[实用新型]一种高速电机转子支撑新结构

说明书

技术领域

本实用新型属于一种电机转子的悬浮支撑结构，具体涉及一种利用超声波振动的电机转子无接触支撑结构。 

背景技术

高速电机广泛应用于诸如高速机床、涡轮分子泵、高速离心机、精密陀螺仪、飞轮贮能等工业领域，近年更是成功应用于小卫星系统中的飞轮储能/姿态装置，显示出它日益重要而广阔的应用前景。传统高速电机的转子由两个机械轴承来支撑，摩擦与磨损大、寿命低、可靠性差，还产生严重的机械振动和噪声。目前解决这些问题的方法是采用无接触的气浮、液浮或磁悬浮轴承，可基本实现低摩擦或无摩擦运转，使电机转速提高到了50000r/min以上的水平。但随之也带来了系统结构复杂、能耗大、效率低、体积庞大和控制系统复杂的问题，严重制约着高速电机的进一步发展和应用。 

物体进行超声波振动时其表面具有减摩和悬浮能力的现象，已被相关理论和大量实验所证实，国内外均发表了大量论文，并陆续有一些专利开始出现。本实用新型提出将这种超声波悬浮能力用作于对高速电机转子的支撑，并实现对电机转子的自动对中，是现有气浮、液浮或磁悬浮之外的又一种高速电机转子非接触支撑新结构。 

发明内容

本实用新型提供一种利用超声波振动的电机转子的无接触支撑结构，由此为现有接触摩擦轴承存在的摩擦与磨损大、振动和噪声严重问题，以及无接触轴承存在的体积大、效率低、结构复杂等问题找到一个替代解决办法。 

本实用新型的超声波悬浮支撑方式可以用图1来说明。图1中电机转子3的左、右两端各套接一个带有锥面的轴瓦2，而轴瓦2分别各与一个超声波换能器1相连接。其中轴瓦2的内锥面201(图2)与超声换能器1的外锥面106(图3)相配合。则当超声换能器1处于超声振动状态时在其外锥面106处即产生悬浮能力，并通过与轴承瓦2的内锥面201的相互作用，将悬浮力传递给电机转子3。由于左右各有一套超声换能器1在作用，则电机转子3在两侧悬浮力挤压作用下被悬浮起来，达到了无接触支撑电机转子的目的。此时电机转子与定子4 之间处于有间隙而无摩擦状态，因而可实现大转速旋转。 

超声换能器1可以由朗之万振子构成，其基本结构为(图3)：前端块105、压电陶瓷103和后端块102经由紧固螺钉101紧固在一起。安装连接板104用于固定朗之万振子。当给压电陶瓷103施加满足共振要求的高频(通常大于10kHz)交变电信号时，在前端块105的外锥面的表面106处即可形成超声波振动。朗之万振子是一种常用的高频机械振动(通常大于20kHz)形成机构，它还有图3以外的其它多种结构与形成方法。 

超声换能器1也可以为适于提供高频振动(一般应为超声波以上频率)的其他振子，如压电叠堆、双晶片振子等。其目的都是在外锥面的表面106处产生悬浮能力。 

电机转子3左、右两端使用的轴瓦2及与之配合的超声换能器1，其接触面必须为锥形面的原因是，根据力的传递原理可知，锥形面可以保证将接受的单一方向的力(如轴向)分解为两个方向的力，即同时产生原有方向及与原有方向垂直的方向的力。在这二个方向力的作用下，电机转子才能既在轴向保持平衡(无轴向移动)，也能在径向受力而获得悬浮支撑。 

本实用新型的电机转子3与轴瓦2锥形面分解后形成的两个方向力的各自大小，与锥形面的角度a相关。在不计摩擦力影响情况下，锥形面角度a为45°时，两个方向的力大小一致。根据电机转子的重量与转速要求，一般锥形面的角度a可为15°～75°之间。此外内锥面与外锥面在传递力的作用上是相同的，所以超声换能器1与轴瓦2的接触面可以互为内、外锥面，但必须满足配合要求。即当轴瓦2的接触面为内锥面(或外锥面)时，与之配合的超声换能器1的接触面则应为外锥面(或内锥面)，两者锥面角度相同、配合面接触良好。 

本实用新型的优点在于：超声波悬浮系统结构简单、控制容易、稳定性好。超声波悬浮过程与电机之间无电磁耦合，因而不会对电机的旋转磁场产生影响；此外可方便地实现转子自动调心作用，抗径向干扰能力强，控制电路也较为简单。超声波悬浮支撑的电机系统技术，在降低高速电机重量、提高寿命和可靠性、减少输出转矩波动、降低控制系统复杂性等方面具有一定优势。 

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图； 

图2是本实用新型的轴瓦结构示意图； 

图3是本实用新型采用的超声换能器的一种-朗之万振子结构示意图； 

图4是本实用新型的实施方式之一的结构示意图；