CN108443320A - 一种变刚度径向永磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承技术领域，特别涉及一种变刚度径向永磁轴承，包括径向永磁轴承内环，径向永磁轴承内环的外部设有径向永磁轴承外环，径向永磁轴承外环固定在设备的机架上，径向永磁轴承内环设置在设备的旋转主轴上，旋转主轴一端固定有轴端堵头，径向永磁轴承内环由若干个内环组块拼合而成，内环组块在轴端堵头上周向阵列，内环组块可沿轴端堵头径向滑动，内环组块上设有防止其从堵头上滑出的弹性限位结构，内环组块与径向永磁轴承外环均为径向充磁，且两者的充磁方向相对，内环组块与径向永磁轴承外环所组成的永磁轴承为斥力型径向轴承，内环组块与径向永磁轴承外环之间留有间隙，所述间隙形成径向永磁轴承的径向气隙。

Description

一种变刚度径向永磁轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，特别涉及一种变刚度径向永磁轴承。
背景技术
在离心机、涡轮机、储能飞轮等高速旋转机械中，为了提高效率，常常工作在超临界状态下，学界通常把工作转速低于转子本身的固有频率，而又运行在轴系低阶固有频率以上的轴系称为“亚临界轴系”。
众所周知，为使“亚临界轴系”安全平稳地运转，应保证轴系的工作转速远离轴系的临界转速(或固有频率)，所以设计人员在设计轴系时，希望工作转速之下的临界转速越低越好，而工作转速以上的临界转速越高越好。一个轴系临界转速的高低与支承轴承的刚度息息相关，刚度小临界转速就低，刚度大临界转速就高。现有轴系支承轴承提供刚度要么是一个近似常数，要么随着振动幅值的改变而改变，而越过了低阶临界转速之后的轴系振动量非常小，故轴系的支承刚度也不大。这样轴系的工作转速范围小。
发明内容
为了解决现有技术存在的轴系工作转速范围小的问题，本发明提供增大轴系工作转速范围的变刚度径向永磁轴承。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种变刚度径向永磁轴承，包括径向永磁轴承内环，所述的径向永磁轴承内环的外部设有径向永磁轴承外环，所述的径向永磁轴承外环固定在设备的机架上，所述的径向永磁轴承内环设置在设备的旋转主轴上，所述的旋转主轴一端固定有轴端堵头，所述的径向永磁轴承内环由若干个内环组块拼合而成，所述的内环组块在轴端堵头上周向阵列，所述的内环组块可沿轴端堵头径向滑动，所述的内环组块上设有防止其从堵头上滑出的弹性限位结构，所述的内环组块与径向永磁轴承外环均为径向充磁，且两者的充磁方向相对，内环组块与径向永磁轴承外环所组成的永磁轴承为斥力型径向轴承，内环组块与径向永磁轴承外环之间留有间隙，所述间隙形成径向永磁轴承的径向气隙。
进一步的，所述的旋转主轴和轴端堵头一体化成型。
进一步的，所述的轴端堵头沿径向方向设有燕尾槽，所述的燕尾槽中嵌有滑动轴承座，所述的内环组块固定在滑动轴承座上。
进一步的，所述的滑动轴承座设有与燕尾槽形状相匹配的梯形导轨，所述的梯形导轨在燕尾槽中滑动。
进一步的，所述的弹性限位结构为套在滑动轴承座外部的若干弹性限位环，所述的弹性限位环沿滑动轴承座轴向间隔设置。
优选的，所述的限位弹性限位环为SMA丝。
进一步的，所述的滑动轴承座外壁设有用于容纳SMA丝的弧形凹槽，所述的弧形凹槽的第一中心线直径大于SMA丝的第二中心线直径。
进一步的，轴端堵头的材料为绝磁材料铁素体不锈钢，滑动轴承座的材料为45号钢，所述的内环组块材料和径向永磁轴承外环材料均为Nd-Fe-B,牌号为N40。
进一步的，SMA丝材料为Ni-Ti合金，SMA丝直径为1～3mm。
优选的，所述的内环组块个数为8个。
有益效果：
旋转主轴在工作时，八个内环组块与滑动轴承座会受到离心力的作用，通过合理设置SMA丝的直径与数量，当转子运行在工作转速以下，即需要越过低阶临界转速时，作用在滑动轴承座上径向力(来自SMA丝的预紧力)大于离心力，内环组块静止不动；当转轴转速越过低阶临界转速之后，作用在内环组块上的离心力逐渐增大，大于SMA丝的作用力时，滑动轴承座带动内环组块将沿轴端堵头的径向方向向外移动，转速越高移动距离越大，径向气隙值也就越小，轴承提供的径向刚度也将越大，使得轴系工作转速以上的高阶临界转速提高，进而提高轴系的工作转速范围、运转的安全性与稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的变刚度径向永磁轴承结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的变刚度径向永磁轴承的俯视图；
图4为滑动轴承座在轴端堵头上的安装示意图；
图5为本发明滑动轴承座的结构示意图；
图6为本发明SMA丝的结构示意图。
其中，1、旋转主轴，2、内环组块，3、径向永磁轴承外环，4、轴端堵头，5、SMA丝，51、第一中心线，6、滑动轴承座，61、第二中心线。
具体实施方式
如图1-6，一种变刚度径向永磁轴承,包括径向永磁轴承内环，径向永磁轴承内环的外部设有径向永磁轴承外环3，径向永磁轴承外环3固定在设备的机架上，径向永磁轴承内环设置在设备的旋转主轴1上，旋转主轴1一端固定有轴端堵头4，径向永磁轴承内环由若干个内环组块2拼合而成，内环组块2在轴端堵头4上周向阵列，内环组块2可沿轴端堵头4径向滑动，内环组块2上设有防止其从堵头上滑出的弹性限位结构，内环组块2与径向永磁轴承外环3均为径向充磁，且两者的充磁方向相对，内环组块2与径向永磁轴承外环3所组成的永磁轴承为斥力型径向轴承，内环组块2与径向永磁轴承外环3之间留有间隙，所述间隙形成径向永磁轴承的径向气隙。本实施例中，内环组块2个数为8个。永磁体抵抗环向拉应力的能力低，故径向永磁轴承内环采用八个内环组块2组合而成，将拉应力分散，可大幅降低磁性材料在高速转动时所承受的环向拉应力，使之能在很高的转速下安全工作,内环组块2采用径向充磁，材料为Nd-Fe-B，牌号N40,径向永磁轴承外环3采用径向充磁，材料为Nd-Fe-B，牌号N40。
旋转主轴1和轴端堵头4一体化成型。轴端堵头4沿径向方向设有燕尾槽，燕尾槽中嵌有滑动轴承座6，内环组块2固定在滑动轴承座6上。为使安装在其上的滑动轴承座6运动自如，轴端堵头4采用绝磁材料制成，譬如，不锈钢或铜、铝合金，但不限于此，也可以采用其它绝磁材料，本发明中，轴端堵头4的材料为绝磁材料铁素体不锈钢。
滑动轴承座6设有与燕尾槽形状相匹配的梯形导轨，梯形导轨在燕尾槽中滑动。滑动轴承座6和内环组块2数量一致。滑动轴承座6采用通磁材料加工而成，本发明中，滑动轴承座6的材料为45号钢。
弹性限位结构也可以是内环组块2一一对应设置的弹簧，弹簧一端连接在轴端堵头4的中心位置，另一端和滑动轴承座6的内侧相连。本发明中，弹性限位结构为套在滑动轴承座6外部的若干弹性限位环，所述的弹性限位环沿滑动轴承座6轴向间隔设置。弹性限位环可以为橡胶环，但作为优选，本发明的弹性限位环为SMA丝5，即形状记忆合金丝，形状记忆合金是一种智能材料，具有超弹性特性，可获得高达8％的可逆回复应变，SMA丝5材料为Ni-Ti合金，SMA丝5直径为1～3mm。
滑动轴承座6外壁设有用于容纳SMA丝5的弧形凹槽，弧形凹槽的第一中心线51直径大于SMA丝5的第二中心线61直径。这样SMA丝5安装在弧形凹槽上时承受一定量的拉应力，对滑动轴承座6产生一定的预紧力。
本发明的工作原理如下：
旋转主轴1在工作时，八个内环组块2与滑动轴承座6会受到离心力的作用，通过合理设置SMA丝5的直径与数量，当转子运行在工作转速以下，即需要越过低阶临界转速时，作用在滑动轴承座6上径向力(来自SMA丝5的预紧力)大于离心力，内环组块2静止不动；
当转轴转速越过低阶临界转速之后，作用在内环组块2上的离心力逐渐增大，大于SMA丝5的作用力时，滑动轴承座6带动内环组块2将沿轴端堵头4的径向方向向外移动，转速越高移动距离越大，径向气隙值h2也就越小，斥力变大。
刚度K＝P/δ(1)
其中，P是作用于结构的恒力，δ是由于力而产生的形变；
两端支承圆盘的固有频率
其中，k为支承刚度，m为圆盘质量，
公式(2)参见国防工业出版社出版、顾家柳编著的《转子动力学》P20-21页。
综合公式(1)-(2)，径向气隙值减小，斥力变大，轴承提供的径向刚度也将变大，固有频率越高，使得轴系工作转速以上的高阶临界转速提高，进而提高轴系的工作转速范围、运转的安全性与稳定性。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：包括径向永磁轴承内环，所述的径向永磁轴承内环的外部设有径向永磁轴承外环(3)，所述的径向永磁轴承外环(3)固定在设备的机架上，所述的径向永磁轴承内环设置在设备的旋转主轴(1)上，所述的旋转主轴(1)一端固定有轴端堵头(4)，所述的径向永磁轴承内环由若干个内环组块(2)拼合而成，所述的内环组块(2)在轴端堵头(4)上周向阵列，所述的内环组块(2)可沿轴端堵头(4)径向滑动，所述的内环组块(2)上设有防止其从堵头上滑出的弹性限位结构，所述的内环组块(2)与径向永磁轴承外环(3)均为径向充磁，且两者的充磁方向相对，内环组块(2)与外环所组成的永磁轴承为斥力型径向轴承，内环组块(2)与径向永磁轴承外环(3)之间留有间隙，所述间隙形成径向永磁轴承的径向气隙。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的旋转主轴(1)和轴端堵头(4)一体化成型。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的轴端堵头(4)沿径向方向设有燕尾槽，所述的燕尾槽中嵌有滑动轴承座(6)，所述的内环组块(2)固定在滑动轴承座(6)上。
4.根据权利要求3所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的滑动轴承座(6)设有与燕尾槽形状相匹配的梯形导轨，所述的梯形导轨在燕尾槽中滑动。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的弹性限位结构为套在滑动轴承座(6)外部的若干弹性限位环，所述的弹性限位环沿滑动轴承座(6)轴向间隔设置。
6.根据权利要求5所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的限位弹性限位环为SMA丝(5)。
7.根据权利要求6所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的滑动轴承座(6)外壁设有用于容纳SMA丝(5)的弧形凹槽，所述的弧形凹槽的第一中心线(51)直径大于SMA丝(5)的第二中心线(61)直径。
8.根据权利要求3所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：轴端堵头(4)的材料为绝磁材料铁素体不锈钢，滑动轴承座(6)的材料为45号钢，所述的内环组块(2)材料和径向永磁轴承外环(3)材料均为Nd-Fe-B，牌号为N40。
9.根据权利要求6所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：SMA丝(5)材料为Ni-Ti合金，SMA丝(5)直径为1～3mm。
10.根据权利要求1所述的一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于：所述的内环组块(2)个数为8个。
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