CN101605998B - 磁性轴承装置 - Google Patents

Abstract

一种磁性轴承装置，具有旋转轴(3)和用来通过磁力支撑该旋转轴(3)的轴承构造(5)。轴承构造(5)具有与旋转轴(3)的外周面相对且围绕旋转轴(3)的磁极部(7)，且该轴承构造(5)通过在磁极部(7)和旋转轴(3)之间产生的磁力以非接触的方式支撑旋转轴(3)。在旋转轴表面上形成有凹陷(9)。以抑制在旋转轴(3)的表面上的涡流的方式设定凹陷(9)的形状、位置及数量中的至少一个，该涡流因旋转轴(3)的旋转和由磁极部(7)产生的磁场而产生。

Description

磁性轴承装置

技术领域

本发明涉及磁性轴承装置。

背景技术

磁性轴承装置具有转子即旋转轴、包围旋转轴并通过磁力非接触地支撑旋转轴的定子即轴承构造。

旋转轴是使用磁性材料形成的，为例如高速旋转的涡轮压缩机、极低温旋转机械、涡轮增压机、飞轮等的旋转轴。在旋转轴中，有使用层压钢板的层压型的旋转轴和实心型的旋转轴。

在层压型旋转轴中，如图1所示，在旋转轴3的磁极相对部上设置衬套15，经由该衬套15将层压钢板固定在旋转轴3上。通过在层压钢板中含有硅而提高了层压钢板的电阻。另外，通过绝缘层而层压0.1～0.5mm的薄钢板。这样能够抑制在旋转轴的表面产生的涡流。但是，已知在层压型旋转轴中机械强度较低，因而旋转轴的转速被限制在200m/s左右。

在实心型旋转轴中，不使用上述的层压钢板，仅由轴材料构成旋转轴，因而也可能应对高刚性和高转速。另一方面，在实心型旋转轴中，容易在旋转轴表面产生涡流且涡流损耗非常大，因而一般不使用实心型旋转轴。

轴承构造具有以围绕旋转轴的方式配置在周向的多个磁极部。磁通产生为从这些磁极部通过高速旋转中的旋转轴，由该电磁吸引力使旋转轴上浮并以非接触的方式进行支撑。在这样的轴承构造中，有异极型和单极型。

异极型构造具有因为容易制作而被最通常采用的磁极形状。图2A、2B显示了异极型的轴承构造，图2B是沿图2A的B-B线所取的截面图。如图2A、图2B所示，沿周向交替配置N极部和S极部。在该情况下，从N极部或S极部朝向旋转轴3表面延伸的磁场，在旋转轴3的表面上与旋转轴3的轴向大致正交。因此，如图3A、图3B所示，根据弗莱明右手定则，当存在磁场时，在旋转的旋转轴3的表面上沿旋转轴3的轴向产生电动势。该电动势的方向在与N极部相对的部分和与S极部相对的部分上相反。结果，该电动势导致在旋转轴3表面上产生涡流。

如图4A、图4B所示，单极型轴承构造沿轴向排列N极部和S极部，沿周向排列同极部。所以，从磁极部朝向旋转轴表面延伸的磁场使得在旋转轴3的表面上沿旋转轴3的轴向产生电动势，该电动势的方向在不同的周向位置为相同。因而，与异极型轴承构造的情况相比，涡流变小。但是，实际上，有磁极部的部分和无磁极部的部分之间产生磁场的差异。因而，从具有局部强磁场的部分流向具有局部弱磁场的部分的电流产生涡流。即，作为涡流产生的原因的电动势由以下的式(1)表示。即使磁通密度(磁场B)小的时候，但在高速旋转的情况下，即使是单极型轴承构造中也产生大的涡流。

e∝B·v·L  …(1)

e：电动势，B：磁通密度，v：切割磁场的速度，L：导体的长度。

如上所述，在现有技术中，在不使用层压型的旋转轴的情况下，即使是单极型轴承构造，也存在着不能充分地减小在旋转轴表面上产生的涡流的问题。

因此，期望不使用层压型的旋转轴就能够解决在旋转轴表面上产生涡流的问题的磁性轴承装置。在专利文献1中记载了这样的磁性轴承装置。

图5A、图5B显示了专利文献1的磁性轴承装置的构成。图5B是沿图5A的B-B线所取的截面图。专利文献1中，在异极型磁性轴承装置中设置连接部11，分别沿周向将邻接的N极和S极彼此连接为一体，或者用材质不同的磁性体沿周向将邻接的N极和S极进行连接。这提高了邻接的N极(及S极)的中间位置处的磁通密度，减小了周向的磁通密度的强弱分布的产生。因此，抑制了涡流产生。

专利文献1：日本特开第2001-271836号公报“磁性轴承装置”

更加期望不使用层压型的轴承构造，通过简单的加工就大幅减小旋转轴表面处的涡流。

发明内容

因此，本发明的目的在于，利用与专利文献1不同的方法，提供一种不使用层压钢板，通过简单的加工就能够大幅地减小旋转轴表面处的涡流的磁性轴承装置。

为了解决上述问题，根据本发明，提供了一种磁性轴承装置，其具有旋转轴和通过磁力支撑该旋转轴的轴承构造，其特征在于，上述轴承构造具有与上述旋转轴的外周面相对且围绕上述旋转轴的磁极部，在该磁极部和上述旋转轴之间产生的磁力以非接触的方式支撑上述旋转轴，在旋转轴表面上形成有凹陷，以抑制涡流的方式设定该凹陷的形状、位置及数量中的至少一者，涡流因上述旋转轴的旋转和起因于上述磁极部的磁场而在旋转轴表面处产生。

上述构成中，通过在旋转轴上形成凹陷来抑制涡流，因而不使用层压钢板，通过简单的加工就能够大幅地减小旋转轴表面处的涡流。即，本发明中，能够通过在一体地形成的旋转轴的表面上实施凹陷加工来形成凹陷，并通过该凹陷来抑制涡流，因而能够使用实施过凹陷加工的实心型的旋转轴来大幅地减小涡流。

根据本发明的一个优选实施例，上述凹陷是在旋转轴表面的与上述磁极部相对的部分上沿周向延伸形成的1个或多个槽。例如，在上述磁极部包括S极部和N极部且该S极部和N极部沿旋转轴的轴向排列的单极型的轴承构造的情况下，在旋转轴表面中与上述S极部和上述N极部相对的部分的上，沿周向形成1个或多个上述槽。

上述构成中，由于在旋转轴表面的与上述磁极部相对的部分上，沿周向形成1个或多个槽，因而能够有效地隔断涡流且大幅地减小涡流。

另外，根据本发明的一个优选实施例，上述凹陷的深度至少大约为上述旋转轴的集肤深度(skin depth)。

上述构成中，由于凹陷的深度至少大约为涡流所流过的深度即集肤深度，因而能够有效地隔断涡流且大幅地减小涡流。

根据上述本发明，不使用层压钢板，通过简单的加工就能够大幅地减小旋转轴表面处的涡流。

附图说明

图1是层压型旋转轴的构成图的一个示例。

图2A是显示异极型轴承构造的视图。

图2B是沿图2A的B-B线所取的截面图。

图3A是异极型的轴承构造中的涡流产生原理的说明图。

图3B是关于图3显示弗莱明右手定则的说明图。

图4A是显示单极型的轴承构造的图。

图4B是从由图4A的B-B箭头方向看到的视图。

图5A是专利文献1的磁性轴承装置的构成图。

图5B是沿图5A的B-B线所取的截面图。

图6A是本发明的实施例的磁性轴承装置的构成图。

图6B是从图6A的B-B箭头方向看到的视图。

图7是显示本发明的实施例的槽的部分放大立体图。

图8是显示本发明的实施例的槽的部分放大立体图。

图9是形成根据本发明的实施例的槽的情况下的模拟结果，显示了旋转轴表面处的涡流的状况。

图10是未形成根据本发明的实施例的槽的情况下的模拟结果，显示了旋转轴表面处的涡流的状况。

图11是显示形成槽的情况和未形成槽的情况下的吸引力的图。

图12是显示形成槽的情况和未形成槽的情况下的涡流损耗的图。

图13A是显示产生于无中心孔的旋转圆板上的应力的图。

图13B是显示产生于有中心孔的旋转圆板上的应力的图。

图14是显示本发明的其他实施例的凹陷的图。

具体实施方式

以下将参考附图说明用于实施本发明的最佳实施例。此外，在各图中对共同的部分赋予相同的符号，省略重复的说明。

图6A、图6B分别对应于图4A、图4B，显示了根据本发明的实施例的磁性轴承装置10。图6B是从图6A的B-B箭头方向看到的视图。磁性轴承装置10具有涡轮压缩机的旋转轴3以及通过磁力支撑旋转轴3的轴承构造5。轴承构造5具有与旋转轴3的外周面相对且围绕旋转轴3的磁极部7，该轴承构造5构成为由产生于该磁极部7和旋转轴3之间的磁力(由从磁极部7向旋转轴3延伸的磁场或者由反向的磁场产生的磁力)以非接触的方式支撑旋转轴3。旋转轴3由磁性材料(优选软磁性材料)形成，例如由钢或铁形成旋转轴3。但是，旋转轴3也可以由其他的磁性材料形成，从而被磁力非接触地支撑。

在图6A、图6B的示例中，轴承构造5为单极型轴承构造。即，如图6A、图6B所示，磁极部7包含S极部7a和N极部7b，以该S极部7a和N极部7b排列在旋转轴3的轴向上的方式形成轴承构造5。

根据本实施例，在旋转轴表面上形成有凹陷9，该凹陷9的形状、位置以及数量中的至少一种以抑制涡流的方式设定，涡流因旋转轴3的旋转和由磁极部7导致的磁场而产生在旋转轴表面上。

另外，根据本实施例，凹陷9是在与上述磁极部相对的旋转轴表面部分上沿周向形成的1个或多个槽。即，槽9分别在旋转轴3表面的与各磁极部7a、7b相对的1个或多个轴向位置上沿周向形成。在图6A、图6B的示例中，在与S极部7a相对的部分和与N极部7b的部分上形成一个槽9，使得各个槽9沿周向绕旋转轴3一周。如后所述，在没有槽9时产生于旋转轴3表面处的涡流被槽9隔断并分开，使涡流可以减小，并能够大幅降低该值。

图7是显示根据本实施例的槽9的部分放大立体图，图8是显示槽9的部分放大截面图。在不设置槽9时，由图7的虚线箭头所示的涡流3产生于旋转轴3表面上。此外，在图6B～图8中，为了容易理解，将槽9的尺寸显示得较大。实际上，槽9小于图6B和图7所示的尺寸。

根据本实施例，槽9的深度至少大约为旋转轴3的集肤深度。此处对集肤深度简单地进行说明。如果通过导体(本实施例中为旋转轴3)传输的信号的频率(本实施例中为作用于旋转轴3的磁场的波动频率)变高，则由于集肤效应，电流从导体的内部集中到表面，该电流所流过的深度被称为集肤深度。

集肤深度δ由下式表示。

[式1]

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{\σ}}}\left[m\right]$

在此，ω是流过导体的电流的角频率，μ_r是导体的相对磁导率，μ₀是真空中的磁导率，σ是导体的电导率。

在本实施例中，由于能够使旋转轴3的集肤深度为1mm左右或1mm以下，因而通过使槽9的深度为1mm左右或1mm以下，能够有效地抑制涡流。例如，如果用SCM440钢形成旋转轴3，则由于SCM440的相对磁导率为3300，电导率为2352941(S/m)，因而SCM440的集肤深度在频率为50Hz时为0.81mm，且伴随着频率的增加而增加。在频率为1×10⁶Hz时为6μm，在频率为2.5×10⁶Hz时为4μm。根据本实施例，在使用SCM440来形成实心型旋转轴3，并以频率为1×10⁶Hz～2.5×10⁶Hz的方式高速旋转旋转的情况下，槽9的深度为6μm左右。此外，只要能够通过设置槽9来抑制涡流，旋转轴3的材料也可以为除了钢以外的铁等其他合适的材料。

另外，从式1可知，由于旋转轴3的旋转速度越高，集肤深度越小，因而，在作为对象的旋转轴以更高速进行旋转的情况下，仅通过形成更细微的槽9能够抑制涡流。另外，优选槽9的尺寸是能够抑制涡流的大小，即，优选为槽9的宽度与槽9的深度相等，或者，即使槽9的宽度大于槽9的深度，也是能够如后述的图9所示地隔断、分割涡流的程度的大小。

图9是如图6B所示地形成槽9的情况下的模拟结果，显示了旋转轴3表面处的涡流的状况。此外，图9是由图6B的虚线A所示的部分。图10与图9相对应，显示了未形成槽9的情况下的模拟结果。如图9所示，将涡流隔断、分割，减小了涡流。从图9可见，与图10相比涡流减小。此外，虽然从图10难以识别出，但根据模拟结果，在旋转轴3表面上的各部上，涡流密度在图9中比在图10中大大减小。

另外，图11、图12显示了如图6B、图7所示地形成槽9的情况下以及在图6B、图7中未形成槽9的情况下的模拟结果。在图11中，纵轴线表示磁极部7吸引旋转轴3的力，显示了有槽9的情况下相对于无槽的情况下的吸引力。图12中，纵轴线显示了涡流损耗(因涡流而产生的损耗)，显示了有槽9的情况下相对于无槽的情况下的涡流损耗。从图11和图12可见，通过设置槽9，能够大幅提高磁极部7吸引旋转轴3的力，并且能够大幅减小涡流。此外，尽管涡流损耗的单元为W，但在图12中无量纲化。

如此，从图11和图12的结果可知，即使仅在与磁极部7相对的旋转轴3表面部分上形成1根槽9，也能够大幅地提高磁极部7吸引旋转轴3的力，并且大幅地减小涡流。

如上所述，槽9的深度可以大约为旋转轴3的集肤深度。在该情况下，旋转轴3的强度几乎不下降。根据材料力学，无论是在旋转轴3的内部没有空洞的情况下，还是在旋转轴3(例如，圆柱形旋转轴)的内部有空洞的情况下，产生于旋转的旋转轴3上的应力在旋转轴3的最外径(即，表面)处为最小。例如，图13A、图13B是从JSME的机械工程手册的基础篇α3的第60页摘录出的图。在图13A、图13B中，σ_r是在旋转圆板上产生的半径方向的应力，σ_θ是在旋转圆板上产生的周向的应力。从图13A、图13B可知，旋转圆板的应力分布在圆板的最外径为最小。所以，通过将槽9的深度减小至大约为集肤深度，使得即使形成槽9也几乎不降低旋转轴3的强度。结果是旋转轴的轴向旋转速度可以设置为280m/s或更高。此外，能够将槽9的深度形成为即使等于或大于旋转轴3的集肤深度，旋转轴3的强度也几乎不降低或不对旋转轴3的旋转带来影响。

根据上述的本实施例的磁性轴承装置10，通过在旋转轴3上形成槽9而抑制了涡流。因而，不使用层压钢板，仅通过简单的加工就能够大幅地减小涡流。即，在本实施例中，通过切削一体地形成的旋转轴3的表面来形成槽9，从而抑制涡流。因而能够使用实心型的旋转轴3且大幅地降低涡流。另外，由于在与磁极部7相对的旋转轴3表面部分上沿周向形成1个或多个槽9，因而能够有效地隔断涡流。而且，由于槽9的深度至少为旋转轴3的集肤深度，因而能够有效地隔断涡流。因此，通过使槽9的深度为集肤深度而形成槽9，使得几乎不降低旋转轴3的强度。

[其他实施例]

另外，根据本发明的另一个实施例，在旋转轴3表面的与磁极7相对的部分上形成多个凹陷9。因此，这能够增加对在旋转轴3表面上流动的涡流的阻抗，从而能够抑制涡流。优选如图14中所示，在旋转轴3表面的与磁极部相对的部分上以交错状布置多个凹陷。能够通过如此密集形成的凹陷9来大幅地增加对涡流的阻抗，结果能够大幅地抑制涡流。与槽9的情况相同，凹陷9的深度大约为旋转轴3的集肤深度。该实施例的其它效果与槽9的情况相同，能够通过多个凹陷9来隔断、分割涡流。另外，凹陷9的形状不限于图14所示的形状，也可以为其它形状。

毫无疑义，本发明不限于上述的实施例，而能够在不脱离本发明的要旨和范围的情况下进行各种变形。

例如，在上述的实施例中，描述了在具有单极型的轴承构造5的磁性轴承装置10上应用上述凹陷9，但本发明不限于此，也可以在具有异极型的轴承装置的磁性轴承装置上形成上述槽。

在沿周向形成槽9的情况下，只要能够隔断、分割在无槽9时产生于旋转轴3表面处的涡流，槽9可以不必完整地绕旋转轴3一周。例如，可以在多个邻接的轴向位置上，以在无槽9的周向位置上槽9彼此不同的方式，设置沿周向延伸但不完整绕旋转轴3一周的槽9。由此，这些槽9能够隔断、分割在无槽9时产生于旋转轴3表面处的涡流。

另外，上述实施例中，沿旋转轴3的周向形成槽9。但本发明不限于此，可以在旋转轴3的表面上沿旋转轴3的轴向形成1个或多个槽。

尽管上述实施例中沿周向配置的磁极部的数量为4个，但也可以沿周向配置其他合适数量的磁极部。这种情况下，可以在沿周向配置比上述实施例多的磁极部，进行多极化。

另外，尽管在上述实施例中说明了应用于高速旋转的涡轮压缩机的旋转轴3的情况，但本发明不限于此，可以在由磁力支撑并因高速旋转而产生涡流的其他旋转轴中应用本发明。

此外，也可以在专利文献1的磁性轴承装置中应用本发明的槽。这种情况下，在图5A、图5B中，优选设定图5A、图5B的连接部的形状及尺寸(例如，连接部11的厚度)，使得在结合邻接磁极的连接部11上产生磁性饱和，且不产生通过连接部11而从一个磁极至与其邻接的磁极的磁通泄露。连接部11的厚度是与连接部11从一个磁极向邻接的另一个磁极延伸的方向垂直的方向上的厚度。另外，关于连接部11的形状及尺寸的设定，通过基于流入线圈的电流的设定值而进行磁场分析的模拟，能够如上所述地设定连接部11的形状及尺寸。为了使产生于转子上的磁通密度分布均匀，期望在邻接部中产生磁性饱和的区域较小。但是，如果该区域小于磁通和转子间的空隙，则控制所需的磁通向邻接磁通泄露。为此，必须使发生磁性饱和的区域大于磁极和转子间的空隙。作为示例，可以不形成上述槽而如上所述地进行连接部11的形状及尺寸的设定。

Claims (3)

1.一种磁性轴承装置，其具有旋转轴和用来通过磁力支撑该旋转轴的轴承构造，

所述轴承构造具有与所述旋转轴的外周面相对且围绕所述旋转轴的磁极部，且所述轴承构造通过在所述磁极部和所述旋转轴之间产生的磁力以非接触的方式支撑所述旋转轴，

在所述旋转轴的表面上形成有槽，

所述槽在所述旋转轴的表面的与所述磁极部相对的部分上沿所述旋转轴的周向延伸，从而沿所述旋转轴的轴向分割并抑制涡流，该涡流因所述旋转轴的旋转和由所述磁极部产生的磁场而在所述旋转轴的表面上产生。

2.根据权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征在于，所述槽以沿所述周向绕所述旋转轴一周的方式延伸。

3.根据权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征在于，所述槽的深度至少为所述旋转轴的集肤深度。

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