CN110486382B - 一种径轴向永磁轴承系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径轴向永磁轴承系统装置，包括右轴承座、右端盖、右冷却套、右顶座、右辅助角接触球轴承、轴向静磁环、轴向静磁环座、径向上静半磁环、密封圈、左轴承径向上静半磁环座、左端盖、左顶座、永磁轴承内圈动磁环座、左辅助角接触球轴承、动磁环、左冷却套、径向下静半磁环、密封圈、左轴承径向下静半磁环座等。本装置除了包括径向永磁轴承和轴向永磁轴承的组合装置，还包括由辅助轴承等系列零部件组成的辅助机械控制保护系统，能克服传统永磁轴承结构单一而无法承受实际应用中径轴向复合载荷的缺点，扩展了永磁轴承的应用范围。具有结构紧凑、转速高、寿命长等优点，不仅具有良好的径向承载能力，同时具有良好的轴向承载能力。

Description

一种径轴向永磁轴承系统装置
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种径轴向永磁轴承系统装置。
背景技术
现有的各类滑动轴承与滚动轴承，其相对运动部件（内、外圈，内、外圈与滚动体）直接接触，都有着摩擦阻力较大、容易发热、润滑油或润滑脂在失效后对环境污染较大等缺点，而单一结构的轴向或径向永磁轴承虽然很好地克服了以上传统机械轴承的缺点，但却无法满足承受实际中径轴向复合载荷的需要，因为对于单一结构的径向永磁轴承，两磁环之间在径向上是稳定的，径向上发生的微小位移可以自动回到稳定位置，但是轴向不稳定；同理对于单一结构的轴向永磁轴承，则轴向稳定，径向不稳定。因此，无论是单一结构的径向永磁轴承还是轴向永磁轴承都无法承受实际中径轴向复合载荷，需要在设计时将这两种单一结构的永磁轴承进行组合设计。
发明内容
为了克服现有的单一结构永磁轴承无法同时承受径向力和轴向力的缺点，本发明的目的是提供一种可以同时承受径向力和轴向力的径轴向永磁轴承系统装置。本系统装置可以保证支承转子的永磁轴承能够同时承受一定的径向载荷和轴向载荷，克服了传统单一结构永磁轴承的缺点，扩大了永磁轴承的应用范围，使得轴承的使用寿命更长，避免了频繁地拆换轴承，提升了效益。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
在组合永磁轴承中，轴向承载方面选用a1型轴向永磁轴承，该a1型结构的轴向永磁轴承已被实际证明是一种较为成熟的设计。相对于轴向永磁轴承，适用的径向永磁轴承较少，常用类型主要有c1型和C1型，但这两种类型都无法很好地承受单一方向的径向力，而且无法实现磁环间磁力的最大化利用。故在前人研究的基础上将c1型与C1型进行组合设计，上半部分采用c1型结构，下半部分采用C1型结构，得到了一种新型的径向永磁轴承——C1+型径向永磁轴承，上半部分c1型结构的外静半磁环对动磁环产生向上的吸力，下半部分C1型结构的外静半磁环对动磁环产生向上的斥力，因而动磁环会受到一个整体向上的力，该力即为径向永磁轴承的径向承载力，用于承受主轴向下的重力。该C1+型径向永磁轴承可用于承担卧式机械主轴的重力，减少机械轴承的承载，延长其寿命，因而将其作为径轴向组合永磁轴承的径向承载部分是十分合适的。将C1+型径向永磁轴承与a1型轴向永磁轴承组合为一种径轴向组合永磁轴承，不仅具有良好的径向承载能力，同时具有良好的轴向承载能力。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种径轴向永磁轴承系统装置，包括右轴承座、右端盖、右冷却套、右顶座、右辅助角接触球轴承、轴向静磁环、轴向静磁环座、径向上静半磁环、密封圈、左轴承径向上静半磁环座、左端盖、左顶座、永磁轴承内圈动磁环座、左辅助角接触球轴承、动磁环、左冷却套、径向下静半磁环、密封圈、左轴承径向下静半磁环座；所述永磁轴承内圈动磁环座上嵌套有动磁环，径向上静半磁环嵌套在左轴承径向上静半磁环座内，径向上静半磁环对动磁环产生向上的吸力F ys ；径向下静半磁环嵌套在左轴承径向下静半磁环座内，径向下静半磁环对动磁环产生向上的斥力F yx ；动磁环所受向上的吸力F ys 和斥力F yx 用于平衡承受动磁环和永磁轴承内圈动磁环座所受的向下的径向外载荷F y ，即F y =F ys +F yx ；所述轴向静磁环嵌套在轴向静磁环座内，轴向静磁环座安装在右轴承座中，轴向静磁环对动磁环产生向左的斥力F' z ，用于平衡承受动磁环和永磁轴承内圈动磁环座所受的向右的轴向外载荷F z ，即F z =F' z 。
所述左辅助角接触球轴承和右辅助角接触球轴承的内圈分别套装在永磁轴承动静磁环的左右两端永磁轴承内圈动磁环座的内圈轴上，外圈分别安装在左冷却套和右冷却套中，左冷却套和右冷却套分别安装在左轴承径向上静半磁环座、左轴承径向下静半磁环座和右轴承座中，用于对永磁轴承动静磁环的辅助控制定位和保护。根据Earnshaw定理，任何形式的磁环组合都不能实现全自由度上的稳定，因此在永磁轴承的设计过程中需要引入辅助机械控制稳定系统的概念，即采用机械轴承作为辅助控制对永磁轴承的不稳定自由度进行控制，以实现永磁轴承整体上的稳定。
所述左冷却套和右冷却套外径柱面上分别开有凹槽与左轴承径向下静半磁环座、左轴承径向上静半磁环座和右轴承座中的水道连通，用于冷却左辅助角接触球轴承和右辅助角接触球轴承，密封圈用于密封水道中的水，左轴承径向上静半磁环座、左轴承径向下静半磁环座和右轴承座分别用内六角螺钉连接固定，左辅助角接触球轴承和右辅助角接触球轴承的游隙大小松紧程度分别由左顶座和右顶座调节，左顶座和右顶座分别由左端盖和右端盖压紧，左端盖和右端盖用内六角螺钉分别与左轴承径向上静半磁环座、左轴承径向下静半磁环座和右轴承座连接固定。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明装置除了包括径向永磁轴承和轴向永磁轴承的组合装置，还包括由辅助轴承等系列零部件组成的辅助机械控制保护系统，能克服传统永磁轴承结构单一而无法承受实际应用中径轴向复合载荷的缺点，扩展了永磁轴承的应用范围。整个系统装置具有结构紧凑、转速高、寿命长等优点，不仅具有良好的径向承载能力，同时具有良好的轴向承载能力。
附图说明
图1为本发明所述的装配好的径轴向永磁轴承系统装置结构示意图。
图2为本发明所述的C1+型径向永磁轴承与a1型轴向永磁轴承组合设计的径轴向永磁轴承原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细的说明。
如图1和图2所示，一种径轴向永磁轴承系统装置，包括右轴承座1、右端盖2、右冷却套3、右顶座4、右辅助角接触球轴承5、轴向静磁环6、轴向静磁环座7、径向上静半磁环8、密封圈9、左轴承径向上静半磁环座10、左端盖11、左顶座12、永磁轴承内圈动磁环座13、左辅助角接触球轴承14、动磁环15、左冷却套16、径向下静半磁环17、密封圈18、左轴承径向下静半磁环座19；所述永磁轴承内圈动磁环座13上嵌套有动磁环15，径向上静半磁环8嵌套在左轴承径向上静半磁环座10内，径向上静半磁环8对动磁环15产生向上的吸力F ys ；径向下静半磁环17嵌套在左轴承径向下静半磁环座19内，径向下静半磁环17对动磁环15产生向上的斥力F yx ；动磁环15所受向上的吸力F ys 和斥力F yx 用于平衡承受动磁环15和永磁轴承内圈动磁环座13所受的向下的径向外载荷F y ，即F y =F ys +F yx ；所述轴向静磁环6嵌套在轴向静磁环座7内，轴向静磁环座7安装在右轴承座1中，轴向静磁环6对动磁环15产生向左的斥力F' z ，用于平衡承受动磁环15和永磁轴承内圈动磁环座13所受的向右的轴向外载荷F z ，即F z =F' z 。
所述左辅助角接触球轴承14和右辅助角接触球轴承5的内圈分别套装在永磁轴承动静磁环的左右两端永磁轴承内圈动磁环座13的内圈轴上，外圈分别安装在左冷却套16和右冷却套3中，左冷却套16和右冷却套3分别安装在左轴承径向上静半磁环座10、左轴承径向下静半磁环座19和右轴承座1中，用于对永磁轴承动静磁环的辅助控制定位和保护。根据Earnshaw定理，任何形式的磁环组合都不能实现全自由度上的稳定，因此在永磁轴承的设计过程中需要引入辅助机械控制稳定系统的概念，即采用机械轴承作为辅助控制对永磁轴承的不稳定自由度进行控制，以实现永磁轴承整体上的稳定。
所述左冷却套16和右冷却套3外径柱面上分别开有凹槽与左轴承径向下静半磁环座19、左轴承径向上静半磁环座10和右轴承座1中的水道连通，用于冷却左辅助角接触球轴承14和右辅助角接触球轴承5，密封圈9，18用于密封水道中的水，左轴承径向上静半磁环座10、左轴承径向下静半磁环座19和右轴承座1分别用内六角螺钉连接固定，左辅助角接触球轴承14和右辅助角接触球轴承5的游隙大小松紧程度分别由左顶座12和右顶座4调节，左顶座12和右顶座4分别由左端盖11和右端盖2压紧，左端盖11和右端盖2用内六角螺钉分别与左轴承径向上静半磁环座10、左轴承径向下静半磁环座19和右轴承座1连接固定。
本发明的工作原理如下：
组合永磁轴承作为关键支承部分，它在没有安装到轴上时，应该保证动、静永磁环的对中性，同时辅助轴承应当承受来自于动、静磁环间的磁力（包括轴向力和径向力）；将组合永磁轴承安装配到主机轴上后，组合永磁轴承的径向磁力主要承受主机转子轴的重力，而当主机运行后，在工作转速下，组合永磁轴承的轴向磁力将承受主轴的轴向工作外载荷力，此时安装在组合永磁轴承系统内部的辅助轴承基本受力很小，并起到定位控制和保护作用。动磁环以过渡配合的形式嵌套在永磁轴承内圈动磁环座内，而永磁轴承内圈通过过盈配合与主机转轴进行连接，在正常运转下，高速旋转的转子轴会带动永磁轴承内圈和动磁环高速旋转，同时永磁轴承内圈动磁环座也能起到保护动磁环的作用，防止动磁环发生意外破裂而造成严重的后果。

Claims (3)

1.一种径轴向永磁轴承系统装置，其特征在于：包括右轴承座（1）、右端盖（2）、右冷却套（3）、右顶座（4）、右辅助角接触球轴承（5）、轴向静磁环（6）、轴向静磁环座（7）、径向上静半磁环（8）、密封圈（9）、左轴承径向上静半磁环座（10）、左端盖（11）、左顶座（12）、永磁轴承内圈动磁环座（13）、左辅助角接触球轴承（14）、动磁环（15）、左冷却套（16）、径向下静半磁环（17）、密封圈（18）、左轴承径向下静半磁环座（19）；所述永磁轴承内圈动磁环座（13）上嵌套有动磁环（15），径向上静半磁环（8）嵌套在左轴承径向上静半磁环座（10）内，径向上静半磁环（8）对动磁环（15）产生向上的吸力F ys ；径向下静半磁环（17）嵌套在左轴承径向下静半磁环座（19）内，径向下静半磁环（17）对动磁环（15）产生向上的斥力F yx ；动磁环（15）所受向上的吸力F ys 和斥力F yx 用于平衡承受动磁环（15）和永磁轴承内圈动磁环座（13）所受的向下的径向外载荷F y ，即F y =F ys +F yx ；所述轴向静磁环（6）嵌套在轴向静磁环座（7）内，轴向静磁环座（7）安装在右轴承座（1）中，轴向静磁环（6）对动磁环（15）产生向左的斥力F' z ，用于平衡承受动磁环（15）和永磁轴承内圈动磁环座（13）所受的向右的轴向外载荷F z ，即F z =F' z 。
2.根据权利要求1所述的径轴向永磁轴承系统装置，其特征在于：所述左辅助角接触球轴承（14）和右辅助角接触球轴承（5）的内圈分别套装在永磁轴承动静磁环的左右两端永磁轴承内圈动磁环座（13）的内圈轴上，外圈分别安装在左冷却套（16）和右冷却套（3）中，左冷却套（16）和右冷却套（3）分别安装在左轴承径向上静半磁环座（10）、左轴承径向下静半磁环座（19）和右轴承座（1）中，用于对永磁轴承动静磁环的辅助控制定位和保护。
3.根据权利要求1所述的径轴向永磁轴承系统装置，其特征在于：所述左冷却套（16）和右冷却套（3）外径柱面上分别开有凹槽与左轴承径向下静半磁环座（19）和右轴承座（1）中的水道连通，用于冷却左辅助角接触球轴承（14）和右辅助角接触球轴承（5），密封圈（9，18）用于密封水道中的水，左轴承径向上静半磁环座（10）、左轴承径向下静半磁环座（19）和右轴承座（1）分别用内六角螺钉连接固定，左辅助角接触球轴承（14）和右辅助角接触球轴承（5）的游隙大小松紧程度分别由左顶座（12）和右顶座（4）调节，左顶座（12）和右顶座（4）分别由左端盖（11）和右端盖（2）压紧，左端盖（11）和右端盖（2）用内六角螺钉分别与左轴承径向上静半磁环座（10）、左轴承径向下静半磁环座（19）和右轴承座（1）连接固定。
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