CN117052790A - 一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，主要由壳体、转子、上保护轴承组件、下保护轴承组件组成，上保护轴承组件包括：上保护轴承座、上保护轴承封盖、上保护轴承；下保护轴承组件包括：下保护轴承座、下保护轴承封盖、下下外保护轴承、下上外保护轴承、下上内保护轴承、下下内保护轴承、波形弹簧。本发明结构简单，易于实现，应用于磁悬浮储能飞轮领域，能实现高速磁悬浮转子故障时平稳着陆，防止磁悬浮储能飞轮系统故障时转子跌落造成破坏。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮储能飞轮领域，具体涉及一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，用于防止磁悬浮轴承故障时转子跌落造成破坏。
背景技术
磁悬浮储能飞轮是利用磁轴承将高速转子悬浮起来的装置，具有非接触，无摩擦，长寿命的优点，但磁轴承出现故障时会出现转子跌落现象，故必须有保护轴承装置，目的是在磁悬浮储能系统故障造成转子跌落时临时支撑高速旋转的转子，确保磁悬浮转子及定子不受损坏；传统的保护轴承是在两端加装机械轴承的方式，但对于磁悬浮储能飞轮不能满足要求，第一，由于储能飞轮转子重量大，轴向长度长，且运行过程中温升高，转子温升时长度伸长，导致预定的磁悬浮保护间隙变化，甚至间隙消失；第二，储能转子自身重量和惯量都很大，旋转时储存巨大的能量，跌落到保护轴承上时若无能量吸收装置会出现转子剧烈弹跳；第三，储能转子旋转速度高，而与其配合的保护轴承的内圈处于静止状态，导致接触瞬间加速度过大，轴承内圈转子温升高，会出现卡死，导致保护轴承失效。为解决上述问题，采取了很多办法，传统结构中转子跌落时通过弹性阻尼器来吸收由于转子组件和滚动轴承内圈之间的径向间隙和轴向间隙而产生的冲击能量。但其对弹性体的性能要求很高，转子组件与轴向保护轴承内圈之间有较大的轴向间隙，转子跌落后，会产生较大的冲击，且弹性体刚度较差会导致高速转子震动，安全性无法得到充分保证。例如中国专利申请CN113931935A所述的一种磁悬浮轴承弹性阻尼保护轴承轴向通过碟簧提供弹性阻尼支承，但是碟簧由于其结构特性，致使轴承受力面积较小，且具有很广泛围的非线性特性，容易对轴承造成划痕破坏，需要专门的部件隔开碟簧与轴承。
发明内容
为克服现有技术不足，本发明提供一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，解决现有保护轴承转速提升缓慢问题，可满足高速磁悬浮转子冲击能量的快速性吸收，并改善轴向冲击能量吸收问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：
一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，包括壳体、转子、上保护轴承组件、下保护轴承组件，所述上保护轴承组件包括：上保护轴承座、上保护轴承封盖、上保护轴承、下保护公差环、上保护公差环，上保护轴承组件通过螺钉固定在壳体上；所述下保护轴承组件包括：下保护轴承座、下保护轴承封盖、下下外保护轴承、下上外保护轴承、下下内保护轴承、下上内保护轴承、波形弹簧、保护环、隔环、外隔环、下下公差环、下上公差环，组成下保护轴承组件通过第一螺钉固定在壳体上；上保护轴承组件对转子提供径向保护功能，上保护轴承座通过第二螺钉固定在壳体上，上保护轴承封盖通过第三螺钉固定在上保护轴承座上，上保护公差环、下保护公差环内环安装在上保护轴承外圈，外环安装在上保护轴承座的公差环安装槽内，上保护轴承通过上保护轴承座台阶和上保护轴承封盖端面进行轴向定位，正常情况下内圈和转子无接触；下保护轴承组件对转子提供径向与轴向保护功能，下保护轴承座通过第四螺钉安装在壳体上，下保护轴承盖通过第五螺钉安装在下保护轴承座上，下上外保护轴承外圈和下上公差环配合，下上公差环安装在下保护轴承座的公差环安装槽内，下下外保护轴承外圈和下下公差环配合，下下公差环安装在下保护轴承座的公差环安装槽内，下下外保护轴承的外圈下端面通过波形弹簧安装在下保护轴承封盖上，下上外保护轴承内圈与下下外保护轴承内圈中间安装隔环，外圈中间安装外隔环，下上内保护轴承内圈与下下内保护轴承内圈中间安装保护环，外圈中间安装隔环，下上内保护轴承外圈与下上外保护轴承内圈径向配合安装，下下内保护轴承外圈与下下外保护轴承内圈配合安装。
进一步地，所述保护环由第一半月环和第二半月环扣合在一起组成，材料采用65Mn并淬硬，表面润滑改性处理，依靠其轴向及径向与转子相对应的槽的尺寸给磁悬浮转子提供轴向和径向保护间隙。
进一步地，所述下上外保护轴承、下下外保护轴承、下上内保护轴承、下下内保护轴承都为陶瓷滚动体角接触类滚动轴承，面对面安装，为标准轴承，其中，下上外保护轴承和下下外保护轴承的内圈进行加工出定位台阶，加工后的内孔分别和下上内保护轴承和下下内保护轴承的外圈过渡配合，组成双列滚动体既能承受径向力，又能承受轴向力的组合保护轴承。
进一步地，上保护轴承座安装有上保护公差环和下保护公差环上保护轴承座的轴承孔与上保护轴承之间的间隙为0.2-0.25倍磁间隙，下保护轴承座安装有下下公差环和下上公差环，下保护轴承座轴承安装孔和下上外保护轴承和下下外保护轴承外圈的间隙为0.2-0.25磁间隙。
进一步地，所述上保护轴承为陶瓷球双列角接触球轴承，只参与转子的径向保护而不参与轴向保护。
进一步地，所述转子有一凹槽，转子悬浮时，保护环与转子之间留有径向间隙与轴向间隙，实现转子的径向和轴向保护。
进一步地，所述波形弹簧直接对下下外保护轴承提供轴向约束和阻尼，通过改变波形弹簧的圈数、波峰高度、宽度、厚度的不同组合来周正刚度，波形弹簧的两端有平圈。
本发明与现有类似系统相比，其有益效果为：
本发明方法简单，采用标准的轴承，略微加工改造即可，实现多个角接触球轴承实现内外嵌套安装方式；通过保护环来承受轴向载荷，避免热变形量对保护间隙的影响；保护环和组合轴承起到阻尼作用，同时轴向加装弹性阻尼吸收冲击能量。
附图说明
图1为本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置的剖面示意图；
图2为本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置的三维示意图；
图3为本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置的底部示意图；
图4a，图4b为本发明的保护环的主视图和剖面图；
图5a，图5b为本发明的隔环的主视图和剖面图；
图6为本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置的上保护轴承座示意图；
图7为本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置的下保护轴承座示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-图3所示，本发明的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置主要由壳体1、转子5、上保护轴承组件、下保护轴承组件组成。上保护轴承组件包括：上保护轴承座2、上保护轴承封盖3、上保护轴承4、下保护公差环6、上保护公差环7，上保护轴承组件通过螺钉固定在壳体1上；下保护轴承组件包括：下保护轴承座10、下保护轴承封盖11、下下外保护轴承12、下上外保护轴承13、下下内保护轴承14、下上内保护轴承15、波形弹簧16、保护环17、隔环18、外隔环19、下下公差环20、下上公差环21，下保护轴承组件通过第四螺钉23固定在壳体1上；上保护轴承组件对转子5提供径向保护功能，上保护轴承座2通过第二螺钉9固定在壳体1上，上保护轴承封盖3通过第一螺钉8固定在上保护轴承座2上，上保护公差环7、下保护公差环6内环安装在上保护轴承4外圈，外环安装在上保护轴承座2的公差环安装槽内，上保护轴承4通过上保护轴承座2台阶和上保护轴承封盖3端面进行轴向定位，正常情况下内圈和转子无接触；下保护轴承组件对转子5提供径向与轴向保护功能，下保护轴承座10通过第四螺钉23安装在壳体1上，下保护轴承盖11通过第五螺钉22安装在下保护轴承座10上，下上外保护轴承13外圈和下上公差环21配合，下上公差环21安装在下保护轴承座10的公差环安装槽内，下下外保护轴承12外圈和下下公差环20配合，下下公差环20安装在下保护轴承座10的公差环安装槽内，下下外保护轴承12的外圈下端面通过波形弹簧16安装在下保护轴承封盖11上，下上外保护轴承13内圈与下下外保护轴承12内圈中间安装隔环18，外圈中间安装外隔环19，下上内保护轴承15内圈与下下内保护轴承14内圈中间安装保护环17，外圈中间安装隔环18，下上内保护轴承15外圈与下上外保护轴承13内圈径向配合安装，下下内保护轴承14外圈与下下外保护轴承12内圈配合安装。
图4a，图4b为本发明中保护环17的主视图和剖面图，如图4a所示，为能实现安装，保护环从中间对切形成第一半月环17a和第二半月环17b，如图4b所示，包括下上内保护轴承和下下内保护轴承的第一内圈端面配合安装处1701和第二内圈端面配合安装处1702，第一两个轴承的内圈配合处1705和第二两个轴承的内圈配合处1707，配合类型为小间隙配合，还包括第一保护面1703和第二保护面1704，需要和转子槽面作用，所以需要淬硬处理，且表面进行润滑改性处理。
如图5a，图5b所示，包括与下上内保护轴承的上端面配合的位置1801，与下下内保护轴承的下端面配合的位置1804，与下上外保护轴承的下端面配合的位置1802，与下下外保护轴承的上端面配合的位置1803。
图6为本发明中上保护轴承座2示意图，包括第一安放公差环处201和第二安放公差环处202，起到缓冲作用。公差环允许的弹性变形间隙为磁保护间隙的0.25倍。
图7为本发明中下保护轴承座10的示意图，其包括第三安放公差环处1001和第四安放公差环处1002，公差环允许的变形量为保护间隙的0.25倍。
上述方案的原理是：磁悬浮转子正常工作磁悬浮轴承保护轴承不工作，磁悬浮轴承失效导致转子跌落时，转子上方由上保护轴承组件提供径向支撑，转子下方由下保护轴承组件提供径向和轴向支撑，转子跌落在下保护轴承组件上时，转子5落到保护环17带动保护环17旋转，保护环17带动下上内保护轴承15和下下内保护轴承14的内圈旋转，由于加速度极大，通过滚珠的作用，也带动下上内保护轴承15和下下内保护轴承14的外圈一起旋转，通过隔环18带动下上外保护轴承13和下下外保护轴承12的内圈转动，实现大的加速度，当转子径向冲击时，上保护公差环7、下保护公差环6、下下公差环20、下上公差环21同时吸收径向冲击能量，当压缩到一定程度后，轴承外圈和轴承座接触，起到保护作用，轴向的冲击由波形弹簧16吸收震动能量，当波形弹簧压缩到一定成都后保护轴承和端盖接触，避免转子和保护轴承外的其它物体接触，起到轴向保护作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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。
Claims (7)
1.一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，包括壳体(1)、转子(5)、上保护轴承组件、下保护轴承组件，其特征在于：所述上保护轴承组件包括：上保护轴承座(2)、上保护轴承封盖(3)、上保护轴承(4)、下保护公差环(6)、上保护公差环(7)，上保护轴承组件通过螺钉固定在壳体(1)上；所述下保护轴承组件包括：下保护轴承座(10)、下保护轴承封盖(11)、下下外保护轴承(12)、下上外保护轴承(13)、下下内保护轴承(14)、下上内保护轴承(15)、波形弹簧(16)、保护环(17)、隔环(18)、外隔环(19)、下下公差环(20)、下上公差环(21)，下保护轴承组件通过第一螺钉(23)固定在壳体(1)上；上保护轴承组件对转子(5)提供径向保护功能，上保护轴承座(2)通过第二螺钉(9)固定在壳体(1)上，上保护轴承封盖(3)通过第三螺钉(8)固定在上保护轴承座(2)上，上保护公差环(7)、下保护公差环(6)内环安装在上保护轴承(4)外圈，外环安装在上保护轴承座(2)的公差环安装槽内，上保护轴承(4)通过上保护轴承座(2)台阶和上保护轴承封盖(3)端面进行轴向定位，正常情况下内圈和转子无接触；下保护轴承组件对转子(5)提供径向与轴向保护功能，下保护轴承座(10)通过第四螺钉(23)安装在壳体(1)上，下保护轴承盖(11)通过第五螺钉(22)安装在下保护轴承座(10)上，下上外保护轴承(13)外圈和下上公差环(21)配合，下上公差环(21)安装在下保护轴承座(10)的公差环安装槽内，下下外保护轴承(12)外圈和下下公差环(20)配合，下下公差环(20)安装在下保护轴承座(10)的公差环安装槽内，下下外保护轴承(12)的外圈下端面通过波形弹簧(16)安装在下保护轴承封盖(11)上，下上外保护轴承(13)内圈与下下外保护轴承(12)内圈中间安装隔环(18)，外圈中间安装外隔环(19)，下上内保护轴承(15)内圈与下下内保护轴承(14)内圈中间安装保护环(17)，外圈中间安装隔环(18)，下上内保护轴承(15)外圈与下上外保护轴承(13)内圈径向配合安装，下下内保护轴承(14)外圈与下下外保护轴承(12)内圈配合安装。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：所述保护环(17)由第一半月环(17a)和第二半月环(17b)扣合在一起组成，材料采用65Mn并淬硬，表面润滑改性处理，依靠其轴向及径向与转子相对应的槽的尺寸给磁悬浮转子提供轴向和径向保护间隙。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：下上外保护轴承(13)、下下外保护轴承(12)、下上内保护轴承(15)、下下内保护轴承(14)均为陶瓷滚动体角接触类滚动轴承，面对面安装，为标准轴承，其中，下上外保护轴承(13)和下下外保护轴承(12)的内圈进行加工出定位台阶，加工后的内孔分别和下上内保护轴承(15)和下下内保护轴承(14)的外圈过渡配合，组成双列滚动体既能承受径向力，又能承受轴向力的组合保护轴承。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：上保护轴承座(2)安装有上保护公差环(7)和下保护公差环(6)上保护轴承座(2)的轴承孔与上保护轴承(4)之间的间隙为0.2-0.25倍磁间隙，下保护轴承座(10)安装有下下公差环(20)和下上公差环(21)，下保护轴承座(10)轴承安装孔和下上外保护轴承(13)和下下外保护轴承(12)外圈的间隙为0.2-0.25磁间隙。
5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：上保护轴承(4)为陶瓷球双列角接触球轴承，只参与转子的径向保护而不参与轴向保护。
6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：转子(5)设有一凹槽，转子(5)悬浮时，保护环(17)与转子(5)之间留有径向间隙与轴向间隙，实现转子的径向和轴向保护。
7.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮保护轴承装置，其特征在于：波形弹簧(16)直接对下下外保护轴承(12)提供轴向约束和阻尼，通过改变波形弹簧(16)的圈数、波峰高度、宽度、厚度的不同组合来周正刚度，波形弹簧(16)的两端有平圈。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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