一种具有开槽结构的推力盘组件及磁悬浮轴承

1.本公开涉及轴承技术领域，特别涉及一种具有开槽结构的推力盘组件及磁悬浮轴承。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。
3.电磁轴承利用电磁力悬浮转子，按作用力方向，电磁轴承可分为轴向电磁轴承和径向电磁轴承。轴向电磁轴承通常由定子和推力盘两部分组成，两者工作时在端面之间形成一个狭缝，该狭缝内气流受到推力盘旋转作用向外侧流动，可以带走一定的热量。但是在现有技术中，由于狭缝狭窄，阻力较大，气体流量有限，因此轴承定子和推力盘相对的端面温度较高，容易引起绝缘材料老化、结构变形等问题。
4.公开内容
5.本公开的主要目的是提供一种具有开槽结构的推力盘组件及磁悬浮轴承，旨在解决上述至少部分问题。
6.为实现上述目的，本公开提供一种具有开槽结构的推力盘组件，包括两组间隔设置的定子、转子和推力盘，转子设于两组定子之间，推力盘固定安装于转子上，并沿转子的径向延展，每一定子包括第一定子和第二定子，第一定子和第二定子沿转子的轴向分布在推力盘的两侧，并与推力盘的两个端面留有工作间隙，推力盘的每个端面上均匀的设有多个沿其径向延伸的沟槽。
7.可选地，沟槽的数量m满足如下条件：n/50＜m≤2，其中，m为整数，n表示为定子内孔的周长。
8.可选地，沟槽的深度与沟槽的截面宽度之比为1∶2。
9.可选地，沟槽的深度范围为1mm-2mm，沟槽的截面宽度范围为2mm-4mm。
10.可选地，沟槽从定子的内孔在推力盘端面上的投影线处延伸至推力盘的边缘。
11.可选地，沟槽在推力盘的端面上呈直线延伸，并且沟槽呈倾斜设置，倾斜的方向与推力盘的旋转方向相反。
12.可选地，沟槽的倾斜角度为10度至30度。
13.可选地，沟槽在推力盘的端面上呈曲线延伸。
14.可选地，曲线包括渐开线，沟槽以定子的内孔的投影线为基圆，沟槽的渐开方向与推力盘的旋转方向相反。
15.此外，为了实现上述目的，本公开还提供了一种具有开槽结构推力盘的磁悬浮轴承，包括上述任一项所述的具有开槽结构的推力盘组件。
16.本公开提供的具有开槽结构的推力盘组件，包括两组间隔设置的定子、转子和推
力盘，转子设于两组定子之间，推力盘固定安装于转子上，并沿转子的径向延展，每一组定子包括第一定子和第二定子，第一定子和第二定子沿转子的轴向分布在推力盘的两侧，并与推力盘的两个端面留有工作间隙，推力盘的每个端面上均匀的设有多个沿其径向延伸的沟槽。通过在推力盘端面上的设计多个沟槽，有利于定子与推力盘之间的工作间隙内的气体流动，带走更多热量，有效降低定子和推力盘的温度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
18.图1为本公开提供的具有开槽结构的推力盘组件一实施例的结构示意图；
19.图2为推力盘上的沟槽呈直线延伸并向右倾斜设置的结构示意图；
20.图3为推力盘上的沟槽呈直线延伸并向左倾斜设置的结构示意图；
21.图4为推力盘上的沟槽呈曲线延伸并向右弯曲设置的结构示意图；
22.图5为推力盘上的沟槽呈曲线延伸并向左弯曲设置的结构示意图。
23.附图标号说明：
24.标号名称标号名称1第一定子4转子2推力盘5沟槽3第二定子6内孔投影线
25.本公开目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
27.需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
28.另外，若本公开实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。
29.参见图1，具有开槽结构的推力盘组件包括定子、转子4和推力盘2。其中，定子包含
有两组，两组定子之间是并排设置的，但是彼此之间留有一定的间隙。转子4也可以称作转轴，是活动地设置在两组定子之间的。定子上还会设有电磁机构，通过产生可控的电磁力来吸引转子4，在某一状态下实现转子4悬浮在两组定子之间，与任何一个定子都不会产生接触，因而就能形成悬浮的轴承了。其中，每一组定子又包括第一定子1和第二定子3，第一定子1和第二定子3沿转子4的轴向方向排布，并且第一定子1和第二定子3之间留有间隙。推力盘2与转子4通过过盈配合连接，并沿着转子4的径向一直延展，直至延展到第一定子1和第二定子3之间的间隙处，推力盘2外形接近等厚薄圆盘。
30.在本实施例中，第一定子1和第二定子3与推力盘2的两个端面之间留有工作间隙，在推力盘2随着转子4一起旋转的过程中，工作间隙中的气体受到推力盘2的旋转离心作用，会从内侧向外侧流动。在常规结构中，为了使整体结构更加紧凑，第一定子1和第二定子3与推力盘2的两个端面之间的工作间隙的宽度通常都会小于1mm。这样由于工作间隙的宽度太小了，加上推力盘2在高速的旋转，工作间隙中的气体流动阻力会比较大，气体流动就会不够顺畅，第一定子1和第二定子3与推力盘2的两个端面之间的热量难以散失，进而导致定子和推力盘2之间的温度比较高，会容易引起轴承中的绝缘材料老化、结构变形等问题。
31.为了克服这一问题，在本公开中通过在推力盘2的两个端面上加工一定数量、一定截面尺寸、一定长度、一定形状走向的沟槽5，这些沟槽5呈放射状分布。由于推力盘2的端面具有沟槽5这样的结构，所以推力盘2在旋转时，工作间隙内的空气会经过这些沟槽5的引导，从而更容易从内侧向外侧流动，即加强了轴向磁轴承中的定子与推力盘2之间的工作间隙内的气体流动，可以带走更多热量，有效降低轴向磁轴承中定子和推力盘2的温度，可以避免引起绝缘材料老化、结构变形等问题。
32.为了使冷却的效果最优化，所以会需要对沟槽5的数量、形状、延伸方向进行大量的实验，以得到最优的实施方式。其中，每一端面上沟槽5的数量最少为两个；如果沟槽5数量比两个还少，只有一个的话，那么沟槽5在推力盘2的端面上就无法进行均匀分布，在推力盘2进行高速旋转的时候，会导致推力盘2动不平衡，进而破坏轴承的整体平衡性。此外，沟槽5的数量太少，散热效果也不明显。因此沟槽5的数量必须大于或等于二。
33.在本实施例中，推力盘2每一端面上的沟槽5的数量是按照“n/50”向上取整，也就是大于“n/50”，参见图1，n为轴向磁轴承中定子的内孔周长，单位取mm。根据实验发现，如果推力盘2端面上的沟槽5数量小于“n/50”，其对推力盘2和定子的冷却散热效果不是很明显。
34.在本实施例中，推力盘2端面上的沟槽5的深度和沟槽5的截面宽度都会对冷却散热效果产生影响。而且沟槽5的深度和沟槽5的截面宽度之间的比值对冷却散热效果也会产生影响。因为沟槽5的宽度和冷却散热效果呈正相关，所以，如果沟槽5的深度和沟槽5的截面宽度之间的比值大于1/2的话，会导致沟槽5的深度比较深。但是沟槽5的深度太深会减弱推力盘2端面的强度，在推力盘2高速旋转的过程中会使推力盘2有断裂的风险。同时，如果沟槽5的深度和沟槽5的截面宽度之间的比值小于1/2，会导致沟槽5又浅又宽，这样对促进定子与推力盘2之间工作间隙内的气体流动作用不明显，也就是说其对推力盘2和定子的冷却散热效果不是很明显。因此在本实施例中，沟槽5的深度和沟槽5的截面宽度之间的比值为1/2，此时的冷却散热效果最为明显，而且也不会影响到推力盘2的刚度。
35.在本实施例中，综合冷却散热效果、推力盘2的刚度、加工成本等多个因素，得出沟槽5的深度范围为1mm-2mm，沟槽5的截面宽度范围为2mm-4mm。
36.在本实施例中，推力盘2外形接近等厚薄圆盘，但是为了使推力盘2能够安装到转子4上，所以推力盘2的正中心处会形成有一个圆孔，圆孔的大小与转子4的轴径相适应。
37.此外，推力盘是中间厚四周薄，因此在推力盘的端面会有一个小外径和一个大外径。因为，推力盘2端面上的沟槽5主要是通过铣刀进行加工的，所以在进行铣刀加工沟槽5时要特别注意。因此，开槽的起点不能太靠近中心，这样容易伤到小外径。
38.在本公开中，沟槽5包括有两种延伸的方式，一种是呈直线延伸，另一种是呈曲线延伸。两者在不同的工作条件下，均能起到冷却散热最优的效果。其中，直线型的沟槽5适合于推力盘2在中低速运转的时候，也就是转速在10000转/每分钟以下时，此时定子与推力盘2之间的气体顺着直线型的沟槽流动更加顺畅，冷却散热效果更加明显。另外，曲线型的沟槽5适用于推力盘2在高速运转的时候，也就是转速在10000转/每分钟以上时，此时定子与推力盘2之间的气体顺着曲线型的沟槽5可以快速流出来，冷却散热效果非常明显。接下来，分别对两种延伸形状的沟槽进行详细说明。
39.在本实施例中，沟槽5可以呈直线状在推力盘2端面上延伸，同时为了使冷却散热效果最优化，需要将沟槽5倾斜设置，并且沟槽5倾斜的方向需要和推力盘2旋转的方向相反。具体地，参见图2、图3，也就是说如果推力盘2顺时针旋转，那么沟槽5就要向右倾斜设置；如果推力盘2逆时针旋转，那么沟槽5就要向左倾斜设置。在推力盘2旋转的时候，定子与推力盘2的工作间隙内的气体就会顺着和推力盘2旋转方向相反的沟槽5流出来。需要说明的是，经过不断的测试，发现沟槽5的倾斜角度在10度到30度这个区间冷却散热的效果最好，可以有效的将轴向磁轴承中定子和推力盘2间的热量散出去，进而降低轴向磁轴承中定子和推力盘2之间的温度。
40.具体地，参见图2、图3，推力盘2的两个端面上分别开出6个直线形沟槽5。其中，定子的内孔的直径为90mm，沟槽5的数量按照“n/50”向上取整，其中n为定子内孔周长。沟槽5的深度为1.5mm，沟槽5的宽度为3mm，沟槽5的深度与沟槽5的宽度比例为1∶2。图2、图3中，内孔投影线6表示定子的内孔在推力盘2端面上的投影线，沟槽5的起点从内孔投影线6开始，一直延伸至推力盘2边缘。角度5表示直线形沟槽5绕着沟槽5与内孔投影线6的交点旋转一定角度，需要说明的是，在本实施例中旋转了20
°
，且旋转方向与推力盘2旋转方向相反。本实施例所示的直线形沟槽5在每个端面都呈放射状均匀分布，且在两个端面上的分布是完全一致的。
41.在另一实施例中，沟槽5在推力盘2的端面上呈曲线延伸，在本公开中曲线的具体形式以渐开线为例进行说明。当沟槽5是渐开线的时候，沟槽5以定子的内孔的投影线6为基圆，沟槽5的渐开方向与推力盘2的旋转方向相反。
42.具体地参见图4、图5，在推力盘2的两个端面上分别开出6个曲线形沟槽5。在本实例中，定子内孔的直径为90mm，沟槽5的数量按照“n/50”向上取整，其中n为定子内孔的周长。沟槽5的深度为1.5mm，沟槽5的宽度为3mm，沟槽5的深度与沟槽5的宽度比例为1∶2。图4、图5中内孔投影线6表示定子的内孔在推力盘2端面上的投影线，沟槽5的起点从内孔投影线6开始一直延伸至推力盘2边缘。在本实施例中，沟槽5的线形为渐开线，其以定子内孔在推力盘2端面上的投影线为基圆，即以内孔投影线6为基圆，且渐开方向与推力盘2旋转方向相反。本实施例所示的渐开线形沟槽5在每个端面都呈放射状均匀分布，且推力盘两个端面上的沟槽5分布完全一致。
43.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。