[發明專利]一種空浮軸承、磁浮軸承混合支撐的高速風機

在審

• 申請號: 202011178968.5
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112467932A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 于建英;劉靜
• 申請（專利權）人: 常州工學院
• 主分類號: H02K7/08
• 分類號: H02K7/08;H02K7/09;H02K11/21;H02K7/14;F04D25/06;F04D29/057;F04D29/058
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 王巍巍

本發明公開一種空浮軸承、磁浮軸承混合支撐的高速風機。包括蝸殼、主殼體和設置在主殼體內部的高速電機定子、高速電機轉子、徑向空氣懸浮軸承、軸向磁軸承、位移傳感器以及軸向磁軸承控制器；蝸殼連接在主殼體上；高速電機轉子轉動設置在主殼體的內部，且一端延伸至蝸殼中；葉輪連接在高速電機轉子上且位于蝸殼內部，高速電機定子連接在主殼體內；徑向空氣懸浮軸承用于對高速電機轉子起徑向支撐作用；軸向磁軸承用于對高速電機轉子起軸向定位作用，防止其軸向竄動；位移傳感器用于檢測高速電機轉子在其軸向上的移動信號，并將信號傳遞給軸向磁軸承控制器，控制軸向磁軸承使高速電機轉子復位。本發明的高速風機結構緊湊，可靠性高，控制簡單。

技術領域

本發明涉及高速分機技術領域，具體涉及一種空浮軸承、磁浮軸承混合支撐的高速風機。

背景技術

高速風機具有轉速高、功率密度大、節能高效、體積小、重量輕、制造材料少等優點越來越受到關注與青睞，是高速透平機械領域研究的熱點之一，目前高速透平機械在離心式鼓風機、壓縮機、有機朗肯循環發電、氫燃料電池、航空航天等領域被廣泛使用。高速風機由于電機轉速很高，電機轉子表面的線速度高達200m/s，傳統的機械軸承很難保證風機高轉速下穩定運行。機械軸承的摩擦與震動會引起軸承嚴重發熱和噪聲，嚴重時會導致軸承研磨、精度降低、電機轉子偏心等問題，嚴重影響風機安全穩定運行。為了消除摩擦，無機械摩擦的空氣懸浮軸承和磁懸浮軸承被廣泛使用，目前高速風機采用的電機分為兩種結構，一種是空氣懸浮高速電機，另一種是磁懸浮高速電機。

空氣懸浮高速風機的基本結構包括葉輪、蝸殼、高速電機定子、轉子、徑向空氣懸浮軸承、軸向空氣軸承等。其電機兩端具有徑向空氣懸浮軸承，對電機轉子起徑向支撐作用；軸向空氣軸承對電機轉子產生軸向力，起軸向定位作用，防止其軸向竄動。特別是透平類機械，三元流葉輪高速旋轉時會對轉子產生軸向拉力。空氣懸浮軸承具有結構簡單、體積小、造價低等優點被廣泛使用，但空氣軸承對加工精度要求極高，不管是徑向空氣軸承或是軸向空氣軸承，對空氣軸承座及轉子對應的軸承區域的加工精度要求極高，兩者之間間隙約0.02mm，根據載荷與轉速不同，間隙數據略有不同。并且空氣軸承對軸向沖擊力及徑向沖擊力較為敏感。雖然空氣軸承能夠實現高速電機轉子無摩擦高速運行，但由于空氣軸承自身特點，電機安全穩定運行存在一定隱患，主要體現為空氣軸承對沖擊力較為敏感。原因是空氣軸承多為彈性箔片結構，箔片表面具有耐磨涂層，由于轉子與軸承座間隙較小，在沖擊力作用下極易引起轉子與空氣軸承彈性箔片摩擦，破壞耐磨涂層并引起空氣軸承發熱，造成不可逆損傷導致空氣軸承損毀。特別是透平類機械，設備喘振、工況的變化如流體的壓力、流量及電機轉速的變化極易引起電機轉子軸向力驟變，軸向力與工況呈指數倍變化，軸向空氣懸浮軸承極易損壞。對于污水處理行業的高速離心式鼓風機、曝氣風機，風機啟停或水深變化時極易引起設備喘振、負載不穩定等問題，對空氣懸浮風機的軸向空氣軸承提出嚴重考驗，軸向空氣軸承是最容易損毀的部件。三元流葉輪圓周上徑向力較為均衡，工況變化不會產生徑向力，徑向沖擊可以忽略不計。

磁懸浮高速風機的基本結構包括葉輪、蝸殼、高速電機定子、轉子、徑向磁軸承、軸向磁軸承、磁軸承控制器、輔助保護軸承等。磁懸浮電機通常為五自由度控制，電機轉子通過前后兩端徑向磁軸承產生的電磁力使轉子懸浮，軸向上通過軸向磁軸承實現電機轉子軸向定位。磁懸浮軸承具有支撐力大、電機轉子位置可控等優點而被廣泛采用。但磁懸浮電機的徑向磁軸承結構比較復雜，體積較空氣懸浮軸承偏大、制造成本高，并且需要配備磁懸浮軸承控制器對電機轉子進行五自由度控制，控制系統多變量、強耦合，對電控技術要求較高，控制難度較大。透平機械的特點是，流體壓力、流量、電機轉速等工況的變化幾乎不產徑向沖擊力，工況變化對轉子的徑向作用力可以忽略不計；但工況變化引起軸向力驟變，呈指數變化，對電機轉子的軸向作用力不可忽略。其他問題如喘振等，對徑向影響較小，對設備電機轉子軸向力影響較大。

發明內容