CN115853900A - 一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，由左端盖、径向磁悬浮轴承转子、径向磁悬浮轴承定子线圈、径向磁悬浮轴承外座圈、轴向位移传感器探测环、径轴向传感器总成、径向位移传感器探测环、轴向磁悬浮轴承转子推力盘、轴向磁悬浮轴承定子I、轴向磁悬浮轴承定子II、轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖、辅助保护轴承轴向定位调节套I、辅助保护轴承、辅助保护轴承座、辅助保护轴承轴向定位调节套II、径轴向磁悬浮轴承内轴圈等一系列零部件组成。本发明磁悬浮轴承具有高转速的特点，可以在很大程度上提高电机的工作效率，对传统电机具有升级换代作用，并且寿命长、无污染，符合双碳要求。

Description

一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体是一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承。本发明创新性地将径向传感器、轴向传感器综合成一体式径轴向传感器，将径向主动磁轴承、轴向主动磁轴承和径轴向传感器以及辅助保护轴承综合成一体化式的径轴向主动磁悬浮轴承，可在电机(电动机、发电机和电动发电机)中替代机械轴承。主动磁悬浮轴承是利用控制电流大小来控制电磁极对转子系统吸引力来实现转子的无接触稳定悬浮，最高工作转速为滑动轴承的2.5倍、滚动轴承的5倍，具有高转速的特点，可以在很大程度上提高电机的工作效率，对传统电机具有升级换代作用，并且寿命长、无污染，符合双碳要求。

背景技术

电机(电动机、发电机和电动发电机)是能源动力的核心原动机，无论是在市场需求方面(如离心鼓风机中的电动机)，还是战略需求方面(如航空发动机、燃气轮机中的发电机和飞轮储能装置中的电动发电机)，都有着广阔的应用前景。随着国家对清洁能源的关注，可以预见面向民用领域和军用领域的航空发动机、燃气轮机市场即将打开，其核心动力需求缺口将带来新一轮的工业体系变革，在国际市场与行业变革的双重冲击下，航空发动机和燃气轮机产业也进入了高速发展的“十字路口”。

主动磁悬浮轴承系统可提供无机械接触支承力，没有机械摩擦，完全消除了由此引发的轴承发热和润滑污染问题，使之适用于高速旋转场合，而且主动磁悬浮轴承的支承力在一定范围内可控，可以通过控制策略的调节，对转子施加可变大小的电磁力，从而实现对转子系统振动及稳定性的主动控制，将主动磁悬浮轴承应用到航空发动机、微燃机发电机中不仅可以大幅提高机器的运行效率，而且无接触式磁悬浮轴承可以有效地降低运行中的能耗，同时主动磁悬浮支承系统的可控性使得电机在运行过程中更加稳定，寿命更长，在越过临界转速时更加安全。目前，国内外将磁悬浮轴承应用于航空发动机、微型燃气轮机发电机的研究并不多，将磁悬浮轴承成功应用于航空发动机、微型燃气轮机发电机可为航空发动机、燃气轮机发电机支承技术做出新贡献，填补国内空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，提高电机工作效率，对传统电机具有更新换代作用，并且寿命长，无污染，符合双碳要求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，包括左端盖、外座圈、右端盖和内轴圈。其特征在于：在外座圈内腔左侧装有径向磁悬浮轴承转子和径向磁悬浮轴承定子线圈、右侧装有径轴向传感器总成，而右端盖内装有轴向磁悬浮轴承定子I和轴向磁悬浮轴承定子II，定子I和定子II内含有定子线圈，右端盖右侧连接着一个辅助保护轴承座、辅助保护轴承座内安装有辅助保护轴承；径向磁悬浮轴承转子与轴向磁悬浮轴承定子II之间安装有轴向位移传感器探测环、径向位移传感器探测环、轴向磁悬浮轴承转子推力盘。

所述径向磁悬浮轴承转子是由径向磁悬浮轴承定子线圈产生的可控磁径向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个径向磁悬浮轴承系统，安装在径向磁悬浮轴承外座圈内。所述径轴向传感器总成是把径向传感器和轴向传感器安装在径轴向位移传感器座上并用螺栓固定在径向磁悬浮轴承外座圈内的径向磁悬浮轴承系统右近旁边，组合成为一个径轴向传感器系统，而再右边是轴向磁悬浮轴承系统。所述轴向磁悬浮轴承转子推力盘由轴向磁悬浮轴承定子I和轴向磁悬浮轴承定子II，定子I和定子II内含有定子线圈，产生的可控磁轴向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个轴向磁悬浮轴承系统，安装在轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖内。所述辅助保护轴承是由两套面对面安装的高速角接触球轴承组成径轴向保护轴承系统，其内圈空套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈上，并且外圈安装在辅助保护轴承座内，内圈空套在内轴圈上的径向间隙小于径向磁悬浮轴承定子与其径向磁悬浮轴承转子间的间隙起保护作用，而辅助保护轴承轴向定位调节套I和轴向定位调节套II分别在径轴向保护轴承系统内圈的两边轴向有间隙地过盈固定套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈上，轴向间隙小于轴向磁悬浮轴承与其轴向转子推力盘间的间隙起保护作用，组合成为一个辅助保护轴承系统。所述径向磁悬浮轴承转子、径向位移传感器探测环、轴向位移传感器探测环和轴向磁悬浮轴承转子推力盘与辅助保护轴承轴向定位调节套I和辅助保护轴承轴向定位调节套II一样过盈固定套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈上，组成径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统。所述左端盖、径向磁悬浮轴承外座圈、轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖和辅助保护轴承座用沉头螺栓固定连接在一起，组成径轴向磁悬浮轴承外座圈定子系统。

主机转轴安装在径轴向磁悬浮轴承内轴圈内后，停机静止状态下主机转子系统的重力由成对使用安装在两端的辅助保护轴承承受；工作状态下，安装在径轴向磁悬浮轴承外座圈定子系统中的径向磁悬浮轴承定子线圈、轴向磁悬浮轴承定子I、轴向磁悬浮轴承定子II，定子I和定子II内含有定子线圈，产生的径向和轴向电磁力迅速增加使得径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统立即起浮至初始偏置位置，达到初始位置后支承主机转轴所在的径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统完全悬浮，辅助轴承内圈不再与主机转轴所在的径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统接触，主机转轴的重力和两端叶轮轴向力的平衡差完全由径向磁悬浮轴承定子线圈、轴向磁悬浮轴承定子I、轴向磁悬浮轴承定子II(定子I和定子II内含有定子线圈)和径轴向磁悬浮轴承外座圈定子系统产生的径轴向磁力承担，外力驱动两端叶轮高速旋转带动发电机转子高速旋转而发电。在电机支承系统正常工作时候，因不可知外界过载或断电等突发意外情况发生时，将会导致高速旋转的转子系统跌落，此时为了避免高速转子系统部件与磁悬浮轴承定子和电机定子发生扫膛以及传感器被跌落的转子系统破坏，支承系统应由磁悬浮轴承系统转换为辅助保护轴承系统，需要确保转子系统在跌落的时候落在辅助保护轴承上。针对径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙值(约为0.3mm)，设计辅助轴承的径向保护气隙和轴向保护气隙(均为0.15～0.2mm)小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙值(约为0.3mm)，这样可以避免与磁轴承发生碰撞、扫膛等破坏事件。

附图说明

图1为本发明所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承结构示意图。

图2为本发明所述的径轴向主动磁悬浮轴承三维模型图。

图3为本发明所述的径向主动磁悬浮轴承三维模型图。

图4为本发明所述的轴向主动磁悬浮轴承三维模型图。

图5为本发明所述的径轴向主动磁悬浮轴承传感器三维模型图。

图6为本发明所述的辅助保护轴承三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施进行详细的说明。

实施例一：

参见图1，本适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，包括左端盖1、外座圈4、右端盖11和内轴圈16。其特征在于：在外座圈4内腔左侧装有径向磁悬浮轴承转子2和径向磁悬浮轴承定子线圈3、右侧装有径轴向传感器总成6，而右端盖11内装有轴向磁悬浮轴承定子I9和轴向磁悬浮轴承定子II10，定子I9和定子II10内含有定子线圈，右端盖11右侧连接着一个辅助保护轴承座14、辅助保护轴承座14内安装有辅助保护轴承13；径向磁悬浮轴承转子2与轴向磁悬浮轴承定子II10之间安装有轴向位移传感器探测环5、径向位移传感器探测环7、轴向磁悬浮轴承转子推力盘8。

本实施例适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，提高电机工作效率，对传统电机具有更新换代作用，并且寿命长，无污染，符合双碳要求。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述径向磁悬浮轴承转子2是由径向磁悬浮轴承定子线圈3产生的可控磁径向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个径向磁悬浮轴承系统，安装在外座圈4内。

所述径轴向传感器总成6是把径向传感器6I和轴向传感器6II安装在径轴向位移传感器座6III上并用螺栓固定在径向磁悬浮轴承外座圈4内的径向磁悬浮轴承系统右近旁边，组合成为一个径轴向传感器系统，而再右边是轴向磁悬浮轴承系统。

所述轴向磁悬浮轴承转子推力盘8由轴向磁悬浮轴承定子I9和轴向磁悬浮轴承定子II10产生的可控磁轴向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个轴向磁悬浮轴承系统，安装在右端盖11内。定子I9和定子II10内含有定子线圈。

所述辅助保护轴承13是由两套面对面安装的高速角接触球轴承组成径轴向保护轴承系统，其内圈空套在内轴圈16上，并且外圈安装在辅助保护轴承座14内，内圈空套在内轴圈16上的径向间隙小于径向磁悬浮轴承定子线圈3与其径向磁悬浮轴承转子2间的间隙起保护作用，而辅助保护轴承轴向定位调节套I12和轴向定位调节套II15分别在径轴向保护轴承系统内圈的两边轴向有间隙地过盈固定套在内轴圈16上，辅助保护轴承轴向定位调节套I12和轴向定位调节套II15与径轴向保护轴承系统内圈的轴向间隙小于轴向磁悬浮轴承定子I9和定子II10与其轴向转子推力盘8间的间隙起保护作用，组合成为一个辅助保护轴承系统。

所述径向磁悬浮轴承转子2、轴向位移传感器探测环5、径向位移传感器探测环7和轴向磁悬浮轴承转子推力盘8与辅助保护轴承轴向定位调节套I12和轴向定位调节套II15一样过盈固定套在内轴圈16上，组成径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统。

所述左端盖1、外座圈4、右端盖11和辅助保护轴承座14用沉头螺栓固定连接在一起，组成径轴向磁悬浮轴承外座圈定子座系统。

本实施例将径、轴向传感器综合成一体式径轴向传感器，将径向主动磁轴承、轴向主动磁轴承和径轴向传感器以及辅助保护轴承综合成一体化式的径轴向主动磁悬浮轴承，可在电机(电动机、发电机和电动发电机)中替代机械轴承。主动磁悬浮轴承是利用控制电流大小来控制电磁极对转子系统产生吸引力来实现转子的无接触稳定悬浮，最高工作转速为滑动轴承的2.5倍、滚动轴承的5倍，具有高转速的特点，可以在很大程度上提高电机的工作效率，对传统电机具有升级换代作用，并且寿命长、无污染，符合双碳要求。

实施例三：

参见图1，一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承由左端盖1、径向磁悬浮轴承转子2、径向磁悬浮轴承定子线圈3、径向磁悬浮轴承外座圈4、轴向位移传感器探测环5、径轴向传感器总成6、径向位移传感器探测环7、轴向磁悬浮轴承转子推力盘8、轴向磁悬浮轴承定子I9、轴向磁悬浮轴承定子II10(定子I9和定子II10内含有定子线圈)、轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖11、辅助保护轴承轴向定位调节套I12、辅助保护轴承13、辅助保护轴承座14、辅助保护轴承轴向定位调节套II15、径轴向磁悬浮轴承内轴圈16等一系列零部件组成。

参见附图1至附图6，所述径向磁悬浮轴承转子2是由径向磁悬浮轴承定子线圈3产生的可控磁径向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个径向磁悬浮轴承系统，安装在径向磁悬浮轴承外座圈4内。所述径轴向传感器总成6是把径向传感器6I和轴向传感器6II安装在径轴向位移传感器座6III上并用螺栓固定在径向磁悬浮轴承外座圈4内的径向磁悬浮轴承系统右近旁边，组合成为一个径轴向传感器系统，而再右边是轴向磁悬浮轴承系统。所述轴向磁悬浮轴承转子推力盘8由轴向磁悬浮轴承定子I9和轴向磁悬浮轴承定子II10(定子I9和定子II10内含有定子线圈)产生的可控磁轴向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个轴向磁悬浮轴承系统，安装在轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖11内。所述辅助保护轴承13是由两套面对面安装的高速角接触球轴承组成径轴向保护轴承系统，其内圈空套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈16上，并且外圈安装在辅助保护轴承座14内，内圈空套在内轴圈16上的径向间隙小于径向磁悬浮轴承定子线圈3与其径向磁悬浮轴承转子2间的间隙起保护作用，而辅助保护轴承轴向定位调节套I12和辅助保护轴承轴向定位调节套II15分别在径轴向保护轴承系统内圈的两边轴向有间隙地过盈固定套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈16上，辅助保护轴承轴向定位调节套I12和轴向定位调节套II15与径轴向保护轴承系统内圈的轴向间隙小于轴向磁悬浮轴承定子I9和定子II10与其轴向转子推力盘8间的间隙起保护作用，组合成为一个辅助保护轴承系统。所述径向磁悬浮轴承转子2、轴向位移传感器探测环5、径向位移传感器探测环7和轴向磁悬浮轴承转子推力盘8与辅助保护轴承轴向定位调节套I12和轴向定位调节套II15一样过盈固定套在径轴向磁悬浮轴承内轴圈16上，组成径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统。所述左端盖1、径向磁悬浮轴承外座圈4、轴向磁悬浮轴承外座圈右端盖11和辅助保护轴承座14用沉头螺栓固定连接在一起，组成径轴向磁悬浮轴承外座圈定子座系统。

主机转轴安装在径轴向磁悬浮轴承内轴圈16内后，停机静止状态下主机转子系统的重力由成对使用安装在两端的辅助保护轴承13承受；工作状态下，安装在径轴向磁悬浮轴承外座圈定子系统中的径向磁悬浮轴承定子线圈3、轴向磁悬浮轴承定子I9、轴向磁悬浮轴承定子II10(定子I9和定子II10内含有定子线圈)产生的径向和轴向电磁力迅速增加使得径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统立即起浮至初始偏置位置，达到初始位置后支承主机转轴所在的径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统完全悬浮，辅助轴承内圈不再与主机转轴所在的径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统接触，主机转轴的重力和两端叶轮轴向力的平衡差完全由径向磁悬浮轴承定子3、轴向磁悬浮轴承定子I9、轴向磁悬浮轴承定子II10(定子I9和定子II10内含有定子线圈)和径轴向磁悬浮轴承外座圈定子系统产生的径轴向磁力承担，外力驱动两端叶轮高速旋转带动发电机转子高速旋转而发电。在电机支承系统正常工作时候，因不可知外界过载或断电等突发意外情况发生时，将会导致高速旋转的转子系统跌落，此时为了避免高速转子系统部件与磁悬浮轴承定子和电机定子发生扫膛以及传感器被跌落的转子系统破坏，支承系统应由磁悬浮轴承系统转换为辅助保护轴承系统，需要确保转子系统在跌落的时候落在辅助保护轴承上。针对径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙值(约为0.3mm)，设计辅助轴承的径向保护气隙和轴向保护气隙(均为0.15～0.2mm)小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙值(约为0.3mm)，这样可以避免与磁轴承发生碰撞、扫膛等破坏事件。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，包括左端盖(1)、外座圈(4)、右端盖(11)和内轴圈(16)。其特征在于：在外座圈(4)内腔左侧装有径向磁悬浮轴承转子(2)和径向磁悬浮轴承定子线圈(3)、右侧装有径轴向传感器总成(6)，而右端盖(11)内装有轴向磁悬浮轴承定子I(9)和轴向磁悬浮轴承定子II(10)，定子I9和定子II10内含有定子线圈，右端盖(11)右侧连接着一个辅助保护轴承座(14)，辅助保护轴承座(14)内安装有辅助保护轴承(13)；径向磁悬浮轴承转子(2)与轴向磁悬浮轴承定子II(10)之间安装有轴向位移传感器探测环(5)、径轴向传感器总成(6)、径向位移传感器探测环(7)、轴向磁悬浮轴承转子推力盘(8)。

2.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承转子(2)是由径向磁悬浮轴承定子线圈(3)产生的可控磁径向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，组合成为一个径向磁悬浮轴承系统，安装在外座圈(4)内。

3.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述径轴向传感器总成(6)是把径向传感器和轴向传感器安装在径轴向位移传感器座上并用螺栓固定在外座圈(4)内的径向磁悬浮轴承系统右近旁边，组合成为一个径轴向传感器系统，而再右边是轴向磁悬浮轴承系统。

4.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述轴向磁悬浮轴承转子推力盘(8)由轴向磁悬浮轴承定子I(9)和轴向磁悬浮轴承定子II(10)产生的可控磁轴向吸力而非接触地稳定悬浮支承在一起的，定子I9和定子II10内含有定子线圈，组合成为一个轴向磁悬浮轴承系统，安装在右端盖(11)内。

5.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述辅助保护轴承(13)是由两套面对面安装的高速角接触球轴承组成径轴向保护轴承系统，其内圈空套在内轴圈(16)上，并且外圈安装在辅助保护轴承座(14)内，内圈空套在内轴圈(16)上的径向间隙小于径向磁悬浮轴承定子线圈(3)与其径向磁悬浮轴承转子(2)间的间隙起保护作用，而辅助保护轴承轴向定位调节套I(12)和轴向定位调节套II(15)分别在径轴向保护轴承系统内圈的两边轴向有间隙地过盈固定套在内轴圈(16)上，辅助保护轴承轴向定位调节套I(12)和轴向定位调节套II(15)与径轴向保护轴承系统内圈的轴向间隙小于轴向磁悬浮轴承定子I(9)和定子II(10)与其轴向转子推力盘(8)间的间隙起保护作用，组合成为一个辅助保护轴承系统。

6.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承转子(2)、轴向位移传感器探测环(5)、径向位移传感器探测环(7)和轴向磁悬浮轴承转子推力盘(8)与辅助保护轴承轴向定位调节套I(12)和轴向定位调节套II(15)一样过盈固定套在内轴圈(16)上，组成径轴向磁悬浮轴承内轴圈转子系统。

7.根据权利要求1所述的适用于电机的径轴向主动磁悬浮轴承，其特征在于：所述左端盖(1)、外座圈(4)、右端盖(11)和辅助保护轴承座(14)用沉头螺栓固定连接在一起，组成径轴向磁悬浮轴承外座圈定子座系统。

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