CN111102293A - 主被动磁气混合轴承 - Google Patents

Abstract

一种主被动磁气混合轴承，是由定子1、线圈4、永磁体5、气体箔片轴承13，加之辅助支承结构，即左绝缘衬垫2，右绝缘衬垫3所组成的混合轴承悬浮轴承。磁极9上缠绕有线圈，靠近中心位置的磁极间隙10处安装有永磁体5，永磁与电磁的磁路保持方向一致。气体箔片轴承13安装在由左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3、永磁体5所组成的轴承基座上，通过圆柱销8进行固定。主被动磁气混合轴承兼具了主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承以及箔片轴承的综合特点。永磁体8产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，从而显著降低功率放大器的功耗。转子低转速时，由永磁体8和电磁轴承提供负载，转子高转速时，由箔片轴承13和永磁体8提供负载，电磁轴承提供了额外的动态刚度和阻尼实现轴承承载力的调整以及稳定性的提高。

Description

主被动磁气混合轴承

技术领域

本发明涉及一种主动控制轴承，具体涉及一种主被动磁气混合轴承。

背景技术

气体箔片轴承是以一种以环境气体作为润滑介质，由动压效应使转子悬浮于气膜上的流体膜润滑轴承。气体箔片轴承中的弹性支承结构通过弹性变形和库伦摩擦为轴承提供刚度和阻尼。非接触式润滑使得轴承可以在高温高速条件下长期稳定运行，延长了其使用寿命。但由于润滑介质粘性小，气体箔片轴承在设备启停阶段，承载能力不足，导致转子在低转速时与轴承发生干摩擦。

主动磁悬浮轴承是一种利用可控电磁力将转子悬浮的主动控制轴承。由传感器输出信号，借助电子控制系统，校正电磁铁的吸引力，稳定转子运行并达到一定的精度。主动磁悬浮轴承可以完全避免摩擦同时可以电子调节系统的动态刚度和阻尼。但材料的磁饱和以及发热会限制磁轴承的承载能力，高速运转时，主动磁悬浮轴承很容易受到转子弯曲或结构共振的影响从而引起系统不稳定。

被动磁悬浮轴承是一种利用磁场本身特性使转子悬浮的被动磁力轴承。被动磁悬浮可以采用吸力型和斥力型。根据磁环的磁化方向及相对位置的不同，被动磁悬浮轴承存在多种结构。但仅采用被动磁悬浮轴承是无法获得稳定平衡的，一般至少需要在一个方向上引入外力才能实现系统的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构紧凑、刚度阻尼可调、运行成本低廉的主被动磁气混合轴承。该轴承具备良好的运行特点，具备低速工作无摩擦、高速工作稳定性增强、持续工作能耗低的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在主被动磁气混合轴承磁极9距离中心最远端缠绕有线圈4，组成主动磁悬浮轴承15。在磁极9靠近中心的间隙处10嵌入永磁铁4，组成被动磁悬浮轴承14。在被动磁悬浮轴承14和转子间的间隙处嵌入有气体箔片轴承13。一套完整的主被动磁气混合轴承包括有定子1、左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3、线圈4、永磁体5、波箔6以及顶箔7。

所述的主动磁悬浮轴承15由定子1、线圈4、左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3组成，左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3作为主动磁悬浮轴承15的绝缘体，同时构成线圈腔11。在组合完成的左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3和定子1的基础上，贯穿线圈腔11，在相应的磁极9 上缠绕有线圈4。

所述的被动磁悬浮轴承14由定子1、永磁体4、左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3组成，左绝缘衬垫2与右绝缘衬垫3沿周向方向，与定子共同形成了四个凹槽，用于安装并固定永磁体5。

所述的气体箔片轴承13由顶箔7和波箔6组成。左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3上设置有销钉孔12用于固定顶箔7和波箔6，通过圆柱销8将嵌套后的顶箔7和波箔6进行固定。定子1和永磁体5组合构成空气箔片轴承13的轴承座。

所述的主被动磁气混合轴承是一套并联结构的多类型混合轴承。

所述的左绝缘衬垫2右绝缘衬垫3的内、外圆直径均与定子2的内、外圆直径相同。

由于本发明采用了3D打印技术构造复杂的主被动磁气混合轴承结构骨架，将主动磁悬浮轴承15、被动磁悬浮轴承14、气体箔片轴承13组合成为一个兼具综合能力的主被动磁气混合轴承，其具备有以下优点：

其一，降低功率损耗、减小线圈发热。采用永磁体提供偏置静磁场，主动控制系统仅提供平衡负载或外界干扰的控制磁场。避免系统因偏执电流所产生的功率损耗，降低线圈发热。

其二，结构简单、缩减体积，降低质量。采用主被动磁气混合轴承，相比只采用主动控制电磁系统的轴承，安匝数可以减少，在保持同等承载能力的情况下可以缩小磁悬浮轴承的体积。

其三，承载能力增大和动态刚度的调节：低速阶段，由于采用了主被动磁悬浮轴承，在与主动磁悬浮轴承同等体积的情况下，具备更大的刚度和承载力；高速阶段，气体箔片轴承的刚度会随着转速的上升逐渐增大，主动磁悬浮轴承则提供了额外的动态刚度调节能力。

其四，稳定性高得到提高，箔片轴承在转速较高时会出现次同步振动，而主动电磁轴承的加入可以抑制振动，减小振幅。

本发明所采用的技术方案具备以下优点：采用3D打印技术实现复杂的龙骨架构，充分利用了主被动磁气混合轴承的内部空间，结构简单。被动磁悬浮轴承的加入减小由偏置电流所引起的发热和高功耗问题，增强控制精度并缩减结构尺寸。有效利用了磁极和转子之间的间隙，充分发挥箔片轴承动态刚度和承载能力大的优势。充分发挥主动磁悬浮轴承主动控制的特点，增强轴承的阻尼和稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的结构爆炸图。

图3为本发明的被动磁悬浮轴承和主动磁悬浮轴承的结构示意图。

图4为本发明的左绝缘衬垫结构示意图。

图5为本发明的空气箔片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进一步详细说明。然而可以理解的是，下述具体实施方式仅仅是本发明的优选技术方案，而不应该理解为对本发明的限制。

参见图1，2本发明的组成包括定子1，左绝缘衬垫2，右绝缘衬垫3，线圈4，永磁体5，波箔6，顶箔7。如图2所示，利用左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3以及定子将永磁体5 固定。在完成左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3的组合之后，形成被动磁悬浮轴承14。通过设置的线圈腔11，在相应的磁极9上缠绕线圈4，形成主动磁悬浮轴承15。本发明主要是针对由主动磁悬浮轴承偏执电流所引起的高功耗和发热问题，进一步影响控制精度和气体箔片轴承 13承载力。主被动磁气混合轴承利用永磁铁产生的磁场取代电磁元件的静态偏置磁场，这不仅可以显著减低功率放大器的功耗，而且可以使电磁铁的安匝数适当减小，缩小磁悬浮轴承的体积，提高承载能力。波箔6和顶箔7嵌套，通过圆柱销8固定在左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3的周向顶端的销钉孔12中。圆柱销8同时起到了锁紧左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3以及气体箔片轴承13的作用。本发明采用3D打印构造结构骨架与圆柱销8锁紧配合使用，实现了轴承结构简单，布局紧凑的优势。一套采用主动磁悬浮轴承15、被动磁悬浮轴承14、空气箔片轴承13并联工作的混合轴承在定子1沿径向方向上实现了合理的布局。

参见图3，本发明的被动磁悬浮轴承14由左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3组合将永磁体5锁紧于定子1轴心端的间隙中。由于气体箔片轴承13的加入，产生偏置磁场的永磁体5需要根据实际的工作要求进行合理的设计和排布，但偏置磁场必须保证与控制磁场采用共用的磁路。主动磁悬浮轴承15在被动磁悬浮轴承14组装完成的基础上，通过相应的线圈腔11，在相应的磁极9上缠绕线圈4。

参见图3、4，主被动磁气混合轴承的骨架由3D打印增材制造成型技术，分为左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3。该结构的内圆直径与定子1的内圆直径相等，且能与定子1相互配合，组装之后形成完整的内圆作为空气箔片轴承13的基座。结构骨架依据偏置磁场、控制磁场强度计算结果进行合理的设计。

参见图5，空气箔片轴承由顶箔7和波箔6组成。波箔6需先进行固溶热处理，完成冲压成型后进一步进行定型热处理。顶箔7在进行热处理成圆柱状后需对内表面进行镀膜。波箔6和顶箔7的一端留有余量，折叠、嵌套通过圆柱销8固定于左绝缘衬垫2和右绝缘衬 3上。

安装方法：本发明的特点之一即结构简单，安装方便。本发明采用的左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3均为一体成型。首先，先将左绝缘衬垫2与定子1相应的磁极9对应进行组装。其次，将经由计算得到合理充磁的永磁体5嵌入相应的磁极间隙10，与控制磁场磁路形成并联。再次，将右绝缘衬垫3装入，与左绝缘衬垫2和定子1完成组合，并在相应的磁极 9上缠绕线圈4，保证偏置磁路与控制磁路共用磁路。最后，以左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3、永磁体5作为基座，以销钉孔12作为固定点，嵌套顶箔7与波箔6，完成气体箔片轴承13 的安装。形成完整的主被动磁气混合轴承。需要注意的是，在实际加工过程中，为了便于线圈4的安装，可以采用分体式绝缘衬垫，在完成线圈4的安装以后再安装永磁体5。

本发明的工作原理：本发明可以适用于多种工况，从低转速到高转速，从低负载到较高负载，与之相应的有多种主动控制策略。总体而言，被动磁悬浮轴承为转子提供低速时的主要负载，主动磁悬浮轴承为转子提供低转速的辅助负载，高转速时提供可控阻尼。在到达起飞转速以后，转子的质量逐渐由主动磁悬浮轴承过渡给气体箔片轴承。稳定运行时的转子质量由气体箔片轴承和被动磁悬浮轴承共同负担，而主动磁悬浮轴承仅起到增强转子稳定性的作用。

Claims (6)

1.一种主被动磁气混合轴承，其主体结构为定子1，其特征在于，左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3与定子1配合，在每组磁极的间隙10位置嵌入被动磁悬浮轴承的永磁体5，每个磁极9上绕有线圈4，磁气混合轴承顶部两组相邻磁极间隙10处，即相应的左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3上嵌套波箔6和顶箔7。

2.根据权利要求1所述的主被动磁气混合轴承，其特征在于，所述的主被动磁悬浮轴承定子1，位于两组磁极的间隙10处，左绝缘衬垫2、右绝缘衬垫3同时作为左右固定端盖，将磁悬浮轴承定子固定于每组磁极中间。

3.根据权利要求1所述的主被动磁气混合轴承，其特征在于，所述的绝缘衬垫，由左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3组成，其内圆所形成的气体箔片轴承底座的直径与磁轴承内圆直径相等。绝缘衬垫同时作为左、右端盖，固定磁悬浮轴承永磁体5；作为绝缘层，沿周向均布八个槽口与对应位置的磁极9相互配合，磁极9外绕线圈4；作为气体箔片轴承13的轴承固定座，沿周向顶部设置有销钉孔12，用于安装气体箔片轴承13。

4.根据权利要求1所述的主被动磁气混合轴承，其特征在于，所述的气体箔片轴承有顶箔7和波箔6组成。左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3沿周向的顶端设置有销钉孔12，将嵌套后的顶箔7和波箔6通过圆柱销8固定于销钉孔12内。

5.根据权利要求1所述的主被动磁气混合轴承，其特征在于，所述的气体箔片轴承13、被动磁悬浮轴承14、主动磁悬浮轴承15是作为并联支承结构进行组合。

6.根据权利要求1所述的主被动磁气混合轴承，其特征在于，所述的主动磁悬浮轴承14，其磁路方向与被动磁悬浮轴承15的磁路方向保持一致。左绝缘衬垫2和右绝缘衬垫3沿周向预留有16个线圈腔11。沿周向均布的8个磁极9均缠绕有线圈4并穿过与之相对应的线圈腔11。

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