[发明专利]一种空浮轴承、磁浮轴承混合支撑的高速风机

说明书

本发明公开一种空浮轴承、磁浮轴承混合支撑的高速风机。包括蜗壳、主壳体和设置在主壳体内部的高速电机定子、高速电机转子、径向空气悬浮轴承、轴向磁轴承、位移传感器以及轴向磁轴承控制器；蜗壳连接在主壳体上；高速电机转子转动设置在主壳体的内部，且一端延伸至蜗壳中；叶轮连接在高速电机转子上且位于蜗壳内部，高速电机定子连接在主壳体内；径向空气悬浮轴承用于对高速电机转子起径向支撑作用；轴向磁轴承用于对高速电机转子起轴向定位作用，防止其轴向窜动；位移传感器用于检测高速电机转子在其轴向上的移动信号，并将信号传递给轴向磁轴承控制器，控制轴向磁轴承使高速电机转子复位。本发明的高速风机结构紧凑，可靠性高，控制简单。

技术领域

本发明涉及高速分机技术领域，具体涉及一种空浮轴承、磁浮轴承混合支撑的高速风机。

背景技术

高速风机具有转速高、功率密度大、节能高效、体积小、重量轻、制造材料少等优点越来越受到关注与青睐，是高速透平机械领域研究的热点之一，目前高速透平机械在离心式鼓风机、压缩机、有机朗肯循环发电、氢燃料电池、航空航天等领域被广泛使用。高速风机由于电机转速很高，电机转子表面的线速度高达200m/s，传统的机械轴承很难保证风机高转速下稳定运行。机械轴承的摩擦与震动会引起轴承严重发热和噪声，严重时会导致轴承研磨、精度降低、电机转子偏心等问题，严重影响风机安全稳定运行。为了消除摩擦，无机械摩擦的空气悬浮轴承和磁悬浮轴承被广泛使用，目前高速风机采用的电机分为两种结构，一种是空气悬浮高速电机，另一种是磁悬浮高速电机。

空气悬浮高速风机的基本结构包括叶轮、蜗壳、高速电机定子、转子、径向空气悬浮轴承、轴向空气轴承等。其电机两端具有径向空气悬浮轴承，对电机转子起径向支撑作用；轴向空气轴承对电机转子产生轴向力，起轴向定位作用，防止其轴向窜动。特别是透平类机械，三元流叶轮高速旋转时会对转子产生轴向拉力。空气悬浮轴承具有结构简单、体积小、造价低等优点被广泛使用，但空气轴承对加工精度要求极高，不管是径向空气轴承或是轴向空气轴承，对空气轴承座及转子对应的轴承区域的加工精度要求极高，两者之间间隙约0.02mm，根据载荷与转速不同，间隙数据略有不同。并且空气轴承对轴向冲击力及径向冲击力较为敏感。虽然空气轴承能够实现高速电机转子无摩擦高速运行，但由于空气轴承自身特点，电机安全稳定运行存在一定隐患，主要体现为空气轴承对冲击力较为敏感。原因是空气轴承多为弹性箔片结构，箔片表面具有耐磨涂层，由于转子与轴承座间隙较小，在冲击力作用下极易引起转子与空气轴承弹性箔片摩擦，破坏耐磨涂层并引起空气轴承发热，造成不可逆损伤导致空气轴承损毁。特别是透平类机械，设备喘振、工况的变化如流体的压力、流量及电机转速的变化极易引起电机转子轴向力骤变，轴向力与工况呈指数倍变化，轴向空气悬浮轴承极易损坏。对于污水处理行业的高速离心式鼓风机、曝气风机，风机启停或水深变化时极易引起设备喘振、负载不稳定等问题，对空气悬浮风机的轴向空气轴承提出严重考验，轴向空气轴承是最容易损毁的部件。三元流叶轮圆周上径向力较为均衡，工况变化不会产生径向力，径向冲击可以忽略不计。

磁悬浮高速风机的基本结构包括叶轮、蜗壳、高速电机定子、转子、径向磁轴承、轴向磁轴承、磁轴承控制器、辅助保护轴承等。磁悬浮电机通常为五自由度控制，电机转子通过前后两端径向磁轴承产生的电磁力使转子悬浮，轴向上通过轴向磁轴承实现电机转子轴向定位。磁悬浮轴承具有支撑力大、电机转子位置可控等优点而被广泛采用。但磁悬浮电机的径向磁轴承结构比较复杂，体积较空气悬浮轴承偏大、制造成本高，并且需要配备磁悬浮轴承控制器对电机转子进行五自由度控制，控制系统多变量、强耦合，对电控技术要求较高，控制难度较大。透平机械的特点是，流体压力、流量、电机转速等工况的变化几乎不产径向冲击力，工况变化对转子的径向作用力可以忽略不计；但工况变化引起轴向力骤变，呈指数变化，对电机转子的轴向作用力不可忽略。其他问题如喘振等，对径向影响较小，对设备电机转子轴向力影响较大。

发明内容