CN113417884A - 一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机 - Google Patents

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CN113417884A CN202110592724.XA CN202110592724A CN113417884A CN 113417884 A CN113417884 A CN 113417884A CN 202110592724 A CN202110592724 A CN 202110592724A CN 113417884 A CN113417884 A CN 113417884A
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Abstract

本发明涉及空气压缩机技术领域，公开了一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，包括与外界环境固定的壳体，通过卡槽固定设置在所述壳体内的定子，活动设置在所述定子中心的转子，贯穿所述转子中心的中央悬浮转轴，以及设置在所述壳体内用于使中央悬浮转轴悬浮的悬浮单元；所述悬浮单元包括两个分别设置在所述定子两侧且与中央悬浮转轴活动连接的复合悬浮轴承；本装置不仅能够解决磁悬浮轴承控制复杂、制造成本高的问题，还能够大大提高空气悬浮轴承承载力，以及解决空气悬浮轴承在使用中抗冲击能力弱的问题。

Description

一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机
技术领域
本发明涉及空气压缩机技术领域，具体是涉及一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机。
背景技术
压缩机是一种具有高速旋转叶轮的动力式压缩机，它依靠旋转叶轮和气流间的相互作用力来提高气体压力，同时使气流产生加速度而获得动能，然后气流在扩压器中减速，将动能转化为压力能，进一步提高压力。由于压缩机的中心轴通常在高转速下旋转，传统油封轴承的摩擦力较大，且容易损坏，因此通常采用单纯的磁悬浮轴承或者空气悬浮轴承替换传统油封轴承，实现中心轴的无油悬浮。
空气悬浮轴承是一种将气体作为轴承旋转件间润滑剂的轴承，因气体的粘性低，因此气体轴承旋转件间的摩擦力极小，可以实现旋转件的高速旋转，且因旋转件间的摩擦较小，空气轴承的使用寿命往往远远大于传统轴承；而单纯采用磁悬浮轴承进行多方向的悬浮控制，其不仅成本高昂，控制也及其麻烦。
现有大多数空气轴承在使用中存在着轴向和切面方向上的不稳定性，在使用中往往会因震动等因素在轴线方向与切面方向产生波动，长期如此，对轴承和相关装置均会产生磨损和破坏，同时，传统的空气轴承往往不具备气流意外停止时的保护功能，当气流意外停止时，超高速旋转的旋转件与轴承间突然摩擦反而会直接损坏旋转件，提升了维护成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是：空气悬浮轴承在使用中因震动等因素在轴线方向、切面或其它方向产生波动位移，抗冲击性较弱；以及磁悬浮轴承成本高昂、控制复杂。
本发明的技术方案是：一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，包括与外界环境固定的壳体，通过卡槽固定设置在所述壳体内的定子，活动设置在所述定子中心的转子，贯穿所述转子中心的中央悬浮转轴，以及设置在所述壳体内用于使中央悬浮转轴悬浮的悬浮单元；
所述悬浮单元包括两个分别设置在所述定子两侧且与中央悬浮转轴活动连接的复合悬浮轴承；
所述复合悬浮轴承包括与壳体内壁固定连接的外围圆形支撑结构，固定设置在所述外围圆形支撑结构上的双层球面结构，固定安装在所述中央悬浮转轴上且悬浮于双层球面结构内部的单层球面结构，以及向所述双层球面结构、单层球面结构提供动力的动力模块；
所述外围圆形支撑结构包括与壳体通过卡槽固定的外围圆环，设置在所述外围圆环内部的第一圆环支架，以及设置在外围圆环内部且位于所述第一圆环支架两侧的第二圆环支架；所述外围圆环、第一圆环支架以及第二圆环支架轴心线重合；
所述双层球面结构包括设置在所述第一圆环支架上的内层球面结构，以及设置在所述第二圆环支架上且位于所述内层球面结构外围的外层球面结构；
所述内层球面结构包括固定在所述第一圆环支架中心的第一环形气道，固定设置在所述第一环形气道内部中心的固定圆盘，多组以所述固定圆盘中心轴线为中心均匀安装在固定圆盘上的电磁线圈组件，设置在所述第一环形气道与固定圆盘连接处的内层球面，以及设置在均匀设置在所述第一环形气道两侧向内层球面注入空气的气流喷嘴；
所述内层球面包括两个关于第一环形气道对称设置的第一半球面；
所述外层球面结构包括两个固定在第二圆环支架上且关于环形气道对称的外围保护壳，设置在所述外围保护壳内的第二半球面，以及两组分别环绕在所述外围保护壳外圈且与第二半球面连接的第二环形气道；
所述单层球面结构包括两个分别夹设在所述第一半球面与第二半球面之间的第三半球面，设置在所述第三半球面中心与中央悬浮转轴连接的固定环；
所述第三半球面与第一半球面之间的夹层能够形成一端与气流喷嘴连通的第一球形气流通道；所述固定环上设有与第一球形气流通道另一端连通的第一环形排气件；
所述第三半球面与第二半球面之间的夹层能形成一端与第二环形气道连通的第二球形气流通道；所述外围保护壳上设有与第二球形气流通道另一端连通的第二环形排气件。
进一步地，所述第一环形排气件与第二环形排气件轴心线重合且第一环形排气件套设在第二环形排气件内部；
所述第一环形排气件上均匀设置有第一排气圆管；所述第二环形排气件上均匀设置有第二排气圆管。
第一排气圆管、第二排气圆管均为水平方向设置；第二排气圆管长度长于第一排气圆管，且第一排气圆管套设在第二排气圆管内部，因此第一排气圆管与第二排气圆管排出的气流能够能够在侧面水平方向内形成环状气流，通过对水平方向环状气流的再次利用不仅能够提高能源利用率，还能够增加中央悬浮转轴的抗冲击性。
进一步地，所述中央悬浮转轴上套设有与第一环形排气件内壁连接的气流导向件；
所述气流导向件外形为喇叭状且表面均匀设有导流槽；
所述第一排气圆管、第二排气圆管排出的气流经过导流槽。
通过气流导向件的设置能够再次利用气流压力，实现对中央悬浮转轴的气压支撑，能够放大气流产生的有利作用；并且气流导向件的设置能够大大延伸气流对中央悬浮转轴的支撑范围，增加了中央悬浮转轴的抗冲击能力。
进一步地，两个所述第三半球面之间的中央悬浮转轴上还固定套设有连接固定环的钢制圆管；所述钢制圆管上设有多个分别电磁线圈组件对应的永磁体。
通过永磁体的设置能够进一步加强中央悬浮转轴承受的悬浮力；通过电磁线圈组件产生与对应永磁体同性的电磁力，利用磁体同性产生的排斥力实现对中央悬浮转轴的磁力悬浮支撑。
进一步地，所述第二环形气道上均匀分布有多个与第二球形气流通道连通的气流连接管。
通过气流连接管的均匀设置能够确保第二环形气道向第二球形气流通道从各个方向注入均衡的气流，确保第三半球面在第一半球面、第二半球面之间能够稳定悬浮。
进一步地，所述动力模块包括用于向第一环形气道、第二环形气道提供气流的充气装置，以及与电磁线圈组件电性连接的电源控制装置。
通过充气装置的设置能够向第一环形气道、第二环形气道提供气流动力，且便于对气流量进行控制，实现对第一环形气道、第二环形气道内气压大小的调控；通过电源控制装置的设置能够实现对电磁线圈组件的控制产生可控的电磁力，利用电磁力实现中央悬浮转轴在轴向上的稳定悬浮。
进一步地，所述中央悬浮转轴端部设有空气压缩蜗壳；所述空气压缩蜗壳包括设置在所述壳体上的蜗壳本体，固定在所述中央悬浮转轴端部且位于蜗壳本体内部的压缩涡扇，设置在所述压缩涡扇与蜗壳本体内壁之间的检测组件；
所述检测组件包括用于检测中央悬浮转轴轴线位移的第一传感器，以及用于检测径向位移的第二传感器。其中，第二传感器包括两组，且分别位于中央悬浮转轴的两端能够实现分别对两端径向位移的检测，提高对中央悬浮转轴在高频转动中径向位移的精准检测；
通过第一传感器的设置能够实现对中央悬浮转轴轴线方向位移的准确检测；通过第一传感器、第二传感器检测到的位移数据反馈给控制单元，以便于控制单元进一步做出修正，通过调整动力模块的参数实现中央悬浮转轴稳定性的增强。
进一步地，所述第一球形气流通道、第二球形气流通道内设有贴片式压力传感器。
通过在第一球形气流通道、第二球形气流通道内分别安装检测气压强度的贴片式压力传感器能够检测第一球形气流通道、第二球形气流通道内的气流压力，结合第一传感器、第二传感器检测到的位移数据变化量，判断中央悬浮转轴的稳定性，便于对充气装置进行控制，大大提高中央悬浮转轴的稳定性。
进一步地，所述壳体上设有风冷散热窗。
风冷散热窗上设置有与定子端壳体连接的散热片，通过将第一球形气流通道、第二球形气流通道排出的气流导出能够实现对装置的实时快速降温，实现对气流的多次利用，相对于传统压缩机复杂的散热系统，这样设置的好处是结构简单，并且冷却效率高，便于控制，实施成本低。
进一步地，所述第一半球面、第二半球面以及第三半球面均采用耐磨合金材料制成。
将第一半球面、第二半球面以及第三半球面采用耐磨合金材料制成能够大大增加三个半球面的耐磨性能，有效防止在气压不足、以及电磁线圈组件故障停机时，复合悬浮轴承在惯性缓停中发生摩擦损坏；大大提高复合悬浮轴承在各种工况下的使用寿命。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，公开了一种新型的复合悬浮轴承，通过设置固定圆盘、电磁线圈组件、永磁体，利用产生的电磁斥力实现对中央悬浮转轴在轴向上的稳定控制，相对于传统磁悬浮轴承，既要利用磁悬浮轴承实现轴线悬浮又要实现径向悬浮而言，本设计只有负责径向悬浮的电磁线圈组件，其制造成本低，结构简单，且容易控制。
在电磁悬浮的基础上结合球面式的空气悬浮结构，具体通过将第三半球面悬浮在第一半球面、第二半球面夹层之间，使第三半球面与第一半球面、第三半球面与第二半球面形成球面状的气流通道，再通过注入气流，实现第三半球面的悬浮；由于球面型光滑弧面的设计，能大大增加中央悬浮转轴的在各个方向上的抗冲击性，解决空气悬浮轴承在使用中抗冲击能力弱的问题。
附图说明
图1是本发明实施例1整体的结构示意图；
图2是本发明实施例1复合悬浮轴承的结构示意图；
图3是本发明实施例1复合悬浮轴承的结构示意图；
图4是本发明实施例1第一环形气道、第二环形气道的结构示意图；
图5是本发明实施例1第一半球面内部的结构示意图；
图6是本发明实施例1内层球面的结构示意图；
图7是本发明实施例1第二半球面内部的结构示意图；
图8是本发明实施例1第二环形排气件的结构示意图；
图9是本发明实施例1气流导向件的结构示意图；
图10是本发明实施例2钢制圆管与永磁体的结构示意图；
图11是本发明实施例3空气压缩蜗壳的结构示意图；
其中，1-壳体、2-定子、3-转子、4-中央悬浮转轴、40-气流导向件、5-复合悬浮轴承、50-外围圆形支撑结构、500-外围圆环、501-第一圆环支架、502-第二圆环支架、51-双层球面结构、510-第一环形气道、511-固定圆盘、512-电磁线圈组件、513-内层球面、5130-第一半球面、514-气流喷嘴、515-外围保护壳、516-第二半球面、517-第二环形气道、5170-气流连接管、518-第二环形排气件、519-第二排气圆管、52-单层球面结构、520-第三半球面、521-固定环、522-第一环形排气件、523-第一排气圆管、524-钢制圆管、525-永磁体、53-动力模块、6-空气压缩蜗壳、60-蜗壳本体、61-压缩涡扇、62-检测组件、10-风冷散热窗。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，包括与外界环境固定的壳体1，通过卡槽固定设置在壳体1内的定子2，活动设置在定子2中心的转子3，贯穿转子3中心的中央悬浮转轴4，以及设置在壳体1内用于使中央悬浮转轴4悬浮的悬浮单元；
悬浮单元包括两个分别设置在定子2两侧且与中央悬浮转轴4活动连接的复合悬浮轴承5；
如图2、3所示，复合悬浮轴承5包括与壳体1内壁固定连接的外围圆形支撑结构50，固定设置在外围圆形支撑结构50上的双层球面结构51，固定安装在中央悬浮转轴4上且悬浮于双层球面结构51内部的单层球面结构52，以及向双层球面结构51、单层球面结构52提供动力的动力模块53；
如图3所示，外围圆形支撑结构50包括与壳体1通过卡槽固定的外围圆环500，设置在外围圆环500内部的第一圆环支架501，以及设置在外围圆环500内部且位于第一圆环支架501两侧的第二圆环支架502；外围圆环500、第一圆环支架501以及第二圆环支架502轴心线重合；
如图3所示，双层球面结构51包括设置在第一圆环支架501上的内层球面结构，以及设置在第二圆环支架502上且位于内层球面结构外围的外层球面结构；
如图5、6所示，内层球面结构包括固定在第一圆环支架501中心的第一环形气道510，固定设置在第一环形气道510内部中心的固定圆盘511，6组以固定圆盘511中心轴线为中心均匀安装在固定圆盘511上的电磁线圈组件512，设置在第一环形气道510与固定圆盘511连接处的内层球面513，以及设置在均匀设置在第一环形气道510两侧向内层球面513注入空气的气流喷嘴514；
如图6所示，内层球面513包括两个关于第一环形气道510对称设置的第一半球面5130；
如图4、7所示，外层球面结构包括两个固定在第二圆环支架502上且关于环形气道510对称的外围保护壳515，设置在外围保护壳515内的第二半球面516，以及两组分别环绕在外围保护壳515外圈且与第二半球面516连接的第二环形气道517；
第二环形气道517上均匀分布有18个与第二球形气流通道连通的气流连接管5170；
如图7所示，单层球面结构52包括两个分别夹设在第一半球面5130与第二半球面516之间的第三半球面520，设置在第三半球面520中心与中央悬浮转轴4连接的固定环521；
如图7所示，第三半球面520与第一半球面5130之间的夹层能够形成一端与气流喷嘴514连通的第一球形气流通道；
固定环521上设有与第一球形气流通道另一端连通的第一环形排气件522；
如图8所示，第三半球面520与第二半球面516之间的夹层能形成一端与第二环形气道517连通的第二球形气流通道；
外围保护壳515上设有与第二球形气流通道另一端连通的第二环形排气件518。
如图8所示，第一环形排气件522与第二环形排气件518轴心线重合且第一环形排气件522套设在第二环形排气件518内部；
如图8所示，第一环形排气件522上均匀设置有第一排气圆管523；第二环形排气件518上均匀设置有第二排气圆管519。
如图9所示，中央悬浮转轴4上套设有与第一环形排气件522内壁连接的气流导向件40；
气流导向件40外形为喇叭状且表面均匀设有导流槽；
如图9所示，第一排气圆管523、第二排气圆管519排出的气流经过导流槽。
动力模块53包括用于向第一环形气道510、第二环形气道517提供气流的充气装置，以及与电磁线圈组件512电性连接的电源控制装置。
需要说明的是，本装置还包括控制柜，且控制柜采用现有市售产品；
其中，电源控制装置、电磁线圈组件512、充气装置、气流喷嘴514均采用现有市售产品，且具体的产品型号本领域内工作人员可根据需要进行选择。
本实施例的工作方法及原理：通过利用电磁线圈组件512产生的电磁力、以及第一球形气流通道、第二球形气流通道内气流产生的环绕压力实现对中央悬浮转轴4的悬浮控制；
由于电磁力具有承载能力强的特点，由电源控制装置向电磁线圈组件512通电产生电磁力主要用于对中央悬浮转轴4在径向上的悬浮控制；
通过第三半球面520与第一半球面5130之间形成一端与气流喷嘴514连通的第一球形气流通道，第三半球面520与第二半球面516之间的夹层能形成一端与第二环形气道517连通的第二球形气流通道；然后充气装置分别向第一球形气流通道、第二球形气流通道注入气流，既能够实现对中央悬浮转轴4在径向上的悬浮控制，也能够实现对中央悬浮转轴4在轴向上的悬浮控制；相对于传统空气悬浮轴承，由于球面型光滑弧面的特殊设计，能大大增加中央悬浮转轴4的在各个方向上的抗冲击性；其中不仅包括中央悬浮转轴4在轴向、径向悬浮的稳定性，也包括中央悬浮转轴4在其他方向的稳定性。
实施例2：
与实施例1不同的是：如图10所示，两个第三半球面520之间的中央悬浮转轴4上还固定套设有连接固定环521的钢制圆管524；钢制圆管524上设有6个分别电磁线圈组件512对应的永磁体525。
实施例3：
如图11所示，中央悬浮转轴4端部设有空气压缩蜗壳6；空气压缩蜗壳6包括设置在壳体1上的蜗壳本体60，固定在中央悬浮转轴4端部且位于蜗壳本体60内部的压缩涡扇61，设置在压缩涡扇61与蜗壳本体60内壁之间的检测组件62；
检测组件62包括用于检测中央悬浮转轴4轴线位移的第一传感器，以及用于检测径向位移的第二传感器。
第一球形气流通道、第二球形气流通道内设有贴片式压力传感器。
壳体1上设有风冷散热窗10。
其中，贴片式压力传感器、第一传感器、第二传感器均与控制柜电性连接，且具体的产品型号本领域内工作人员可根据需要进行选择。
实施例4：
其中，第一半球面5130、第二半球面516以及第三半球面520均采用耐磨合金；具体为高速工具钢。

Claims (10)

1.一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，包括与外界环境固定的壳体(1)，通过卡槽固定设置在所述壳体(1)内的定子(2)，活动设置在所述定子(2)中心的转子(3)，贯穿所述转子(3)中心的中央悬浮转轴(4)，以及设置在所述壳体(1)内用于使中央悬浮转轴(4)悬浮的悬浮单元；
所述悬浮单元包括两个分别设置在所述定子(2)两侧且与中央悬浮转轴(4)活动连接的复合悬浮轴承(5)；
所述复合悬浮轴承(5)包括与壳体(1)内壁固定连接的外围圆形支撑结构(50)，固定设置在所述外围圆形支撑结构(50)上的双层球面结构(51)，固定安装在所述中央悬浮转轴(4)上且悬浮于双层球面结构(51)内部的单层球面结构(52)，以及向所述双层球面结构(51)、单层球面结构(52)提供动力的动力模块(53)；
所述外围圆形支撑结构(50)包括与壳体(1)通过卡槽固定的外围圆环(500)，设置在所述外围圆环(500)内部的第一圆环支架(501)，以及设置在外围圆环(500)内部且位于所述第一圆环支架(501)两侧的第二圆环支架(502)；所述外围圆环(500)、第一圆环支架(501)以及第二圆环支架(502)轴心线重合；
所述双层球面结构(51)包括设置在所述第一圆环支架(501)上的内层球面结构，以及设置在所述第二圆环支架(502)上且位于所述内层球面结构外围的外层球面结构；
所述内层球面结构包括固定在所述第一圆环支架(501)中心的第一环形气道(510)，固定设置在所述第一环形气道(510)内部中心的固定圆盘(511)，多组以所述固定圆盘(511)中心轴线为中心均匀安装在固定圆盘(511)上的电磁线圈组件(512)，设置在所述第一环形气道(510)与固定圆盘(511)连接处的内层球面(513)，以及设置在均匀设置在所述第一环形气道(510)两侧向内层球面(513)注入空气的气流喷嘴(514)；
所述内层球面(513)包括两个关于第一环形气道(510)对称设置的第一半球面(5130)；
所述外层球面结构包括两个固定在第二圆环支架(502)上且关于环形气道(510)对称的外围保护壳(515)，设置在所述外围保护壳(515)内的第二半球面(516)，以及两组分别环绕在所述外围保护壳(515)外圈且与第二半球面(516)连接的第二环形气道(517)；
所述单层球面结构(52)包括两个分别夹设在所述第一半球面(5130)与第二半球面(516)之间的第三半球面(520)，设置在所述第三半球面(520)中心与中央悬浮转轴(4)连接的固定环(521)；
所述第三半球面(520)与第一半球面(5130)之间的夹层能够形成一端与气流喷嘴(514)连通的第一球形气流通道；所述固定环(521)上设有与第一球形气流通道另一端连通的第一环形排气件(522)；
所述第三半球面(520)与第二半球面(516)之间的夹层能形成一端与第二环形气道(517)连通的第二球形气流通道；所述外围保护壳(515)上设有与第二球形气流通道另一端连通的第二环形排气件(518)。
2.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述第一环形排气件(522)与第二环形排气件(518)轴心线重合且第一环形排气件(522)套设在第二环形排气件(518)内部；
所述第一环形排气件(522)上均匀设置有第一排气圆管(523)；所述第二环形排气件(518)上均匀设置有第二排气圆管(519)。
3.根据权利要求2所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述中央悬浮转轴(4)上套设有与第一环形排气件(522)内壁连接的气流导向件(40)；
所述气流导向件(40)外形为喇叭状且表面均匀设有导流槽；
所述第一排气圆管(523)、第二排气圆管(519)排出的气流经过导流槽。
4.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，两个所述第三半球面(520)之间的中央悬浮转轴(4)上还固定套设有连接固定环(521)的钢制圆管(524)；所述钢制圆管(524)上设有多个分别电磁线圈组件(512)对应的永磁体(525)。
5.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述第二环形气道(517)上均匀分布有多个与第二球形气流通道连通的气流连接管(5170)。
6.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述动力模块(53)包括用于向第一环形气道(510)、第二环形气道(517)提供气流的充气装置，以及与电磁线圈组件(512)电性连接的电源控制装置。
7.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述中央悬浮转轴(4)端部设有空气压缩蜗壳(6)；所述空气压缩蜗壳(6)包括设置在所述壳体(1)上的蜗壳本体(60)，固定在所述中央悬浮转轴(4)端部且位于蜗壳本体(60)内部的压缩涡扇(61)，设置在所述压缩涡扇(61)与蜗壳本体(60)内壁之间的检测组件(62)；
所述检测组件(62)包括用于检测中央悬浮转轴(4)轴线位移的第一传感器，以及用于检测径向位移的第二传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述第一球形气流通道、第二球形气流通道内设有贴片式压力传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述壳体(1)上设有风冷散热窗(10)。
10.根据权利要求1所述的一种基于水平轴磁悬浮的纯无油空气悬浮压缩机，其特征在于，所述第一半球面(5130)、第二半球面(516)以及第三半球面(520)均采用耐磨合金层。
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