一种高阻尼压电式磁气混合轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种高阻尼压电式磁气混合轴承。

背景技术

主动磁悬浮轴承是一种利用电磁力来支承和稳定转子的机电一体化悬浮轴承。因其具有无接触、无摩擦、高转速和高精度、无需润滑和维护、高可靠性和耐久性和低噪声等优势，在高速、高精度、无摩擦、无需润滑等方面具有明显优势，尤其适用于对稳定性和精度要求较高的应用领域。

然而，主动磁悬浮轴承的承载能力具有尺寸和能源依赖性。主动磁悬浮轴承需要不断供电以产生磁场，相比于机械轴承，这会增加能源消耗，尤其在长时间运行的情况下。再者，一旦轴承出现故障或断电，转子失去磁场支撑，可能导致轴承和转子的损坏，进而对设备造成损害。上述缺陷都制约了主动磁悬浮轴承向大承载、超高速旋转装备领域的发展。

将气体箔片轴承引入到主动磁悬浮轴承中共同支承转子可以进一步提升非接触悬浮轴承的承载力。主动磁悬浮轴承在转子启停阶段通过电磁力悬浮转子，有效避免了轴承和转子的启停干摩擦；同时，通过对电磁力的主动控制，可以改善轴承的刚度阻尼特性，有效抑制转子越过其低阶临界转速时的同步振幅以及消除高转速下的转子次同步涡动失稳，进而有效提高轴承-转子系统的稳定性和寿命。气体箔片轴承可以作为主动磁悬浮轴承的保护轴承，防止故障或断电时的转子跌落，避免轴承或转子的损坏。

磁隙是影响主动磁悬浮轴承的体积和能耗的一个重要参数。减小磁隙能够大幅度的增强磁悬浮轴承的承载能力，减小线圈所占体积，进而降低轴承能耗。然而，将箔片结构直接嵌入在主动磁悬浮轴承中会不可避免地增大磁隙，亟需创新的结构设计减小磁隙的改变。

通过对气体箔片轴承施加预载可以有效地打断气膜的连续性，能有效地增大支承气膜对转子振动能量的耗散，进而改变轴承动态刚度和阻尼特性，抑制转子次同步振幅。

在传统箔片气体轴承中，顶箔和波箔为一种具有刚度和阻尼的柔性结构，可有效容纳压缩气体，使箔片气体轴承具有优秀的承载力。但是箔片气体轴承的交叉刚度对转子系统的负阻尼作用，激励转子次同步振动，箔片结构的之间的摩擦阻尼无法抑制这种次同步振动，将限制转子系统向更高速方向发展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种承载能力高且稳定性好的高阻尼压电式磁气混合轴承。

本发明采用的技术方案是：一种高阻尼压电式磁气混合轴承，包括顶箔、控制箔片组、压电块、支撑体、金属丝网、线圈、绝缘片、硅钢叠片、柔性铰链、控制器、功率放大器、转子、位移传感器；硅钢叠片包括环形的支撑部，支撑部内壁上均匀设有多个沿支撑部半径方向设置的绕线部；所述的硅钢叠片两端分别设有一个环形的绝缘片，硅钢叠片的绕线部上缠绕线圈；所述的支撑体为圆环结构，硅钢叠片的绕线部分内端与支撑体固定连接，支撑体与硅钢叠片同轴；支撑体上设有多组通槽，每组通槽包括两个通槽，通槽底部设有柔性铰链，支撑体内侧壁上设有连通通槽的插槽及多个卡槽；每个卡槽内安装一个金属丝网；控制箔片组包括多个控制箔，控制箔的数量与通槽的组数一致；每个控制箔的两侧与金属条焊接固定；每个控制箔的两金属条配合两个压电块分别插入一组通槽内，每个通槽内设置一个金属条和一个压块，金属条通过柔性铰链固定；顶箔固定在支撑体上，顶箔位于控制箔片组内侧；

所述的转子支承在顶箔内，所述的位移传感器靠近转子设置，用于测量转子的位移；位移传感器与控制器的输入端电连接，控制器的输出端通过功率放大器分别与线圈、压电块电连接。

进一步的，所述的支撑体上设有三组通槽，控制箔片组包括三个控制箔，三个控制箔分别通过三组通槽内的柔性铰链固定。

进一步的，支撑体包括两个支撑块，支撑块为环形结构，支撑块的一端设有多个凹槽，两个支撑块同轴相对设置，并通过螺钉连接；所述的硅钢叠片的多个绕线部分内端分别置于多个凹槽内。

进一步的，压电块和金属条相贴插入支撑体的通槽内，且压电块位于金属条朝向支撑体中心的一侧，压电块和金属条贴合后与通槽过盈配合。

进一步的，三个控制箔中，一个控制箔的周向角度比另两个控制箔的大，该周向角度大的控制箔的弧面朝上。

进一步的，支撑体内侧壁上设有一顶箔插槽，顶箔插槽设置在两个周向角度较小的控制箔之间，顶箔插入顶箔插槽后焊接固定在支撑体上。

进一步的，所述的卡槽的截面为矩形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明采用磁气混合结构实现主动磁悬浮轴承与动压气体轴承的耦合，有效提高了承载能力与转子系统的高速稳定性。

2）本发明设有控制箔片组，控制箔片组使得轴承可实现主动施加预载，通过压电块电压变化产生径向位移带动控制顶箔两边的金属块使得控制顶箔的半径改变，实现预载主动可调，实现主动控制气膜形状、打断支承气膜的连续性，削弱支承气膜的交叉耦合刚度进而抑制转子的次同步振幅；还可以主动改变轴承刚度，进而改变转子的临界转速位置，在转子升降速过程中有效提高转子在过柔性临界转速的稳定性。

3）本发明采用金属丝网、控制箔片组和顶箔的复合阻尼结构，进一步增大轴承的刚度和阻尼，提高轴承的能量耗散能力，提高转子系统的稳定性。并充分利用了磁极间隙，将金属丝网设计在磁极间隙内，规避了传统磁气混合轴承波箔顶箔组合导致的磁隙过大的问题，进一步提高了轴承的承载能力，减小了磁气混合轴承的体积。

附图说明

图1为本发明结构图。

图2为本发明（卸掉控制装置）的爆炸图。

图3为本发明（卸掉控制装置）的立体图。

图4为本发明的气体轴承模块示意图，图4（a）为气体轴承模块爆炸图，图4（b）为气体轴承模块整体图。

图5为本发明的磁悬浮轴承模块示意图，图5（a）为磁悬浮轴承模块爆炸图，图5（b）为磁悬浮轴承模块整体图。

图6为本发明的预载控制方式示意图，图6（a）为压电式预载控制方式示意图，图6（b）为卷帘式预载控制方式示意图。

图7为本发明的装配方式示意图。

图8为本发明的施加预载对比图，图8（a）为未加预载时结构图，图8（b）为周向角度较大的控制箔施加预载时结构图，图8（c）为三个控制箔均施加预载时结构图。

图9为本发明磁悬浮轴承模块的磁场示意图，箭头表示电流方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-9所示，本发明包括螺钉1，顶箔2，控制箔片组3，压电块4，支撑体5，金属丝网6，线圈7，绝缘片8，硅钢叠片9，柔性铰链10，供电线11，控制器12，功率放大器13，转子14，位移传感器15。

如图1、2所示，所述的硅钢叠片9包括环形的支撑部，支撑部内壁上均匀设有多个沿支撑部半径方向设置的绕线部。硅钢叠片9两端分别设有一个环形的绝缘片8，绝缘片8与硅钢叠片9的外径相同且同轴，硅钢叠片9的绕线部上缠绕线圈7。如图3所示，支撑体5包括两个支撑块（支撑块5.1和支撑块5.2）支撑块为环形结构，支撑块的一端设有多个凹槽，两个支撑块（支撑块5.1和支撑块5.2）同轴相对设置，并通过四个螺钉1连接在一起；所述的硅钢叠片9的多个绕线部分内端分别置于多个凹槽内。

支撑体5上通过线切割的方式加工三组通槽、五个截面为矩形的卡槽及一个顶箔插槽。每组通槽包括两个通槽，通槽底部设有柔性铰链10，柔性铰链10是在线切割加工通槽的同时加工而成。支撑体5内侧壁上设有连通通槽的插槽。控制箔片组3包括三个控制箔（控制箔3.1、控制箔3.2和控制箔3.3），控制箔的数量与通槽的组数一致。每个控制箔的两侧与金属条焊接固定。每个控制箔的两金属条贴合两个压电块4分别插入一组通槽内，每个通槽内设置一个金属条和一个压电块4，金属条通过柔性铰链10固定。压电块4和金属条贴合后与通槽为过盈装配，安装时会使得柔性铰链变形产生预紧力。顶箔2插入顶箔插槽后通过点焊的方式焊接固定在支撑体5上，顶箔2位于控制箔片组3内侧。所述的支撑体内侧壁上设有多个截面为矩形的卡槽，每个卡槽内安装一个金属丝网6。金属丝网与控制箔片组3接触，提供阻尼。

三个控制箔中，控制箔3.3的周向角度比控制箔3.1和控制箔3.2的大，控制箔3.3的弧面朝上。顶箔插槽设置在两个周向角度较小的控制箔（控制箔3.1和控制箔3.2）之间。在转子系统工作时，控制箔3.3施加的预载比控制箔3.1和控制箔3.2大，以抵消转子重力的影响，使得转子中心能稳定在轴承中心。六个压电块4沿周向对应装配在支撑体的通槽内，与对应控制箔上的金属条配合装配，其中压电块位于金属条内侧，二者通过通槽内部线切割形成的柔性铰链提供的预紧力固定。当压电块4电压变化时，压电块4产生径向位移，迫使控制箔片组3的固定金属块沿径向移动，使得控制箔片组3的控制箔的半径发生变化，转子系统产生预载，转子系统的刚度也随之改变，实现转子预载、刚度主动可调。五个金属丝网6周向对应装配在支撑体靠近转子的卡槽内，金属丝网6与控制箔片组3接触，金属丝网材料在载荷的作用下会产生变形，其结构刚度支承顶箔，并在动态载荷的作用下通过内部金属丝之间大量干摩擦节点相互滑动产生的库伦阻尼效应耗散系统的振动能量，有利于转子系统的稳定运行。

所述的转子14支承在顶箔内，所述的位移传感器15靠近转子14设置，用于测量转子14的位移。位移传感器15与控制器12的输入端通过供电线11电连接，控制器12的输出端通过功率放大器13分别与线圈7和压电块4电连接。转子转动时，位移传感器15实时感应转子14位移变化，并传输到控制器12中，并根据相应控制算法，结合实时负载，转速等参数输出相应大小的电流和电压经过功率放大器放大后传输到线圈和压电块，实现磁场和预载的主动控制。 如图5所示，由螺钉1，支撑体5，线圈7，绝缘片8，硅钢叠片9组成磁轴承模块，硅钢叠片9与绝缘片8对应装配后，线圈7缠绕在绕线部分。八个线圈7形成的四个磁回路，形成一个完整的磁悬浮控制系统，实现转子的悬浮且可以通过电流实时调控转子系统的状态。

气体轴承模块与磁轴承模块通过支撑体5耦合在一起，气体轴承模块中充分利用了磁轴承模块的磁极间隙，将金属丝网等阻尼结构设计在磁极间隙中，减小了动压气体轴承对主动磁悬浮轴承磁隙的影响，进一步提高了轴承的承载能力，减小了磁轴承的体积。

如图6所示，本发明的预载控制方式有压电式和卷帘式两种，图6（a）是压电式，通过控制压电块的电压实现压电块径向体积的改变从而带动控制箔实现径向预载，优点在于预载实时可调，控制精准。图6（b）为卷帘式，控制箔上的金属棒可以旋转带动控制箔实现径向预载，金属棒上的卡槽可以卡在支撑体的对应槽内，实现不同大小预载的控制，优点在于结构简单，方便制造，且可以实现预载的调整。两种预载控制方式都可以实现对转子系统施加预载，且预载可调。对动压气体轴承施加预载可以有效的打断气膜的连续性，削弱支承气膜的交叉耦合刚度进而抑制转子的次同步振幅。

如图7所示，本发明的控制箔片组3的装配方式为控制箔3.3弧面正对转子重力方向，即控制箔3.1和控制箔3.2在X轴的0-90°和90-180°的方向上装配，控制箔3.3装配在X轴的180°-360°的方向上。控制箔3.3的周向角度大于控制箔3.1和控制箔3.2，以在重力方向上实现更大的预载，实现转子中心和轴承中心重合，提高转子系统的稳定性。

如图8所示，图8（a）为转子系统未施加预载时箔片的形状，图8（b）为转子系统中控制箔3.3施加预载时箔片的形状，图8（c）为转子系统中控制箔3.1、控制箔3.2和控制箔3.3均施加预载时箔片的形状。可见，通过控制箔的实时可调，可以根据转子系统的温度、负载和转速等实时参数实时进行预载的实时控制，改变转子系统的刚度、阻尼等，有效提高了转子系统的承载能力与转子系统的高速稳定性，且可以有效的打断气膜的连续性，削弱支承气膜的交叉耦合刚度进而抑制转子的次同步振幅

如图9所示，硅钢叠片9上布置的线圈7可以通过控制其通过的电流产生磁场，相邻两个线圈串联，且电流方向相反，形成完整的磁感回路。八个磁极形成的四个磁回路，相对磁回路在周向的磁感应线方向相反，形成一个完整的磁悬浮控制系统。