CN101414504A - 磁力轴承、用于磁力轴承的衔铁及其装配方法 - Google Patents

Abstract

公开磁力轴承、用于磁力轴承的衔铁(2)以及它们的生产方法。在一个实施方案中，公开了衔铁(2)。衔铁(2)包括具有第一末端和第二末端的组套(14)，组套(14)具有彼此相邻设置的绝缘层(8)和涂覆的板(6)。第一压紧环(22)设置在第一末端，第二压紧环(22)设置在第二末端，和轴(4)穿过第一和第二压紧环(22)和组套(14)设置。涂覆的板(6)包括其上设置有涂层(12)的芯板(10)，其中涂层(12)包含选自金属、金属合金、金属氧化物、金属间化合物、多相合金、固溶体和包括前述至少之一的组合的材料。另外，还公开了磁力轴承和装配衔铁(2)的方法。

Description

磁力轴承、用于磁力轴承的衔铁及其装配方法

技术领域

本发明一般地涉及轴承，更特别地，涉及磁力轴承(magnetic bearings)和它们的生产方法。

背景技术

磁力轴承能够磁力地浮动衔铁(armature)以进行转动或线性运动。这是通过围绕衔铁布置磁体径向阵列实现的，其中这种径向阵列能够产生可以不直接接触而支撑衔铁的磁力。在径向轴承体系中，磁力止推轴承(也被称为磁力双轴轴承)，还可以用于与径向轴承结合来防止衔铁的轴向移动。磁力止推轴承包含被布置在与衔铁相连接的转子的每一侧的两个盘状阵列。这些盘状阵列能够产生磁力，该磁力能够不直接接触而使转子位于它们的中心。

由径向阵列和盘状阵列产生的磁力可以由电磁体和/或永磁体产生。在使用电磁体的体系中，可以使用控制系统来监控衔铁的位置和调整电磁体的电流以当衔铁受到力(例如，径向和/或轴向力)作用时使衔铁通常居中。例如在径向载荷下，控制系统可以利用安装在径向阵列周围的各种传感器(例如，电感应传感器、磁通量传感器、涡流传感器、光学传感器、电容传感器等等)探测衔铁的径向位置的改变。控制系统可以利用来源于传感器的信号决定附加电流的数值以及电流的方向，来改变阵列的磁引力和使衔铁重新居中。同样地，当衔铁承受轴向载荷时，控制系统可以利用来自设置于盘状阵列周围的传感器的输入，通过向盘状阵列之一引入附近电流来抵消所述载荷，其改变阵列的磁引力并使转子在它们之间重新居中。

由于磁力轴承不直接接触而进行操作，所以相对于滚动轴承它们提供几个显著的好处。例如，与滚动轴承相比磁力轴承在降低的温度下操作，因为在磁力轴承内部不产生摩擦热。结果，磁力轴承不需要润滑和/或冷却系统，并且使得可以有更大的工作速度。另外，与滚动轴承相比，磁力轴承通常显示更长的使用寿命并且耗费更低的能量。

虽然与滚动轴承相比磁力轴承提供几种显著的优点，但是在本领域对耐腐蚀的磁力轴承仍存在需求。

发明内容

上述论述的及其他缺点和不足由本发明的公开得以克服或减轻。

本发明公开磁力轴承、用于磁力轴承的衔铁和它们的生产方法。在一实施方案中，衔铁包括彼此相邻设置的绝缘层和涂覆的板，以形成具有第一末端和第二末端的组套(stack)。第一压紧环设置在组套的第一末端，第二压紧环设置在组套的第二末端，并且轴穿过组套和第一和第二压紧环设置。所述涂覆的板包含其上设置有涂层的芯板，其中涂层包含选自金属、金属合金、金属氧化物和包括前述至少之一的组合的材料。

本发明也公开了磁力轴承，其中该磁力轴承包括设置在电磁阵列之内的衔铁，其中该衔铁包括能够产生磁通量的涂覆的板。所述涂覆的板包含其上设置有涂层的芯板，其中所述涂层包含选自金属、金属合金、金属氧化物、金属间化合物、多相合金、固溶体和包括前述材料至少之一的组合的材料。

更进一步地，本发明公开了一种制造衔铁的方法，其中所述方法包括：将涂层设置到芯板上从而形成涂覆的板，在装配管内装配绝缘层和涂覆的板，压紧压紧环之间的绝缘层和涂覆的板，从而形成次级装配体，加热该次级装配体；穿过该次级装配体插入轴，从而形成装配体，冷却该装配体，以及从次级装配体移除装配管，从而形成衔铁。

从下面的详细描述和附图，本领域技术人员很容易想到和理解上面所述的特点和优点。

附图简述

现在参见附图，其中相同的元件在几个图中使用相同的附图标记。

图1是示例性的衔铁的立体的剖切的局部视图。

图2是示例性的涂覆的板的斜视横截面图。

图3是示例性的装配体的剖视图。

图4是示例性的改进的压紧环的局部侧视剖视图。

图5是示例性的带螺纹的压缩系统的局部侧视剖视图。

图6是具有设置在至少一部分组套上的第二涂层的衔铁的局部侧视剖视图。

具体实施方式

本发明的发明人发现用抗腐蚀涂层，例如高磷含量的非电镀镍(electrolessnickel)，来单独涂覆轴承衔铁的含铁和/或永久磁体部件，可以延长磁力轴承的使用时间。另外，这些涂层是有利的，因为他们不会或者仅仅最低限度地降低衔铁的磁通量，因此可以使轴承以高效率进行操作。装配方法也已开发出来，其利用装配管以快速简单地装配衔铁的各种板和片。一旦这些装配起来，装配管就可以在进一步的处理进程中被用来支撑这些衔铁板或片。

磁力轴承已经用于很多应用中，例如在电动机、发电机以及水轮机中作为滚动轴承或液膜轴承的替代。液膜轴承需要密封或垫片来防止轴承液进入轴承所支撑的转子的冷却介质中，并且需要额外的辅助系统来冷却和循环轴承液。磁力轴承的特殊应用已经在其中取消轴承液和其辅助系统会提供显著的设计简化的应用中体现出来，如用于气体压缩机和涡轮扩展机(turbo expander)。在这些应用中，磁力轴承必需在工作流体如天然气中工作。通常，天然气流包含污染物和腐蚀性气体，特别是对于接近井口的应用而言。在这些情况下，磁力轴承和特别是磁力轴承的衔铁具有耐腐蚀设计来保证其在腐蚀环境下具有延长的使用寿命是十分重要的。

现在参见附图1，衔铁2包括轴4，在轴4上许多涂覆的板6和绝缘层8彼此相邻设置从而形成组套14。在组套14的两端设置有压紧环22，压紧环22用于将组套14轴向固定在轴4上。

绝缘层8是由能够电绝缘(例如，电的、磁的等等)相邻的涂覆的板6以最小化由循环电流(circulating currents)导致的效率损失的材料制成。示例性的材料包括电绝缘材料，例如陶瓷(如，氧化铝、堇青石和氧化镁)、聚合物材料(例如，热塑性聚合物(例如，聚四氟乙烯或者聚酰亚胺)和/或热固性聚合物(例如，环氧树脂))等等。更加具体而言，示例性的热塑性树脂包括：聚烯类(polyalkylenes)(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸二醇酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸己二醇酯))，聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、苯乙烯类树脂(例如，冲击改性的聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯—丙烯腈)、聚(甲基)丙烯酸酯(例如，聚丙烯酸丁酯和聚甲基丙烯酸甲酯)、聚酰胺(例如，尼龙6，6和尼龙11)、聚醚(聚醚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮和聚醚酮酮)聚砜等等，以及包含前述至少之一的组合。示例性热固性树脂包括：聚氨酯、天然橡胶、合成橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、有机硅等等，以及包含前述至少之一的组合。所述具体电绝缘材料能够承受热收缩配合装配过程(如下面所述)而不对绝缘层8的性能(如使用寿命)产生不利的影响。此外，绝缘层8可以作为单独的叠片(laminations)(如图所示)提供或者作为施加在每个单个涂覆的板6上的电绝缘涂层使用。

组套14可以包括使得能够实现衔铁2的磁力悬浮的涂覆的板6和绝缘层8的任何构造。例如，图1中所示构造包括涂覆的板6和绝缘层8的交替模式，其可以表示为重复的“AB”模式，其中“A”代表绝缘层8并且“B”代表涂覆的板6。此外，可以使用包括其他重复模式的构造，如重复模式(例如包括“AB-AB-AB...”、“ABA-ABA-ABA...”等等的重复模式)等等，以及可以使用包括前述至少之一的组合的构造，只要叠层可以防止不需要的电流(例如循环电流)的形成和/或不可接受的磁通量的降低即可。另外，这些构造可以包含额外的与其他所使用的涂覆的板6和/或绝缘层8不同的涂覆的板6和/或绝缘层8(例如，在材料、涂层、几何结构等等方面的不同)。例如，组套中的每个涂覆的板不是必须包括同样的芯材料或同样的涂层，和/或绝缘层可以具有不同的或相同的材料。因此，可以使用各种其它的构造。

现在参见附图2，附图2示出涂覆板6的斜视横断面图。涂覆的板6包括具有设置在芯板10的外表面(如，当设置在衔铁2上时可被腐蚀环境腐蚀的外表面)上的涂层12的芯板10。芯板10包含含铁和/或磁性材料，其使芯板10能磁力地吸引到径向磁性阵列上(例如，如在径向轴承上使用的)或磁性板阵列上(例如，如在止推轴承中使用的)或其他阵列上。示例性的含铁材料包括铁，例如铁合金(如，铁素体不锈钢)等等。示例性的磁性材料包括：陶瓷磁体(ceramic magnet)(如，含氧化铁的磁体)、铝镍钴磁体(如，含铝—镍—钴的磁体)、稀土磁体(如，含镧系元素中的元素如钕的磁体)、钐钴磁体(如，含钐钴的磁体)等等。

涂层12可以包括任何能够提供耐腐蚀性并且不显示出或显示出极小(如少于20％)的衔铁2磁通量降低的材料。示例性的材料包括金属(如，镍、铂、金和铬)、金属合金(如，镍铬合金、镍铝合金、镍磷合金、钴铬合金，以及马氏体和奥氏体材料)、多相金属合金、金属间化合物(如，Ni₃P、Ni₃Al、Ni₃Ti、磷化物、碳化物、硅化物、硼化物、铝化物和氮化物)、具有保护性氧化物膜的金属、陶瓷(如氧化铝和氧化锆)等等，以及包含前述至少之一的组合。在一个实施方案中，可以使用包含镍、铬、钨、钼、钽、铌、铪、钛和铝的超级合金。更加特别地，可以使用镍超级合金，例如Deloro

合金(可商购自Deloro-Stellite Company，Swindon，UK)，其包括(以重量计算)：大约0.05％钴、大约1.7％硼、大约0.4％铁、大约2.7％硅，余量为镍(大约95.15％)。应该注意的是，可以应用在涂层中的铁的量要根据对磁力轴承的操作所引起的总体影响(如，操作效率、抗腐蚀性、磁通量的改变和/或变化等等)来决定。而且，很显然，如果使用导电体作为涂层12，则在涂覆的板6之间需要设置绝缘层8以防止衔铁中的过度的涡电流损失。而且，轴4和涂覆的板6之间的电连通基本上用于将涂覆的板6接地，但并不允许循环电流。

涂层12具有足以为芯板10提供抗腐蚀作用的厚度16。另外，涂层12具有最小的残留应力来防止开裂、脱层或破裂。涂层12的具体厚度16将根据所使用的涂层材料、涂层在使用它的环境中耐受特定腐蚀环境的效力以及其他的变量如：涂层对衔铁磁通量的影响、涂层成本、耐久性等等确定。在一个例子中，可以使用厚度16为大约1微米(μm)到大约1000微米(μm)，或者更特别地，大约2到大约100μm，或者甚至更加特别地大约4到大约10μm的涂层6(例如，含有镍)。

涂层可以使用不对芯板10的物理或机械特性产生不利影响(例如，不引起氢脆变、应力开裂等等)或不导致芯板10在过程中发生腐蚀的任何方法施加。例如，一些金属电镀方法可以提供充分抗腐蚀的涂层，但是，用于电镀的很多方法都可由铁导致氢，这会增加芯板的易破裂性。但是，在一个实施方案中，可以使用磷酸盐非电镀涂覆方法(phosphate electroless coating process)把镍—磷合金涂层涂覆到芯板10上。这种涂层12在芯板10的所有表面上可以具有大约10μm至大约500μm的厚度2。而在另一个实施方案中，可以使用化学气相沉积方法在芯板10上沉积厚度为大约10μm至大约100μm的钛—镍或镍铝涂层。

可以使用多个涂层来改进衔铁2的抗腐蚀性能，以及提供额外的增强，例如改进的热阻、改进的耐磨损性(如，表面磨损)和其他方面的性能。例如，可以使用热喷涂方法(如，空气等离子体喷涂(APS)、真空等离子体喷涂(VPS)、超音速火焰喷涂(HVOF)等等)在芯板10上沉积氧化铝层。一旦施加在其上，可以使用热喷涂方法以在氧化铝涂层上设置钴铬合金。

轴4可以包含金属(如，铝、铜和镍)、金属合金(如，镍—钴—铬—铝合金，以及马氏体、铁素体和奥氏体材料)、金属间化合物(如，硼—氮化物、硅—碳化物)等等，以及包括前述至少之一的组合。在把涂覆的板6和绝缘层8装配到轴4上之前，轴4也可用涂层涂覆。这些涂层可以包含这里讨论的用于涂层12的任何材料。此外，如果轴4上的涂层与用在涂覆的板6上的涂层12相同或相似，涂覆轴4可以阻止和/或防止原电池腐蚀(galvanic corrosion)(如，涂层的阳极指数(anodic indexes)是使得可防止原电池腐蚀)。例如，如果涂覆的板6包含镍磷合金涂层，则轴4在装配前也可用镍磷合金涂覆以防止原电池腐蚀。

衔铁2可以用各种方法装配。在一个此类方法中，在将轴4装配于其中之前，使用装配管来共轴排列涂覆的板6和绝缘层8。现在参见附图3，图3示出装配体20的剖面图。装配体20包括被设置在装配管24内的衔铁2。通过设置所需数量的涂覆的板6和绝缘层8到装配管24中，它们形成组套14，来形成装配体20。然后，压紧环22被设置在组套14的两端并且在压紧环22上施加压力来压紧组套14。一旦组套14被压紧，就将压紧环22固定到装配管24上(如，通过焊接26，或者通过铜焊(brazing)、紧固件(如，销、螺栓等等)，来形成次级装配体。该次级装配体(也就是，设置在装配管24中压紧在压紧环22之间组套14)然后被加热到充足的温度来使压紧环22、涂覆的板6和绝缘层8膨胀，以便轴4可以插入其中。当装配体20冷却，组套14和压紧环22就被固定到轴4上，形成衔铁2。然后可以通过使用机械加工(如，磨、切削等等)将装配管24从衔铁2移除。在一个例子中，装配体20被固定在车床中以移除焊接26。显然，可以使用另外的装配方法。例如，可以使用液压收缩配合方法、压入配合方法、键连接(keyed connections)等等来装配衔铁2。

压紧环22可以包括在需要的压力下能够将涂覆的板6和绝缘层8固定到轴4上的任何材料和构造。压紧环22可以包括金属(如，铁、铝、铜或镍)、金属合金(如，镍—钴合金，以及马氏体和奥氏体材料)、金属间化合物(硼—氮化物、硅—碳化物)等等，以及包含前述至少之一的组合。在一个实施方案中，压紧环22可以包括带有镍磷合金涂层的硬化马氏体钢。压紧环22的精确尺寸(如，外径、内径和长度)由应用决定和并随之变化(如，需要的压紧力、轴直径、组套长度等等)。另外，压紧环22可以为额外的功能而进行改动。例如压紧环22的端面可以进行改动来改变与组套14接触的面积。

现在参见图4，经改动的压紧环28包括经改动的接触面40，该接触面40在接近轴4处接触组套14。但是，很显然，经改动的接触面40可以包括任何可以压缩组套14的几何形状。压紧环22也可以经改动以包括凹进部分44，以便当移除焊接26时，加工工具(例如，切割刀头、磨石等等)可以离开衔铁2一定距离。在加工期间，这可以降低破坏涂覆的板6和/或绝缘层8的风险。

虽然在上面的方法中，压紧环22被焊接(例如，焊接26)在装配管24上，但是压紧环22和装配管24可以包括其它的能够固定和/或压紧组套14的构造。例如，参见附图5，螺纹压紧系统30包括压紧盖32，它可以螺旋安装到被固定在装配管24上(例如，通过焊接26、卷边(crimp)或其他方式)的螺纹连接件34上。螺纹压紧系统30可以通过首先将涂覆的板6和绝缘层8装配到安装有螺纹连接件34的装配管24中从而在其中形成组套14来装配和压紧衔铁2。然后压紧环22可以被设置在组套的任意一侧(注意，可以首先将一个压紧环安装在装配管24中并且然后在它的顶部形成组套，再将第二压紧环22设置在组套之上)。当压紧环22被设置在组套14的每一个侧时，可将压紧盖32螺旋安装在螺纹连接件34上以形成次级装配体件。压紧盖32能被旋紧直到足够的压缩量已经施加于组套14上。该次级装配体可以如以上所述进行进一步加工以形成衔铁2。然而，在该实施方案中，盖32可以被旋开，无需加工等等而将衔铁2从装配管24移除。在另一替代性实施方案中，装配管24可以替换为受拉构件例如螺栓、绳缆等等，它们可以连接到压紧环22以提供轴向的压紧。在一具体的实施方案中，螺栓可以连接到位于压紧环22中的卡环。

在装配之前，压紧环22可以用这里讨论的任何涂层来涂覆以改善他们的耐腐蚀性和/或减少或防止与轴4、涂覆的板6或任何其他与压紧环22接触的组件的原电池腐蚀。

在衔铁2已经装配之后，它可以涂覆第二涂层。现在参见图6，图6示出衔铁2局部侧视剖视图，其中第二涂层50被设置在组套14的至少一部分上。第二涂层50可以包含电绝缘材料，例如陶瓷(例如，氧化铝、堇青石和氧化镁)、聚合物材料(例如，热塑性聚合物(例如，聚四氟乙烯或聚酰亚胺)和/或热固性聚合物(例如，环氧树脂))等等。在一具体的例子中，包含环氧树脂的第二涂层50利用粉末涂覆法设置在衔铁2上。

第二涂层50可具有足够给组套14和/或压紧环22提供额外的耐腐蚀性的厚度52。第二涂层50的特定厚度52将取决于所使用的涂层材料、涂层耐受其所使用的特殊腐蚀环境的效力、涂层50的效力和其他变量，如：涂层对衔铁的磁通量的影响、涂层成本、耐久性等等。在一个例子中，可以使用包含聚四氟乙烯聚合物的第二涂层52，其厚度52为大约25微米(μm)到大约1毫米(mm)。

衔铁2和/或组套14可以涂覆任何数目的涂层来提供充分的耐腐蚀性和使用寿命，只要这些涂层没有对轴承的功能产生显著的不利影响即可。在一实施方案中，施加到涂覆的板6上的涂层12可以是镍磷合金涂层，第二涂层50可以包含环氧聚合物。第三涂层(图中未示出)可以施加在第二涂层50上，其中该第三涂层包括金属氧化物，其可以向衔铁2提供增强的抗腐蚀性和耐磨损性(例如，由排出气体、化学品、副产品等等引起的腐蚀，和由沙、灰尘和/或碎屑引起的磨损)。

当衔铁2被装配好后，它就可以被装配到阵列中(例如，径向阵列或盘状阵列)，形成磁力轴承。

本文所述的衔铁2被涂覆和装配，从而使得可以生产具有提高的耐腐蚀性、耐磨损性并且提供增强的使用寿命的磁力轴承。此外，这些涂层对轴承的磁通量或者没有或者只有很小的影响，因此可以使轴承以很高的效率进行工作。而且，所公开的装配方法使厂商能够在将含铁和/或磁性的板(例如，涂覆的板6)装配到衔铁上之前对它们进行涂覆。这改进了涂覆过程期间的操作容易性并导致装配期间更高的效率。甚至更进一步的是，用于制造衔铁的方法使用快速将涂覆的板6和绝缘层8共轴排列为组套14并在装配期间保持涂覆的板6和绝缘层8对齐的装配管24。因此，磁力轴承具有改进的性质。此外，有效率的制备方法使得制造商可以以具有竞争力和有效率的方式制造当用于腐蚀性环境中时具有改进的寿命的磁力轴承。

虽然参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员容易理解，不偏离本发明的范围可以实施各种改变和对其要素进行等价替换。此外，不偏离本发明的实质范围，可以进行很多变动以使特定的情况或材料符合本发明的教导。因此，本发明并不限于作为实施本发明的最佳方式公开的特定实施方案，相反本发明将包括所有落入后附权利要求范围之内的实施方案。

部件列表

2 衔铁

4 轴

6 涂覆的板

8 绝缘层

10 芯板

12 涂层

14 组套

16 厚度

20 装配体

22 压紧环

24 装配管

26 焊接

28 经改动的压紧环

30 螺纹压紧系统

32 压紧盖

34 螺纹连接件

40 经改动的接触面

42 压紧力

44 凹进部分

50 第二涂层

52 涂层厚度

Claims (10)

1、衔铁(2)，包括：

组套(14)，其具有第一末端和第二末端，其中组套(14)包括彼此相邻设置的绝缘层(8)和涂覆的板(6)；

设置在第一末端的第一压紧环(22)和设置在第二末端的第二压紧环(22)；

轴(4)，其设置穿过第一压紧环(22)、组套(14)和第二压紧环(22)；和

其中涂覆的板(6)包含其上设置有涂层(12)的芯板(10)，其中涂层(12)包含选自金属、金属合金、金属氧化物、金属间化合物、多相合金、固溶体和包括前述至少之一的组合的材料。

2、如权利要求1所述的衔铁(2)，进一步包括设置在衔铁(2)上的第二涂层，其中该第二涂层包括选自陶瓷材料、聚合物材料和包括前述材料至少之一的组合的第二材料。

3、如权利要求5所述的衔铁(2)，其中第二涂层被设置在选自以下的组件的外表面上：涂覆的板(6)、绝缘层(8)、组套(14)、第一压紧环(22)、第二压紧环(22)、轴(4)以及包含前述至少之一的组合。

4、磁力轴承，包括权利要求1的衔铁。

5、磁力轴承，包括：

电磁阵列；

设置在电磁阵列之内的衔铁(2)，其中该衔铁包括能够生产磁通量的涂覆的板(6)；和

其中涂覆的板(6)包含其上设置有涂层(12)的芯板(10)，其中涂层(12)包含选自金属、金属合金、金属氧化物、金属间化合物、多相合金、固溶体和包括前述材料至少之一的组合的材料。

6、如权利要求8所述的磁力轴承，其中所述材料导致小于或等于大约20％的磁通量减少。

7、装配衔铁(2)的方法，包括；

在芯板(10)上设置涂层(12)从而形成涂覆的板(6)；

在装配管(24)之内装配绝缘层(8)和涂覆的板(6)；

压紧压紧环(22)之间的绝缘层(8)和涂覆的板(6)，从而形成次级装配体；

加热所述次级装配体；

将轴(4)插入所述次级装配体，从而形成装配体；

冷却所述装配体；和

从所述次级装配体移除所述装配管(24)，从而形成衔铁(2)。

8、如权利要求10所述的方法，其中，涂层(12)包含选自金属、金属合金、金属氧化物、金属间化合物、多相合金、固溶体和包括前述材料至少之一的组合的材料。

9、如权利要求10所述的方法，进一步包括将压紧环(22)固定到装配管(24)上。

10、如权利要求10所述的方法，进一步包括在涂覆的板(6)、压紧环(22)、轴(4)或包括前述至少之一的组合上设置第二涂层。

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