CN201818658U - 近场超声悬浮轴承系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种近场超声悬浮轴承系统，该近场超声悬浮轴承包括环形陶瓷片、碗形定子、转轴、皮带轮以及传动电机，转轴位于碗形定子内部，在碗形定子低端设置有环形陶瓷片。在环形陶瓷片上施加两相异相位电压可激发出碗形定子内表面的行波，转轴在此行波的作用下与碗形定子保持非接触状态且可高速旋转，可作为驱动源；在环形陶瓷片上施加两相且同相位电压或单相电压，可激发出碗形定子内表面的驻波，此激励状态下，碗形定子只为轴承提供径向及轴向悬浮力，不提供旋转的动力。本实用新型与现有技术相比，本实用新型结构更加紧凑，摩擦干扰力矩小，大幅减小轴承磨损，同时增加轴承使用寿命等优点。

Description

近场超声悬浮轴承系统
技术领域
本实用新型涉及一种悬浮轴承，具体涉及一种近场超声悬浮轴承系统。
背景技术
轴承是机械产品中不可或缺的重要零部件，在机械产品设计中占有重要地位，并且已被广泛地应用于生产实践中的各个领域。目前的轴承主要分为两大类，滚动轴承和滑动轴承。从润滑方式上讲，可分为液体、半液体、固体和气体几大类，此外还有磁悬浮等一些特殊类型的轴承。这些轴承都各具特点，应用在不同的领域当中。
以超声振动利用为特征的压电超声技术近年来得到快速发展，超声波的生成与转换变得容易且结构简单，而声悬浮技术和声悬浮理论在不断完善，超声波振动具有减摩与悬浮的能力，这已经被研究所证实。现有技术：唐方圆.凹柱面支撑超声波悬浮轴承设计与实验研究,吉林大学硕士学位论文[D].吉林:2009年6月.此篇文献中采用了两个夹心式换能器，一个用于对轴系的径向悬浮支撑，另一个用于轴系的单向轴向定位，从而实现对轴系的悬浮支撑。不足之处，当轴转速达到一定值后出现力或力偶的不平衡使轴发生抖动而失稳。                                    
实用新型内容
本实用新型提出了一种结构简单的近场超声悬浮轴承系统。
一种近场超声悬浮轴承系统，安装于转轴上，其特征在于：该系统由第一环形压电陶瓷片、第一碗形定子、轴承、皮带、传动电机、第二环形压电陶瓷片、第二碗形定子、皮带轮组成；其中皮带轮安装于转轴中间，并与第一球形结构、第二球形结构、皮带、传动电机构成皮带轮传动系统；转轴两端分别固连有第一球型结构、第二球形结构；第一碗形定子和第二碗形定子分别固连在转轴两端的球型结构上，第一环形压电陶瓷片和第二环形压电陶瓷片分别粘贴在第一碗形定子和第二碗形定子的表面；上述第一环形压电陶瓷片和第二环形压电陶瓷片结构相同，分成10个分区，弧长及极化方向依次为：                                               +、
Figure 334099DEST_PATH_IMAGE002
-、
Figure 125338DEST_PATH_IMAGE002
+、
Figure 20131DEST_PATH_IMAGE002
-、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
未极化、
Figure 580426DEST_PATH_IMAGE002
+、
Figure 352073DEST_PATH_IMAGE002
-、
Figure 115760DEST_PATH_IMAGE004
未极化、
Figure 60583DEST_PATH_IMAGE004
+、
Figure 413067DEST_PATH_IMAGE004
未极化，其中第一至第四分区构成A相极化区，第六、七分区构成B相极化区，第九分区构成用来提供频率自动跟踪控制反馈信号的孤级区。
上述近场超声悬浮轴承的电激励方式 ，其特征在于驱动方式分为两种：第一种方式，在陶瓷片的A相和B相极化区依次接入两相同相位的电压信号，激励碗形定子产生沿内表面的驻波，此驱动方式只为轴承提供径向和轴向悬浮力，使其沿径向和轴向悬浮和定位；第二种方式，在陶瓷片的A相和B相极化区依次接入两相相位相差90度的电压信号，激励碗形定子产生沿内表面的行波，此驱动方式除了为轴承提供径向和轴向悬浮力，而且还可以为轴承提供旋转的驱动力。 
本实用新型与现有技术相比，本实用新型结构更加紧凑，加工和装配都易于实现较高的精度，且提高了轴承抗动平衡能力，同时更便于安装和应用。此轴承与外界没有任何机械接触，不存在传统的接触式轴承产生的固体间的摩擦力，有效避免摩擦带来的轴承损耗，轴承寿命得到大幅度提高。
附图说明
图1是超声悬浮轴承的结构示意图；
图2是本实用新型超声悬浮轴承的结构示意图；
图3是碗形定子B（0，4）模态图；
图4是碗形定子B（0，4）模态的临近模态图；
图5是碗形定子的压电陶瓷的极化和配置方式图；
其中标号名称：1、第一环形压电陶瓷片，2、第一碗形定子，3、轴承，4、皮带，5、传动电机，6、第二环形压电陶瓷片，7、第二碗形定子，8、第二球形结构，9、皮带轮，10、第一球形结构。
具体实施方式
本实用新型近场超声悬浮轴承，是基于压电陶瓷的逆压电效应制成的，其结构参考图2，包括：左右环形压电陶瓷片6、1，左右碗形定子7、2，轴承3，皮带4，传动电机5，左右球形结构8、10，皮带轮9，在碗形定子7、2低端粘贴有环形陶瓷片6、1。
本实用新型是基于压电陶瓷片的逆压电效应，即通过外加电信号，使压电陶瓷产生机械变形，从而使碗形定子产生超声波振动，并将其传播到空气介质中，为轴承提供径向及轴向悬浮力。压电陶瓷的逆压电效应可激发出碗形定子的B(0,4)阶弯曲振动模态,即0节圆、沿圆周4波长的振动形式，圆筒定子振动模态的选择可以多样，主要根据自己设计的尺寸和要求碗形定子内表面产生的振幅最大来选择。近场超声悬浮轴承主要由环形压电陶瓷片1和6、碗形定子2和7、轴承3等三部分组成。图2是本实用新型的具体结构示意图，由图可知，超声悬浮轴承的碗形定子2和7，将环形压电陶瓷片1和6（每片共10分区）粘贴于碗形定子2和7，环形压电陶瓷片1和6极化及配置方式见图5。行波产生机理见如下：
对碗形定子陶瓷施加交变电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为A相振型对应的固有频率,从而激发出B（0，4）的驻波（也可能存在其他振动成分，但由于激振频率与固有频率相同，该模态的振动是主要的），其表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
                              （1.1）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为驻波的振幅，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为A相激励电压与圆筒振动响应的相位差（与定子的阻尼有关）。
由于碗形定子是轴对称结构，存在与A相振型在空间上相差1/4波长的正交振型（该振型不妨称之为B相振型）的波峰处也粘贴一片压电陶瓷片，此波峰处恰恰是A相振型的节线处，因此当对B相陶瓷片施加交变电压，由于B相陶瓷片的位置处于A相振型的节点处，对A相振型的激发没有影响，同时A相陶瓷片也位于B相振型的节点处，对B相振型的激发也没有影响，所以B相的驻波被激发，其振动位移函数为
                           （1.2）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为驻波的振幅，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为A相激励电压与圆筒振动响应的相位差。
利用线性波的叠加原理，两个驻波叠加为如下振动
Figure DEST_PATH_IMAGE024
  （1.3）
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，即两相驻波的振幅相同，激励电压与圆筒振动响应的相位差也相同，那么根据两相电压相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE030
值的不同，振动的形式也各不同：
1.当，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
                （1.4）
上式为一行波。
2.当
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
             （1.5）
此时也是行波，但传播方向与1相反。
3.当
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
           （1.6）
碗形定子内表面只有驻波，不形成行波。
这样，按上述的方式布置压电陶瓷，当按照第一种驱动方式接入电压信号，可在碗形定子中激发出两相空间相位差为90度的驻波，但不能合成出行波，因此此激励方式可激发出碗形定子的B（0，4）模态的驻波；若采用单相电压驱动，同样可激发出碗形定子的B（0，4）模态的驻波，只是声场强度与悬浮刚度不如上者。具体工作状态可根据实际要求灵活选择。此时在碗形定子2和6的内表面产生的驻波，在近声场作用下为轴承3提供轴向及径向悬浮力，从而碗形定子2和6与轴承3保持非接触状态，在驱动电机4经皮带轮3带动下，轴承可实现高速非接触旋转。      
当按照第二种驱动方式接入电压信号，可在碗形定子内表面沿其周向形成两个时间上相差90度，空间上相差
Figure 604882DEST_PATH_IMAGE004
的驻波，进而两驻波合成一行波。若要使行波的方向改变，只需改变或交换两输入信号。这样，碗形定子2和7内表面行波产生的同时，在近声场作用下对轴承3提供径向及轴向定位并提供旋转动力, 轴承沿行波的传播方向转动，并与碗形定子2和7保持非接触状态，从而使轴承3由于摩擦带来的损耗大幅降低，提高了轴承的使用寿命。
为激发出碗形定子2和7的B（0，4）模态的行波，采用了如附图5的压电陶瓷分区方式。可以发现，总有一个波长的分区是不起激振作用的，为充分利用压电陶瓷，将陶瓷片分成10个分区，其中A相和B相分别有4个分区和2个分区，在A，B两相极化区中间留有
Figure DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure DEST_PATH_IMAGE046
的区域，其中常把正向极化的区域用来提供频率自动跟踪控制的反馈信号，称为孤极，参见图5。

Claims (1)

1.一种近场超声悬浮轴承系统，安装于转轴（3）上，其特征在于：
该系统由第一环形压电陶瓷片（1）、第一碗形定子（2）、轴承（3）、皮带（4）、传动电机（5）、第二环形压电陶瓷片（6）、第二碗形定子（7）、皮带轮（9）组成；
其中皮带轮（9）安装于转轴（3）中间，并与第一球形结构（10）、第二球形结构（8）、皮带（4）、传动电机（5）构成皮带轮传动系统；
转轴两端分别固连有第一球型结构（10）、第二球形结构（8）；第一碗形定子（2）和第二碗形定子（7）分别固连在转轴两端的球型结构上，第一环形压电陶瓷片（1）和第二环形压电陶瓷片（6）分别粘贴在第一碗形定子（2）和第二碗形定子（7）的表面；
上述第一环形压电陶瓷片（1）和第二环形压电陶瓷片（6） 结构相同，分成10个分区，弧长及极化方向依次为：                                                +、
Figure 594687DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 588051DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 155430DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 892442DEST_PATH_IMAGE002
未极化、
Figure 478144DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 907988DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 962663DEST_PATH_IMAGE002
未极化、+、
Figure 943574DEST_PATH_IMAGE002
未极化，其中第一至第四分区构成A相极化区，第六、七分区构成B相极化区，第九分区构成用来提供频率自动跟踪控制反馈信号的孤级区。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101976990A (zh) * 2010-10-25 2011-02-16 南京航空航天大学 近场超声悬浮轴承系统及其电激励方式
CN106499730A (zh) * 2016-11-15 2017-03-15 常州工学院 一种磁悬浮轴承系统短暂失控后能实现再悬浮的控制方法

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