CN110566572B - 变气隙箔片轴承和高速电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变气隙箔片轴承和高速电机，包括轴承座，具有轴孔；多组箔片组件，沿轴孔的周向依次排列，箔片组件包括波箔，沿所述轴孔的周向卷曲，波箔嵌套在所述轴孔中，并与所述轴承座连接；平箔，沿所述轴孔的周向卷曲，所述平箔搭接在所述波箔内侧，并与所述轴承座连接；其中，沿所述轴孔的周向，所述箔片组件包括生成区和稳定区；在所述生成区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的旋转方向逐渐升高；在所述稳定区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的转动方向保持不变。高速电机，包括所述的变气隙箔片轴承。其能够使轴颈与平箔沿周向形成多个楔形气膜间隙，更容易依靠气体楔形动压效应原理产生压力场，而且能够增加系统的稳定性。

Description

变气隙箔片轴承和高速电机

技术领域

本发明用于高速旋转机械领域，特别是涉及一种变气隙箔片轴承和高速电机。

背景技术

气体动压轴承在高速旋转机械领域具有独特而广泛的用途，如燃料电池压缩机、曝气鼓风机、微型燃气轮机、涡轮膨胀机等等。其基本原理是：通过轴颈高速旋转，带动粘性空气介质进入轴颈与轴承形成的楔形间隙中，空气被压缩而产生压力场，从而支撑轴颈高速运转。

目前应用最为广泛的气体动压轴承为径向箔片动压轴承。径向箔片动压轴承的结构形式主要有波箔型、悬臂型、多楔形、张紧型等。其中，应用最广泛的为波箔型箔片动压轴承。波箔型箔片轴承由具有多个弹性波结构的波箔和搭接在波箔上的平箔组成，平箔与轴颈形成楔形间隙，波箔为平箔提供支撑刚度和阻尼。

现有技术中波箔型箔片气体动压轴承的缺点是：

在轴承系统未承载时，轴颈与顶层平箔间沿周向具有均匀的气隙，不利于动压气膜的形成。轴承系统受载后，轴颈沿载荷方向发生偏心位移，轴颈与顶层平箔间形成单一的楔形间隙，当系统受到外界载荷干扰时，转子容易偏离平衡位置而发生不稳定振动。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种变气隙箔片轴承和高速电机，其能够使轴颈与平箔沿周向形成多个楔形气膜间隙，更容易依靠气体楔形动压效应原理产生压力场，而且能够增加系统的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，变气隙箔片轴承，包括

轴承座，具有轴孔；

多组箔片组件，沿所述轴孔的周向依次排列，所述箔片组件包括

波箔，沿所述轴孔的周向卷曲，所述波箔嵌套在所述轴孔中，并与所述轴承座连接；

平箔，沿所述轴孔的周向卷曲，所述平箔搭接在所述波箔内侧，并与所述轴承座连接；

其中，沿所述轴孔的周向，所述箔片组件包括生成区和稳定区；在所述生成区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的旋转方向逐渐升高；在所述稳定区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的转动方向保持不变。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述轴承座的内壁上沿周向设有多个卡槽，所述波箔具有第一自由端和第一固定端，所述第一固定端设有沿径向向外弯折的第一翼缘，所述第一翼缘沿伸至所述卡槽中固定，由所述第一固定端到所述第一自由端的方向与所述平箔内轴颈的旋转方向相反；所述平箔具有第二自由端和第二固定端，所述第二固定端设有沿径向向外弯折的第二翼缘，所述第二翼缘沿伸至所述卡槽中固定，由所述第二固定端到所述第二自由端的方向与所述平箔内轴颈的旋转方向相反。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述第一固定端和所述第二固定端平齐。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述生成区和所述稳定区在P点交汇，P点与所述轴孔中心O点连线OP与轴颈重力方向的夹角为安装角ψ，0°≤ψ≤45°。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，沿周向所述生成区的两端与所述轴孔中心O点连线的夹角为α，所述箔片组件两端与所述轴孔中心O点连线的夹角为γ，生成比K＝α/γ，0.5≤K≤0.7。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，生成区顶点圆弧与所述波箔在所述生成区的顶点相切，生成区顶点圆弧的圆心O_g与所述轴孔中心O的距离为R_g，R_g与轴颈半径R_f的比值λ＝R_g/R_f，0.01≤λ≤0.1。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，稳定区顶点圆弧与所述波箔在所述稳定区的顶点相切，所述生成区顶点圆弧与所述稳定区顶点圆弧在所述生成区和所述稳定区交汇的位置相切。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，在生成区，所述平箔的外圆弧与所述生成区顶点圆弧重合；在稳定区，所述平箔的外圆弧与所述稳定区顶点圆弧重合。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述平箔采用高温合金片材通过模具卷制定型而成，所述波箔采用高温合金片材通过模具冲压成型。

第二方面，高速电机，包括第一方面任一实现方式所述的变气隙箔片轴承。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

采用径向高度变化的波箔为平箔提供支撑，使得轴颈与平箔表面在圆周方向形成多个楔形气膜间隙，更容易依靠气体楔形动压效应原理产生压力场，轴承具有良好的自对中能力和自然稳定性，特别适合于高速和超高速工况。

轴颈与平箔表面在稳定区具有一段等厚度的气膜间隙，该稳定区气膜间隙由于厚度小，气隙均匀，因此具有更大的空间气阻，有利于动压气膜的形成，同时，稳定区的存在保证了轴承承载动压区的宽度，且气隙小而均匀，减小了动压气体泄漏，承载能力高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例波箔结构示意图；

图3是图1所示的一个实施例平箔结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”仅用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明的实施例提供了一种变气隙箔片轴承，包括轴承座1和多组箔片组件，各组箔片组件均包括波箔2和平箔3，轴承座1、波箔2和平箔3沿径向由外到内依次套装形成一个整体部件，其能够直接安装到需要变气隙箔片轴承的旋转设备或仪器上，方便独立设计、生产、运输、装配、维修和更换。使用时，轴颈4穿过平箔3限定出的内孔，并转动，转动方向如图1中箭头方向，平箔3与轴颈4间形成楔形间隙，为工作气膜提供润滑表面，波箔2位于平箔3底部，为平箔3提供支撑刚度和阻尼，即由于波箔2的弹性和变形，使得轴承能够适应不同的转速、负载等工况，建立不同厚度的气膜，适应性更好，而且柔性的支撑表面，使得轴承能承受一定范围内的轴颈4角度和同轴度偏差。另一方面，波箔2和平箔3产生的阻尼效应，能够有效抑制振动，使系统具有良好的稳定性。

参见图1，轴承座1具有轴孔，轴承座1作为整个轴承的骨架部件，有一定的厚度和整体刚性，可以保证多组箔片组件安装后成为一个不容易变形的整体轴承，该轴承可直接安装于各种需要变气隙箔片轴承的旋转设备或仪器上。

参见图1、图2，波箔2沿轴孔的周向卷曲，波箔2具有多个拱形波，用于为平箔3提供弹性支撑，波箔2嵌套在轴孔中，并与轴承座1连接，波箔2的外圈与轴承座1的内壁贴合。

参见图1、图3，平箔3沿轴孔的周向卷曲，平箔3搭接在波箔2内侧，并与轴承座1连接，平箔3用于与轴颈4配合，并在工作时与轴颈4之间形成楔形间隙。

参见图1，波箔2和搭接在内侧的平箔3形成一组箔片组件，多组箔片组件沿轴孔的周向依次排列。

其中，波箔2具有不等高结构，平箔3搭接在不等高支撑的波箔2内侧，平箔3表面与轴颈4间形成变厚度的初始气膜间隙。参见图1、图2，沿轴孔的周向，箔片组件包括生成区5和稳定区6，箔片组件两端与轴孔中心O点连线的夹角为箔片组件张角γ，生成区5的两端与轴孔中心O点连线的夹角为生成角α，稳定区6的两端与轴孔中心O点连线的夹角为稳定角β；在生成区5，即在生成角α范围内，波箔2的径向高度沿平箔3内轴颈4的旋转方向逐渐升高，轴颈4与平箔3表面形成厚度逐渐减小的收敛间隙C_b。该实施例采用径向高度变化的波箔2为平箔3提供支撑，使得轴颈4与平箔3表面在圆周方向形成多个楔形气膜间隙，更容易依靠气体楔形动压效应原理产生压力场，轴承具有良好的自对中能力和自然稳定性，特别适合于高速和超高速工况。

参见图1，在稳定区6，即在稳定角β范围内，波箔2的径向高度沿平箔3内轴颈4的转动方向保持不变，轴颈4与平箔3表面形成等厚气膜间隙C_w。轴颈4与平箔3表面在稳定区6具有一段等厚度的气膜间隙，该稳定区6气膜间隙由于厚度小，气隙均匀，因此具有更大的空间气阻，有利于动压气膜的形成，同时，稳定区6的存在保证了轴承承载动压区的宽度，且气隙小而均匀，减小了动压气体泄漏，承载能力更高。

波箔2和平箔3在轴承座1中可以通过多种结构方式进行定位，例如在一些实施例中，波箔2和平箔3通过轴承座1两端的端盖进行固定限位，在另外一些实施例中，波箔2和平箔3通过由平箔3伸出的翼翅与轴承座1配合进行固定限位。

参见图1，在一些实施例中，轴承座1的内壁上沿周向设有多个卡槽11，多组箔片组件沿周向均匀排列，相邻两组箔片组件相互间隔开。参见图2，波箔2具有第一自由端21和第一固定端22，第一固定端22设有沿径向向外弯折的第一翼缘23，第一翼缘23沿伸至卡槽11中固定，由第一固定端22到第一自由端的方向与平箔3内轴颈4的旋转方向相反，使得轴颈4在高速转动时，轴颈4与波箔2之间的气膜将波箔2撑开，避免波箔2将轴颈4抱死。

参见图3，平箔3具有第二自由端31和第二固定端32，第二固定端32设有沿径向向外弯折的第二翼缘33，第二翼缘33沿伸至与波箔2相同或不同的卡槽11中固定，第一固定端22和第二固定端32平齐，由第二固定端32到第二自由端31的方向与平箔3内轴颈4的旋转方向相反，使得轴颈4在高速转动时，轴颈4与平箔3之间的气膜将平箔3撑开，避免平箔3将轴颈4抱死。

参见图1，工作中，轴颈4中心与轴孔中心O会产生偏移，轴颈4中心与轴孔中心O的连线与载荷方向的夹角为偏位角θ。轴颈4中心偏离轴孔中心O的实际距离与最大可偏移距离的比值为偏心率ε。生成区5和稳定区6在P点交汇，P点与轴孔中心O点连线OP与轴颈4重力方向的夹角为安装角ψ。在一些实施例中，0°≤ψ≤45°。安装角ψ在上述范围内的目的在于，使轴承在任一偏心率ε工况下的偏位角θ均大于轴承的安装角ψ，即轴承的实际承载点落在所述稳定区6范围内，使轴承承载能力更大，稳定性更好。

参见图1，生成角α与箔片组件张角γ的比值定义为生成比K，即生成比K＝α/γ。在一些实施例中，0.5≤K≤0.7，生成区5和稳定区6适用该比例时，一方面，使得轴颈4与平箔3表面在圆周方向形成适当长短的多个楔形气膜间隙，更容易依靠气体楔形动压效应原理产生压力场，轴承具有良好的自对中能力和自然稳定性，特别适合于高速和超高速工况。另一方面，使得轴颈4与平箔3表面先圆周方向形成适当长短的多个等厚气膜，等厚气膜由于厚度小，气隙均匀，因此具有更大的空间气阻，有利于动压气膜的形成，同时，等厚气膜的存在保证了轴承承载动压区的宽度，且气隙小而均匀，减小了动压气体泄漏，承载能力高。

参见图1，生成区顶点圆弧7与波箔2在生成区5的顶点相切，即波箔2在生成区5内，各拱形波顶点连接形成生成区顶点圆弧7，生成区顶点圆弧7的半径为R_c，生成区顶点圆弧7的圆心O_g与轴孔中心O的距离为R_g，以轴孔中心O为圆心，R_g为半径形成的圆定义为生成圆9，长度R_g定义为生成圆9半径，生成圆9半径R_g与轴颈4半径R_f的比值定义为偏移比λ，即λ＝R_g/R_f。偏移比λ是本发明轴承结构气膜间隙形状的决定性参数，在一些实施例中，0.01≤λ≤0.1。偏移比λ在上述范围区间的目的在于，偏移比λ越大，轴颈4与平箔3间的楔形气膜间隙越明显，越有利于形成动压效应，但是相应地波箔2的高度差也越大，波箔2的高度是有限的，偏移比λ过大容易造成波箔2高度增加而降低刚度和承载。

参见图2，稳定区顶点圆弧8与波箔2在稳定区6的顶点相切，即波箔2在稳定区6内，各拱形波顶点连接形成稳定区顶点圆弧8。生成区顶点圆弧7与稳定区顶点圆弧8在生成区5和稳定区6交汇的位置相切。

参见图1，平箔3搭接在波箔2内侧，在生成区5，平箔3的外圆弧与生成区顶点圆弧7重合；在稳定区6，平箔3的外圆弧与稳定区顶点圆弧8重合，平箔3的外圆弧在P点出相切，生成区平箔3与稳定区平箔3在P点光滑过渡，无应力集中，平箔3的受力特性更好。同时，轴颈4与轴承表面的气膜间隙在P点也是均匀变化的，由生成区5向稳定区6流动的压气体在此均匀过渡，轴承稳定性好。

在一些实施例中，平箔3采用高温合金片材通过模具卷制定型而成，波箔2采用高温合金片材通过模具冲压成型，利于批量化生产，制造成本低。其中，高温合金如GH4169，GH2132等，这类材料耐高温、耐腐蚀，可在600℃范围内人保持良好的机械性能，使变气隙箔片轴承的工作温度范围更广，适应性更强，寿命更长。

本发明的实施例提供了一种高速电机，包括定子、转子以及以上任一实施例中的变气隙箔片轴承。其中，转子与轴颈4连接，轴颈4通过变气隙箔片轴承旋转支撑，变气隙箔片轴承的结构特点和技术效果已经在上文中详述，不再赘述。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.变气隙箔片轴承，其特征在于：包括

轴承座，具有轴孔；

多组箔片组件，沿所述轴孔的周向依次排列，所述箔片组件包括

波箔，沿所述轴孔的周向卷曲，所述波箔嵌套在所述轴孔中，并与所述轴承座连接；

平箔，沿所述轴孔的周向卷曲，所述平箔搭接在所述波箔内侧，并与所述轴承座连接；

其中，沿所述轴孔的周向，所述箔片组件包括生成区和稳定区，生成区和稳定区交汇；在所述生成区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的旋转方向逐渐升高，轴颈与平箔表面形成厚度逐渐减小的收敛间隙；在所述稳定区，所述波箔的径向高度沿所述平箔内轴颈的转动方向保持不变，轴颈与平箔表面形成等厚气膜间隙，所述生成区和所述稳定区在P点交汇，P点与所述轴孔中心O点连线OP与轴颈重力方向的夹角为安装角ψ，0°＜ψ≤45°。

2.根据权利要求1所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：所述轴承座的内壁上沿周向设有多个卡槽，所述波箔具有第一自由端和第一固定端，所述第一固定端设有沿径向向外弯折的第一翼缘，所述第一翼缘延伸至所述卡槽中固定，由所述第一固定端到所述第一自由端的方向与所述平箔内轴颈的旋转方向相反；所述平箔具有第二自由端和第二固定端，所述第二固定端设有沿径向向外弯折的第二翼缘，所述第二翼缘延伸至所述卡槽中固定，由所述第二固定端到所述第二自由端的方向与所述平箔内轴颈的旋转方向相反。

3.根据权利要求2所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：所述第一固定端和所述第二固定端平齐。

4.根据权利要求1所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：沿周向所述生成区的两端与所述轴孔中心O点连线的夹角为α，所述箔片组件两端与所述轴孔中心O点连线的夹角为γ，生成比K=α/γ，0.5≤K≤0.7。

5.根据权利要求1所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：生成区顶点圆弧与所述波箔在所述生成区的顶点相切，生成区顶点圆弧的圆心O_g与所述轴孔中心O的距离为R_g，R_g与轴颈半径R_f的比值λ=R_g/R_f，0.01≤λ≤0.1。

6.根据权利要求5所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：稳定区顶点圆弧与所述波箔在所述稳定区的顶点相切，所述生成区顶点圆弧与所述稳定区顶点圆弧在所述生成区和所述稳定区交汇的位置相切。

7.根据权利要求6所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：在生成区，所述平箔的外圆弧与所述生成区顶点圆弧重合；在稳定区，所述平箔的外圆弧与所述稳定区顶点圆弧重合。

8.根据权利要求1所述的变气隙箔片轴承，其特征在于：所述平箔采用高温合金片材通过模具卷制定型而成，所述波箔采用高温合金片材通过模具冲压成型。

9.高速电机，其特征在于：包括权利要求1～8中任一项所述的变气隙箔片轴承。

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