一种液态金属轴承及真空电机

技术领域

本发明涉及机械领域，更具体地说，它涉及一种液态金属轴承及真空电机。

背景技术

航天装备系统、真空系统、X射线管中使用的电机需要在真空环境下工作。在这种情况下，电机内部通常也是真空的，因此无法使用传统电机采用的风冷，对电机转子进行冷却。电机工作中，由于转子铜损的存在，电机转子会产生热量。由于无法使用风冷对电机转子进行冷却，因此热量难以耗散。这种情况下，电机如果在高功率下运行，极易导致电机转子被烧毁。因此需要有效的方法将电机转子产生的热量导出，即实现电机转子冷却。

传统的真空电机使用滚珠轴承，滚珠与轴承滚道之间的接触面积非常小，使滚珠轴承的导热能力很差。这限制了真空电机的功率，因为功率越大，则电机转子发热量越大，则越难以散热。为解决上述缺陷，已有文献记载应用液态金属对轴承件之间的间隙进行填充，可有效降低轴承件之间的摩擦损耗，同时提高轴承的导热性能。

然而，由于液态金属具有一定的流动性，因此对轴承件之间的密封性能要求较高，且由于轴承件之间需要能够相对选择，所以液态金属轴承之间的防漏问题一直是相关研究人员难以克服的问题。因此，如何研究设计一种液态金属轴承及真空电机是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种液态金属轴承及真空电机。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种液态金属轴承，包括第一轴承件以及与第一轴承件活动套接的第二轴承件，第一轴承件与第二轴承件之间形成供液态金属填充的轴承间隙，所述第二轴承件的开口端内壁环设有多个密封环槽，多个密封环槽沿第二轴承件轴线方向间隔设置。

进一步的，所述密封环槽的深度沿朝向第二轴承件的开口端方向逐渐增加。

进一步的，所述密封环槽为梯形槽或矩形槽。

进一步的，所述密封环槽为直角梯形槽，且相邻密封环槽之间形成的凸齿呈三角形。

进一步的，所述密封环槽与第二轴承件之间间距为0.02mm-0.1mm。

进一步的，所述液态金属为镓铟合金或金属铟中的任意一种。

进一步的，所述液态金属中镓物质的量和铟物质的量根据液态金属轴承的最低工作环境温度进行配置：

液态金属中铟物质的量所占镓铟合金总物质的量的比例为0.13-1；

液态金属保持液态的最低温度范围为16℃-156℃。

进一步的，所述液态金属中镓物质的量和铟物质的量的配置过程具体为：

T＝441x

其中，T表示液态金属保持液态的最低温度；x表示镓铟合金中铟物质的量所占镓铟合金总物质的量的比例。

第二方面，提供了一种真空电机，包括电机壳体和至少一个如第一方面中任意一项所述的液态金属轴承，第一轴承件与电机壳体固定连接，第二轴承件的输出端突伸出电机壳体外壁；电机壳体内设有电机定子，第二轴承件固定连接有与电机定子配合的电机转子。

进一步的，所述第二轴承件包括旋转轴、轴承端盖，轴承端盖与旋转轴的相向端面密封连接；密封环槽布设在轴承端盖内，电机转子与旋转轴连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在第一轴承件与第二轴承件之间设置位于轴承间隙端口处的密封环槽，在轴承运行液态金属产生的向心力和粘度作用下，有效避免了液态金属在内部压力作用下渗出，增强了液态金属轴承之间的密封性能，解决了液态金属轴承之间液态金属在长时间使用或高速运行下渗出的问题；

2、本发明通过对液态金属中镓物质的量和铟物质的量的配比进行动态设计，使得液态金属保持液态的最低温度与液态金属轴承的最低工作环境温度相匹配，既可以在环境温度低于液态金属保持液态的最低温度时使得液态金属自动凝固，为电机提供低温保护功能，还可以在凝固后与密封环槽配合，限制了液态金属渗出的可能性，延长了液态金属中轴承的使用寿命；

3、本发明中液态金属在10

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中液态金属轴承的结构示意图；

图2是本发明实施例中密封环槽的分布结构示意图；

图3是本发明实施例中密封环槽的另一分布结构示意图；

图4是本发明实施例中真空电机的内部结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

101、第一轴承件；102、第二轴承件；103、密封环槽；104、凸齿；105、旋转轴；106、轴承端盖；107、电机壳体；108、电机定子；109、电机转子。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-4，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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发明和简化描述，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发明的限制。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：一种液态金属轴承，如图1所示，包括第一轴承件101以及与第一轴承件101活动套接的第二轴承件102，第一轴承件101与第二轴承件102之间形成供液态金属填充的轴承间隙，第二轴承件102的开口端内壁环设有多个密封环槽103，多个密封环槽103沿第二轴承件102轴线方向间隔设置。

如图2与图3所示，密封环槽103的深度沿朝向第二轴承件102的开口端方向逐渐增加，靠近轴承间隙处的密封环槽103深度相对于靠近第二轴承件102的开口端处的深度小，渐变深度设置可以提高液态金属轴承的适用范围，同时可以有效减少轴承间隙内液态金属的交换流动，增强了液态金属轴承使用的稳定性，还可以储存更多的从轴承内部泄露的液态金属，防止液态金属继续向外泄露。

如图2与图3所示，密封环槽103为梯形槽或矩形槽。

如图1与图3所示，密封环槽103为直角梯形槽，且相邻密封环槽103之间形成的凸齿104呈三角形。密封环槽103的容积进一步增大，防止液态金属泄露。由于齿顶为尖角，即使与第二轴承件102接触，接触面积也非常小，因此不会发生卡滞。密封环槽103与第二轴承件102之间间距H1一般为0.05mm-0.1mm。该距离H1越窄则对液态金属的密封效果越好，但装配难度越大。过小的间隙H1会造成卡滞而无法旋转。所以，采用凸齿104呈三角形的设计，齿顶与芯轴的距离H1可以减小至0.02mm，使密封效果进一步提升。但该结构加工制造难度最大。

在本实施例中，液态金属为镓铟合金或金属铟中的任意一种。

液态金属中镓物质的量和铟物质的量根据液态金属轴承的最低工作环境温度进行配置：液态金属中铟物质的量所占镓铟合金总物质的量的比例为0.13-1；液态金属保持液态的最低温度范围为16℃-156℃。需要说明的是，此处镓铟合金总物质的量指的是液态金属中镓物质的量和铟物质的量之和。

液态金属中镓物质的量和铟物质的量的配置过程具体为：

T＝441x

其中，T表示液态金属保持液态的最低温度，单位为℃；x表示镓铟合金中铟物质的量所占镓铟合金总物质的量的比例。液态金属中的部分配备如下表所示：

本发明创造性的通过调控液态金属保持液态的最低温度，可为电机提供低温保护功能。当环境温度低于设定的液态金属保持液态的最低温度，液态金属会自动凝固，从而使电机处于锁死状态。即环境温度低于设定的温度时，电机将是自锁的，从而限制电机及电机连接的系统在设定温度条件下才能够启动。

实施例2：一种真空电机，如图4所示，包括电机壳体107和至少一个如第一方面中任意一项的液态金属轴承，第一轴承件101与电机壳体107固定连接，第二轴承件102的输出端突伸出电机壳体107外壁；电机壳体107内设有电机定子108，第二轴承件102固定连接有与电机定子108配合的电机转子109。

第二轴承件102包括旋转轴105、轴承端盖106，轴承端盖106与旋转轴105的相向端面密封连接；密封环槽103布设在轴承端盖106内，电机转子109与旋转轴105连接。

工作原理：一方面，通过在第一轴承件101与第二轴承件102之间设置位于轴承间隙端口处的密封环槽103，在轴承运行液态金属产生的向心力和粘度作用下，有效避免了液态金属在内部压力作用下渗出，增强了液态金属轴承之间的密封性能，解决了液态金属轴承之间液态金属在长时间使用或高速运行下渗出的问题；另一方面，通过对液态金属中镓物质的量和铟物质的量的配比进行动态设计，使得液态金属保持液态的最低温度与液态金属轴承的最低工作环境温度相匹配，既可以在环境温度低于液态金属保持液态的最低温度时使得液态金属自动凝固，为电机提供低温保护功能，还可以在凝固后与密封环槽103配合，限制了液态金属渗出的可能性，延长了液态金属中轴承的使用寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。