[发明专利]一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置及其设计方法

权利要求书

1.一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置，其特征在于，所述的大位移补偿装置包括主要结构部件和辅助零部件，其中，主要结构部件包括永磁推力轴承法兰盘(6)、外花键(5)、内花键(4)、深沟球轴承基座(2)、梅花弹性联轴器(1)，辅助零部件包括定位紧固螺钉(3)、螺栓(8)、螺母(7)、平键(9)；

所述梅花弹性联轴器(1)的一端与电机驱动系统的输出端相配合，另一端通过平键(9)与内花键(4)端部的键槽连接，定位紧固螺钉(3)将内花键(4)与梅花联轴器(1)固定；梅花弹性联轴器(1)将电机驱动系统输出端的转矩和转速传递至内花键(4)，实现永磁推力轴承动态性能测试的旋转工况加载；

所述内花键(4)和外花键(5)通过键齿连接，组成花键副，其作用是通过花键间的相互挤压以传递扭矩，进而带动永磁推力轴承端旋转，以及通过内外花键间的相对滑动补偿来自于永磁推力轴承法兰盘端的轴向偏移量；所述外花键(5)由花键结构和法兰盘组成，花键结构与内花键(4)连接，法兰盘与永磁推力轴承法兰盘(6)连接，永磁推力轴承法兰盘(6)在轴向载荷的加载下会发生轴向偏移，该轴向偏移量是本装置所需补偿的主要目标；

所述深沟球轴承座轴承2安装于预定安装平台上，为整个大位移补偿装置提供支撑点，其轴承内圈通过紧固螺钉(3)与内花键(4)相连，以实现内花键在轴向位置上的固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置，其特征在于，所述的外花键(5)包括两端的矩形花键结构、法兰盘和中部轴段，外花键(5)为一体化设计，花键结构与法兰盘之间通过轴段过渡；其中，花键结构用于与内花键(4)的花键槽配合，法兰盘用于与永磁推力轴承法兰盘(6)通过螺栓(8)和螺母(7)相连接，实现扭矩和转速的传递，外花键端法兰盘的尺寸参数与永磁推力轴承法兰盘(6)相同；所述轴段的直径为外花键(5)齿根圆直径。

3.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置，其特征在于，所述内花键(4)结构为内部带有矩形花键槽的圆柱体，其花键槽与外花键(5)相连接，该部件可通过键齿间的相对滑动实现位移补偿和花键的相互挤压实现扭矩传递；所述内花键圆柱体外表面共有两处安装位置，分别安装梅花弹性联轴器(1)和深沟球轴承座2；所述内花键(4)圆柱体表面近端部处加工有平键槽及对应键槽180°位置的定位螺纹孔，梅花弹性联轴器(1)分别通过平键(9)和定位紧固螺钉(3)与内花键连接，将驱动端的扭矩和转速稳定传递至内花键结构；所述内花键(4)圆柱体外表面加工有两个呈180°位置的定位螺纹孔，深沟球轴承座2通过定位紧固螺钉(3)在该安装位置与内花键配合连接，深沟球轴承座2的轴承部分能确保内花键(4)传递驱动端的扭矩和转速至外花键(5)，其轴承基座确保内花键(4)在轴向位置的固定，避免产生内花键产生轴向位移而损坏驱动端。

4.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置，其特征在于，所述的外花键(5)和内花键(4)之间为滑动联接，组装过程中添加润滑油，降低摩擦力；且为了防止应力集中，所述内外花键齿面边缘会加工倒角。

5.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承的大位移补偿装置，其特征在于，当永磁推力轴承法兰盘(6)加载中产生径向/角向/轴向偏差时，梅花弹性联轴器(1)能够凭借其自身高弹性结构特点直接补偿对应误差，以保证电机驱动系统端加载环境的安全。

6.一种权利要求1-5任一所述的用于永磁推力轴承的大位移补偿装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)设计内外花键的齿面接触长度

从强度方面计算，实际平均压强为：

其中，K_A为使用系数；T为传递扭矩；d_m为内花键平均直径，其中d_m＝(D+d)/2，D为内花键大径，d为内花键小径；L为内外花键的齿面接触长度；n为内外花键的齿数，且内外花键齿数相同；

在虑及实际加工中，内外花键存在倒角f的情况下，h'为内外花键齿面的承载高度为：

h'＝(D-d)/2-2f≈0.4(D-d)

进而，内外花键的齿面接触长度L为：

其中，p_zul为动连接条件下的许用压强；

从尺寸方面计算，内外花键的齿面接触长度L还需满足轴向窜动量的设计需求：

其中，L_m为轴向窜动量最大值，即内外花键的齿面滑动至少需要为最大窜动量的一半接触长度，以保持滑动和传扭的稳定性；

内外花键的齿面最小接触长度L_min为：

(b)设计外花键法兰盘

外花键(5)的法兰盘与外花键相连接的轴段部分存在失效风险，需对外花键零部件进行强度校核，以确保整体结构工作过程中的安全性；采用有限元分析方法，对外花键(5)整体部件进行静力学仿真分析，校核外花键整体结构的强度；在有限元分析结果中，外花键(5)的最大应力需满足：

σ_max≤[σ]

其中，σ_max为外花键的最大应力，[σ]为选用材料的许用应力；

(c)选择深沟球轴承座尺寸

深沟球轴承受到的主要载荷是缓慢加载的轴向静推力，该推力来自于永磁推力轴承法兰盘(6)端；深沟球轴承的尺寸选择依据于轴向静载荷标准进行选择，深沟球轴承需满足：

F_max＜Cr

其中，F_max为永磁推力轴承动态性能测试的轴向最大静推力，该参数由永磁推力轴承的设计最大轴向承载力所决定；Cr为深沟球轴承的额定静载荷；

同时，深沟球轴承座2内的深沟球轴承内圈尺寸需满足：

D_bearing＝D_in

其中，D_in为内花键的圆柱体最大直径，D_bearing为深沟球轴承座内深沟球轴承的内圈直径；

(d)选择梅花弹性联轴器尺寸

梅花弹性联轴器两端的内径尺寸需满足：

D_c＝D_m

d_c＝D_in

其中，D_c为梅花弹性联轴器的电机侧内径，D_m为电机传动轴直径，d_c梅花弹性联轴器的内花键侧内径；

同时，梅花弹性联轴器的额定传递扭矩T_c需满足：

T_c≥a×T_m

其中，T_m为电机最大输出扭矩，a为安全系数，a的取值范围为1.5-2.5。