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CN100368696C - 利用永磁体减轻转子-支承系统中推力负荷的装置 - Google Patents

利用永磁体减轻转子-支承系统中推力负荷的装置 Download PDF

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CN100368696C CNB03819208XA CN03819208A CN100368696C CN 100368696 C CN100368696 C CN 100368696C CN B03819208X A CNB03819208X A CN B03819208XA CN 03819208 A CN03819208 A CN 03819208A CN 100368696 C CN100368696 C CN 100368696C
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Abstract

本发明涉及一种用于提高一转子支承系统推力负荷承载能力的装置及其方法。该提高承载能力的装置包括一定子和一转子，它们设置为可通过使用多个永磁体来提高磁性推力负荷承载能力，其中永磁体在转子和定子之间产生一吸力或一斥力。

Description

利用永磁体减轻转子-支承系统中推力负荷的装置
技术领域
本发明涉及一种转子-支承系统。更具体地，本发明涉及一种用以提高一转子-支承系统推力承载能力的装置及其方法。
技术背景
在具有较大推力负荷的高速转子-支承系统，即存在平行于旋转轴的较大负荷并倾向于沿轴线方向推动该轴的高速转子-支承系统的应用场合，对承受轴的纵向推力或压力的推力(thrust)轴承的设计通常是一项复杂的任务，尤其是在所谓的无油支承系统中。
在这种高速无油应用场合，经常选用尺寸确定成可经受最恶劣的工作环境的磁力轴承以及气体轴承。
然而，要在磁力轴承系统的推力轴承中获得一高的负荷承载能力，就需要解决一些设计难题，这些难题包括例如：
-一高的负荷承载能力需要轴上一大的推力面积，但是推力面积受到一由转子的材料强度极限确定的最大外径(“OD”)的限制；
一高的负荷承载能力通常要求定子中的线圈和磁通路线的尺寸要大，从而使得定子的轴向尺寸很大，这继而需要一较长的转子，但是转子长度受到轴的模频率(mode frequency)限制；
一通常需要在线圈中产生一较高的电流，但这受到绕组中温度上升的限制。此外，高电流需要昂贵的大功率电子设备。
在气体轴承系统例如流体静力系统或流体动力系统中，要承载高的推力负荷就需要一非常大的推力面积，这经常是不能实现的。在这样的系统中，主要问题是由于气体的低粘滞度、转子和靠近旋转中心的轴承之间的低的相对速度以及有限的压力供应而产生的。
在滚动元件推力轴承系统和流体轴承系统中，高负荷增加了系统的损耗，从而使系统的效率降低，甚至使系统过热。
根据上文，明显需要一种用来提高转子-支承系统的推力负荷承载能力的紧凑且高效的装置及其方法。
发明内容
因此本发明的一个目的是，提供一种用来提高转子-支承系统推力负荷承载能力的改进的装置及其方法。
更具体地说，本发明提供了一种用于转子-支承系统的提高推力负荷(承载能力)的装置，它包括：
一设置在转子-支承系统的一旋转轴线(X)上的定子；
一在旋转轴线(X)上通过一第一磁气隙与定子隔开的转子；以及
至少一个通过一第二磁气隙与定子和转子中的一个隔开的永磁体，
其中所述至少一个永磁体、该定子以及转子形成一特征在于一磁通路线的磁回路，从而第一和第二磁气隙中的一磁通产生一处于该定子和转子之间的抵抗一外力Fext的补偿力。
此外还提供了一种用于提高转子-支承系统的推力负荷承载能力的方法，它包括以下步骤：
在转子-支承系统的一旋转轴线(X)上设置一定子；
在旋转轴线(X)上设置一通过一第一磁气隙与该定子隔开的转子；以及
在该定子和转子的至少一个上设置至少一个永磁体，该至少一个永磁体通过一第二磁气隙与该定子和转子中的一个隔开；
由此，所述至少一个永磁体、该定子以及转子形成一特征在于一磁通路线的磁回路，从而第一和第二磁气隙中的一磁通产生一处于该定子和转子之间的抵抗一外力Fext的补偿力。
根据下面参照附图仅以示例形式给出的实施例的非限制性说明，本发明的其它目的、优点以及特征将更加明显。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的第一方面的一第一实施例的提高承载能力的装置的剖视面；
图2是根据本发明的第一方面的一第二实施例的提高承载能力的装置的剖视面；
图3是根据本发明的第一方面的一第三实施例的提高承载能力的装置的剖视面；
图4是根据本发明的第二方面的一第一实施例的提高承载能力的装置的剖视面；
图5是根据本发明的另一个实施例的提高承载能力的装置的剖视面。
具体实施方式
总体来说，本发明提供了一种装置和一种方法，以提高一转子-支承系统的推力负荷承载能力。
更具体地说，根据本发明第一方面的提高承载能力的装置包括一定子和一转子，所述定子和转子设置成可通过采用多个永磁体来提高磁推力负荷承载能力，其中所述永磁体在转子和定子之间产生一抵抗一由外部施加的、以下用Fext表示的力的吸力。这种外力Fext可由压力或者例如重心较低的垂直轴构型中的重力产生。
现在参见附图中的图1至3，下面将对根据本发明第一方面的不同实施例的提高承载能力的装置进行说明。
提高承载能力的装置包括一定子14和一转子12，它们设置成可在该定子14和该转子12之间产生补偿吸力。
参见图1，作为第一实施例，所述提高承载能力的装置包括转子12、一定子磁极部/定子14、一永磁体16以及一垫片18。
永磁体16这样固定在定子磁极部上，以使永磁体16、定子磁极部和转子12形成一磁回路，其中定子磁极部和转子12隔开一间隙，转子12和永磁体16也隔开一间隙。
所形成的磁回路以图1中虚线所示的一磁通路线为特征。定子磁极部和转子12之间的气隙中的磁通，以及转子12和永磁体16之间的气隙中的磁通分别产生一可补偿外力Fext的吸力。
通过优化不同软磁极面、磁体以及气隙的几何形状，就可在满足尺寸和气隙约束的情况下使用一体积最小的磁体。当如此确定永磁体16相对于软磁极的设置时，可通过垫片18来调节气隙以改变补偿(值)，这是由于当气隙减小时磁力增大是公知的物理定律。这种调节提供了应对成型精度、制造和材料公差的处理以及加工偏差(process variation)的灵活性。
在图2所示的第二实施例中，提高承载能力的装置基本上与图1中所示的装置类似。唯一的区别是，转子12和定子14之间的吸力由设置在转子12上的一磁体16产生。
转子12由一软磁材料例如碳(素)钢制成。定子磁极部也由一软磁材料例如低碳钢制成。
如图3中的第三实施例所示，转子12和定子14之间的吸力由一安装在转子12中的第一磁体16a和一安装在定子14中的第二磁体16b产生，磁体16a和16b分别以具有不同极性的磁极彼此相对。可选地，在转子12和定子14由软磁材料制成的情况下，转子12和定子14之间的吸力可通过在转子12和定子14之间设置极面而产生。
根据本发明的第二方面，提供一种包括一定子和一转子提高承载能力的装置，所述定子和转子设置成可通过利用多个永磁体在转子和定子之间产生一斥力来提高磁性推力承载能力。
如图4所示，可由一设置在转子12中的第一磁体16a和一设置在定子14上的第二磁体16b产生斥力，磁体16a和16b设置成以具有同极性的磁极彼此相对，例如磁体16a的N极与磁体16b的N极相对。
从上文可以看出，利用两个磁体，根据待处理的外力的方向通过改变不同磁体的磁极布置就可产生一吸力或者一斥力。
在本发明的提高承载能力的装置包括一固定在转子中的磁体和一固定在定子中的磁体的两种情况下(见图3和图4)，转子12和定子14可由非磁性材料制成。如果在转子12和定子14中使用了软磁材料，则可优化磁体几何形状、极面和气隙的布置以使用体积最小的磁体，从而获得紧凑的产品并节省了成本。实际上，如果将软磁材料用于定子14和转子12，在它们之间的气隙中产生的力也对补偿力有所贡献。因此需要较少的磁性材料。但这种可选方案成本可能较高，因为软磁材料可能相当昂贵。
再次说明，垫片18使得能够改变气隙，从而可调节补偿力。
如图5所示，如果需要对补偿力进行自动或现场调节，可使用一压电致动器20(代替垫片)来调节本发明的提高承载能力的装置的气隙，所述气隙又会改变补偿力。
本领域技术人员可以理解，如果向压电致动器20施加一动态补偿信号，则图5的构型还可用于补偿一外部动态力。
此外，如图5所示，可将测力装置22一例如应变仪(stain gauge)或压电元件一应用到提高承载能力的装置以测量补偿力。这种可选方案在进行监控的应用场合中可能很有用。在主动磁力支承系统的应用场合，固有地存在主动支承件提供的力(动态的和静态的)。因此，利用图5所示的测力装置，就可测量由本发明的提高承载能力的装置所补偿的力。从而，可获得施加到轴上的总外力。
根据本发明第三方面，提供了一种通过调节定子和转子间的磁气隙来获得不同的承载能力提高水平的方法。当然，上述的提高承载能力的装置使得可在定子和转子之间产生一补偿外力Fext的力。
可使用一垫片(见图1)来进行这种调节，或者可借助于一致动器一例如图5中所示的安装在定子中的压电元件一来进行自动调节。
例如，可通过例如一应力仪或者一压电元件(图5)来测量由本发明的提高承载能力的装置以及方法所提供的力。
作为示例，根据本发明第三方面的实施例的方法包括：使用软磁材料制成转子和定子，由此优化产生一补偿力的磁体的使用(例如见图1至4)；使用一垫片来调节补偿力；使用一压电致动器来自动调节补偿力(可以是静态力和/或动态力)；使用一应力仪或一压电元件来测量补偿力；将该提高承载能力的装置放置于一轴的一端部，从而不必改变轴的长度。
如本领域技术人员从上述内容可以理解的那样，可根据具体应用来改变上述构型。例如，如果使轴的长度最小是重要的，则图1所示的构型是有利的。
本领域技术人员可以理解，本发明的方法使得可提高磁性推力承载能力，同时又避免使用固体接触或流体接触，换句话说，利用了非接触方式。
本发明可有利地应用于这样的系统中，其中推力负荷单向地来自外部的工作负荷或垂直构型中的转子的重量。
本领域技术人员可以理解，根据本发明的提高承载能力的装置和方法可用于例如磁力支承系统、流体静力支承系统、流体动力支承系统或滚动元件支承系统。作为一具体示例，本发明可用于补偿如工作负荷的单向外部静态负荷-例如静态压力，或者补偿一垂直构型中的轴的重量。
因此，根据本发明的教导可实现一紧凑的低成本推力处理(提高推力轴承和推力承载能力的装置)装置。
此外，如果如图5所示对动态负荷进行测量并使用一致动器，则也可进行动态负荷补偿。
应当指出，由于本发明的提高承载能力的装置可设在一轴的一个端部(见图1至5)处，所以不需改变轴的长度来接纳该提高承载能力的装置。
本领域技术人员可以理解，本发明不产生任何由于例如使用滚动元件推力轴承而产生的直接接触或者由于如流体型推力轴承的液力耦合(fluidcoupling)而造成的摩擦损耗。此外，由于与推力支承系统相比(本发明)可在定子和转子之间使用了明显较大的间隙，所以本发明能够使绕组的损失最小。
尽管上面通过实施例对本发明进行了说明，但在不脱离本发明本质和教导的情况下，可对其进行修改。

Claims (33)

1.一种用于转子-支承系统的提高推力负荷承载能力的装置，包括：
一设置在该转子-支承系统的一旋转轴线(X)上的定子；
一在旋转轴线(X)上通过一第一磁气隙与所述定子隔开的转子；以及
至少一个通过一第二磁气隙与所述定子和所述转子中的一个隔开的永磁体，
其特征在于，所述至少一个永磁体、所述定子以及所述转子形成一以一磁通路线为特征的磁回路，从而所述第一和第二磁气隙中的一磁通产生一处于所述定子和所述转子之间的抵抗一外力Fext的补偿力。
2.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述外力Fext是由一选自包括压力或一重心较低的垂直轴构型中的重力的组的作用力产生。
3.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述至少一个永磁体固定在所述定子上，所述至少一个永磁体通过第二磁气隙与所述转子隔开。
4.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述至少一个永磁体固定在所述转子上，所述至少一个永磁体通过第二磁气隙与所述定子隔开。
5.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述至少一个永磁体中的一第一永磁体固定在所述定子上，而所述至少一个永磁体中的一第二永磁体固定在所述转子上，第二磁气隙分别将所述第一永磁体与所述转子以及所述第二永磁体与所述定子隔开。
6.根据权利要求5所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述至少一个永磁体中的所述第一永磁体和所述至少一个永磁体中的所述第二永磁体分别以具有不同极性的磁极彼此相对，以在所述转子和所述定子之间形成一补偿吸力。
7.根据权利要求5所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述至少一个永磁体中的所述第一永磁体和所述至少一个永磁体中的所述第二永磁体分别以具有相同极性的磁极彼此相对，以在所述转子和所述定子之间形成一补偿斥力。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，还包括一用以调节所述第一和第二磁气隙的垫片。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，还包括一安装在所述定子中的压电致动器。
10.根据权利要求5至7中任一项所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述定子和所述转子由一选自包括一种软磁材料和一种非磁性材料的组的材料制成。
11.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述转子由碳钢制成，所述定子由低碳钢制成。
12.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述外力选自包括一静态力和一动态力的组。
13.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，还包括用于测量补偿力的测力装置。
14.根据权利要求13所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述测力装置选自包括应变仪和压电元件的组。
15.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述提高推力负荷承载能力的装置位于转子-支承系统的一轴的一个端部处。
16.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述推力负荷是来自一外部工作负荷的单向负荷。
17.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述推力负荷是来自一垂直构型中的转子重量的单向负荷。
18.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述外力是一选自包括工作负荷和垂直构型中轴的重量的组的单向外部静态负荷。
19.根据权利要求1所述的提高推力负荷承载能力的装置，其特征在于，所述转子-支承系统选自包括一磁力支承系统、一流体静力支承系统、一流体动力支承系统和一滚动元件支承系统的组。
20.一种用于提高转子-支承系统的推力负荷承载能力的方法，包括以下步骤：
在转子-支承系统的一旋转轴线(X)上设置一定子；
在该旋转轴线(X)上设置一通过一第一磁气隙与该定子隔开的转子；以及
在该定子和转子的至少一个上设置至少一个永磁体，该至少一个永磁体通过一第二磁气隙与该定子和转子中的一个隔开，
由此，所述至少一个永磁体、定子和转子形成一以一磁通路线为特征的磁回路，从而所述第一和第二磁气隙中的一磁通产生一处于该定子和该转子之间的抵抗一外力Fext的补偿力。
21.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置一定子的步骤包括，设置一由低碳钢制成的定子，所述设置一转子的步骤包括设置一由碳钢制成的转子。
22.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置至少一个永磁体的步骤包括，将至少一个永磁体安装在所述定子上，所述第二磁气隙将所述至少一个永磁体与所述转子隔开。
23.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置至少一个永磁体的步骤包括，将至少一个永磁体安装在所述转子上，所述第二磁气隙将所述至少一个永磁体与所述定子隔开。
24.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置至少一个永磁体的步骤包括，将所述至少一个永磁体中的一第一永磁体固定在所述定子上，并将所述至少一个永磁体中的一第二永磁体固定在所述转子上，所述第二磁气隙将所述第一永磁体与所述转子隔开，并将所述第二永磁体与所述定子隔开。
25.根据权利要求24所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置一定子的步骤和所述设置一转子的步骤包括，设置由选自包括一软磁材料和一非磁性材料的组的材料制成的一定子和一转子。
26.根据权利要求24所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述将至少一个永磁体中的一个第一永磁体固定在所述定子上和将所述至少一个永磁体中的一个第二永磁体固定在所述转子上的步骤包括，将所述永磁体具有不同极性的各磁极布置成彼此相对，以在所述转子和定子之间产生一补偿吸力。
27.根据权利要求24所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述将至少一个永磁体中的一个第一永磁体固定在所述定子上和将所述至少一个永磁体中的一个第二永磁体固定在所述转子上的步骤包括，将所述永磁体具有相同极性的各磁极布置成彼此相对，以在所述转子和定子之间产生一补偿斥力。
28.根据权利要求20至27中任一项所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，还包括一设置一垫片以调节所述第一和第二磁气隙的步骤。
29.根据权利要求20至27中任一项所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，还包括在所述定子中安装一压电致动器的步骤。
30.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述外力Fext选自包括一静态力和一动态力的组。
31.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，还包括设置测力装置以测量补偿力的步骤。
32.根据权利要求31所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述设置测力装置的步骤包括设置选自包括应变仪和压电元件的组的测力装置的步骤。
33.根据权利要求20所述的用于提高推力负荷承载能力的方法，其特征在于，所述转子-支承系统选自包括一磁力支承系统、一流体静力支承系统、一流体动力支承系统和一滚动元件支承系统的组。
CNB03819208XA 2002-07-10 2003-06-18 利用永磁体减轻转子-支承系统中推力负荷的装置 Expired - Lifetime CN100368696C (zh)

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