CN110594285B - 气体动压轴承和高速电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体动压轴承和高速电机，包括支撑套，具有轴孔，支撑套上设有至少一个第一豁口；平箔，沿轴孔的周向卷曲形成环状，并嵌套在轴孔中；弹垫，呈筒状，并嵌套在支撑套与所述平箔之间，弹垫沿周向具有多个抵住平箔的弹性支撑面，相邻的弹性支撑面之间形成抵住支撑套的棱角，弹垫上设有至少一个第二豁口；其中，平箔设有至少一个沿径向的翼翅，翼翅嵌入所述第一豁口、第二豁口以限制平箔和弹垫的轴向位移和周向位移。高速电机，包括所述的气体动压轴承。其通过增加翼翅来代替多个零件组合限位的结构，结构简单、紧凑，稳定性更高，同时采用弹垫为平箔提供支撑，弹垫的结构更加简洁，本发明更适合于进行标准化和系列化。

Description

气体动压轴承和高速电机

技术领域

本发明用于高速旋转机械领域，特别是涉及一种气体动压轴承和高速电机。

背景技术

气体动压轴承在高速旋转机械领域具有独特而广泛的用途，如燃料电池压缩机、曝气鼓风机、微型燃气轮机、涡轮膨胀机等等。其基本原理是：通过轴颈高速旋转，带动粘性空气介质进入轴颈与轴承形成的楔形间隙中，空气被压缩而产生压力场，从而支撑轴颈高速运转。

现有技术中，气体动压轴承主要包括固定瓦型、波箔型、悬臂型等。其中，固定瓦型气体动压轴承虽然能提供相对较好的支撑刚度，但由于支撑面为刚性表面，且气膜间隙小，因此自适应能力差，稳定性低。波箔型气体动压轴承虽然具有较好的刚度、阻尼和承载能力，但是波箔和平箔需要通过个多个零件组合进行限位，轴承的制造和安装成本高，不利于轴承的批量生产；而且，难以针对产品轴径大小、转速高低和承载情况等形成标准化的设计方法及系列化的产品，限制了轴承的推广与使用；在加工制造上，分段离散式的波箔加工精度要求高，成型成本高，质量的一致性难以保证，且装配结构复杂，装配技术要求高，产品一致性难以保证，在产品维护上，这类结构装拆复杂，重新拆装后难以保持轴承精度，可维护性差。悬臂型气体动压轴承结构相对复杂，支撑刚度低，承载能力小。

现有的气体动压轴承存在上述缺点，导致无法有效实现标准化和系列化，大大制约了其在工业领域的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种气体动压轴承和高速电机，其通过增加翼翅来代替多个零件组合限位的结构，结构简单、紧凑，稳定性更高，同时采用弹垫为平箔提供支撑，弹垫的结构更加简洁，本发明更适合于进行标准化和系列化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种气体动压轴承，包括

支撑套，具有轴孔，所述支撑套上设有至少一个第一豁口；

平箔，沿所述轴孔的周向卷曲形成环状，并嵌套在所述轴孔中；

弹垫，呈筒状，并嵌套在所述支撑套与所述平箔之间，所述弹垫沿周向具有多个抵住所述平箔的弹性支撑面，相邻的所述弹性支撑面之间形成抵住所述支撑套的棱角，所述弹垫上设有至少一个第二豁口；

其中，所述平箔设有至少一个沿径向的翼翅，所述翼翅嵌入所述第一豁口、所述第二豁口以限制所述平箔和弹垫的轴向位移和周向位移。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述翼翅能够在所述第一豁口、所述第二豁口中沿径向运动。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述平箔沿所述轴孔的周向卷曲形成封闭的环状。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述平箔设有轴向通槽，沿所述轴孔周向，所述平箔的一端形成固定端，另一端形成自由端，所述自由端不设置所述翼翅，由所述固定端到所述自由端的方向与平箔内侧轴颈的旋转方向相反。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，沿所述轴孔的轴向，所述第一豁口设在所述支撑套的两端边缘，所述第二豁口设在所述弹垫的两端边缘，所述翼翅设在所述平箔的两端边缘。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述翼翅与所述平箔一体成型，所述翼翅由所述平箔边缘沿径向向外弯曲并嵌入所述第二豁口和第一豁口。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述弹垫沿径向设置多层。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，相邻的两层弹垫之间，内层所述弹垫的棱角抵住外层所述弹垫的弹性支撑面。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，内层所述弹垫的棱角抵住外层所述弹垫的弹性支撑面的中部位置，内层所述弹垫的棱角处设有第二豁口，外层所述弹垫的弹性支撑面的中部位置设有第二豁口。

第二方面，高速电机，包括第一方面中任一项所述的气体动压轴承。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

平箔增加翼翅，并通过翼翅与支撑套、弹垫的豁口配合，实现在弹垫、平箔在轴孔中的限位，采用翼翅代替多个零件组合限位的方式，降低了轴承的制造和安装成本，有利于轴承批量生产。

同时本结构不需要在两端面增加端盖来限制轴向的位移，减小轴承的轴向长度，缩短了轴系的跨距，有利于实现更高的临界转速。该技术方案结构简单、紧凑，稳定性更高。

采用弹垫为平箔提供支撑，弹垫的结构更加简洁，可以根据轴径大小、转速高低、承受载荷的大小等进行标准化和系列化设计及生产，有利于克服现有气体动压轴承多品种、小批量定制带来的成本高、制造周期长、不适合广泛推广应用的缺点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明第一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例结构爆炸图；

图3是图1所示的一个实施例支撑套结构示意图；

图4是图1所示的一个实施例弹垫结构示意图；

图5是图1所示的一个实施例平箔示意图；

图6是本发明第二个实施例结构示意图；

图7是图6所示的一个实施例翼翅弯曲前示意图；

图8是图6所示的一个实施例平箔示意图；

图9是本发明第三个实施例结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1、图2，本发明的实施例提供了一种气体动压轴承，包括支撑套1、弹垫2和平箔3，支撑套1、弹垫2和平箔3沿径向由外到内依次套装形成一个整体部件，其能够直接安装到需要气体动压轴承的旋转设备或仪器上，方便独立设计、生产、运输、装配、维修和更换。使用时，轴颈4穿过平箔3限定出的内孔，并转动，平箔3与轴颈4间形成楔形间隙，为工作气膜提供润滑表面，弹垫2位于平箔3底部，为平箔3提供支撑刚度和阻尼，即由于弹垫2的弹性和变形，使得轴承能够适应不同的转速、负载等工况，建立不同厚度的气膜，适应性更好，而且柔性的支撑表面，使得轴承能承受一定范围内的轴颈角度和同轴度偏差。另一方面，弹垫2和平箔3产生的阻尼效应，能够有效抑制振动，使系统具有良好的稳定性。

参见图3，支撑套1具有轴孔11，支撑套1作为整个轴承的骨架部件，有一定的厚度和整体刚性，可以保证弹垫2和平箔3安装后成为一个不容易变形的整体轴承，该轴承可直接安装于各种需要气体动压轴承的旋转设备或仪器上。其中，支撑套1上设有至少一个或多个第一豁口12，第一豁口12用于与平箔3的翼翅配合，来限定弹垫2和平箔3在支撑套1中的位置，具体配合结构将在下文中详述。

参见图5，平箔3沿轴孔11的周向卷曲形成环状，并嵌套在轴孔11中，用于与轴颈4配合，并在工作时与轴颈4之间形成楔形间隙。

参见图4，弹垫2呈筒状，并嵌套在支撑套1与平箔3之间，弹垫2沿周向具有多个抵住平箔3的弹性支撑面21，相邻的弹性支撑面21之间形成抵住支撑套1的棱角22，可以理解的是，弹性支撑面21可以是平面，也可以是沿径向外凸的曲面，还可以是沿径向内凹的曲面，例如在图1-5所示的实施例中，弹性支撑面21是平面，弹垫2的截面呈多边形。弹性支撑面21的两端通过棱角22抵住支撑套1内壁，弹性支撑面21与平箔3相切，以为平箔3提供弹性支撑，自适应能力好。弹垫2呈筒状的整体式结构，结构更加简单，稳定性更好，可以根据轴径大小、转速高低、承受载荷的大小等进行标准化和系列化设计及生产，有利于克服现有气体动压轴承多品种、小批量定制带来的成本高、制造周期长、不适合广泛推广应用的缺点。

其中，参见图1、图2，弹垫2上设有一个或多个第二豁口23，平箔3设有一个或多个翼翅31，翼翅31对应第一豁口12和第二豁口23位置设置，翼翅31沿径向向外延伸，嵌入第一豁口12、第二豁口23，第一豁口12、第二豁口23可采用孔或槽等。沿轴向，翼翅31被第一豁口12、第二豁口23阻挡，限制平箔3和弹垫2的轴向位移；沿周向，翼翅31的边缘抵住第一豁口12、第二豁口23的侧壁，限制平箔3和弹垫2的周向位移。现有技术中一般通过在支撑套1两端增加盖板来限定平箔3和弹垫2的位移，但是盖板会增加箔片轴承组件的轴向长度，从而增加轴系的轴向跨距，降低轴系的极限转速，增加了高速轴系的设计难度；同时增加了零件的数量，增加了轴承的制造成本。本实施例中，平箔3增加翼翅31，并通过翼翅31与支撑套1、弹垫2的豁口配合，实现在弹垫2、平箔3在轴孔11中的限位，采用翼翅31代替多个零件组合限位的方式，降低了轴承的制造和安装成本，有利于轴承批量生产。

参见图1，沿径向，第一豁口12、第二豁口23的宽度恒定，翼翅31的宽度恒定，翼翅31能够在第一豁口12、第二豁口23中沿径向运动，第一豁口12、第二豁口23不能限制平箔3延径向的位移。其中，翼翅31弯曲后的最外沿不能超出支撑套11的外径。弹垫2和平箔3的径向处于自由状态，在工作时会随着径向力的变化不断调整径向位置，防止平箔3与轴颈4无法在气膜的支撑下脱离，继续摩擦，同时降低弹垫2和平箔3的加工精度，降低了轴承的加工成本。

在一些实施例中，参见图1-图5，平箔3沿轴孔11的周向卷曲形成封闭的环状，即具平箔3有整体式结构，沿周向360°形成封闭的圆形，平箔3作为一个整体式零件，结构更加简单，稳定性更好。

在一些实施例中，参见图6-图8，平箔3设有轴向通槽32，即平箔3为非整周环形结构，该实施例中，沿轴孔11周向，平箔3的一端形成固定端，另一端形成自由端。其中，自由端不设置翼翅31，平箔3的固定端、以及自由端到固定端之间的部分均通过翼翅31与支撑套1配合连接，以限定弹垫2和平箔3在支撑套1中的轴向位置和周向位置，平箔3通过开设轴向通槽32形成自由端，适应性更好，装配更加便捷。在该实施例中，由固定端到自由端的方向与平箔3内侧轴颈4的旋转方向相反，使得轴颈4在高速转动时，轴颈4与平箔3之间的气膜将平箔3撑开，避免平箔3将轴颈4抱死。

第一豁口12可以设在轴孔11内壁和/或两端，第二豁口23可以设在弹垫2的中部和/或两端，翼翅31设在平箔3的中部和/或轴向两端边缘，优选的，参见图5、图8，沿轴孔11的轴向，第一豁口12设在支撑套1的两端边缘，当第一豁口12设置多个时，多个第一豁口12均匀分布；与之对应的，第二豁口23设在弹垫2的两端边缘，当第二豁口23设置多个时，多个第二豁口23均匀分布；与之对应的，翼翅31设在平箔3的两端边缘，当翼翅31设置多个时，多个翼翅31均匀分布。

其中，第一翼翅31与平箔3可采用焊接、紧固件连接等方式连接，优选的，参见图5、图7、图8，翼翅31与平箔3一体成型，翼翅31由平箔3边缘沿径向向外弯曲刚好嵌入第二豁口23和第一豁口12，对平箔3、弹垫2进行圆周方向限位和轴向限位，翼翅31呈片状，与第一豁口12、第二豁口23的配合稳定性更好。

参见图1、图9，弹垫2沿径向设置一层或多层，可以根据轴径大小、转速高低、承受载荷的大小等进行选择，适合于进行标准化和系列化设计，有利于克服现有气体动压轴承多品种、小批量定制带来的成本高、制造周期长、不适合广泛推广应用的缺点。

参见图9，相邻的两层弹垫2之间，内层弹垫2的棱角22抵住外层弹垫2的弹性支撑面21，即相邻的两层弹垫2的棱角22相互错开，使得弹垫2能够充分发挥每层弹垫2的弹性，对于平箔3的弹性支撑更好。

平箔3的翼翅31沿径向穿过每层弹垫2的第二豁口23，以对每层弹垫2进行轴向和周向限位。其中，参见图9，内层弹垫2的棱角22抵住外层弹垫2的弹性支撑面21的中部位置，内层弹垫2的棱角22处设有第二豁口23，外层弹垫2的弹性支撑面21的中部位置设有第二豁口23，相邻的两层弹垫2在内层弹垫2棱角22位置最为紧贴，相邻的两层弹垫2的第二豁口23在该位置最为接近，翼翅31与两层弹垫2的第二豁口23的配合更加容易，翼翅31对于第二豁口23限位的准确性更佳。

和现有技术相比，本发明的实施例具有下述优点：

1、该结构的气体动压轴承可以作为一个整体部件，直接安装到需要气体动压轴承的旋转设备或仪器上，方便独立设计、生产、运输、装配、维修和更换。

2、该结构的气体动压轴承可以根据轴径大小、转速高低、承受载荷的大小等进行标准化和系列化设计及生产，有利于克服现有气体动压轴承多品种、小批量定制带来的成本高、制造周期长、不适合广泛推广应用的缺点。

3、由于该结构的气体动压轴承适合于标准化和系列化，可以利用其转速高、工作时无摩擦磨损、发热少、振动小的优点，对传统的一部分转速低、发热大、振动大、寿命短的滚动轴承进行整体替换，将显著提高一部分传统设备的工作性能和使用寿命。

4、由于该结构的气体动压轴承适合于标准化和系列化，因而也适合于进行大批量生产，批量生产模式将导致气体动压轴承的生产成本大幅度降低，显著提升相对于传统结构气体动压轴承的市场竞争力。

本发明的实施例还提供一种高速电机，包括定子、转子以及以上任一实施例中的气体动压轴承，其中，转子与轴颈4连接，轴颈4通过箔片气体动压轴承旋转支撑，气体动压轴承的结构特点和技术效果已经在上文中详述，不再赘述。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.气体动压轴承，其特征在于：包括

支撑套，具有轴孔，所述支撑套上设有至少一个第一豁口；

平箔，沿所述轴孔的周向卷曲形成环状，并嵌套在所述轴孔中；

弹垫，呈封闭的筒状，并嵌套在所述支撑套与所述平箔之间，所述弹垫沿周向具有多个抵住所述平箔的弹性支撑面，相邻的所述弹性支撑面之间形成抵住所述支撑套的棱角，所述弹垫上设有至少一个第二豁口，弹垫的截面呈多边形，弹垫呈筒状的整体式结构；

其中，所述平箔设有至少一个沿径向的翼翅，所述翼翅嵌入所述第一豁口、所述第二豁口以限制所述平箔和弹垫的轴向位移和周向位移。

2.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于：所述翼翅能够在所述第一豁口、所述第二豁口中沿径向运动。

3.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于：所述平箔沿所述轴孔的周向卷曲形成封闭的环状。

4.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于：所述平箔设有轴向通槽，沿所述轴孔周向，所述平箔的一端形成固定端，另一端形成自由端，所述自由端不设置所述翼翅，由所述固定端到所述自由端的方向与平箔内侧轴颈的旋转方向相反。

5.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于：沿所述轴孔的轴向，所述第一豁口设在所述支撑套的两端边缘，所述第二豁口设在所述弹垫的两端边缘，所述翼翅设在所述平箔的两端边缘。

6.根据权利要求5所述的气体动压轴承，其特征在于：所述翼翅与所述平箔一体成型，所述翼翅由所述平箔边缘沿径向向外弯曲并嵌入所述第二豁口和第一豁口。

7.根据权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于：所述弹垫沿径向设置多层。

8.根据权利要求7所述的气体动压轴承，其特征在于：相邻的两层弹垫之间，内层所述弹垫的棱角抵住外层所述弹垫的弹性支撑面。

9.根据权利要求8所述的气体动压轴承，其特征在于：内层所述弹垫的棱角抵住外层所述弹垫的弹性支撑面的中部位置，内层所述弹垫的棱角处设有第二豁口，外层所述弹垫的弹性支撑面的中部位置设有第二豁口。

10.高速电机，其特征在于：包括权利要求1～9中任一项所述的气体动压轴承。

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