CN104747595A - 高可靠性长寿命气体动压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高可靠性长寿命气体动压轴承，在轴套端面粘接轴套端面磁环，止推板内侧壁粘接止推板磁环，轴套的轴孔内壁粘接外磁环，轴的外表面粘接内磁环，止推板与轴肩配合并通过螺钉紧固；轴套端面磁环、止推板磁环、外磁环以及内磁环均采用同种永磁材料制成，止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁且配合面为同种极性；外磁环和内磁环采用径向充磁且配合面为同种极性。本发明的各磁环采用对称安置的方式，轴、轴套和止推板会在4组磁环作用下产生较大的径向力和轴向力，在这些力的作用下轴套达到平衡位置，克服了电机在各种安置方式的启停过程中，气体动压轴承的摩擦磨损问题。此外，本轴承还可以降低角柔量，提高轴承承载力和稳定性。

Description

高可靠性长寿命气体动压轴承

技术领域

本发明涉及气体动压轴承技术领域，尤其是一种高可靠性长寿命气体动压轴承。

背景技术

轴承是陀螺电机的核心部件，陀螺电机的精度和寿命取决于高速旋转的轴承。在航空航天和一些军事应用领域，存在一些陀螺电机启动和工作时电机轴向与重力方向平行或倾斜一定角度的应用场合，这对于陀螺电机提出了更高要求，特别是要求陀螺电机的轴承轴向承载力要高，磨损要小，稳定性要强。

目前在陀螺电机应用的高速轴承主要是气体动压轴承，该轴承的优点如下：⑴.结构紧凑，不需要辅助仪器；⑵.恒定转速下支撑稳定，没有噪声或振动；⑶.能够在很大温度范围内工作；⑷.长时间工作无需维护。这些优点都非常适合陀螺电机，但气体动压轴承也存在缺陷，如下：⑴.气体动压轴承在转速低的情况下承载力很小，特别在电机起停过程中会产生干摩擦，这种摩擦会破坏轴承表面精度，带来污染物，影响其性能和寿命，降低可靠性；针对这个问题，已经采取了各种措施，比如：在轴承表面镀膜，采用更耐磨的材料等，这些措施只是被动的减弱干摩擦的影响，并不能从根本上解决问题；⑵.气体动压轴承的角柔量较高，特别在电机斜置启动或在工作时电机轴向不断变化，可能出现轴承表面破坏，造成轴承失效。

经过检索，发现两篇相关专利文件：1、陀螺电机用气磁混合轴承(专利申请号：201110278269.2)提出了一种结合动压气体轴承和永磁轴承的优点的新结构，该轴承在电机的启动、停止过程中，解决气体动压轴承的摩擦磨损问题和永磁轴承系统稳定性差、刚度小的问题。但该气磁混合轴承结构适用于陀螺电机启动和工作时轴向与重力方向垂直的应用场合，对于轴向与重力方向平行或倾斜一定角度的应用场合，由于永磁轴承设置结构的原因，提供的轴向斥力较小，在启动、停止过程中不能实现完全非接触，这就造成了轴承在启动停止过程中的摩擦磨损，降低了可靠性和使用寿命。

2、带有永磁磁芯的半球空气动压轴承(专利申请号：201120474163.5)提出了一种半球动压轴承结合永磁轴承的新结构，该结构也是在静态或动态条件下避免接触，提高轴承可靠性。但同样该轴承结构存在缺陷：⑴.半球结构相对复杂，加工成本较高；⑵.由于采用半球结构，永磁轴承的外圈巨型磁环和内圈梯形磁环间的间隙较大，提供的支撑力会随间隙的变大而大幅度降低；⑶.对于轴向与重力方向平行或倾斜一定角度的应用场合，由永磁轴承设置结构的原因，不能提供轴向斥力，在启动、停止过程中则不能实现完全非接触，这也造成了轴承的摩擦磨损问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理，结构简单，成本低廉，可靠性高，寿命长的带有4组磁环的气体动压轴承，该轴承既可以克服电机在以任意放置方式启动、停止过程中，气体动压轴承的摩擦磨损问题，又能解决气体动压轴承的角柔量较高的问题，特别是能够提供较大的轴向力和径向力。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种高可靠性长寿命气体动压轴承，包括轴套、止推板、轴和螺母，轴同轴插装在轴套的轴孔内，轴的左右两端均安装一个止推板，其特征在于：轴套的左右两端面均嵌装粘接一个轴套端面磁环，两个止推板的内侧壁均嵌装粘接一个止推板磁环，该止推板磁环与轴套端面磁环相对设置；轴套的轴孔内壁的左右两端均嵌装粘接一个外磁环，轴与轴套的轴孔内壁之间具有间隙，在轴的外表面嵌装粘接两个内磁环，该两个内磁环与外磁环的位置相对应；止推板与轴肩配合并通过螺钉紧固；

上述的轴套端面磁环、止推板磁环、外磁环以及内磁环均采用同种永磁材料制成，止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁，且配合面为同种极性；外磁环和内磁环采用径向充磁，且配合面为同种极性。

而且，所述的永磁材料是钕铁硼、钐钴等高矫顽力永磁材料。

而且，所述的外磁环和内磁环之间的极性与止推板磁环和轴套端面磁环之间的极性相反。

本发明的优点和积极效果是：

1、本气体动压轴承在H型动压气体轴承的基础上，安装了4组磁环，分别是置于轴和轴套两端的内磁环和外磁环，轴套两端的轴套端面磁环和与之对应的止推板上的止推板磁环。该4组磁环采用同种永磁材料，外磁环和内磁环采取径向充磁的方式，止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁的方式，使得每对磁环对应面极性相同，可以获得较大稳定的径向和轴向斥力，该轴承既可以克服电机在以任意放置方式启动、停止过程中，气体动压轴承的摩擦磨损问题，又能解决气体动压轴承的角柔量较高的问题。

2、本气体动压轴承中的4组磁环采用环形磁环结构，不但容易加工，而且每对磁环的间隙可以加工的很小，可以有效的提高磁环间的斥力。

3、本气体动压轴承的外磁环和内磁环采取径向充磁的方式，止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁的方式，每对磁环对应面极性相同，并且外磁环和内磁环之间的极性与止推板磁环和轴套端面磁环之间的极性相反，这就使得单侧两对磁环形成闭合回路，在增大磁环间斥力的同时，还减小了漏磁。

4、本气体动压轴承的轴套、止推板、螺母和轴采用同种材料，如：A1、Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni、40Cr，并采用对称结构，因此可以保证环境温度变化时质心稳定。

5、本发明是一种高可靠性长寿命气体动压轴承，由于各磁环采用对称安置的方式，轴、轴套和止推板会在4组磁环作用下产生较大的径向力和轴向力，在这些力的作用下轴套达到平衡位置，即轴、轴套和止推板处于无接触状态，由于轴向力和径向力较大，能够克服电机在各种安置方式的启停过程中，气体动压轴承的摩擦磨损问题；由于永磁环、轴、轴套、止推板等都是传统的结构形状，因此加工容易、成本低廉；在轴承高速运转中，这种轴承结构又具备气体动压轴承的功能，相当于永磁轴承和气体动压轴承同时工作，与单纯气体动压轴承相比，这种结构降低了角柔量，提高了轴承承载力和稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种高可靠性长寿命气体动压轴承，包括轴套1、止推板2、轴5和螺母4，轴同轴插装在轴套的轴孔内，轴的左右两端均安装一个止推板。轴套、止推板、螺母和轴采用同种材料，如A1、Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni、40Cr，并采用对称结构，可以保证环境温度变化时质心稳定。

本发明的创新点在于：轴套的左右两端面均嵌装粘接一个轴套端面磁环8形成一个整体，两个止推板的内侧壁均嵌装粘接一个止推板磁环7形成一个整体，该止推板磁环与轴套端面磁环相对设置。轴套的轴孔内壁的左右两端均嵌装粘接一个外磁环3形成一个整体，轴与轴套的轴孔内壁之间具有间隙，在轴的外表面嵌装粘接两个内磁环6形成一个整体，该两个内磁环与外磁环的位置相对应。止推板与轴肩配合并通过螺钉紧固。

上述的轴套端面磁环、止推板磁环、外磁环以及内磁环均采用同种永磁材料制成，如钕铁硼、钐钴等高矫顽力永磁材料。外磁环和内磁环采用径向充磁，且配合面为同种极性，即：使内磁环的外圆面和外磁环的内圆面具有相同的极性，这样内、外磁环产生径向力，使轴和轴套之间一直保持斥力。

止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁，且配合面为同种极性，即：使轴套端面磁环和止推板磁环对应面具有相同的极性，这样轴套端面磁环和止推板磁环产生径向力，使止推板和轴套之间一直保持斥力。在轴承停止时，无论电机也处于何种安置方式，均能实现无接触状态，解决了静止和低速下轴承的摩擦磨损问题；当轴承处于高速运转时，除了外磁环和内磁环产生的径向力，轴套端面磁环和止推板磁环产生的轴向力，气体动压轴承同时工作，使轴承的承载能力得到有效的提高，能够满足使用要求。

此外，外磁环和内磁环之间的极性与止推板磁环和轴套端面磁环之间的极性相反，这就使得单侧两对磁环形成闭合回路，增大磁环间斥力的同时，还减小了漏磁。

本发明的具体工作过程是：

当轴承静止时，外磁环3和内磁环6产生永磁斥力，在两对外磁环3和内磁环6永磁径向斥力作用下，轴套1和轴5处于相对稳定的隔离状态；止推板磁环7和轴套端面磁环8产生永磁斥力，在两对止推板磁环7和轴套端面磁环8产生永磁斥力作用下，止推板2和轴套1相对稳定的隔离状态，此时，不论电机如何放置，轴套1完全处于悬浮状态，没有任何接触。

当电机启动时，轴承开始转动，轴套1和轴5之间的气体薄膜压力升高，轴套1和止推板2之间气体薄膜压力也升高，气体动压轴承开始工作，在永磁轴承和气体动压轴承共同作用下，轴套1相对于轴5和止推板2高速稳定无接触运转。

在电机停止过程中，轴承的状态与启动过程正好相反，先是永磁轴承和气体动压轴承共同作用，保证轴套1相对于轴5和止推板2稳定高速无接触运转，渐渐停止，只剩下外磁环3和内磁环6产生永磁斥力，止推板磁环7和轴套端面磁环8产生永磁斥力，保证轴套1完全处于悬浮状态，没有任何接触。

在整个启动和停止过程中，轴套1始终处于悬浮状态，没有任何接触，不存在摩擦磨损问题，在正常工作过程中，高速运转的气体轴承提供了必要的刚度，永磁轴承的辅助支撑作用降低了轴承的角柔量，同时提高了可靠性。

Claims (3)

1.一种高可靠性长寿命气体动压轴承，包括轴套、止推板、轴和螺母，轴同轴插装在轴套的轴孔内，轴的左右两端均安装一个止推板，其特征在于：轴套的左右两端面均嵌装粘接一个轴套端面磁环，两个止推板的内侧壁均嵌装粘接一个止推板磁环，该止推板磁环与轴套端面磁环相对设置；轴套的轴孔内壁的左右两端均嵌装粘接一个外磁环，轴与轴套的轴孔内壁之间具有间隙，在轴的外表面嵌装粘接两个内磁环，该两个内磁环与外磁环的位置相对应；止推板与轴肩配合并通过螺钉紧固；

上述的轴套端面磁环、止推板磁环、外磁环以及内磁环均采用同种永磁材料制成，止推板磁环和轴套端面磁环采用轴向充磁，且配合面为同种极性；外磁环和内磁环采用径向充磁，且配合面为同种极性。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性长寿命气体动压轴承，其特征在于：所述的永磁材料是钕铁硼、钐钴等高矫顽力永磁材料。

3.根据权利要求1所述的一种高可靠性长寿命气体动压轴承，其特征在于：所述的外磁环和内磁环之间的极性与止推板磁环和轴套端面磁环之间的极性相反。