CN113864336B - 径向磁悬浮轴承、电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种径向磁悬浮轴承、电机，其中的径向磁悬浮轴承，包括轴承定子组件以及连接于轴承定子组件的至少一个轴向端面的端板，轴承定子组件包括铁芯支撑环，铁芯支撑环具有沿其径向向内延伸的多个第一支撑柱，端板具有与多个第一支撑柱分别一一对应的第二支撑柱，第一支撑柱的自由端与第二支撑柱的自由端之间夹设有滚动体，滚动体部分凸出于第一支撑柱及第二支撑柱的自由端的径向内侧面。根据本发明，采用集成于磁悬浮轴承内的滚动体在实现径向磁悬浮功能的同时还具备悬浮失稳的保护作用，减少了对电子转子的轴长占据空间，电机转子的轴承可以被设计的更短，提升转轴的动力学性能。

Description

径向磁悬浮轴承、电机
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承制造技术领域，具体涉及一种径向磁悬浮轴承、电机。
背景技术
磁悬浮轴承具有无机械接触、不需润滑、临界转速高、使用寿命长及可靠性高等特点，被广泛应用于高速、超高速领域。
磁悬浮轴承系统运行过程中经常发生悬浮失稳情况，严重的时候轴承转子失去控制，发生严重碰撞，造成系统结构损坏；为了防止磁悬浮轴承转子失稳时与定子形成直接接触，通常会在磁悬浮轴承附近设置辅助轴承，高速旋转的轴承转子发生失稳时会落在辅助轴承上，形成结构保护机制。目前的辅助轴承虽然满足保护作用，但结构设置集成度低，转子长度受限制，转子动力学性能无法提高。
具体的，现有的磁悬浮径向磁悬浮轴承与辅助轴承相互独立，其大致结构如原有技术图5所示，包含传感器1、辅助轴承2、轴承定子3、轴承转子4，传感器1、辅助轴承2和轴承定子3轴向并列设置，轴承定子3提供径向悬浮力给轴承转子4，当轴承转子失稳时，转轴直接落在辅助轴承2上，避免高速旋转的轴承转子4与轴承定子发生直接接触，造成结构破坏，但这种结构中辅助轴承与径向磁轴承独立布置，转子长度较长，转子动力学性能受限。
发明内容
因此，本发明提供一种径向磁悬浮轴承、电机，能够克服相关技术中辅助保护轴承与径向磁悬浮轴承彼此独立设置，导致转子长度较大、动力学性能受限的不足。
为了解决上述问题，本发明提供一种径向磁悬浮轴承，包括轴承定子组件以及连接于所述轴承定子组件的至少一个轴向端面的端板，所述轴承定子组件包括铁芯支撑环，所述铁芯支撑环具有沿其径向向内延伸的多个第一支撑柱，所述端板具有与多个所述第一支撑柱分别一一对应的第二支撑柱，所述第一支撑柱的自由端与所述第二支撑柱的自由端之间夹设有滚动体，所述滚动体部分凸出于所述第一支撑柱及第二支撑柱的自由端的径向内侧面。
在一些实施方式中，所述第一支撑柱的自由端朝向所述第二支撑柱的一侧设有第一容纳槽，所述第二支撑柱的自由端朝向所述第一支撑柱的一侧设有第二容纳槽，所述第一容纳槽与所述第二容纳槽共同形成对所述滚动体的夹持。
在一些实施方式中，所述第一容纳槽的中心位置设有第一分隔柱和/或所述第二容纳槽的中心位置设有第二分隔柱，所述滚动体具有多个，多个所述滚动体环绕所述第一分隔柱和/或第二分隔柱设置。
在一些实施方式中，所述端板采用自润滑材料制作；或者，所述第一容纳槽和/或第二容纳槽的槽壁上具有自润滑涂层；或者，所述滚动体采用自润滑材料制作。
在一些实施方式中，所述第一支撑柱具有沿所述铁芯支撑环的径向延伸的静压气流通道，所述静压气流通道与外部压力气源可控地连通。
在一些实施方式中，所述端板上构造有沿其轴向贯通的第一通孔，所述铁芯支撑环上构造有沿其轴向贯通的第二通孔，所述静压气流通道通过所述第二通孔、第一通孔与所述外部压力气源可控地连通。
在一些实施方式中，所述轴承定子组件包括多个径向铁芯分体，在所述铁芯支撑环的周向上，相邻的两个第一支撑柱之间构成第一铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体分别一一对应地装设于多个所述第一铁芯安装槽内，所述径向铁芯分体包括磁轭以及处于所述磁轭的内环壁上的至少两个磁极，每个所述磁极上分别套装有径向绕组。
在一些实施方式中，在所述端板的周向上，相邻的两个所述第二支撑柱之间构成第二铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体的轴向端部分别一一对应地装设于多个所述第二铁芯安装槽内。
在一些实施方式中，所述径向铁芯分体的外圆周壁与所述铁芯支撑环的内环壁之间过盈配合连接、焊接或者粘接；和/或，所述径向铁芯分体的外圆周壁与所述铁芯支撑环的内环壁之间过盈配合连接、焊接或者粘接。
在一些实施方式中，所述第一铁芯安装槽内，所述径向绕组、径向铁芯分体之外的区域皆填充有密封件；和/或，所述第二铁芯安装槽内，所述径向绕组、径向铁芯分体之外的区域皆填充有密封件。
本发明还提供一种电机，包括上述的径向磁悬浮轴承。
在一些实施方式中，所述电机还包括机壳，当所述径向磁悬浮轴承的端板上具有第一通孔、铁芯支撑环上具有第二通孔及静压气流通道时，所述机壳内构造有与所述第一通孔连通的进气道。
本发明提供的一种径向磁悬浮轴承、电机，通过在所述第一支撑柱与所述第二支撑柱的自由端之间夹设所述滚动体，实现在磁悬浮轴承磁悬浮失稳时转轴与所述滚动体接触将原有可能的滑动摩擦改变为滚动摩擦，能够对转轴以及磁悬浮轴承的形成保护，也即该技术方案中，采用集成于所述磁悬浮轴承内的滚动体在实现径向磁悬浮功能的同时还具备悬浮失稳的保护作用，减少了对电子转子的轴长占据空间，电机转子的轴承可以被设计的更短，提升转轴的动力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例的径向磁悬浮轴承的分解结构示意图；
图2为图1中的轴承定子组件示意图；
图3为图1中的端板的结构示意图；
图4为本发明实施例的电机的内部结构示意图；
图5为现有技术中的电机内部结构示意图。
附图标记表示为：
91、轴承定子组件；911、铁芯支撑环；9111、第一支撑柱；9112、第一分隔柱；9113、静压气流通道；9114、第二通孔；92、端板；921、第二支撑柱；922、第二分隔柱；923、第一通孔；93、滚动体；94、径向铁芯分体；95、径向绕组；96、密封件；100、机壳；101、进气道；102、电机定子；103、电机转子；104、电机端盖。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供一种径向磁悬浮轴承，包括轴承定子组件91以及连接于所述轴承定子组件91的至少一个轴向端面的端板92，其中，可以理解的是，所述轴承定子组件91内具有相应的径向铁芯以及缠绕于所述径向铁芯的磁极上的径向绕组85，以能够对处于其内的电机转子103形成磁悬浮，所述轴承定子组件91包括铁芯支撑环911，所述铁芯支撑环911具有沿其径向向内延伸的多个第一支撑柱9111，所述端板92具有与多个所述第一支撑柱9111分别一一对应的第二支撑柱921，所述第一支撑柱9111的自由端与所述第二支撑柱921的自由端之间夹设有滚动体93，所述滚动体93部分凸出于所述第一支撑柱9111及第二支撑柱921的自由端的径向内侧面，所述滚动体93例如为常见滚珠即可。该技术方案中，通过在所述第一支撑柱9111与所述第二支撑柱921的自由端之间夹设所述滚动体93，实现在磁悬浮轴承磁悬浮失稳时转轴与所述滚动体93接触将原有可能的滑动摩擦改变为滚动摩擦，能够对转轴以及磁悬浮轴承的形成保护，也即该技术方案中，采用集成于所述磁悬浮轴承内的滚动体93在实现径向磁悬浮功能的同时还具备悬浮失稳的保护作用，减少了对电子转子103的轴长占据空间，电机转子103的轴承可以被设计的更短，提升转轴的动力学性能。
如图1所示出，所述端板92最好的具有两个，两个所述端板92分别连接于所述轴承定子组件91的轴向两端，具体可以采用螺栓连接的方式。
作为一种具体的实施方式，所述第一支撑柱9111的自由端朝向所述第二支撑柱921的一侧设有第一容纳槽，所述第二支撑柱921的自由端朝向所述第一支撑柱9111的一侧设有第二容纳槽，所述第一容纳槽与所述第二容纳槽共同形成对所述滚动体93的夹持，最好的，所述滚动体93在所述第一容纳槽及第二容纳槽内具有多个，从而使滚动分散，提高滚动体93的使用寿命，需要说明的是，为了实现所述滚动体93的自由滚动，其与所述第一容纳槽及第二容纳槽之间皆具有一定的间隙，而这一间隙应以所述滚动体93不从其中脱出为准。在一些实施方式中，所述第一容纳槽的中心位置设有第一分隔柱9112和/或所述第二容纳槽的中心位置设有第二分隔柱922，所述滚动体93具有多个，多个所述滚动体93环绕所述第一分隔柱9112和/或第二分隔柱922设置，此时，凸出于所述第一支撑柱9111的自由端之外的部分滚动体93将在失稳接触的转轴的作用下沿着转轴的旋转方向依次围绕所述第一分隔柱9112(或者第二分隔柱922)顺序滚动，滚动过程更加顺畅，有效防止原位滚动对滚动体93的热积聚带来的损坏，所述第一容纳槽及第二容纳槽在具体形状方面可以为椭圆形或者圆形。最好的，所述端板92采用自润滑材料(例如巴氏合金等)制作；或者至少所述第一容纳槽和/或第二容纳槽的槽壁上具有自润滑涂层；再或者，所述滚动体93采用自润滑材料制作(例如陶瓷等)，以能够保证所述滚动体93的滚动顺畅性。
在一些实施方式中，所述第一支撑柱9111具有沿所述铁芯支撑环911的径向延伸的静压气流通道9113，所述静压气流通道9113与外部压力气源可控地连通，以能够通过所述静压气流通道9113喷出的压力气流对所述电机转子103的转轴形成径向的静压气悬浮，也即此时，所述径向磁悬浮轴承同时具备了磁悬浮、气悬浮以及滚珠保护的多重功能，有效提高磁悬浮旋转设备(例如电机)的使用寿命。
作为一种气流流道的具体设计方式，具体的，所述端板92上构造有沿其轴向贯通的第一通孔923，所述铁芯支撑环911上构造有沿其轴向贯通的第二通孔9114，所述静压气流通道9113通过所述第二通孔9114、第一通孔923与所述外部压力气源可控地连通，在所述端板92上设置轴向延伸的所述第一通孔923，此时可以在电机具有的机壳100内构造与所述第一通孔923连通的进气道101，如图4所示。
在一些实施方式中，所述轴承定子组件91包括多个径向铁芯分体94，在所述铁芯支撑环911的周向上，相邻的两个第一支撑柱9111之间构成第一铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体94分别一一对应地装设于多个所述第一铁芯安装槽内，所述径向铁芯分体94包括磁轭以及处于所述磁轭的内环壁上的至少两个(例如2个)磁极，每个所述磁极上分别套装有径向绕组95。该技术方案中，所述铁芯支撑环911的外圆周壁可以通过机加工的方式保证加工精度进而保证与机壳100的具有的轴承室的装配精度(例如过盈配合)，而所述径向铁芯分体94则无需如现有技术中那样与机壳100装配，仅需要能够过盈连接于所述第一铁芯安装槽内即可，无需特别考虑外圆精度。进一步地，在所述端板92的周向上，相邻的两个所述第二支撑柱921之间构成第二铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体94的轴向端部分别一一对应地装设于多个所述第二铁芯安装槽内，从而能够通过所述径向铁芯分体94对所述端板92的位置实现连接定位。
在一些实施方式中，所述径向铁芯分体94的外圆周壁与所述铁芯支撑环911的内环壁之间过盈配合连接、焊接或者粘接；和/或，所述径向铁芯分体94的外圆周壁与所述铁芯支撑环911的内环壁之间过盈配合连接、焊接或者粘接。
为了保证静压气浮的效果，所述第一铁芯安装槽内，所述径向绕组95、径向铁芯分体94之外的区域皆填充有密封件96；和/或，所述第二铁芯安装槽内，所述径向绕组95、径向铁芯分体94之外的区域皆填充有密封件96，所述密封件96例如可以通过灌注灌封胶的方式形成。
根据本发明的实施例，还提供一种电机，包括上述的径向磁悬浮轴承，具体的，其机壳100内连接有电机定子102以及所述电机转子103，所述机壳100的轴向两端连接有电机端盖104，所述电机转子103的转轴两端则分别能够通过所述径向磁悬浮轴承形成悬浮。
运行原理如下：
径向磁悬浮轴承通电，两个径向磁悬浮轴承将电机转子103(也称转子)的转轴悬浮于轴承内圆中心，此时转子为悬空状态；电机定子102通电，形成高速旋转磁场，电机转子103受到旋转力进行高速旋转运动，当电机转子103受到外界扰动或者自身的离心力超出轴承可控制范围时，电机转子103运行失稳，发生转子跌落故障，本发明提出的双重辅助轴承结构正是在转子跌落时发挥作用；灌封胶将径向铁芯分体94的线圈槽完全密封，铁芯支撑环911的第一支撑柱9111中喷射出的高压气流在径向定子铁芯与转子(转轴)的气隙中形成静压气浮轴承，静压气浮轴承的气隙越小，转子的浮力越大；转子跌落时受到气浮力，很难与径向铁芯分体94的内圆直接接触，从而避免径向铁芯与高速转子摩擦、碰撞造成不可恢复的结构损坏；同理，端板92和铁芯支撑环911内圆(自由端位置)上的滚珠(也即滚动体93)辅助轴承也将发挥同样的作用，当电机转子103跌落时，由于滚珠的存在，高速转子不会直接落到径向铁芯分体94内圆上，高速转子最先和滚珠(402)接触并带动滚珠旋转，滚珠将沿着滚道完成公转，直至电机转子103的动能被完全消耗。
电机长时间运行，普通保护轴承的有效性受到很大挑战，保护轴承失效，电机也就需要检修；设置双重辅助轴承能够有效提升电机的使用寿命。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种径向磁悬浮轴承，其特征在于，包括轴承定子组件(91)以及连接于所述轴承定子组件(91)的至少一个轴向端面的端板(92)，所述轴承定子组件(91)包括铁芯支撑环(911)，所述铁芯支撑环(911)具有沿其径向向内延伸的多个第一支撑柱(9111)，所述端板(92)具有与多个所述第一支撑柱(9111)分别一一对应的第二支撑柱(921)，所述第一支撑柱(9111)的自由端与所述第二支撑柱(921)的自由端之间夹设有滚动体(93)，所述滚动体(93)部分凸出于所述第一支撑柱(9111)及第二支撑柱(921)的自由端的径向内侧面。
2.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一支撑柱(9111)的自由端朝向所述第二支撑柱(921)的一侧设有第一容纳槽，所述第二支撑柱(921)的自由端朝向所述第一支撑柱(9111)的一侧设有第二容纳槽，所述第一容纳槽与所述第二容纳槽共同形成对所述滚动体(93)的夹持。
3.根据权利要求2所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一容纳槽的中心位置设有第一分隔柱(9112)和/或所述第二容纳槽的中心位置设有第二分隔柱(922)，所述滚动体(93)具有多个，多个所述滚动体(93)环绕所述第一分隔柱(9112)和/或第二分隔柱(922)设置。
4.根据权利要求2所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述端板(92)采用自润滑材料制作；或者，所述第一容纳槽和/或第二容纳槽的槽壁上具有自润滑涂层；或者，所述滚动体(93)采用自润滑材料制作。
5.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一支撑柱(9111)具有沿所述铁芯支撑环(911)的径向延伸的静压气流通道(9113)，所述静压气流通道(9113)与外部压力气源可控地连通。
6.根据权利要求5所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述端板(92)上构造有沿其轴向贯通的第一通孔(923)，所述铁芯支撑环(911)上构造有沿其轴向贯通的第二通孔(9114)，所述静压气流通道(9113)通过所述第二通孔(9114)、第一通孔(923)与所述外部压力气源可控地连通。
7.根据权利要求1至6中任一项所述径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴承定子组件(91)包括多个径向铁芯分体(94)，在所述铁芯支撑环(911)的周向上，相邻的两个第一支撑柱(9111)之间构成第一铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体(94)分别一一对应地装设于多个所述第一铁芯安装槽内，所述径向铁芯分体(94)包括磁轭以及处于所述磁轭的内环壁上的至少两个磁极，每个所述磁极上分别套装有径向绕组(95)。
8.根据权利要求7所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，在所述端板(92)的周向上，相邻的两个所述第二支撑柱(921)之间构成第二铁芯安装槽，多个所述径向铁芯分体(94)的轴向端部分别一一对应地装设于多个所述第二铁芯安装槽内。
9.根据权利要求8所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述径向铁芯分体(94)的外圆周壁与所述铁芯支撑环(911)的内环壁之间过盈配合连接、焊接或者粘接。
10.根据权利要求8所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第二铁芯安装槽内，所述径向绕组(95)、径向铁芯分体(94)之外的区域皆填充有密封件(96)。
11.根据权利要求7所述的径向磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一铁芯安装槽内，所述径向绕组(95)、径向铁芯分体(94)之外的区域皆填充有密封件(96)。
12.一种电机，包括权利要求1至11中任一项所述的径向磁悬浮轴承。
13.根据权利要求12所述的电机，其特征在于，还包括机壳(100)，当所述径向磁悬浮轴承的端板(92)上具有第一通孔(923)、铁芯支撑环(911)上具有第二通孔(9114)及静压气流通道(9113)时，所述机壳(100)内构造有与所述第一通孔(923)连通的进气道(101)。
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