CN106321633B - 一种新型混合磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种新型混合磁悬浮轴承。包括转轴、永磁径向轴承、辅助调节装置、保护弹簧、保护销。利用永磁径向轴承提供偏置磁场产生较大的径向悬浮力；所述辅助调节装置由轴向电磁轴承、压缩弹簧、滚动轴承、滚动轴承衬套、轴承透盖、隔离挡圈组成。系统正常工作时，辅助调节装置起到调整转子径向位置的作用；系统意外断电时，辅助调节装置起到辅助支撑的作用。本发明专利提高了磁悬浮轴承的支撑性能和控制可靠性；减小了跌落磨损，延长了辅助轴承的使用寿命；使磁悬浮轴承结构紧凑，提高了空间利用率；降低了成本。

Description

一种新型混合磁悬浮轴承

技术领域

发明涉及一种新型混合磁悬浮轴承。属于电磁自动化设备研究领域。

背景技术

磁悬浮轴承是利用磁力使转子悬浮的无接触式轴承，较之于一般轴承其具有无摩擦，无需润滑，转子位移精度高，可支撑转速高，寿命长，转动性能可控等优势。磁悬浮轴承保护轴承又叫辅助轴承或安全轴承，是在外界冲击、振动加剧和电磁轴承故障等突发状况下，为避免转轴与电磁轴承直接接触进行临时支撑，以起到对电磁轴承和转子的保护作用。目前，保护轴承多采用固定间隙的滚动轴承。采用有间隙的辅助轴承会导致转子跌落后转轴不对中，因此会产生附加力矩。该力矩就是引起转子振动的激励力。加之高速转子较大的离心力，转子与轴承内圈的碰撞和摩擦会加速转子和轴承的磨损，降低轴承寿命，大的冲击和碰撞甚至致使机组运行性能恶化。另外，目前电磁轴承多采用无机械接触的电磁场力来控制转子的位置，控制鲁棒性差，超高速运转下对控制系统要求很高，经济性差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单紧凑、成本低且能够提高磁悬浮轴承支撑性能和控制可靠性、减小了跌落磨损，延长了辅助轴承的使用寿命的新型混合磁悬浮轴承。

本发明采用的技术方案是：包括转轴、径向永磁轴承、辅助调节装置。所述转轴由两个径向永磁轴承支撑，两个辅助调节装置安装在两个径向永磁轴承外侧；所述径向永磁轴承包括永磁转子和定子；所述辅助调节装置包括推力盘、压缩弹簧、轴向定子、励磁线圈、滚动轴承、轴承衬套、安全弹簧、安全销、轴承端盖和隔离挡圈。所述推力盘固定连接在转轴上，压缩弹簧安装在推力盘与轴向定子之间；所述励磁线圈绕在轴向定子中，轴向定子内径加工出齿与转轴上的齿槽相互配合，随转轴同速转动；所述滚动轴承内径与轴向定子外径过盈连接，轴承衬套热套在滚动轴承外径上；所述轴承透盖装配在靠近转轴端部一侧；所述隔离挡圈装配在靠近径向磁轴承一侧用以隔离径向和轴向的磁路。

上述的新型混合磁悬浮轴承中，所述的两个轴向定子布置于两个推力盘的内侧；

上述的新型混合磁悬浮轴承中，所述的斜面衬套呈锥台形，斜面衬套的小端相对设置。轴承端盖通过螺钉连接在衬套的大端面上。

上述的新型混合磁悬浮轴承中，所述的安全销通过安全弹簧连接在轴向定子的孔内，所述安全销采用永磁体材料。通电时，安全销受电磁力吸引收缩进轴向定子的孔内，此时弹簧处于压缩状态；断电时，在弹簧力作用下，安全销弹出。

上述的新型混合磁悬浮轴承中，所述的转轴在与轴向定子连接的轴段处需要加工出连接槽；辅助调节装置达到辅助支撑位置处所对应安全销位置处需要加工出安全孔。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

本发明专利可以通过永磁径向轴承提供偏置磁场产生较大的径向悬浮力；辅助调节装置在系统正常工作时起到调整转子径向位置的作用，利用机械的间断接触调整代替磁场力控制，简化了控制系统，提高了系统的控制鲁棒性；在系统意外断电时，辅助调节装置起到辅助支撑的作用，斜面接触的自动调心性减小了转轴由于附加力矩而产生的不平衡振动，有利于提高了整机在转子跌落过程中的运行性能；另外，辅助调节装置中的滚动轴承外圈采用不对称结构，能转轴高速运转时保持静止，避免了结合面的动静接触，这不但使得调整轴承能高效控制转子位置而且有效减小了转子由高速旋转状态下断电跌落造成的剧烈磨损；辅助调节装置即可以起调节作用又可以做辅助支撑，系统的结构更简单、紧凑，易于安装调整，灵活度高，经济性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的控制流程图。

图3是本发明的转轴极限状态下辅助轴承轴向支撑原理图。

图4是本发明的转轴任意状态下辅助轴承轴向支撑原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利作进一步说明。

如图1所示，一种新型混合磁悬浮轴承包括转轴1、轴承透盖2、推力盘3、压缩弹簧4、定子线圈5、轴向定子6、滚动轴承7、轴承衬套8、安全销9、安全弹簧10、隔离挡圈11、永磁转子12、铜环13、永磁定子14。所述永磁转子12，铜环13，永磁定子14组成径向永磁轴承；所述轴承端盖2，推力盘3，压缩弹簧4，定子线圈5，轴向定子6，滚动轴承7，轴承衬套8，安全销9，安全弹簧10，隔离挡圈11组成辅助调节装置；所述转轴1由两个径向永磁轴承悬浮支撑，两外侧分别安装一个辅助调节装置。辅助调节装置沿转轴端部到中部的方向依次安装有，推力盘3，压缩弹簧4，轴向定子6，隔离挡圈11。所述推力盘3固定连接在转轴上，所述轴向定子6可以在转轴上轴向移动，所述压缩弹簧4两边分别连接推力盘3和轴向定子6，通电时，利用电磁引力与弹簧斥力相平衡来调节轴向定子6的轴向位移。所述定子线圈5绕在轴向定子6中。所述滚动轴承7与轴向定子6外径过盈连接，所述轴承衬套8与滚动轴承7外径过盈连接，斜面衬套8呈锥台形，两斜面衬套8的小端相对设置，轴承衬套的大端与轴承透盖通过螺钉连接。所述隔离挡圈11通过螺钉连接在轴向定子上，同时起到隔离磁路和定位滚动轴承的作用。所述安全销9通过安全弹簧10连接在轴向定子6的孔中，通电时，安全销受磁力吸引收缩到孔内，安全弹簧压缩，断电时，磁力消失，安全销在压缩弹簧作用下弹出，插入转轴上的安全孔后，系统能够稳定可靠的支撑转子。

图2为本专利的控制流程图。本发明专利的控制流程如下：

通电时，轴向电磁铁得电，使两个辅助调节装置支撑距离变大，辅助调节装置的轴承衬套与定子内圈脱离接触；高速旋转时，位移传感器感应转子时实位置，通过控制器输出控制电流到轴向磁轴承的电磁铁，辅助调节装置的电磁铁对推力盘产生的电磁引力与压力弹簧对推力盘产生的斥力相平衡，使辅助调节装置中的轴承衬套支撑面达到预计的支撑位置，实现对转子位置的辅助调节；断电时，轴向电磁铁失电，辅助调节装置在压力弹簧作用下向内靠拢，与此同时，安全销失去磁力，在保护弹簧的作用下弹出，当轴承衬套与永磁轴承定子内圈表面紧密接触时，定位销插入转轴安全孔内，固定辅助调整轴承机构在轴向的相对位置，实现稳定的辅助支撑。恢复电力时，定位销在磁力作用下回缩，轴向电磁铁得电使轴承衬套与定子内圈接触脱离接触，进入正常的运转调节状态。

本发明的辅助轴承轴向支撑原理如下：

图3、4为辅助轴承轴向支撑原理图，图3为辅助轴承最大轴向移动位置；图4为转轴任意状态下的支撑位置。图中1为定子铁心，2为转轴，3为可轴向移动的辅助支撑。

已知左右两个磁轴承之间距离为L0，支撑斜面角度，最大间隙C0，辅助轴承支撑高度h

接触衬套长度

完全支撑位置

转轴极限位置下极限位置下：

最大转角

定子斜面长度

最大轴向移动距离

转轴任意状态下：

由位移传感器测得左右两边磁悬浮轴承处转子位置分别为（x1，y1），（x2，y2）；

则有：，

两磁轴承轴面之间转子的长度为

转子位置，

辅助轴承移动位置

受力分析：

任意状态下：

弹簧力

初始弹簧压缩长度，Z为任意状态弹簧压缩长度

电磁力

线圈匝数，A有效电磁面积，初始轴向气隙，Z辅助轴承轴向位移

控制电磁铁电流大小使辅助轴承到达任意位置的理想支撑位置，可以认为辅助轴承与定子接触属于完全弹性接触，只改变转子速度方向，有

控制电流

当转子达到稳定状态时：

电磁力转子质量为

控制电流

Claims (4)

1.一种混合磁悬浮轴承，其特征是：包括转轴、永磁径向轴承、辅助调节装置、保护弹簧、保护销；一对所述永磁径向轴承安装在所述转轴的轴上固定位置，两个所述辅助调节装置安装于两永磁径向轴承外侧，并且可以实现轴向移动；所述辅助调节装置包括轴向电磁轴承、压缩弹簧、滚动轴承、滚动轴承衬套、轴承透盖、隔离挡圈；所述轴向电磁轴承包括推力盘、轴向定子和励磁线圈，所述推力盘固定在所述转轴上，所述励磁线圈缠绕在所述轴向定子槽内，所述轴向定子位于所述永磁径向轴承和所述推力盘之间，轴向定子内径加工出一对齿与所述转轴上的齿槽相配合；所述压缩弹簧位于推力盘和轴向定子之间；所述滚动轴承内径与所述轴向定子外径过盈配合，所述滚动轴承随所述轴向定子轴向移动。

2.根据权利要求1所述的一种混合磁悬浮轴承，其特征是：所述滚动轴承衬套呈锥台形，大端向外热套于滚动轴承外径上，两个轴承衬套小端相对布置，斜面为与所述径向永磁轴承定子内圈斜面接触的工作面；所述轴承透盖通过螺钉与轴承衬套大端相连，所述隔离挡圈位于所述轴向定子和径向永磁轴承之间，通过螺钉与所述轴向定子相连。

3.根据权利要求1所述的一种混合磁悬浮轴承，其特征是：所述安全弹簧和安全销位于所述轴向定子内径孔内，通电时所述安全销受电磁力吸引收缩于孔内，断电时磁力消失，受所述安全弹簧力作用，弹出孔外，插入所述转轴事先加工出的孔中。

4.根据权利要求1所述的一种混合磁悬浮轴承，其特征是：滚动轴承的外圈采用不对称结构，转子高速运行时，滚动轴承外圈保持静止，工作结合面无动静接触。