CN1300486C - 一种旋转机械转子的电涡流阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明的旋转机械转子的电涡流阻尼装置是基于导体在磁场中运动时会产生与运动导体速度成正比的电涡流力的原理上。它主要包括同轴线套置在转子上的环形磁体和环形导体，环形磁体的表面沿周向环绕有线圈，两者之间留有间隙，其中之一与机壳固定，使两者间存在非旋转的相对运动。当线圈通电后，在环形磁体和环形导体之间的径向间隙就建立了环形磁场，当可动部件在磁场中运动时就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈中的电流，就可以方便地改变作用在可动部件上的阻尼力，达到减少转子系统的振动，提高转子系统稳定性的目的。该电涡流阻尼装置结构简单、使用方便、控制简单，可广泛用于各类旋转机械转子系统中。

Description

一种旋转机械转子的电涡流阻尼装置

技术领域

本发明涉及旋转机械转子的阻尼装置，尤其是旋转机械转子的电涡流阻尼装置。

背景技术

旋转机械是现代大工业的关键设备之一，高速旋转的转子是其核心部件。转子系统的振动和稳定性问题，一直是困惑工程技术人员，妨碍产品性能、可靠性及使用寿命的一个重要因素。因此，减小转子系统的振动和改善系统的稳定性有着重要的意义。

支承在滚动轴承或滑动轴承上的高速转子，由于外界干扰或自激，当转子系统的阻尼不足时不仅会出现大的振动而且还会出现不稳定，为了给转子系统增加必要的阻尼，通常采用弹性阻尼支承结构。目前使用的弹性阻尼支承可以分为流体介质型和电磁型两类，前者如各类可控或不可控的挤压油膜阻尼器、变刚度支承、弹性阻尼支承等；后者主要为电磁轴承、电磁阻尼器或盘型电涡流阻尼器等。这些弹性阻尼支承虽然能够在一定的情况下满足一定转子系统稳定工作的要求，但也各有不足之处。流体介质型弹性阻尼支承由于流体介质的存在，所以在一些特殊情况下，如高温、真空、低温等，难以使用；另外流体介质型弹性阻尼支承结构的位置比较固定，必须与转子的支承结构联合使用，还存在着密封、结构的工作参数选择较为困难等一系列问题，所以使用不方便。电磁轴承或电磁阻尼器是电磁型弹性阻尼支承结构的代表，能够借助于外界提供的能源人为的使转子系统的动力特性尽可能最优地满足转子在不同工作状态及受到不同激扰作用下对转子系统特性的要求，使之具有良好的减振效果。但是电磁轴承要在转轴上附加一个铁芯，极大的限制了它的最大工作转速，电磁轴承的体积和重量也较大；此外电磁轴承需要复杂的控制器和大功率的放大器，所以目前的电磁轴承或电磁阻尼器的外设大、成本高、系统的可靠性低，特别是对主动控制中的许多问题还没有得到清楚的认识。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便、控制简单的用于各类旋转机械转子的电涡流阻尼装置。

本发明的用于各类旋转机械转子的电涡流阻尼装置是基于导体在磁场中运动时会产生与运动导体速度成正比的电涡流力的原理上。其技术解决方案有以下三种：

方案1

旋转机械转子的电涡流阻尼装置，包括自内向外依次同轴线套置在转子上的环形磁体、隔磁环和机壳，环形磁体与转子之间留有间隙，环形磁体的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈。

方案2

旋转机械转子的电涡流阻尼装置，包括自内向外依次同轴线套置在转子上的轴承、环形磁体、环形导体和机壳，其中，轴承的内圈与转子紧固，轴承的外圈与环形磁体的内圆紧固，环形磁体的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈，环形导体与机壳紧固，环形磁体与环形导体之间留有间隙，在机壳上固定有支撑件，支撑件与环形磁体之间连接有弹性件。

方案3

旋转机械转子的电涡流阻尼装置，包括自内向外依次同轴线套置在转子上的轴承、环形导体、环形磁体、隔磁环和机壳，其中，轴承的内圈与转子紧固，轴承的外圈与环形导体的内圆紧固，环形磁体与隔磁环和机壳紧固成一体，环形磁体的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈，环形磁体与环形导体之间留有间隙，在机壳上固定有支撑件，支撑件与环形导体之间连接有弹性件。

本发明的优点：

(1)结构简单体积小、无需流体介质、适用范围广，可以用在诸如航天飞机主发动机中的低温涡轮泵的转子系统、高温转子系统以及不需要流体介质的特殊转子系统上；

(2)安置位置灵活，不仅可以与轴上阻尼器或轴承的结构结合在一起安置在支承位置，也可以安置在转子上的任意非工作段，如密封位置等。

(3)该阻尼装置不仅可以单独使用，也可以与传统的挤压油膜阻尼器、O形圈阻尼器或金属橡胶阻尼器的结构结合使用，不仅可以进一步地提高其本身的动力特性，而且也可以改善传统的挤压油膜阻尼器、O形圈阻尼器或金属橡胶阻尼器的动力特性；

(4)该阻尼装置能够为转子系统只提供阻尼，而对转子系统的刚度并不产生任何影响，该阻尼装置的动力特性可控、系统的响应时间短，便于对转子系统的振动进行主动控制；

(5)该阻尼装置工作时所需要的功率较小，电源容易实行。

附图说明

图1是本发明方案1的一种具体结构示意图；

图2是本发明方案2的一种具体结构示意图；

图3是本发明方案3的一种具体结构示意图；

图4是鼠笼式弹性支承示意图；

图5是图2实例在不同电流条件下转子系统在非旋转条件下的频响函数曲线，其中，图a为低频段频响函数曲线，图b为高频段频响函数曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明的用于旋转机械的电涡流阻尼装置包括自内向外依次同轴线套置在转子6上的环形磁体2、隔磁环10和机壳1，环形磁体2与转子6之间留有间隙，转子6在间隙中运动，环形磁体2的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈3。环形磁体2可以为整体结构，为便于加工，也可采用由L型截面的环形磁体12和环形面磁体11组成。机壳1可以是导磁材料，也可以是隔磁的非导磁材料，当机壳1为非导磁材料时，则环形磁体2可以直接固定在机壳1上，否则需通过隔磁环10固定在机壳1上。

当线圈通电后，在环形磁体和转子之间的径向间隙中就形成图中7所示的环形磁场。当转子在磁场中运动时就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈中的电流，就可以方便地改变作用在可动部件转子上的阻尼力。转子系统上外阻尼力的增大和控制，可以提高转子支承系统的动力学特性，达到减少转子系统的振动，提高转子系统稳定性的目的。

设计时，环形磁体与转子径向间隙的选择应以在线圈中施加较小的电流就可以在径向间隙中产生所需的磁场强度以及在转子的运行过程中不至于使环形磁体与转子相碰为准则。环形磁体两端工作段的轴向长度应以使该工作面上不出现磁饱和为准。

图2所示的旋转机械的电涡流阻尼装置是与常见的弹性支承联合形成的无流体介质的一种弹性阻尼结构，它包括自内向外依次同轴线套置在转子6上的轴承5、环形磁体2、环形导体4和机壳1，其中，轴承5的内圈与转子6紧固，轴承5的外圈与环形磁体2的内圆紧固，在环形磁体2的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈3，环形导体4与机壳1紧固，环形磁体2与环形导体4之间留有间隙，两者之间存在着非旋转的相对运动。在机壳1上固定有支撑件9，支撑件9与环形磁体2之间连接有弹性件8，图例中，弹性件8采用的是弹性杆，或者也可以用图4所示的鼠笼式弹性支承。环形磁体2可以为整体结构，也可以由L型截面的环形磁体和环形面磁体组成。所说的轴承5可以是滚动轴承或滑动轴承。

当线圈中通电后，在环形磁体和环形导体之间的径向间隙间就形成图中7所示的环形磁场，由于弹性支承结构的存在，环形磁体只能随转子涡动而并不旋转。当环形磁体在这个磁场中出现径向的相对运动时，在环形磁体上就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈中的电流，就可以方便地改变作用在可动部件上的阻尼力。转子系统上外阻尼力的增大和可控可以提高转子支承系统的动力学特性，达到减少转子系统的振动，提高转子系统稳定性的目的。

设计时，环形导体的长度稍大于环形磁体的长度，环形磁体与环形导体间的径向间隙以及环形磁体两端工作段的轴向长度的选择与图1实施例的方法相同。

图3所示的旋转机械的电涡流阻尼装置是另一种与常见的弹性支承联合形成的无流体介质的弹性阻尼结构，它包括自内向外依次同轴线套置在转子6上的轴承5、环形导体4、环形磁体2、隔磁环10和机壳1，其中，轴承5的内圈与转子6紧固，轴承5的外圈与环形导体4的内圆紧固，环形磁体2与隔磁环10和机壳1紧固成一体，环形磁体2的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈3，环形磁体2与环形导体4之间留有间隙，两者之间存在着非旋转的相对运动。在机壳1上固定有支撑件9，支撑件9与环形导体4之间连接有弹性件8，同样，弹性件8可以是弹性杆，或者也可以用图4所示的鼠笼式弹性支承。环形磁体2可以为整体结构，也可以由L型截面的环形磁体12和环形面磁体11组成。所说的轴承5可以是滚动轴承或滑动轴承。机壳1可以是导磁材料，也可以是隔磁的非导磁材料，当机壳1为非导磁材料时，则环形磁体2可以直接固定在机壳上，否则需通过隔磁环10固定在机壳1上。

当线圈中通电后，在环形磁体和环形导体之间的径向间隙间就形成图中7所示的环形磁场，由于弹性支承结构的存在，环形导体只能随转子涡动而并不旋转。当环形导体在这个磁场中出现径向的相对运动时，在环形导体上就产生了与其运动速度成比例的阻尼力。通过控制线圈中的电流，就可以方便地改变作用在可动部件上的阻尼力。转子系统上外阻尼力的增大和可控可以提高转子支承系统的动力学特性，达到减少转子系统的振动，提高转子系统稳定性的目的。

如果希望得到大的阻尼力，也可以在由环形导体4与环形磁体2之间的径向工作间隙中注入流体、设置O形圈或金属橡胶，这样不仅可以进一步地提高其本身的动力特性，而且也可以改善传统的挤压油膜阻尼器、O形圈阻尼器或金属橡胶阻尼器的动力特性并可以使整个阻尼结构的动力特性可控。

上述图2、图3实例中，弹性支承结构中的弹性件8可以是图示的拉杆，也可以采用弹性环或图4所示的鼠笼式弹性支承。

图5为图2的旋转机械的电涡流阻尼装置，在无油状态下测得的非旋转状态下不同电流对某单悬臂盘转子系统水平方向不同频率段的频响函数曲线的影响(图a为低频段，图b为高频段，图中箭头表示电流依次增大的方向)。无论是在低频段还是在高频段，响应曲线上峰值的迅速减小表明了阻尼装置使转子系统的阻尼明显增大；响应曲线上峰值向低转速方向移动表明环形磁体与环形导体之间存在一个负刚度的弹性力。可见通过改变线圈中的电流，能够明显地改变阻尼结构的动力特性。转子系统上外阻尼力的可控可以提高转子支承系统的动力学特性，达到控制转子系统的振动，提高转子系统稳定性的目的。

Claims (10)

1.旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是包括自内向外依次同轴线套置在转子(6)上的环形磁体(2)、隔磁环(10)和机壳(1)，环形磁体(2)的内圆与转子(6)的外圆之间留有间隙，环形磁体(2)的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈(3)。

2.根据权利要求1所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是环形磁体(2)由L型截面的环形磁体(12)和环形面磁体(11)组成。

3.根据权利要求1所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征在于机壳(1)是由导磁材料或隔磁的非导磁材料制成。

4.旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是包括自内向外依次同轴线套置在转子(6)上的轴承(5)、环形磁体(2)、环形导体(4)和机壳(1)，其中，轴承(5)的内圈与转子(6)紧固，轴承(5)的外圈与环形磁体(2)的内圆紧固，环形磁体(2)的外圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈(3)，环形导体(4)与机壳(1)紧固，环形磁体(2)与环形导体(4)之间留有间隙，在机壳(1)上固定有支撑件(9)，支撑件(9)与环形磁体(2)之间连接有弹性件(8)。

5.根据权利要求4所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是环形磁体(2)是由L型截面的环形磁体(12)和环形面磁体(11)组成。

6.根据权利要求4所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是所说的弹性件(8)是弹性杆或弹性环或鼠笼式弹性支承。

7.旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是包括自内向外依次同轴线套置在转子(6)上的轴承(5)、环形导体(4)、环形磁体(2)、隔磁环(10)和机壳(1)，其中，轴承(5)的内圈与转子(6)紧固，轴承(5)的外圈与环形导体(4)的内圆紧固，环形磁体(2)与隔磁环(10)和机壳(1)紧固成一体，环形磁体(2)的内圆表面沿周向设有凹槽，凹槽内具有环绕凹槽绕制的线圈(3)，环形磁体(2)与环形导体(4)之间留有间隙，在机壳(1)上固定有支撑件(9)，支撑件(9)与环形导体(4)之间连接有弹性件(8)。

8.根据权利要求7所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是环形磁体(2)由L型截面的环形磁体(12)和环形面磁体(11)组成。

9.根据权利要求7所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征在于机壳(1)是由导磁材料或是隔磁的非导磁材料制成。

10.根据权利要求7所述的旋转机械转子的电涡流阻尼装置，其特征是所说的弹性件(8)是弹性杆或弹性环或鼠笼式弹性支承。

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