一种混合式轴承结构的空气悬浮高速离心风机的制作方法

1.本发明属于离心鼓风机设备领域，具体是一种具备高可靠性混合式轴承结构的离心鼓风机。


背景技术：

2.空气悬浮式高速直驱离心鼓风机广泛应用于食品医药、卫生环保等领域，与传统罗茨鼓风机不同，其使用空气悬浮轴承，采用直连技术，以及永磁高速电机、高效离心叶轮和高频无级变速技术，具有直驱无传动、悬浮无摩擦等突出特点，在高效节能上具备显著优势，能为客户创造良好的价值，且已在污水处理领域得到了大量应用，以替代传统的罗茨风机、多级离心风机、单级高速离心风机等设备，是高效鼓风机的发展方向。
3.但是，空气悬浮式高速直驱离心鼓风机在运行过程中，由于高速运动受到的作用力较大；空气悬浮轴承，特别是空气悬浮推力轴承由于需要承受较大的轴向力，导致其仍然是整个空气悬浮系统中故障率相对较高的一个环节，目前来看有必要提高其性能，从而提升整机设备的运行可靠性。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合式轴承结构的空气悬浮高速离心风机，其可以有效加强气悬浮推力轴承的负载能力。
5.本发明所述的混合式轴承结构的空气悬浮高速离心风机，包括机壳、定子总成、转子总成、蜗壳，其中蜗壳安装在机壳的前端；所述转子总成包括转轴、安装在转轴上靠近蜗壳一侧的止推盘、安装在转轴前端的大叶轮、安装在转轴后端的小叶轮；定子总成安装在机壳内且围绕转轴外圆周设置；在转轴前后轴颈处分别安装气悬浮前径向轴承和气悬浮后径向轴承；在止推盘前后侧分别装有气悬浮前推力轴承和气悬浮后推力轴承；在气悬浮后推力轴承后侧安装受力方向指向离心风机前端的电磁推力轴承组件。
6.本发明通过增加电磁推力轴承组件，且该组件的受力方向沿轴向指向离心风机前端(即大叶轮方向)，增加了原有气悬浮后推力轴承的作用力，两者和气悬浮前推力轴承协同作用，改善了推力轴承的整体负载能力。
7.所述电磁推力轴承组件可有多种构型，其中一种的具体结构包括电磁轴承底座、电磁轴承绕组及电磁轴承绕组引出线若干部件，所述电磁轴承底座具有开口朝向大叶轮一侧的环形凹槽，凹槽内放置电磁轴承绕组，电磁轴承绕组的作用面紧贴气悬浮后推力轴承设置，电磁轴承绕组引出线通过通道引出至机壳外。这种设计可以使电磁推力轴承组件在轴向固定和径向安装上达成一个平衡，使整体的安装便利性和可靠性都得到提升。
8.所述气悬浮后推力轴承可以安装在一个气悬浮推力轴承底板上，电磁轴承绕组作用面紧贴气悬浮推力轴承底板设置，通过气悬浮推力轴承底板将电磁推力轴承产生的可调节轴向力传递给气悬浮后推力轴承；电磁轴承底座、电磁轴承绕组及电磁轴承绕组引出线、气悬浮推力轴承底板和气悬浮后推力轴承共同组成混合式后推力轴承总成。
9.为了使混合式后推力轴承总成和气悬浮前推力轴承更好的协同作用，在所述机壳内与转轴前轴颈对应位置并列安装固定有推力轴承前板和推力轴承后板，其中推力轴承后板具有与电磁轴承底座外缘适配的圆孔，电磁轴承底座穿过该圆孔；气悬浮前推力轴承安装在推力轴承前板的后侧面上，推力轴承前板和推力轴承后板、混合式后推力轴承总成之间形成腔室空间，止推盘安装在该腔室空间中。这种结构的设计使得转子整体体积比较紧凑。
10.为了使止推盘受力面覆盖气悬浮推力轴承的受力面，所述止推盘的外径大于气悬浮前推力轴承和气悬浮后推力轴承的外径。一般止推盘的外径偏大6-10mm。
11.所述混合式后推力轴承总成的电磁轴承底座材质为软磁铁心材料。实际应用中，为了减小电磁轴承结构的磁路阻力，提高电磁轴承的功率密度，一般选用导磁性能良好的软磁材料作为电磁轴承底座材质
12.所述气悬浮前径向轴承、气悬浮后径向轴承、气悬浮前推力轴承、气悬浮后推力轴承为箔片式空气悬浮轴承。
13.有益效果如下：
14.本发明根据单级大叶轮类的离心风机实际受力情况，在综合考虑经济性和结构复杂性两方面基础上，针对主要受力的气悬浮前推力轴承进行加强，而不是对推力轴承两个方向都进行增强，也没有对径向部分气悬浮轴承进行加强，因此仅需提供一个方向的力即可，增加部分的结构简单、成本不高。比如轴承部分只需要增加一组环形线圈；另外，针对该部分的控制也相对简单，仅需根据一维方向上的位置来调整线圈部分的电流所施加的电磁力；再另外，环形线圈的磁路部分铁心，也可以采用普通软磁材料、而不必采用高频专用的特殊软磁材料，成本较低。
15.本发明充分利用传统气悬浮推力轴承中的后半部分空间，在增加空间不多的情况下，能够结合电磁轴承对传统气悬浮推力轴承的辅助增强，提高传统气悬浮推力轴承在主要受力方向的负载能力，结构简单，针对性强。
16.本发明原有的气悬浮推力轴承中的后半部分，推力轴承的有效载荷面积变小，在该方向上的负载能力有所减小，但是考虑到风机在该方向上的实际受力较小，相比于在指向大叶轮进气口方向的受力要明显小很多，所以，适当减小这部分推力轴承的载荷面积是能满足风机使用需求，完全不影响风机正常使用。由于大叶轮在左侧产生较大的轴向力，气悬浮前推力轴承的受力也就较大，设计中要求其有更大的负载能力，也就是需要足够的有效载荷面积。同时气悬浮后推力轴承的受力较小，其负载能力的要求也小，相应的有效载荷面积可以适当减小，在这部分减小的有效载荷面积上，用来放置电磁轴承是比较合理的设计，这样不会影响原来气悬浮后推力轴承的负载需求。
附图说明
17.图1是离心鼓风机的剖面结构示意图。
18.图2是混合式后推力轴承总成的局部放大图。
19.图3是气悬浮前推力轴承的示意图。
20.图4是混合式后推力轴承总成的示意图。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明进行详细描述。
22.如图1所示，本发明的空气悬浮高速离心风机主要包括机壳1、定子总成2、后径向轴承板3、后径向轴承座4、后机壳5、转子总成6、蜗壳7、进气口8、大叶轮背板9、推力轴承前板10、推力轴承后板11、混合式后推力轴承总成12、前径向轴承座13等部分。
23.图1中的转子总成6主要包括转轴6-1、安装在转轴6-1上靠近蜗壳7一侧的止推盘6-3和大叶轮6-4、安装在后端的小叶轮6-2。定子总成2包括定子铁心2-1、铜线绕组2-2、引出线2-3，定子总成2安装在机壳1内且围绕转子中段的外圆周设置。后径向轴承板3安装在机壳1后端，且在后径向轴承板3内圆处安装有后径向轴承座4，后径向轴承座4内侧围绕转轴6-1后轴颈处安装有气悬浮后径向轴承4-1。蜗壳7安装在机壳1的前端，蜗壳7上装有进气口8。
24.如图2所示，机壳1前端内侧装有大叶轮背板9，推力轴承前板10安装固定在机壳1上、位于大叶轮背板9的靠近电机也即远离大叶轮一侧，在推力轴承前板10靠近电机一侧的面上装有气悬浮前推力轴承10-1。在推力轴承前板10后侧并排安装有推力轴承后板11，在推力轴承后板11的内缘安装有混合式后推力轴承总成12，该混合式后推力轴承总成12包括电磁轴承底座12-1、电磁轴承绕组12-2及电磁轴承绕组引出线12-3、气悬浮推力轴承底板12-4和气悬浮后推力轴承12-5，其中推力轴承后板11具有与电磁轴承底座12-1外缘适配的圆孔，电磁轴承底座12-1穿过该圆孔并安装在其中。电磁轴承底座12-1具有开口朝向大叶轮一侧的环形凹槽，凹槽内放置电磁轴承绕组12-2，电磁轴承绕组引出线12-3引出至机壳1外，在凹槽内的接近开口的位置安装有气悬浮推力轴承底板12-4，气悬浮推力轴承底板12-4的靠近大叶轮侧的面上安装有气悬浮后推力轴承12-5。推力轴承前板10和推力轴承后板11、混合式后推力轴承总成12之间形成腔室空间，止推盘6-5伸入该腔室空间，止推盘6-5在位于大叶轮侧面方向安装气悬浮前推力轴承10-1，止推盘6-5在位于电机侧面方向安装气悬浮后推力轴承12-5。在混合式后推力轴承总成12靠近电机侧的在机壳1上安装有前径向轴承座13，前径向轴承座13内侧装有气悬浮前径向轴承13-1。
25.在气悬浮前推力轴承10-1的外侧的推力轴承前板10上安装有前位置传感器10-2，前位置传感器10-2的探头部分面向靠近电机一侧，其用于检测其与止推盘6-3之间的距离。在推力轴承后板11上安装有后位置传感器11-1，后位置传感器11-1的探头部分面向大叶轮一侧，其用于检测其与止推盘6-3之间的距离。前位置传感器10-2和后位置传感器11-1的传感器引出线11-2引至机壳1外。
26.如图3，在气悬浮前推力轴承10-1的外侧的推力轴承前板10上安装有前温度传感器10-3，其测温部分面向靠近电机一侧，用于检测气悬浮前推力轴承10-1从该处流出气体的温度。如图4，在气悬浮后推力轴承12-3的外侧的推力轴承后板11上安装有后温度传感器11-3，其测温部分面向靠近大叶轮一侧，用于检测气悬浮后推力轴承12-3从该处流出气体的温度。前温度传感器10-3和后温度传感器11-3的数量是气悬浮推力轴承的顶箔片数量的一半，圆周上对称分布，位置放置在与气悬浮推力轴承的顶箔片中线位置附近。前温度传感器10-3和后温度传感器11-3的引出线11-2至机壳1外。
27.止推盘6-3的外径要大于气悬浮前推力轴承10-1的外径、也要大于气悬浮后推力轴承12-5的外径，一般止推盘6-3的外径偏大6-10mm。
28.前位置传感器10-2和后位置传感器11-1可以选用电涡流式位移传感器、电容式位移传感器或电感式位移传感器。
29.混合式后推力轴承总成12的电磁轴承底座12-1材质为软磁铁心材料。
30.气悬浮前径向轴承13-1、气悬浮后径向轴承4-1、气悬浮前推力轴承10-1、气悬浮后推力轴承12-5可以是箔片式空气悬浮轴承，也可以是其他类型结构的空气悬浮轴承。
31.本发明在传统气悬浮推力轴承的基础上增加电磁推力轴承，能够补偿气悬浮推力轴承的不足，发挥电磁推力轴承的优势，最终得到一个高可靠性的混合式轴承结构。
32.考虑到风机正常运转时转轴受到从电机侧指向大叶轮侧这个方向的力，也就是推力盘的前端面靠近大叶轮侧需要由气悬浮前推力轴承提供转轴一定的支撑力，以此来达到平衡。因此，气悬浮前推力轴承会是推力轴承上重点负载环节，也是故障相对容易发生的环节，是系统的相对关键环节。
33.本发明在传统气悬浮推力轴承中引入电磁悬浮轴承，在指定受力方向上对原有气悬浮推力轴承进行增加，改善推力轴承的整体负载能力。同时通过增加合适的传感器对推力轴承的状态进行有效的实时监测，并根据反馈信号在出现异常情况时能做出及时调整，提高推力轴承运行的稳定性和可靠性。
34.本发明并不限定与上述特定的实施例。即，本发明所属技术领域的技术人员在不脱离所附的权利要求书的思想范畴的情况下能够进行关于本发明的多种变更修改，并且应当认为这种所有适当的变更及修改的等同物也属于本发明的范围内。
35.以上显示和描述了本发明的基本结构、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理结构，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。