TW201024546A - Oil-free centrifugal blade compressor and magnetic-gas bearing thereof - Google Patents

Description

201024546 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種壓縮機及其軸承，且特別是有關 於一種無油離心葉輪式壓縮機及其磁氣複合軸承。 【先前技術】

❷ 習知之壓縮機通常採用接觸式之滾珠轴承'滾柱軸承 或是滑動油轴承。然而，這些機械式密封之轴承會由於接 觸磨損與需要油膜冷卻軸承，導致產生軸功損耗與油氣污 染問題，使得壓縮機能耗低落。 為改善前述問題，習知技藝已分別發展出磁控輛承以 .及氣體軸承。以磁控轴承而言，其建置成本較高而不 -廣，且材料的磁飽和特性會使得磁控轴承的承載能力 低。以氣體軸承而言，由於氣體介質的可壓縮性， 乂 •氣體軸承失穩的問題。 度生 中國€^005:0(^540.5號專利申請案揭露一 複合軸承，主要是以氣動壓的方式來避免軸與袖 =觸’導致轴承承載力設計不易提昇。此外，其磁極^ 用傻向排列的方式，並將彈性片配置於磁極* = ^中，如此會影響磁極磁力線的穿透，進而降= 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供一 承低承載力與氣體軸承失 ，氣複合輛承’可解決磁 穩的問題，而本發明之磁氣 201024546 - 複合軸承是無污染、無磨損、無污染的高轉速與高精度軸 承，以應用於低軸功耗、無油的離心式冷媒壓縮機。 本發明提出一種磁氣複合軸承，包括轉轴、多個磁極 件、多個磁極線圈以及氣靜壓節流器。這些磁極件是環繞 轉軸，而每個磁極件具有朝向轉軸之兩個端點，且這些磁 ' 極線圈是分別纏繞於對應之磁極件之兩個端點，以使每個 磁極件之兩個端點分別形成第一磁極與第二磁極。氣靜壓 節流器是環繞轉軸，而氣靜壓節流器具有喷氣開口，以讓 Φ 氣體通過噴氣開口，而於氣靜壓節流器與轉軸之間形成氣 體薄膜。 本發明另提出一種無油離心葉輪式壓縮機，包括馬達 機組、齒輪箱機組以及葉輪機組，其中齒輪箱機組是連接 於馬達機組與葉輪機組之間。馬達機組包括馬達主軸、馬 達感應線圈以及第一磁氣複合軸承，而齒輪箱機組包括第 二磁氣複合軸承、第三磁氣複合軸承以及增速齒輪，且葉 輪機組包括葉輪主軸、第四磁氣複合軸承、第二級葉輪、 ©第一級葉輪以及進氣導葉，其中第一磁氣複合軸承、第二 磁氣複合軸承、第三磁氣複合軸承與第四磁氣複合轴承乃 為前述之磁氣複合軸承。 馬達感應線圈是環繞馬達主軸，而第一磁氣複合軸承 與第二磁氣複合軸承之轉軸是分別連接馬達主軸之兩端。 增速齒輪是連接於第二磁氣複合軸承與第三磁氣複合軸承 之間。第三磁氣複合軸承與第四磁氣複合軸承之轉轴是分 別連接葉輪主軸之兩端。第二級葉輪是連接第四磁氣複合 軸承，而第一級葉輪是連接第二級葉輪，且進氣導葉是用 5 201024546 於將自進氣口進入的流體於第〆級葉輪與第二級葉輪内進 行壓縮。 綜上所述，在本發明之磁氣複合軸承中，是以氣體轴 承為主，磁控軸承為輔，藉此改善磁控承載力不足的問題， 並用磁控避免氣體軸承失穩的現象。此外，本發明是利用 氣靜壓節流器調整氣體薄犋的承載力道，可大幅降低失穩 的現象。另外，磁極是相對轉軸而呈軸向配置，因此磁極 間的磁場強度不會產生衰減的現象。 瘳 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，成配合所附圖式，作詳細說 明如下。 ' 【實施方式】 多個磁極線圈130以及氣靜壓節流器 與磁極線圈130是用於磁控轉軸11〇 是用於氣控轉軸11〇。 圖1A為依據本發明—實施例之磁氣複合軸承的剖面 圖，而圖1B為圖ιΑ之磁氣複合軸承於相同角度之局部透 ，圖。請參考圖1A與圖1B，本發明之磁氣複合軸承1〇〇 .❿*用於裝設於壓縮機内，特毅姉功耗之離心式冷媒壓 縮機。磁氣複合軸承100包括轉軸11〇、多個磁極件12〇、 140,其中磁極件120 ’而氣靜壓節流器140 杜詳細而言’磁極件120是環繞轉軸110,而每個磁極 们20具有朝向轉軸之兩端122、124，且磁極線圈是 刀別纏繞於對應之磁極件12〇之兩端122、卜，丨”你么

6 201024546 極，其中第一磁極例如是磁北極N，而第二磁極例如是磁 南極S。 藉由調變磁極線圈130的電流，便可控制磁力線密度 以磁控轉軸110。相較於習知技藝之磁極線圈均是環繞轉 轴而言，本發明中之磁極線圈13〇僅是纏繞於磁極件12〇 之兩個端點122、124上，藉此可大幅降低製作成本，且磁 極件120與磁極線圈13〇的結構亦相對簡單。 此外，相對習知技藝之磁極是採用徑向排列的方式而 ❹言’本發明之磁極是相對轉軸而呈轴向配置的方式。如此 一來，磁極與轉軸11〇之間的間隙沒有任何實體材料，因 此磁極間之磁場強度便不會有衰減的現象產生，進而以提 升磁控的效果。 在本實施例中，磁極件12〇例如是磁極矽鋼片，不過 本發明並不限制磁極存12〇的種類與材質。再者，磁極件 120〃例如是以36〇度角對稱的方式環繞轉軸ιι〇，而儘管本 實％例之剖面圖中僅緣示出兩個磁極件12〇，但是 _ 並不限制磁極件120的數量。 具體而言，若磁極件120的數量為4個，則此4個碎 極件120便以間隔90度角之方式對稱環繞轉軸110。若殘 Ώ 的數置為6個，則此6個磁極件120便以間隔6丨 又角之方式對稱環繞轉軸11〇。若磁極件12〇的數 ^ „ 晃、&此項技藝者當可輕易理解並延伸之，惟发 均仍屬本發明之範舜内。 淮其 明再參考圖1Α與圖1Β，氣靜壓節流器140為環狀結 201024546 '構而用於環繞轉軸110，而氣靜壓節流器140具有喷氣開 口 142，以讓氣體通過喷氣開口 M2，而於氣靜壓節流器 140與轉軸110之間形成氣體薄膜(未續'示），以承載轉轴 110轉動。 在本實施例中’氣靜壓節流器140是位於磁極件12〇 之兩個端點122、124之間，因此磁極件120可再開設對應 喷氣開口 142的通道（未標示），以讓氣體可從外界通入至 氣靜壓節流器140。當然，本發明並不限制氣靜壓節流器 參 140的擺設位置，舉例而吕’氣靜壓卽流器.140亦可位於 磁極件120之兩個端點122、124外侧。 當轉軸110啟動或低速運轉時’是以氣體靜壓軸承為 主要負載，磁控轴成為輔助承載。當轉軸110高速運轉時， 氣體軸承支承力包括氣靜壓與氣動壓，磁控軸承除了改善 氣體軸承的穩定性’亦可提昇轉軸110偏擺精度。因此， 本發明之磁氣複合軸承100結構簡單，充分發揮主動磁控 軸承與氣壓軸承的優點’並改善軸承的結構剛度和動態特 © 請再參考圖1A與圖1B ’在本實施例令，氣靜壓節流 器140與轉軸110之間的間隙略小於磁極與轉軸11()之間 的間隙，藉此可用於保護磁極與轉軸110的接觸磨損。詳 細來說，轉轴110在各個部分的半徑都是固定的，所以是 分別調變氣靜壓節流器140與磁極件120的位置來調整這 些間隙。但在其他實施例中，轉軸11 〇在不同位置可具有 不同的半徑，藉此亦可調整這些間隙。 此外，透過不同形式的喷氣開口 142設計，可達成不 201024546 同的氣控效果。具體而言，本實施例之喷氣開口 142乃為 多個圓孔而為分隔式開口設計，以下將再配合圖示說明其 他實施例之磁氣複合軸承1〇〇，而為求簡化，相同功能^ 稱之構件仍沿用相同的標號。 圖2A為依據本發明另一實施例之磁氣複合軸承的剖 面圖，而圖2B為圖2A之磁氣複合軸承於相同角度之局部 透視圖。請參考圖2A與圖2B，本實施例之磁氣複合軸承 200與前述之磁氣複合軸承1〇〇(如圖ία與1B所示）類似， ❹其差別僅在於氣靜壓節流器240之喷氣開口 242乃為多個 方孔而為分隔式開口設計。 圖3A為依據本發明另一實施例之磁氣複合轴承的刊 面圖，而圖3B為圖3A之磁氣複合軸承於相同角度之局; 透視圖。請參考圖3A與圖3B，本實施例之磁氣複合軸承 300與前述之4氣複合軸承1〇〇(如圖ία與1B所示）類似， 其差別僅在於氣靜壓節流器340之喷氣開口 342乃為環狀 細孔而為連續式開口設計。 ❹ 再次強調的是，本發明並不限制前述噴氣開口 142、 242、342的種類，熟悉此項技藝者當可輕易理解。此外， 本發明亦不限制氣靜壓節流器之材質。圖4為依據本發明 另一實施例之磁氣複合軸承的剖面圖。請參考圖4,本實 絶例之磁氣複合軸承400與前述之磁氣複合軸承⑺圖 1A與1B所示）類似，其差別僅在於氣靜壓節流器44〇之二 質為多孔性材質，以使氣體可直接通過氣靜壓節流器44〇 而於氣靜壓節流器440與轉軸11〇之間形成氣體^膜。 當然，本發明亦不限制氣靜壓節流器之結構，而圖5 201024546 繪示依據本發明另一實施例之氣靜壓節流器的結構剖面 圖。請參考圖5，本實施例之氣靜壓節流器540與前述實 施例之氣靜壓節流器140相似，其差別在於氣靜壓節流器 540在相同的局部剖面區域中具有兩個喷氣開口 542,亦即 氣靜壓節流器540為雙排氣袋節流器結構。熟悉此項技藝 者當可輕易理解，於此便不再贅述。

以前述採用分隔式開口、連續式開口與多孔性材質等 等多種氣靜壓節流器的設計，可使磁氣複合軸承易於達到 軸承系統的承載力、穩定性等動態優異性能，並充分解決 靜壓與磁控承載力的匹配問題，更可有效縮短軸承的軸向 長度’提昇軸承的動態綜合性能。 值得注意的是’本發明之磁氣複合轴承可用於一般的 壓縮機内，且特別適用於無油離心葉輪式壓縮機内，以下 將再配合圖示詳述本發明之無油離心葉輪式壓縮機。 圖6為依據本發明一實施例之無油離心葉輪式壓縮機 的剖面示意圖。請參考圖6 ’本發明之無油離心葉輪式壓 縮機0G主要包括馬達機組61 ^、齒輪箱機組6%以及葉 輪機組630’其中齒輪箱機組62〇是連接於 與葉輪齡630之間，.以將馬物且61〇所產=動力傳 遞至葉輪機組㈣，而使葉輪敵63這 入的流體（未繪示° ^ 應』=及;括馬達主轴612、馬達感 包括第二磁氣複合輛承2:=1二而人齒輪箱機組㈣ 增速齒輪626,且草乳複&轴承624以及 且茉輪機組630包括葉輪主轴631、第四磁 201024546 氣複合軸承632、苐二級葉輪633、第一級葉輪634以及進 氣導葉635’其中第一磁氣複合軸承616、第二磁氣複合軸 承622、第三磁氣複合軸承624與第四磁氣複合轴承632 乃為前文實施例所述之磁氣複合軸承。 馬達感應線圈614是環繞馬達主軸612，藉由電磁轉 換而使馬達主軸612轉動，而第—磁氣複合軸承616與第 二磁氣複合軸承622之轉軸是分別連接馬達主軸612之兩 端。 ❹ 增速齒輪—是連接於第二磁氣複合轴承622 : 磁氣複合軸承624之間，以詞變第三磁氣複合轴承似: 第二磁氣複合軸承622之轉軸 磁 3=631之兩端’藉此即可將馬達機=二= 的動力傳遞至葉輪機組63〇。 υ所產生 此外，第二級葉輪633是連接第四磁氣 而第一級葉輪634是連接第二級葉輪⑻，且632， 是用於將自進氣口 G進入的流體於 虱導葉635 級葉輪633内進行壓縮。由於本 2^34與第二 縮機600配置較佳的磁氣複合軸^由離心葉輪式壓 壓縮機6〇〇具有較佳的運轉效 =此無油離心葉輪式 易理解，於此便不再贅述。 先、心此項技藝者當可輕 综上所述，本發明之磁氣複合軸 壓縮機至少具有下列優點： 承與無油離心葉輪式 一、藉由氣靜壓節流器調整氣體 大幅降低失穩的現象。當轉軸啟低：戴力道’可 飞低速運轉時，是以氣 201024546 ^ 體靜壓轴承為主要負載，磁控軸成為辅助承載。當轉軸高 速運轉時，氣體軸承支承力包括氣靜壓與氣動壓，磁控軸 承除了改善氣體軸承的穩定性，亦可提昇轉轴偏擺精度。 二、 磁極件與磁極線圈的結構相對簡單，可大幅降低 製作成本。 三、 磁極是相對轉軸而呈軸向配置，因此磁極間的磁 場強度不會產生衰減的現象。 四、 氣靜壓節流器可採用分隔式開口、連續式開口與 Φ 多孔性材質等設計，以達成不同的氣控效果，可使磁氣複 合軸承易於達到軸承系統的承載力、穩定性等動態優異性 能。 雖然本發明已以諸實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍内，當可作些許之更動與潤飾；因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 0 【圖式簡單說明】 圖1A為依據本發明一實施例之磁氣複合軸承的剖面 圖。 圖1B為圖1A之磁氣複合軸承於相同角度之局部透視 圖。 圖2A為依據本發明另一實施例之磁氣複合軸承的剖 面圖。 圖2B為圖2A之磁氣複合軸承於相同角度之局部透視 圖。 12 201024546 圖3A為依據本發明另一實施例之磁氣複合轴承的剖 面圖。 圖3B為圖3A之磁氣複合軸承於相同角度之局部透視 圖。 圖4為依據本發明另一實施例之磁氣複合轴承的剖面 圖。 圖5繪示依據本發明另一實施例之氣靜壓節流器的結 構剖面圖。 圖6為依據本發明一實施例之無油離心葉輪式壓縮機 的剖面示意圖。 【主要元件符號說明】 100、200、300、400 :磁氣複合軸承 110 :轉軸 12 0 :磁極件 122、124 :端點 130 :磁極線圈 140、240、340、440、540 :氣靜壓節流器 142、242、342、442、542 :喷氣開口 600 :無油離心葉輪式壓縮機 610 :馬達機組 612 :馬達主軸 614 :馬達感應線圈 616:第一磁氣複合軸承 620 :齒輪箱機組 13 201024546 622 第二磁氣複合軸承 624 第三磁氣複合抽承 626 增速齒輪 630 葉輪機組 631 葉輪主軸 632 第四磁氣複合轴承 633 第二級葉輪 634 第一級葉輪 635 進氣導葉 G :進氣口 N :磁北極 S :磁南極 〇 14

Claims (1)

1. 201024546 七、申請專利範圍： 1. 一種磁氣複合轴承，適用於一壓縮機内，其包含有： 一轉轴； 複數個磁極件，環繞該轉軸，而每一磁極件具有朝向 該轉軸之兩個端點； 複數個磁極線圈，分別纏繞於對應之磁極件之兩個端 點，以使每一磁極件之兩個端點分別形成一第一磁極與一 第二磁極；以及 0 一氣靜壓節流器，環繞該轉軸，而該氣靜壓節流器具 有一噴氣開口，以讓氣體通過該喷氣開口，而於該氣靜壓 節流器與該轉轴之間形成一氣體薄膜。 2. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合轴承，其中 該些磁極件為磁極矽鋼片。 3. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合轴承，其t 該氣靜壓節流器是位於該些磁極件之兩個端點之間。 4. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 ^ 該氣靜壓節流器是位於該些磁極件之兩個端點外侧。 5. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 該喷氣開口為分隔式開口。 6. 如申請專利範圍第5項所述之磁氣複合轴承，其中 該喷氣開口為多個圓孔。 7. 如申請專利範圍第5項所述之磁氣複合軸承，其中 該喷氣開口為多個方孔。 8. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 該喷氣開口為連續式開口。 15 201024546 - 9.如申請專利範圍第8項所述之磁氣複合轴承，其中 該喷氣開口為環狀細孔。 10.如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 該氣靜壓節流器為多孔性材質。 11.如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 • 該些磁極件對稱環繞該轉軸。 12. 如申請專利範圍第11項所述之磁氣複合軸承，其 中該些磁極件的數量為4個，並以間隔90度角之方式對稱 ^ 環繞該轉軸。 13. 如申請專利範圍第11項所述之磁氣複合軸承，其 中該些磁極件的數量為6個，並以間隔60度角之方式對稱 環繞該轉轴。 14. 如申請專利範圍第11項所述之磁氣複合軸承，其 中該些磁極件的數量為8個，並以間隔45度角之方式對稱 環繞該轉轴。 15. 如申請專利範圍第1項所述之磁氣複合軸承，其中 該第'一磁極為磁北極’而該第二磁極為磁南極。 ' 16.—種無油離心葉輪式壓縮機，其包含有： 一馬達機組，其更包含有： 一馬達主軸； 一馬達感應線圈，環繞該馬達主軸； 一第一磁氣複合軸承，為如專利範圍第1項所述 之磁氣複合軸承，而該第一磁氣複合轴承之轉軸連接該馬 達主軸之一端； 一齒輪箱機組，連接該馬達機組，而該齒輪箱機組更 16 201024546 * 包含有： 一第二磁氣複合軸承，為如專利範圍第1項所述 之磁氣複合軸承，而該第二磁氣複合軸承之轉轴連接該馬 達主軸之另一端； " 一第三磁氣複合軸承，為如專利範圍第1項所述 之磁氣複合軸承；以及 一增速齒輪，連接該第二磁氣複合轴承與該第三 磁氣複合軸承；以及 Φ 一葉輪機組，連接該齒輪箱機組，而該葉輪機組更包 含有： 一葉輪主軸，而該第三磁氣複合軸承之轉軸連接 該葉輪主軸之一端； 一第四磁氣複合軸承，為如專利範圍第1項所述 之磁氣複合軸承，而該第四磁氣複合軸承之轉軸連接該葉 輪主軸之另一端； 一第二級葉輪，連接該第四磁氣複合軸承； ❹ 一第一級葉輪，連接該第二級葉輪；以及 ' 一進氣導葉，用於將自一進氣口進入的流體於該 第一級葉輪與該第二級葉輪内進行壓縮。 17