CN110566590B - 一种对中结构、对中装置和旋转设备 - Google Patents

Abstract

一种对中结构，包括轴向限位板、轴向限位弹簧、限位电磁铁、止推盘和抬升电磁铁；限位电磁铁设于转子主轴的外侧，与旋转设备的机壳盖板的一侧固定连接；轴向限位板设于限位电磁铁远离机壳盖板的一端，用于限定旋转设备的转子主轴的轴向位置；轴向限位弹簧的一端和轴向限位板连接，另一端和机壳盖板连接；止推盘和转子主轴固定连接；抬升电磁铁设于转子主轴的外侧，与旋转设备的机壳盖板的另一侧固定连接。上述对中结构在对高温超导轴承转子进行预悬浮的对中的过程中，无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。此外，还提供一种包括上述对中结构的对中装置和旋转设备，该对中装置和旋转装置还包括径向对中结构。

Description

一种对中结构、对中装置和旋转设备

技术领域

本发明涉及旋转机械的轴承技术领域，尤其涉及一种对中结构、对中装置和旋转设备。

背景技术

在旋转机械设计领域，轴承特性直接影响着机械的旋转特性。对于轴承来说，其刚度、阻尼、可靠性、损耗等参数，是轴承设计中优先考虑的因素。磁悬浮轴承作为一类非接触式的轴承，利用电磁力的相互作用，实现转子与定子之间的悬浮，具有非常小的摩擦系数，可靠性更高，常常被用在高速旋转机械的设计中。对于磁悬浮轴承而言，主要有永磁轴承、主动磁悬浮轴承、超导轴承几种。

永磁轴承是利用永磁体之间的吸引力或者排斥力，实现悬浮，属于一种不可调节的被动式磁悬浮。永磁轴承的可靠性主要受永磁体本身的特性影响，其产生的磁场直接影响到轴承特性，这就对永磁体的生产安装提出了相当严苛的要求。主动磁悬浮轴承是一种通过交变电流产生电磁力，配合位移传感器及控制系统构成一种可以调节转子位置、改变轴承特性的磁悬浮轴承。主动磁悬浮轴承的可靠性主要依赖于位移传感器的测量准确性以及控制器和相应控制算法的可靠性。精确的位置测量、实时的信号传输、精准的信号处理、复杂的控制算法等，都构成了主动磁悬浮轴承的短板。超导轴承是利用超导体的超导特性产生悬浮力，无需控制反馈系统，属于一种被动式磁悬浮轴承。由于超导体的超导特性只有在低温下才能显现，使得超导轴承的应用具有其特殊性。超导轴承的可靠性，除了本身材料的属性之外，一方面外部低温环境的可靠性有关，另一方面于外部磁场的可靠性有关。

随着高温超导体的发展，用高温超导体作为高速旋转机械的轴承材料已经成为现实。材料所独有的麦斯纳效应和钉扎效应，使得由高温超导体制成的轴承具有自稳定悬浮特性，对于轴承设计来说是有利的。这种特性，对场冷位置、场冷磁场均匀性等因素提出了较高要求，反映到轴承设计上，是对转子的预悬浮位置提出了要求，也就是对中要求。该对中结构设计，既要求对中位置准确，又要求能够在对中之后自动撤去对中作用，实现转子的完全悬浮。

为了既利用高温超导轴承的特性，又满足对中结构设计要求，基于高温超导轴承的混合轴承被设计出来，特别是高温超导轴承与主动磁悬浮轴承的结合，如专利《电磁型高温超导磁力轴承转子系统》(申请号201010545178.6)和《永磁型高温超导磁力轴承转子系统》(申请号201010126721.9)。但是这样的结合方式，在一定程度上没有发挥超导轴承无需控制的优势，反而增加了系统的复杂程度。

发明内容

鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，有必要提供一种对中结构和对中装置，用于对高温超导轴承转子进行预悬浮的对中，无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离，并且还提供一种采用该对中装置的旋转设备。

一种对中结构，用于旋转设备转子主轴的对中，包括轴向限位板、轴向限位弹簧、限位电磁铁、止推盘和抬升电磁铁；

所述限位电磁铁设于所述转子主轴的外侧，所述限位电磁铁与转子主轴同轴心，且所述限位电磁铁与所述旋转设备的机壳盖板的一侧固定连接；

所述轴向限位板设于所述限位电磁铁远离所述机壳盖板的一端，所述轴向限位板用于限定所述旋转设备的所述转子主轴的轴向位置；

所述轴向限位弹簧的一端和所述轴向限位板连接，所述轴向限位弹簧的另一端和所述机壳盖板连接；

所述止推盘和所述转子主轴固定连接；

所述抬升电磁铁设于所述转子主轴的外侧，所述抬升电磁铁与转子主轴同轴心，且所述抬升电磁铁与所述旋转设备的机壳盖板的另一侧固定连接。

在一个实施例中，所述轴向限位板包括定位板和限位轴，所述定位板设于限位轴的一端，所述限位轴设于所述定位板的中心，所述轴向限位弹簧的一端和所述定位板设有所述限位轴的表面固定连接，在所述限位电磁铁的吸引力作用下，所述限位轴用于和所述转子主轴抵接对所述转子主轴进行限位。

在一个实施例中，所述轴向限位板的材料为导磁材料；所述止推盘的材料为导磁材料。

在一个实施例中，所述限位电磁铁包括限位电磁铁铁芯和限位电磁铁线圈，所述限位电磁铁铁芯包括第一铁芯和第二铁芯，所述第一铁芯和第二铁芯形成一个环形收容腔，所述限位电磁铁线圈缠绕于所述第一铁芯上，所述限位电磁铁线圈收容于所述环形收容腔内，所述第一铁芯和第二铁芯和所述机壳盖板固定连接。

一种对中装置，包括转子主轴、机壳、径向对中结构和所述的对中结构；

所述机壳包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，所述机壳盖板、所述机壳侧壁和所述机壳底板之间形成有安装腔；

所述转子主轴设于所述机壳的所述安装腔内；

所述对中结构设于所述转子主轴的一端，所述对中结构用于对所述转子主轴进行轴向抬升和定位；

所述径向对中结构设于所述转子主轴的外侧，所述径向对中结构包括两个以上的径向对中组件，所述两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且所述两个以上的径向对中组件所共同组成的径向对中结构的中心对称轴与所述转子主轴的中心对称轴同轴设置，所述径向对中结构用于实现对所述转子主轴的径向对中。

在一个实施例中，所述径向对中结构的数量为两个以上，所述两个以上的径向对中结构沿所述转子主轴的轴向设置。

在一个实施例中，所述径向对中组件包括径向限位板、径向限位弹簧和径向电磁铁；

所述径向电磁铁和所述机壳内的横板固定连接；

所述径向限位板和所述径向电磁铁相对设置；

所述径向限位弹簧的一端和所述机壳侧壁的内壁固定连接，所述径向限位弹簧的另一端和所述径向限位板连接。

在一个实施例中，所述径向限位板包括径向限位杆和径向移动板；

所述径向限位杆的一端与所述径向移动板连接，所述径向限位杆的另一端用于与所述转子主轴接触；

所述径向电磁铁与所述径向移动板相对设置。

在一个实施例中，所述径向限位杆远离所述径向移动板的一端的结构为Y型、圆球型或圆弧形。

一种旋转设备，包括上部保护轴承、机壳、位移传感器、径向对中结构、转子主轴、上部超导轴承、低温电机、下部超导轴承、下部保护轴承、液氮循环腔和所述的对中结构；

所述机壳包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，所述机壳盖板、所述机壳侧壁和所述机壳底板之间形成有安装腔；

所述转子主轴设于所述机壳的所述安装腔内；

所述轴向对中装置设于所述转子主轴的一端，所述轴向对中装置用于对所述转子主轴进行轴向抬升和定位；

所述径向对中结构设于所述转子主轴的外侧，所述径向对中结构包括两个以上的径向对中组件，所述两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且所述两个以上的径向对中组件所共同组成的径向对中结构的中心对称轴与所述转子主轴的中心对称轴同轴设置，所述径向对中结构用于实现对所述转子主轴的径向对中；

所述位移传感器固定设于所述机壳侧壁的内壁上，所述位移传感器用于实时测量所述转子主轴的轴心轨迹；

所述上部保护轴承套设于所述转子主轴上，所述上部保护轴承设于所述机壳盖板与所述转子主轴之间；

所述下部保护轴承套设于所述转子主轴上，所述下部保护轴承设于所述机壳底板与所述转子主轴之间；

所述液氮循环腔设于所述机壳侧壁的内侧；

所述上部超导轴承、所述低温电机和所述下部超导轴承依次设于所述转子主轴上，且所述上部超导轴承、所述低温电机和所述下部超导轴承均位于所述液氮循环腔和所述转子主轴之间。

上述对中结构，对中时，轴向限位板在限位电磁铁的吸引下，轴向限位板沿轴向向转子主轴方向移动至设计位置对转子主轴进行限位。止推盘受到抬升电磁铁的吸引力，完成对转子主轴的轴向抬升。完成对中后，关闭限位电磁铁和抬升电磁铁的电源。轴向限位板在轴向限位弹簧的弹力作用下，实现与转子主轴的非接触分离。因此，上述对中结构在对高温超导轴承转子进行预悬浮的对中的过程中，无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。

上述对中装置，适用于高温超导磁悬浮轴承的对中，实现了对高温超导磁悬浮轴承所使用转子的精确对中，减少了因为转子位置不对中引起的外磁场分布不均匀。且无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。

上述旋转设备，采用径向对中装置和轴向对中装置进行对中，实现了对高温超导磁悬浮轴承所使用的转子主轴的精确对中，减少了因为转子位置不对中引起的外磁场分布不均匀。且无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。进一步的，降低了超导定子的旋转热损耗。与其他旋转设备相比，上述旋转设备，对中方式简单，对中精确，可以适用于不同用户的要求，具有实际的工程价值。

附图说明

图1为一实施方式的旋转设备的结构示意图；

图2为图1中的对中结构的结构示意图；

图3为图1中的径向对中结构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。

请参考图2，一实施方式的对中结构，用于旋转设备的转子主轴22的对中，包括轴向限位板21、轴向限位弹簧20、限位电磁铁、止推盘23和抬升电磁铁26。

限位电磁铁设于转子主轴22的外侧，限位电磁铁与转子主轴22同轴心，且限位电磁铁与旋转设备的机壳盖板27的一侧固定连接。限位电磁铁用于通电时吸引轴向限位板21。

轴向限位板21设于限位电磁铁远离机壳盖板27的一端，轴向限位板21用于限定旋转设备的转子主轴22的轴向位置。

轴向限位弹簧20的一端和轴向限位板21连接，轴向限位弹簧20的另一端和机壳盖板27连接。

止推盘23和转子主轴22固定连接。

抬升电磁铁设于转子主轴22的外侧，抬升电磁铁与转子主轴22同轴心，且抬升电磁铁与旋转设备的机壳盖板27的另一侧固定连接。抬升电磁铁用于通电时吸引止推盘23。

上述对中结构，对中时，轴向限位板21在限位电磁铁的吸引下，轴向限位板21沿轴向向转子主轴22的方向移动至设计位置对转子主轴22进行限位。止推盘23受到抬升电磁铁的吸引力，完成对转子主轴22的轴向抬升。完成对中后，关闭限位电磁铁和抬升电磁铁的电源。轴向限位板21在轴向限位弹簧20的弹力作用下，实现与转子主轴22的非接触分离。因此，上述对中结构在对高温超导轴承转子进行预悬浮的对中的过程中，无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。

转子主轴22是所设计机械的旋转主轴，根据不同旋转机械的设计得到。

机壳是固定机械定子的壳体，根据不同旋转机械的设计得到。

在如图2所示的实施例中，轴向限位板21包括定位板和限位轴，定位板设于限位轴的一端，限位轴设于定位板的中心，轴向限位弹簧20的一端和定位板设有限位轴的表面固定连接，在限位电磁铁的吸引力作用下，限位轴用于和转子主轴22抵接对转子主轴22进行限位。

在如图2所示的实施例中，轴向限位板21的材料可以被电磁铁吸引的导磁材料。轴向限位板21由轴向限位弹簧20支撑，可以被限位电磁铁吸引，完成轴向移动。轴向限位板21用于限定转子主轴22的轴向位置。

在如图2所示的实施例中，轴向限位板21、转子主轴22和限位电磁铁之间形成有第一收容腔。轴向限位弹簧20设于第一收容腔内。这样的结构较为紧凑，体积小。

轴向限位弹簧20，是在对中完成之后，用于撤离轴向限位板21，实现轴向限位板21与转子主轴22的非接触。该轴向限位弹簧20的设计及选用，应根据轴向限位板21的重量、移动距离、限位电磁铁电磁力等因素计算得到。

在一个实施例中，轴向限位弹簧20远离轴向限位板21的一端与机壳盖板27间接固定。

在如图2所示的实施例中，限位电磁铁包括限位电磁铁铁芯25和限位电磁铁线圈28。限位电磁铁铁芯25包括第一铁芯和第二铁芯，第一铁芯和第二铁芯形成一个环形收容腔。限位电磁铁线圈28缠绕于第一铁芯上，限位电磁铁线圈28收容于环形收容腔内，第一铁芯和第二铁芯和机壳盖板27固定连接。

具体的，第一铁芯包括圆筒状铁芯和由圆筒状铁芯的一端向远离圆筒状铁芯的中心轴线的方向延伸形成的圆饼状铁芯。第一铁芯套设于转子主轴的外侧。限位电磁铁线圈28缠绕于圆筒状铁芯上。第二铁芯罩设于限位电磁铁线圈28的外侧，圆饼状铁芯和第二铁芯通过螺钉和机壳盖板27固定连接。

限位电磁铁用于吸引轴向限位板21，实现轴向限位板21的轴向移动至设计位置，完成轴向位置限定的作用。

限位电磁铁铁芯25和限位电磁铁线圈28，根据旋转机械使用环境和电磁铁设计方法设计。

在一个实施例中，止推盘23的材料为可以被电磁铁吸引的导磁材料。止推盘23固定到转子主轴22上，固定方式可以是过盈配合，但不限于过盈配合。

在如图2所示的实施例中，抬升电磁铁包括抬升电磁铁铁芯24和抬升电磁铁线圈29。抬升电磁铁用于吸引止推盘23，完成对转子主轴22的轴向抬升。限位电磁铁与机壳间接固定。按照根据旋转机械使用环境和电磁铁设计方法设计抬升电磁铁的设计方法与限位电磁铁的设计方法相似。

轴向限位板21、轴向限位弹簧20、限位电磁铁、抬升电磁铁，直接或者通过其他结构间接固定到机壳上。

对中时，轴向限位板21在限位电磁铁的吸引下，沿轴向向转子主轴22方向移动至设计位置。此时，轴向限位弹簧20处于压缩状态，其因为压缩产生的弹力大于轴向限位板21的重力。止推盘23受到抬升电磁铁的吸引力，间接完成了对转子主轴22的轴向抬升。此时，限位电磁铁和抬升电磁铁的电磁力应该满足关系式：

F_{限位电磁铁}+G_{轴向限位板}-ΔF_{轴向限位弹簧}>F_{抬升电磁铁}-G_转子主轴

其中，

F_{限位电磁铁}：限位电磁铁产生的电磁力；

G_{轴向限位板}：轴向限位板21的重力；

ΔF_{轴向限位弹簧}：因为轴向限位板21下降产生，轴向限位弹簧20增加的弹力；

F_{抬升电磁铁}：抬升电磁铁产生的电磁力；

G_转子主轴：转子主轴22的重力；

完成对中后，关闭限位电磁铁和抬升电磁铁的电源。轴向限位板21在轴向限位弹簧20的弹力作用下，实现与转子主轴22的非接触。

请参考图1，一实施方式的对中装置包括转子主轴6、机壳3、径向对中结构5和如图2所示的对中结构1。

机壳3包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板之间形成有安装腔。

转子主轴6设于机壳3的安装腔内。

对中结构1设于转子主轴6的一端，对中结构1用于对转子主轴6进行轴向抬升和定位。

径向对中结构5设于转子主轴6的外侧，且径向对中结构5和机壳侧壁的内壁固定连接，径向对中结构5包括两个以上的径向对中组件，两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且两个以上的径向对中组件的中心对称轴与转子主轴6的中心对称轴同轴设置，径向对中结构用于实现对转子主轴6的径向对中。

上述对中装置，适用于高温超导磁悬浮轴承的对中，实现了对高温超导磁悬浮轴承所使用转子的精确对中，减少了因为转子位置不对中引起的外磁场分布不均匀。且无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。进一步的，降低了超导定子的旋转热损耗。与其他对中方式相比，上述对中装置，简单可行，对中精确，可以适用于不同用户的要求，具有实际的工程价值。

对中结构1的具体结构如上文所述，在此不再赘述。

上述对中装置中，对中结构1和径向对中结构5均直接或间接固定在机壳3上。

请参考图3，径向对中组件包括径向限位板、径向限位弹簧16和径向电磁铁。

径向电磁铁和机壳内的横板固定连接。

径向限位板和径向电磁铁相对设置。径向电磁铁用于通电后吸引径向限位板靠近或远离转子主轴。

径向限位弹簧16的一端和机壳侧壁的内壁固定连接，径向限位弹簧16的另一端和径向限位板连接。

上述径向对中结构，对中时，径向限位板在径向电磁铁的吸引下，沿径向向转子主轴方向移动，从而推动转子主轴移动至设计位置。此时，径向限位弹簧16处于拉伸状态。完成对中后，关闭径向电磁铁的电源。径向限位板在径向限位弹簧16的弹力作用下，实现与转子主轴的非接触分离。因此，上述径向对中结构在对高温超导轴承转子进行预悬浮的对中的过程中，无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。

在图3所示的实施例中，径向限位板包括径向限位杆14和径向移动板15。径向限位杆14的一端与径向移动板15连接，径向限位杆14的另一端用于与转子主轴接触。径向电磁铁与径向移动板15相对设置，径向电磁铁用于通电后吸引径向移动板15。径向移动板15带动径向限位杆14实现径向移动，并产生一定的推力，用于实现对转子主轴的径向对中。

在图3所示的实施例中，径向限位杆14远离径向移动板15的一端的结构为圆弧形。在其他实施例中，径向限位杆14远离径向移动板15的一端的结构还可以为Y型或圆球型，但不限于此类形状。

上述径向限位杆14的一端与径向移动板15连接，随着径向移动板15的径向移动，另一端可以直接顶住转子主轴，将转子主轴推动到指定位置，并随着径向移动板15的径向移动，可以实现与转子主轴的非接触。

径向移动板15的材料可以为被电磁铁吸引的导磁材料。径向移动板15用于实现径向限位杆14的径向移动，从而完成转子主轴的径向对中。

在图3所示的实施例中，径向限位弹簧16的一端与径向移动板15连接，另一端直接或者间接与机壳内壁连接。径向限位弹簧16实现径向限位板15的径向移动。该径向限位弹簧16的设计及选用，应根据径向限位板15所受到的摩擦力、移动距离、径向电磁铁电磁力等因素计算得到。

在图3所示的实施例中，径向限位弹簧16远离径向移动板15的一端通过挡板19与机壳连接。

径向电磁铁包括径向电磁铁铁芯17和径向电磁铁线圈18。径向电磁铁用于吸引径向限位板，实现径向限位板的径向移动。径向电磁铁铁芯17的一端与机壳固定，另一端缠绕径向电磁铁线圈18。径向电磁铁按照根据旋转机械使用环境和电磁铁设计方法设计。

请参考图1，径向对中组件，根据设计的旋转机械需要，在于转子主轴6同心的圆周方向上，布置两个或者两个以上。优选的，一个径向对中结构1中的径向对中组件的数量为三个。三个径向对中组件在转子主轴6的圆周方向上均匀间隔设置。径向对中结构1，根据设计的旋转机械需要，在转子主轴6的轴线方向上，布置一个或者一个以上。优选的，径向对中结构1的数量为两个以上，两个以上的径向对中结构1沿转子主轴6的轴向设置。

请参考图3，上述径向对中结构，对中时，径向移动板15在径向电磁铁线圈18和径向电磁铁铁芯17的吸引下，沿径向向转子主轴方向移动，并带动径向限位杆14移动，从而推动转子主轴移动至设计位置。此时，径向限位弹簧16处于拉伸状态。完成对中后，关闭径向电磁铁线圈18的电源。径向移动板15在径向限位弹簧16的弹力作用下，实现与转子主轴的非接触。

请参考图2和图3，限位电磁铁、抬升电磁铁、径向电磁铁，均通过直流电源供电。需要对中时，打开电源，供给设计的电压电流，轴向限位板21和径向限位板在限位电磁铁和径向电磁铁的作用下，移动到设计位置。完成对中后，关闭电源，轴向限位板21和径向限位板在轴向限位弹簧20和径向限位弹簧16的作用下，返回初始位置。

请参考图3，一实施方式的旋转设备，包括上部保护轴承2、机壳3、位移传感器4、径向对中结构5、转子主轴6、上部超导轴承、低温电机9、下部超导轴承10、下部保护轴承11、液氮循环腔13和对中结构1。

机壳3包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板之间形成有安装腔。

转子主轴6设于机壳3的安装腔内。

轴向对中装置1设于转子主轴6的一端，轴向对中装置1用于对转子主轴6进行轴向抬升和定位。

径向对中结构5设于转子主轴6的外侧，径向对中结构5包括两个以上的径向对中组件，两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且两个以上的径向对中组件的中心对称轴与转子主轴6的中心对称轴同轴设置，径向对中结构1用于实现对转子主轴6的径向对中。

位移传感器4固定设于机壳侧壁的内壁上，位移传感器4采用非接触式位移测量，实时测量转子主轴6的轴心轨迹。

上部保护轴承2套设于转子主轴6上，上部保护轴承2设于机壳盖板与转子主轴6之间。

下部保护轴承11套设于转子主轴6上，下部保护轴承11设于机壳底板与转子主轴6之间。

液氮循环腔13设于机壳侧壁的内侧。

上部超导轴承、低温电机9和下部超导轴承10依次设于转子主轴6上，且上部超导轴承、低温电机9和下部超导轴承10均位于液氮循环腔13和转子主轴6之间。

对中结构如图2所示，其结构如上文所述，在此不再赘述。

径向对中结构如图3所示，其结构如上文所述，在此不再赘述。

上述旋转设备，采用径向对中装置5和轴向对中装置1进行对中，实现了对高温超导磁悬浮轴承所使用的转子主轴6的精确对中，减少了因为转子位置不对中引起的外磁场分布不均匀。且无需复杂的反馈控制系统，能实现转子的对中及对中后的撤离。进一步的，降低了超导定子的旋转热损耗。与其他旋转设备相比，上述旋转设备，对中方式简单，对中精确，可以适用于不同用户的要求，具有实际的工程价值。

根据设计，只需要在整个旋转机械的上部布置一个对中结构1即可。

上部保护轴承2和下部保护轴承11固定在机壳3上，采用陶瓷球轴承，对转子主轴6进行径向和轴向保护，及支撑转子主轴6的落地。

位移传感器4固定在机壳3上，采用非接触式位移测量，实时测量转子主轴6的轴心轨迹。与主动磁悬浮轴承的位移传感器作用不同，位移传感器4的信号不接入控制器，直接用数据采集系统读出即可。

径向对中结构5固定在机壳3上，实现对转子主轴6的径向对中。根据设计，需要在转子主轴6的圆周方向等距布置3个相同的径向对中结构5。

上部超导轴承包括超导轴承转子7和上部超导轴承定子8。下部超导轴承包括下部超导轴承转子和下部超导轴承定子。上部超导轴承和下部超导轴承10是该旋转设备的主轴承，同时提供径向和轴向承载力及刚度阻尼。

低温电机9位于两个超导轴承之间的低温环境，使用一种液氮冷却的低温电机，为转子主轴6提供必要的扭矩动力，其定子部分固定在液氮循环腔上。

液氮循环腔13为超导轴承和低温电机提供稳定的低温环境，一面与超导轴承定子和低温电机定子紧密接触，另一面固定在机壳3上。

在图1所示的实施例中，旋转设备还包括叶轮12。叶轮12和转子主轴6固定连接。叶轮12是该旋转设备的直接做功部分。

未启动时，转子主轴6落在下部保护轴承11上。

启动时，按照以下步骤进行启动：

1、开启对中结构1，使抬升力近似等于转子主轴6的重力，此步骤的目的在于减小转子主轴6与下部保护轴承11之间的摩擦力。

2、开启径向对中结构5，产生足够的电磁力使转子主轴6移动到中心。此时，径向限位弹簧处于拉伸状态。

3、增大对中结构1电磁力，将转子主轴6抬升至设计的轴向位置。此时，轴向限位弹簧处于压缩状态。

4、向液氮循环腔13内通入液氮，给上部超导轴承、下部超导轴承和低温电机9降温。使上部超导轴承、下部超导轴承在较为均匀的外磁场条件下，进行场冷至超导状态。此时，上部超导轴承、下部超导轴承具备麦斯纳效应和钉扎效应。

5、关闭对中结构1和径向对中结构5。轴向限位板和径向限位板在轴向限位弹簧和径向限位弹簧的恢复力作用下，实现与转子主轴6的非接触。

6、开启低温电机9，完成启动过程。

上述对中结构1和径向对中结构5适用于高温超导磁悬浮轴承的对中，适用于旋转机械的轴承设计，特别适用于压缩机、透平、飞轮储能、高速机床、涡轮机等领域。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种对中结构，用于旋转设备转子主轴的对中，其特征在于，包括轴向限位板、轴向限位弹簧、限位电磁铁、止推盘和抬升电磁铁；

所述限位电磁铁设于所述转子主轴的外侧，所述限位电磁铁与转子主轴同轴心，且所述限位电磁铁与所述旋转设备的机壳盖板的一侧固定连接；

所述轴向限位板设于所述限位电磁铁远离所述机壳盖板的一端，所述轴向限位板用于限定所述旋转设备的所述转子主轴的轴向位置；

所述轴向限位弹簧的一端和所述轴向限位板连接，所述轴向限位弹簧的另一端和所述机壳盖板连接；

所述止推盘和所述转子主轴固定连接；

所述抬升电磁铁设于所述转子主轴的外侧，所述抬升电磁铁与转子主轴同轴心，且所述抬升电磁铁与所述旋转设备的机壳盖板的另一侧固定连接。

2.如权利要求1所述的对中结构，其特征在于，所述轴向限位板包括定位板和限位轴，所述定位板设于限位轴的一端，所述限位轴设于所述定位板的中心，所述轴向限位弹簧的一端和所述定位板设有所述限位轴的表面固定连接，在所述限位电磁铁的吸引力作用下，所述限位轴用于和所述转子主轴抵接对所述转子主轴进行限位。

3.如权利要求1所述的对中结构，其特征在于，所述轴向限位板的材料为导磁材料；所述止推盘的材料为导磁材料。

4.如权利要求1所述的对中结构，其特征在于，所述限位电磁铁包括限位电磁铁铁芯和限位电磁铁线圈，所述限位电磁铁铁芯包括第一铁芯和第二铁芯，所述第一铁芯和第二铁芯形成一个环形收容腔，所述限位电磁铁线圈缠绕于所述第一铁芯上，所述限位电磁铁线圈收容于所述环形收容腔内，所述第一铁芯和第二铁芯和所述机壳盖板固定连接。

5.一种对中装置，其特征在于，包括转子主轴、机壳、径向对中结构和如权利要求1-4中任一项所述的对中结构；

所述机壳包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，所述机壳盖板、所述机壳侧壁和所述机壳底板之间形成有安装腔；

所述转子主轴设于所述机壳的所述安装腔内；

所述对中结构设于所述转子主轴的一端，所述对中结构用于对所述转子主轴进行轴向抬升和定位；

所述径向对中结构设于所述转子主轴的外侧，所述径向对中结构包括两个以上的径向对中组件，所述两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且所述两个以上的径向对中组件所共同组成的径向对中结构的中心对称轴与所述转子主轴的中心对称轴同轴设置，所述径向对中结构用于实现对所述转子主轴的径向对中。

6.如权利要求5所述的对中装置，其特征在于，所述径向对中结构的数量为两个以上，所述两个以上的径向对中结构沿所述转子主轴的轴向设置。

7.如权利要求5所述的对中装置，其特征在于，所述径向对中组件包括径向限位板、径向限位弹簧和径向电磁铁；

所述径向电磁铁和所述机壳内的横板固定连接；

所述径向限位板和所述径向电磁铁相对设置；

所述径向限位弹簧的一端和所述机壳侧壁的内壁固定连接，所述径向限位弹簧的另一端和所述径向限位板连接。

8.如权利要求7所述的对中装置，其特征在于，所述径向限位板包括径向限位杆和径向移动板；

所述径向限位杆的一端与所述径向移动板连接，所述径向限位杆的另一端用于与所述转子主轴接触；

所述径向电磁铁与所述径向移动板相对设置。

9.如权利要求8所述的对中装置，其特征在于，所述径向限位杆远离所述径向移动板的一端的结构为Y型、圆球型或圆弧形。

10.一种旋转设备，其特征在于，包括上部保护轴承、机壳、位移传感器、径向对中结构、转子主轴、上部超导轴承、低温电机、下部超导轴承、下部保护轴承、液氮循环腔和如权利要求1-4中任一项所述的对中结构；

所述机壳包括机壳盖板、机壳侧壁和机壳底板，所述机壳盖板、所述机壳侧壁和所述机壳底板之间形成有安装腔；

所述转子主轴设于所述机壳的所述安装腔内；

所述对中结构设于所述转子主轴的一端，所述对中结构用于对所述转子主轴进行轴向抬升和定位；

所述径向对中结构设于所述转子主轴的外侧，所述径向对中结构包括两个以上的径向对中组件，所述两个以上的径向对中组件呈中心对称设置，且所述两个以上的径向对中组件所共同组成的径向对中结构的中心对称轴与所述转子主轴的中心对称轴同轴设置，所述径向对中结构用于实现对所述转子主轴的径向对中；

所述位移传感器固定设于所述机壳侧壁的内壁上，所述位移传感器用于实时测量所述转子主轴的轴心轨迹；

所述上部保护轴承套设于所述转子主轴上，所述上部保护轴承设于所述机壳盖板与所述转子主轴之间；

所述下部保护轴承套设于所述转子主轴上，所述下部保护轴承设于所述机壳底板与所述转子主轴之间；

所述液氮循环腔设于所述机壳侧壁的内侧；

所述上部超导轴承、所述低温电机和所述下部超导轴承依次设于所述转子主轴上，且所述上部超导轴承、所述低温电机和所述下部超导轴承均位于所述液氮循环腔和所述转子主轴之间。

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