磁气负载比对箔片磁力混合轴承支承特性及转子动力学特性的影响
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撑理论分析的关键一步,本文以箔片 磁力混合轴
承为研究对象,设计了一种主动型箔片 磁力混合
轴承结构,搭建箔片 磁力混合轴承支承特性实验
台和转子实验台,通 过 实 验 探 究 了 磁 气 负 载 比 对
建了箔片 磁力混合轴承转子实验台,通过比较临
箔片 磁力混合 轴 承 的 支 承 特 性 和 转 子 动 力 学 特
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的磁轴承部分以及由顶箔、波箔、支撑结构组成的
箔片轴 承 部 分. 硅 钢 片 切 割 后 叠 片 形 成 定 子 部
分,可 减 弱 涡 流 效 应、减 少 磁 滞 损 耗,具 有 比 较 高
的饱和磁感应强度.支撑结构可分为线圈绝缘板
和气体箔片轴承 底 座,分 别 提 供 线 圈 的 绕 线 支 撑
以及箔片轴承的固定和支承.
磁轴承与箔片轴 承 结 合,使 用 箔 片 轴 承 作 为 保 护
轴承与电 磁 轴 承 并 联 排 布. 乔 雷 [１３]搭 建 了 立 式
箔片 磁 力 混 合 轴 承 的 实 验 台.JEONG 等 [１４]搭
合轴承的磁气负载比对轴承性能的影响研究.针
对箔片 磁力混 合 轴 承 以 及 转 子 的 相 关 实 验 是 支
第 ３４ 卷 第 １１ 期
２０２３ 年 ６ 月
中 国 机 械 工 程
CHINA MECHANICALENGINEERING
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３４ No．
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磁气负载比对箔片 磁力混合轴承支承特性及
转子动力学特性的影响
雷新沛 冯利博 张 航 冯 凯
湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,４１００８２
[ ]
的性能,同时发现 刚 度 和 等 效 黏 性 阻 尼 随 激 励 频
率而变化.JEONG 等 [１９]采用一种控制算法来减
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小以转 速 高 达 １２０００r
n运行的刚性转子的
１ 箔 片 磁 力 混 合 轴 承 结 构 及 载 荷 分 配
策略
箔片 磁力 混 合 轴 承 的 性 能 是 两 个 轴 承 共 同
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摘要:箔片 磁力混合轴承是一种能降低箔片轴承起飞前的摩擦损耗且可改善磁轴承高速时的承载
和动力学性能的新型高性能主动控制型轴承.提出了一种箔片 磁力混合轴承的设计方法,设计并搭建
箔片 磁力混合轴承支承特性实验台和箔片 磁力混合轴承转子实验台,实验探究了磁气负载比(即气体
箔片轴承和主动磁轴承之间的载荷分配比)对箔片 磁力混合轴承 支 承 特 性 和 转 子 动 力 学 特 性 的 影 响.
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是很多关键装备 中 必 不 可 少 的 一 部 分,如 空 气 压
缩机、离心 式 压 缩 机、燃 气 轮 机、高 速 电 机 等 [１].
无接触式悬浮的主动磁轴承和气体箔片轴承越来
收稿日期:
２０２２ ０６ ２８
供了比滚动轴 承 更 高 的 可 靠 性 [３],消 除 了 对 复 杂
的油润滑和密 封 系 统 的 需 求 [４],并 减 少 了 高 转 速
验研究,并提出了 最 早 的 气 体 箔 片 轴 承 和 主 动 磁
轴承载荷分配的控制算法.尽管文献[
１０]提供了
一种理想的载荷 分 布 方 法,但 并 未 说 明 如 何 确 定
载荷比以及如何应用箔片 磁力混合轴承.
过度振 动 的 控 制 能 力,因 此,箔 片 磁 力 混 合 轴 承
箔片 磁力混 合 轴 承 在 工 作 运 行 下 的 载 荷 分
制约了气体箔 片 轴 承 朝 大 承 载 [７]、超 高 速 领 域 进
阶 [８].主动磁轴承可在无摩擦条件下以非常高的
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１２８７
中国机械工程 第 ３４ 卷 第 １１ 期 ２０２３ 年 ６ 月上半月
转速来实现极高 的 性 能 和 效 率,且 能 够 在 无 润 滑
突然不平衡振动幅度,实验证实了使用箔片 磁力
混合轴承可以在使用空气箔片轴承的转子运行期
间实现突然的不平衡振动控制.
气体箔片轴承和电磁轴承的设计及相关技术
现已比 较 成 熟. 相 比 于 气 体 箔 片 轴 承 和 电 磁 轴
图 １ 箔片 磁力混合轴承三维模型
实验结果表明:箔片 磁力混合轴承比箔片轴承的总体 静 态 刚 度 和 刚 度 变 化 率 有 所 提 高.箔 片 磁 力 混
合轴承结构刚度随频率的提高而增大,等效黏性阻尼随频率的提高呈现先降后增的趋势.此外,合适的
负载比可以降低起飞转速,改善摩擦损耗,抑制次频振,有利于提高转子的高速稳定性.
关键词:箔片 磁力混合轴承;磁气负载比;支承特性;转子动力学
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越广泛地应用于无油环保型旋转机器.气体箔片
轴承作为旋 转 机 械 中 非 常 重 要 的 支 承 部 件,
作用 的 结 果,其 中 主 动 磁 轴 承 (
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支撑转子气 膜.箔 片 磁 力 混 合 轴 承 的 三 维 模 型
如图 １ 所 示,包 括 由 硅 钢 片、线 圈、支 撑 结 构 组 成
转子系统在运行范围和可靠性方面显著提高了旋
配情况还不够明确,为此本文展开了箔片 磁力混
转机械的 性 能. HESHMAT 等 [１０Ｇ１１]率 先 提 出 了
箔片 磁 力 混 合 轴 承 的 概 念,并 搭 建 了 首 个 箔 片
磁力混合 轴 承 转 子 实 验 台. 刘 暾 等 [１２]提 出 将 电
叉融合,以利用每个轴承的优势,同时最大限度地
减少彼此的弱 点
.箔 片 磁 力 混 合 轴 承 具 有 气
[
９]
体箔片轴承高速 承 载 能 力 高 的 特 点,同 时 具 有 足
够的静刚度来防止主动磁轴承的初始摩擦和抑制
同时主动磁 轴 承 的 稳 定 控 制 也 不 可 或 缺. HES
Ｇ
[ ]
HMAT 等 １０ 还对 箔 片 磁 力 混 合 轴 承 进 行 了 实
电系统的强非线性以及保护轴承的依赖等问题均
作性能由气体箔 片 轴 承 和 主 动 磁 轴 承 共 同 保 证,
会限制着电磁轴承向超高速、大承载方向的突破.
当它高速运转时,既离不开气体箔片的稳定运行,
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中图分类号:
TH１３３．
３７
DOI:
１０．
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片轴承启停磨 损 大、低 速 承 载 小、高 速 易 失 稳 [６],
基金项目:国家 重 点 研 发 计 划 (
２０２０YFB２００７６０２);国 家 自 然 科
学基金(
５２００５１７０)
轴承满足无油 涡 轮 机 械 的 大 部 分 要 求 [２],它 们 提
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承为研究对象,设计了一种主动型箔片 磁力混合
轴承结构,搭建箔片 磁力混合轴承支承特性实验
台和转子实验台,通 过 实 验 探 究 了 磁 气 负 载 比 对
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箔片轴 承 部 分. 硅 钢 片 切 割 后 叠 片 形 成 定 子 部
分,可 减 弱 涡 流 效 应、减 少 磁 滞 损 耗,具 有 比 较 高
的饱和磁感应强度.支撑结构可分为线圈绝缘板
和气体箔片轴承 底 座,分 别 提 供 线 圈 的 绕 线 支 撑
以及箔片轴承的固定和支承.
磁轴承与箔片轴 承 结 合,使 用 箔 片 轴 承 作 为 保 护
轴承与电 磁 轴 承 并 联 排 布. 乔 雷 [１３]搭 建 了 立 式
箔片 磁 力 混 合 轴 承 的 实 验 台.JEONG 等 [１４]搭
合轴承的磁气负载比对轴承性能的影响研究.针
对箔片 磁力混 合 轴 承 以 及 转 子 的 相 关 实 验 是 支
第 ３４ 卷 第 １１ 期
２０２３ 年 ６ 月
中 国 机 械 工 程
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磁气负载比对箔片 磁力混合轴承支承特性及
转子动力学特性的影响
雷新沛 冯利博 张 航 冯 凯
湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,４１００８２
[ ]
的性能,同时发现 刚 度 和 等 效 黏 性 阻 尼 随 激 励 频
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１ 箔 片 磁 力 混 合 轴 承 结 构 及 载 荷 分 配
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摘要:箔片 磁力混合轴承是一种能降低箔片轴承起飞前的摩擦损耗且可改善磁轴承高速时的承载
和动力学性能的新型高性能主动控制型轴承.提出了一种箔片 磁力混合轴承的设计方法,设计并搭建
箔片 磁力混合轴承支承特性实验台和箔片 磁力混合轴承转子实验台,实验探究了磁气负载比(即气体
箔片轴承和主动磁轴承之间的载荷分配比)对箔片 磁力混合轴承 支 承 特 性 和 转 子 动 力 学 特 性 的 影 响.
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无接触式悬浮的主动磁轴承和气体箔片轴承越来
收稿日期:
２０２２ ０６ ２８
供了比滚动轴 承 更 高 的 可 靠 性 [３],消 除 了 对 复 杂
的油润滑和密 封 系 统 的 需 求 [４],并 减 少 了 高 转 速
验研究,并提出了 最 早 的 气 体 箔 片 轴 承 和 主 动 磁
轴承载荷分配的控制算法.尽管文献[
１０]提供了
一种理想的载荷 分 布 方 法,但 并 未 说 明 如 何 确 定
载荷比以及如何应用箔片 磁力混合轴承.
过度振 动 的 控 制 能 力,因 此,箔 片 磁 力 混 合 轴 承
箔片 磁力混 合 轴 承 在 工 作 运 行 下 的 载 荷 分
制约了气体箔 片 轴 承 朝 大 承 载 [７]、超 高 速 领 域 进
阶 [８].主动磁轴承可在无摩擦条件下以非常高的
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中国机械工程 第 ３４ 卷 第 １１ 期 ２０２３ 年 ６ 月上半月
转速来实现极高 的 性 能 和 效 率,且 能 够 在 无 润 滑
突然不平衡振动幅度,实验证实了使用箔片 磁力
混合轴承可以在使用空气箔片轴承的转子运行期
间实现突然的不平衡振动控制.
气体箔片轴承和电磁轴承的设计及相关技术
现已比 较 成 熟. 相 比 于 气 体 箔 片 轴 承 和 电 磁 轴
图 １ 箔片 磁力混合轴承三维模型
实验结果表明:箔片 磁力混合轴承比箔片轴承的总体 静 态 刚 度 和 刚 度 变 化 率 有 所 提 高.箔 片 磁 力 混
合轴承结构刚度随频率的提高而增大,等效黏性阻尼随频率的提高呈现先降后增的趋势.此外,合适的
负载比可以降低起飞转速,改善摩擦损耗,抑制次频振,有利于提高转子的高速稳定性.
关键词:箔片 磁力混合轴承;磁气负载比;支承特性;转子动力学
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作用 的 结 果,其 中 主 动 磁 轴 承 (
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转子系统在运行范围和可靠性方面显著提高了旋
配情况还不够明确,为此本文展开了箔片 磁力混
转机械的 性 能. HESHMAT 等 [１０Ｇ１１]率 先 提 出 了
箔片 磁 力 混 合 轴 承 的 概 念,并 搭 建 了 首 个 箔 片
磁力混合 轴 承 转 子 实 验 台. 刘 暾 等 [１２]提 出 将 电
叉融合,以利用每个轴承的优势,同时最大限度地
减少彼此的弱 点
.箔 片 磁 力 混 合 轴 承 具 有 气
[
９]
体箔片轴承高速 承 载 能 力 高 的 特 点,同 时 具 有 足
够的静刚度来防止主动磁轴承的初始摩擦和抑制
同时主动磁 轴 承 的 稳 定 控 制 也 不 可 或 缺. HES
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HMAT 等 １０ 还对 箔 片 磁 力 混 合 轴 承 进 行 了 实
电系统的强非线性以及保护轴承的依赖等问题均
作性能由气体箔 片 轴 承 和 主 动 磁 轴 承 共 同 保 证,
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下的摩擦、热 量 产 生 和 功 率 损 失 [５]. 但 是 气 体 箔
片轴承启停磨 损 大、低 速 承 载 小、高 速 易 失 稳 [６],
基金项目:国家 重 点 研 发 计 划 (
２０２０YFB２００７６０２);国 家 自 然 科
学基金(
５２００５１７０)
轴承满足无油 涡 轮 机 械 的 大 部 分 要 求 [２],它 们 提
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