CN216077701U - 一种轴向磁悬浮轴承装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的轴向磁悬浮轴承装置，包括：转子套件、上轴向磁轴承定子套件、下轴向磁轴承定子套件和装配体，所述转子套件包括轴芯和围绕所述轴芯对称设置的轴向推力盘，所述上轴向磁轴承定子套件、所述下轴向磁轴承定子套件和所述装配体以所述轴芯的中心呈中心对称结构，所述上轴向磁轴承定子套件及所述下轴向磁轴承定子套件固定设置于所述装配体的两侧，所述装配体及所述轴向推力盘所在的水平方向一致，所述上轴向磁轴承定子套件包括永磁体，所述永磁体可吸引所述推力盘致使所述轴芯移动，上述轴向磁悬浮轴承装置，以永磁体代替上轴向磁轴承的线圈，轴向推力盘在永磁铁的吸合作用下具有自保持功能，而无需额外耗电，解决了上轴向磁轴承发热严重的问题。

Description

一种轴向磁悬浮轴承装置

技术领域

本实用新型涉及制冷及低温技术领域，特别涉及一种轴向磁悬浮轴承装置。

背景技术

随超流氦在高能物理、核聚变、超导电力等领域的广泛应用，大型超流氦制冷循环系统已成为不可或缺的基础支撑设施。目前国际上普遍采用离心式冷压缩机对液氦存储器中的氦蒸汽进行抽吸降压以大规模产生超流氦。

现有技术中提供了一种技术方案，冷压缩机竖直放置，转子由两个径向电磁悬浮轴承和一个轴向电磁悬浮轴承支撑，转速达50krpm。叶轮和蜗壳处于转子的下端，置于约3K冷箱中。为保证冷压缩机工作效率，理论上叶轮和蜗壳之间的叶顶间隙越小越好，但是考虑到实际加工和装配限制，叶顶间隙一般为0.1-0.2mm。电机和轴承处于转子的上端，置于室温环境。为避免外界环境污染工质，一般对压缩机整机采用较为严格的气动密封措施。然而，磁轴承、电机和转子都属于发热装置，气动密封措施进一步加剧了机内气温的升高。压缩机在正常运行时，位于转子上端，轴承附近的温度接近340K。转子下端处于极低温环境，转子跨越温区达340K。材料的热胀冷缩为冷压缩机的顺利启停、甚至正常运行带来一些问题。

其中最为显著的一个问题是，冷压缩机在正常停机后，处于冷箱中的蜗壳继续保持极低温度，而转子复温较快，和转子连接的叶轮由于热膨胀会和蜗壳冻结在一起，不仅影响冷压缩机的正常复工，甚至会对叶轮和蜗壳造成不可逆损伤。

此外，对于竖直放置的磁悬浮旋转机械，为抵消转子重力，同时保证轴向磁轴承的推力盘处于气隙的中间位置，一般采用如下两种方式：(1)上、下轴向磁轴承结构对称，上轴向磁轴承的电流大于下轴向磁轴承；(2)轴向磁轴承采用非对称结构形式：上轴向磁轴承的结构尺寸，如线圈绕组匝数、磁极面积等大于下轴向磁轴承。无论采用哪种方式，为抵消转子重力，上轴向磁轴承都要比下轴向磁轴承产生更多的热量。对于极低温制冷系统而言，发热是一个敏感且严重的问题。

为避免磁轴承产热，在冷压缩机停机后需要关闭其电源，转子在重力作用下，落在辅助轴承上，使得叶轮和蜗壳的间隙更小。由于转子上部分处于室温区，和转子连接的叶轮复温较快，而蜗壳复温较慢，导致叶轮和蜗壳冻结在一起，不仅影响冷压缩机的正常复工，甚至会对叶轮和蜗壳造成不可逆损伤。

实用新型内容

鉴于此，有必要提供一种能有效避免叶轮和蜗壳接触、且发热较少的冷压缩机用停机防护的轴向磁悬浮轴承装置。

为解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型提供了一种轴向磁悬浮轴承装置，包括：转子套件、上轴向磁轴承定子套件、下轴向磁轴承定子套件和装配体，所述转子套件包括轴芯和围绕所述轴芯对称设置的轴向推力盘，所述上轴向磁轴承定子套件、所述下轴向磁轴承定子套件和所述装配体以所述轴芯的中心呈中心对称结构，所述上轴向磁轴承定子套件及所述下轴向磁轴承定子套件固定设置于所述装配体的两侧，所述装配体及所述轴向推力盘所在的水平方向一致，所述上轴向磁轴承定子套件包括永磁体，所述永磁体可吸引所述推力盘致使所述轴芯移动。

在其中一些实施例中，所述轴芯为阶梯型轴，采用非铁磁材料，所述轴向推力盘呈环形，采用导磁材料。

在其中一些实施例中，所述轴芯和所述轴向推力盘以过盈的方式装配。

在其中一些实施例中，所述上轴向磁轴承套件还包括上轴向磁轴承压盖和上轴向磁轴承支架，所述上轴向磁轴承压盖和所述上轴向磁轴承支架固定于所述装配体上。

在其中一些实施例中，所述上轴向磁轴承压盖、所述上轴向磁轴承支架及所述装配体形成第一空腔，所述第一空腔内安装有所述永磁体。

在其中一些实施例中，所述永磁体镶嵌于所述上轴向磁轴承压盖或者所述上轴向磁轴承支架中。

在其中一些实施例中，所述上轴向磁轴承压盖和上轴向磁轴承支架采用非导磁材料，所述上轴向磁轴承支架底面和轴向推力盘平面平行且正对。在其中一些实施例中，所述上轴向磁轴承套件中可绕制导电线圈进行差动控制或为无导线线圈进行单边控制，当所述上轴向磁轴承套件中有导电线圈，所述永磁体的磁场方向应和所述导电线圈产生的磁感线切线方向一致。

在其中一些实施例中，所述下轴向磁轴承套件包括下轴向磁轴承支架、导电线圈和绝缘挡板，所述下轴向磁轴承支架固定于所述装配体上，所述下轴向磁轴承支架中间部分形成第二空腔，所述第二空腔安装有所述导电线圈，所述绝缘挡板为灌封胶，如双组分环氧树脂胶，用于固定导线线圈。

在其中一些实施例中，所述下轴向磁轴承压盖和下轴向磁轴承支架采用导磁材料，所述下轴向磁轴承压盖和下轴向磁轴承支架形成第二两环状磁极，所述第二两环状磁极的磁极平面和所述轴向推力盘的平面平行且正对。

在其中一些实施例中，所述装配体采用非导磁材料。

采用上述技术方案，本实用新型实现的技术效果如下：

本实用新型提供的轴向磁悬浮轴承装置，包括：转子套件、上轴向磁轴承定子套件、下轴向磁轴承定子套件和装配体，所述转子套件包括轴芯和围绕所述轴心对称设置的轴向推力盘，所述上轴向磁轴承定子套件、所述下轴向磁轴承定子套件和所述装配体以所述轴芯的中心呈中心对称结构，所述上轴向磁轴承定子套件及所述下轴向磁轴承定子套件固定设置于所述装配体的两侧，所述装配体及所述轴向推力盘所在的水平方向一致，所述上轴向磁轴承定子套件包括永磁体，所述永磁体可吸引所述推力盘致使所述轴芯移动，本实用新型提供的轴向磁悬浮轴承装置，以永磁体代替上轴向磁轴承的线圈，轴向推力盘在永磁铁的吸合作用下具有自保持功能，而无需额外耗电，解决了上轴向磁轴承发热严重的问题；冷压缩机在停机时，永磁体会吸引推力盘致使转子上移，为叶轮和蜗壳留有足量的气隙，避免了因热膨胀导致叶轮和蜗壳的冻结，而且此时轴向磁轴承处于关闭状态，能有效避免产热和节省能源。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的轴向磁悬浮轴承装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

请参阅图1，为本实用新型实施例提供的轴向磁悬浮轴承装置的结构示意图，包括：转子套件110、上轴向磁轴承定子套件120、下轴向磁轴承定子套件 130和装配体4。以下详细说明各个部件之间的连接关系。

所述转子套件110包括轴芯31和围绕所述轴芯31对称设置的轴向推力盘 32。

在其中一些实施例中，所述轴芯31为阶梯型轴，采用非铁磁材料，如40Cr， 304，316；所述轴向推力盘32呈环形，采用导磁材料，如40CrNiMOA，或滚铬15。

进一步地，所述轴芯31和所述轴向推力盘32以过盈的方式装配，结构简单、对中性好、承载能力大、对轴心的强度削弱小。

所述上轴向磁轴承定子套件120、所述下轴向磁轴承定子套件130和所述装配体4以所述轴芯31的中心呈中心对称结构。所述上轴向磁轴承定子套件 120及所述下轴向磁轴承定子套件130固定设置于所述装配体4的两侧，所述装配体4及所述轴向推力盘32所在的水平方向一致，所述上轴向磁轴承定子套件120包括永磁体13，所述永磁体13可吸引所述轴向推力盘32致使所述轴芯 31移动。

可以理解，轴向推力盘32在永磁体13的吸合作用下具有自保持功能，而无需额外耗电，解决了上轴向磁轴承发热严重的问题。

进一步地，所述上轴向磁轴承套件120还包括上轴向磁轴承压盖11和上轴向磁轴承支架12，所述上轴向磁轴承压盖11和所述上轴向磁轴承支架12固定于所述装配体4上，且，所述上轴向磁轴承支架12的底面和轴向推力盘平面 32平行且正对。

在其中一些实施例中，所述上轴向磁轴承压盖11、所述上轴向磁轴承支架12及所述装配体4形成第一空腔，所述第一空腔内安装有所述永磁体13。

在其中一些实施例中，所述永磁体13镶嵌于所述上轴向磁轴承压盖11或者所述上轴向磁轴承支架12中。

进一步地，所述上轴向磁轴承压盖11和上轴向磁轴承支架12采用导磁材料，如304，或316。

可以理解，永磁体13是上轴向磁轴承的最重要的部件，在转子落于最下端时，即上轴向磁轴承的第一两环状磁极的磁极平面和轴向推力盘32在距离最远的情况下，永磁体13对轴向推力盘32产生的磁力大于转子重力，这样可以保证轴向磁轴承在关闭电源时，无论处于任何位置的转子都能被上轴向磁轴承的磁力吸引到上端，此时，叶轮和蜗壳也得以拉开距离，以免因热收缩变形不一致而冻结在一起；上述上轴向磁轴承不仅可以是永磁铁，也可以是永磁体和电控制混合的磁悬浮轴承。

进一步地，所述上轴向磁轴承套件120中可绕制导电线圈进行差动控制或为无导线线圈进行单边控制，当所述上轴向磁轴承套件120中有导电线圈，所述永磁体13的磁感线方向应和所述导电线圈产生的磁感线方向一致。

可以理解，无论上轴向磁轴承套件120中有无线圈，都可以保证冷压缩机开机时转子稳定。当上轴向磁轴承套件120中有线圈时，采用差动控制方式悬浮转子；当上轴向磁轴承套件120中没有线圈时，采用的是单端控制方式。

在其中一些实施例中，所述下轴向磁轴承套件130包括下轴向磁轴承支架 21、导电线圈23和绝缘挡板22。

具体地，所述下轴向磁轴承支架21固定于所述装配体4上，所述下轴向磁轴承支架21及所述装配体4中间部分形成第二空腔，所述第二空腔安装有所述导电线圈23，所述下轴向磁轴承支架21底面和所述轴向推力盘32的平面平行且正对。

所述绝缘挡板22为灌封胶，如双组分环氧树脂胶，用于固定导电线圈22。

进一步地，下轴向磁轴承支架21采用非导磁材料，如纯铁，或者40CrNiMoA，所述下轴向磁轴承压盖和下轴向磁轴承支架形成第一两环状磁极，所述第一两环状磁极的磁极平面和所述轴向推力盘的平面平行且正对。

可以理解，下轴向磁轴承的主要起着冷压缩机开机时悬浮和稳定转子的作用。当冷压缩机开机时，将会给下轴向磁轴承的线圈通电，下轴向磁轴承可根据轴向推力盘32的位置计算所需要的控制电流，从而产生电磁力，电磁力和转子的重力大于上轴向磁轴承和轴向推力盘32之间的磁力，此时，转子推力盘 32和上轴向磁轴承拉开距离，并在上轴向磁轴承的主动控制作用下，最终稳定平衡与原设定的偏置位置；上述下轴向磁轴承不仅可以是电磁轴承，也可以是加入永磁铁的混合磁悬浮轴承。

在其中一些实施例中，所述装配体4采用非导磁材料制成，如304，316 用于固定上轴向磁轴承定子套件120和下轴向磁轴承定子套件130。

本实用新型提供的轴向磁悬浮轴承装置，以永磁体代替上轴向磁轴承的线圈，轴向推力盘在永磁铁的吸合作用下具有自保持功能，而无需额外耗电，解决了上轴向磁轴承发热严重的问题；冷压缩机在停机时，永磁体会吸引推力盘致使转子上移，为叶轮和蜗壳留有足量的气隙，避免了因热膨胀导致叶轮和蜗壳的冻结，而且此时轴向磁轴承处于关闭状态，能有效避免产热和节省能源。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，包括：转子套件、上轴向磁轴承定子套件、下轴向磁轴承定子套件和装配体，所述转子套件包括轴芯和围绕所述轴芯对称设置的轴向推力盘，所述上轴向磁轴承定子套件、所述下轴向磁轴承定子套件和所述装配体以所述轴芯的中心呈中心对称结构，所述上轴向磁轴承定子套件及所述下轴向磁轴承定子套件固定设置于所述装配体的两侧，所述装配体及所述轴向推力盘所在的水平方向一致，所述上轴向磁轴承定子套件包括永磁体，所述永磁体可吸引所述轴向推力盘致使所述转子套件移动。

2.如权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述轴芯为阶梯型轴，采用非铁磁材料，所述轴向推力盘呈环形，采用高强度导磁材料。

3.如权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述轴芯和所述轴向推力盘以过盈的方式装配。

4.如权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述上轴向磁轴承套件还包括上轴向磁轴承压盖和上轴向磁轴承支架，所述上轴向磁轴承压盖和所述上轴向磁轴承支架固定于所述装配体上，所述上轴向磁轴承支架底面和轴向推力盘平面平行且正对。

5.如权利要求4所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述上轴向磁轴承压盖、所述上轴向磁轴承支架及所述装配体形成第一空腔，所述第一空腔内安装有所述永磁体。

6.如权利要求4所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述永磁体镶嵌于所述上轴向磁轴承压盖或者所述上轴向磁轴承支架中。

7.如权利要求4所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述上轴向磁轴承压盖和上轴向磁轴承支架采用非导磁材料。

8.如权利要求4所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述上轴向磁轴承套件中可绕制导电线圈进行差动控制或为无导线线圈进行单边控制，当所述上轴向磁轴承套件中有导电线圈，所述永磁体的磁场方向应和所述导电线圈产生的磁感线的切线方向一致。

9.如权利要求1所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述下轴向磁轴承套件包括下轴向磁轴承和支架、导电线圈和绝缘挡板，所述下轴向磁轴承支架固定于所述装配体上，所述下轴向磁轴承支架中间部分形成第二空腔，所述第二空腔安装有所述导电线圈，所述绝缘挡板用于固定所述导电线圈。

10.如权利要求9所述的轴向磁悬浮轴承装置，其特征在于，所述下轴向磁轴承支架采用导磁材料，所述下轴向磁轴承压盖和下轴向磁轴承支架形成第一两环状磁极，所述第一两环状磁极的磁极平面和所述轴向推力盘的平面平行且正对。

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