一种磁气混合轴承制造技术

本发明专利技术提供一种磁气混合轴承，属于轴承技术领域。该轴承可实现磁轴承和气体轴承硬件结构的统一。在磁轴承线圈通电时，属于磁轴承工作模式，主要用于转轴的启停和过载时的辅助支承。转子系统启动达到设定工作转速时，逐步降低甚至直至取消磁轴承的工作负荷，轴承运转于气体轴承模式。由于磁轴承工作气隙通常远大于气体轴承，本发明专利技术利用磁轴承提供很小的等效约束力，使得转轴在磁轴承的气隙条件下，获得纯气体轴承的支承特性，大幅度降低轴承能耗，提高轴承稳定性和旋转精度。气体轴承可以是纯动压轴承，简化混合轴承结构。本发明专利技术可降低磁气混合轴承制造成本和安装同心度要求，获得优异的轴承综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磁气混合轴承
本专利技术涉及轴承
，特别是指一种简单有效的磁气混合轴承。
技术介绍
工业中旋转部件对转速的要求越来越高，例如在获得低温和能量回收的透平膨胀机中，一般转子转速大于104r/min，在这种高转速下，油润滑轴承很难达到设备的运转要求。目前，能满足这一要求的有气体轴承和电磁轴承。气体轴承是以气体为润滑介质，在轴与轴承之间形成压力气膜支撑，从而避免转子和定子直接接触的理想支承元件。气体轴承具有高转速、高精度、无污染、摩擦磨损小、回转精度高等优点。气体轴承可分为静压气体轴承和动压气体轴承，其中静压气体轴承需要外部气源，而动压气体轴承由气体动压效应产生支承力，结构简单，但启停阶段由于动压效应未形成，安全性差，轴颈轴瓦之间存在摩擦磨损，加速轴瓦涂层剥落，削减轴承使用寿命，因此不适合用于频繁启动的场合。电磁轴承通过给定子线圈通电，产生可变化的电磁力，实现转子的悬浮和稳定旋转。电磁轴承具有无摩擦磨损、无需润滑、高速度、高精度、动态特性可调节等优点。但电磁轴承需要消耗一定的电能，对于低温高速透平机械，电耗会大量产热，造成转子温升，并通过转子轴向导热影响到冷端，进而影响制冷效率。相对于气体轴承，磁轴承的旋转精度低，不利于提高透平膨胀机叶轮和机壳密封装置之间的精度，不利于提高叶轮效率，但由于气隙较大，高速旋转下的空气摩擦损耗小于气体轴承。若将电磁轴承和动压气体轴承结合起来，充分利用各自优点克服对方缺点，将得到更优异的综合性能。首先，在转子启停及低速运转阶段由电磁轴承支承，解决了动压气体轴承在启停和低速阶段轴瓦的摩擦磨损问题，延长了轴承的使用寿命。其次，当转子达到气浮转速后，由气体轴承承担大部分或全部载荷，可以降低电磁轴承功耗和产热。此外，采用磁气混合支承可以增加轴承阻尼，降低转子系统振动幅度，提高系统工作转速以及旋转精度，提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。目前磁气混合技术在结构上主要分为两类：(1)磁轴承和气体轴承的并排结构；(2)磁轴承和气体轴承的嵌套结构。US6,353,273B1专利采用嵌套结构，将箔片气体轴承安装在电磁轴承的气隙中，并提出根据转速变化调节电磁轴承和箔片气体轴承的载荷分配方法，根据转速修改控制参数，随着转速的提高，降低电磁轴承的支承力；随着转速降低，增加电磁轴承支承力。US6,965,181B1专利进一步提出在嵌套式的磁气混合轴承中，特定转速或特定状态下，可以根据检测的物理量(力、磁通量、温度、加速度载荷)来分配磁轴承和气体轴承的载荷。然而，两个专利均存在转子旋转精度低的问题。例如US6,965,181B1，在转速为15000rpm时，转子的径向振动幅度最大达到150μm。其次，嵌套结构增加了气体轴承加工难度和安装同心度要求，而并排结构增加了转子长度，降低了系统动力学性能。专利CN208123260U采用嵌套式磁气混合轴承，在磁轴承朝向转轴的侧壁，或转轴朝向磁轴承的圆周面上设置有动压发生槽，形成气、磁混合径向轴承；该专利增加了气体静压轴承，在磁轴承上设置有静压进气节流孔，从而形成动静压-磁混合径向轴承。但该专利中动压气体轴承的轴瓦安装在紧贴磁轴承磁靴的气隙中，气体轴承的名义气隙与磁轴承名义气隙存在较大差距。以上专利磁轴承和气体轴承的混合方式属于机械上的装配，需要分别加工和安装气体轴承和磁轴承，且气体轴承工作在较小的气隙条件下，高速旋转时将产生大量空气摩擦损耗，严重情况下将导致转子温升或热变形。因此，有效实现磁轴承和气体轴承的归一化设计，达到仅利用磁轴承的硬件设备而实现磁气混合支承的效果显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种磁气混合轴承。该轴承利用磁轴承结构实现气体轴承支承特性，利用磁轴承施加气体轴承模式下的附加约束力，使转轴在磁轴承的尺寸结构中运行在气体轴承支承的力学条件下，获得纯气体轴承的支承特性。电机启动阶段，由磁轴承提供转子起浮支承力；稳定运行阶段，由压力气体主要承载，磁轴承提供附加等效约束力，使得磁气混合轴承获得纯气体轴承的运行条件和支承特性。本专利技术具有良好的启停特性，减小动压气体轴承在启停阶段的摩擦磨损；同时，增强系统阻尼，降低转子振幅，提高系统稳定性和旋转精度。相比嵌套式磁气混合轴承，本专利技术将磁气混合轴承的名义气隙由纯气体轴承名义气隙扩大为磁轴承的名义气隙，减小气体轴承摩擦磨损与发热，降低了电磁轴承能耗，避免了磁气混合轴承安装同心度的要求，降低制造成本。磁气混合轴承的定子内径按磁轴承的工作气隙要求设计，磁轴承的磁极为气体轴承轴瓦，无需按气体轴承气隙要求加工气体轴承轴套。磁气混合轴承的轴瓦为磁轴承磁极，磁极能够加工形成封闭曲面。磁轴承为主动磁悬浮轴承，包括电磁轴承、永磁-电磁混合轴承；气体轴承包括静压气体轴承和动压气体轴承，其中动压气体轴承包括圆柱型动压气体轴承、瓦块型气体轴承。该磁气混合轴承的设计和应用控制过程具体如下：S1：根据磁气混合轴承的名义气隙，即磁轴承的名义气隙Ch，以及气隙内气体的支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线，设计磁气混合轴承的工作转速，以及沿轴颈周向的气膜压力分布；S2：在相同轴尺寸、负载和转速情况下，设计计算出稳态情况下，纯气体轴承的名义气隙Cg、动态刚度和动态阻尼系数；S3：利用磁轴承的附加约束力调节轴颈水平方向和竖直方向的压强，从而调节磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼，将气体轴承的压强等效为磁轴承的附加电磁力，使磁气混合轴承在磁轴承气隙条件下获得等效于纯气体轴承的支承特性。上述S1中磁气混合轴承的工作转速设计方法为：随着负载的增加，磁气混合轴承的最小气隙hmin减小，此条件下应提高转速，保证轴承在额定载荷下处于气体摩擦状态的转速即为工作转速。最小气隙hmin必须大于等于许用气膜厚度[h]，即：hmin≥[h]＝S(Rz1+Rz2)式中，Rz1，Rz2分别为轴颈和轴瓦微观不平度十点高度，对一般轴承，可分别取0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm；S为安全系数，考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等，常取S≥2。S2中纯气体轴承的名义间隙的设计要求为：在轴尺寸、负载和转速均相同的情况下,纯气体轴承稳态运行时，保证最小气隙大于等于磁气混合轴承的最小气隙，且Cg的取值范围为0～150μm。上述过程在转子涡动时同样适用，具体如下：根据所述S1和S2设计出磁气混合轴承的工作转速和纯气体轴承的名义气隙；根据S3获得磁气混合轴承的动态刚度和动态阻尼系数，通过动力学分析进一步计算出磁气混合轴承在工作转速下的涡动轨迹，保留使轴颈处于气体摩擦状态的附加约束力，作为控制系统参考值。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，能够获得优异的轴承综合性能，提高转子系统低阶临界转速，抑制转子涡动幅度，适用于频繁启动及低速运转的场合，同时降低了轴承发热，增强了系统动态特性。相比嵌套式磁气混合轴承，归一化的磁气混合轴承无需加工气体轴承，避免了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁气混合轴承，其特征在于：/n该磁气混合轴承利用磁轴承结构条件实现气体轴承支承特性，利用磁轴承施加气体轴承模式下的附加约束力，使转轴在磁轴承的尺寸结构中运行在气体轴承支承的力学条件下，获得纯气体轴承的支承特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁气混合轴承，其特征在于：
该磁气混合轴承利用磁轴承结构条件实现气体轴承支承特性，利用磁轴承施加气体轴承模式下的附加约束力，使转轴在磁轴承的尺寸结构中运行在气体轴承支承的力学条件下，获得纯气体轴承的支承特性。


2.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：
所述磁气混合轴承的定子内径按磁轴承的工作气隙要求设计，磁轴承的磁极为气体轴承轴瓦，无需按气体轴承气隙要求加工气体轴承轴套。


3.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：
所述磁气混合轴承的轴瓦为磁轴承磁极，磁极能够加工形成封闭曲面。


4.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述磁轴承为主动磁悬浮轴承，包括电磁轴承、永磁-电磁混合轴承；
所述气体轴承包括静压气体轴承和动压气体轴承，其中动压气体轴承包括圆柱型动压气体轴承、瓦块型气体轴承。


5.根据权利要求1所述的一种磁气混合轴承，其特征在于：所述磁气混合轴承的设计和应用控制过程如下：
S1：根据磁气混合轴承的名义气隙，即磁轴承的名义气隙Ch，以及气隙内气体的支承特性，获得磁气混合轴承稳态情况下的最小气隙hmin与工作转速的关系曲线，设计磁气混合轴承的工作转速，以及沿轴颈周向的气膜压力分布；
S2：在相同轴尺寸、负载和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立，刘庆，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11