CN109980812A - 一种转子结构及电磁轴承和电磁加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁轴承及电磁加载技术领域，具体涉及一种转子结构及电磁轴承和电磁加载装置，转子结构的本体上通过磁场的部分开设有多条切槽，切槽沿着转子结构的轴向均布，每条切槽沿转子结构的周向开设。电磁轴承中，电磁轴承的轴颈采用上述转子结构。电磁加载装置中，电磁加载装置的加载测试棒采用上述转子结构。本发明的转子外形尺寸精度高、整体强度高，能够在满足高转速下保持较高的承载能力的要求。

Description

一种转子结构及电磁轴承和电磁加载装置

技术领域

本发明属于电磁轴承及电磁加载技术领域，具体涉及一种转子结构及电磁轴承和电磁加载装置，本发明的转子结构是一种适用于高速的低涡流损耗电磁轴承和电磁加载转子结构。

背景技术

电磁轴承是一种磁悬浮支撑的无接触式轴承，依靠可控制的带有电磁线圈的电磁定子铁芯产生的电磁力将转子悬浮。它具有应用极限转速高，无需润滑，摩擦阻力小，可靠性高，支撑刚度可调可控等优点。电磁加载技术是一种非接触加载技术，基于电磁轴承理论发展而来，利用电磁力实现回转体的旋转状态下的非接触加载。无论是电磁轴承还是电磁加载，转子在磁场中运动或处在变化的磁场中，均会产生感应电动势，形成涡流并生成附加磁场，附加磁场与主磁场的相互作用时使得电磁力下降。当转速越高时，感应电流越大，产生的损耗也就越强烈。这些涡流损耗会引起磁轴承发热，影响转子的悬浮和运转。因此降低涡流损耗无论是对于提高电磁轴承的性能还是提升电磁加载装置的电磁加载能力均有重要意义。

电磁轴承属于一种机电一体化的精密的器件，它悬浮控制的间隙小，转子铁芯承受的支撑力变化大，安装配合要求精度高，因此电磁轴承对转子的外形尺寸有较高的精度要求。此外，为减小涡流损耗，电磁轴承的转子铁芯还要有较高的电磁性能要求，它要求铁芯的顽磁性小，电磁涡流损失小，磁通性能要好。对于电磁轴承的转子，其位移量的测量精度和测量值的稳定性也是影响电磁轴承的性能的关键因素之一。对于电磁加载领域，情况是类似的。

现有的电磁轴承和电磁加载转子结构，为减小铁损尤其是涡流损耗，将转子上通过磁场的部分制作成环形叠片结构。如专利号CN106351952A即公开了一种组合式电磁轴承转子铁芯结构，应用此种方法降低涡流。专利号ZL 2014 1 0404435.2中公开了一种用于电主轴动静刚度非接触电磁加载测试的模拟刀具结构，也应用类似的方法降低涡流损耗，解决电磁加载技术中随转速增高或者激励力频率提高，电磁作用力迅速降低而导致无法有效加载的问题。

叠片常用硅钢片制造，硅钢片材料磁通性能更好，用叠钢片来截断环形涡流，使涡流被限制在有限范围内，磁通穿过叠钢片薄片的狭窄截面时，回路中的净电动势较小，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而大幅度降低涡流损耗。硅钢片的电磁性能较好，但材料的尺寸稳定性较差，特别是轴向尺寸，靠多片材料叠置而成，尺寸非常不稳定，且叠片定型后不易进行机械再加工，加工性能差导致制造过程中尺寸精度上难以保证，所以在电磁轴承的设计中不得不留有更大的尺寸公差，这就在一定程度上牺牲了电磁轴承的综合性能，使得电磁轴承难以做到在有限的体积下达到较高性能。此外，由于硅钢片屈服强度只有300～400MPa，因此高转速下不得不使用实心材料取代叠片，虽然在加工上容易做到较高的尺寸精度，但其材料的电磁性能不是很好，一旦使用实心材料，高转速下转子的涡流损耗将大增，涡流损耗导致电磁力会随着转子转速的提高而迅速下降，长时间加载还会导致比较严重的热效应，引起的发热还会带来转子变形，位移测试精度降低等问题。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的是提供一种转子结构及电磁轴承和电磁加载装置，本发明的转子结构强度高、应力小、整体强度高，能够在满足高转速下保持较高的承载能力的要求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案：

一种转子结构，包括转子结构本体，转子结构本体上通过磁场的部分开设有多条切槽，切槽沿着转子结构本体的轴向均布，每条切槽沿转子结构本体的周向开设。

每条切槽沿转子结构本体周向开设一周。

转子结构本体在每条切槽处对应的截面形状为圆形或正多边形。

多条切槽分为若干组，若干组切槽沿转子结构本体的周向均匀分布，每组中的每条切槽为沿转子结构本体周向开设的一段凹槽；相邻组之间的切槽的端部在转子结构本体周向上相互交错重叠。

转子结构本体在每条切槽处对应的截面形状为直线圆弧交替首尾相连的多边形。

相邻的切槽之间的槽间距为0.6～4mm。

切槽的槽宽为0.1～1mm。

切槽为线切割或激光加工的方式成型的凹槽。

一种电磁轴承，所述电磁轴承的轴颈采用上述转子结构。

一种电磁加载装置，所述电磁加载装置的加载测试棒采用上述转子结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的转子结构在转子结构本体上通过磁场的部分开设有多条切槽，切槽沿着转子结构本体的轴向均布，每条切槽沿转子结构本体的周向开设。本发明的转子结构与硅钢片叠片形成的转子结构相比，本发明转子结构为在实心材料的表面向内加工切槽整体加工而成，结构紧凑、材料简单、具有较好的机械加工特性，能够很好的保证转子结构的外形尺寸精度；同时截面大、应力小、整体强度高，满足高转速下保持较高的承载能力的要求；与一般实心转子结构相比，本发明转子结构转子表面的切槽结构，利用切槽来截断环形涡流，使涡流被限制在有限范围内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而大幅度降低涡流损耗。此外，本发明的转子结构是一种整体加工成型的转子结构，因此具有高尺寸精度和高表面质量，以及低涡流损耗带来的较低的热效应，均提高了电磁轴承转子尺寸稳定性，保证了位移量的测量精度和测量值的稳定性。本发明提出的转子结构为电磁轴承和电磁加载装置整体的进一步紧凑设计提供了有利条件，为在外形尺寸不变的条件下，电磁轴承的支撑力以及电磁加载装置的加载力进一步提升提供了有利条件。由本发明转子结构的结构特点可知，该转子结构的加工制作具有高外形尺寸精度和结构强度，低小涡流损耗的特点，适用于高速旋转条件下的径向电磁轴承和径向电磁加载的转子结构。

由上述本发明转子结构的有益效果可知，本发明电磁轴承的轴颈采用本发明的转子结构，因此该电磁轴承结构紧凑、具有较好的机械加工特性；同时也很好的保证了轴颈的外形尺寸精度，同时截面大、应力小、整体强度高，满足高转速下保持较高的承载能力的要求。

由上述本发明转子结构的有益效果可知，本发明电磁加载装置的加载测试棒采用本发明的转子结构，因此该电磁加载装置结构紧凑、具有较好的机械加工特性；同时也很好的保证了轴颈的外形尺寸精度，同时截面大、应力小、整体强度高，满足高转速下保持较高的承载能力的要求。

附图说明

图1为本发明一实施例中转子结构的三维示意图；

图2为本发明另一实施例中转子结构的三维示意图；

图3为本发明图1所示实施例转子结构的侧视图；

图4为图3中切槽剖面A-A剖视图；

图5为图3中的I部放大示意图；

图6为本发明图2所示实施例转子结构的侧视图；

图7为图6中切槽剖面B-B剖视图；

图8为图6中切槽剖面C-C剖视图；

图9为本发明电磁加载装置的加载测试棒(右)与传统加载测试棒(左)对比示意图；

图10为图9所示两种加载测试棒不同转速下加载测试结果对比示意图。

图中，1-转子结构，1-1-切槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明转子结构的技术原理为：实心转子在磁场中旋转时转子内部磁通分布的不均匀，使得磁通主要集中于转子的表面，涡电流主要集中于转子浅层，越靠近转子表面，电流密度越大，转子内部实际上电流较小。本发明在实心转子圆柱表面均匀切槽，利用窄而密集的切槽来截断环形涡流，使涡流被限制在有限范围内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而大幅度降低涡流损耗。

参照图1和图2，本发明的转子结构在其本体上通过磁场的部分开设有多条切槽1-1，切槽1-1沿着转子结构本体的轴向均布，每条切槽1-1沿转子结构本体的周向开设。本发明的转子结构适用于高速的低涡流损耗电磁轴承和电磁加载装置。

如图1和图3所示实施例，每条切槽1-1沿转子结构本体周向开设一周，该实施例中每条切槽1-1为周向环形切槽结构，图1中转子结构1由整块实心金属铁磁材料加工而成，转子表面的切槽1-1通过线切割或激光加工的方式沿着轴向加工并均匀分布。参照图4，为实施例中转子结构1在任意一个切槽处中心位置剖面A-A处剖视图，剖面形状为圆形或正多边形。

对于图1、图3和图4所示的转子结构，剖面A-A出的形状为正八边形，切槽1-1对应为正八边形环形切槽结构，在加工时，首先沿轴向等间距切割一组切槽，然后绕轴线转动转子45度，在对应轴向位置进行下一组切割，如此循环重复八组完成切割，即每一条边对应一次切割，每个环形切槽均经过八次切割，切割槽首尾相连组成环形切槽。切割过程中保持切割参数一致，确保切割深度，切槽宽度保持一致。参照图5，切割槽间距在0.6～4mm选取，切槽宽度在0.1～1mm范围选取，槽间距越小，涡流形成的范围越窄，对涡流抑制效果越好；切槽宽度越窄，有效磁通面积越大，相同长度下开槽数量也越多，越有利于抑制涡流。

如图2和图6所示实施例，本实施例中，多条切槽1-1分为若干组，若干组切槽沿转子结构1的周向均匀分布，每组中的每条切槽1-1为沿转子结构1周向开设的一段凹槽；相邻组之间的切槽1-1的端部在转子结构1周向上相互交错重叠。如图7和图8所示，本实施例中，转子结构1在每条切槽1-1处对应的截面形状为直线圆弧交替首尾相连的多边形。本实施例中，几组切槽1-1在转子结构1的周向呈交错行驶分布，本实施例转子结构上的切槽1-1在加工时，与图1、图3和图4所示转子结构的不同点在于，在完成一组切槽切割后，下一组切槽切割的轴向位置与上一组切槽在转子结构1的轴向相差半个槽间距，使转子结构1轴向同一位置处的切槽间互不连通，呈周向交错分布。本实施例的转子结构的剖面具体如图6～图8所示，切槽B-B处、C-C处相距半个槽间距。此种结构在不增加总切割次数的同时，相当于增加了切槽密度，提升抑制涡流效果，同时相比与正多边形切槽结构，截面面积增加，结构整体强度也相对更高。

如图9所示，为应用本发明图1所示实施例的转子结构设计的加载测试棒(右)与传统加载测试棒(左)对比示意图，传统加载测试棒为光滑圆柱表面无开槽。两加载测试棒材料均采用Q345钢，其中处于磁场的加载段的结构尺寸均为直径φ45mm，高度50mm，包括了10mm长的测试段。本发明的加载测试棒加载段表面有周向环形切槽结构，切槽处的剖面形状为正八边形，槽宽为0.2mm，槽间距为2mm，槽深7mm，切槽数为20。

加载试验方法与专利ZL 2014 1 0404435.2相同。将加载测试棒安装于机床主轴上，通过电磁铁对加载测试棒施加电磁载荷，在保证其他条件如电流、气隙厚度等均相同的情况下，仅改变主轴转速，测试电磁力随转速变化的关系。旋转条件下加载测试棒产生的涡流损耗，会产生电磁力降低的现象，通过电磁力随转速变化的衰减情况，即可间接反映本发明设计的转子结构对涡流的抑制效果，测试结果如图10所示。

图10中，0rpm时本发明设计的加载测试棒的电磁力360N略小于传统加载测试棒的电磁力386N，这是由加载测试棒切槽后磁路面积损失引起的电磁力下降；随着转速的增加，电磁力均呈衰减趋势，但本发明设计的加载测试棒的衰减速率显著低于传统加载测试棒。在3000rpm位置，传统加载测试棒电磁力125N只有静止时电磁力的33％，本发明设计的加载测试棒的300N，为静止时的电磁力的84％，而且转速进一步升高，本发明的加载测试棒的电磁力要更快的趋于稳定。测试结果证明了本发明设计的加载测试棒结构对旋转引起的涡流损耗有很好的抑制作用。

由上述本发明转子结构的结构以及实施例的结果表明，转子结构由同种材料整体加工而成，可以保证很高的结构强度以及外形尺寸精度；通过在电磁轴承轴颈位置加工环形切槽方式，能够改善实心转子结构旋转状态下的涡流分布，达到有效降低涡流损耗和提高电磁力的目的。

本发明既解决了传统硅钢片叠片式电磁轴承转子的结构强度低、尺寸稳定性差的问题，又解决了实心转子涡流损耗大发热严重以及高速承载能力弱的问题。由于结构与原理的相似，本发明同样适用于电磁加载领域，尤其是解决了电磁加载中高转速下电磁作用力迅速降低的问题。

Claims (10)

1.一种转子结构，其特征在于，包括转子结构本体，转子结构本体上通过磁场的部分开设有多条切槽(1-1)，切槽(1-1)沿着转子结构本体的轴向均布，每条切槽(1-1)沿转子结构本体的周向开设。

2.根据权利要求1所述的一种转子结构，其特征在于，每条切槽(1-1)沿转子结构本体周向开设一周。

3.根据权利要求2所述的一种转子结构，其特征在于，转子结构本体在每条切槽(1-1)处对应的截面形状为圆形或正多边形。

4.根据权利要求1所述的一种转子结构，其特征在于，多条切槽(1-1)分为若干组，若干组切槽沿转子结构本体的周向均匀分布，每组中的每条切槽(1-1)为沿转子结构本体周向开设的一段凹槽；相邻组之间的切槽(1-1)的端部在转子结构本体周向上相互交错重叠。

5.根据权利要求4所述的一种转子结构，其特征在于，转子结构本体在每条切槽(1-1)处对应的截面形状为直线圆弧交替首尾相连的多边形。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种转子结构，其特征在于，相邻的切槽(1-1)之间的槽间距为0.6～4mm。

7.根据权利要求6所述的一种转子结构，其特征在于，切槽(1-1)的槽宽为0.1～1mm。

8.根据权利要求1所述的一种转子结构，其特征在于，切槽(1-1)为线切割或激光加工的方式成型的凹槽。

9.一种电磁轴承，其特征在于，所述电磁轴承的轴颈采用权利要求1-8任意一项所述的转子结构。

10.一种电磁加载装置，其特征在于，所述电磁加载装置的加载测试棒采用权利要求1-8任意一项所述的转子结构。