CN110894854A

CN110894854A - 一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴

Info

Publication number: CN110894854A
Application number: CN201910912794.1A
Authority: CN
Inventors: 叶乐志; 李祥利; 李世玉; 李德胜
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN110894854B

Abstract

本发明公开了一种集成永磁悬浮与空气静压的双悬浮径向止推轴承，可用于高速、高承载力和高回转精度要求的轴系配合。该轴承采用磁悬浮和空气静压悬浮相结合的支撑方式，使得轴承在高承载的情况下能够支撑主轴高速、高精度工作。当主轴用于竖直工作的场合时，设计的圆环形永磁体组合式磁悬浮系统承载大部分轴向力；当主轴用于横向工作的场合时，采用呈120度的环形永磁体磁悬浮系统，利用磁体与主轴间的吸引力抵消大部分重力。组合式永磁体形成闭合磁力线，保证了承载力的可靠性。另一方面，采用空气静压系统足以保证对非主要受力方向提供足够的承载力，使轴在重载、高速的运行情况下，轴向径向均能处于稳定状态。

Description

一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴

技术领域

本发明涉及滑动轴承的设计领域，特别是涉及一种集成永磁悬浮与空气静压的双悬浮径向止推轴承，该轴承是一种小摩擦、高转速、高回转精度的重载气浮轴承。

背景技术

随着空间技术和工业技术的不断发展，对超精密回转轴系的需求显得越来越迫切。轴承作为机械设备中重要的基础零部件，在机器中起着支承轴和轴上零件并减小相对运动处摩擦的作用，轴承的性能优劣直接影响着轴系零部件及整部机器的性能。超精密回转轴系的研究水平，关系到宇航技术、精密机床和精密仪器仪表业的发展，是一个国家工业和军事技术的综合体现。因此设计一种结构紧凑、回转精度极高的超精密轴承就显得尤为迫切。

回转精度高的轴承主要有气体静压轴承和磁悬浮轴承。气体静压轴承是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，从而使物体浮起。但是它要求必须有配套加压设备，而且需要复杂的控制系统，在一定程度上限制了静压气体轴承的广泛应用。磁悬浮轴承是采用磁场力无接触的将转轴悬浮的轴承。虽在整个承载过程中始终存在，但承载能力小。

现有的轴承支撑系统的设计中，东南大学的蒋书运等人申请的中国专利CN201310238485.3公开了一种超高速空气轴承电主轴，包括外壳、设置在外壳中的静压径向空气轴承、设置在静压径向空气轴承内的转子、与转子连接的电机轴、与电机轴连接的电机转子、设置于静压径向空气轴承一端的后止推轴承和前止推轴承，以及设置在转子一端的止推盘和设置在电机轴一端的非接触式的气体密封环，转子一端通过止推盘与后止推轴承和前止推轴承安装连接，转子另一端与电机轴安装连接。该装置在轻载情况下可以保证轴的高速运行，但在高速重载情况下不适合应用。燕山大学的赵建华等人申请的中国专利CN201810557738.6 公开了一种结合被动磁悬浮与空气静压两种支撑系统的双悬浮轴向轴承，该轴承磁悬浮系统中第一定子上的第一内圈永磁体与第一外圈永磁体分别与止推盘左端面上的第二内圈永磁体和第二外圈永磁体同性磁极相对；第二定子上的第三内圈永磁体和第三外圈永磁体分别与止推盘右端面上的第四内圈永磁体和第四外圈永磁体同性磁极相对。根据同极相斥原则轴与定子之间形成斥力，使轴悬浮。该设计中同极性磁铁相对没有形成闭合回路，易发生退磁现象。空气静压系统中空气通过第一、二定子上的进气孔在止推盘两侧起作用，但径向没有对轴约束。

发明内容

本发明提供了一种集成永磁悬浮与空气静压的双悬浮径向止推轴承，可用于高速、高承载力和高回转精度要求的轴系配合。该轴承采用磁悬浮和空气静压悬浮相结合的支撑方式，使得轴承在高承载的情况下能够支撑主轴高速、高精度工作。当主轴用于竖直工作的场合时，设计的圆环形永磁体组合式磁悬浮系统承载大部分轴向力；当主轴用于横向工作的场合时，采用呈120度的环形永磁体磁悬浮系统，利用磁体与主轴间的吸引力抵消大部分重力。组合式永磁体形成闭合磁力线，保证了承载力的可靠性。另一方面，采用空气静压系统足以保证对非主要受力方向提供足够的承载力，使轴在重载、高速的运行情况下，轴向径向均能处于稳定状态。

本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，包括：

轴1、卡圈2、环形外圈永磁体3、气浮套4、后止推轴承5、气孔6、止推盘 7、前止推轴承8、气堵9、环形内圈永磁体10、气嘴11、止动环12、轴向气槽 13、后止推轴承螺纹孔14、后止推轴承沉头孔15、后止推轴承排气孔16、气浮套螺纹孔17、气浮套排气孔18、径向气槽19、半环形卡圈20、右部120度环形永磁体21和左部120度环形永磁体22；

该集成永磁悬浮的重载气浮主轴承载形式分为两种：

当重载气浮主轴用于竖直工作的场合时，环形外圈永磁体3、环形内圈永磁体10形成组合式磁悬浮系统，利用卡圈2将环形外圈永磁体10与气浮套4固定，采用止动环12将环形内圈永磁体10固定在轴1上随轴1转动环形内圈永磁体 10与环形外圈永磁体3安装位置具有一定的高度差(约半个永磁体长度)，利用不同磁极之间的吸引力在轴向提供支持力。气体由气嘴进入主轴内部，通过气浮套的径向气槽进入气孔为轴提供径向支持力，通过轴向气槽向下进入前后止推轴承气孔，为轴提供轴向支持力，此时空气静压系统与组合式磁悬浮系统共同承载轴向载荷，气浮套4与后止推轴承5通过在后止推轴承沉头孔15与气浮套螺纹孔17处用螺栓连接，前止推轴承8与后止推轴承5通过前止推轴承的沉头孔与后止推轴承螺纹孔14连接。

当重载气浮轴用于横向工作的场合时，左部120度环形永磁体19、右部120 度环形永磁体18分别位于轴的左右两侧，在与轴1相对的位置对轴产生半环绕的径向吸引力，吸引力会平衡大部分主轴重力。同时从气嘴通入气体，气体通过气浮套的径向气槽进入气孔为轴提供径向支持力，然后气体通过轴向气槽流至止推盘，为轴提供轴向支持力，气浮套4、后止推轴承5、前止推轴承8连接方式与竖直工作场合时相同。

所述的竖直工作时的组合式磁悬浮系统是将内外圈环形永磁体分别放置在轴肩与气浮套位置，将不同磁极的永磁体之间轴向错开约半个永磁体长度，形成闭合的磁力线，避免发生退磁。

所述的径向气槽是指在气浮套外表面与后止推轴承相对应位置开环绕的矩形凹槽，凹槽数量根据所需径向力大小而定，使气体能够进入环绕轴的气孔提供径向支持力。

所述的轴向气槽是指在气浮套轴向开矩形凹槽，左右开两列，气体通过轴向凹槽将气体引入前止推轴承和径向气槽。

所述的止动环位于内圈永磁体的上方，将永磁体压紧在轴1上。

所述的卡圈位于外圈永磁体上方，外圈永磁体与内圈永磁体能保持错开的合适距离。

所述的横向放置时的永磁体分布是在轴的两侧分别布置左部120度环形永磁体和右部120度环形永磁体，利用永磁体与轴间的吸引力去平衡主轴重力。

本发明的积极效果如下：

本发明提供了一种集成永磁悬浮与空气静压的双悬浮径向止推轴承，可用于高速、高承载力和高回转精度要求的轴系配合。该轴承采用磁悬浮和空气静压悬浮相结合的支撑方式，使得轴承在高承载的情况下能够支撑主轴高速、高精度工作。永磁悬浮系统中永磁体对轴提供的是非接触支持力，结合空气粘性较低，轴承与轴被气体隔离，完全没有接触，因而不会产生显著的摩擦热，更无磨损，常用在高速场合；空气静压压系统中，气膜中的气体具有可压缩性，可以补偿零件表面的加工误差，使主轴在高速运转中保持高精度工作。。当主轴用于竖直工作的场合时，设计圆环形永磁体的组合式磁悬浮系统承载大部分轴向力；当主轴用于横向工作的场合时，采用120度环形永磁体的磁悬浮系统，利用磁体与主轴间的吸引力抵消大部分重力。组合式磁悬浮形成闭合磁力线，保证了承载力的可靠性，另一方面，采用空气静压系统足以保证对非主要受载方向提供足够的承载力，使轴在重载下满足径向与轴向高速高刚度的稳定运行需求。

附图说明

图1是本发明实施例对轴用于竖直工作的场合时轴承的剖视图。

图2是本发明实施例对后止推轴承的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例对后止推轴承的剖视图。

图4是本发明实施例对气浮套的剖视图。

图5是本发明实施例对环形内圈永磁体的示意图。

图6是本发明实施例对环形外圈永磁体的示意图。

图7是本发明实施例对轴用于横向工作的场合时轴承的剖视图。

图8是本发明实施例对左部120度环形永磁体示意图。

图中：1轴2卡圈3环形外圈永磁体4气浮套5后止推轴承6气孔7 止推盘8前止推轴承9气堵10环形内圈永磁体11气嘴12止动环13轴向气槽14后止推轴承螺纹孔15后止推轴承沉头孔16后止推轴承排气孔17 气浮套螺纹孔18气浮套排气孔19径向气槽20半环形卡圈21右部120度环形永磁体22左部120度环形永磁体。

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明做进一步详述：

参见图1、图2，轴用于竖直工作的场合时，气体通过气嘴11进入后止推轴承5向下流动，在进入4气浮套时分流，分别流入气孔6、轴向气槽13、径向气槽19，流向气孔6的气体为轴提供径向承载力，其中在垂直于轴的平面，环绕轴有六个气孔，轴向分为六排；流向轴向气槽13的气体进入前止推轴承8和后止推轴承9的气孔，将在止推盘7上产生轴向承载力，其中在气浮套4两侧开两个轴向气槽13；流向径向气槽19的气体进入沿径向布置的气孔，为轴提供绕轴方向的径向力。

参见图3、图4，气体沿轴表面通过气浮套4的气浮套排气孔14及后止推轴承5的后止推轴承排气孔16排出气体，这里气浮套排气孔18与后止推轴承排气孔16对应，其中设置4个排气孔，每个排气孔相隔90度，在径向与进气孔错开。在气浮套4与后止推轴承5的接触面分别开有气浮套螺纹孔17与后止推轴承沉头孔15，其中气浮套螺纹孔17与后止推轴承沉头孔15各设置6个，在此处通过螺栓将两者连接。

图5、图6分别是环形内圈永磁体10与环形外圈永磁体3，各存在两组。放置环形内圈永磁体10时，需要使用止动环12将环形内圈永磁体10固定在轴1 上随轴转动。放置环形外圈永磁体3时，需要使用卡圈2将环形外圈永磁体10 定位在气浮套4上，轴向环形外圈永磁体3与环形内圈永磁体10向上错开适当距离，同时环形内圈永磁体10与环形外圈永磁体3形成闭合磁路。

参见图7、图8，轴用于横向工作的场合时，轴承的气路结构与轴用于竖直工作的场合时相同。磁悬浮系统采用120度环形永磁体，左部放置两组120度环形永磁体22，用卡圈12将左部120度环形永磁体永磁体22与气浮套4固定。在止推盘7两侧的前止推轴承8与后止推轴承5中，用卡圈12固定内径的120 度环形永磁体21。永磁体与轴承之间会产生吸引力，用于平衡轴的部分重力，余下重力利用空气静压系统中气体对轴的径向承载力平衡。

Claims

1.一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：当重载气浮主轴用于竖直工作的场合时，环形外圈永磁体、环形内圈永磁体形成组合式磁悬浮系统，利用卡圈将环形外圈永磁体与气浮套固定，采用止动环将环形内圈永磁体固定在轴上随轴转动环形内圈永磁体与环形外圈永磁体安装位置具有一定的高度差，高度差为半个永磁体长度，利用不同磁极之间的吸引力在轴向提供支持力；气体由气嘴进入主轴内部，通过气浮套的径向气槽进入气孔为轴提供径向支持力，通过轴向气槽向下进入前后止推轴承气孔，为轴提供轴向支持力，此时空气静压系统与组合式磁悬浮系统共同承载轴向载荷，气浮套与后止推轴承通过在后止推轴承沉头孔与气浮套螺纹孔处用螺栓连接，前止推轴承与后止推轴承通过前止推轴承的沉头孔与后止推轴承螺纹孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：竖直工作时的组合式磁悬浮系统是将内外圈环形永磁体分别放置在轴肩与气浮套位置，将不同磁极的永磁体之间轴向错开约半个永磁体长度，形成闭合的磁力线，避免发生退磁。

3.根据权利要求1所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的径向气槽是指在气浮套外表面与后止推轴承相对应位置开环绕的矩形凹槽，凹槽数量根据所需径向力大小而定，使气体能够进入环绕轴的气孔提供径向支持力。

4.根据权利要求1所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的轴向气槽是指在气浮套轴向开矩形凹槽，左右开两列，气体通过轴向凹槽将气体引入前止推轴承和径向气槽。

5.根据权利要求1所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的止动环位于内圈永磁体的上方，将永磁体压紧在轴上；

6.根据权利要求1所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的卡圈位于外圈永磁体上方，外圈永磁体与内圈永磁体能保持错开的合适距离。

7.一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：当重载气浮轴用于横向工作的场合时，左部120度环形永磁体、右部120度环形永磁体分别位于轴的左右两侧，在与轴相对的位置对轴产生半环绕的径向吸引力，吸引力会平衡大部分主轴重力；同时从气嘴通入气体，气体通过气浮套的径向气槽进入气孔为轴提供径向支持力，然后气体通过轴向气槽流至止推盘，为轴提供轴向支持力，气浮套、后止推轴承、前止推轴承连接方式与竖直工作场合时相同。

8.根据权利要求7所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的径向气槽是指在气浮套外表面与后止推轴承相对应位置开环绕的矩形凹槽，凹槽数量根据所需径向力大小而定，使气体能够进入环绕轴的气孔提供径向支持力。

9.根据权利要求7所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的轴向气槽是指在气浮套轴向开矩形凹槽，左右开两列，气体通过轴向凹槽将气体引入前止推轴承和径向气槽。

10.根据权利要求7所述的一种集成永磁悬浮的重载气浮主轴，其特征在于：所述的横向放置时的永磁体分布是在轴的两侧分别布置左部120度环形永磁体和右部120度环形永磁体，利用永磁体与轴间的吸引力去平衡主轴重力。