CN112555273A - 一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，包括台架、电机总成、转子总成、磁悬浮轴承总成和弹性箔片气体轴承总成，电机总成设在台架上，电机总成包括电机和安装电机的电机座，转子总成包括转轴，转轴通过联轴器与电机的输出轴相连，磁悬浮轴承总成设在电机总成的一侧，磁悬浮轴承总成包括套设在转轴上的磁悬浮轴承和安装磁悬浮轴承的磁悬浮轴承座，磁悬浮轴承座外侧设有磁悬浮轴承座端盖，磁悬浮轴承座端盖上设有能够相对于转轴径向移动的电涡流传感器，弹性箔片气体轴承总成设在磁悬浮轴承总成和电机总成之间，可以分别研究磁悬浮轴承单独支承，弹性箔片气体轴承单独支承以及两者混合支承的静、动态特性。

Description

一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台

技术领域

本发明涉及轴承试验技术领域，具体涉及一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用通电线圈磁化定子进而产生电磁力并以此使转子悬浮的轴承。通过改变线圈中电流大小，就可以改变定子产生的电磁力，从而实现对转子的控制。因其无摩擦损耗、无需润滑、寿命长、转速高和可控制等优点而备受关注，其在高速旋转装备和高精度装备等领域的应用前景十分巨大。

弹性箔片动压气体轴承是一种利用气体润滑的轴承，其利用在高速旋转下产生的气膜压力使转子悬浮。相较于传统的气体动压轴承，弹性箔片动压气体轴承采用了柔性的支承表面，从而使轴承的自适应性提高。其具有不需润滑液、无污染、工作时无接触、工作转速高、结构简单和维护成本低等特点。其在无油支承高速旋转机械中有许多应用。

两种轴承均可单独作为高速无接触的支承，但其在单独使用时均存在一些问题。例如磁悬浮轴承有动态刚度低、阻尼低、控制复杂、需要保护轴承等问题。而弹性箔片动压气体轴承则在起飞转速之前是与转子接触摩擦，易损坏转子和箔片。将两者相结合，可取长补短。低速时，采用磁悬浮轴承支承，以减少对弹性箔片轴承的摩擦和降低摩擦损耗。随着速度增加，两种轴承共同工作，可以提高承载力。当高速时，采用箔片轴承单独支承，以得到其优良的高速承载特性。而磁悬浮轴承仅保持相对小的控制电流，来辅助箔片轴承维持稳定，以此降低了电流功耗。并且，箔片轴承也可以作为磁悬浮轴承的保护轴承。1998年美国学者Hooshang Heshmat提出了磁悬浮-弹性箔片气体混合轴承的概念，并对其进行了实验，研制出转速30000r/min的混合轴承，证明了磁悬浮-弹性箔片气体混合轴承的可行性。

中国专利CN111102293A提出了一种主被动磁气混合轴承，其特点在于将整周式弹性箔片轴承嵌入至永磁偏置的混合磁悬浮轴承的间隙中；中国专利CN105545956A提出了一种电磁使能的主动式动压气体轴承，其特点在于在整周式弹性箔片轴承外加入磁悬浮轴承，箔片轴承的顶箔上有磁性区域，可利用磁悬浮轴承使箔片变形；中国专利CN101881300A提出了一种镶嵌式的电磁-弹性箔片气体混合轴承，其特点在于将带底层拱箔的多叶式弹性箔片轴承塞入磁悬浮轴承间隙之中，形成混合轴承。

以上专利聚焦于具体混合轴承，并未将其与整个转子结合从而形成完整的转子系统和组成实验平台。并且其均为将弹性箔片轴承嵌入至磁悬浮轴承气隙中这种磁气混合方式，而将两者独立并排放置的形式并未考虑。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，可以分别研究磁悬浮轴承单独支承，弹性箔片气体轴承单独支承以及两者混合支承的静、动态特性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，包括台架、电机总成、转子总成、磁悬浮轴承总成和弹性箔片气体轴承总成，所述电机总成设在台架上，所述电机总成包括电机和安装所述电机的电机座，所述转子总成包括转轴，所述转轴通过联轴器与所述电机的输出轴相连，所述磁悬浮轴承总成设在所述电机总成的一侧，所述磁悬浮轴承总成包括套设在所述转轴上的磁悬浮轴承和安装所述磁悬浮轴承的磁悬浮轴承座，所述磁悬浮轴承座外侧设有磁悬浮轴承座端盖，所述磁悬浮轴承座端盖上设有能够相对于所述转轴径向移动的电涡流传感器，所述电涡流传感器用于测量转轴的轴向位移，所述弹性箔片气体轴承总成设在所述磁悬浮轴承总成和所述电机总成之间。

进一步地，所述电机总成还包括电机座垫板，所述电机座垫板固定在所述电机座和所述台架之间，通过调节所述电机座垫板的高度调节所述电机的输出轴的高度。

进一步地，所述弹性箔片气体轴承总成包括底箔、顶箔、弹性箔片气体轴承座和气体轴承底座，所述底箔和所述顶箔嵌于所述气体轴承底座的斜槽中并通过点焊固定，所述气体轴承底座安装在所述弹性箔片气体轴承座内。

进一步地，所述气体轴承底座通过紧定螺钉与所述弹性箔片气体轴承座锁紧。

进一步地，所述弹性箔片气体轴承座上设有第一固定孔，所述台架上设有第一滑槽，所述弹性箔片气体轴承座通过插入所述第一固定孔和所述第一滑槽的第一螺钉锁紧。

进一步地，所述磁悬浮轴承座端盖上设有相对于所述转轴呈径向方向的凹槽，所述凹槽内设有第二滑槽，所述传感器安装在传感器安装架内，所述凹槽内设有限制所述传感器安装架位置的限位柱，所述传感器安装架上设有第二固定孔，所述传感器安装架通过插入所述第二固定孔和所述第二滑槽的第二螺钉锁紧。

进一步地，所述转轴为阶梯轴，包括第一段和第二段，所述第一段的直径大于所述第二段的直径，所述弹性箔片气体轴承安装在所述第一段上，所述磁悬浮轴承安装在所述第二段上。

进一步地，所述转子总成还包括磁悬浮轴承转子、隔磁环和传感器测量环，所述磁悬浮轴承转子、所述隔磁环和所述传感器测量环依次设在所述磁悬浮轴承内侧且套设在所述第二段上。

进一步地，所述磁悬浮轴承转子由多个环状硅钢片叠压而成，所述隔磁环由不锈钢材料制成。

进一步地，所述台架包括平台底板和架体，所述平台底板设在所述架体上，所述电机总成、所述转子总成、所述磁悬浮轴承总成和所述弹性箔片气体轴承总成均设在所述平台底板上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，分别采用一个磁悬浮轴承和一个弹性箔片气体轴承进行支承，结构简单，且可以分别研究磁悬浮轴承单独支承，弹性箔片气体轴承单独支承以及两者混合支承的静、动态特性，并且可以来探索磁气混合轴承不同工作模式下的控制形式。以此为磁悬浮-弹性箔片气体混合轴承的应用提供实验参考。

2.本发明所述的一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，弹性箔片气体轴承座为可移动设计，因而可以调节磁悬浮轴承和弹性箔片气体轴承之间的轴向距离，以此来探究在不同轴向距离下，磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承的静、动态特性，对之后混合轴承控制系统中的载荷分配设计提供实验参考，对磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承的应用提供相关依据。

附图说明

图1是本发明去掉架体后的整体结构示意图。

图2是本发明去掉架体后的正视图。

图3是本发明的正视图。

图4是磁悬浮轴承总成轴测示意图。

图5是弹性箔片气体轴承总成轴测示意图。

图6是弹性箔片气体轴承总成与台架连接的结构示意图。

图7是弹性箔片气体轴承底箔。

图8是弹性箔片气体轴承顶箔。

其中：1、台架；2、磁悬浮轴承总成；3、转子总成；4、弹性箔片气体轴承总成；5、联轴器；6、电机总成；7、架体；8、平台底板；9、传感器测量环；10、隔磁环；11、磁悬浮轴承转子；12、磁悬浮轴承；13、转轴；14、电机；15、电机座；16、电机座垫板；17、磁悬浮轴承座端盖；18、电涡流传感器；19、磁悬浮轴承座；20、弹性箔片气体轴承座；21、气体轴承底座；22、顶箔；23、底箔；24、第一固定孔；25、第一滑槽；26、第一螺钉；27、凹槽；28、传感器安装架；29、第二滑槽；30、第二固定孔；31、第二螺钉；32、限位柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，参照图1-图8所示，包括台架1、电机总成6、转子总成3、磁悬浮轴承总成2和弹性箔片气体轴承总成4，电机总成6设在台架1上，电机总成6包括电机14和安装电机14的电机座15，转子总成3包括转轴13，转轴13通过联轴器5与电机14的输出轴相连，磁悬浮轴承总成2设在电机总成6的一侧，磁悬浮轴承总成2包括套设在转轴13上的磁悬浮轴承12和安装磁悬浮轴承12的磁悬浮轴承座19，磁悬浮轴承座19外侧设有磁悬浮轴承座端盖17，磁悬浮轴承座端盖17上设有能够相对于转轴13径向移动的电涡流传感器18，电涡流传感器18用于测量转轴13的轴向位移，弹性箔片气体轴承总成4设在磁悬浮轴承总成2和电机总成6之间。

在实验过程中，转轴13分别采用一个磁悬浮轴承12和一个弹性箔片气体轴承进行支承，通过电机14带动转轴13转动进而带动磁悬浮轴承12和弹性箔片气体轴承运动，可以分别研究磁悬浮轴承12单独支承，弹性箔片气体轴承单独支承以及两者混合支承的静、动态特性；并且可以来探索磁气混合轴承不同工作模式下的控制形式。以此为磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承的应用提供实验参考。

参照图2所示，电机总成6还包括电机座垫板16，电机座垫板16固定在电机座15和台架1之间，电机座15和电机座垫板16通过螺钉固定在台架1上，通过调节电机座垫板16的高度调节电机14的输出轴的高度，使得电机14的输出轴和转轴13能够很好的配合。

参照图5所示，弹性箔片气体轴承总成4包括底箔23、顶箔22、弹性箔片气体轴承座20和气体轴承底座21，底箔23和顶箔22嵌于气体轴承底座21的斜槽中并通过点焊固定，气体轴承底座21安装在弹性箔片气体轴承座20内。气体轴承底座21通过紧定螺钉与弹性箔片气体轴承座20锁紧。使得当气体轴承底座21发生磨损时，便于更换气体轴承底座21。

参照图2所示，弹性箔片气体轴承座20上设有第一固定孔24，台架1上设有第一滑槽25，第一滑槽25的延伸方向与转轴13的轴线方向平行，弹性箔片气体轴承座20通过插入第一固定孔24和第一滑槽25的第一螺钉26锁紧。弹性箔片气体轴承座20在台架1上可以沿第一滑槽25移动，进而改变弹性箔片气体轴承总成4与磁悬浮轴承总成2的距离，以此来探究在不同轴向距离下，磁悬浮轴承12和弹性箔片气体轴承混合支承的静、动态特性，对之后混合轴承控制系统中的载荷分配设计提供实验参考。对磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承的应用提供相关依据。

参照图4所示，在磁悬浮轴承12中，磁悬浮轴承12安装于磁悬浮轴承座19内，利用销钉进行圆周方向上的定位，磁悬浮轴承座端盖17安装在磁悬浮轴承座19上，利用两个销定位后，并利用螺钉拧紧固定磁悬浮轴承12和磁悬浮轴承轴承座端盖17，磁悬浮轴承座端盖17上设有多个凹槽27，每一凹槽27内设有一个传感器安装架28和电涡流传感器18，凹槽27内设有限制传感器安装架28位置的限位柱32，通过设置限位柱32，可以防止传感器安装架28掉落，每一凹槽27内设有多个第二滑槽29，凹槽27相对于转轴13呈径向方向，滑槽相对于转轴13呈径向方向，电涡流传感器18安装在传感器安装架28内，传感器安装架28上设有第二固定孔30，传感器安装架28通过插入第二固定孔30和第二滑槽29的第二螺钉31锁紧，以此来调节传感器安装架28和电涡流传感器18的位置，使电涡流传感器18更靠近磁悬浮轴承12，以此使磁悬浮轴承12的控制更精确。

磁悬浮轴承轴承座端盖17底部有环状槽孔，可将磁悬浮轴承12的电线穿出。

转轴13为阶梯轴，包括第一段和第二段，第一段的直径大于第二段的直径，弹性箔片气体轴承安装在第一段上，磁悬浮轴承12安装在第二段上，方便安装与拆卸弹性箔片气体轴承总成4和磁悬浮轴承总成2。

参照图2所示，转子总成3还包括磁悬浮轴承转子11、隔磁环10和传感器测量环9，磁悬浮轴承转子11、隔磁环10和传感器测量环9依次设在磁悬浮轴承12内侧且套设在第二段上，隔磁环10是用来隔绝磁场，减少漏磁，由于电涡流位移传感器对所测表面的材料和精度有要求，通过设置传感器测量环9，可以提高电涡流传感器18的灵敏度。

磁悬浮轴承转子11由多个环状硅钢片叠压而成，隔磁环10由不锈钢材料制成。

参照图3所示，台架1包括平台底板8和架体7，平台底板8设在架体7上，电机总成6、转子总成3、磁悬浮轴承总成2和弹性箔片气体轴承总成4均设在平台底板8上。架体7是利用铝型材和其相关安装配件如角件、螺钉等拼搭而成。

本发明中，弹性箔片轴承气体轴承的类型可以进行改变，本发明实施例以整周式箔片轴承为示例，之后可根据需要更换其他类型弹性箔片气体轴承。具体操作过程为，松开联轴器5，移动转子总成3，松开弹性箔片气体轴承座20上的紧定螺钉，取下气体轴承底座21，更换其他类型箔片轴承。以此可有效拓宽本实验平台的研究范围。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：包括台架、电机总成、转子总成、磁悬浮轴承总成和弹性箔片气体轴承总成，所述电机总成设在台架上，所述电机总成包括电机和安装所述电机的电机座，所述转子总成包括转轴，所述转轴通过联轴器与所述电机的输出轴相连，所述磁悬浮轴承总成设在所述电机总成的一侧，所述磁悬浮轴承总成包括套设在所述转轴上的磁悬浮轴承和安装所述磁悬浮轴承的磁悬浮轴承座，所述磁悬浮轴承座外侧设有磁悬浮轴承座端盖，所述磁悬浮轴承座端盖上设有能够相对于所述转轴径向移动的电涡流传感器，所述电涡流传感器用于测量转轴的轴向位移，所述弹性箔片气体轴承总成设在所述磁悬浮轴承总成和所述电机总成之间。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述电机总成还包括电机座垫板，所述电机座垫板固定在所述电机座和所述台架之间，通过调节所述电机座垫板的高度调节所述电机的输出轴的高度。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述弹性箔片气体轴承总成包括底箔、顶箔、弹性箔片气体轴承座和气体轴承底座，所述底箔和所述顶箔嵌于所述气体轴承底座的斜槽中并通过点焊固定，所述气体轴承底座安装在所述弹性箔片气体轴承座内。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述气体轴承底座通过紧定螺钉与所述弹性箔片气体轴承座锁紧。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述弹性箔片气体轴承座上设有第一固定孔，所述台架上设有第一滑槽，所述弹性箔片气体轴承座通过插入所述第一固定孔和所述第一滑槽的第一螺钉锁紧。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述磁悬浮轴承座端盖上设有相对于所述转轴呈径向方向的凹槽，所述凹槽内设有第二滑槽，所述传感器安装在传感器安装架内，所述凹槽内设有限制所述传感器安装架位置的限位柱，所述传感器安装架上设有第二固定孔，所述传感器安装架通过插入所述第二固定孔和所述第二滑槽的第二螺钉锁紧。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述转轴为阶梯轴，包括第一段和第二段，所述第一段的直径大于所述第二段的直径，所述弹性箔片气体轴承安装在所述第一段上，所述磁悬浮轴承安装在所述第二段上。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述转子总成还包括磁悬浮轴承转子、隔磁环和传感器测量环，所述磁悬浮轴承转子、所述隔磁环和所述传感器测量环依次设在所述磁悬浮轴承内侧且套设在所述第二段上。

9.根据权利要求所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述磁悬浮轴承转子由多个环状硅钢片叠压而成，所述隔磁环由不锈钢材料制成。

10.根据权利要求1所述的磁悬浮和弹性箔片气体混合轴承实验平台，其特征在于：所述台架包括平台底板和架体，所述平台底板设在所述架体上，所述电机总成、所述转子总成、所述磁悬浮轴承总成和所述弹性箔片气体轴承总成均设在所述平台底板上。

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