專利名稱：利用永磁體減輕轉(zhuǎn)子－支承系統(tǒng)中推力負荷的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用以提高一轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)推力承載能力的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
在具有較大推力負荷的高速轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)，即存在平行于旋轉(zhuǎn)軸的較大負荷并傾向于沿軸線方向推動該軸的高速轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的應(yīng)用場合，對承受軸的縱向推力或壓力的推力(thrust)軸承的設(shè)計通常是一項復(fù)雜的任務(wù)，尤其是在所謂的無油支承系統(tǒng)中。
在這種高速無油應(yīng)用場合，經(jīng)常選用尺寸確定成可經(jīng)受最惡劣的工作環(huán)境的磁力軸承以及氣體軸承。
然而，要在磁力軸承系統(tǒng)的推力軸承中獲得一高的負荷承載能力，就需要解決一些設(shè)計難題，這些難題包括例如—一高的負荷承載能力需要軸上一大的推力面積，但是推力面積受到一由轉(zhuǎn)子的材料強度極限確定的最大外徑(“OD”)的限制；—高的負荷承載能力通常要求定子中的線圈和磁通路線的尺寸要大，從而使得定子的軸向尺寸很大，這繼而需要一較長的轉(zhuǎn)子，但是轉(zhuǎn)子長度受到軸的模頻率(mode frequency)限制；—通常需要在線圈中產(chǎn)生一較高的電流，但這受到繞組中溫度上升的限制。此外，高電流需要昂貴的大功率電子設(shè)備。
在氣體軸承系統(tǒng)例如流體靜力系統(tǒng)或流體動力系統(tǒng)中，要承載高的推力負荷就需要一非常大的推力面積，這經(jīng)常是不能實現(xiàn)的。在這樣的系統(tǒng)中，主要問題是由于氣體的低粘滯度、轉(zhuǎn)子和靠近旋轉(zhuǎn)中心的軸承之間的低的相對速度以及有限的壓力供應(yīng)而產(chǎn)生的。
在滾動元件推力軸承系統(tǒng)和流體軸承系統(tǒng)中，高負荷增加了系統(tǒng)的損耗，從而使系統(tǒng)的效率降低，甚至使系統(tǒng)過熱。
根據(jù)上文，明顯需要一種用來提高轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的推力負荷承載能力的緊湊且高效的裝置及其方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個目的是，提供一種用來提高轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)推力負荷承載能力的改進的裝置及其方法。
更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的提高推力負荷(承載能力)的裝置，它包括一設(shè)置在轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一旋轉(zhuǎn)軸線上的定子；一在旋轉(zhuǎn)軸線上通過一第一氣隙與定子隔開的轉(zhuǎn)子；以及至少一個通過一第二氣隙與轉(zhuǎn)子隔開的永磁體，其中所述至少一個永磁體、該定子以及轉(zhuǎn)子形成一特征在于一磁通路線的磁回路，從而第一和第二氣隙中的一磁通產(chǎn)生一處于該定子和轉(zhuǎn)子之間的抵抗一外力Fext的補償力。
此外還提供了一種用于提高轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的推力負荷承載能力的方法，它包括以下步驟在轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一旋轉(zhuǎn)軸線上設(shè)置一定子；在旋轉(zhuǎn)軸線上設(shè)置一通過一第一氣隙與該定子隔開的轉(zhuǎn)子；設(shè)置至少一個通過一第二氣隙與該轉(zhuǎn)子隔開的永磁體；由此，所述至少一個永磁體、該定子以及轉(zhuǎn)子形成一特征在于一磁通路線的磁回路，從而第一和第二氣隙中的一磁通產(chǎn)生一處于該定子和轉(zhuǎn)子之間的抵抗一外力Fext的補償力。
根據(jù)下面參照附圖僅以示例形式給出的實施例的非限制性說明，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點以及特征將更加明顯。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一第一實施例的提高承載能力的裝置的剖視面；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一第二實施例的提高承載能力的裝置的剖視面；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一第三實施例的提高承載能力的裝置的剖視面；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的一第一實施例的提高承載能力的裝置的剖視面；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的提高承載能力的裝置的剖視面。
具體實施例方式
總體來說，本發(fā)明提供了一種裝置和一種方法，以提高一轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的推力負荷承載能力。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明第一方面的提高承載能力的裝置包括一定子和一轉(zhuǎn)子，所述定子和轉(zhuǎn)子設(shè)置成可通過采用多個永磁體來提高磁推力負荷承載能力，其中所述永磁體在轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生一抵抗一由外部施加的、以下用Fext表示的力的吸力。這種外力Fext可由壓力或者例如重心較低的垂直軸構(gòu)型中的重力產(chǎn)生。
現(xiàn)在參見附圖中的圖1至3，下面將對根據(jù)本發(fā)明第一方面的不同實施例的提高承載能力的裝置進行說明。
提高承載能力的裝置包括一定子14和一轉(zhuǎn)子12，它們設(shè)置成可在該定子14和該轉(zhuǎn)子12之間產(chǎn)生補償吸力。
參見圖1，作為第一實施例，所述提高承載能力的裝置包括轉(zhuǎn)子12、一定子磁極部14、一永磁體16以及一墊片18。
永磁體16這樣固定在定子磁極部14上，以使永磁體16、定子磁極部14和轉(zhuǎn)子12形成一磁回路，其中定子磁極部14和轉(zhuǎn)子12隔開一間隙，轉(zhuǎn)子12和永磁體16也隔開一間隙。
所形成的磁回路以圖1中虛線所示的一磁通路線為特征。定子磁極部14和轉(zhuǎn)子12之間的氣隙中的磁通，以及轉(zhuǎn)子12和永磁體16之間的氣隙中的磁通分別產(chǎn)生一可補償外力Fext的吸力。
通過優(yōu)化不同軟磁極面、磁體以及氣隙的幾何形狀，就可在滿足尺寸和氣隙約束的情況下使用一體積最小的磁體。當如此確定永磁體16相對于軟磁極的設(shè)置時，可通過墊片18來調(diào)節(jié)氣隙以改變補償(值)，這是由于當氣隙減小時磁力增大是公知的物理定律。這種調(diào)節(jié)提供了應(yīng)對成型精度、制造和材料公差的處理以及加工偏差(process variation)的靈活性。
在圖2所示的第二實施例中，提高承載能力的裝置基本上與圖1中所示的裝置類似。唯一的區(qū)別是，轉(zhuǎn)子12和定子14之間的吸力由設(shè)置在轉(zhuǎn)子12上的一磁體16產(chǎn)生。
轉(zhuǎn)子12由一軟磁材料例如碳(素)鋼制成。定子磁極部14也由一軟磁材料例如低碳鋼制成。
如圖3中的第三實施例所示，轉(zhuǎn)子12和定子14之間的吸力由一安裝在轉(zhuǎn)子12中的第一磁體16a和一安裝在定子14中的第二磁體16b產(chǎn)生，磁體16a和16b分別以具有不同極性的磁極彼此相對?？蛇x地，在轉(zhuǎn)子12和定子14由軟磁材料制成的情況下，轉(zhuǎn)子12和定子14之間的吸力可通過在轉(zhuǎn)子12和定子14之間設(shè)置極面而產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種包括一定子和一轉(zhuǎn)子提高承載能力的裝置，所述定子和轉(zhuǎn)子設(shè)置成可通過利用多個永磁體在轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生一斥力來提高磁性推力承載能力。
如圖4所示，可由一設(shè)置在轉(zhuǎn)子12中的第一磁體16a和一設(shè)置在定子14上的第二磁體16b產(chǎn)生斥力，磁體16a和16b設(shè)置成以具有同極性的磁極彼此相對，例如磁體16a的N極與磁體16b的N極相對。
從上文可以看出，利用兩個磁體，根據(jù)待處理的外力的方向通過改變不同磁體的磁極布置就可產(chǎn)生一吸力或者一斥力。
在本發(fā)明的提高承載能力的裝置包括一固定在轉(zhuǎn)子中的磁體和一固定在定子中的磁體的兩種情況下(見圖3和圖4)，轉(zhuǎn)子12和定子14可由非磁性材料制成。如果在轉(zhuǎn)子12和定子14中使用了軟磁材料，則可優(yōu)化磁體幾何形狀、極面和氣隙的布置以使用體積最小的磁體，從而獲得緊湊的產(chǎn)品并節(jié)省了成本。實際上，如果將軟磁材料用于定子14和轉(zhuǎn)子12，在它們之間的氣隙中產(chǎn)生的力也對補償力有所貢獻。因此需要較少的磁性材料。但這種可選方案成本可能較高，因為軟磁材料可能相當昂貴。
再次說明，墊片18使得能夠改變氣隙，從而可調(diào)節(jié)補償力。
如圖5所示，如果需要對補償力進行自動或現(xiàn)場調(diào)節(jié)，可使用一壓電致動器20(代替墊片)來調(diào)節(jié)本發(fā)明的提高承載能力的裝置的氣隙，所述氣隙又會改變補償力。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，如果向壓電致動器20施加一動態(tài)補償信號，則圖5的構(gòu)型還可用于補償一外部動態(tài)力。
此外，如圖5所示，可將測力裝置22-例如應(yīng)變儀(stain gauge)或壓電元件—應(yīng)用到提高承載能力的裝置以測量補償力。這種可選方案在進行監(jiān)控的應(yīng)用場合中可能很有用。在主動磁力支承系統(tǒng)的應(yīng)用場合，固有地存在主動支承件提供的力(動態(tài)的和靜態(tài)的)。因此，利用圖5所示的測力裝置，就可測量由本發(fā)明的提高承載能力的裝置所補償?shù)牧?。從而，可獲得施加到軸上的總外力。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供了一種通過調(diào)節(jié)定子和轉(zhuǎn)子間的磁氣隙來獲得不同的承載能力提高水平的方法。當然，上述的提高承載能力的裝置使得可在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生一補償外力Fext的力。
可使用一墊片(見圖1)來進行這種調(diào)節(jié)，或者可借助于一致動器—例如圖5中所示的安裝在定子中的壓電元件—來進行自動調(diào)節(jié)。
例如，可通過例如一應(yīng)力儀或者一壓電元件(圖5)來測量由本發(fā)明的提高承載能力的裝置以及方法所提供的力。
作為示例，根據(jù)本發(fā)明第三方面的實施例的方法包括使用軟磁材料制成轉(zhuǎn)子和定子，由此優(yōu)化產(chǎn)生一補償力的磁體的使用(例如見圖1至4)；使用一墊片來調(diào)節(jié)補償力；使用一壓電致動器來自動調(diào)節(jié)補償力(可以是靜態(tài)力和/或動態(tài)力)；使用一應(yīng)力儀或一壓電元件來測量補償力；將該提高承載能力的裝置放置于一軸的一端部，從而不必改變軸的長度。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員從上述內(nèi)容可以理解的那樣，可根據(jù)具體應(yīng)用來改變上述構(gòu)型。例如，如果使軸的長度最小是重要的，則圖1所示的構(gòu)型是有利的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的方法使得可提高磁性推力承載能力，同時又避免使用固體接觸或流體接觸，換句話說，利用了非接觸方式。
本發(fā)明可有利地應(yīng)用于這樣的系統(tǒng)中，其中推力負荷單向地來自外部的工作負荷或垂直構(gòu)型中的轉(zhuǎn)子的重量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明的提高承載能力的裝置和方法可用于例如磁力支承系統(tǒng)、流體靜力支承系統(tǒng)、流體動力支承系統(tǒng)或滾動元件支承系統(tǒng)。作為一具體示例，本發(fā)明可用于補償如工作負荷的單向外部靜態(tài)負荷—例如靜態(tài)壓力，或者補償一垂直構(gòu)型中的軸的重量。
因此，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)可實現(xiàn)一緊湊的低成本推力處理(提高推力軸承和推力承載能力的裝置)裝置。
此外，如果如圖5所示對動態(tài)負荷進行測量并使用一致動器，則也可進行動態(tài)負荷補償。
應(yīng)當指出，由于本發(fā)明的提高承載能力的裝置可設(shè)在一軸的一個端部(見圖1至5)處，所以不需改變軸的長度來接納該提高承載能力的裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明不產(chǎn)生任何由于例如使用滾動元件推力軸承而產(chǎn)生的直接接觸或者由于如流體型推力軸承的液力耦合(fluidcoupling)而造成的摩擦損耗。此外，由于與推力支承系統(tǒng)相比(本發(fā)明)可在定子和轉(zhuǎn)子之間使用了明顯較大的間隙，所以本發(fā)明能夠使繞組的損失最小。
盡管上面通過實施例對本發(fā)明進行了說明，但在不脫離本發(fā)明本質(zhì)和教導(dǎo)的情況下，可對其進行修改。
權(quán)利要求
1.一種用于轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的提高推力承載能力的裝置，包括一設(shè)置在該轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一旋轉(zhuǎn)軸線上的定子；一在旋轉(zhuǎn)軸線上通過一第一氣隙與所述定子隔開的轉(zhuǎn)子；以及至少一個通過一第二氣隙與所述轉(zhuǎn)子隔開的永磁體，其特征在于，所述至少一個永磁體、所述定子以及所述轉(zhuǎn)子形成一以一磁通路線為特征的磁回路，從而所述第一和第二氣隙中的一磁通產(chǎn)生一處于所述定子和所述轉(zhuǎn)子之間的抵抗一外力Fext的補償力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述外力Fext是由一選自包括壓力或一重心較低的垂直軸構(gòu)型中的重力的組的作用力產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述至少一個永磁體固定在所述定子上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述至少一個永磁體固定在所述轉(zhuǎn)子上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述至少一個永磁體中的一第一永磁體固定在所述定子上，而所述至少一個永磁體中的一第二永磁體固定在所述轉(zhuǎn)子上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述至少一個永磁體中的所述第一永磁體和所述至少一個永磁體中的所述第二永磁體分別以具有不同極性的磁極彼此相對，以在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間形成一補償吸力。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述至少一個永磁體中的所述第一永磁體和所述至少一個永磁體中的所述第二永磁體分別以具有相同極性的磁極彼此相對，以在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間形成一補償斥力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，還包括一用以調(diào)節(jié)所述第一和第二氣隙的墊片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，還包括一安裝在所述定子中的壓電致動器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述定子和所述轉(zhuǎn)子由一選自包括一種軟磁材料和一種非磁性材料的組的材料制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子由碳鋼制成，所述定子由低碳鋼制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述外力選自包括一靜態(tài)力和一動態(tài)力的組。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，還包括用于測量補償力的測力裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述測力裝置選自包括應(yīng)變儀和壓電元件的組。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述提高推力承載能力的裝置位于轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一軸的一個端部處。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述推力負荷是來自一外部工作負荷的單向負荷。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述推力負荷是來自一垂直構(gòu)型中的轉(zhuǎn)子重量的單向負荷。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述外力是一選自包括工作負荷和垂直構(gòu)型中軸的重量的組的單向外部靜態(tài)負荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項所述的提高推力承載能力的裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)選自包括一磁力支承系統(tǒng)、一流體靜力支承系統(tǒng)、一流體動力支承系統(tǒng)和一滾動元件支承系統(tǒng)的組。
20.一種用于提高轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的推力承載能力的方法，包括以下步驟在轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一旋轉(zhuǎn)軸線上設(shè)置一定子；在該旋轉(zhuǎn)軸線上設(shè)置一通過一第一氣隙與該定子隔開的轉(zhuǎn)子；設(shè)置至少一個通過一第二氣隙與該轉(zhuǎn)子隔開的永磁體，由此，所述至少一個永磁體、定子和轉(zhuǎn)子形成一以一磁通路線為特征的磁回路，從而所述第一和第二氣隙中的一磁通產(chǎn)生一處于該定子和該轉(zhuǎn)子之間的抵抗一外力Fext的補償力。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置一定子的步驟和所述設(shè)置一轉(zhuǎn)子的步驟包括，設(shè)置由選自包括一軟磁材料和一非磁性材料的組的材料制成的一定子和一轉(zhuǎn)子。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置一定子的步驟包括，設(shè)置一由低碳鋼制成的定子，所述設(shè)置一轉(zhuǎn)子的步驟包括設(shè)置一由碳鋼制成的轉(zhuǎn)子。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置至少一個永磁體的步驟包括，將至少一個永磁體安裝在所述定子上。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置至少一個永磁體的步驟包括，將至少一個永磁體安裝在所述轉(zhuǎn)子上。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置至少一個永磁體的步驟包括，將所述至少一個永磁體中的一第一永磁體固定在所述定子上，并將所述至少一個永磁體中的一第二永磁體固定在所述轉(zhuǎn)子上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述將至少一個永磁體中的一個第一永磁體固定在所述定子上和將所述至少一個永磁體中的一個第二永磁體固定在所述轉(zhuǎn)子上的步驟包括，將所述永磁體具有不同極性的各磁極布置成彼此相對，以在所述轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生一補償吸力。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述將至少一個永磁體中的一個第一永磁體固定在所述定子上和將所述至少一個永磁體中的一個第二永磁體固定在所述轉(zhuǎn)子上的步驟包括，將所述永磁體具有相同極性的各磁極布置成彼此相對，以在所述轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生一補償斥力。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中任一項所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，還包括一設(shè)置一墊片以調(diào)節(jié)所述第一和第二氣隙的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求20至27中任一項所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，還包括在所述定子中安裝一壓電致動器的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至29中任一項所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述外力選自包括一靜態(tài)力和一動態(tài)力的組。
31.根據(jù)權(quán)利要求20至30中任一項所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，還包括設(shè)置測力裝置以測量補償力的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述設(shè)置測力裝置的步驟包括設(shè)置選自包括應(yīng)變儀和壓電元件的組的測力裝置的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求20至32中任一項所述的用于提高推力承載能力的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)選自包括一磁力支承系統(tǒng)、一流體靜力支承系統(tǒng)、一流體動力支承系統(tǒng)和一滾動元件支承系統(tǒng)的組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提高一轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)推力負荷承載能力的裝置及其方法。該提高承載能力的裝置包括一定子和一轉(zhuǎn)子，它們設(shè)置為可通過使用多個永磁體來提高磁性推力負荷承載能力，其中永磁體在轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生一吸力或一斥力。
文檔編號F16C39/06GK1675477SQ03819208
公開日2005年9月28日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者L·X·孫, H·Y·林 申請人:特伯考爾公司