一种优化带箔片空气轴承的转子性能的方法与流程

本发明涉及高速鼓风机技术领域。

背景技术：

鼓风机由于叶轮在机体内运转，因无摩擦、无需润滑使得排出的气体不含油的成分，成为化工、食品等工业理想的气力输送气源，并在污水处理系统的鼓风曝气，发电厂脱硫脱硝的吹脱，煤粉、水泥建材的物料输送，炼钢冶金、纺织印染、大型船舶等领域得以广泛应用。

箔片空气轴承比其他种类轴承更适用于高速轻载鼓风机领域：滚动轴承在工作过程中存在接触磨损，难以实现高转速、长寿命工作。磁悬浮轴承适用于高速重载领域，但存在控制系统复杂、价格高昂、因使用了高精度传感器而不适宜恶劣工作环境的不足。液体滑动轴承需要额外的供油系统、电机机座内供油管路复杂且易泄露、高速下剪切摩擦功耗大导致温升高。所以，在高速轻载的鼓风机上应用箔片空气轴承具有独特的优势。

然而，箔片空气轴承承载力弱、刚度低的特点给转子结构设计带来极大挑战。转子总质量受限于箔片空气轴承低下的的承载能力，需要尽量减重优化。因永磁体抗拉强度低在高速离心拉应力作用下易于破坏，从而限制了转子外径尺寸，降低了转轴的刚度。较低的轴承刚度及转轴刚度使转子动力学设计变得极为困难，并对转轴与叶轮之间的匹配性提出苛刻要求。因此，欲要研制高转速、长寿命单级直联式鼓风机，就要解决上述有关技术难点，设计出一种结构紧凑、质量小及转子动力学特性优良的转子结构。

申请号为201410410513的中国发明专利公开了一种空气悬浮离心鼓风机，包括电机、电机底座、导流口、排气口、涡轮和蜗壳。转子与左涡轮和右涡轮通过转子芯轴同轴连接。电机壳内设有左、右径向轴承组件，径向轴承组件包括径向轴承座、径向轴承、左轴承位和径向轴承压盖，径向轴承为箔片式动压气体径向轴承。电机壳内右侧设有内止推轴承座、外止推轴承座和止推盘，内止推轴承座和止推盘之间设有内止推轴承，止推盘与外止推轴承座之间设有外止推轴承。内止推轴承和外止推轴承以及径向轴承均为箔片式动压气体止推轴承。该现有技术，传统感应异步电机的转子导条、冲片等零件在高速下易因拉应力过大而破坏，所以最高转速受到很大限制，且与永磁电机相比，功率密度小、效率低、经济运行范围窄。

申请号为201610327807.5的中国发明专利申请公开了一种超高速鼓风机，其转动连接件是具有一个空腔的圆筒状结构，转动连接件套设在靠近叶轮的转轴上、并与叶轮和转轴端部分别相契合连接，其侧部位于由壳体的外筒与内筒所形成的空腔内；槽式动压气体径向轴承和转轴均位于壳体的内筒腔内，且槽式动压气体径向轴承套设在转轴上。该现有技术，电机转子结构复杂，不紧凑。

申请号为201310703932.8的中国发明专利公开了一种废气涡轮发电机，其传动单元中，轴与涡轮连接的一端定义为前端，轴的另外一端定义为后端。涡轮与轴进行固定后当涡轮转动时就可以带动轴进行转动。轴上安装有套筒，套筒和轴采用键连接，套筒上设置有推力盘。套筒和涡轮之间的轴上设置有套筒，设置上述套筒的可以进一步轴向固定上述套筒和推力盘。该现有技术，采用实心转轴则转轴质量较大，箔片轴承所承载叶轮质量受到很大限制。套筒内设置细长拉杆，则拉杆长径比大，加工难度大，且刚性差。采用键连接容易产生额外的动不平衡力，不适宜高速场合。

申请号为201610296970.x的中国发明专利申请公开了一种燃料电池发动机的两级串联增压直取离心式空压机，主轴采用中空主轴，主轴的两端均内置螺杆，螺杆分别与左端叶轮和右端叶轮通过预紧螺母进行固定，并采用高强度胶水进行粘接。该现有技术，未采用实心永磁体造成铁芯长度较长，转子动力学特性较差。转轴中心孔直径比拉杆螺纹直径小，减重效果不明显。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种优化带箔片空气轴承的转子性能的方法，其能优化转子的动力学特性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种优化带箔片空气轴承的转子性能的方法，将转子的永磁体设置为实心永磁体，在实心永磁体一端连接一根前端转轴，在实心永磁体另一端连接一根后端转轴，在前端转轴上安装前箔片空气轴承，在后端转轴上依次安装径向止推联合箔片空气轴承、l形推力盘、止推箔片空气轴承；通过保护套将前端转轴、实心永磁体、后端转轴连接成一体，保护套采用过盈配合联接方式套装在前端转轴、实心永磁体、后端转轴上，借助保护套与前端转轴、实心永磁体、后端转轴之间的过盈配合联接实现扭矩的向前、向后传递，依靠前箔片空气轴承和径向止推联合箔片空气轴承实现对径向载荷的承载，l形推力盘在径向止推联合箔片空气轴承和止推箔片空气轴承的联合作用下实现对轴向载荷的承载。

将带箔片空气轴承的转子设置成高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子，来实现带箔片空气轴承的转子性能的优化；所述高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子，包括离心式叶轮、实心永磁体、拉杆、前箔片空气轴承、前端转轴、保护套、后端转轴、径向止推联合箔片空气轴承、l形推力盘、止推箔片空气轴承；所述实心永磁体的左端连接前端转轴、右端连接后端转轴；所述拉杆连接前端转轴，离心式叶轮安装在拉杆上，离心式叶轮通过拉杆与前端转轴连为一体；前箔片空气轴承安装在前端转轴左端；保护套套装在前端转轴、实心永磁体和后端转轴上；径向止推联合箔片空气轴承、l形推力盘、止推箔片空气轴承从左至右依次安装在后端转轴的右端；所述保护套与实心永磁体之间、保护套与前端转轴之间、保护套与后端转轴之间的联接方式均为过盈配合联接。

所述实心永磁体采用实心圆柱的结构形式，从而提高转子系统的刚度。

所述前端转轴和后端转轴均为空心式结构，通过采用空心式结构以减小前端转轴和后端转轴的质量；前端转轴的右端为封闭端；拉杆插入在前端转轴的中心线处，拉杆右端与前端转轴右端连接，离心式叶轮连接在拉杆的左端；所述保护套套装在前端转轴右段、后端转轴左段和实心永磁体上。

所述离心式叶轮通过叶轮固定螺母、拉杆与前端转轴连为一体，叶轮固定螺母安装在拉杆上，叶轮固定螺母旋紧方向与离心式叶轮转动方向相同；所述保护套采用不锈钢、钛合金或碳纤维材料；所述l形推力盘通过推力盘锁紧螺母安装在后端转轴上。

也可以是，所述前端转轴和后端转轴均为空心式结构，前端转轴中段内部设有与前端转轴一体相连的径向块；拉杆插入在前端转轴的中心线处，拉杆右端连接在径向块上，离心式叶轮连接在拉杆的左端。

通过采用l形推力盘，来保证锥面配合的精度和配合面的长度。

通过缩短拉杆长度和降低拉杆长径比，来提高拉杆刚性。

本发明采用的高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子，结构紧凑、质量小且转子动力学特性优良，为研制高转速、长寿命单级直联式鼓风机提供了有效的实现方案。本发明的有益效果具体如下：1、叶轮与转轴通过拉杆组合成一体，结构紧凑；2、转子大量采用了空心减重优化结构，确保了空气轴承具备足够的承载能力；3、实心圆柱永磁体组合转子，克服了在高速条件下内置式转子永磁体及铁芯强度不足的缺点；4、永磁体采用实心圆柱的结构形式，既能以较短的永磁体为电机磁路提供足够的磁动势，降低了永磁体加工的难度，改善了永磁体加工工艺性，又可以缩短前后轴承之间的跨距，从而提高转子系统的刚度，确保电机的安全运行区域足够宽广，进而保证了电机的可靠性。5、保护套与永磁体之间的过盈配合避免了永磁体在高速离心拉应力作用下的破坏；6、将推力盘设计为“l”形，确保了配合面的长度，保证了锥面配合的精度。

附图说明

图1为实施例一中的高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子的结构示意图；

图2为实施例二中的高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子的结构示意图；

图中：1、拉杆；2、叶轮固定螺母；3、离心式叶轮；4、前箔片空气轴承；5、前端转轴；6、保护套；7、实心永磁体；8、后端转轴；9、径向止推联合箔片空气轴承；10、l形推力盘；11、止推箔片空气轴承；12、推力盘锁紧螺母。

具体实施方式

实施例一：

一种优化带箔片空气轴承的转子性能的方法，将带箔片空气轴承的转子设计制作成高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子。通过保护套将前端转轴、实心永磁体、后端转轴连接成一体，将保护套采用过盈配合联接方式套装在前端转轴、实心永磁体、后端转轴上，借助保护套与前端转轴、实心永磁体、后端转轴之间的过盈配合联接实现扭矩的向前、向后传递，依靠前箔片空气轴承和径向止推联合箔片空气轴承实现对径向载荷的承载，l形推力盘在径向止推联合箔片空气轴承和止推箔片空气轴承的联合作用下实现对轴向载荷的承载。

请参考图1，上述高速鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子，包括：拉杆1、叶轮固定螺母2、离心式叶轮3、前箔片空气轴承4、前端转轴5、保护套6、实心永磁体7、后端转轴8、径向止推联合箔片空气轴承9、l形推力盘10、止推箔片空气轴承11、推力盘锁紧螺母12。所述实心永磁体的左端连接前端转轴、右端连接后端转轴；拉杆插入在前端转轴的中心线处，拉杆右端与前端转轴右端连接，离心式叶轮连接在拉杆的左端。离心式叶轮安装在拉杆上，离心式叶轮通过叶轮固定螺母、拉杆与前端转轴连为一体，叶轮固定螺母安装在拉杆上，叶轮固定螺母旋紧方向与离心式叶轮转动方向相同。前箔片空气轴承安装在前端转轴左端；实心永磁体为圆柱形结构，保护套套装在前端转轴右段、实心永磁体、后端转轴左段上；保护套与实心永磁体之间、保护套与前端转轴之间、保护套与后端转轴之间的联接方式均为过盈配合联接。径向止推联合箔片空气轴承、推力盘、止推箔片空气轴承从左至右依次安装在后端转轴的右端。前端转轴和后端转轴均为空心式结构（转轴内部掏空或部分掏空，转轴为中空的圆柱状结构），转轴两端可设为封闭端。

前端转轴通过拉杆与叶轮连为一体，并借助它们之间的端面摩擦将扭矩传递给叶轮，从而实现叶轮对空气做功。叶轮及拉杆的固定靠与叶轮旋转方向相反的螺纹连接实现，以避免在高速惯性力作用下产生的蠕动松脱。前端转轴、后端转轴尽可能地采用了空心式结构以减轻转轴质量，弥补了空气轴承承载能力低的不足。实心永磁体采用实心圆柱的结构形式，既能以较短的永磁体为电机磁路提供足够的磁动势，降低了实心永磁体加工的难度，改善了永磁体加工工艺性，又可以缩短前后轴承之间的跨距，从而提高转子系统的刚度，确保电机的安全运行区域足够宽广，进而保证了电机的可靠性。

实心圆柱永磁体与保护套之间采用过盈联接，以避免永磁体受到过大的高速离心拉应力而造成破坏。借助保护套与前端转轴、后端转轴之间的过盈配合实现了扭矩的向前、向后传递。借助过盈配合，将保护套、前端转轴、实心永磁体、后端转轴连接成一体（通过保护套将前端转轴、实心永磁体、后端转轴连接成一体）。其中保护套可以采用不锈钢、钛合金或碳纤维等材料。组合式转子靠前箔片空气轴承和径向止推联合箔片空气轴承承载径向载荷。l形推力盘在径向止推联合箔片空气轴承和止推箔片空气轴承的联合作用下实现对轴向载荷的承载。为了保证锥面配合的精度，需要确保配合面的长度，故将推力盘设计为“l”形。后端转轴右端设有与推力盘锁紧螺母相匹配的螺纹，l形推力盘通过推力盘锁紧螺母安装在后端转轴上。

本发明基于箔片空气轴承高速轻载的特性，构思了一种实心永磁体组合式转子，简化了转子结构、减少了转轴质量，缩短了轴承跨距，提高了转子刚性，有利于实现离心式鼓风机的高速化、大功率化。

本发明适用于卧式鼓风机装置所需的直驱式高速电机的转子组件。

本发明适用于将箔片空气轴承替换为静压空气轴承或刚性轴瓦动压空气轴承的场合。

高速离心鼓风机用箔片空气轴承支撑实心永磁体组合式转子的制造方法,包括如下步骤：

步骤一：准备和制作零部件，包括拉杆、叶轮固定螺母、离心式叶轮、前箔片空气轴承、前端转轴、保护套、实心永磁体、后端转轴、径向止推联合箔片空气轴承、l形推力盘、止推箔片空气轴承、推力盘锁紧螺母；其中，实心永磁体制作成圆柱实心结构，前端转轴和后端转轴均制作成空心式结构，拉杆的左端加工用于安装叶轮固定螺母的螺纹，螺纹旋向与叶轮旋转方向相反（使得叶轮固定螺母拧紧方向与叶轮旋转方向相同），后端转轴右端加工用于安装推力盘锁紧螺母的螺纹；

步骤二：进行组装，包括如下分步骤：

1、将保护套套装在前端转轴、实心永磁体和后端转轴上；保护套与实心永磁体之间、保护套与前端转轴之间、保护套与后端转轴之间的联接方式均为过盈配合联接；

2、将前箔片空气轴承安装在前端转轴左端；

3、将径向止推联合箔片空气轴承、推力盘、推力盘锁紧螺母、止推箔片空气轴承从左至右依次安装在后端转轴的右端；

4、将拉杆连接前端转轴，离心式叶轮安装在拉杆上，使得离心式叶轮通过拉杆与前端转轴连为一体；

5、将叶轮固定螺母安装在拉杆左端上并拧紧；

6、完成组装。

实施例二：

请参考图2，作为上述方案的进一步改进：前端转轴中段内部设有与前端转轴一体相连的径向块；拉杆插入在前端转轴的中心线处，拉杆右端连接在径向块上，进一步缩短拉杆长度，降低拉杆长径比（相应地，前端转轴的结构作了与拉杆相配合的改进，同样，制造安装时，拉杆与前端转轴的连接也要作相应变动），提高拉杆加工工艺性及拉杆刚性，避免因拉杆刚性差导致的转子固有频率降低。其他与实施例一相同。

虽然本发明已较好的对实施例进行了说明如上，然而并非用以限定于本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改等同变化及修饰，均应属于本发明技术方案保护的范围。