CN111457010B - 一种磁气混合轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁气混合轴承，属于轴承技术领域。该轴承可实现磁轴承和气体轴承硬件结构的统一。在磁轴承线圈通电时，属于磁轴承工作模式，主要用于转轴的启停和过载时的辅助支承。转子系统启动达到设定工作转速时，逐步降低甚至直至取消磁轴承的工作负荷，轴承运转于气体轴承模式。由于磁轴承工作气隙通常远大于气体轴承，本发明利用磁轴承提供很小的等效约束力，使得转轴在磁轴承的气隙条件下，获得纯气体轴承的支承特性，大幅度降低轴承能耗，提高轴承稳定性和旋转精度。气体轴承可以是纯动压轴承，简化混合轴承结构。本发明可降低磁气混合轴承制造成本和安装同心度要求，获得优异的轴承综合性能。

Description

一种磁气混合轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，特别是指一种简单有效的磁气混合轴承。
背景技术
工业中旋转部件对转速的要求越来越高，例如在获得低温和能量回收的透平膨胀机中，一般转子转速大于104r/min，在这种高转速下，油润滑轴承很难达到设备的运转要求。目前，能满足这一要求的有气体轴承和电磁轴承。
气体轴承是以气体为润滑介质，在轴与轴承之间形成压力气膜支撑，从而避免转子和定子直接接触的理想支承元件。气体轴承具有高转速、高精度、无污染、摩擦磨损小、回转精度高等优点。气体轴承可分为静压气体轴承和动压气体轴承，其中静压气体轴承需要外部气源，而动压气体轴承由气体动压效应产生支承力，结构简单，但启停阶段由于动压效应未形成，安全性差，轴颈轴瓦之间存在摩擦磨损，加速轴瓦涂层剥落，削减轴承使用寿命，因此不适合用于频繁启动的场合。
电磁轴承通过给定子线圈通电，产生可变化的电磁力，实现转子的悬浮和稳定旋转。电磁轴承具有无摩擦磨损、无需润滑、高速度、高精度、动态特性可调节等优点。但电磁轴承需要消耗一定的电能，对于低温高速透平机械，电耗会大量产热，造成转子温升，并通过转子轴向导热影响到冷端，进而影响制冷效率。相对于气体轴承，磁轴承的旋转精度低，不利于提高透平膨胀机叶轮和机壳密封装置之间的精度，不利于提高叶轮效率，但由于气隙较大，高速旋转下的空气摩擦损耗小于气体轴承。
若将电磁轴承和动压气体轴承结合起来，充分利用各自优点克服对方缺点，将得到更优异的综合性能。首先，在转子启停及低速运转阶段由电磁轴承支承，解决了动压气体轴承在启停和低速阶段轴瓦的摩擦磨损问题，延长了轴承的使用寿命。其次，当转子达到气浮转速后，由气体轴承承担大部分或全部载荷，可以降低电磁轴承功耗和产热。此外，采用磁气混合支承可以增加轴承阻尼，降低转子系统振动幅度，提高系统工作转速以及旋转精度，提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。
目前磁气混合技术在结构上主要分为两类：(1)磁轴承和气体轴承的并排结构；(2)磁轴承和气体轴承的嵌套结构。US 6,353,273B1专利采用嵌套结构，将箔片气体轴承安装在电磁轴承的气隙中，并提出根据转速变化调节电磁轴承和箔片气体轴承的载荷分配方法，根据转速修改控制参数，随着转速的提高，降低电磁轴承的支承力；随着转速降低，增加电磁轴承支承力。US 6,965,181B1专利进一步提出在嵌套式的磁气混合轴承中，特定转速或特定状态下，可以根据检测的物理量(力、磁通量、温度、加速度载荷)来分配磁轴承和气体轴承的载荷。
然而，两个专利均存在转子旋转精度低的问题。例如US 6,965,181B1，在转速为15000rpm时，转子的径向振动幅度最大达到150μm。其次，嵌套结构增加了气体轴承加工难度和安装同心度要求，而并排结构增加了转子长度，降低了系统动力学性能。
专利CN 208123260U采用嵌套式磁气混合轴承，在磁轴承朝向转轴的侧壁，或转轴朝向磁轴承的圆周面上设置有动压发生槽，形成气、磁混合径向轴承；该专利增加了气体静压轴承，在磁轴承上设置有静压进气节流孔，从而形成动静压-磁混合径向轴承。但该专利中动压气体轴承的轴瓦安装在紧贴磁轴承磁靴的气隙中，气体轴承的名义气隙与磁轴承名义气隙存在较大差距。以上专利磁轴承和气体轴承的混合方式属于机械上的装配，需要分别加工和安装气体轴承和磁轴承，且气体轴承工作在较小的气隙条件下，高速旋转时将产生大量空气摩擦损耗，严重情况下将导致转子温升或热变形。
因此，有效实现磁轴承和气体轴承的归一化设计，达到仅利用磁轴承的硬件设备而实现磁气混合支承的效果显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种磁气混合轴承。该轴承利用磁轴承结构实现气体轴承支承特性，利用磁轴承施加气体轴承模式下的附加约束力，使转轴在磁轴承的尺寸结构中运行在气体轴承支承的力学条件下，获得纯气体轴承的支承特性。电机启动阶段，由磁轴承提供转子起浮支承力；稳定运行阶段，由压力气体主要承载，磁轴承提供附加等效约束力，使得磁气混合轴承获得纯气体轴承的运行条件和支承特性。本发明具有良好的启停特性，减小动压气体轴承在启停阶段的摩擦磨损；同时，增强系统阻尼，降低转子振幅，提高系统稳定性和旋转精度。相比嵌套式磁气混合轴承，本发明将磁气混合轴承的名义气隙由纯气体轴承名义气隙扩大为磁轴承的名义气隙，减小气体轴承摩擦磨损与发热，降低了电磁轴承能耗，避免了磁气混合轴承安装同心度的要求，降低制造成本。
磁气混合轴承的定子内径按磁轴承的工作气隙要求设计，磁轴承的磁极为气体轴承轴瓦，无需按气体轴承气隙要求加工气体轴承轴套。
磁气混合轴承的轴瓦为磁轴承磁极，磁极能够加工形成封闭曲面。
磁轴承为主动磁悬浮轴承，包括电磁轴承、永磁-电磁混合轴承；
气体轴承包括静压气体轴承和动压气体轴承，其中动压气体轴承包括圆柱型动压气体轴承、瓦块型气体轴承。
该磁气混合轴承的设计和应用控制过程具体如下：
S1：根据磁气混合轴承的名义气隙，即磁轴承的名义气隙Ch，以及气隙内气体的支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线，设计磁气混合轴承的工作转速，以及沿轴颈周向的气膜压力分布；
S2：在相同轴尺寸、负载和转速情况下，设计计算出稳态情况下，纯气体轴承的名义气隙Cg、动态刚度和动态阻尼系数；
S3：利用磁轴承的附加约束力调节轴颈水平方向和竖直方向的压强，从而调节磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼，将气体轴承的压强等效为磁轴承的附加电磁力，使磁气混合轴承在磁轴承气隙条件下获得等效于纯气体轴承的支承特性。
上述S1中磁气混合轴承的工作转速设计方法为：随着负载的增加，磁气混合轴承的最小气隙hmin减小，此条件下应提高转速，保证轴承在额定载荷下处于气体摩擦状态的转速即为工作转速。最小气隙hmin必须大于等于许用气膜厚度[h]，即：
hmin≥[h]＝S(Rz1+Rz2)
式中，Rz1，Rz2分别为轴颈和轴瓦微观不平度十点高度，对一般轴承，可分别取0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm；S为安全系数，考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等，常取S≥2。
S2中纯气体轴承的名义间隙的设计要求为：在轴尺寸、负载和转速均相同的情况下,纯气体轴承稳态运行时，保证最小气隙大于等于磁气混合轴承的最小气隙，且Cg的取值范围为0～150μm。
上述过程在转子涡动时同样适用，具体如下：
根据所述S1和S2设计出磁气混合轴承的工作转速和纯气体轴承的名义气隙；
根据S3获得磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼系数，通过动力学分析进一步计算出磁气混合轴承在工作转速下的涡动轨迹，保留使轴颈处于气体摩擦状态的附加约束力，作为控制系统参考值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，能够获得优异的轴承综合性能，提高转子系统低阶临界转速，抑制转子涡动幅度，适用于频繁启动及低速运转的场合，同时降低了轴承发热，增强了系统动态特性。相比嵌套式磁气混合轴承，归一化的磁气混合轴承无需加工气体轴承，避免了磁气混合轴承的安装同心度要求，降低制造成本。由于工作气隙增大，减小了气体轴承的空气摩擦损耗与发热，更有利于低温环境下的使用。
附图说明
图1为本发明实施例中磁气混合轴承的示意图一，其中，(a)为磁轴承磁极为封闭曲面,(b)为磁轴承磁极为分块结构；
图2为本发明实施例中磁气混合轴承的示意图二；
图3为本发明实施例中磁气混合轴承归一化设计方案所涉及到的两个圆柱型动压气体轴承的径向示意图，其中，(a)是实际加工的普通圆柱型动压气体轴承，(b)为磁气混合轴承；
图4为本发明实施例中磁气混合轴承在额定负载、名义气隙条件下，磁气混合轴承最小气隙与转速关系图；
图5A为本发明实施例中普通圆柱型纯动压气体轴承支承的气膜压力分布图(对照组A)；
图5B为本发明实施例中原始磁气混合轴承的气膜压力分布图(对照组B)；
图5C为本发明实施例中磁气混合轴承的气膜压力分布图(控制组C)；
图5D为本发明实施例中磁气混合轴承的气膜压力分布图(控制组D)；
图6为本发明实施例中四种轴承在6万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子系统轴心分析图，其中，A为对照组A，B为对照组B，C为控制组C，D为控制组D；
图7为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在6万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子时域分析图；
图8为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在18万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子系统轴心分析图；
图9为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在18万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子时域分析图。
其中：1-转子；2-磁气混合轴承的气隙；3-磁极；4-位移传感器；5-环氧树脂模；6-电磁轴承线圈；7-电磁轴承磁轭；8-电磁轴承；9-功率放大器；10-磁气混合轴承控制器；11-纯动压气体轴承气隙；12-纯动压气体轴承的轴瓦；13-磁气混合轴承的轴瓦。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明为使磁气混合轴承更好的应用于低温透平机械，解决转子高速旋转下气体轴承摩擦损耗过高的问题，以及现有磁气混合轴承在气体轴承加工和安装等方面存在的困难，提供一种磁气混合轴承。
该磁气混合轴承利用磁轴承提供附加电磁力，在磁轴承的气隙结构条件下实现纯气体轴承支承的运行条件和特性，达到磁轴承和气体轴承的归一化设计。对于采用圆柱型动压气体轴承支承的磁气混合轴承，硬件上可采用纯磁轴承，无需加工气体轴承，而通过改变控制算法实现磁气混合支承。
上述轴承结构设计的步骤如下：
S1：根据磁气混合轴承的名义气隙，即磁轴承的名义气隙Ch，以及气隙内气体的支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线，设计磁气混合轴承的工作转速，以及沿轴颈周向的气膜压力分布；
S2：在相同轴尺寸、负载和转速情况下，设计计算出稳态情况下，纯气体轴承的名义气隙Cg，动态刚度和动态阻尼系数；
S3：利用磁轴承的附加约束力调节轴颈水平和竖直方向的压强，从而调节磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼，将气体轴承的压强等效为磁轴承的附加电磁力，使磁气混合轴承在磁轴承气隙条件下获得等效于纯气体轴承的支承特性。
上述S1中磁气混合轴承的工作转速设计方法为：随着负载的增加，磁气混合轴承的最小气隙hmin减小，此条件下应提高转速，保证轴承在额定载荷下处于气体摩擦状态，保证轴承在额定载荷下处于气体摩擦状态的转速即为工作转速。最小气隙hmin必须大于等于许用气膜厚度[h]，即：
hmin≥[h]＝S(Rz1+Rz2)
式中，Rz1，Rz2分别为轴颈和轴瓦微观不平度十点高度，对一般轴承，可分别取0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm；S为安全系数，考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等，常取S≥2。
S2中纯气体轴承的名义间隙的设计要求为：在轴尺寸、负载和转速均相同的情况下,纯气体轴承稳态运行时，保证最小气隙大于等于磁气混合轴承的最小气隙，且Cg的取值范围为0～150μm。
下面结合具体实施例予以说明。
在具体应用中，
第一，已知磁轴承的名义气隙为0.35mm，即磁气混合轴承的名义气隙为0.35mm。设轴颈和轴瓦的粗糙度为0.8μm和1.6μm，即许用气膜厚度[h]＝S(Rz1+Rz2)＝4.8μm。根据磁气混合轴承气隙内气体的动压效应支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线(图4)，当磁气混合轴承的工作转速为60000转/分，此时磁气混合轴承的最小气隙为9μm>4.8μm，满足最小气隙条件，因此本实施例中设计磁轴承的工作转速为60000转/分。
在磁气混合轴承的气隙2中，根据设计的工作转速，计算出稳态工作条件下轴承气隙中由于动压效应产生的气膜压力分布，并获得沿轴颈周向的气膜压力分布(图5B)。
第二，设计计算出一个小气隙的纯动压气体轴承的气膜力分布作为参照。设计一个普通圆柱型动压气体轴承(图3a)，该轴承气隙为纯动压气体轴承气隙11。在轴尺寸、负载和转速均相同的情况下，设计出稳态情况下，纯动压气体轴承的名义气隙Cg，Cg的取值范围为0～150μm，应保证纯气体轴承的最小气隙大于等于磁气混合轴承的最小气隙。当纯动压气体轴承的名义气隙为60μm，其最小气隙为26μm>9μm,因此本实施例设计纯气体轴承的名义气隙为60μm，并计算出沿轴颈周向的气膜压力分布(图5A)。
第三，由于磁气混合轴承的气隙(0.1-1.5mm)是普通气体轴承气隙(0-150μm)的数十倍左右，虽然仅靠磁气混合轴承气隙内的气体动压效应可以实现支承转子的效果，但是由于阻尼过小，难以实现转子的稳定悬浮。利用磁轴承在轴颈局部施加附加电磁约束力，使得转子在磁气混合轴承的气隙2中具有在纯动压气体轴承气隙11相似的力学条件，从而获得纯气体轴承的支承特性。
如图1和图2所示，是磁气混合轴承径向结构示意图，在该混合轴承装置中，转子1同时由电磁轴承8和气体轴承共同支承。气体轴承为圆柱型动压气体轴承。磁极间隙5可保留气隙或用环氧树脂模填充。其中，图1(a)的磁轴承磁极3加工为封闭曲面，图1(b)的磁极3为分块结构。图1(a)为本发明实施例中所采用的磁气混合轴承结构，其轴瓦13由电磁轴承8的磁极3构成，磁气混合轴承的气隙2同时也是电磁轴承的工作气隙。电磁轴承由位移传感器4检测转子位置。电磁轴承线圈6绕在电磁轴承磁轭7上。由图3可知，位移传感器4将转子位移信号传递给磁气混合轴承控制器10，由功率放大器9放大控制器10输出的控制信号，驱动电磁轴承线圈6，从而改变通电线圈电流大小、轴承刚度、阻尼等各项参数，起到调节转子1的运动状态的作用。
图3是两个圆柱型气体轴承的径向示意图，图3a是普通圆柱型动压气体轴承，纯动压气体轴承气隙11大小为60μm，纯动压气体轴承的轴瓦12为刚性表面，支承转子1稳定旋转；图3b为磁气混合轴承的气隙，磁气混合轴承的气隙2大小为0.35mm，为电磁轴承和气体轴承共用气隙，磁气混合轴承的轴瓦13是由电磁轴承的磁极3和环氧树脂模5共同构成，由电磁轴承和气体轴承共同承载转子1。转子1的直径为35mm，长度460mm，质量5.4kg。工作转速为60000r/min。
图4所示为，基于定常理想气体可压缩气体静态雷诺方程，采用有限差分法，计算得到稳态情况下磁气混合轴承的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线图。
图5为在设计的轴尺寸、负载、转速下，计算出在稳态情况下的普通圆柱型动压气体轴承3a气膜压力分布图(图5A),磁气混合轴承的气膜压力分布图(图5B),磁气混合轴承控制组A的气膜压力分布图(图5C)，和磁气混合轴承控制组B的气膜压力分布图(图5D)。控制组C(图5C)仅在轴颈水平方向施加附加电磁力；控制组D(图5D)同时在轴颈水平和竖直方向施加附加电磁力。其中压强为相对于大气压强的无量纲压强，轴向长度为相对于转子半径的无量纲长度。由于气体支承在轴向的对称性，仅取轴向长度的二分之一进行分析。
图6所示为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在6万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子系统轴心分析图，若不施加附加电磁力，转子将和轴瓦发生硬摩擦(图6B)，而控制组C,D(图6C,图6D)可以保证转子在涡动状态下良好的运行。
图7为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在6万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子时域分析图，控制组C,D(图7C,图7D)在Y轴方向的振幅小于普通圆柱型动压气体轴承A(图7A)，证明了归一化磁气混合轴承的优越性。
图8为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在18万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子系统轴心分析图。图9为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)在18万转/分，无量纲涡动频率为0.5时的转子时域分析图。由图8和图9可知，控制组C,D(图8C,图8D)保证转子在涡动状态下良好的运行，且在高转速下依然适用。
表1为本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)的临界转速，相比普通圆柱型动压气体轴承(A)和原始磁气混合轴承(B)，控制组(C,D)有效提高了前两阶临界转速，而对于转子-轴承系统而言，后六阶属于转子主导型临界转速，主要由转子结构影响临界转速。
表1本发明实施例中四种轴承(对照组A,B，控制组C,D)的临界转速
Figure BDA0002422676030000091
综上，在电磁轴承的气隙尺寸中，电磁轴承所提供的附加等效电磁力使得磁气混合轴承具有与普通圆柱型动压气体轴承相似的支承特性，将电磁轴承和气体轴承在结构上实现归一化设计。以上所述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来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (6)

1.一种磁气混合轴承，其特征在于：
该磁气混合轴承利用磁轴承结构条件实现气体轴承支承特性，利用磁轴承施加气体轴承模式下的附加约束力，使转轴在磁轴承的尺寸结构中运行在气体轴承支承的力学条件下，获得纯气体轴承的支承特性；电机启动阶段，由磁轴承提供转子起浮支承力；稳定运行阶段，由气体轴承主要承载，磁轴承提供附加等效约束力，使磁气混合轴承获得纯气体轴承的运行条件和支承特性；
所述磁气混合轴承的定子内径按磁轴承的工作气隙要求设计，磁轴承的磁极为气体轴承轴瓦，无需按气体轴承气隙要求加工气体轴承轴套；
所述磁气混合轴承的轴瓦为磁轴承磁极，磁极能够加工形成封闭曲面。
2.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述磁轴承为主动磁悬浮轴承，包括电磁轴承、永磁-电磁混合轴承；
所述气体轴承包括静压气体轴承和动压气体轴承，其中动压气体轴承包括圆柱型动压气体轴承、瓦块型气体轴承。
3.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述磁气混合轴承的设计和应用控制过程如下：
S1：根据磁气混合轴承的名义气隙，即磁轴承的名义气隙Ch，以及气隙内气体的支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线，设计磁气混合轴承的工作转速，以及沿轴颈周向的气膜压力分布；
S2：在相同轴尺寸、负载和转速情况下，设计计算出稳态情况下，纯气体轴承的名义气隙Cg、动态刚度和动态阻尼系数；
S3：利用磁轴承的附加约束力调节轴颈水平方向和竖直方向的压强，从而调节磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼，将气体轴承的压强等效为磁轴承的附加电磁力，使磁气混合轴承在磁轴承气隙条件下获得等效于纯气体轴承的支承特性。
4.根据权利要求3所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述S1中磁气混合轴承的工作转速设计方法为：
随着负载的增加，磁气混合轴承的最小气隙hmin减小，调整转速，保证轴承在额定载荷下处于气体摩擦状态，此时的转速即为工作转速。
5.根据权利要求3所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述S2中纯气体轴承的名义间隙Cg的设计要求为：
在轴尺寸、负载和转速均相同的情况下,纯气体轴承稳态运行时，保证最小气隙大于等于磁气混合轴承的最小气隙，且Cg的取值范围为0～150μm。
6.根据权利要求3所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述过程在转子涡动时同样适用,具体如下：
根据所述S1和S2设计出磁气混合轴承的工作转速和纯气体轴承的名义气隙；
根据S3获得磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼系数，通过动力学分析计算出磁气混合轴承在工作转速下的涡动轨迹，保留使轴颈处于气体摩擦状态的附加约束力，作为控制系统参考值。
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