CN113266643A - 一种径轴一体化磁气混合轴承及其制作方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径轴一体化磁气混合轴承及其制作方法与应用，属于空气轴承技术领域。轴承包括轴承底座、顶箔、空气箔片、底箔、内环、内磁环与外磁环，其中，轴承底座中间位置设置有锥形凹槽，锥形凹槽侧面上放置有顶箔，锥形凹槽内固定设置有内环，顶箔与内环之间放置有底箔，底箔上均匀设置有空气箔片，顶箔、底箔和内环均为锥形，轴承底座中间位置通过过盈配合设置有外磁环，内磁环设置于转子的轴颈上。本发明同时对悬浮转子提供垂直于轴颈表面的悬浮力和轴向推力，简化悬浮系统整体结构，优化转子配重及动力学特性，提高转子的稳定性和可靠性，增大系统阻力，提高轴承的整体刚度，有利于突破悬浮转子的临界转速瓶颈。

Description

一种径轴一体化磁气混合轴承及其制作方法与应用
技术领域
本发明涉及一种径轴一体化磁气混合轴承及其制作方法与应用，属于悬浮轴承技术领域。
背景技术
轴承是为旋转轴提供限位及约束的重要部件，传统机械轴承在转子高速下的摩擦及损耗，制约了转子临界转速的提高，并且可靠性差。与传统轴承相比，悬浮轴承不存在机械接触，具有磨损小、噪声小、无需润滑和无油污染等特点。悬浮轴承包括磁悬浮和空气悬浮两种，其中空气轴承具有成本低廉、结构简单、节能等优点，空气动压轴承是基于流体动压原理制造出的高性能轴承，它所需的动压基于自身结构产生，不需要外部气源供气，特别适用于旋转轴高速旋转的工况，例如空气悬浮离心鼓风机、涡轮压缩机等。
为使悬浮转子稳定、可靠的工作，转子轴承需提供5个自由度的约束，传统的空气悬浮轴承结构为径向空气轴承+轴向推力箔片空气轴承结合限位，一侧的径向空气轴承能提供径向两个自由度的约束，而轴向推力箔片空气轴承仅能提供轴向一个自由度的约束。轴向推力箔片空气轴承与推力盘配合工作达到悬浮转子轴向限位的作用，而轴向推力盘轴向尺寸大，转子高速旋转时，推力盘边缘线速度高，导致强度不够，同时推力盘会直接影响到转子的整体配重，高速旋转状态下的运动模态及振动使得转子动力学设计变得复杂，结构可靠性差，此外，推力盘的存在导致悬浮系统径向、轴向尺寸增大，直接制约了高速转子的临界转速。且在悬浮电机的启动阶段，电机处于低速状态，转子不能稳定悬浮，导致低转速下空气动压轴承刚度不够、承载能力差，同时造成转子与轴承的剧烈碰撞，缩短了轴承寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种径轴一体化磁气混合轴承，同时对悬浮转子提供垂直于轴颈表面的径向悬浮力和轴向推力，简化悬浮系统整体结构，优化转子配重及动力学特性，提高转子的稳定性和可靠性，增大系统阻力，提高轴承的整体刚度，有利于突破悬浮转子的临界转速瓶颈。
本发明还提供上述径轴一体化磁气混合轴承的制作方法与应用。
本发明的技术方案如下：
一种径轴一体化磁气混合轴承，包括空气动压轴承和轴向磁力轴承，其中，空气动压轴承包括轴承底座、顶箔、空气箔片、底箔和内环，轴承底座中间位置设置有锥形凹槽，锥形凹槽侧面上放置有顶箔，锥形凹槽内固定设置有内环，顶箔与内环之间放置有底箔，底箔上均匀设置有空气箔片，顶箔、底箔和内环均为锥形，轴向磁力轴承包括内磁环和外磁环，轴承底座中间位置通过过盈配合设置有外磁环，内磁环设置于转子的轴颈上。
优选的，空气箔片为拱状扇形箔片，空气箔片上设置有第一拱和第二拱，第一拱和第二拱均为半圆锥形，第一拱内径大于第二拱内径，第一拱和第二拱依次排列紧密连接。
优选的，空气箔片呈分离式扇形均匀排列设置于底箔上。
优选的，内环背离锥形凹槽的外表面上设置有沟槽，通过沟槽给内环朝向锥形凹槽的内表面提供足够的变形空间。
优选的，内环背离锥形凹槽的外表面上设置有二硫化钼层，内环背离锥形凹槽的外表面是与轴颈的接触面，在悬浮转子启动及停机的低速段，内环与轴颈距离摩擦，二硫化钼层作为固定润滑层，减少内环磨损。
优选的，顶箔、底箔、内环的锥度与锥形凹槽的锥度相同。
优选的，顶箔、空气箔片和底箔的材料均为铍青铜或不锈钢。
上述径轴一体化磁气混合轴承的制作方法，操作步骤如下：
(1)顶箔制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形顶箔；
(2)空气箔片制作：将扇形箔带平放于定型模具的凹模与凸模之间，对凸模加一推力压紧箔带得到初加工的拱状扇形箔片，拱状扇形箔片整体放在干燥箱中加热后空冷取出，用线切割去除拱状扇形箔片两端多余部分，得到最终的空气箔片；
(3)底箔制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形底箔，底箔上焊接步骤制作的空气箔片；
(4)组装，轴承底座的锥形凹槽内分别安装顶箔和底箔，内环的两端具有定位销孔，通过定位销、沉头螺栓和法兰盘将内环固定在轴承底座上，轴承底座上安装外磁环，完成组装。
优选的，步骤(2)中的凹模为长方体，凹模一侧上扇形排列设置弧形凹槽，凸模为长方体，凸模上扇形排列设置弧形凸起，弧形凹槽与弧形凸起弧度一致，弧形凹槽与空气箔片上拱的弧度一致。
上述径轴一体化磁气混合轴承在电机中的应用，操作步骤如下：
(1)电机转子轴颈上安装内磁环，然后电机转子穿过轴承底座内环，转子上的轴颈与内环气隙为2mm，调节内磁环与外磁环的轴向相对位置，错位安装，转子发生偏移时，内磁环与外磁环的相互作用可以为转子提供轴向磁力和径向磁力，然后将轴承底座通过沉头螺栓固定于电机；
(2)电机启动，开始阶段转子处于低速状态，空气动压轴承不能为转子提供足够的径向悬浮力，通过内磁环和外磁环提供的径向磁力辅助转子快速悬浮，转子进入高速旋转后，磁气混合轴承受到冲击载荷时，空气箔片发生弹性变形，冲击产生的能量转化为空气箔片的弹性势能，再通过气膜阻尼耗散，最终转化成为垂直于轴颈外表面的悬浮力；
(3)因空气箔片弹性变形产生的悬浮力正交分解为径向分力和轴向分力，其中，径向分力与径向磁力一起用于提供转子径向悬浮力，同时起到缓冲和限位作用，轴向分力与轴向磁力轴承一起用于代替轴向推力盘，提供轴向悬浮力，起到轴向限位、缓冲的作用，径向悬浮力促使转子回到中心位置，使得转子始终处于自稳状态，当轴向出现扰动时，轴向分力和轴向磁力促使转子回到中间位置，即轴向悬浮力可起到轴向悬浮、软限位的作用，还因轴向悬浮力的存在，减少了悬浮系统常用的轴向推力盘，使得转子整体的配重更加合理。
本发明中，加入轴向磁力轴承，使磁气混合轴承在低速状态下的刚度、承载力得到提升，而且轴向磁力轴承提高了磁气混合轴承的整体轴向支承刚度，进而提高了轴承的整体支承刚度，因此转子在高速状态下的稳定性与可靠性得到提高，使得转子能够迅速平稳地通过临界转速，有利于突破转子的临界转速瓶颈。
本发明的有益效果在于：
本发明所设计的磁气混合轴承能同时对悬浮转子提供径向悬浮力和轴向推力，通过径轴一体化设计和轴向磁力轴承简化了悬浮系统整体结构，改善了转子的低、高速性能，优化了转子配重及动力学特性，提高了转子的稳定性和可靠性，有利于悬浮转子快速平稳地突破临界转速，同时提高了悬浮转子径向和轴向的控制精度；相较于已有的空气动压轴承，本发明所设计的磁气混合轴承的整体支承刚度与通用性均得到提升。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图；
图2为本发明的空气箔片结构示意图；
图3为本发明的空气箔片与底箔连接展开图；
图4为本发明的空气箔片与底箔连接俯视图；
图5为本发明的底箔与顶箔装配示意图；
图6为本发明实施例1中的轴向磁力轴承有限元仿真模型；
图7为本发明实施例1中轴向磁力轴承的轴向推力-轴向偏移仿真结果图；
图8为本发明实施例1中轴向磁力轴承的径向力-径向位移仿真结果图；
其中：1、轴承底座；2、转子；3、锁紧螺母；4、外磁环；5、法兰盘；6、沉头螺栓；7、内磁环；8、轴颈；9、顶箔；10、空气箔片；11、底箔；12、内环；13、定位销孔；14、沟槽；15、第一拱；16、第二拱。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例提供一种径轴一体化磁气混合轴承，包括空气动压轴承和轴向磁力轴承，其中，空气动压轴承包括轴承底座1、顶箔9、空气箔片10、底箔11和内环12，轴向磁力轴承包括内磁环7和外磁环4，轴承底座1中间位置设置有锥形凹槽，锥形凹槽侧面上放置有顶箔9，锥形凹槽内固定设置有内环12，顶箔9与内环12之间放置有底箔11，底箔11上均匀设置有空气箔片10，顶箔9、底箔11和内环12均为锥形，轴承底座1中间位置通过过盈配合设置有外磁环4，内磁环7设置于转子2的轴颈8上，通过锁紧螺母3进行固定。顶箔9和底箔11在锥形凹槽内活动设置，不进行固定限位。
空气箔片10为拱状扇形箔片，空气箔片上设置有第一拱15和第二拱16，第一拱15和第二拱16均为半圆锥形，第一拱内径大于第二拱内径，第一拱整体尺寸大于第二拱，如图2所示，第一拱和第二拱依次排列紧密连接。当轴承受到冲击载荷时，冲击产生的能量会转化为箔片的弹性势能，再通过气膜阻尼耗散，因此采用相邻拱半径不同的空气箔片会使得空气动压轴承面对不同的冲击载荷时具有更好的自适应能力。
空气箔片10呈分离式扇形均匀排列设置于底箔上。为保证空气箔片10的轴线与顶箔9、底箔11的母线保持平行，空气箔片10需要呈扇形排列在底箔11上，采用分离式结构，是为了当沿轴颈表面的气膜厚度不均时，每个空气箔片可以单独工作，避免相互影响。
顶箔9、底箔11、内环12的锥度与锥形凹槽的锥度相同。
顶箔9、空气箔片10和底箔11的材料均为铍青铜。
上述径轴一体化磁气混合轴承的制作方法，操作步骤如下：
(1)顶箔9制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形顶箔；
(2)空气箔片10制作：将扇形箔带平放于定型模具的凹模与凸模之间，对凸模加一推力压紧箔带得到初加工的拱状扇形箔片，拱状扇形箔片整体放在干燥箱中加热后空冷取出，用线切割去除拱状扇形箔片两端多余部分，得到最终的空气箔片；
(3)底箔11制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形底箔，底箔上焊接步骤制作的空气箔片；
(4)组装，轴承底座1的锥形凹槽内分别安装顶箔9和底箔11，内环12的两端具有定位销孔13，通过定位销、沉头螺栓6和法兰盘5将内环固定在轴承底座上，轴承底座上安装外磁环，完成组装。
上述径轴一体化磁气混合轴承在电机中的应用，操作步骤如下：
(1)电机转子轴颈上安装内磁环，然后电机转子穿过轴承底座内环，转子上的轴颈与内环气隙为2mm，调节内磁环与外磁环的轴向相对位置，错位安装，如图6所示，转子发生偏移时，内磁环与外磁环的相互作用可以为转子提供轴向磁力和径向磁力，然后将轴承底座通过沉头螺栓固定于电机；
内磁环与外磁环错位安装可以使转子在获得轴向推力的同时获得径向悬浮力。
(2)电机启动，开始阶段转子处于低速状态，空气动压轴承不能为转子提供足够的径向悬浮力，通过内磁环和外磁环提供的径向磁力辅助转子快速悬浮，转子进入高速旋转后，磁气混合轴承受到冲击载荷时，空气箔片发生弹性变形，冲击产生的能量转化为空气箔片的弹性势能，再通过气膜阻尼耗散，最终转化成为垂直于轴颈外表面的悬浮力；
(3)因空气箔片弹性变形产生的悬浮力正交分解为径向分力和轴向分力，其中，径向分力与径向磁力一起用于提供转子径向悬浮力，同时起到缓冲和限位作用，轴向分力与轴向磁力轴承一起用于代替轴向推力盘，提供轴向悬浮力，起到轴向限位、缓冲的作用，径向悬浮力促使转子回到中心位置，使得转子始终处于自稳状态，当轴向出现扰动时，轴向分力和轴向磁力促使转子回到中间位置，即轴向悬浮力可起到轴向悬浮、软限位的作用，还因轴向悬浮力的存在，减少了悬浮系统常用的轴向推力盘，使得转子整体的配重更加合理。
本实施例中，加入轴向磁力轴承，使磁气混合轴承在低速状态下的刚度、承载力得到提升，而且轴向磁力轴承提高了磁气混合轴承的整体轴向支承刚度，进而提高了轴承的整体支承刚度，因此转子在高速状态下的稳定性与可靠性得到提高，使得转子能够迅速平稳地通过临界转速，有利于突破转子的临界转速瓶颈。
采用表1所示的内磁环与外磁环尺寸数据进行有限元仿真，内磁环与外磁环共同组成轴向磁力轴承，轴向磁力轴承有限元仿真模型如图6所示，内磁环和外磁环均采用径向充磁，且充磁方向相同，材料为钕铁硼，假设外磁环固定不动，初始时刻内外磁环的几何中心重合，内磁环模拟转子发生轴向移动，从图7可以看出，轴向力的作用效果是阻碍内磁环的轴向偏移(恢复力)，即轴向磁力轴承能够在转子发生轴向偏移时产生轴向推力。
假设外磁环固定不动，初始时刻内磁环和外磁错位设置，使内磁环和外磁的几何中心在轴向上分别相距0mm、10mm、14mm，从图8可以看出，当两者几何中心从轴向相距0mm变化到14mm，且内磁环发生径向偏移时，内磁环受到的径向力作用效果由加剧径向偏移变为阻碍径向偏移，即获得额外的径向悬浮力，由此证明轴向磁力轴承的内磁环和外磁环轴向错位安装时，内磁环会获得额外的径向悬浮力，内磁环和外磁环的错位安装距离不做限定，内磁环和外磁环尺寸不同，受力不同，可根据实际应用尺寸进行仿真，得到满足要求的错位安装距离。
综上，磁气混合轴承可以弥补本发明的空气动压轴承相较于同尺寸下传统的圆筒式空气动压轴承径轴向悬浮分力较小的劣势。
表1：内磁环与外磁环的尺寸数据
Figure BDA0003070386130000061
实施例2：
一种径轴一体化磁气混合轴承，结构如实施例1所述，不同之处在于，内环12背离锥形凹槽的外表面上设置有沟槽14，通过沟槽给内环朝向锥形凹槽的内表面提供足够的变形空间。
实施例3：
一种径轴一体化磁气混合轴承，结构如实施例1所述，不同之处在于，内环12背离锥形凹槽的外表面上设置有二硫化钼层，内环背离锥形凹槽的外表面是与轴颈的接触面，在悬浮转子启动及停机的低速段，内环与轴颈距离摩擦，二硫化钼层作为固定润滑层，减少内环磨损。顶箔9、空气箔片10和底箔11的材料均为不锈钢。
实施例4：
一种径轴一体化磁气混合轴承的制作方法，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(2)中的凹模为长方体，凹模一侧上扇形排列设置弧形凹槽，凸模为长方体，凸模上扇形排列设置弧形凸起，弧形凹槽与弧形凸起弧度一致，弧形凹槽与空气箔片上拱的弧度一致。

Claims (10)

1.一种径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，包括空气动压轴承和轴向磁力轴承，其中，空气动压轴承包括轴承底座、顶箔、空气箔片、底箔和内环，轴承底座中间位置设置有锥形凹槽，锥形凹槽侧面上放置有顶箔，锥形凹槽内固定设置有内环，顶箔与内环之间放置有底箔，底箔上均匀设置有空气箔片，顶箔、底箔和内环均为锥形，轴向磁力轴承包括内磁环和外磁环，轴承底座中间位置通过过盈配合设置有外磁环，内磁环设置于转子的轴颈上。
2.如权利要求1所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，空气箔片为拱状扇形箔片，空气箔片上设置有第一拱和第二拱，第一拱和第二拱均为半圆锥形，第一拱内径大于第二拱内径，第一拱和第二拱依次排列紧密连接。
3.如权利要求2所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，空气箔片呈分离式扇形均匀排列设置于底箔上。
4.如权利要求1所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，内环背离锥形凹槽的外表面上设置有沟槽。
5.如权利要求1所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，内环背离锥形凹槽的外表面上设置有二硫化钼层。
6.如权利要求3所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，顶箔、底箔、内环的锥度与锥形凹槽的锥度相同。
7.如权利要求1所述的径轴一体化磁气混合轴承，其特征在于，顶箔、空气箔片和底箔的材料均为铍青铜或不锈钢。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的径轴一体化磁气混合轴承的制作方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)顶箔制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形顶箔；
(2)空气箔片制作：将扇形箔带平放于定型模具的凹模与凸模之间，对凸模加一推力压紧箔带得到初加工的拱状扇形箔片，拱状扇形箔片整体放在干燥箱中加热后空冷取出，用线切割去除拱状扇形箔片两端多余部分，得到最终的空气箔片；
(3)底箔制作：选用扇形箔片，通过线切割去除箔片多余部分，然后将扇形箔片卷起焊接固定，形成锥形底箔，底箔上焊接步骤制作的空气箔片；
(4)组装，轴承底座的锥形凹槽内分别安装顶箔和底箔，内环的两端具有定位销孔，通过定位销、沉头螺栓和法兰盘将内环固定在轴承底座上，轴承底座上安装外磁环，完成组装。
9.如权利要求8所述的径轴一体化磁气混合轴承的制作方法，其特征在于，步骤(2)中的凹模为长方体，凹模一侧上扇形排列设置弧形凹槽，凸模为长方体，凸模上扇形排列设置弧形凸起，弧形凹槽与弧形凸起弧度一致，弧形凹槽与空气箔片上拱的弧度一致。
10.一种如权利要求6所述的径轴一体化磁气混合轴承在电机中的应用，其特征在于，操作步骤如下：
(1)电机转子轴颈上安装内磁环，然后电机转子穿过轴承底座内环，转子上的轴颈与内环气隙为2mm，调节内磁环与外磁环的轴向相对位置，错位安装，转子发生偏移时，内磁环与外磁环的相互作用可以为转子提供轴向磁力和径向磁力，然后将轴承底座通过沉头螺栓固定于电机；
(2)电机启动，开始阶段转子处于低速状态，空气动压轴承不能为转子提供足够的径向悬浮力，通过内磁环和外磁环提供的径向磁力辅助转子快速悬浮，转子进入高速旋转后，磁气混合轴承受到冲击载荷时，空气箔片发生弹性变形，冲击产生的能量转化为空气箔片的弹性势能，再通过气膜阻尼耗散，最终转化成为垂直于轴颈外表面的悬浮力；
(3)因空气箔片弹性变形产生的悬浮力正交分解为径向分力和轴向分力，其中，径向分力与径向磁力一起用于用于提供转子径向悬浮力，同时起到缓冲和限位作用，轴向分力与轴向磁力一起用于提供转子轴向悬浮力，径向悬浮力促使转子回到中心位置，使得转子始终处于自稳状态，当轴向出现扰动时，轴向分力和轴向磁力促使转子回到中间位置。
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