CN104520599B - 具有结合到其的辅助轴承的径向类型复合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本说明书涉及一种径向类型复合磁轴承，该复合轴承具有结合到其的辅助轴承，通过改进其结构，其能够减小转子的长度和系统体积。本说明书的具有结合到其的辅助轴承的复合磁轴承是径向复合磁轴承，其围绕转子的周缘设置以减少摩擦，并且该复合磁轴承包括：磁轴承；和辅助轴承，该辅助轴承在线圈和永磁体设置在其中的内侧上被固定到定子侧芯的内部的空的空间中。

Description

具有结合到其的辅助轴承的径向类型复合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种复合磁轴承，该复合磁轴承具有耦合到其的辅助轴承。更具体而言，本发明涉及具有耦合到其的辅助轴承的复合磁轴承，该复合磁轴承具有改进的结构，以用于最小化转子的长度和系统体积。

背景技术

已经存在为具有运动例如旋转或往复运动(转子轴或移动轴)的部件提供不同的轴承，以用于解决由于摩擦而在部件的运动中容易发生的不同的问题，例如磨损问题、损害问题、噪声问题和能量浪费问题。一般而言，在广泛使用的轴承中存在滑动轴承(slidingbearing)、滚动轴承(rolling bearing)，其中滑动轴承安装成围绕轴，其中润滑油向与轴承接触的部分提供，并且滚动轴承具有可旋转部件，例如滚珠或滚柱，放置在与轴承接触的部分中以用于最小化摩擦。

传统广泛地使用的那些轴承具有与轴的接触面，这必定在轴承的部分中的任一个处发生。近来，为了使不与轴接触，磁轴承(magnetic bearing)的使用扩大到不同的领域中，从而事实上使摩擦最小化。如在第2009-0070178号韩国专利申请案公开中所公开的(“使用电容测量磁轴承的圆柱径向方向位移的系统和用于确定磁轴承是否具有发生在其中的故障的方法”，2009年7月1日公开)，通过围绕轴布置具有强磁场的磁体或电磁体，磁轴承被制成作用为轴承，以使轴通过磁悬浮被浮起。因为磁轴承一点也没有与轴接触，使得摩擦为零，没有对部件造成磨损或损害，所以磁轴承具有很多优点，例如长的寿命和非常低的噪声。然而，一般而言，不是将磁轴承设计成仅仅用磁轴承来支撑轴，除了磁轴承之外，还设置了具有与轴直接接触的辅助轴承，以用于得到轴的实际上更稳定的支撑。

图1示出了具有设置到转子的相关技术的磁轴承的转子的截面图。如所示，一般而言，由电机2带动旋转的转子1具有多个轴承3、4、6、7、9和设置到转子1的间隙传感器5、8、10。因为转子1具有在一个方向延伸的柱状形状，一般而言，转子1具有分别设置于其上侧部和下侧部的至少两个径向(radial)轴承、和设置于一侧的推力(thrust)轴承。在图1中，因为径向轴承和推力轴承是用于通过磁悬浮支撑转子1的磁轴承3、6、9，所以径向轴承和推力轴承与转子1没有直接接触。

当所有的转子和磁轴承系统在有规律的操作中时，操作径向磁轴承3、6以通过磁悬浮来支撑转子1。然而，如果系统是静止的，因为没有功率提供给径向磁轴承3、6，不产生磁力，所以径向磁轴承3、6不能支撑转子1。因此，对于这种情况，转子1设置有以一般接触类型轴承的模式的径向辅助轴承4、7，例如滚珠轴承。径向辅助轴承4、7不仅用于当系统静止时支撑转子1，而且甚至在用于转子1的系统故障(fault)时也支撑转子1，以尽可能达到旋转的安全停止而不损害到转子1。因此，这种径向辅助轴承4、7是将提供给转子的重要部件。虽然它具有不同于图1的模式，但是具有类似于图1的结构，在第2010-0054253号韩国专利申请案公开(具有弹簧阻尼系统的向下接触滚珠轴承，2010年5月25日公开)中公开了一种设备，在该模式中，滚珠轴承作为磁轴承的补充和磁轴承一起设置到可旋转主体。

为了保证用于设置径向辅助轴承4、7的空间，转子1被设计为将转子1的长度增加到和径向辅助轴承4、7要占据的体积一样。然而，在其中存在问题，因为转子1的长度越长，系统自身的体积越大。除此之外，因为转子1的长度越长，在弯曲模式中的转子1的临界速度越低，在增加转子1的操作速度中存在限制。

现有技术文献

专利文献

(专利文献1)1.第2009-0070178号韩国专利公开(“使用电容测量磁轴承的圆柱径向方向位移的系统和用于确定磁轴承是否具有发生在其中的故障的方法”，2009年7月1日公开)。

(专利文献2)2.第2010-0054253号韩国专利公开(具有弹簧阻尼系统的向下接触滚珠轴承，2010年5月25日公开)。

发明的详细说明

技术问题

因此，为了解决相关技术的问题，本发明的目的是提供一种具有耦合到其的辅助轴承的复合磁轴承，其具有用于最小化转子的长度和系统体积的改进结构。

解决问题的手段

为了实现本发明的目的，具有围绕转子设置以用于减少摩擦的耦合到其的辅助轴承的径向类型的复合磁轴承包括：磁轴承，该磁轴承包括设置到其的附接到转子的周缘的转子芯、设置到其的在径向方向围绕转子芯布置以在其中形成空的空间的多个定子芯、分别设置到定子芯的最外侧的多个永磁体、和提供给定子芯以包围永磁体以便将永磁体分别放置在其中心处的多个线圈；和辅助轴承，其在线圈和永磁体被提供的位置的内侧上固定到定子芯的内部的空的空间中。

在这种情况下，磁轴承可以是单极类(homopolar)型磁轴承。

并且，辅助轴承可以是包括滚珠轴承和滚柱轴承的滚动类型轴承。

并且，辅助轴承可以由辅助轴承壳体固定和支撑，该辅助轴承壳体固定并且耦合到定子芯。

并且，复合磁轴承还可包括形成为围绕磁轴承的外侧面的磁轴承壳体。在这种情况下，复合磁轴承还可包括间隙传感器，该间隙传感器设置在磁轴承壳体的一个侧部处以用于测量复合磁轴承和转子之间的间隙(gap)。

发明的效果

根据本发明的示例性实施例，具有非接触类型磁轴承和接触类型辅助轴承两者的转子可以通过在非接触类型磁轴承中设置辅助轴承而将转子的长度减小到与固定相关技术辅助轴承所需要的空间一样。通过最小化转子的长度，因此可以减小整个系统体积。不仅如此，转子长度减小到短于相关技术转子长度允许将临界速度提升到高于在转子弯曲模式中的相关技术，从而扩大转子可以稳定地操作的操作速度范围。

附图说明

图1示出了具有设置到其的相关技术磁轴承的转子的截面图。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的透视图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的截面图。

图4示出了具有根据本发明的示例性实施例的设置到转子的复合磁轴承的转子的截面图。

图5示出了用于比较相关技术磁轴承的转子和根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的转子的截面图。

<符号说明>

100：复合磁轴承

110：磁轴承 111：线圈

112：永磁体 113：定子芯

114：转子芯 115：磁轴承壳体

120：辅助轴承 121：辅助轴承壳体

500：转子 510：电机

具体实施方式

为了使本领域技术人员参考附图容易地实现，将详细地描述本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将认识到，描述的实施例可以以各种不同的方式修改，而所有不偏离本发明的精神或范围。附图和描述被视为实质上是说明性的而不是限制性的。贯穿本说明书，相同的附图标记指代相同的元件。

在说明书的描述中，“～上”意味着在目标构件上面或下面的位置，而不一定是参考重力方向的目标部件以上的位置。

将参考附图来描述根据本发明的示例性实施例的具有耦合到其的辅助轴承的复合磁轴承。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的透视图，并且图3示出了根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的截面图。将参考图2和3描述本发明的复合磁轴承的结构。

根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承100是围绕转子500设置的径向(radial)类型的复合磁轴承，以用于根本上减少摩擦。在这种情况下，复合磁轴承100具有磁轴承110和辅助轴承120一起耦合在其中的结构。

磁轴承110包括：转子芯114，其设置到磁轴承110，附接到转子500的周缘；多个定子芯113，其设置到磁轴承110，在径向方向围绕转子芯114布置以在其中形成空的空间；多个永磁体112，其分别设置于定子芯113的最外侧；和多个线圈111，其设置到定子芯113以围绕永磁体112，以将永磁体112分别放置在其中心处。也就是说，定子芯113中的每一个具有设置到距离转子500最远侧的永磁体112，其中线圈111设置成围绕永磁体112。并且，如所示，线圈111形成为缠绕在和转子500的轴线方向相同的方向的轴线上。因此，具有分别设置到其的线圈111和永磁体112的多个定子芯113在径向方向围绕转子芯114布置。

一旦施加功率，定子芯113中的线圈111和永磁体112中的每一个产生磁力。转子500具有从其中设置了定子芯113的各个方向施加到的力，并且转子500通过相应地与定子芯113相排斥的力在多个定子芯113中的空间中悬浮。这种现象归因于磁悬浮的根本原理。因此，磁轴承110通过使用磁悬浮原理来支撑转子500。通过控制提供给线圈111的功率的强度、方向、相位和频率，可以控制磁轴承110产生的磁力。

在这种情况下，如可以从磁轴承110的结构获知，优选的是，磁轴承110是单极(homopolar)类型磁轴承。与异极类型相比，单极类型磁轴承没有由涡流(eddy currunt)引起的产生热的问题，易于制造轴芯，并且因为永磁体和电磁体(线圈)被一起使用，所以可以最小化能量消耗。并且，因为电磁体芯在轴的方向布置，所以可以在轴的周缘方向确保更多的空隙。

在这种情况下，如前所述，一般而言，当转子500仅用磁轴承110支撑时，发生以下问题。因为在其中施加功率时磁轴承110进入操作，以当整个系统正常操作时(即当功率被正常提供给磁轴承110和转子500两者时)正常产生磁力，在磁轴承110不与转子500接触的状态中，磁轴承110支撑转子500不存在问题。然而，在系统静止状态中，因为没有功率提供给磁轴承110和转子500两者，使得磁轴承110不产生磁力，所以转子500处于其中转子500与磁轴承110接触的状态。

当然，如果是转子500不旋转的状态，即使转子500与磁轴承110接触，也可能不存在问题，问题是当系统存在故障时。如果由于提供到磁轴承110的功率出差错，则磁轴承110不是正常操作，所以即使转子500保持旋转，轴承110也不得不开始与转子500接触。在这种情况下问题容易发生，由于磁轴承110可能被转子500的旋转损坏，并且当转子500做出非常不稳定的旋转时，存在例如损害到整个系统的事故的高可能性。

为了避免这样的问题，在相关技术中，除了如在图1中示出的磁轴承(对应于磁轴承110)之外，在转子上提供了辅助轴承。然而，附加的辅助轴承引起以下问题。为了确保用于将辅助轴承设置到转子的空间，需要和辅助轴承的长度一样的转子的至少附加长度，并且这增加了整个系统的体积。除此之外，由于转子的弯曲发生倾向根据增加的转子长度而增加，所以临界速度值变低，其是转子可能以弯曲模式稳定旋转的阈值速度。因此，问题发生在最后，由于转子可以在其中做出稳定旋转的操作速度范围被减小。

在本示例性实施例中，提出了复合磁轴承100，其具有辅助轴承120被耦合到磁轴承110的内部以用于防止由转子的增加的长度引起的问题以及甚至在系统停止或系统故障时得到稳定操作的结构。

辅助轴承120在线圈111和永磁体112设置到的位置的内侧上(靠近转子)被固定到定子芯113的内部的空的空间中。为了得到更加稳定的耦合，如图所示，优选的是，由固定并耦合到定子芯113的辅助轴承壳体121来固定和支撑辅助轴承120。

并且，优选的是，辅助轴承120是包括滚珠轴承和滚柱轴承的滚动轴承类型。如前所述，设置了辅助轴承120，以用于在系统停止或尤其是系统故障时得到转子500的稳定支撑。因此，不用说，辅助轴承120需要具有足够的刚度以当辅助轴承120开始与转子500接触时承受，以及承受一定程度上的外部冲击或振动。不仅如此，如前所述，在本发明中，采用将辅助轴承120设置在磁轴承110中的结构的最根本的原因是为了减小转子500的绝对长度。被用作辅助轴承120的轴承还具有形成的不长的长度。

考虑到那些条件，以滚珠轴承或类似轴承的模式的轴承适合用作辅助轴承120，其具有足够的刚度，足以支撑转子，甚至在与转子接触和冲击的情况下没有损坏的风险，并且能够形成为具有短的长度。因此，优选的是，辅助轴承120是以滚珠轴承的模式的轴承。

参考图3，优选的是，复合磁轴承100附加地具有形成为围绕磁轴承110的外侧的磁轴承壳体115。磁轴承壳体115从外侧保护不同的部件，例如磁轴承110。

不仅如此，在这种情况下，复合磁轴承100还可以包括设置在磁轴承壳体115的一侧处的用于测量复合磁轴承100和转子500之间的间隙(gap)的间隙传感器130。参考图1中的相关技术轴承系统，可以获知间隙传感器被分开地设置以用于测量转子和轴承之间的间隙。在这种情况下，因为本发明的复合磁轴承100也具有为磁轴承110设置的间隙传感器130，不增加向间隙传感器130提供的不必要的空间，所以可以使空间利用率和最小化转子长度的效果最大化。

图4示出了具有根据本发明的示例性实施例的设置到转子的复合磁轴承的转子的截面图，并且图5示出了用于比较相关技术磁轴承的转子和根据本发明的示例性实施例的复合磁轴承的转子的截面图。通过采用本发明的复合磁轴承可获得的优点将参考图4和图5更详细地进行描述。

在本示例性实施例中，磁轴承110(甚至在辅助轴承120不存在的情况下)最初在其中具有空隙。因此，辅助轴承120可以安装在最初在磁轴承110中存在的空隙中。也就是说，因为将根本不存在需要增加磁轴承110或类似物的体积的情况，如果其意图安装本发明的复合磁轴承100，所需要的是仅仅确保空间，其中磁轴承110最初已经被安装到转子500。也就是说，本示例性实施例的复合磁轴承100允许最小化转子长度的增加和由将辅助轴承安装在转子上引起的系统体积的增加的影响。

从而，因为消除了当在转子上安装轴承时仅仅用于安装轴承的长度的不必要的增加的影响，所以转子500可以实质上形成为比相关技术的转子短。与此同时，参考图4，因为转子形成为在一个方向延伸，一般而言，轴承中的至少两个被设置到转子的两端(图4示出了其中提供了根据本示例性实施例的两个复合磁轴承的情况，其中复合磁轴承中的每一个用100a和100b的参考符号表示)。在相关技术中，当需要提供磁轴承(参见图1)时，因为辅助轴承被务必设置在磁轴承的附近，所以其需要至少两组磁轴承和辅助轴承，在端部处总计至少四个轴承被提供给转子。然而，因为本发明的复合磁轴承100可以替换设有一个复合磁轴承的相关技术[磁轴承+辅助轴承]，所以设置在转子上的轴承组的数量越多，减小转子长度的效果越大。

图5示出了具有两个轴承组的现有转子(在图5中左侧)与具有用本发明的复合磁轴承替换的轴承组中的两个的转子(在图5中右侧)的比较，其中可以获知，如果轴承组用本发明的复合磁轴承替换，则转子500的整体长度实质上变得更短，如可以在图5的比较截面图中注意到，即使是当仅仅设置了两个轴承组时的情况。

如前所述，转子500的长度越长，弯曲发生的风险越高，因此使临界速度值变低，其是转子500可以稳定地旋转的阈值速度(换句话说，其中转子500可以稳定地操作的操作速度范围被减小)。然而，如图5中所示，因为通过采用本发明的复合磁轴承，所以可以肯定地减小转子500的长度，能够增加在转子500的弯曲模式中的临界速度值并增加转子500可以稳定地在其内操作的操作速度范围，最后，转子500可以以高于相关技术的速度操作。

本发明不局限于示例性实施例，而是包括由本领域技术人员从本发明的示例性实施例做出的所有范围的改变和对示例性实施例的公认的等同物。

Claims (4)

1.一种径向类型的复合磁轴承，其具有耦合到所述复合磁轴承的围绕转子设置的用于减少摩擦的辅助轴承，所述复合磁轴承包括：

磁轴承，所述磁轴承包括：转子芯，其附接到所述转子的周缘；多个定子芯，其在径向方向围绕所述转子芯布置以在其中形成空的空间；多个永磁体，其分别设置到所述定子芯的最外侧；和多个线圈，其设置到所述定子芯以围绕所述永磁体，以便分别将所述永磁体放置在其中心处；和

辅助轴承，其设置在所述空的空间中，所述辅助轴承布置在所述线圈和所述永磁体被提供的位置的内侧上，

其中所述辅助轴承是包括滚珠轴承和滚柱轴承的滚动类型轴承，并且所述辅助轴承由辅助轴承壳体保持和支撑，所述辅助轴承壳体固定且耦合到所述定子芯。

2.根据权利要求1所述的复合磁轴承，其中所述磁轴承是单极类型磁轴承。

3.根据权利要求1所述的复合磁轴承，还包括形成为围绕所述磁轴承的外侧的磁轴承壳体。

4.根据权利要求3所述的复合磁轴承，还包括设置在所述磁轴承壳体的一个侧部处以用于测量所述复合磁轴承和所述转子之间的间隙的间隙传感器。