承发生碰撞，本发明设计了一种适用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承。该保护轴承在轴承内圈与外圈之间设计了柔性簧片结构，柔性簧片与轴承内圈的接合处为柔性变形点。本发明设计的保护轴承在转子失稳产生巨大冲击时，能利用柔性簧片自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能而不至于损坏设备内部其他零部件。又因本发明设计的保护轴承为柔性，不存在由于摩擦生热使轴承膨胀，导致轴承卡死停转的现象。

本发明设计了一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，所述保护轴承上设计有轴承外圈(1)、轴承内圈(2)和柔性簧片(3)；

所述柔性簧片(3)置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间，且柔性簧片(3)与轴承外圈(1)之间存在有外间隙(4)，柔性簧片(3)与轴承内圈(2)之间存在有内间隙(5)。

所述柔性簧片(3)与轴承内圈(2)的接合处为柔性变形点(8)。

本发明设计的径向承载柔性保护轴承的优点在于：

①设计的径向承载柔性保护轴承以弹性储能的方式吸收掉转子大部分动能，避免直接的刚性撞击，大大减小了设备失稳造成的零件损坏的概率，提高了整机使用寿命。

②设计的径向承载柔性保护轴承采用一体化加工，避免了装配间隙，提高了整机的精度。

③柔性保护轴承代替了传统滚珠轴承，使磁悬浮设备在总体设计阶段能够将柔性保护轴承作为设备的一部分加以考虑，有利于使整机结构更加紧凑合理。

附图说明

图1是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承的正视图。

图2是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承的立体图。

图3是本发明设计的保护轴承与磁悬浮高速旋转设备的转子之间的装配结构图。

图4是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承的结构尺寸标注图。

图5是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承的柔性变形图。

1.轴承外圈	2.轴承内圈	3.柔性簧片
			3A.变形后柔性簧片	4.外间隙	5.内间隙
6.垫圈	7.转子	8.变形点

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图2所示，本发明设计的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，所述保护轴承为一体加工成型结构件；所述保护轴承上设计有轴承外圈1、轴承内圈2和柔性簧片3；所述柔性簧片3置于轴承外圈1与轴承内圈2之间，且柔性簧片3与轴承外圈1之间存在有外间隙4，柔性簧片3与轴承内圈2之间存在有内间隙5。

本发明设计的保护轴承在轴承内圈与外圈之间设计了柔性簧片3结构，柔性簧片3与轴承内圈2的接合处为柔性变形点8。

参见图3所示的本发明设计保护轴承与磁悬浮高速旋转设备的转子7的装配结构，本发明设计的保护轴承套接在磁悬浮高速旋转设备的转子7上，且轴承内圈2与转子7之间设置有垫圈6。所述垫圈6选用石墨材质加工。

本发明设计的径向承载柔性保护轴承的尺寸关系：

参见图4所示，本发明设计的径向承载柔性保护轴承的内径直径记为d，轴承外圈1的厚度记为c，轴承内圈2的厚度记为a，轴承外圈1与轴承内圈2之间的间隔记为b。

在本发明中， $a=c=\frac{1}{10}d~\frac{1}{8}d.$

在本发明中，b＝2a。

在本发明中，柔性簧片3的厚度记为g，柔性簧片3的虚拟圆心点记为e，柔性簧片3的虚拟半径记为f；且

在本发明中，用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承选用结构钢、合金钢、不锈钢等材质加工，具体地，如1Cr18NiTi或者40CrNiMo。

本发明设计的径向承载柔性保护轴承的柔性运动关系：

参见图5所示，当从磁悬浮高速旋转设备的转子7向径向承载柔性保护轴承的变形点8产生一个径向力时，柔性簧片3将变形为变形后柔性簧片3A，使得转子7的动能转化为柔性簧片3的弹性势能，以达到柔性保护的目的。

本发明是一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，所要解决的是在失稳现象发生时，如何使保护轴承具有缓冲和储能功能的技术问题，本发明保护轴承利用柔性簧片自身的弹性变形吸收掉大量的能量而不至于损坏零部件的技术手段，从而实现对磁轴承保护的技术效果。

Claims (8)

1.一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承上设计有轴承外圈(1)、轴承内圈(2)和柔性簧片(3)；

所述柔性簧片(3)置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间，且柔性簧片(3)与轴承外圈(1)之间存在有外间隙(4)，柔性簧片(3)与轴承内圈(2)之间存在有内间隙(5)。

2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：柔性簧片(3)与轴承内圈(2)的接合处为柔性变形点(8)。

3.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承为一体加工成型结构件。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承套接在磁悬浮高速旋转设备的转子(7)上，且轴承内圈(2)与转子(7)之间设置有垫圈(6)。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承的内径直径记为d，轴承外圈(1)的厚度记为c，轴承内圈(2)的厚度记为a，轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间的间隔记为b，柔性簧片(3)的厚度记为g，柔性簧片(3)的虚拟圆心点记为e，柔性簧片(3)的虚拟半径记为f；则有， $a=c=\frac{1}{10}d~\frac{1}{8}d,$ b＝2a， $f=\frac{1}{6}d~\frac{1}{4}d,g=\frac{1}{2}a.$

6.根据权利要求4所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述垫圈(6)选用石墨材质加工。

7.根据权利要求1或2所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承选用结构钢、合金钢、不锈钢等材质加工。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，其特征在于：当从磁悬浮高速旋转设备的转子(7)向径向承载柔性保护轴承的变形点(8)产生一个径向力时，柔性簧片(3)将变形为变形后柔性簧片(3A)，使得转子(7)的动能转化为柔性簧片(3)的弹性势能，以达到柔性保护的目的。