CN115800621A - 一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构 - Google Patents

Abstract

一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，通过与上鼠笼弹性支承和上飞轮转子轴过盈配合的圆柱滚子轴承为飞轮转子提供径向支承；通过深沟球轴承和成对角接触轴承为飞轮转子提供径向和轴向的双向支承；通过所述上下鼠笼弹性支承和下鼠笼弹性支承法受拉力，增加鼠笼弹性支承的稳定性。当飞轮转子发生振动时，通过上主控式干摩擦阻尼器中的动摩擦片和的静摩擦片，以及下主控式干摩擦阻尼器中的动摩擦片和的静摩擦片之间的相对滑动产生摩擦力，从而吸收、消耗飞轮转子产生的振动能量，避免单个深沟球轴承承受轴向载荷过大、寿命低的问题，并且当磁轴承失效时，能够保证转子稳定运转。本发明结构简单、成本低、可靠性高。

Description

一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构

技术领域

本发明涉及电能的转换与存储技术领域，具体是一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构。

背景技术

飞轮储能是一种物理储能技术，通过双向电机对电能与动能进行转换，其具有能量密度高、响应快、寿命长、污染低等优点，在能量存储、不间断电源、平滑风电输出等方面具有广阔应用前景。其在真空环境中高速运转，反复的加速和减速，会对转子-支承系统持续造成载荷大小和方向的变化，进而振动问题也更加突出。因此有必要对这种复杂工况的转子承力方案和振动控制进行研究，为飞轮的高可靠、长寿命和稳定运行提供支承，保证转子系统稳定运行。一般采用磁轴承+机械轴承，并采用阻尼器来实现上述目标。

在申请号为201110038546.2的发明创造中公开了一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置。该装置的传力支承中采用止推轴承，下飞轮转子轴下端设有球头，球头位于轴承座顶端凹槽中，轴承所浸没在润滑油中，降低摩擦损耗，在轴承座凹槽和球头表面分别涂有碳化钛膜涂层或者氮化钛膜涂层、或者钛膜涂层、或者金刚石膜涂层进一步延长轴承使用寿命。该发明不足之处在于，飞轮上端无传力支承，为自由端，当受到电机磁偏拉力等扰动时，容易产生大幅振动而导致失稳。并且真空环境中，难以形成全油膜，因此润滑不充分、摩擦损耗偏高。Shuyun Jiang在“Flywheel energy storage system with apermanent magnet bearing and a pair of hybrid ceramic ball bearings[J].《Journal of Mechanical Science and Technology》2014(28):5043-5053.”(DOI:10.1007/s12206-014-1125z)一文中上、下支承轴承均采用混合陶瓷球轴承的传力支承方案，混合陶瓷轴承可承受径向和轴向双向载荷，且转速高，飞轮转子上下端均有支承约束，保证了转子的稳定运转。但混合陶瓷轴承轴向游隙较小、不允许轴向较大移动，当飞轮转子热胀伸长、造成轴承卡死，降低轴承使用寿命。

Xiao-Huan Li在“Nonlinear dynamic characteristics and stabilityanalysis of energy storage flywheel rotor with shape memory allory damper[J].《Journal of Energy Storage》2022(45)”(DIO:10.016/j.est.2021.1033392)一文中采用形状记忆合金阻尼器抑制飞轮转子振动，但形状记忆合金反复工作较慢，无法应对飞轮转子需要快速响应的复杂工况。

在申请号为202021721641的发明创造中公开了一种立式永磁轴承与流体动压轴承支撑飞轮转子系统。该转子系统中，飞轮转子的上支承与下支承均安装了挤压膜阻尼器，对转子的多阶模态均实现了高效率的振动抑制。为降低风阻损耗，飞轮在真空环境中工作，散热较差，挤压膜阻尼器内部液体受温度影响较大，温度高时其粘度下降，减振效果降低。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能有效抑制复杂工况下飞轮转子振动，不能保证飞轮转子长时间稳定运行以及机械轴承寿命低的不足，本发明提出了一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构。

本发明包括上传力支承组件、下传力支承组件、电机/发电机定子线圈和飞轮转子。所述飞轮转子包括上飞轮转子轴、轴向磁轴承、飞轮和下飞轮转子轴。其中：所述上飞轮转子轴的下端面固定在该飞轮的上端面，下飞轮转子轴的上端面固定在该飞轮的下端面；所述上飞轮转子轴、下飞轮转子轴与飞轮三者同轴。所述轴向磁轴承固定在该飞轮上端面的外缘处。由上飞轮转子轴、飞轮和下飞轮转子轴构成了飞轮转子。

其特征在于，所述上传力支承组件位于该上飞轮转子轴的上端，并使该上飞轮转子轴通过圆柱滚子轴承安装在该上传力支承组件中的上鼠笼弹性支承中。所述下传力支承组件位于该下飞轮转子轴的下端，并使该下飞轮转子轴通过深沟球轴承和成对角接触球轴承安装在该下传力支承组件中的下鼠笼弹性支承中。

所述上传力支承组件包括上鼠笼弹性支承、上支座和上主控式弹支干摩擦阻尼器；其中，所述上主控式弹支干摩擦阻尼器包括上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器、上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片、上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片。所述上鼠笼弹性支承位于该上支座内，并使该鼠笼弹性支承的法兰外表面与上支座的大端端面内表面过盈配合；在该上支座小内径端面的外缘处固定有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片与上鼠笼弹性支承下端法兰固连。在所述上支座小端内腔中的圆周上均布有三个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器，并使各所述上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器与该上支座小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。

所述下传力支承组件包括下鼠笼弹性支承、下支座和下主控式弹支干摩擦阻尼器。其中，所述下主控式弹支干摩擦阻尼器包括下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片、下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片、下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器。所述下鼠笼弹性支承位于该下支座内，并使该下鼠笼弹性支承的连接法兰与所述下支座小端端面外缘固连。在该下支座大内径端面的内表面固定有下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。所述下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片与下鼠笼弹性支承下端法兰固连。三个下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器均布在所述的下支座小内径端的腔室中，并使各所述下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器与该下传力支承组件小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。

所述下鼠笼弹性支承、下支座和下主控式弹支干摩擦阻尼器的结构与所述上鼠笼弹性支承、上支座和上主控式弹支干摩擦阻尼器的结构相同。

所述上传力支承组件还包括上端盖、圆柱滚子轴承、上轴端锁紧螺母和圆柱滚子轴承外环锁紧螺母。所述上端盖固定在各上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端面。所述圆柱滚子轴承外环压装在上鼠笼弹性支承下端、并与鼠笼弹性支承的内表面过盈配合，通过圆柱滚子轴承外环锁紧螺母轴向固定，其内环套在该上飞轮转子轴的上端、并与上飞轮转子轴外表面过盈配合，最后通过上轴端锁紧螺母轴向固定。

所述上支座的外圆周表面为阶梯状，其大径端的外圆周有径向凸出的连接法兰；大径端端面的内缘凹槽，该凹槽为安装上鼠笼弹性支承的定位止口。该上支座小径端端面的外缘分布有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的安装孔；所述上支座小径端端面有阶梯状的凹槽，其中大直径的凹槽为安装上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的定位止口，小直径凹槽是为上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器球头预留空间。该上支座小端内腔均布3个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器安装孔，安装孔底部留有作动器球头伸出孔。

所述上鼠笼弹性支承下端有用于连接上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的法兰，并在该法兰的外端面上有用于安装上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的定位止口。所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的内圆周表面为阶梯状。

所述上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片分为法兰边、笼条和摩擦面；该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的外缘为所述法兰边，该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的内缘为所述摩擦面；在该法兰边与摩擦面之间的圆周上均布有扇形的镂空孔，由各相邻镂空孔之间的隔条形成了所述笼条。其中：所述笼条周向的宽度为1.5～2.5mm，径向的长度10～20mm，以满足其轴向弹性设计要求；所述摩擦面的径向长度大于该摩擦面与动摩擦片的径向接触长度；所述摩擦面与动摩擦片的径向接触长度为4～6mm。

所述上轴端锁紧螺母的外径比圆柱滚子轴承内环外径小1mm。所述圆柱滚子轴承外环锁紧螺母下端内径比圆柱滚子轴承外环内径大2mm，上端内径比上轴端锁紧螺母外径大2mm；在该圆柱滚子轴承外环锁紧螺母的内表面有深度为4～6mm的润滑脂储存槽。

所述下传力支承组件还包括深沟球轴承外环锁紧螺母、深沟球轴承、成对角接触轴承、预紧力调节螺母、下轴端锁紧螺母和下端盖。其中，所述深沟球轴承和成对角接触球轴承均压装到下鼠笼弹性支承下端，其中深沟球轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为过盈配合、成对角接触轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为间隙配合。同时套装在位于该下鼠笼弹性支承内的下飞轮转子轴上，并与下飞轮转子轴外表面均采用过盈配合方式，其中该深沟球轴承位于成对角接触球轴承的上方；垫圈套装在该下飞轮转子轴上并位于所述深沟球轴承与成对角接触轴承的内环之间，与下飞轮转子轴外表面间隙配合。在该深沟球轴承的上端有深沟球轴承外环锁紧螺母，用于深沟球轴承的轴向固定。在该成对角接触轴承的下端安装有预紧力调节螺母和下轴端锁紧螺母，其中下轴端锁紧螺母压紧成对角接触轴承内环，保证轴向固定；预紧力调剂螺母压紧成对角接触轴承外环，由于深沟球轴承和成对角接触轴承的内环之间隔有垫圈，使深沟球轴承和成对角接触轴承的外环之间为非接触状态。

在各下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端面分别有下端盖，将下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器固定。所述下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片固定在下支座下端端面；所述下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片固定在下鼠笼弹性支承下端法兰。

所述深沟球轴承外环锁紧螺母下端内径比所述深沟球轴承外环内径大1mm；在该深沟球轴承外环锁紧螺母的内表面有深度为4～6mm润滑脂存储槽；所述深沟球轴承外环锁紧螺母上端的内径比下飞轮转子轴外径大2mm。所述预紧力调节螺母的结构与深沟球轴承外环锁紧螺母的结构相同。所述下轴端锁紧螺母结构与上轴端锁紧螺母相同。

所述成对角接触轴承外环与下鼠笼弹性支承内表面间隙配合，通过调整预紧力调节螺母的锁紧力，使成对角接触球轴承外环产生轴向位移，从而改变成对角接触球轴承的滚子和外环的接触角度，进而调整其轴向承载能力

本发明中，通过与上鼠笼弹性支承和上飞轮转子轴过盈配合的圆柱滚子轴承为飞轮转子提供径向支承。通过所述深沟球轴承和成对角接触轴承为飞轮转子提供径向和轴向的双向支承。通过所述上鼠笼弹性支承和下鼠笼弹性支承法受拉力，增加鼠笼弹性支承的稳定性。当飞轮转子发生振动时，通过上主控式干摩擦阻尼器中的动摩擦片和的静摩擦片，以及下主控式干摩擦阻尼器中的动摩擦片和静摩擦片之间的相对滑动产生摩擦力，而吸收、消耗飞轮转子产生的振动能量。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果为：

1、本发明的支承轴承设计为上支点圆柱滚子轴承、下支点深沟球轴承-成对角接触轴承的形式。圆柱滚子轴承具有径向承载能力大，适用于高速、冲击负荷和重负荷环境。上支承轴承采用圆柱滚子轴承一方面为飞轮转子提供足够径向支承应对飞轮转子复杂工况，另一方面由于其内环可沿轴向移动，能够卸载飞轮转子由于热伸长等所产生的轴向附加载荷，从而保证转子的稳定工作；下支承轴承采用深沟球轴承和成对角接触轴承的混合轴承，深沟球轴承与角接触轴承均可同时承受径向负荷和轴向负荷，能在较高转速下工作。其中角接触轴承一般为成对安装，通过调整轴向预加载荷，改变接触角，接触角越大，轴向承载能力越好，因此考虑轴向预加载荷的调整和安装方便，角接触轴承通常采用内环与轴过盈配合，外环与轴承座间隙配合的安装方式，通过调整其外环锁紧螺母预紧力，改变轴向预加载荷。深沟球轴承内外环均采用过盈配合的方式，保证径向支承的稳定性，与成对角接触轴承组合使用，解决了成对角接触轴承外环间隙配合引入的不连续支承刚度的问题。同时提升下支承轴承的轴向承载能力，避免单个深沟球轴承承受轴向载荷过大、寿命低的问题，而且当磁轴承失效时，保证转子稳定运转。该形式结构简单、成本低、可靠性高。

2、本发明的上传力支承组件中和下传力支承组件中均采用了鼠笼弹性支承，以降低支承刚度。柔性支承设计能够使飞轮转子临界转速低于其工作转速区间，转子通过临界转速、自动定心，保证其在高速下稳定运转；能够降低轴承径向载荷。根据机械原理，滚动轴承内径越大承受径向载荷能力越大。但依据滚动轴承理论，小内径滚动轴承可以显著降低轴承摩擦力矩以减少发热。因此由于径向载荷的降低，可以选择直径更小的轴承、降低摩擦损耗，提高储能效率；可以调整转子系统应变能分布，提高阻尼器位置的应变能占比，提高阻尼器减振效果。鼠笼弹性支承沿周向分布若干弹性条，弹性条为细长结构，其抗拉性能要优于抗压性能，因此采用受拉的安装方式可以增强鼠笼弹性支承工作时的稳定性。

3、本发明的上传力支承组件中和下传力支承组件中均采用了主控式弹支干摩擦阻尼器，各主控式弹支干摩擦阻尼器的动摩擦片与所述鼠笼弹性支承的自由端固连，通过压电陶瓷作动器推动静摩擦片压紧动摩擦片；当该动摩擦片随鼠笼弹性支承一起振动时，动摩擦片与静摩擦片之间相互摩擦，为转子提供阻尼，从而吸收、消耗飞轮转子产生的振动能量，以确保飞轮转子稳定运行；图17是主控式弹支干摩擦阻尼器减振效果对比图，通过对比无阻尼器的减振曲线31和有阻尼器的减振曲线32，可以看出，本发明中在上传力支承组件中和下传力支承组件中采用主控式弹支干摩擦阻尼器，收到了很好的减振效果。同时还降低支承外传力，延长机械轴承使用寿命；上、下支承均设置阻尼器，通过压电陶瓷作动器的控制，可以选择单阻尼器控制方式或双阻尼器的控制方式，以及主动调整控制力的大小，以应对飞轮转子的复杂工况。主控式弹支干摩擦阻尼器具有结构简单、减振效果显著、响应快和易于实现主动控制(主要通过改变动、静摩擦片的正压力实现控制)，不受真空环境约束的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是上传力支承组件结构示意图。

图3是上传力支承组件的装配爆炸图。

图4是上支座剖面图。

图5是上支座俯视图。

图6是上鼠笼弹性支承结构示意图。

图7是上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片结构示意图。

图8是上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片结构示意图。

图9是上轴端锁紧螺母结构示意图。

图10是圆柱滚子轴承外环锁紧螺母俯视图。

图11是圆柱滚子轴承外环锁紧螺母剖面图。

图12是上轴端锁紧螺母和圆柱滚子轴承外环锁紧螺母装配示意图；其中，图12a是主视图，图12b是图12a中A部位的局部放大图。

图13是下传力支承组件的结构示意图。

图14是下传力支承组件的装配爆炸图。

图15是深沟球轴承外环锁紧螺母俯视图。

图16是深沟球轴承外环锁紧螺母剖面图。

图17是主控式弹支干摩擦阻尼器减振效果对比图。

图中：1.上传力支承组件；2.电机/发电机定子线圈；3.上飞轮转子轴；4.轴向磁轴承；5.飞轮；6.下飞轮转子轴；7.下传力支承组件；8.上鼠笼弹性支承；9.上支座；10.上端盖；11.上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器；12.上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；13.上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片；14.圆柱滚子轴承；15.上轴端锁紧螺母；16.圆柱滚子轴承外环锁紧螺母；17.下鼠笼弹性支承；18.下支座；19.深沟球轴承外环锁紧螺母；20.深沟球轴承；21.垫圈；22.成对角接触球轴承；23.预紧力调节螺母；24.下轴端锁紧螺母；25下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片；26下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；27.下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器；28.下端盖；29.上主控式弹支干摩擦阻尼器；30.下主控式弹支干摩擦阻尼器；31.无阻尼器的减振曲线；32.有阻尼器的减振曲线。

具体实施方式

本实施例是一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，包括上传力支承组件1、下传力支承组件7、电机/发电机定子线圈2、和飞轮转子。

所述飞轮转子包括上飞轮转子轴3、轴向磁轴承4、飞轮5和下飞轮转子轴6。其中：所述上飞轮转子轴的下端面固定在该飞轮5的上端面，下飞轮转子轴的上端面固定在该飞轮5的下端面；所述上飞轮转子轴、下飞轮转子轴与飞轮三者同轴。所述轴向磁轴承4固定在该飞轮上端面的外缘处。由上飞轮转子轴3、飞轮5和下飞轮转子轴6构成了飞轮转子。所述电机/发电机定子线圈2为静止部件，按常规方法安装于在飞轮真空保护壳内。上述部件均采用现有技术方案。

所述上传力支承组件1位于该上飞轮转子轴3的上端，并使该上飞轮转子轴通过圆柱滚子轴承14安装在该上传力支承组件中的上鼠笼弹性支承8中。所述下传力支承组件7位于该下飞轮转子轴6的下端，并使该下飞轮转子轴通过深沟球轴承20和成对角接触球轴承22安装在该下支座中的下鼠笼弹性支承17中。

所述上传力支承组件1包括上鼠笼弹性支承8、上支座9、圆柱滚子轴承14、上轴端锁紧螺母15、圆柱滚子轴承外环锁紧螺母16和上主控式弹支干摩擦阻尼器29。

其中，所述上主控式弹支干摩擦阻尼器29包括上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器11、上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片12、上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片13和上端盖10。所述上鼠笼弹性支承8位于该上支座内9，并使该上鼠笼弹性支承的法兰与该上支座的大端端面固连，上鼠笼弹性支承的法兰外表面与上支座的大端端面内表面过盈配合；在该上支座小内径端面的外缘处固定有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片12。所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片13与上鼠笼弹性支承下端法兰固连。在所述上支座小端内腔中的圆周上均布有三个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器11，并使各所述下主控式弹支干摩擦阻尼器的压电陶瓷作动器与该上支座小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。在各上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端安置有上端盖10，将上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器固定。所述圆柱滚子轴承14外环压装在上鼠笼弹性支承下端、并与该上鼠笼弹性支承之内表面过盈配合，通过圆柱滚子轴承外环锁紧螺母16轴向固定，其内环套在该上飞轮转子轴3的上端、并与上飞轮转子轴外表面过盈配合，最后通过上轴端锁紧螺母15轴向固定。

所述上支座9为中空回转体。该上支座的外圆周表面为阶梯状，其大径端的外圆周有径向凸出的连接法兰；大径端端面的内缘凹槽，该凹槽为安装上鼠笼弹性支承8的定位止口。该上支座小径端端面的外缘分布有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片12的安装孔。在该上支座小径端端面有阶梯状的凹槽，其中大直径的凹槽为安装上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的定位止口，小直径凹槽是为上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器球头预留空间。该上支座小端内腔均布3个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器安装孔，安装孔底部留有作动器球头伸出孔。

所述上鼠笼弹性支承8下端有用于连接上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片13的法兰，该法兰的内缘有安装上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的定位止口。所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的内圆周表面为阶梯状。

所述上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片12分为法兰边、笼条和摩擦面；该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的外缘为所述法兰边，该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的内缘为所述摩擦面；在该法兰边与摩擦面之间的圆周上均布有扇形的镂空孔，由各相邻镂空孔之间的隔条形成了所述笼条。其中：所述笼条周向的宽度为1.5～2.5mm，径向的长度10～20mm，以满足其轴向弹性设计要求；所述摩擦面的径向长度大于该摩擦面与动摩擦片的径向接触长度；所述摩擦面与动摩擦片的径向接触长度为4～6mm。在上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器球头的压力下，摩擦面与上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片贴紧。

所述上轴端锁紧螺母15外径小于圆柱滚子轴承14内环外径1mm，内螺纹与上飞轮转子轴3配做，上表面周向均布有凹槽用于拆卸。所述圆柱滚子轴承外环锁紧螺母16下端内径大于圆柱滚子轴承外环内径2mm，上端内径大于上轴端锁紧螺母外径2mm，外螺纹与上鼠笼弹性支承配做，其内部有深度为4～6mm的润滑脂存储槽；表面周向均布有凹槽用于拆卸。

所述上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器11根据减振所需作动器正压力的，在现有技术中选取。所述圆柱滚子轴承14为标准件。

所述下传力支承组件7包括下鼠笼弹性支承17、下支座18、深沟球轴承外环锁紧螺母19、深沟球轴承20、成对角接触轴承22、预紧力调节螺母23、下轴端锁紧螺母24和下主控式弹支干摩擦阻尼器30。

其中，所述下主控式弹支干摩擦阻尼器包括下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片25、下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片26、下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器27和下端盖28。所述下鼠笼弹性支承17位于该下支座18内，并使该下鼠笼弹性支承的连接法兰与所述下支座小端端面固连。所述深沟球轴承20和成对角接触球轴承22均压装到下鼠笼弹性支承17下端，其中深沟球轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为过盈配合、成对角接触轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为间隙配合。同时套装在位于该下鼠笼弹性支承17内的下飞轮转子轴6上，并与下飞轮转子轴外表面均采用过盈配合方式，其中该深沟球轴承20位于成对角接触球轴承22的上方；垫圈21套装在该下飞轮转子轴上并位于所述深沟球轴承与成对角接触轴承的内环之间，与下飞轮转子轴6外表面间隙配合。在该深沟球轴承的上端有深沟球轴承外环锁紧螺母19，用于深沟球轴承的轴向固定。在该成对角接触轴承的下端安装有预紧力调节螺母23和下轴端锁紧螺母24，其中下轴端锁紧螺母压紧成对角接触轴承内环，保证轴向固定；预紧力调剂螺母压紧成对角接触轴承外环，由于深沟球轴承20和成对角接触轴承22的内环之间隔有垫圈21，使深沟球轴承和成对角接触轴承的外环之间为非接触状态；所述成对角接触轴承外环与下鼠笼弹性支承17内表面间隙配合，因此通过调整预紧力调节螺母23的锁紧力，使成对角接触球轴承外环产生轴向位移，从而改变成对角接触球轴承22的滚子和外环的接触角度，进而调整其轴向承载能力。在所述的下支座18小内径端的腔室中均布有三个下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器27，并使各所述下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器与该下传力支承组件小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片。在各下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端面分别有下端盖28，将下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器固定。所述下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片26固定在下支座18下端端面；所述下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片25固定在下鼠笼弹性支承17下端法兰。

所述深沟球轴承外环锁紧螺母19下端内径大于深沟球轴承20外环内径1mm；其内表面有深度为4～6mm的润滑脂存储槽；外螺纹与下鼠笼弹性支承配做，上端外表面均布凹槽用于拆卸的工艺槽；该深沟球轴承外环锁紧螺母上端的内径比下飞轮转子轴6的外径大2mm。

所述预紧力调节螺母23的结构与深沟球轴承外环锁紧螺母的结构相同。所述下轴端锁紧螺母24的结构与上轴端锁紧螺母15的结构相同。

所述下传力支承组件7中的下支座18、下鼠笼弹性支承17和下主控式弹支干摩擦阻尼器结构特征和配合方式与所述上传力支承组件1相同。

所述深沟球轴承20和成对角接触轴承22均采用标准件。

本实施例中，轴向磁轴承4位于飞轮轮毂5的上端面，约承担飞轮转子90％的重力，从而降低机械轴承轴向载荷，延长机械轴承使用寿命，减少摩擦损耗。上传力支承组件1与上飞轮转子轴3连接，并用上轴端锁紧螺母15固定，为飞轮转子提供径向支承。下传力支承组件7与下飞轮转子轴6连接，并用下轴端锁紧螺母24锁紧，为飞轮转子提供径向和轴向双向支承。使用时，按常规方法，将上传力支承组件1、下传力支承组件7、电机/发电机定子线圈2均安装在飞轮真空保护壳内。

在装配所述上传力支承组件时，将所述上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器11安装在上支座的预留腔内，并用上端盖锁紧；上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片12通过螺钉与上支座的下部相连，并通过下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器顶住。圆柱滚子轴承14压装在上鼠笼弹性支承上，与上鼠笼弹性支承过盈配合，并通过圆柱滚子轴承外环锁紧螺母16锁紧。装入所述上飞轮转子轴3的上端，并使该圆柱滚子轴承14与上飞轮转子轴3过盈配合，并通过上轴端螺母15锁紧。为保证鼠笼弹性支承能够承受拉力，上鼠笼弹性支承的连接法兰与上安装座固连。将所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片与上鼠笼弹性支承的法兰连接。至此上传力支承组件安装完毕。

在装配所述下传力支承组件时，将所述下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器装入下支座的预留槽内，并用下端盖锁紧。将所述下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片通过螺钉与下支座下部连接，并通过下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器顶住。所述深沟球轴承和成对角接触轴承均安装在下鼠笼弹性支承与下飞轮转子轴6之间，并通过预紧力调节螺母调节预紧力大小。深沟球轴承的内环与外环均采用过盈配合；成对角接触轴承22的内环与所述下飞轮转子轴6过盈配合，该成对角接触轴承的外环与下鼠笼弹性支承之间间隙配合，同时深沟球轴承位于所述成对角接触轴承的上端，并在该深沟球轴承与所述成对角接触轴承之间有垫圈。所述下鼠笼弹性支承的上端连接法兰与所述下支座的上端固连，使下鼠笼弹性支承承受拉力。下主控式干摩擦阻尼的动摩擦片通过螺钉与下鼠笼弹性支承的下端连接法兰固连。下传力支承组件与下飞轮转子轴通过下轴端锁紧螺母锁紧，至此下传力支承组件安装完毕。

Claims (10)

1.一种立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，包括上传力支承组件(1)、下传力支承组件(7)、电机/发电机定子线圈(2)和飞轮转子；所述飞轮转子包括上飞轮转子轴(3)、轴向磁轴承(4)、飞轮(5)和下飞轮转子轴(6)；其中：所述上飞轮转子轴的下端面固定在该飞轮的上端面，下飞轮转子轴的上端面固定在该飞轮的下端面；所述上飞轮转子轴、下飞轮转子轴与飞轮三者同轴；所述轴向磁轴承固定在该飞轮上端面的外缘处；由上飞轮转子轴、飞轮和下飞轮转子轴构成了飞轮转子；

其特征在于，所述上传力支承组件(1)位于该上飞轮转子轴的上端，并使该上飞轮转子轴通过圆柱滚子轴承(14)安装在该上传力支承组件中的上鼠笼弹性支承(8)中；所述下传力支承组件位于该下飞轮转子轴(6)的下端，并使该下飞轮转子轴通过深沟球轴承(20)和成对角接触球轴承(22)安装在该下传力支承组件中的下鼠笼弹性支承(17)中。

2.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上传力支承组件(1)包括上鼠笼弹性支承(8)、上支座(9)和上主控式弹支干摩擦阻尼器(29)；其中，所述上主控式弹支干摩擦阻尼器包括上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器(11)、上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片(12)、上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片(13)；所述上鼠笼弹性支承位于该上支座(9)内，并使该鼠笼弹性支承的法兰外表面与上支座的大端端面内表面过盈配合；在该上支座小内径端面的外缘处固定有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片与上鼠笼弹性支承下端法兰固连；在所述上支座小端内腔中的圆周上均布有三个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器，并使各所述下主控式弹支干摩擦阻尼器的压电陶瓷作动器与该上支座小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；

所述下传力支承组件包括下鼠笼弹性支承(7)、下支座(18)和三个下主控式弹支干摩擦阻尼器(30)；其中，所述下主控式弹支干摩擦阻尼器包括下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片(25)、下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片(26)、下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器(27)；所述下鼠笼弹性支承位于该下支座内，并使该下鼠笼弹性支承的连接法兰与所述下支座小端端面外缘固连；在该下支座大内径端面的内表面固定有下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；所述下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片与下鼠笼弹性支承下端法兰固连；三个下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器均布在所述的下支座小内径端的腔室中，并使各所述下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器与该下传力支承组件小径端腔室的内表面贴合，作动器的球头伸出内腔，并顶住下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片；

所述下鼠笼弹性支承(17)、下支座(18)和下主控式弹支干摩擦阻尼器(30)的结构与所述上鼠笼弹性支承(8)、上支座(9)和上主控式弹支干摩擦阻尼器(29)的结构相同。

3.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上传力支承组件(1)还包括上端盖(10)、圆柱滚子轴承(14)、上轴端锁紧螺母(15)和圆柱滚子轴承外环锁紧螺母(16)；所述上端盖(10)固定在各上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端面；所述圆柱滚子轴承(14)外环压装在上鼠笼弹性支承下端、并与鼠笼弹性支承的内表面过盈配合，通过圆柱滚子轴承外环锁紧螺母(16)轴向固定，其内环套在该上飞轮转子轴(3)的上端、并与上飞轮转子轴外表面过盈配合，最后通过上轴端锁紧螺母(15)轴向固定。

4.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上支座(9)的外圆周表面为阶梯状，其大径端的外圆周有径向凸出的连接法兰；大径端端面的内缘凹槽，该凹槽为安装上鼠笼弹性支承(8)的定位止口；该上支座小径端端面的外缘分布有上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片(12)的安装孔；；所述上支座小径端端面有阶梯状的凹槽，其中大直径的凹槽为安装上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的定位止口，小直径凹槽是为上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器球头预留空间；该上支座小端内腔均布3个上主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器(11)安装孔，安装孔底部留有作动器球头伸出孔。

5.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上鼠笼弹性支承(8)下端有用于连接上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片(13)的法兰，并在该法兰的外端面上有用于安装上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的定位止口；所述上主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片的内圆周表面为阶梯状。

6.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片(12)分为法兰边、笼条和摩擦面；该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的外缘为所述法兰边，该上主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片的内缘为所述摩擦面；在该法兰边与摩擦面之间的圆周上均布有扇形的镂空孔，由各相邻镂空孔之间的隔条形成了所述笼条；其中：所述笼条周向的宽度为1.5～2.5mm，径向的长度10～20mm，以满足其轴向弹性设计要求；所述摩擦面的径向长度大于该摩擦面与动摩擦片的径向接触长度；所述摩擦面与动摩擦片的径向接触长度为4～6mm。

7.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述上轴端锁紧螺母(15)的外径比圆柱滚子轴承(14)内环外径小1mm；所述圆柱滚子轴承外环锁紧螺母(16)下端内径比圆柱滚子轴承外环内径大2mm，上端内径比上轴端锁紧螺母外径大2mm；在该圆柱滚子轴承外环锁紧螺母的内表面有深度为4～6mm的润滑脂储存槽。

8.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述下传力支承组件(7)还包括深沟球轴承外环锁紧螺母(19)、深沟球轴承(20)、成对角接触轴承(22)、预紧力调节螺母(23)、下轴端锁紧螺母(24)和下端盖28；

所述深沟球轴承(20)和成对角接触球轴承(22)均压装到下鼠笼弹性支承(17)下端，其中深沟球轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为过盈配合、成对角接触轴承外环与鼠笼弹性支承内表面为间隙配合；同时套装在位于该下鼠笼弹性支承(17)内的下飞轮转子轴(6)上，并与下飞轮转子轴外表面均采用过盈配合方式，其中该深沟球轴承(20)位于成对角接触球轴承(22)的上方；垫圈(21)套装在该下飞轮转子轴上并位于所述深沟球轴承与成对角接触轴承的内环之间，与下飞轮转子轴(6)外表面间隙配合；在该深沟球轴承的上端有深沟球轴承外环锁紧螺母(19)，用于深沟球轴承的轴向固定；在该成对角接触轴承的下端安装有预紧力调节螺母(23)和下轴端锁紧螺母(24)，其中下轴端锁紧螺母压紧成对角接触轴承内环，保证轴向固定；预紧力调剂螺母压紧成对角接触轴承外环，由于深沟球轴承(20)和成对角接触轴承(22)的内环之间隔有垫圈(2)1，使深沟球轴承和成对角接触轴承的外环之间为非接触状态；

在各下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器的上端面分别有下端盖28，将下主控式弹支干摩擦阻尼器压电陶瓷作动器固定；所述下主控式弹支干摩擦阻尼器静摩擦片(26)固定在下支座下端端面；所述下主控式弹支干摩擦阻尼器动摩擦片(25)固定在下鼠笼弹性支承(17)下端法兰。

9.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述深沟球轴承外环锁紧螺母(19)下端内径大于深沟球轴承(20)外环内径1mm；在该深沟球轴承外环锁紧螺母的内表面有深度为4～6mm润滑脂存储槽；所述深沟球轴承外环锁紧螺母上端的内径比下飞轮转子轴(6)外径大2mm；所述预紧力调节螺母(23)的结构与深沟球轴承外环锁紧螺母相同；所述下轴端锁紧螺母(24)结构形式与上轴端锁紧螺母(15)相同。

10.如权利要求1所述立式磁悬浮飞轮转子的传力支承机构，其特征在于，所述成对角接触轴承外环与下鼠笼弹性支承(17)内表面间隙配合，通过调整预紧力调节螺母(23)的锁紧力，使成对角接触球轴承外环产生轴向位移，从而改变成对角接触球轴承(22)的滚子和外环的接触角度，进而调整其轴向承载能力。

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