專利名稱：氣浮-磁性混合軸承及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及支撐高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承及其控制系統(tǒng)，更特別地，涉及氣 浮-磁性混合軸承，其是磁性軸承和氣浮軸承的組合，用于支撐轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)體，并且本 發(fā)明還涉及氣浮-磁性混合軸承的控制系統(tǒng)。利用本發(fā)明的混合軸承的高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以 是工業(yè)壓縮機(jī)、風(fēng)扇、用于飛行器的輔助動(dòng)力單元、空調(diào)系統(tǒng)等。
背景技術(shù)：
有很多種用于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的軸承。氣浮軸承通過(guò)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸和殼體之間形成氣膜而產(chǎn) 生小的摩擦力。這樣，氣浮軸承用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置但是它具有難以控制的缺點(diǎn)。但是，磁性 軸承可以調(diào)節(jié)電磁體的磁力。這樣，它具有易于控制的優(yōu)點(diǎn)。但是，它同樣難以在高速下進(jìn) 行控制。特別地，如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸在高速過(guò)程中傾斜到一側(cè)并接觸磁極，那么會(huì)損壞系統(tǒng)。這樣， 已經(jīng)研發(fā)了具有一起使用的氣浮軸承和磁性軸承的混合軸承，用于吸納氣浮軸承和磁性軸 承的所有優(yōu)點(diǎn)。參照?qǐng)D1，將詳細(xì)描述用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的現(xiàn)有技術(shù)的氣浮_磁性混合軸承。圖1是示出示例性的現(xiàn)有技術(shù)的氣浮-磁性軸承的側(cè)面截面視圖。如所示的，現(xiàn) 有技術(shù)的氣浮-磁性混合軸承包括圍繞布置在圓柱殼體(10)的中心部分處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(20) 的氣浮軸承(30)和圍繞氣浮軸承(30)布置的磁性軸承(40)。殼體(10)具有平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸(20)形成的芯部(41)和分別圍繞芯部(41)纏繞的 線圈(42)。殼體比磁性軸承(40)延伸更深，并且氣浮軸承(30)安裝在殼體的延伸部分上。但是，現(xiàn)有技術(shù)的氣浮-磁性混合軸承的芯部(41)必須平行于殼體(10)的縱向 方向布置，而線圈(42)必須圍繞芯部(41)纏繞。這樣，轉(zhuǎn)子的總長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)。氣浮軸承 (30)并不直接耦合到磁性軸承(40)。因?yàn)闅んw(10)具有一起的氣浮軸承(30)和磁性軸 承(40)，殼體(10)的軸向長(zhǎng)度(Li)變得更長(zhǎng)。再者，因?yàn)樵跉飧≥S承(30)和磁性軸承(40)之間具有間隙，圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸(20)的 殼體(10)的徑向長(zhǎng)度變得更大。這樣，混合軸承的總體積變得更大。再者，磁性軸承(40)由于氣浮軸承(30)和磁性軸承(40)之間的間隙而定位為遠(yuǎn) 離轉(zhuǎn)動(dòng)軸。這樣，磁性軸承(40)具有低的支撐效率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明構(gòu)思來(lái)為了解決上面的問(wèn)題。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有直接耦合 到氣浮軸承的氣浮_磁性混合軸承。再者，本發(fā)明的另一目的是提供一種氣浮-磁性混合軸承，用于在懸浮速度之前、 在外力施加過(guò)程中以及在共振頻率區(qū)域中控制使用的磁性軸承。技術(shù)方案本發(fā)明提供一種氣浮_磁性混合軸承，包括殼體，其圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸；氣
4浮軸承，其定位在殼體和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間用于在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成動(dòng)壓力以懸浮轉(zhuǎn)動(dòng) 軸；磁性軸承，該磁性軸承包括多個(gè)徑向定位在殼體的內(nèi)表面和氣浮軸承的外表面之間 的芯部，所述芯部突出到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心、以及纏繞到芯部的線圈，其利用施加到其上的電流 產(chǎn)生的磁性吸引力懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸；以及用于直接耦合氣浮軸承到磁性軸承的耦合部。期望磁性軸承在振動(dòng)模式的共振速度區(qū)域操作而沒(méi)有磁性軸承操作。同樣地，它 應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的初始驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的懸浮速度之間操作，氣浮軸承在懸浮速度懸浮轉(zhuǎn)動(dòng) 軸。再者，它應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)位移大于預(yù)定振幅時(shí)操作。優(yōu)選地，芯部和線圈之間的空間通過(guò)絕緣體充填。固定縫槽形成在絕緣體之一上。 氣浮軸承的一端耦合到耦合部。優(yōu)選地，耦合部在軸向方向插入到固定縫槽中用于緊固。優(yōu)選地，固定縫槽隨著它更靠近轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心而變得更窄。耦合部具有對(duì)應(yīng)固定 縫槽的形狀。氣浮軸承包括通過(guò)多孔彈性體形成的多孔箔和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相鄰層壓到多孔箔的頂 部箔。氣浮軸承的一端固定到耦合部，另一端是自由的。再者，本發(fā)明提供一種用于氣浮_磁性混合軸承的控制系統(tǒng)，包括氣浮_磁性混 合軸承，該氣浮_磁性混合軸承包括圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的外表面的殼體，定位在殼體 和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間用于在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)壓力以懸浮和支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸的氣浮軸承和 定位在氣浮軸承和殼體之間以利用磁性吸引力懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸的磁性軸承；位置傳感器，其探 測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心的振幅；速度傳感器，其探測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速；和控制磁性軸承的控制器。當(dāng) 通過(guò)速度傳感器探測(cè)到的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速低于懸浮速度時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速處于振動(dòng)模式的 共振區(qū)域中而磁性軸承沒(méi)有操作時(shí)，以及當(dāng)通過(guò)位置傳感器探測(cè)到的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位移超過(guò)預(yù) 定振幅時(shí)，控制器使所述磁性軸承工作。氣浮軸承可以在懸浮速度下懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸?？刂破髟谵D(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)過(guò)程中在開(kāi)始和懸浮速度之間使所述磁性軸承工作。在轉(zhuǎn) 動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)結(jié)束后，控制器在懸浮速度和零速度之間使所述磁性軸承工作，氣浮軸承在懸 浮速度下懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸。磁性軸承沒(méi)有操作的在振動(dòng)模式的共振區(qū)域是從共振速度的90%到110%。有益技術(shù)效果根據(jù)本發(fā)明，氣浮軸承和磁性軸承的混合結(jié)構(gòu)可以減少轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度。這樣，它可以 接近于剛性模式區(qū)域驅(qū)動(dòng)，并且振動(dòng)可以降低。再者，系統(tǒng)的總體積可以減小。而且，根據(jù)本發(fā)明，氣浮軸承可以通過(guò)利用耦合部而容易地移除。這樣，在氣浮軸 承破壞的情形下或者取決于情況，氣浮軸承容易地更換，用于改變氣浮軸承的厚度或材料。而且，根據(jù)本發(fā)明磁性軸承在初始情形下(在懸浮速度之下)、在共振區(qū)域情形 下，以及在外力施加的情形下驅(qū)動(dòng)。這樣，磁性軸承可以以多種狀態(tài)懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸。再者，轉(zhuǎn) 動(dòng)軸可以有效地被支撐并且其恒定位置能夠得以控制。再者，軸承的耐用性能夠得以改善。


圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)的氣浮_磁性混合軸承的例子的側(cè)面截面視圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承的實(shí)施例的前部截面視圖。圖3是將圖2與現(xiàn)有技術(shù)相比較的圖2的側(cè)面截面視圖。圖4是示出圖2的氣浮-磁性混合軸承的殼體和磁性軸承的前部截面視圖。
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圖5是示出圖2的氣浮_磁性混合軸承的耦合部和氣浮軸承的前部截面視圖。圖6是示出用于耦合氣浮軸承到磁性軸承的過(guò)程的透視圖。圖7是示出通過(guò)施加電流到圖5的磁性軸承產(chǎn)生的磁場(chǎng)的示意性視圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承的控制系統(tǒng)的方框圖。圖9是示出圖8的控制系統(tǒng)的磁性軸承的控制過(guò)程的流程圖。圖10示出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軌道圖形，其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸由氣浮-磁性混合軸承支撐，而另 一轉(zhuǎn)動(dòng)軸僅由氣浮軸承支撐。圖11是示出利用根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承的共振區(qū)域中的受控振幅的 圖表。圖12示出在現(xiàn)有技術(shù)的氣浮軸承和根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 的自由端附近的瀑布圖。圖13示出圖12的現(xiàn)有技術(shù)的氣浮軸承和根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承的轉(zhuǎn) 動(dòng)軸的渦輪(turbine)附近的瀑布圖。
具體實(shí)施例方式在此及后，參照?qǐng)D2-6，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的氣浮-磁性混合軸承的實(shí)施例。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的氣浮-磁性混合軸承的實(shí)施例的前部截面視圖。圖3是 圖2的側(cè)面截面視圖。如圖2所示，本發(fā)明包括磁性軸承(101)，其具有從殼體的內(nèi)側(cè)徑向定位且突 出到殼體(110)的中心的多個(gè)芯部(111)，并且其中線圈(120)纏繞到芯部(110)且絕緣 體(112)充填在其間；氣浮軸承(102)，其具有多孔箔(130)和頂部箔(140)；以及耦合部 (150)，其耦合磁性軸承(101)到氣浮軸承(102)。相鄰芯部(111)之間的間隙在更靠近殼體中心的部分處變得更窄。這樣，線圈 (120)的外側(cè)部分(121)的纏繞密度不同于內(nèi)部部分(122)的纏繞密度。每個(gè)線圈連續(xù)纏 繞而沒(méi)有切斷。外側(cè)部分的線圈匝數(shù)等于內(nèi)側(cè)部分的線圈匝數(shù)。在磁性軸承(101)的絕緣體(112)之一上，介電質(zhì)并不充填在中心部分的一些區(qū) 域中。用于接收耦合部(150)的溝槽形成在沒(méi)有充填介電質(zhì)的地方。氣浮軸承(102)的一端固定到耦合部(150)。如所示的，多孔箔(130)和頂部箔 (140)通過(guò)螺釘(160)固定到耦合部(150)。轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)或面對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的磁性軸承的部 分由鐵磁材料形成，從而通過(guò)磁性軸承(101)的磁力工作。氣浮軸承(102)的多孔箔(130)是由多孔彈性材料制成的絲線網(wǎng)孔箔(wired meshed foil)。頂部箔(140)定位為與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(未示出)相鄰用于在轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中通 過(guò)形成在頂部箔和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間形成的氣膜支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸。多孔箔(140)具有高阻尼性能。這 樣，它作為超高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的氣浮軸承元件是適當(dāng)?shù)?。如圖3(b)所示，如果磁場(chǎng)的方向變化，那么每個(gè)芯部(111)的內(nèi)端將盡可能靠近 轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)，從而最大化磁性軸承(101)的效率。但是，在圖3(b)中，磁場(chǎng)的方向是通過(guò)符號(hào)(Φ和命表示的。符號(hào)@是指從圖面中出 來(lái)的方向，而符號(hào) )是指進(jìn)入到圖面中的方向。磁場(chǎng)的方向垂直于現(xiàn)有技術(shù)的圖3(a)所示 的磁場(chǎng)的方向。這樣，在現(xiàn)有技術(shù)(a)中，芯部布置為平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸。但是，在本發(fā)明(b)
6中，芯部(111)布置為垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)軸。殼體(110)不必形成為全部圍繞磁性軸承(101)和 氣浮軸承(102)。這樣，磁性軸承的軸向長(zhǎng)度(L2)比磁性軸承(101)的長(zhǎng)度(Li)短很多， 用于減小由現(xiàn)有技術(shù)(a)中所示的軸承軸向占據(jù)的空間。圖4是示出圖2的氣浮-磁性混合軸承的磁性軸承和殼體的前部截面視圖，圖5 是示出圖2的氣浮-磁性混合軸承的氣浮軸承和耦合部的前部截面視圖。如圖4所示，介 電質(zhì)并不充填在磁性軸承(101)的絕緣體(112)的中心部分處，用于形成五角形的固定縫 槽(113)。如圖5所示，耦合部(150)的形狀對(duì)應(yīng)固定縫槽(113)。多孔箔(130)和頂部箔 (140)的一端通過(guò)螺釘(160)固定到耦合部(150)。在此及后，將描述上面的氣浮_磁性混合軸承的功能和效果。固定縫槽(113)在越靠近殼體(110)的中心的部分變得越窄。耦合部(150)的 形狀對(duì)應(yīng)固定縫槽(113)的形狀。這樣，在越靠近中心的部分處它變得越窄。而且，耦合 部(150)不能在徑向方向脫離。并且氣浮軸承(102)通過(guò)耦合部(150)耦合到磁性軸承
(101)，但它并不耦合到殼體。這減小了總軸承體積。同樣地，氣浮軸承(102)阻擋芯部和轉(zhuǎn)動(dòng)軸。這樣，在磁性軸承(101)操作過(guò)程中， 轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其是鐵磁體的，不能直接接觸磁性軸承(101)。圖6是示出用于耦合氣浮軸承到磁性軸承的過(guò)程的透視圖。如所示的，氣浮軸承
(102)的一端耦合到耦合部(150)，而耦合部(150)軸向插入到固定縫槽(113)中用于容易 地在磁性軸承(101)和氣浮軸承(102)之間耦合。結(jié)果，損壞的氣浮軸承(102)能夠容易 地進(jìn)行更換。同樣地，當(dāng)氣浮軸承的厚度或材料需要變化時(shí)，氣浮軸承(102)可以容易地更換。參照?qǐng)D7-9，現(xiàn)將描述根據(jù)本發(fā)明的用于氣浮-磁性混合軸承的控制系統(tǒng)的實(shí)施 例。圖7是示出通過(guò)施加電流到圖5的磁性軸承產(chǎn)生的磁場(chǎng)的示意性視圖。如所示的， 八個(gè)芯部(111)在該實(shí)施例中豎直對(duì)稱。通過(guò)纏繞到兩個(gè)相鄰芯部(111)的線圈(112)產(chǎn) 生的磁場(chǎng)處于相同的方向。但是，通過(guò)纏繞到接下來(lái)的兩個(gè)相鄰芯部(111)的線圈(112) 的磁場(chǎng)處于相反方向。通過(guò)施加電流，四個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)形成在轉(zhuǎn)動(dòng)軸周圍。考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的質(zhì)量，在磁場(chǎng)中 產(chǎn)生的上吸引力應(yīng)當(dāng)更大。這樣，電流(Ica+i)，即控制電流(i)加偏置電流(Itll),施加到每 個(gè)線圈，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)的上部，而電流(Itll-D，即偏置電流(Itll)減去控制電流(i)，施加到 每個(gè)線圈，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)的下部。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的氣浮-磁性混合軸承的控制系統(tǒng)的方框圖。如所示的， 控制系統(tǒng)包括用于探測(cè)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的速度的傳感器(211)、安裝在軸承(100)上用于 探測(cè)從轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的中心位置變化的振動(dòng)分析器(212)、考慮轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置和轉(zhuǎn)速而控 制施加到磁性軸承的電流的控制器(200)以及用于放大施加到磁性軸承的電流的放大器 (220)。控制器(200)調(diào)節(jié)施加到磁性軸承(101)的電流的大小，從而控制放大器(220)。 同樣地，它連續(xù)探測(cè)已經(jīng)從放大器(220)施加到磁性軸承的電流。振動(dòng)分析器(212)探測(cè)從前部示出的軸承(100')的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的振幅。這可 以是FFT分析器或者示波器
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圖9是示出圖8的控制系統(tǒng)的磁性軸承的控制過(guò)程的流程圖。如所示的，控制器 (200)在初始驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、在外力施加下、或者在沒(méi)有電流施加到磁性軸承(101)的軸承振動(dòng) 模式(第一振動(dòng)模式)的共振區(qū)域下使所述磁性軸承工作(101)。首先，因?yàn)樵诔跏简?qū)動(dòng)狀態(tài)下氣浮軸承(102)很難產(chǎn)生足夠的動(dòng)壓力來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng) 軸，磁性軸承(101)在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的初始驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下操作(SlO)。在W1，氣浮軸承(102)產(chǎn)生 足夠的動(dòng)壓力以懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸。如果通過(guò)傳感器(211)探測(cè)的轉(zhuǎn)速W大于W1，那么磁性軸承 (101)將停止(S20)。另一方面，如果轉(zhuǎn)動(dòng)裝置停止，那么磁性軸承(101)將在懸浮速度Wl和零速度之 間的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的轉(zhuǎn)速下操作。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)施例的混合軸承是用于超高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，所 以在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速不能低于懸浮速度。這樣，在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置停止以后當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 (103)的轉(zhuǎn)速W在懸浮速度Wl (氣浮軸承(101)在懸浮速度懸浮)之下時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)磁 性軸承應(yīng)該操作(S30)。如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸已經(jīng)完全停止并且轉(zhuǎn)速W為零，那么磁性軸承(101)將 停止(S31)。 如果本發(fā)明的混合軸承使用低速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，那么當(dāng)轉(zhuǎn)速W低于懸浮速度Wl時(shí)直到 轉(zhuǎn)速W變?yōu)榱愦判暂S承將操作。轉(zhuǎn)速W是否低于懸浮速度Wl實(shí)時(shí)探測(cè)，與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置是否已 經(jīng)停止無(wú)關(guān)。臨界速度W2是僅氣浮-磁性混合軸承的氣浮軸承操作的振動(dòng)模式下的共振速度。 WO是W2的值的10%。在這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的轉(zhuǎn)速處于臨界速度的90%和臨 界速度的110%之間時(shí)，磁性軸承(101)操作?？刂破鞴烙?jì)轉(zhuǎn)速W是否在W2-W0 (臨界速度 的90% )和W2+W0 (臨界速度的110% )之間(S40)。如果估計(jì)值是在該范圍內(nèi)，那么控制 器將使所述磁性軸承工作(103) (S41)。如果外力在懸浮速度超出共振區(qū)域的狀態(tài)下施加，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)可以振動(dòng)。在這 種情形下，它可以對(duì)氣浮軸承產(chǎn)生摩擦，甚至可以產(chǎn)生軸承或轉(zhuǎn)動(dòng)軸的斷裂。這樣，如果轉(zhuǎn) 動(dòng)軸(103)的中心的位置處于預(yù)定振幅之外，優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)使所述磁性軸承工作(101)。S表 示預(yù)定振幅用于估計(jì)外力施加。控制器(200)確定由位置傳感器傳感并且在振動(dòng)分析器 (212)中分析的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位移X是否超過(guò)S (S50)。如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的位移X超過(guò)S，那么 控制器將使所述磁性軸承工作(101) (S51)。參照?qǐng)D10-13，現(xiàn)將描述根據(jù)本發(fā)明的用于氣浮-磁性混合軸承的控制系統(tǒng)的功 能和效果。圖10示出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軌道曲線，其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸由氣浮-磁性混合軸承支撐而另一 個(gè)由僅氣浮軸承支撐。在圖10中，粗線A表示當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)由氣浮-磁性混合軸承支撐 時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位移。另一方面，細(xì)線B表示當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸僅由氣浮軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位移。如所示的，B的支撐力較小，這是因?yàn)樗谙嗤腞PM下具有更次的阻尼性能。這 樣，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位移更大。特別地，在20000RPM(共振速度)下，位移變得非常大。但是，A的 位移非常小。也就是，轉(zhuǎn)動(dòng)軸不會(huì)遠(yuǎn)離A中的中心。這樣，應(yīng)當(dāng)理解，阻尼性能得到明顯改
業(yè)
口 ο圖11是示出利用根據(jù)本發(fā)明的氣浮_磁性混合軸承在共振區(qū)域中的受控的振幅 的圖表。本發(fā)明的混合軸承具有二個(gè)振動(dòng)模式。在第一振動(dòng)模式C，僅氣浮軸承(102)被驅(qū) 動(dòng)，磁性軸承(101)不操作，而在第二振動(dòng)模式D氣浮軸承(102)和磁性軸承(101)都被驅(qū)動(dòng)。如所示的，在轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始之后由于轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的振幅遵循線路C。振幅 在第一振動(dòng)模式的共振區(qū)域附近明顯增大。此時(shí)，振幅可以通過(guò)使所述磁性軸承工作(101) 而減小。當(dāng)振幅由于轉(zhuǎn)速的增大而再次增大時(shí)，通過(guò)磁性軸承(101)操作，混合軸承遵循線 路D。在線路的振動(dòng)模式中的振幅在共振后減小。這樣，磁性軸承的操作應(yīng)當(dāng)停止在線路C 和線路D交叉處。在線路C和D交叉后，振動(dòng)模式遵循線路C。這樣，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(103)的振幅 遵循保持在預(yù)定振幅內(nèi)的粗線。在這個(gè)實(shí)施例中，磁性軸承(101)在線路C的振動(dòng)模式的 共振速度的90%和共振速度的110%之間的范圍內(nèi)操作。圖12和13是用于比較根據(jù)本發(fā)明的氣浮-磁性混合軸承的振動(dòng)瀑布和現(xiàn)有技術(shù) 的氣浮軸承的振動(dòng)的瀑布圖。如所示的，如果僅氣浮軸承被操作，那么在圓圈中表明的在轉(zhuǎn) 動(dòng)軸的自由端或者渦輪端的不同步的振動(dòng)部分將變得突出。但是，應(yīng)當(dāng)理解，振動(dòng)控制性能 可以得以改善，因?yàn)樯厦娴臍飧磁性混合軸承用于不同步振動(dòng)部件的額外的阻尼。上面實(shí)施例和附圖中描述的軸承是軸頸軸承。但是混合軸承可以適于軸向支撐轉(zhuǎn) 動(dòng)軸的止推軸承。也就是，鐵磁止推盤(pán)徑向地形成在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，而具有氣浮軸承和磁性軸承 的混合軸承安裝在盤(pán)的前部和后部用于軸向支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例描述和示出了本發(fā)明，但是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)明顯的是，可以進(jìn)行變化和修改而不超出本發(fā)明的寬泛的原理和教導(dǎo)，本發(fā)明的 寬泛的原理和教導(dǎo)應(yīng)當(dāng)僅由在此所附的權(quán)利要求的范圍唯一限定。
9
權(quán)利要求
一種氣浮 磁性混合軸承，包括圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的殼體；氣浮軸承，其定位在所述殼體和所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間用于在所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成動(dòng)壓力以懸浮所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸；磁性軸承，其包括多個(gè)徑向定位在所述殼體的內(nèi)表面和所述氣浮軸承的外表面之間的芯部，該芯部突出到所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心；和纏繞到所述芯部的線圈，該線圈用以通過(guò)利用施加到其上的電流產(chǎn)生的磁性吸引力懸浮所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸；以及耦合部，該耦合部直接將所述氣浮軸承耦合到所述磁性軸承。
2.如權(quán)利要求1所述的混合軸承，其中，在磁性軸承不操作情況下的振動(dòng)模式的共振 速度區(qū)域所述磁性軸承操作。
3.如權(quán)利要求1所述的混合軸承，其中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸在懸浮速度下由所述氣浮軸承 懸浮時(shí)，所述磁性軸承在所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的初始驅(qū)動(dòng)和所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的懸浮速度之間操作。
4.如權(quán)利要求1所述的混合軸承，其中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)位移大于預(yù)定振幅時(shí)所 述磁性軸承操作。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的混合軸承，其中，所述芯部和所述線圈之間的空間 由絕緣體進(jìn)行充填。
6.如權(quán)利要求5所述的混合軸承，其中，固定縫槽形成在所述絕緣體之一上，其中所述 氣浮軸承的一端耦合到所述耦合部，并且其中所述耦合部在軸向方向插入到所述固定縫槽 中以用于緊固。
7.如權(quán)利要求6所述的混合軸承，其中，當(dāng)所述固定縫槽越靠近所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心時(shí)， 該固定縫槽變得越窄，以及其中所述耦合部具有對(duì)應(yīng)所述固定縫槽的形狀，所述耦合部在所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的縱向方向 插入到所述固定縫槽中以用于緊固。
8.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的混合軸承，其中，所述氣浮軸承包括由多孔彈性體 形成的多孔箔和層壓到與所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸相鄰的所述多孔箔的頂部箔，并且其中所述氣浮軸承 的一端固定到所述耦合部而所述氣浮軸承的另一端是自由的。
9.一種用于氣浮-磁性混合軸承的控制系統(tǒng)，包括氣浮-磁性混合軸承，其包括圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的外表面的殼體、定位在所述殼 體和所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間用于在所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)壓力以懸浮和支撐所述轉(zhuǎn)動(dòng) 軸的氣浮軸承以及定位在所述氣浮軸承和所述殼體之間以通過(guò)磁性吸引力懸浮所述轉(zhuǎn)動(dòng) 軸的磁性軸承；位置傳感器，其探測(cè)在所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心的振動(dòng)位移； 速度傳感器，其探測(cè)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速； 控制器，其控制所述磁性軸承，其中當(dāng)通過(guò)所述速度傳感器探測(cè)到的轉(zhuǎn)速在懸浮速度之下時(shí)，此時(shí)所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)所 述氣浮軸承在懸浮速度下懸浮，所述控制器使所述磁性軸承工作；其中在所述磁性軸承不操作的情況下當(dāng)所述轉(zhuǎn)速處于振動(dòng)模式的共振區(qū)域中時(shí)所述 控制器使所述磁性軸承工作；以及其中當(dāng)由所述位置傳感器探測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置超過(guò)預(yù)定振幅時(shí)所述控制器使所述磁性軸承工作。
10.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其中，在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中在開(kāi)始和懸浮速度 之間，以及在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)結(jié)束后在懸浮速度和零速度之間，所述控制器使所述磁性軸承 工作，所述氣浮軸承在所述懸浮速度懸浮所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
11.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其中，在所述磁性軸承不操作的情況下，所述振動(dòng) 模式中的共振區(qū)域是在共振速度的90%到共振速度的110%。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣浮-磁性混合軸承，其是磁性軸承和氣浮軸承的組合。本發(fā)明的氣浮-磁性混合軸承包括圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的殼體；氣浮軸承，其定位在殼體和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間用于在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成動(dòng)壓力以懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸；磁性軸承，其包括徑向定位在殼體內(nèi)表面和氣浮軸承外表面之間的多個(gè)芯部，該芯部突起到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心；以及纏繞到芯部的線圈，其利用施加到其上的電流產(chǎn)生的磁性吸引力懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)軸；以及耦合部，其用于直接耦合氣浮軸承到磁性軸承。
文檔編號(hào)F16C27/02GK101910657SQ200780102063
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者李勇福, 李相和, 金升鐘, 金昌鎬, 金熙洙 申請(qǐng)人:韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院