CN108374838B - 磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承包括一体化成型的支撑结构(1)，支撑结构(1)包括端板(2)和安装架(3)，安装架(3)设置在端板(2)的一侧，并从端板(2)的端面向远离该端面的方向延伸，安装架(3)上设置有定子安装位。根据本发明的磁悬浮轴承，能够消除或者减少磁悬浮轴承装配过程中的多重装配误差，提高磁悬浮轴承的运行精度。

Description

磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承系统的工作原理是磁悬浮轴承提供磁拉力支撑主轴，传感器检测主轴的实时位移，并将位移信号传递给控制器，控制器将传感器检测到的主轴实时位移信号进行处理后，通过数据分析判定磁悬浮主轴的轴心偏离运行中心的程度是否超出要求的运行范围，然后由控制器根据磁悬浮主轴的偏移情况发送相应的电流给磁悬浮轴承，将磁悬浮主轴从偏移的方向上拉回至要求的运行范围内，进而实现磁悬浮轴承系统的高精度稳定运行。

一种类型的磁悬浮轴承系统结构包括磁力轴承、保护结构和驱动结构，整个系统由一个外壳支撑，驱动结构、磁力轴承分别与外壳进行装配固定，保护结构与端盖固定后再与外壳装配固定，整个磁悬浮轴承系统要由多重装配定位方可完成，而多重装配定位会产生装配误差，装配误差会直接影响到磁悬浮轴承系统的控制及运行精度，另外这种结构需要有较长的磁悬浮主轴来支撑，而较长的磁悬浮主轴会降低主轴的固有频率和临界转速，拉低了整个磁悬浮轴承系统的转速极限。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种磁悬浮轴承，能够消除或者减少磁悬浮轴承装配过程中的多重装配误差，提高磁悬浮轴承的运行精度。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁悬浮轴承，包括一体化成型的支撑结构，支撑结构包括端板和安装架，安装架设置在端板的一侧，并从端板的端面向远离该端面的方向延伸，安装架上设置有定子安装位。

优选地，定子安装位包括多个极柱定位孔，多个极柱定位孔沿安装架的周向均匀排布。

优选地，定子安装位还包括绕组定位孔，绕组定位孔设置在极柱定位孔的径向外侧，并与极柱定位孔一一对应设置，绕组定位孔的截面积大于极柱定位孔的截面积。

优选地，支撑结构还包括多个传感器安装孔，多个传感器安装孔沿安装架的周向方向均匀排布；和/或，支撑结构还包括多个传感器安装孔，多个传感器安装孔沿安装架的轴向方向间隔排布。

优选地，多个传感器安装孔沿安装架的周向方向均匀排布时，多个传感器安装孔设置在安装架远离端板的一端。

优选地，磁悬浮轴承还包括控制器，控制器设置在支撑结构上。

优选地，安装架远离端板的一端设置有沿安装架的轴向凸出的轴向凸环，控制器套设在轴向凸环上，并固定在安装架上。

优选地，支撑结构还包括安装轴孔和保护结构。

优选地，保护结构包括径向凸环，径向凸环设置在安装轴孔的径向内侧，并沿安装轴孔的径向凸出于安装轴孔的内壁。

优选地，磁悬浮轴承还包括轴承定子，轴承定子包括拼接而成的极柱和导磁结构。

优选地，当定子安装位包括多个极柱定位孔时，极柱固定设置在极柱定位孔内。

优选地，轴承定子还包括骨架和绕组，骨架设置在极柱上，绕组通过骨架绕制在极柱上。

优选地，极柱上设置有止挡台阶，当定子安装位还包括绕组定位孔时，骨架的一端定位在绕组定位孔内，另一端通过极柱上的止挡台阶定位。

优选地，极柱固定在极柱定位孔内后，导磁结构套设在极柱的径向外侧，并与极柱过盈配合。

优选地，导磁结构为圆环形，导磁结构的外圆直径小于端板的外圆直径。

本发明提供的磁悬浮轴承，包括一体化成型的支撑结构，支撑结构包括端板和安装架，安装架设置在端板的一侧，并从端板的端面向远离该端面的方向延伸，安装架上设置有定子安装位。在该磁悬浮轴承中，将端板和定子安装位集成在一个整体式的支撑结构上，因此在安装轴承定子时，可以直接将轴承定子安装在支撑结构上，无需设置单独的轴承定子安装结构，因此能够减少装配次数，降低或者消除多种装配定位产生的装配误差。由于端板和定子安装位集成为一体化结构，因此在进行加工时，可以通过对支撑结构的定位尺寸特征进行一次性装夹加工，使加工出来的尺寸精度和形位公差均可以得到保证，这样就可以改善因多重装配定位产生的装配误差对磁悬浮轴承系统运行精度的影响，提高磁悬浮轴承的运行精度。由于端板和定子安装位集成为一体化结构，因此端板和定子安装位之间无需预留装配间隙，且可以对定子安装位的轴向长度进行一定的优化，从而从磁悬浮轴承的轴向大幅度缩减磁悬浮轴承的长度，进而使磁悬浮主轴的长度大幅度缩减，提高主轴的固有频率和临界转速，提升整个磁悬浮系统的转速极限。

附图说明

图1为本发明实施例的磁悬浮轴承的第一剖视结构示意图；

图2为本发明实施例的磁悬浮轴承的第二剖视结构示意图；

图3为本发明实施例的磁悬浮轴承的支撑结构的立体结构图；

图4为本发明实施例的磁悬浮轴承的极柱与骨架配合的结构示意图；

图5为本发明实施例的磁悬浮轴承的右视结构示意图。

附图标记表示为：

1、支撑结构；2、端板；3、安装架；4、极柱定位孔；5、绕组定位孔；6、传感器安装孔；7、控制器；8、轴向凸环；9、安装轴孔；10、径向凸环；11、极柱；12、导磁结构；13、骨架；14、绕组；15、止挡台阶；16、传感器。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，磁悬浮轴承包括一体化成型的支撑结构1，支撑结构1包括端板2和安装架3，安装架3设置在端板2的一侧，并从端板2的端面向远离该端面的方向延伸，安装架3上设置有定子安装位。优选地，端板2为圆柱形，安装架3为与端板2同轴设置的圆筒形。

在该磁悬浮轴承中，将端板2和定子安装位集成在一个整体式的支撑结构1上，因此在安装轴承定子时，可以直接将轴承定子安装在支撑结构1上，无需设置单独的轴承定子安装结构，因此能够减少装配次数，降低或者消除多种装配定位产生的装配误差。由于端板2和定子安装位集成为一体化结构，因此在进行加工时，可以通过对支撑结构1的定位尺寸特征进行一次性装夹加工，使加工出来的尺寸精度和形位公差均可以得到保证，这样就可以改善因多重装配定位产生的装配误差对磁悬浮轴承系统运行精度的影响，提高磁悬浮轴承的运行精度。由于端板2和定子安装位集成为一体化结构，因此端板2和定子安装位之间无需预留装配间隙，且可以对定子安装位的轴向长度进行一定的优化，从而从磁悬浮轴承的轴向大幅度缩减磁悬浮轴承的长度，进而使磁悬浮主轴的长度大幅度缩减，提高主轴的固有频率和临界转速，提升整个磁悬浮系统的转速极限。

支撑结构1可以由非导磁材料机加工或浇注而成。

定子安装位包括多个极柱定位孔4，多个极柱定位孔4沿安装架3的周向均匀排布。该极柱定位孔4能够为轴承定子的极柱11的安装提供安装位，从安装架3的轴向、轴向和径向方向对极柱11进行定位，从而使得极柱11的安装定位位于安装架3上，无需单独设置极柱11的安装结构，减少了装配零件的个数，降低了装配次数，减小了装配误差。

定子安装位还包括绕组定位孔5，绕组定位孔5设置在极柱定位孔4的径向外侧，并与极柱定位孔4一一对应设置，绕组定位孔5的截面积大于极柱定位孔4的截面积，从而使得绕组定位孔5与极柱定位孔4形成面积逐渐减小的台阶孔。由于绕组14是绕制在极柱11外的，因此可以通过绕组定位孔5与极柱定位孔4形成的台阶孔分别对绕组14和极柱11形成定位，使得绕组14和极柱11均能够安装固定在安装架3上，使得支撑结构1能够同时承担绕组14和极柱11的定位和支撑作用，省去单独的支撑结构，省去这些单独的支撑结构之间进行配合时的装配定位，无需预留装配间隙，也无需考虑单独设置支撑结构时所需的装配长度，从而降低装配误差，提高装配精度，减小磁悬浮轴承的轴向长度。

支撑结构1还包括多个传感器安装孔6，多个传感器安装孔6沿安装架3的周向方向均匀排布。通过沿安装架3的周向方向均匀设置多个传感器安装孔6，能够沿周向方向设置多个传感器16，从而对主轴的径向位移进行实时检测。优选地，传感器安装孔6为四个，且沿安装架3的周向方向均匀排布，从而使得四个传感器安装孔6分成两组，每组的两个传感器安装孔6位移安装架3的同一直径的两端，两组传感器安装孔6所在的直径垂直相交。

支撑结构1还包括多个传感器安装孔6，多个传感器安装孔6沿安装架3的轴向方向间隔排布，可以使传感器16对轴向检测面的轴向位移进行实时检测。周向设置的传感器16和轴向设置的传感器16组合使用对磁悬浮主轴进行实时检测，能够对磁悬浮主轴实现+X，+Y，-X，-Y，Z五个自由度的稳定悬浮支撑。此处的Z轴方向为安装架3的中心轴线方向，+X，+Y，-X，-Y为垂直于安装架3的中心轴线的平面内，以安装架3的中心轴线为原点的四个方向，+X与-X位于同一直线上，+Y与-Y位于同一直线上，且两条直线相互垂直。传感器16镶嵌在支撑结构1的传感器安装孔6内。传感器16例如为位移传感器。

优选地，多个传感器安装孔6沿安装架3的周向方向均匀排布时，多个传感器安装孔6设置正在安装架3远离端板2的一端。

磁悬浮轴承还包括控制器7，控制器7设置在支撑结构1上。控制器7的作用是将传感器16检测到的主轴实时位移信号进行处理后，通过数据分析后判定磁悬浮主轴的轴心偏离运行中心是否超出设置的运行范围，然后由控制器根据磁悬浮主轴实时的偏移情况，发送相应的电流给磁悬浮轴承，将磁悬浮主轴从偏移的方向上拉回至设置的运行范围内，进而实现磁悬浮轴承系统的高精度稳定运行。将控制器7设置在支撑结构1上，相对于控制器7外置在外壳外的结构而言，可以使数字信号和电信号的传输距离大大减少，传输距离的减少就意味着信号传递时的失真度和传输时间大大减少，可以大大提高磁悬浮轴承系统的控制及运行精度。

安装架3远离端板2的一端设置有沿安装架3的轴向凸出的轴向凸环8，控制器7套设在轴向凸环8上，并固定在安装架3上。传感器16和控制器7均设置在安装架3远离端板2的一端，且传感器16和控制器7相邻设置，能够进一步缩短数字信号和电信号的传输距离，提高磁悬浮轴承系统的控制及运行精度。控制器7可以卡接固定在轴向凸环8上，也可以通过螺栓连接等方式固定连接在轴向凸环8上。通过设置轴向凸环8，可以将控制器7的安装结构也集成在支撑结构1上，从而进一步提高支撑结构1的集成度，减少装配零件的个数，降低装配次数，减小装配误差，提高装配精度。

支撑结构1还包括安装轴孔9和保护结构，保护结构包括径向凸环10，径向凸环10设置在安装轴孔9的径向内侧，并沿安装轴孔9的径向凸出于安装轴孔9的内壁。保护结构的主要作用为防止磁悬浮轴承的转子失稳时与轴承定子直接接触，因此保护结构的内径要略小于安装轴孔9的内径。优选地，保护结构也可以包括支撑轴承，该支撑轴承设置在磁悬浮主轴与安装轴孔9之间，从而防止磁悬浮轴承的转子失稳时与轴承定子直接接触。

磁悬浮轴承还包括轴承定子，轴承定子包括拼接而成的极柱11和导磁结构12。极柱11和导磁结构12拼接而成，因此两者不是一体结构，在进行加工时可以单独进行加工，降低了轴承定子的加工难度，提高了轴承定子的加工效率。由于两者拼接而成，因此可以首先安装极柱11，之后安装导磁结构12，能够简化安装结构，降低安装难度。导磁结构12是由导磁材料制作而成，可以与极柱11组合成完整的轴承定子铁芯，二者与磁悬浮主轴共同构成完整的磁回路。

当定子安装位包括多个极柱定位孔4时，极柱11固定设置在极柱定位孔4内。极柱定位孔4的形状与极柱11的形状相匹配，使得极柱定位孔4与极柱11之间形成良好的安装固定效果。

轴承定子还包括骨架13和绕组14，骨架13设置在极柱11上，绕组14通过骨架13绕制在极柱11上。极柱11是由导磁材料叠压而成，绕组14通过骨架13绕置在极柱11上，三者组合构成一个完整的磁极。

在本实施例中，极柱11上设置有止挡台阶15，当定子安装位还包括绕组定位孔5时，骨架13的一端定位在绕组定位孔5内，另一端通过极柱11上的止挡台阶15定位。止挡台阶15能够与绕组定位孔5配合，对骨架13在极柱11上的安装位置进行有效定位，保证绕组14设置位置的准确性，并保证绕组14设置结构的稳定性。

极柱11固定在极柱定位孔4内后，导磁结构12套设在极柱11的径向外侧，并与极柱11过盈配合。由于极柱11与导磁结构12为分开成型，因此可以在对每个极柱11完成绕组14的绕制之后，将每个极柱11定位在相应的极柱定位孔4内，之后进行导磁结构12的装配。此种结构使得绕组14的绕制不用受到轴承定子的结构限制，降低了绕组14的绕制难度，提高了绕制效率。

导磁结构12为圆环形，导磁结构12的外圆直径小于端板2的外圆直径。在将该磁悬浮轴承安装在相应的设备内时，可以通过端板2与设备的轴承安装位进行定位装配，缩短定位面长度，避免二者因外圆同轴度的差异产生过定位的现象。

磁悬浮轴承系统会使磁悬浮主轴在设置的悬浮中心μm级的范围内稳定运行，理论上磁悬浮主轴位于磁悬浮轴承定子的机械中心位置上时，磁悬浮轴承系统能够以最小的控制电流实现对主轴的稳定悬浮，本申请的磁悬浮轴承结构是将轴承定子、传感器16、控制器7及保护结构集成为一个独立的结构单元，通过一个一体式结构的支撑结构1承担了对整个一体式磁悬浮轴承系统所包含的零件的支撑作用。这种独立的结构单元可以消除因轴承定子、传感器、保护结构之间多重装配定位产生的装配误差，使磁悬浮主轴的机械中心位置与磁悬浮轴承的机械中心位置接近重合，提高磁悬浮轴承系统的控制及运行精度；还可以从轴向尺寸上大幅度缩减磁悬浮主轴的长度，长度的缩减可以提高磁悬浮主轴的刚度，刚度的提升可以使磁悬浮主轴的固频及临界转速提高，进而提升整个系统转速极限，而且主轴长度的缩减还可以缩减磁悬浮轴承系统设备的体积；控制器7与传感器16集成在支撑结构1上，可以使传感器16与控制器7之间的信号传输距离大幅度缩减，让信号的失真度尽可能降到最低，使磁悬浮轴承系统的控制及运行精度提高。

在进行磁悬浮轴承的装配时，首先用多片规定形状的导磁材料叠压成规定厚度的极柱11，将骨架13布置在叠压好的极柱11上，把绕组14绕置在布置好的骨架13上，再将绕置好绕组14的极柱11装配在支撑结构1上，由支撑结构1对每个极柱进行轴向、径向和周向定位，极柱定位孔4尤其是在径向方向上保证所有极柱的齿顶圆弧拼成的圆的圆心与支撑结构1的内圆圆心重合，保证二者的同轴度，将导磁结构12与极柱11的外圆进行过盈装配，且导磁结构12的外圆略小于支撑结构1的外圆，利用支撑结构1的外圆进行磁悬浮轴承装配时的定位。

之后将传感器16布置在已经加工好的支撑结构1的传感器安装孔6内，传感器探头自身无法直接与其他零件进行装配，需将其固定在传感器支架或其他可直接进行装配的零件上后才可固定，常见的是采用将轴承定子置于一个支撑壳体内，在该壳体上加工出各种定位台阶圆，其中就包括传感器支架的定位圆、轴承定子铁芯的定位圆等，这种方案导致整个的磁悬浮轴承定子总成(不包含控制器)的体积很大，而利用支撑结构1取代原轴承定子的支撑壳体，将支撑结构同时作为传感器的支架，并把其余的定位和保护特征整合到支撑结构1上，不仅可以省去单独的传感器支架，减少一次装配定位，而且因支撑结构1的内圆、外圆和保护结构以及其他的定位尺寸特征均可通过一次性装夹加工出来，使得加工出来的尺寸精度和形位公差均可以得到保证，这样就可以消除因多重装配定位产生的装配误差对磁悬浮轴承系统的控制及运行精度的影响，除此之外，利用支撑结构1取代原轴承定子的支撑壳体，还可以在轴向和径向上大幅缩减磁悬浮轴承定子总成的尺寸，进而缩小压缩机的尺寸，压缩机的轴向尺寸缩小后，压缩机主轴的轴向尺寸也会随之减小，而主轴的固有频率反比于主轴的轴向长度尺寸，缩短了主轴的轴向长度尺寸就可以提高主轴的固有频率和临界转速，进而提升整个磁悬浮系统的转速极限，使得整个磁悬浮系统的性能得到提升。

最后将高度集成的控制器7装配到支撑结构1上，与已经布置完成的传感器16对接。现有方案采用的是控制器外置的方式，传感器采集到的数字信号需经过一定长度的传输距离发送到控制器，控制器将信号处理过后又需要通过一定长度的传输距离将电信号发送给轴承，将控制器内置装配到支撑结构上可以使数字信号和电信号的传输距离大大减少，传输距离的减少就意味着信号传递时的失真度和传输时间大大减少，可以大大提高磁悬浮轴承系统的控制及运行精度。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种磁悬浮轴承，其特征在于，包括一体化成型的支撑结构（1），所述支撑结构（1）包括端板（2）和安装架（3），所述安装架（3）设置在所述端板（2）的一侧，并从所述端板（2）的端面向远离该端面的方向延伸，所述安装架（3）上设置有定子安装位；所述安装架（3）为圆柱形，所述定子安装位包括多个极柱定位孔（4），多个所述极柱定位孔（4）沿所述安装架（3）的周向均匀排布；所述定子安装位还包括绕组定位孔（5），所述绕组定位孔（5）设置在所述极柱定位孔（4）的径向外侧，并与所述极柱定位孔（4）一一对应设置，所述绕组定位孔（5）的截面积大于所述极柱定位孔（4）的截面积；绕组（14）位于安装架（3）背向转子的一侧，且所述端板（2）的直径大于所述安装架（3）的直径。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述支撑结构（1）还包括多个传感器安装孔（6），所述多个传感器安装孔（6）沿所述安装架（3）的周向方向均匀排布；和/或，所述支撑结构（1）还包括多个传感器安装孔（6），所述多个传感器安装孔（6）沿所述安装架（3）的轴向方向间隔排布。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述多个传感器安装孔（6）沿所述安装架（3）的周向方向均匀排布时，所述多个传感器安装孔（6）设置在所述安装架（3）远离所述端板（2）的一端。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承还包括控制器（7），所述控制器（7）设置在所述支撑结构（1）上。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述安装架（3）远离所述端板（2）的一端设置有沿所述安装架（3）的轴向凸出的轴向凸环（8），所述控制器（7）套设在所述轴向凸环（8）上，并固定在所述安装架（3）上。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述支撑结构（1）还包括安装轴孔（9）和保护结构。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述保护结构包括径向凸环（10），所述径向凸环（10）设置在所述安装轴孔（9）的径向内侧，并沿所述安装轴孔（9）的径向凸出于所述安装轴孔（9）的内壁。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承还包括轴承定子，所述轴承定子包括拼接而成的极柱（11）和导磁结构（12）。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承，其特征在于，当所述定子安装位包括多个极柱定位孔（4）时，所述极柱（11）固定设置在所述极柱定位孔（4）内。

10.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴承定子还包括骨架（13）和绕组（14），所述骨架（13）设置在所述极柱（11）上，所述绕组（14）通过所述骨架（13）绕制在所述极柱（11）上。

11.根据权利要求10所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述极柱（11）上设置有止挡台阶（15），当所述定子安装位还包括绕组定位孔（5）时，所述骨架（13）的一端定位在所述绕组定位孔（5）内，另一端通过所述极柱（11）上的止挡台阶（15）定位。

12.根据权利要求9所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述极柱（11）固定在所述极柱定位孔（4）内后，所述导磁结构（12）套设在所述极柱（11）的径向外侧，并与所述极柱（11）过盈配合。

13.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述导磁结构（12）为圆环形，所述导磁结构（12）的外圆直径小于所述端板（2）的外圆直径。