CN101910657A - 气浮-磁性混合轴承及其控制系统 - Google Patents

气浮-磁性混合轴承及其控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气浮-磁性混合轴承，其是磁性轴承和气浮轴承的组合。本发明的气浮-磁性混合轴承包括围绕转动装置的转动轴的壳体；气浮轴承，其定位在壳体和转动轴之间用于在转动轴的转动过程中形成动压力以悬浮转动轴；磁性轴承，其包括径向定位在壳体内表面和气浮轴承外表面之间的多个芯部，该芯部突起到转动轴的中心；以及缠绕到芯部的线圈，其利用施加到其上的电流产生的磁性吸引力悬浮转动轴；以及耦合部，其用于直接耦合气浮轴承到磁性轴承。

Description

气浮-磁性混合轴承及其控制系统
技术领域
本发明涉及支撑高速转动装置的转动轴的轴承及其控制系统，更特别地，涉及气浮-磁性混合轴承，其是磁性轴承和气浮轴承的组合，用于支撑转动装置的转动体，并且本发明还涉及气浮-磁性混合轴承的控制系统。利用本发明的混合轴承的高速转动装置可以是工业压缩机、风扇、用于飞行器的辅助动力单元、空调系统等。
背景技术
有很多种用于转动装置的轴承。气浮轴承通过在转动轴和壳体之间形成气膜而产生小的摩擦力。这样，气浮轴承用于高速转动装置但是它具有难以控制的缺点。但是，磁性轴承可以调节电磁体的磁力。这样，它具有易于控制的优点。但是，它同样难以在高速下进行控制。特别地，如果转动轴在高速过程中倾斜到一侧并接触磁极，那么会损坏系统。这样，已经研发了具有一起使用的气浮轴承和磁性轴承的混合轴承，用于吸纳气浮轴承和磁性轴承的所有优点。
参照图1，将详细描述用于高速转动装置的现有技术的气浮-磁性混合轴承。
图1是示出示例性的现有技术的气浮-磁性轴承的侧面截面视图。如所示的，现有技术的气浮-磁性混合轴承包括围绕布置在圆柱壳体(10)的中心部分处的转动轴(20)的气浮轴承(30)和围绕气浮轴承(30)布置的磁性轴承(40)。
壳体(10)具有平行于转动轴(20)形成的芯部(41)和分别围绕芯部(41)缠绕的线圈(42)。壳体比磁性轴承(40)延伸更深，并且气浮轴承(30)安装在壳体的延伸部分上。
但是，现有技术的气浮-磁性混合轴承的芯部(41)必须平行于壳体(10)的纵向方向布置，而线圈(42)必须围绕芯部(41)缠绕。这样，转子的总长度变得更长。气浮轴承(30)并不直接耦合到磁性轴承(40)。因为壳体(10)具有一起的气浮轴承(30)和磁性轴承(40)，壳体(10)的轴向长度(L1)变得更长。
再者，因为在气浮轴承(30)和磁性轴承(40)之间具有间隙，围绕转动轴(20)的壳体(10)的径向长度变得更大。这样，混合轴承的总体积变得更大。
再者，磁性轴承(40)由于气浮轴承(30)和磁性轴承(40)之间的间隙而定位为远离转动轴。这样，磁性轴承(40)具有低的支撑效率。
发明内容
技术问题
本发明构思来为了解决上面的问题。本发明的一个目的是提供一种具有直接耦合到气浮轴承的气浮-磁性混合轴承。
再者，本发明的另一目的是提供一种气浮-磁性混合轴承，用于在悬浮速度之前、在外力施加过程中以及在共振频率区域中控制使用的磁性轴承。
技术方案
本发明提供一种气浮-磁性混合轴承，包括：壳体，其围绕转动装置的转动轴；气浮轴承，其定位在壳体和转动轴之间用于在转动轴的转动过程中形成动压力以悬浮转动轴；磁性轴承，该磁性轴承包括：多个径向定位在壳体的内表面和气浮轴承的外表面之间的芯部，所述芯部突出到转动轴的中心、以及缠绕到芯部的线圈，其利用施加到其上的电流产生的磁性吸引力悬浮转动轴；以及用于直接耦合气浮轴承到磁性轴承的耦合部。
期望磁性轴承在振动模式的共振速度区域操作而没有磁性轴承操作。同样地，它应当在转动轴的初始驱动和转动轴的悬浮速度之间操作，气浮轴承在悬浮速度悬浮转动轴。再者，它应当在转动轴的振动位移大于预定振幅时操作。
优选地，芯部和线圈之间的空间通过绝缘体充填。固定缝槽形成在绝缘体之一上。气浮轴承的一端耦合到耦合部。优选地，耦合部在轴向方向插入到固定缝槽中用于紧固。
优选地，固定缝槽随着它更靠近转动轴的中心而变得更窄。耦合部具有对应固定缝槽的形状。
气浮轴承包括通过多孔弹性体形成的多孔箔和与转动轴相邻层压到多孔箔的顶部箔。气浮轴承的一端固定到耦合部，另一端是自由的。
再者，本发明提供一种用于气浮-磁性混合轴承的控制系统，包括：气浮-磁性混合轴承，该气浮-磁性混合轴承包括：围绕转动装置的转动轴的外表面的壳体，定位在壳体和转动轴之间用于在转动轴的转动过程中产生动压力以悬浮和支撑转动轴的气浮轴承和定位在气浮轴承和壳体之间以利用磁性吸引力悬浮转动轴的磁性轴承；位置传感器，其探测转动轴的中心的振幅；速度传感器，其探测转动轴的转速；和控制磁性轴承的控制器。当通过速度传感器探测到的转动轴的转速低于悬浮速度时，当转动轴的转速处于振动模式的共振区域中而磁性轴承没有操作时，以及当通过位置传感器探测到的转动轴的位移超过预定振幅时，控制器使所述磁性轴承工作。气浮轴承可以在悬浮速度下悬浮转动轴。
控制器在转动装置驱动过程中在开始和悬浮速度之间使所述磁性轴承工作。在转动装置驱动结束后，控制器在悬浮速度和零速度之间使所述磁性轴承工作，气浮轴承在悬浮速度下悬浮转动轴。
磁性轴承没有操作的在振动模式的共振区域是从共振速度的90％到110％。
有益技术效果
根据本发明，气浮轴承和磁性轴承的混合结构可以减少转子的长度。这样，它可以接近于刚性模式区域驱动，并且振动可以降低。再者，系统的总体积可以减小。
而且，根据本发明，气浮轴承可以通过利用耦合部而容易地移除。这样，在气浮轴承破坏的情形下或者取决于情况，气浮轴承容易地更换，用于改变气浮轴承的厚度或材料。
而且，根据本发明磁性轴承在初始情形下(在悬浮速度之下)、在共振区域情形下，以及在外力施加的情形下驱动。这样，磁性轴承可以以多种状态悬浮转动轴。再者，转动轴可以有效地被支撑并且其恒定位置能够得以控制。再者，轴承的耐用性能够得以改善。
附图说明
图1是示出现有技术的气浮-磁性混合轴承的例子的侧面截面视图。
图2是示出根据本发明的气浮-磁性混合轴承的实施例的前部截面视图。
图3是将图2与现有技术相比较的图2的侧面截面视图。
图4是示出图2的气浮-磁性混合轴承的壳体和磁性轴承的前部截面视图。
图5是示出图2的气浮-磁性混合轴承的耦合部和气浮轴承的前部截面视图。
图6是示出用于耦合气浮轴承到磁性轴承的过程的透视图。
图7是示出通过施加电流到图5的磁性轴承产生的磁场的示意性视图。
图8是示出根据本发明的气浮-磁性混合轴承的控制系统的方框图。
图9是示出图8的控制系统的磁性轴承的控制过程的流程图。
图10示出转动轴的轨道图形，其中一个转动轴由气浮-磁性混合轴承支撑，而另一转动轴仅由气浮轴承支撑。
图11是示出利用根据本发明的气浮-磁性混合轴承的共振区域中的受控振幅的图表。
图12示出在现有技术的气浮轴承和根据本发明的气浮-磁性混合轴承的转动轴的自由端附近的瀑布图。
图13示出图12的现有技术的气浮轴承和根据本发明的气浮-磁性混合轴承的转动轴的涡轮(turbine)附近的瀑布图。
具体实施方式
在此及后，参照图2-6，将详细描述根据本发明的气浮-磁性混合轴承的实施例。
图2是示出根据本发明的气浮-磁性混合轴承的实施例的前部截面视图。图3是图2的侧面截面视图。
如图2所示，本发明包括：磁性轴承(101)，其具有从壳体的内侧径向定位且突出到壳体(110)的中心的多个芯部(111)，并且其中线圈(120)缠绕到芯部(110)且绝缘体(112)充填在其间；气浮轴承(102)，其具有多孔箔(130)和顶部箔(140)；以及耦合部(150)，其耦合磁性轴承(101)到气浮轴承(102)。
相邻芯部(111)之间的间隙在更靠近壳体中心的部分处变得更窄。这样，线圈(120)的外侧部分(121)的缠绕密度不同于内部部分(122)的缠绕密度。每个线圈连续缠绕而没有切断。外侧部分的线圈匝数等于内侧部分的线圈匝数。
在磁性轴承(101)的绝缘体(112)之一上，介电质并不充填在中心部分的一些区域中。用于接收耦合部(150)的沟槽形成在没有充填介电质的地方。
气浮轴承(102)的一端固定到耦合部(150)。如所示的，多孔箔(130)和顶部箔(140)通过螺钉(160)固定到耦合部(150)。转动轴(103)或面对转动轴的磁性轴承的部分由铁磁材料形成，从而通过磁性轴承(101)的磁力工作。
气浮轴承(102)的多孔箔(130)是由多孔弹性材料制成的丝线网孔箔(wired meshed foil)。顶部箔(140)定位为与转动轴(未示出)相邻用于在转动轴转动过程中通过形成在顶部箔和转动轴之间形成的气膜支撑转动轴。多孔箔(140)具有高阻尼性能。这样，它作为超高速转动装置的气浮轴承元件是适当的。
如图3(b)所示，如果磁场的方向变化，那么每个芯部(111)的内端将尽可能靠近转动轴(103)，从而最大化磁性轴承(101)的效率。
但是，在图3(b)中，磁场的方向是通过符号
Figure BPA00001162613000051
和
Figure BPA00001162613000052
表示的。符号
Figure BPA00001162613000053
是指从图面中出来的方向，而符号
Figure BPA00001162613000054
是指进入到图面中的方向。磁场的方向垂直于现有技术的图3(a)所示的磁场的方向。这样，在现有技术(a)中，芯部布置为平行于转动轴。但是，在本发明(b)中，芯部(111)布置为垂直于转动轴。壳体(110)不必形成为全部围绕磁性轴承(101)和气浮轴承(102)。这样，磁性轴承的轴向长度(L2)比磁性轴承(101)的长度(L1)短很多，用于减小由现有技术(a)中所示的轴承轴向占据的空间。
图4是示出图2的气浮-磁性混合轴承的磁性轴承和壳体的前部截面视图，图5是示出图2的气浮-磁性混合轴承的气浮轴承和耦合部的前部截面视图。如图4所示，介电质并不充填在磁性轴承(101)的绝缘体(112)的中心部分处，用于形成五角形的固定缝槽(113)。如图5所示，耦合部(150)的形状对应固定缝槽(113)。多孔箔(130)和顶部箔(140)的一端通过螺钉(160)固定到耦合部(150)。
在此及后，将描述上面的气浮-磁性混合轴承的功能和效果。
固定缝槽(113)在越靠近壳体(110)的中心的部分变得越窄。耦合部(150)的形状对应固定缝槽(113)的形状。这样，在越靠近中心的部分处它变得越窄。而且，耦合部(150)不能在径向方向脱离。并且气浮轴承(102)通过耦合部(150)耦合到磁性轴承(101)，但它并不耦合到壳体。这减小了总轴承体积。
同样地，气浮轴承(102)阻挡芯部和转动轴。这样，在磁性轴承(101)操作过程中，转动轴，其是铁磁体的，不能直接接触磁性轴承(101)。
图6是示出用于耦合气浮轴承到磁性轴承的过程的透视图。如所示的，气浮轴承(102)的一端耦合到耦合部(150)，而耦合部(150)轴向插入到固定缝槽(113)中用于容易地在磁性轴承(101)和气浮轴承(102)之间耦合。结果，损坏的气浮轴承(102)能够容易地进行更换。同样地，当气浮轴承的厚度或材料需要变化时，气浮轴承(102)可以容易地更换。
参照图7-9，现将描述根据本发明的用于气浮-磁性混合轴承的控制系统的实施例。
图7是示出通过施加电流到图5的磁性轴承产生的磁场的示意性视图。如所示的，八个芯部(111)在该实施例中竖直对称。通过缠绕到两个相邻芯部(111)的线圈(112)产生的磁场处于相同的方向。但是，通过缠绕到接下来的两个相邻芯部(111)的线圈(112)的磁场处于相反方向。
通过施加电流，四个环形磁场形成在转动轴周围。考虑到转动轴的质量，在磁场中产生的上吸引力应当更大。这样，电流(I01+i)，即控制电流(i)加偏置电流(I01)，施加到每个线圈，从而产生磁场的上部，而电流(I01-i)，即偏置电流(I01)减去控制电流(i)，施加到每个线圈，从而产生磁场的下部。
图8是示出根据本发明的气浮-磁性混合轴承的控制系统的方框图。如所示的，控制系统包括用于探测所述转动轴(103)的速度的传感器(211)、安装在轴承(100)上用于探测从转动轴(103)的中心位置变化的振动分析器(212)、考虑转动轴的位置和转速而控制施加到磁性轴承的电流的控制器(200)以及用于放大施加到磁性轴承的电流的放大器(220)。
控制器(200)调节施加到磁性轴承(101)的电流的大小，从而控制放大器(220)。同样地，它连续探测已经从放大器(220)施加到磁性轴承的电流。
振动分析器(212)探测从前部示出的轴承(100′)的转动轴(103)的振幅。这可以是FFT分析器或者示波器
图9是示出图8的控制系统的磁性轴承的控制过程的流程图。如所示的，控制器(200)在初始驱动状态、在外力施加下、或者在没有电流施加到磁性轴承(101)的轴承振动模式(第一振动模式)的共振区域下使所述磁性轴承工作(101)。
首先，因为在初始驱动状态下气浮轴承(102)很难产生足够的动压力来支撑转动轴，磁性轴承(101)在转动装置的初始驱动状态下操作(S10)。在W1，气浮轴承(102)产生足够的动压力以悬浮转动轴。如果通过传感器(211)探测的转速W大于W1，那么磁性轴承(101)将停止(S20)。
另一方面，如果转动装置停止，那么磁性轴承(101)将在悬浮速度W1和零速度之间的转动轴(103)的转速下操作。因为这个实施例的混合轴承是用于超高速转动装置，所以在转动装置驱动过程中转速不能低于悬浮速度。这样，在转动装置停止以后当转动轴(103)的转速W在悬浮速度W1(气浮轴承(101)在悬浮速度悬浮)之下时，转动轴(103)磁性轴承应该操作(S30)。如果转动轴已经完全停止并且转速W为零，那么磁性轴承(101)将停止(S31)。
如果本发明的混合轴承使用低速转动装置，那么当转速W低于悬浮速度W1时直到转速W变为零磁性轴承将操作。转速W是否低于悬浮速度W1实时探测，与转动装置是否已经停止无关。
临界速度W2是仅气浮-磁性混合轴承的气浮轴承操作的振动模式下的共振速度。W0是W2的值的10％。在这个实施例中，当转动轴(103)的转速处于临界速度的90％和临界速度的110％之间时，磁性轴承(101)操作。控制器估计转速W是否在W2-W0(临界速度的90％)和W2+W0(临界速度的110％)之间(S40)。如果估计值是在该范围内，那么控制器将使所述磁性轴承工作(103)(S41)。
如果外力在悬浮速度超出共振区域的状态下施加，转动轴(103)可以振动。在这种情形下，它可以对气浮轴承产生摩擦，甚至可以产生轴承或转动轴的断裂。这样，如果转动轴(103)的中心的位置处于预定振幅之外，优选地应当使所述磁性轴承工作(101)。S表示预定振幅用于估计外力施加。控制器(200)确定由位置传感器传感并且在振动分析器(212)中分析的转动轴的位移X是否超过S(S50)。如果转动轴(103)的位移X超过S，那么控制器将使所述磁性轴承工作(101)(S51)。
参照图10-13，现将描述根据本发明的用于气浮-磁性混合轴承的控制系统的功能和效果。
图10示出转动轴的轨道曲线，其中一个转动轴由气浮-磁性混合轴承支撑而另一个由仅气浮轴承支撑。在图10中，粗线A表示当转动轴(103)由气浮-磁性混合轴承支撑时转动轴的位移。另一方面，细线B表示当转动轴仅由气浮轴承支撑时转动轴的位移。
如所示的，B的支撑力较小，这是因为它在相同的RPM下具有更次的阻尼性能。这样，转动轴的位移更大。特别地，在20000RPM(共振速度)下，位移变得非常大。但是，A的位移非常小。也就是，转动轴不会远离A中的中心。这样，应当理解，阻尼性能得到明显改善。
图11是示出利用根据本发明的气浮-磁性混合轴承在共振区域中的受控的振幅的图表。本发明的混合轴承具有二个振动模式。在第一振动模式C，仅气浮轴承(102)被驱动，磁性轴承(101)不操作，而在第二振动模式D气浮轴承(102)和磁性轴承(101)都被驱动。
如所示的，在转动开始之后由于转速增大，转动轴(103)的振幅遵循线路C。振幅在第一振动模式的共振区域附近明显增大。此时，振幅可以通过使所述磁性轴承工作(101)而减小。当振幅由于转速的增大而再次增大时，通过磁性轴承(101)操作，混合轴承遵循线路D。在线路的振动模式中的振幅在共振后减小。这样，磁性轴承的操作应当停止在线路C和线路D交叉处。在线路C和D交叉后，振动模式遵循线路C。这样，转动轴(103)的振幅遵循保持在预定振幅内的粗线。在这个实施例中，磁性轴承(101)在线路C的振动模式的共振速度的90％和共振速度的110％之间的范围内操作。
图12和13是用于比较根据本发明的气浮-磁性混合轴承的振动瀑布和现有技术的气浮轴承的振动的瀑布图。如所示的，如果仅气浮轴承被操作，那么在圆圈中表明的在转动轴的自由端或者涡轮端的不同步的振动部分将变得突出。但是，应当理解，振动控制性能可以得以改善，因为上面的气浮-磁性混合轴承用于不同步振动部件的额外的阻尼。
上面实施例和附图中描述的轴承是轴颈轴承。但是混合轴承可以适于轴向支撑转动轴的止推轴承。也就是，铁磁止推盘径向地形成在转动轴上，而具有气浮轴承和磁性轴承的混合轴承安装在盘的前部和后部用于轴向支撑转动轴。
尽管已经参照本发明的优选实施例描述和示出了本发明，但是，对于本领域技术人员来说明显的是，可以进行变化和修改而不超出本发明的宽泛的原理和教导，本发明的宽泛的原理和教导应当仅由在此所附的权利要求的范围唯一限定。

Claims (11)

1.一种气浮-磁性混合轴承，包括：
围绕转动装置的转动轴的壳体；
气浮轴承，其定位在所述壳体和所述转动轴之间用于在所述转动轴的转动过程中形成动压力以悬浮所述转动轴；
磁性轴承，其包括：多个径向定位在所述壳体的内表面和所述气浮轴承的外表面之间的芯部，该芯部突出到所述转动轴的中心；和缠绕到所述芯部的线圈，该线圈用以通过利用施加到其上的电流产生的磁性吸引力悬浮所述转动轴；以及
耦合部，该耦合部直接将所述气浮轴承耦合到所述磁性轴承。
2.如权利要求1所述的混合轴承，其中，在磁性轴承不操作情况下的振动模式的共振速度区域所述磁性轴承操作。
3.如权利要求1所述的混合轴承，其中，当所述转动轴在悬浮速度下由所述气浮轴承悬浮时，所述磁性轴承在所述转动轴的初始驱动和所述转动轴的悬浮速度之间操作。
4.如权利要求1所述的混合轴承，其中，当所述转动轴的振动位移大于预定振幅时所述磁性轴承操作。
5.如权利要求1-4中任一项所述的混合轴承，其中，所述芯部和所述线圈之间的空间由绝缘体进行充填。
6.如权利要求5所述的混合轴承，其中，固定缝槽形成在所述绝缘体之一上，其中所述气浮轴承的一端耦合到所述耦合部，并且其中所述耦合部在轴向方向插入到所述固定缝槽中以用于紧固。
7.如权利要求6所述的混合轴承，其中，当所述固定缝槽越靠近所述转动轴的中心时，该固定缝槽变得越窄，以及
其中所述耦合部具有对应所述固定缝槽的形状，所述耦合部在所述转动轴的纵向方向插入到所述固定缝槽中以用于紧固。
8.如权利要求1-4中任一项所述的混合轴承，其中，所述气浮轴承包括由多孔弹性体形成的多孔箔和层压到与所述转动轴相邻的所述多孔箔的顶部箔，并且其中所述气浮轴承的一端固定到所述耦合部而所述气浮轴承的另一端是自由的。
9.一种用于气浮-磁性混合轴承的控制系统，包括：
气浮-磁性混合轴承，其包括围绕转动装置的转动轴的外表面的壳体、定位在所述壳体和所述转动轴之间用于在所述转动轴的转动过程中产生动压力以悬浮和支撑所述转动轴的气浮轴承以及定位在所述气浮轴承和所述壳体之间以通过磁性吸引力悬浮所述转动轴的磁性轴承；
位置传感器，其探测在所述转动轴的中心的振动位移；
速度传感器，其探测所述转动轴的转速；
控制器，其控制所述磁性轴承，
其中当通过所述速度传感器探测到的转速在悬浮速度之下时，此时所述转动轴通过所述气浮轴承在悬浮速度下悬浮，所述控制器使所述磁性轴承工作；
其中在所述磁性轴承不操作的情况下当所述转速处于振动模式的共振区域中时所述控制器使所述磁性轴承工作；以及
其中当由所述位置传感器探测的转动轴的位置超过预定振幅时所述控制器使所述磁性轴承工作。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中，在转动装置驱动的过程中在开始和悬浮速度之间，以及在转动装置驱动结束后在悬浮速度和零速度之间，所述控制器使所述磁性轴承工作，所述气浮轴承在所述悬浮速度悬浮所述转动轴。
11.如权利要求9所述的控制系统，其中，在所述磁性轴承不操作的情况下，所述振动模式中的共振区域是在共振速度的90％到共振速度的110％。
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