一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构的制作方法

本发明涉及磁悬浮旋转机械，尤其涉及一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构。

背景技术：

1、高速飞轮储能装置利用飞轮转动惯量进行能量存储，通过同轴电机进行电能输入、输出，具备储能密度高、充电时间短、能够频繁充放电、寿命长等优点，在能源电力系统调峰、新能源发电储能、关键设施短时备用供电等方面具备广泛应用前景。

2、以飞轮储能装置为代表的旋转机械转子具有转速高、质量大、工作在真空环境中等特点，需要具备性能可靠、寿命长、不需要频繁维护的轴系支撑结构。该轴系支撑结构同时需要具备在真空环境下长期运行及频繁充放电过程中转子有效散热的能力。

3、目前，飞轮转子轴系支撑方案包括全机械轴承支撑、磁悬浮-机械轴承混合支撑和五自由度磁悬浮轴承全悬浮支撑。其中，全机械轴承支撑的高速重载转子轴系支撑结构存在轴承载荷大、转速高，无法长期维持稳定运行，且承载转子重力的机械轴承载荷大、易磨损导致转子振动加剧，需要频繁更换维护，不适合高速、大质量转子长期稳定运行；磁悬浮-机械轴承混合支撑使用轴向电磁轴承承担转子重力及在此基础上额外增加轴向磁悬浮轴承用于减振卸载的磁悬浮-机械轴承混合支撑方案，转子本身仍为机械轴承固定，但其承担的载荷部分被磁轴承分担，提高了机械轴承使用寿命，但由于转子本身仍至少一端为机械轴承固定，无法进行位移，因此卸载轴承无法提供有效的正向刚度反馈，无法有效抑制转子振动；五自由度磁悬浮轴承全悬浮方案能够消除机械轴承易磨损、需频繁更换维护的问题，且能够主动抑制转子振动，但高速重载的五自由度磁悬浮轴系支撑系统在控制系统断电、控制器失稳等因素导致转子跌落时难以提供有效保护，容易造成转子跌落后整机不可逆损伤，应用风险较高，且五自由度支撑方案完全隔离了转子与机壳的物理接触，在抽真空的壳体内，电机转子的发热只能通过热辐射散热，散热效率低，不适用于需要频繁充放电、转子发热量大的飞轮转子使用工况。

技术实现思路

1、本发明提供了一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构，能够解决上述技术问题。

2、本发明提供了一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构，所述结构包括机壳和设置于所述机壳内的上径向机械轴承座组件、转子组件、轴向磁悬浮轴承、轴向保护轴承座组件、下径向机械轴承座组件、定子；所述上径向机械轴承座组件、所述定子、所述轴向磁悬浮轴承、所述轴向保护轴承座组件、所述下径向机械轴承座组件沿所述转子组件轴向从上到下依次设置；

3、所述转子组件包括转子轴心、上轴承内衬套、上轴承压板、转子套件、轴向磁轴承吸盘、下轴承内衬套和轴向限位板；所述上轴承内衬套套设在所述转子轴心的上部；所述上轴承压板套设于所述上轴承内衬套的上部，用于对上轴承进行轴向限位；所述转子套件套设于所述转子轴心的中上部；所述轴向磁轴承吸盘设置于所述转子轴心的中部；所述下轴承内衬套套设于所述转子轴心的下部；所述轴向限位板设置于所述转子轴心的底部，用于对所述转子轴心进行轴向限位；

4、所述定子设置于所述机壳上，且于所述转子套件的位置相对；

5、所述轴向磁悬浮轴承设置于所述机壳上，且处于所述轴向磁轴承吸盘的上方；

6、所述上径向机械轴承座组件包括上轴承、上轴承外衬套、若干摩擦阻尼部件、上轴承座；所述上轴承套设于所述上轴承内衬套上；所述上轴承外衬套套设于所述上轴承上，且处于所述上轴承与所述上轴承座之间，所述上轴承外衬套的外表面上设有若干沟槽；若干所述摩擦阻尼部件设置于对应的所述沟槽内；所述上轴承座设置于所述机壳的上部；

7、所述轴向保护轴承座组件与所述转子组件的中下部对应设置，用于对所述转子组件提供轴向支撑；

8、所述下径向机械轴承座组件与所述转子组件的下部对应设置，用于对所述转子组件提供轴向和径向支撑。

9、优选的，所述轴向保护轴承座组件包括轴向保护轴承、保护轴承套、保护轴承压板、保护轴承座；所述轴向保护轴承套设于所述转子轴心的中下部；所述保护轴承套套设于所述轴向保护轴承上，且处于所述轴向保护轴承与所述保护轴承座之间；所述保护轴承压板设置于所述轴向保护轴承的上部，用于对所述轴向保护轴承进行轴向限位；所述保护轴承座设置于所述机壳的下部。

10、优选的，所述下径向机械轴承座组件包括下轴承、下轴承压板、下轴承座；所述下轴承套设于所述下轴承内衬套上；所述下轴承压板设置于所述下轴承的上部，用于对所述下轴承进行轴向限位；所述下轴承座设置于所述保护轴承座上。

11、优选的，所述结构还包括轴向位移传感器，所述转子轴心上设有轴向位移检测面，所述轴向位移传感器设置于所述机壳上，且与所述轴向位移检测面相对设置。

12、优选的，所述下轴承与所述转子轴心之间的轴向间距大于所述轴向保护轴承与所述转子轴心之间的轴向间距，且小于所述轴向位移传感器与所述轴向位移检测面之间的轴向间距。

13、应用本发明的技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1、该轴系支撑结构的转子能够轴向移动，相比传统的轴向卸载磁悬浮轴承能够完全承担旋转过程转子重力，消除轴向支撑轴承的磨损，同时由于位移可调可控，因此能够提供更好的悬浮稳定性和外部扰动的抵抗性；

15、2、该轴系支撑结构使上轴承及上轴承外衬套与转子能够同步上下移动，上轴承外衬套与上轴承座之间的摩擦阻尼部件能够为转子提供比磁轴承电磁阻尼高1-2个数量级的机械阻尼，可以极大提高转子轴向悬浮稳定性、降低磁轴承控制难度，并在轴向磁悬浮轴承断电极端情况下为跌落转子提供足够的轴向阻尼，相比传统五自由度全悬浮磁悬浮轴系支撑系统转子自由落体式跌落，该结构能够大幅降低转子跌落的冲击振动；

16、3、该轴系支撑结构使下轴承能够兼做轴向保护轴承，转子向上、向下保护轴承距离近，消除了由于转子轴向热胀冷缩尺寸变化对保护间隙的影响；

17、4、该轴系支撑结构使转子两端径向仍为机械接触，相比五自由度全悬浮轴承能够提供有效的转子热传导路径，具备更好的转子散热条件；

18、5、该轴系支撑结构能够方便进行任意机械轴承组件拆卸和更换，且能够在极端工况下最大程度确保不损伤转子和机壳本身。

技术特征：

1.一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构，其特征在于，所述结构包括：

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述轴向保护轴承座组件包括轴向保护轴承、保护轴承套、保护轴承压板、保护轴承座；所述轴向保护轴承套设于所述转子轴心的中下部；所述保护轴承套套设于所述轴向保护轴承上，且处于所述轴向保护轴承与所述保护轴承座之间；所述保护轴承压板设置于所述轴向保护轴承的上部，用于对所述轴向保护轴承进行轴向限位；所述保护轴承座设置于所述机壳的下部。

3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述下径向机械轴承座组件包括下轴承、下轴承压板、下轴承座；所述下轴承套设于所述下轴承内衬套上；所述下轴承压板设置于所述下轴承的上部，用于对所述下轴承进行轴向限位；所述下轴承座设置于所述保护轴承座上。

4.根据权利要求1-3中任一所述的结构，其特征在于，所述结构还包括轴向位移传感器，所述转子轴心上设有轴向位移检测面，所述轴向位移传感器设置于所述机壳上，且与所述轴向位移检测面相对设置。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述下轴承与所述转子轴心之间的轴向间距大于所述轴向保护轴承与所述转子轴心之间的轴向间距，且小于所述轴向位移传感器与所述轴向位移检测面之间的轴向间距。

技术总结本发明提供了一种磁悬浮与机械轴承混合支撑的轴系支撑结构，所述结构包括机壳和设置于机壳内的上径向机械轴承座组件、转子组件、轴向磁悬浮轴承、轴向保护轴承座组件、下径向机械轴承座组件、定子；上径向机械轴承座组件、定子、轴向磁悬浮轴承、轴向保护轴承座组件、下径向机械轴承座组件沿转子组件轴向从上到下依次设置；定子设置于机壳上，且于转子套件的位置相对；轴向磁悬浮轴承设置于机壳上，且处于轴向磁轴承吸盘的上方；轴向保护轴承座组件与转子组件的中下部对应设置，用于对转子组件提供轴向支撑；下径向机械轴承座组件与转子组件的下部对应设置，用于对转子组件提供轴向和径向支撑。技术研发人员：高天宇,张艳清,胡道宇,张志华,蔡华,柳伟,王艺宇受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）技术研发日：技术公布日：2024/9/9