CN110594290A - 平箔组件、气体动压轴承和高速电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平箔组件、气体动压轴承和高速电机，平箔组件，包括多层卷曲的平箔，多层平箔沿径向叠加，沿周向各平箔均具有第一固定端和第一自由端，各平箔的第一固定端固定连接，各平箔的第一自由端能够相对移动地相互搭接在一起，多层平箔的曲率半径沿径向由外到内逐层变大，相邻的平箔之间形成弹性空腔。气体动压轴承，包括轴承座，具有轴孔；顶箔，沿轴孔的周向卷曲，并嵌套在轴孔中；波箔，沿轴孔的周向卷曲，并嵌套在轴承座与顶箔之间；及多个第二方面任一实现方式的平箔组件，多个平箔组件沿轴孔的周向排列，并嵌套在顶箔与波箔之间。高速电机包括的气体动压轴承。其能够使轴颈异常能量迅速耗散，恢复系统稳定，阻尼特性更好。

Description

平箔组件、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，特别是涉及一种平箔组件、气体动压轴承和高速电机。

背景技术

箔片气体动压轴承通过轴芯高速旋转，带动粘性空气介质进入轴芯与轴承形成的楔形间隙中，空气被压缩而产生压力场，从而支撑轴芯高速运转的一种轴承，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。

随着该类轴承应用范围的不断扩大，其面临的工况要求越来越复杂，工作环境也越来也恶劣，对系统稳定性的要求也越来越高。比如，使用在汽车燃料电池压缩机上的箔片动压气体轴承，在汽车加速、刹车、转弯、上坡、下坡或行驶在路况较差的路段时，压缩机会随汽车发生大位移颠簸，压缩机转子在惯性力作用下会偏离平衡位置，进而引发系统的不稳定振动。

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，提供一种平箔组件、气体动压轴承和高速电机，其能够使轴颈异常能量迅速耗散，恢复系统稳定，阻尼特性更好，稳定性更高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，平箔组件，包括多层卷曲的平箔，多层所述平箔沿径向叠加，沿周向各所述平箔均具有第一固定端和第一自由端，各所述平箔的第一固定端固定连接，各所述平箔的第一自由端能够相对移动地相互搭接在一起，多层所述平箔的曲率半径沿径向由外到内逐层变大，相邻的所述平箔之间形成弹性空腔。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，多层所述平箔的厚度沿径向由外到内逐层变小。

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，所述平箔采用具有弹性的高温合金片材通过模具卷制定型而成，各所述平箔的外圆面均进行喷砂或喷丸处理。

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，各所述平箔的第一固定端均具有沿径向向外弯折的第一翼缘，各所述平箔的第一翼缘相互叠加并固定连接。

第二方面，气体动压轴承，包括

轴承座，具有轴孔；

顶箔，沿所述轴孔的周向卷曲，并嵌套在所述轴孔中；

波箔，沿所述轴孔的周向卷曲，并嵌套在所述轴承座与所述顶箔之间；及

多个第二方面任一实现方式所述的平箔组件，多个所述平箔组件沿所述轴孔的周向排列，并嵌套在所述顶箔与所述波箔之间。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述轴承座的内壁上沿周向设有多个卡槽，所述平箔组件在所述平箔的第一固定端具有第一翼缘，所述第一翼缘嵌入所述卡槽以将所述平箔组件限定在所述轴承座上，由所述第一固定端到所述第一自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反；所述波箔包括设在各所述平箔组件与所述轴承座之间的多个波箔单元，各所述波箔单元均具有第二自由端和第二固定端，所述第二固定端设有沿径向向外弯折的第二翼缘，所述第二翼缘嵌入所述卡槽以将所述波箔单元限定在所述轴承座上，所述第二自由端与对应的所述平箔组件的第一自由端平齐，由所述第二固定端到所述第二自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

结合第二方面和上述实现方式，在第二方面的某些实现方式中，所述顶箔沿所述轴孔的周向卷曲呈环状，所述顶箔设有轴向通槽并使所述顶箔形成第三自由端和第三固定端，所述第三固定端设有沿径向向外弯折的第三翼缘，所述第三翼缘嵌入所述卡槽以将所述顶箔限定在所述轴承座上，由所述第三固定端到所述第三自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

结合第二方面和上述实现方式，在第二方面的某些实现方式中，所述顶箔沿所述轴孔的周向卷曲呈部分环状，各所述顶箔均具有第四自由端和第四固定端，多个呈部分环状的所述平箔沿所述轴孔的周向依次排列，所述第四固定端设有沿径向向外弯折的第四翼缘，所述第四翼缘嵌入所述卡槽以将所述顶箔限定在所述轴承座上，由所述第四固定端到所述第四自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

结合第二方面和上述实现方式，在第二方面的某些实现方式中，沿所述轴孔周向，前一个所述顶箔与后一个所述顶箔搭接或相互隔开。

第三方面，高速电机，包括第二方面任一实现方式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：平箔组件具有多层的平箔，当平箔组件的最内层平箔受到外界轴颈挤压时，最内层的平箔通过第一自由端搭接部分将力逐层传递至外层的平箔，同时，内层的平箔相对外层的平箔发生移动，弹性空腔变小，轴颈的不稳定能量便可通过多层箔片的结构弹性和箔片间的摩擦迅速耗散，从而能够使轴颈异常能量迅速耗散，恢复系统稳定，阻尼特性更好，稳定性更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明平箔组件的一个实施例结构示意图；

图2是本发明平箔组件的另一个实施例结构示意图；

图3是本发明气体动压轴承的一个实施例结构示意图；

图4是本发明气体动压轴承的另一个实施例结构示意图；

图5是本发明气体动压轴承的又一个实施例结构示意图；

图6是图3中A处局部放大图。

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”“第三”“第四”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3、图4、图5，本发明的实施例提供了一种气体动压轴承，包括轴承座1、顶箔2、波箔3和多个平箔组件4，轴承座1具有轴孔。顶箔2沿轴孔的周向卷曲，并嵌套在轴孔中，顶箔2限定出轴向内孔。波箔3沿轴孔的周向卷曲，并嵌套在轴承座与顶箔2之间，波箔3沿所述轴孔的周向卷曲呈环状或部分环状。多个平箔组件4沿轴孔的周向排列，并嵌套在顶箔2与波箔3之间。即顶箔2、多个平箔组件4、波箔3沿轴孔的径向逐层分布在轴承座1的轴孔中，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，轴颈穿过顶箔2限定出的轴向内孔，并转动，顶箔 2与轴颈5间形成楔形间隙，为工作气膜提供润滑表面，多个平箔组件4、波箔3为顶箔2提供支撑刚度和阻尼，即由于平箔组件4、波箔3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5角度和同轴度偏差。另一方面，平箔组件4、波箔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。

其中，参见图1、图2，每个平箔组件4均包括多层卷曲的平箔，例如图1所示实施例中的三层和图2所示实施例中的二层，可以理解的是，平箔组件4可以根据实际需要设置更多层数的平箔。多层平箔沿径向叠加，沿周向各平箔均具有第一固定端和第一自由端，各平箔的第一固定端直接或间接固定连接，例如通过紧固件连接、焊接、铆接或设置于同一或多个卡槽中实现彼此相对位置的固定，各平箔的第一自由端能够相对移动地相互搭接在一起，多层平箔的曲率半径沿径向由外到内逐层变大，相邻的平箔之间形成弹性空腔44。

例如，在图1所示的实施例中，平箔组件4包括内层平箔 41、中层平箔42和外层平箔43，外层平箔43的曲率半径为R1，中层平箔42的曲率半径为R2，内层平箔41的曲率半径为R3，其中，R1＜R2＜R3。

再例如，在图2所示的实施例中，平箔组件4包括内层平箔 41和外层平箔43，外层平箔43的曲率半径为R1，内层平箔41 的曲率半径为R3，其中，R1＜R3。

平箔组件4具有多层的平箔，当平箔组件4的最内层平箔 41受到外界轴颈5挤压时，最内层的平箔通过第一自由端搭接部分将力逐层传递至外层的平箔，同时，内层的平箔相对外层的平箔发生移动，弹性空腔44变小，轴颈5的不稳定能量便可通过多层箔片的结构弹性和箔片第一自由端间的摩擦迅速耗散，从而能够使轴颈5异常能量迅速耗散，恢复系统稳定，阻尼特性更好，稳定性更高。该平箔组件4结构紧凑、阻尼特性良好、寿命更长。

多层平箔的厚度相同或不同，优选的，多层平箔的厚度沿径向由外到内逐层变小，例如在图1所示的实施例中，外层平箔 43的厚度为δ₁，中层平箔42的厚度为δ₂，内层平箔41的厚度为δ₃，其中，δ₃＜δ₂＜δ₁。再例如在图2所示的实施例中，外层平箔43的厚度为δ₁，内层平箔41的厚度为δ₃，其中，δ₃＜δ₁。平箔通过不同的厚度设置，使得不同层的平箔具有不同的弹性系数，当平箔组件4的最内层平箔41受到外界轴颈5挤压时，平箔沿半径方向由内向外依次变形，最内层的平箔通过第一自由端搭接部分将力逐层传递至外层的平箔，充分利用每层平箔的弹性变形和摩擦使轴颈5异常能量迅速耗散，恢复系统稳定。

在一些实施例中，各平箔的外圆面均进行表面处理技术，如喷砂或喷丸处理，从而改变箔片表面的摩擦状态，增大平箔外圆面粗糙度，提高各层平箔表面的摩擦系数，进而增大轴承系统阻尼，增加层间摩擦力，使转子具有更高的稳定性。

各层平箔可采用具有弹性的高温合金片材通过模具卷制定型而成，高温合金如GH4169，GH2132等，这类材料耐高温、耐腐蚀，可在600℃范围内人保持良好的机械性能，使气体动压轴承的工作温度范围更广，适应性更强，寿命更长。各层箔片搭接在一起后固定端固定，具有工艺简单、加工成本低等优点，特别适合于批量生产。

参见图1、图2，各平箔的第一固定端均具有沿径向向外弯折的第一翼缘45，各平箔的第一翼缘45相互叠加并固定连接，第一翼缘45用于平箔组件4在轴承座1中的定位。

平箔组件4在轴承座1中可以通过多种结构方式进行定位，例如在一些实施例中，平箔组件4通过轴承座1两端的端盖进行固定限位，在另外一些实施例中，平箔组件4通过由平箔、顶箔 2伸出的翼翅与轴承座1配合进行固定限位。

参见图3、图4、图5，在一些实施例中，轴承座1的内壁上沿周向设有多个卡槽11，多个平箔组件4沿周向均匀排列，相邻两组平箔组件4相互间隔开，前一组波箔3的固定端与后一组波箔3的自由端相距5～15°，外圈与轴承座1的轴孔内壁贴合，内层平箔41与顶箔2相邻。参见图6，平箔组件4第一固定端的第一翼缘45嵌入卡槽11以将平箔组件4限定在轴承座1 上，由第一固定端到第一自由端的方向与顶箔2内侧轴颈5的旋转方向相反，使得轴颈5在高速转动时，轴颈5与平箔组件4之间的气膜将平箔组件4撑开，避免平箔组件4将轴颈5抱死。

参见图3、图4、图5，波箔3包括设在各平箔组件4与轴承座1之间的多个波箔单元，外层平箔43的外圆与对应的波箔单元内壁贴合，曲率半径与波箔单元的内圆相同。每个波箔单元包括一个或多个波箔3，波箔3沿轴孔的周向卷曲呈部分环状，参见图6，各波箔单元均具有第二自由端和第二固定端，第二固定端设有沿径向向外弯折的第二翼缘31，第二翼缘31嵌入卡槽 11以将波箔单元限定在轴承座1上，第二自由端与对应的平箔组件4的第一自由端平齐，弹性空腔44存在于波箔单元与顶箔 2之间。由第二固定端到第二自由端的方向与顶箔2内侧轴颈5 的旋转方向相反，使得轴颈5在高速转动时，轴颈5与波箔3之间的气膜将波箔3撑开，避免波箔3将轴颈5抱死。

顶箔2设置在平箔组件4的内侧，与轴颈5相邻，在一些实施例中，参见图3，顶箔2采用一体式结构，顶箔2沿轴孔的周向卷曲呈环状，内部限定出轴向内孔，用于与轴颈5配合。参见图6，顶箔2设有轴向通槽21并使顶箔2形成第三自由端和第三固定端，参见图6，第三固定端设有沿径向向外弯折的第三翼缘22，第三翼缘22嵌入卡槽11以将顶箔2限定在轴承座1上。该实施例，顶箔2的整体性更好，装配更加方便。其中，由第三固定端到第三自由端的方向与顶箔2内侧轴颈5的旋转方向相反，使得轴颈5在高速转动时，轴颈5与顶箔2之间的气膜将顶箔2撑开，避免顶箔2将轴颈5抱死。

在一些实施例中，参见图4、图5，顶箔2采用多组分段式结构，顶箔2沿轴孔的周向卷曲呈部分环状，各顶箔2均具有第四自由端和第四固定端，多个呈部分环状的平箔沿轴孔的周向依次排列，内部限定出轴向内孔，用于与轴颈5配合，第四固定端设有沿径向向外弯折的第四翼缘，第四翼缘嵌入卡槽11以将顶箔2限定在轴承座1上，本实施例中，多段顶箔2由第四自由端到第四固定端的长度变小，顶箔2自由端的轴向位移受到更好的约束，使得轴承在组装和使用过程中，顶箔2不会出现轴向较大位移，出现自由端受力不均匀现象。其中，由第四固定端到第四自由端的方向与顶箔2内侧轴颈5的旋转方向相反，使得轴颈5 在高速转动时，轴颈5与顶箔2之间的气膜将顶箔2撑开，避免顶箔2将轴颈5抱死。

顶箔2采用多组分段式结构，顶箔2沿轴孔的轴向均匀排列，在一些实施例中，参见图4，沿轴孔周向，前一个顶箔2与后一个顶箔2搭接。在一些实施例中，参见图5，沿轴孔周向，相邻两片顶箔2相互间隔开，前一组顶箔2的固定端与后一组顶箔2 的自由端相距5～15°。

本发明的实施例提供了一种高速电机，包括定子、转子以及以上任一实施例所述的气体动压轴承。其中，转子与轴颈5连接，轴颈5通过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.平箔组件，其特征在于：包括多层卷曲的平箔，多层所述平箔沿径向叠加，沿周向各所述平箔均具有第一固定端和第一自由端，各所述平箔的第一固定端固定连接，各所述平箔的第一自由端能够相对移动地相互搭接在一起，多层所述平箔的曲率半径沿径向由外到内逐层变大，相邻的所述平箔之间形成弹性空腔。

2.根据权利要求1所述的平箔组件，其特征在于：多层所述平箔的厚度沿径向由外到内逐层变小。

3.根据权利要求1所述的平箔组件，其特征在于：所述平箔采用具有弹性的高温合金片材通过模具卷制定型而成，各所述平箔的外圆面均进行喷砂或喷丸处理。

4.根据权利要求1所述的平箔组件，其特征在于：各所述平箔的第一固定端均具有沿径向向外弯折的第一翼缘，各所述平箔的第一翼缘相互叠加并固定连接。

5.气体动压轴承，其特征在于：包括

轴承座，具有轴孔；

顶箔，沿所述轴孔的周向卷曲，并嵌套在所述轴孔中；

波箔，沿所述轴孔的周向卷曲，并嵌套在所述轴承座与所述顶箔之间；及

多个权利要求1～4中任一项所述的平箔组件，多个所述平箔组件沿所述轴孔的周向排列，并嵌套在所述顶箔与所述波箔之间。

6.根据权利要求5所述的气体动压轴承，其特征在于：所述轴承座的内壁上沿周向设有多个卡槽，所述平箔组件在所述平箔的第一固定端具有第一翼缘，所述第一翼缘嵌入所述卡槽以将所述平箔组件限定在所述轴承座上，由所述第一固定端到所述第一自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反；所述波箔包括设在各所述平箔组件与所述轴承座之间的多个波箔单元，各所述波箔单元均具有第二自由端和第二固定端，所述第二固定端设有沿径向向外弯折的第二翼缘，所述第二翼缘嵌入所述卡槽以将所述波箔单元限定在所述轴承座上，所述第二自由端与对应的所述平箔组件的第一自由端平齐，由所述第二固定端到所述第二自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

7.根据权利要求6所述的气体动压轴承，其特征在于：所述顶箔沿所述轴孔的周向卷曲呈环状，所述顶箔设有轴向通槽并使所述顶箔形成第三自由端和第三固定端，所述第三固定端设有沿径向向外弯折的第三翼缘，所述第三翼缘嵌入所述卡槽以将所述顶箔限定在所述轴承座上，由所述第三固定端到所述第三自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

8.根据权利要求6所述的气体动压轴承，其特征在于：所述顶箔沿所述轴孔的周向卷曲呈部分环状，各所述顶箔均具有第四自由端和第四固定端，多个呈部分环状的所述平箔沿所述轴孔的周向依次排列，所述第四固定端设有沿径向向外弯折的第四翼缘，所述第四翼缘嵌入所述卡槽以将所述顶箔限定在所述轴承座上，由所述第四固定端到所述第四自由端的方向与顶箔内侧轴颈的旋转方向相反。

9.根据权利要求8所述的气体动压轴承，其特征在于：沿所述轴孔周向，前一个所述顶箔与后一个所述顶箔搭接或相互隔开。

10.高速电机，其特征在于：包括权利要求5～9中任一项所述的气体动压轴承。