CN113236671B - 一种基于pzt堆栈的主动磁气混合轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PZT堆栈的新型主动磁气混合轴承，包括定子、空气箔片组件及PZT堆栈组件，所述空气箔片组件包括空气箔片轴承座、波箔及顶箔，所述顶箔覆盖在所述波箔的内表面，二者一同装进所述空气箔片轴承座内，所述PZT堆栈组件包括两个PZT堆栈固定块、PZT堆栈垫块及PZT堆栈，所述PZT堆栈固定块与所述定子连接，所述PZT堆栈夹设于两个所述PZT堆栈固定块之间，所述PZT堆栈的顶端抵接所述定子，底端抵接所述PZT堆栈垫块，所述空气箔片轴承座对应所述PZT堆栈垫块的位置沿径向方向贯穿设有槽口，所述PZT堆栈垫块穿过所述槽口抵接所述波箔，所述PZT堆栈通电后发生径向形变，驱动所述波箔发生形变。本发明的一种基于PZT堆栈的新型主动磁气混合轴承运行稳定性较高。

Description

一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承

【技术领域】

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承。

【背景技术】

空气箔片轴承是由轴承座、一层或多层箔片组成，当转子高速运转时与轴承间产生相对运动形成楔形空间，以空气作为润滑介质在楔形空间中不断挤压粘性气体，使波纹箔片发生弹性变形从而形成具有刚度和阻尼的润滑气膜支撑负载的一种动压无油润滑轴承。转子高速旋转时产生的润滑气膜将转子与轴承分隔开，因此不会出现干摩擦现象。但由于空气箔片轴承低速阶段承载力较低，摩擦高，导致转子和箔片会出现磨损。

主动电磁轴承是利用定子和转子间可控的电磁力使转子悬浮的一种无接触式轴承。控制器根据转子的位移信号控制磁极线圈中电流的大小，使转子稳定运转并悬浮于某一位置。因此主动电磁轴承的刚度和阻尼是可调控的，可以实时的动态控制转子的位置。由于定子与转子间无机械接触，主动电磁轴承完全避免了摩擦。但主动电磁轴承需要保护轴承辅助，另外需要一套闭环控制***，转子高速旋转时容易产生共振影响到电磁轴承从而使***的稳定性降低。

因此实有必要提供一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承以解决上述问题。

【发明内容】

本发明公开了一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，包括定子、空气箔片组件及PZT堆栈组件，所述空气箔片组件安装于所述定子内侧的中空区域内，所述空气箔片组件包括空气箔片轴承座、波箔及顶箔，所述顶箔覆盖在所述波箔的内表面，二者一同装进所述空气箔片轴承座内，所述PZT堆栈组件包括两个PZT堆栈固定块、PZT堆栈垫块及PZT堆栈，所述PZT堆栈固定块与所述定子连接，所述PZT堆栈夹设于两个所述PZT堆栈固定块之间，所述PZT堆栈的顶端抵接所述定子，底端抵接所述PZT堆栈垫块，所述空气箔片轴承座对应所述PZT堆栈垫块的位置沿径向方向贯穿设置有槽口，所述PZT堆栈垫块穿过所述槽口抵接所述波箔，所述PZT堆栈通电后发生径向形变，驱动所述波箔发生形变。

优选的，所述PZT堆栈组件的数量为多个，多个所述PZT堆栈组件沿所述波箔的中轴线呈环形阵列分布。

优选的，两个所述PZT堆栈固定块和一个所述PZT堆栈共同组成一个PZT堆栈组，所述PZT堆栈垫块沿所述波箔的轴向方向设置，且所述PZT堆栈垫块的两端与所述波箔的两端齐平，每个所述PZT堆栈垫块上设有两个所述PZT堆栈组，两个所述PZT堆栈组对称设置于所述PZT堆栈垫块两端。

优选的，所述定子包括定子铁芯、绝缘板及线圈，所述绝缘板的数量为两个，两个所述绝缘板对称设置于所述定子铁芯的两端，所述定子铁芯包括定子轭部及固定于所述定子轭部上的多个定子齿部，所述定子轭部为中空的圆柱体形，多个所述定子齿部均匀的分布在所述定子轭部内圆周面上；所述绝缘板包括肋板及固定于所述肋板上的多个隔板，多个所述隔板在所述肋板一侧均匀分布，相邻两个所述隔板间隔形成间隙，所述定子齿部***所述间隙内。

优选的，所述隔板包括顶板、自所述顶板的两侧向轴心方向弯折延伸的两个侧板及自两个所述侧板的末端相向弯折延伸的翻边，所述线圈绕设于相邻两个所述隔板中相邻的两个侧板上，所述翻边对所述线圈形成限位。

优选的，所述PZT堆栈固定块包括本体部及固定于所述本体部顶端的连接部，每个所述本体部上设有一个所述连接部，两个所述PZT堆栈固定块中的两个连接部相互间隔形成T形的滑槽，所述顶板对应所述滑槽的位置凸出形成有滑块，所述滑块的形状与所述滑槽的形状相匹配，所述滑块对应收容于所述滑槽内，所述PZT堆栈的顶端抵接所述滑块。

优选的，所述空气箔片轴承座的数量为两个，两个所述空气箔片轴承座拼接形成一体，且两个所述空气箔片轴承座关于拼接面对称设置，所述空气箔片轴承座上沿径向方向贯穿设置有避让所述定子齿部的开口，所述定子齿部穿过所述开口抵接所述波箔。

优选的，所述空气箔片组件还包括圆柱销，所述空气箔片轴承座上沿轴向开有销孔，所述波箔的端部弯折形成有第一固定段，所述顶箔的端部弯折形成有第二固定段，所述第一固定段和所述第二固定段重叠后嵌入所述销孔内，所述圆柱销对应***所述销孔中，将所述波箔和所述顶箔固定。

优选的，所述PZT堆栈垫块包括底壁及自所述底壁的两端弯折延伸的侧壁，所述底壁和所述侧壁配合形成U形的槽体结构，所述PZT堆栈的底端抵接所述底壁，所述底壁抵接所述波箔，两个所述PZT堆栈固定块分别抵接两个所述侧壁。

优选的，所述波箔包括依次交替设置的平面段及曲面段，所述曲面段朝向轴心方向拱起，所述曲面段与所述空气箔片轴承座间隔形成楔形空间，所述PZT堆栈垫块抵接所述平面段。

与相关技术相比，本发明提供的一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承中设置PZT堆栈，并通过改变轴承的电压大小来调节空气箔片轴承的间隙，使混合轴承的刚度可调节，提高了转子高速运转时的稳定性，并且无需润滑和密封***、动力损耗小、更适用于高转速运转场合。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明提供的一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承的立体结构示意图；

图2为图1所示的一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承沿I-I线的剖视图；

图3为图2所示的A区域的放大图；

图4为图2所示的B区域的放大图；

图5为定子的分解结构示意图；

图6为空气箔片组件的分解结构示意图；

图7为PZT堆栈组件的分解结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

本发明提供请结合参阅图1-7，本发明提供一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承100，包括定子10、空气箔片组件20及PZT堆栈组件30。

所述定子10包括定子铁芯11、绝缘板12及线圈13。

所述定子铁芯11包括定子轭部111及固定于所述定子轭部111上的多个定子齿部112，所述定子轭部111和所述定子齿部112一体成型。所述定子轭部111为中空的圆柱体形，多个所述定子齿部112均匀的分布在所述定子轭部111的内圆周面上。

所述绝缘板12的数量为两个，两个所述绝缘板12对称设置于所述定子铁芯11的两端。所述绝缘板12包括肋板121及固定于所述肋板121上的多个隔板122，多个所述隔板122在所述肋板121一侧均匀分布，相邻两个所述隔板122间隔形成间隙123。安装时，两个所述绝缘板12的隔板122相互抵接并对齐，所述隔板122对应***所述定子轭部111的中空区域内，所述定子齿部112***所述间隙123内。

所述绝缘板12通过3D打印技术加工成型，其外圆直径与定子铁芯11的外圆直径相等，与定子铁芯11组装完成后形成的内圆用于安装空气箔片组件20。

进一步的，所述隔板122包括顶板1221、自所述顶板1221的两侧弯折延伸的两个侧板1222及自两个所述侧板1222的末端相向弯折延伸的翻边1223。所述线圈13绕设于相邻两个所述隔板122中相邻的两个所述侧板1222上，所述翻边1223可以对所述线圈13形成限位，避免所述线圈13从所述侧板1222上跌落。可以理解的是，所述线圈13绕设在所述定子齿部112的***。

所述空气箔片组件20安装于所述定子10内侧的中空区域内，其包括空气箔片轴承座21、波箔22、顶箔23及圆柱销24。

所述空气箔片轴承座21的数量为两个，两个所述空气箔片轴承座21拼接形成一体，且两个所述空气箔片轴承座21关于拼接面对称设置。所述空气箔片轴承座21上沿径向方向贯穿设置有避让所述定子齿部112的开口210，所述定子齿部112穿过所述开口210抵接所述波箔22。

所述顶箔23覆盖在所述波箔22的内表面，二者一同装进所述空气箔片轴承座21内，所述空气箔片轴承座21上沿轴向开有销孔211，所述波箔22的端部弯折形成有第一固定段221，所述顶箔23的端部弯折形成有第二固定段231，所述第一固定段221和所述第二固定段231重叠后嵌入所述销孔211内，所述圆柱销24对应***所述销孔211中，将所述波箔22和所述顶箔23固定。

所述PZT堆栈组件30包括PZT堆栈固定块31、PZT堆栈垫块32及PZT堆栈33。

所述PZT堆栈固定块31的数量为两个，两个所述PZT堆栈固定块31相互间隔，所述PZT堆栈33夹设于两个所述PZT堆栈固定块31之间，两个所述PZT堆栈固定块31和一个所述PZT堆栈33共同组成一个PZT堆栈组。所述PZT堆栈垫块32沿所述波箔22的轴向方向设置，且所述PZT堆栈垫块32的两端与所述波箔22的两端齐平，每个所述PZT堆栈垫块32上设有两个所述PZT堆栈组，两个所述PZT堆栈组对称设置于所述PZT堆栈垫块32两端，可以保证所述PZT堆栈垫块32两端的受力平衡，进而可以保证所述波箔22的两端的受力平衡。

所述PZT堆栈固定块31包括本体部311及固定于所述本体部311顶端的连接部312，所述连接部312和所述本体部311一体成型。每个所述本体部311上设有一个所述连接部312，所述连接部312为倒L形结构，两个所述PZT堆栈固定块31中的两个连接部312相互间隔形成T形的滑槽313。

进一步的，所述顶板1221对应所述滑槽313的位置凸出形成有滑块1224，所述滑块1224的形状与所述滑槽313的形状相匹配，所述滑块1224对应收容于所述滑槽313内，所述PZT堆栈33的顶端抵接所述滑块1224。

所述空气箔片轴承座21对应所述PZT堆栈垫块32的位置沿径向方向贯穿设置有槽口212，所述PZT堆栈垫块32穿过所述槽口212抵接所述波箔22。

所述PZT堆栈垫块32包括底壁321及自所述底壁321的两端弯折延伸的侧壁322，所述底壁321和所述侧壁322配合形成U形的槽体结构，所述PZT堆栈33的底端抵接所述底壁，两个所述PZT堆栈固定块31分别抵接两个所述侧壁322，所述PZT堆栈垫块32和所述PZT堆栈固定块31相配合对所述PZT堆栈33形成限位，使所述PZT堆栈33的形变方向始终为径向方向。

优选的，所述波箔22包括依次交替设置的平面段22a及曲面段22b，所述曲面段22b朝向轴心方向拱起，所述曲面段22b与所述空气箔片轴承座21间隔形成楔形空间22c，所述楔形空间22c的空间大小影响轴承的刚度和阻尼。所述波箔22的加工过程为：先进行热处理，热处理完成后贴紧在设计的模具上冲压成型后进行第二次热处理，使其进一步成型。

压电陶瓷(PZT)是一种可以将电能和机械能相互转换的功能性电子陶瓷材料。在压电陶瓷的极化方向上施加电压时会随之发生形变位移，撤去电压后形变消失，利用PZT的这种逆压电效应使其产生机械变形。由于瓷压电陶瓷的形变量非常小，可以将多个压电陶瓷片叠加起来形成压PZT堆栈33以增大其伸长量的上限，通过改变电压和频率的大小可以非常精确地控制PZT堆栈33的形变量。

所述PZT堆栈33与外界的电源连通，通过改变所述PZT堆栈33的电压大小使其在径向方向产生不同大小的形变位移，该形变位移通过所述PZT堆栈垫块32传递到所述波箔22上，挤压所述波箔22，使所述波箔22的楔形空间发生变化，最终改变轴承的刚度和阻尼。

所述PZT堆栈垫块32抵接所述平面段22a，由于所述PZT堆栈垫块32的底壁321与所述平面段22a接触的一面也为平面，因此可以提高所述PZT堆栈垫块32与所述波箔22的接触面积，保证较好的驱动效果。

所述PZT堆栈组件30的数量为多个，多个所述PZT堆栈组件30沿所述波箔22的中轴线呈环形阵列分布，可以保证所述波箔22的圆周面均匀受力。

所述基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承100为主动电磁轴承和空气箔片轴承的复合型轴承，充分利用了主动电磁轴承的空间，使整体结构紧凑。转子低转速时，负载主要由主动电磁轴承提供，可以规避空气箔片轴承低速阶段承载力较低，摩擦高的问题，可以降低转子和箔片的磨损，延长使用寿命；转子高速时，主要由空气箔片轴承提供负载，可以规避主动型性电磁轴承高速阶段共振的问题，同时，通过给PZT堆栈33施加不同大小的电压使其发生机械形变，改变其径向伸长量，影响到与PZT堆栈垫块32相接触的波箔22进而改变空气箔片轴承的气膜厚度，增大了楔形空间33c，达到增大空气箔片轴承刚度并降低其交叉耦合刚度的效果，最终实现改变气膜厚度并提高混合轴承的稳定性。

与相关技术相比，本发明提供的一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承中设置PZT堆栈，并通过改变轴承的电压大小来调节空气箔片轴承的间隙，使混合轴承的刚度可调节，提高了转子高速运转时的稳定性，并且无需润滑和密封***、动力损耗小、更适用于高转速运转场合。

Claims (10)

1.一种基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，包括定子、空气箔片组件及PZT堆栈组件，所述空气箔片组件安装于所述定子内侧的中空区域内，所述空气箔片组件包括空气箔片轴承座、波箔及顶箔，所述顶箔覆盖在所述波箔的内表面，二者一同装进所述空气箔片轴承座内，所述PZT堆栈组件包括两个PZT堆栈固定块、PZT堆栈垫块及PZT堆栈，所述PZT堆栈固定块与所述定子连接，所述PZT堆栈夹设于两个所述PZT堆栈固定块之间，所述PZT堆栈的顶端抵接所述定子，底端抵接所述PZT堆栈垫块，所述空气箔片轴承座对应所述PZT堆栈垫块的位置沿径向方向贯穿设置有槽口，所述PZT堆栈垫块穿过所述槽口抵接所述波箔，所述PZT堆栈通电后发生径向形变，驱动所述波箔发生形变。

2.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述PZT堆栈组件的数量为多个，多个所述PZT堆栈组件沿所述波箔的中轴线呈环形阵列分布。

3.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，两个所述PZT堆栈固定块和一个所述PZT堆栈共同组成一个PZT堆栈组，所述PZT堆栈垫块沿所述波箔的轴向方向设置，且所述PZT堆栈垫块的两端与所述波箔的两端齐平，每个所述PZT堆栈垫块上设有两个所述PZT堆栈组，两个所述PZT堆栈组对称设置于所述PZT堆栈垫块两端。

4.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述定子包括定子铁芯、绝缘板及线圈，所述绝缘板的数量为两个，两个所述绝缘板对称设置于所述定子铁芯的两端，所述定子铁芯包括定子轭部及固定于所述定子轭部上的多个定子齿部，所述定子轭部为中空的圆柱体形，多个所述定子齿部均匀的分布在所述定子轭部内圆周面上；所述绝缘板包括肋板及固定于所述肋板上的多个隔板，多个所述隔板在所述肋板一侧均匀分布，相邻两个所述隔板间隔形成间隙，所述定子齿部***所述间隙内。

5.根据权利要求4所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述隔板包括顶板、自所述顶板的两侧向轴心方向弯折延伸的两个侧板及自两个所述侧板的末端相向弯折延伸的翻边，所述线圈绕设于相邻两个所述隔板中相邻的两个侧板上，所述翻边对所述线圈形成限位。

6.根据权利要求5所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述PZT堆栈固定块包括本体部及固定于所述本体部顶端的连接部，每个所述本体部上设有一个所述连接部，两个所述PZT堆栈固定块中的两个连接部相互间隔形成T形的滑槽，所述顶板对应所述滑槽的位置凸出形成有滑块，所述滑块的形状与所述滑槽的形状相匹配，所述滑块对应收容于所述滑槽内，所述PZT堆栈的顶端抵接所述滑块。

7.根据权利要求4所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述空气箔片轴承座的数量为两个，两个所述空气箔片轴承座拼接形成一体，且两个所述空气箔片轴承座关于拼接面对称设置，所述空气箔片轴承座上沿径向方向贯穿设置有避让所述定子齿部的开口，所述定子齿部穿过所述开口抵接所述波箔。

8.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述空气箔片组件还包括圆柱销，所述空气箔片轴承座上沿轴向开有销孔，所述波箔的端部弯折形成有第一固定段，所述顶箔的端部弯折形成有第二固定段，所述第一固定段和所述第二固定段重叠后嵌入所述销孔内，所述圆柱销对应***所述销孔中，将所述波箔和所述顶箔固定。

9.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述PZT堆栈垫块包括底壁及自所述底壁的两端弯折延伸的侧壁，所述底壁和所述侧壁配合形成U形的槽体结构，所述PZT堆栈的底端抵接所述底壁，所述底壁抵接所述波箔，两个所述PZT堆栈固定块分别抵接两个所述侧壁。

10.根据权利要求1所述的基于PZT堆栈的主动磁气混合轴承，其特征在于，所述波箔包括依次交替设置的平面段及曲面段，所述曲面段朝向轴心方向拱起，所述曲面段与所述空气箔片轴承座间隔形成楔形空间，所述PZT堆栈垫块抵接所述平面段。

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