CN112178058A - 一种变刚度径向永磁轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的一种变刚度径向永磁轴承，包括：永磁轴承外环，所述永磁轴承外环为整体环形，径向充磁；内永磁环环块，所述内永磁环环块径向充磁，径向充磁方向与永磁轴承外环充磁方向相反；内永磁环支承座；隔离环段，将所述内永磁环环块在所述内永磁环支承座上均匀隔开；弹性环，将所述内永磁环支承座按环形规则排列，且能沿径向自由移动；所述变刚度径向永磁轴承还包括：锥型块；滚动轴承；基座；轴；固定铰链；摆杆；带斜面摆杆；方轴；支撑板，所述支撑板将所述锥型块、所述轴、所述方轴连接；弹性小轴，所述弹性小轴下端与所述基座连接，所述弹性小轴上端固定在设备壳体。
Description
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，特别涉及一种变刚度径向永磁轴承。
背景技术
在离心机、涡轮机、储能飞轮等高速旋转机械中，为了提高效率，常常在超临界状态下工作，即轴系工作转速要高于系统低阶临界转速(共振点)。
众所周知，低阶临界转速与轴系支承刚度值息息相关，刚度小临界转速就低，刚度大临界转速就高。为使轴系能安全平稳地的越过低阶临界转速到达设计的工作转速，设计人员在设计轴系时，希望工作转速之下的临界转速越低越好，而工作转速以上的临界转速则越高越好。但不论低阶临界转速如何低，系统总要越过它，即越过共振点才能到达工作转速，共振点处的振动与噪音往往很大，为系统的安全带来很大的隐患。
发明内容
针对现有轴系常用支承轴承的问题，本发明提出一种变刚度径向永磁轴承，包括：永磁轴承外环，所述永磁轴承外环为整体环形，径向充磁；内永磁环环块，所述内永磁环环块径向充磁，径向充磁方向与永磁轴承外环充磁方向相反；内永磁环支承座；隔离环段，将所述内永磁环环块在所述内永磁环支承座上均匀隔开；弹性环，将所述内永磁环支承座按环形规则排列，且能沿径向自由移动；所述变刚度径向永磁轴承还包括：锥型块；滚动轴承；基座；轴；固定铰链；摆杆；带斜面摆杆；方轴；支撑板，所述支撑板将所述锥型块、所述轴、所述方轴连接；弹性小轴，所述弹性小轴下端与所述基座连接，所述弹性小轴上端固定在设备壳体。
上述方案中，变刚度径向永磁轴承还包括：转轴、压缩弹簧。
上述方案中，方轴上端通过圆轴与所述支撑板通过过盈配合连接在一起，所述方轴下端为方形轴，在所述方轴上包括四个带斜面异形孔，所述带斜面异形孔两两垂直相贯。
上述方案中，胶粘固定所述隔离环段、所述内永磁环环块、以及所述内永磁环支承座。
上述方案中，内永磁环支承座，通过胶粘的形式，将隔离环段、内永磁环环块固定在所述内永磁环支承座上，所述内永磁环支承座通过燕尾槽与所述基座相连。
上述方案中，锥型块通过螺纹与轴连接，工作中，通过沿轴向上下运动，带动内永磁环环块沿径向移动。
上述方案中，滚动轴承可以包括角接触球轴承、深沟球轴承。
上述方案中，滚动轴承内径与所述转轴采用过渡配合，外径与基座采用过渡配合。
上述方案中，摆杆上端通过轴销与所述基座相连，所述摆杆只能沿轴销转动；所述摆杆中间与所述固定铰链相连；所述摆杆下端包括一个长孔，所述长孔宽度与轴销外径相等，通过所述轴销与所述带斜面摆杆相连；所述摆杆、所述固定铰链、所述带斜面摆杆、所述基座之间形成铰链四杆机构。
上述方案中，带斜面摆杆，通过两个轴销与所述摆杆相连，通过斜面与所述方轴斜面相接触，工作时，通过所述带斜面摆杆的水平移动，实现所述方轴、或所述锥型块上下移动。
本发明所提供的一种变刚度径向永磁轴承，根据轴系振动量的大小，通过铰链四杆机构将振动量放大后，通过自动调节永磁轴承气隙，达到改变轴系的支承刚度的目的。合理设置该装置结构参数，可以在实际临界转速由小到大，再由大到小的过程中，越过低阶临界转速，即抑制轴系共振点振动的目的，来提高系统安全性，因此本发明所提供的变刚度径向永磁轴承具有结构可靠、自控、变刚度等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种变刚度径向永磁轴承示意图；
图2为图1视图的左视示意图；
图3为图1视图的俯视示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图对本发明的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。
本发明提供一种变刚度径向永磁轴承，如图1-图3所示，图1为本发明实施例提供的一种变刚度径向永磁轴承示意图；图2为图1视图的左视示意图；图3为图1视图的俯视示意图。变刚度径向永磁轴承包括：永磁轴承外环1，所述永磁轴承外环1为整体环形，径向充磁；内永磁环环块10，所述内永磁环环块10径向充磁，径向充磁方向与永磁轴承外环1充磁方向相反；内永磁环支承座4；隔离环段3，将所述内永磁环环块10在所述内永磁环支承座4上均匀隔开；弹性环2，将所述内永磁环支承座4按环形规则排列，且能沿径向自由移动；所述变刚度径向永磁轴承还包括：锥型块5；滚动轴承6；基座8；轴9；固定铰链11；摆杆12；带斜面摆杆13；方轴14；支撑板16，所述支撑板16将所述锥型块5、所述轴9、所述方轴14连接；弹性小轴17，所述弹性小轴17下端与所述基座8连接，所述弹性小轴17上端固定在设备壳体。
可选的，变刚度径向永磁轴承还包括：转轴7、压缩弹簧15。
可选的，方轴14上端通过圆轴与所述支撑板16通过过盈配合连接在一起，所述方轴14下端为方形轴，在所述方轴14上包括四个带斜面异形孔，所述带斜面异形孔两两垂直相贯。
可选的，胶粘固定所述隔离环段3、所述内永磁环环块10、以及所述内永磁环支承座4。
可选的，内永磁环支承座4，通过胶粘的形式，将隔离环段3、内永磁环环块10固定在所述内永磁环支承座4上，所述内永磁环支承座4通过燕尾槽与所述基座8相连。
可选的，锥型块5通过螺纹与轴连接，工作中，通过沿轴9向上下运动，带动内永磁环环块10沿径向移动。
可选的，滚动轴承6可以包括角接触球轴承、深沟球轴承。
可选的，滚动轴承6内径与所述转轴7采用过渡配合，外径与基座8采用过渡配合。
可选的，摆杆12上端通过轴销与所述基座8相连，所述摆杆12只能沿轴销转动；所述摆杆12中间与所述固定铰链11相连；所述摆杆12下端包括一个长孔，所述长孔宽度与轴销外径相等，通过所述轴销与所述带斜面摆杆13相连；所述摆杆12、所述固定铰链11、所述带斜面摆杆13、所述基座8之间形成铰链四杆机构。
可选的，带斜面摆杆13，通过两个轴销与所述摆杆12相连，通过斜面与所述方轴14斜面相接触，工作时，通过所述带斜面摆杆13的水平移动，实现所述方轴14、或所述锥型块5上下移动。
具体的，下面结合图1-图3详细说明变刚度径向永磁轴承的具体结构，在本发明的一个实施例中，变刚度径向永磁轴承包括：一件永磁轴承外环1，一件弹性环2，八件隔离环段3，四件内永磁环支承座4，一件锥型块5，一件滚动轴承6，一件基座8，四件轴9，八件内永磁环环块10，四个固定铰链11，四个摆杆12，四个带斜面摆杆13，一个方轴14，一个支撑板16，四件弹性小轴17。此外，在可选的实施方式中，还包括：一个转轴7，四个压缩弹簧15。
永磁轴承外环1，采用整体环形，径向充磁。固定在设备壳体上，工作中静止不动。它与8个内永磁环块10充磁方向相反，工作时，它们之间会产生一个相互排斥的力，实现为系统提供弹性支承的目的。
弹性环2：采用带有弹性的不导磁金属或非金属制成，比如不锈钢丝或橡胶。装配时需要预先加载一个适当大小预紧力，确保内永磁环支承座4按环形规则排列，且能沿径向自由移动。
隔离环段3：采用金属加工而成，比如45号钢。其作用是将内永磁环环块10在内永磁环支承座4上均匀隔开，为保证隔离环段3、内永磁环环块10、内永磁环支承座4三者之间有一个正确的位置关系，通过胶粘的形式进行固定。
内永磁环支承座4：采用不导磁金属加工而成，比如铁素体不锈钢。它起到一个固定支承的作用，即通过胶粘的形式，将隔离环段3、内永磁环环块10固定在内永磁环支承座4上。另外，内永磁环支承座4自身还将通过燕尾槽与基座8相连，燕尾槽限制了内永磁环支承座4的轴向自由度，故内永磁环支承座4只能沿燕尾槽在径向移动，实现改变内永磁环环块10外径尺寸大小的目的。
锥型块5：采用不导磁金属材料加工而成，比如铁素体不锈钢。锥型块5是一个整体结构，下底面通过螺纹与4个轴9连接。工作中，通过沿轴向上下运动，带动内永磁环环块4沿径向移动。
滚动轴承6：按转轴7直径选取，如果轴承轴向承载力大，可采用角接触球轴承，如果轴向承载力不大，可采用深沟球轴承。内径与转轴7采用过渡配合，外径与基座8采用过渡配合。
转轴7：提供动力源，与电机转子相连接。
基座8：采用不导磁材料加工而成，比如铁素体不锈钢或青铜。基座8的内孔用于固定滚动轴承，基座8的外径与锥型块5之间采用间隙配合，保证锥型块5在外径上移动自如。基座8在与内永磁环环块4接触的平面上，沿圆周均匀加工个燕尾槽4，用于连接内永磁环环块4，保证内永磁环环块4沿燕尾槽径向移动自如。基座8上端面与弹性小轴17相连接，弹性小轴17又与设备壳体连接，确保转轴7旋转时，基座8只摆动不转动，从而杜绝了由于基座8转动，给系统带来的不稳定自激振动。
轴9：采用不导磁的铁素体不锈钢加工而成。轴9通过螺纹连接将锥型块5、支撑板16连接起来，并作为一个整体一起运动。
内永磁环环块10：每4个内永磁环环块10组成一个圆环。通过胶粘接在内永磁环支承座4上，采用径向充磁，径向充磁方向应与永磁轴承外环1充磁方向相反。安装后，它们之间将产生一个相互排斥的力。
固定铰链11：固定铰链11固定在设备壳体上，工作中静止不动，保证摆杆12沿固定铰链11摆动而不能移动。
摆杆12：采用金属材料加工而成，比如45号钢。摆杆12上端通过轴销与基座8相连，摆杆12只能沿轴销转动，摆杆12中间与固定铰链11相连，摆杆12下端包括一个长孔，长孔宽度与轴销外径相等，并通过轴销与带斜面摆杆13相连。摆杆12、固定铰链11、带斜面摆杆13、基座8之间形成一个铰链四杆机构。
带斜面摆杆13：采用金属材料加工而成，比如45号钢。通过两个轴销与摆杆12相连，通过斜面与方轴14斜面相接触，工作时，通过带斜面摆杆13的水平移动，实现方轴14、或锥型块5上下移动。
方轴14：采用金属材料加工而成，比如45号钢。方轴14上端通过圆轴与支撑板16通过过盈配合连接在一起，方轴14下端为方形轴，在方轴上包括4个带斜面异形孔，两两垂直相贯。
压缩弹簧15：作用是起到一个辅助复位功能，即确保当转轴7不振动时，锥型块5能回到轴向最低位置。
支撑板16：采用金属材料加工而成，比如45号钢。主要起到连接功能，即把锥型块5、轴9、方轴14连接在一起。
弹性小轴17：采用不锈钢丝制成，弹性小轴17下端与基座8连接，并与基座成为一体，弹性小轴17上端固定在设备壳体上，工作时弹性小轴17上端静止不动。4个细轴支撑在基座8上沿周向匀均分布；
采用了上述技术方案后，当转轴7转速远离临界转速工作时，转轴7的振幅很小，可以近似认为是0，此时图1、图3中L1、L2尺寸也均为0，即摆杆12处于垂直位置，带斜面摆杆13的斜面与方轴14孔中斜面相接触，但没有发生相对移动。锥型块5由于没有受力，其底面与基座8上平面始终接触，也未沿轴向移动，内永磁环环块10(或内永磁环支承座4)也没有沿燕尾槽进行径向移动，永磁轴承外环1与8个内永磁环支承座4组成的径向永磁轴承的轴承气隙值未发生变化，为轴系提供一定量的径向支承刚度。
当转轴7接近或需要越过低阶临界转速时，转轴7的振幅将增大，如设转轴7的振幅为L1，见图1和图3所示，与转轴7装配在一起的基座8也将移动L1距离，摆杆12由于受到固定铰链11的约束，将不再保持垂直，而发生了倾斜。由摆杆12、固定铰链11、带斜面摆杆13、基座8所形成的铰链四杆机构，也将发生摆动，即带斜面摆杆13将摆动L2尺寸，引起方轴14(或锥型块5)向上移动，由于锥型块5与4个内永磁环支承座4锥面之间的相互作用，使得内永磁环环块10沿径向向外移动，即由8个内永磁环环块10形成的内磁环外径变大，造成径向永磁轴承气隙进一步变小，此时，永磁轴承外环1与8个内永磁环环块10组成的径向永磁轴承将为系统提供更大的支承刚度，可以预测由于系统支承刚度变大，必将造成轴系低阶临界转速值变大，转轴7工作转速将远离临界转速，使振幅得以下降，振幅下降使得L2尺寸变小，使得永磁轴承外环1与8个内永磁环环块10组成的径向永磁轴承支承刚度变小，系统实际临界转速将下降。如果适当设置结构参数，可望在实际临界转速由小到大，再由大到小的过程中，轴系将越过低阶临界转速，即抑制了轴系共振点振动的目的。
另外，高速旋转的机械，即便是在共振点附件工作，振幅也不是很大，为了实现调整径向永磁轴系径向支承刚度的目的，本发明使用了铰链四杆机构把振幅进行了放大：因为L1/L2等于，摆杆12上上端轴销到固定铰链11的距离比上固定铰链11到下端轴销的距离，所以，可以通过控制摆杆12上上端轴销到固定铰链11的距离与固定铰链11到下端轴销的距离来放大转轴7的振幅，实现改变永磁轴承径向支承刚度的目的。
本发明所提供的一种变刚度径向永磁轴承，根据轴系振动量的大小，通过铰链四杆机构将振动量放大后，通过自动调节永磁轴承气隙，达到改变轴系的支承刚度的目的。合理设置该装置结构参数，可以在实际临界转速由小到大，再由大到小的过程中，越过低阶临界转速，即抑制轴系共振点振动的目的，来提高系统安全性，因此本发明所提供的变刚度径向永磁轴承具有结构可靠、自控、变刚度等优点。
如上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种变刚度径向永磁轴承，其特征在于，包括：
永磁轴承外环，所述永磁轴承外环为整体环形，径向充磁；
内永磁环环块，所述内永磁环环块径向充磁，径向充磁方向与永磁轴承外环充磁方向相反；
内永磁环支承座；
隔离环段，将所述内永磁环环块在所述内永磁环支承座上均匀隔开；
弹性环，将所述内永磁环支承座按环形规则排列，且能沿径向自由移动；
所述变刚度径向永磁轴承还包括：锥型块；滚动轴承；基座；轴；固定铰链；摆杆；带斜面摆杆；方轴；
支撑板，所述支撑板将所述锥型块、所述轴、所述方轴连接；
弹性小轴，所述弹性小轴下端与所述基座连接，所述弹性小轴上端固定在设备壳体。
2.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述变刚度径向永磁轴承还包括：转轴、压缩弹簧。
3.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述方轴上端通过圆轴与所述支撑板通过过盈配合连接在一起，所述方轴下端为方形轴，在所述方轴上包括四个带斜面异形孔，所述带斜面异形孔两两垂直相贯。
4.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，胶粘固定所述隔离环段、所述内永磁环环块、以及所述内永磁环支承座。
5.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述内永磁环支承座，通过胶粘的形式，将隔离环段、内永磁环环块固定在所述内永磁环支承座上，所述内永磁环支承座通过燕尾槽与所述基座相连。
6.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述锥型块通过螺纹与轴连接，工作中，通过沿轴向上下运动，带动内永磁环环块沿径向移动。
7.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述滚动轴承可以包括角接触球轴承、深沟球轴承。
8.根据权利要求2所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述滚动轴承内径与所述转轴采用过渡配合，外径与基座采用过渡配合。
9.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述摆杆上端通过轴销与所述基座相连，所述摆杆只能沿轴销转动；
所述摆杆中间与所述固定铰链相连；
所述摆杆下端包括一个长孔，所述长孔宽度与轴销外径相等，通过所述轴销与所述带斜面摆杆相连；
所述摆杆、所述固定铰链、所述带斜面摆杆、所述基座之间形成铰链四杆机构。
10.根据权利要求1所述的变刚度径向永磁轴承，其特征在于，所述带斜面摆杆，通过两个轴销与所述摆杆相连，通过斜面与所述方轴斜面相接触，工作时，通过所述带斜面摆杆的水平移动，实现所述方轴、或所述锥型块上下移动。
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2020
- 2020-10-30 CN CN202011197037.XA patent/CN112178058B/zh active Active
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Application publication date: 20210105 Assignee: Xuzhou Jiewei New Material Technology Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980054020 Denomination of invention: A Variable Stiffness Radial Permanent Magnet Bearing Granted publication date: 20220930 License type: Exclusive License Record date: 20231227 |