CN102223984B - 具有磁轴承区段的轴承装置以及调节轴承装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提出一种轴承装置以及一种方法，所述轴承系统以及所述方法在支承轴承配对件时确保稳定的运行。为此，提出一种轴承装置(1)，具有：两个轴承配对件(2、3)、一个滚动轴承区段(6)和一个磁轴承区段(7)，其中，磁轴承区段(7)具有第一磁区域和第二磁区域(8、9)，该第一磁区域和第二磁区域通过中间间隙(10)彼此分开，其中，滚动轴承区段(6)和磁轴承区段(7)共同地以能相对于彼此运动的方式支承两个轴承配对件(2、3)，并且轴承装置具有执行器(12)，其设计用于控制和/或调节中间间隙(10)。

Description

具有磁轴承区段的轴承装置以及调节轴承装置的方法
技术领域
本发明涉及一种轴承装置，具有：两个轴承配对件、一个滚动轴承区段和一个磁轴承区段，其中，磁轴承区段具有第一磁区域和第二磁区域，第一磁区域和第二磁区域通过中间间隙彼此分开，并且其中，滚动轴承区段和磁轴承区段共同地以能相对于彼此运动的方式支承两个轴承配对件。本发明还涉及一种用于调节轴承装置的方法。
背景技术
滚动轴承用于以可运动的方式支承两个轴承配对件，并且例如以旋转轴承，尤其是径向滚动轴承和轴向滚动轴承，或者线性轴承的结构形式而公知。支承通过滚动体与滚道的接触式滚动接触而实现，滚道布置在两个轴承配对件上。相反，磁轴承以同名磁极的磁性排斥为基础，同名磁极通过空气间隙彼此分离开并且通常无接触地构成。用于调节磁极之间的空气间隙的方法由磁悬浮列车和血泵的应用领域，例如由出版物DE 4228309 C1、DE 3931797 A1或者DE10123138 B4公知。
滚动轴承和磁轴承的组合可由出版物DE 10 2006 053 041 A1得知，该出版物可能构成最接近的现有技术。在该出版物中描述了一种尤其用于机床的支承装置，其中，为了支承而设置有滚动支承结构和磁支承结构，所述滚动支承结构和所述磁支承结构以运动学上彼此平行的方式连接。所述磁支承结构具有以彼此相斥的布置定位的永磁体，所述永磁体反向于负荷方向地给所述滚动支承结构减轻负荷。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种轴承装置以及一种方法，所述轴承装置以及所述方法在支承轴承配对件时确保稳定的运行。
该目的通过一种轴承装置以及一种用于调节和/或控制所述轴承装置的方法来实现。所述轴承装置构成为具有转动轴线的旋转支承结构，所述轴承装置具有：两个轴承配对件、一个滚动轴承区段和一个磁轴承区段，其中，所述磁轴承区段具有第一磁区域和第二磁区域，所述第一磁区域和所述第二磁区域通过中间间隙彼此分开，其中，所述滚动轴承区段和所述磁轴承区段共同地以能相对于彼此运动的方式支承所述两个轴承配对件，并且所述轴承装置具有执行器，所述执行器设计成用于控制和/或调节所述中间间隙，其中，所述执行器改变所述中间间隙的间隙宽度，其中，所述第一磁区域通过中间载体与设计成转子的第一轴承配对件机械联接，而所述第二磁区域与设计成定子的第二轴承配对件机械联接，其中，所述第二磁区域通过所述执行器布置在所述定子上的承载体上或者布置在所述定子上，并且所述执行器设计成沿着或者逆着所述转动轴线的方向以如下方式推动所述第二磁区域或者所述第二磁区域的子区域，即，改变所述中间间隙的间隙宽度。所述轴承装置在运行中通过一个所述执行器或者通过多个所述执行器以动态的方式得以调节和/或控制，以便补偿和/或减缓所述轴承配对件的运行干扰，其中，至少一个所述执行器改变所述中间间隙的间隙宽度。本发明的优选的或者具有优点的实施方式由从属权利要求、下面的说明书以及附图得知。
在本发明的范围内，提出具有两个轴承配对件的轴承装置，其中，两个轴承配对件能相对于彼此运动地，尤其是能相对于彼此转动地和/或能相对于彼此移动地和/或能沿着弯道相对于彼此运动地得以支承。轴承装置尤其可以集成在机床和/或打印机、专用机床、输送设备、工件载体环行系统、食品设备、装灌设备和/或包装设备中。
轴承装置具有滚动轴承区段，在滚动轴承区段中，两个轴承配对件通过滚动体，尤其是滚子和/或滚珠，以相对于彼此滚动的方式得以支承。
此外，轴承装置包括磁轴承区段，其中，磁轴承区段具有第一磁区域和第二磁区域，第一磁区域和第二磁区域通过中间间隙彼此分开。第一磁区域和第二磁区域优选彼此同极地和/或同名地构成和/或取向和/或布置，从而它们磁性排斥。优选地，磁区域中的一个磁区域与轴承配对件中的一个轴承配对件机械地联接，而另一个磁区域与另一个轴承配对件机械地联接。中间间隙在磁区域之间并因此在轴承配对件之间形成磁性减震区。
磁轴承区段和滚动轴承区段优选关于轴承配对件的支承结构以运动学上彼此平行的方式布置。尤其是，磁轴承区段为了给滚动轴承区段减轻负荷而反向于负荷方向地构成和/或布置。负荷方向例如由重力的方向给出。
在本发明的范围内提出：将至少一个执行器集成在轴承装置中，该至少一个执行器设计成用于控制和/或调节中间间隙，尤其是中间间隙宽度，即第一磁区域与第二磁区域之间的距离。
通过中间间隙的变化来改变第一磁区域与第二磁区域之间的间距。由于磁区域的排斥而出现的磁性力取决于磁区域的间距，从而可以通过控制和/或调节中间间隙来调整磁区域排斥的强度并因此调整滚动轴承区段的减负。本发明优选涉及轴承装置的局部区段，滚动轴承区段和磁轴承区段因此可以形成轴承装置的被界定的子区域。
在此存在对本发明的如下考虑，即，通过以持续的、磁性的方式给滚动轴承区段减轻负荷而以静态的方式给轴承装置减轻负荷。但是，在轴承装置运行期间出现的、动态的干扰由于轴承装置的不平衡、倾翻或者也许还有震颤或振动而在这种静态系统中可能未得到补偿。本发明的优点在于，这种干扰可以主动地和/或动态地在运行中并且尤其在形成之后得到减缓、抑制和/或消除。因此，本发明提供如下可能性，即，出现的干扰在轴承装置的运行中通过控制和/或调节空气间隙和由此导致的磁轴承区段磁力变化而得到补偿。
在本发明的优选实施方式中，在磁区域中的至少一个磁区域内，优选在两个磁区域内，布置有一个或多个永磁体，所述永磁体建立磁性排斥力。在该实施方式中，磁轴承区段构成为被动的组件。
与此相对地，优选的是，执行器可以通过外部能量来驱动。尤其是，执行器可以通过压缩空气、以液压的方式、以气动的方式和/或以通用的流体技术(fluidtechnisch)的方式和/或通过电能，例如作为压电执行器，来驱动。
在本发明的具有优点的改进方案中，轴承装置具有控制装置，所述控制装置在信号技术上与一个或多个执行器相互连接，其中，控制装置以程序技术的方式和/或以线路技术的方式设计为：以如下方式来操控执行器，即，使不平衡、震颤、振动和/或倾翻(或者轴承装置在运行中的一般运行干扰)得到减缓和/或补偿。为此，控制装置可以具有控制件和/或调节件。控制装置在用于动态地补偿轴承装置的运行干扰的控制回路中的调整量是中间间隙的变化，尤其是中间间隙宽度的变化。
为了向控制装置提供实际量，优选的是，轴承装置包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器设计和/或布置为：检测这种运行干扰。
尤其是，控制装置和/或传感器设计为：检测和/或调控或调整轴承装置的动态特性或高动态特性。例如，传感器的采样频率和/或执行器的操控频率和/或控制装置的调节或控制频率大于1Hz，优选大于10Hz，尤其是大于100Hz。尤其是，控制装置在轴承装置运行期间实时地工作。
在本发明的可能的构成形式中，轴承装置具有多个这种磁轴承区段，这些磁轴承区段可以通过一个所述执行器和/或多个这种执行器选择性地和/或单个地和/或彼此独立地倾翻和/或移动。在这种构成形式中，轴承装置在开放的或闭合的路段(Strecke)上延伸，其中，该路段的子区域优选具有可彼此独立地进行控制和/或调节的磁轴承区段。与此对应地，中间间隙并因此磁性排斥可以沿着所述路段不同地得到调整，以便例如对局部负荷进行补偿。
在本发明的其他构成形式中，轴承装置同样具有多个磁轴承区段，但是这些磁轴承区段共同地布置在承载体上。承载体不易弯曲地构成，从而该承载体可以通过一个所述执行器或多个这种执行器以其整体倾翻和/或移动。
在本发明的结合实际的实现方式中，轴承装置构成为旋转支承结构。在该实现方式中，优选的是，承载体构成为环绕转动轴线的单元，并且尤其构成为圆盘或者具有圆盘区段。
在本发明的具体实现方式中，滚动轴承区段构成为滚动轴承，尤其是深沟球轴承和/或四点接触轴承和/或交叉滚子轴承。该轴承装置例如用在转盘或者工具台中，转盘或者工具台通常静态地和动态地承受高负荷并且快速地转动。
除了作为旋转支承结构的构成形式，轴承装置还可以可选地构成为弯道。
在本发明的其他构成形式中，轴承装置构成为线性轴承。在这种线性轴承或线性轴中，本发明尤其在线性轴承或线性轴同样静态地和动态地承受高负荷、线性轴承或线性轴快速地移动和/或移动路径很长时具有优点。
在所有实施方式中，磁区域可以多列、平行分布地延伸。在旋转支承结构中，磁区域可以可选地布置在两个或多个同中心的和/或同轴的回路中。
原则上，本发明可以在经历很高负载负荷和重力负荷的所有类型的轴中具有优点地使用，以便能够(与未得到补偿的轴相比)实现滚动引导的使用寿命的提高。
本发明的另一主题涉及一种用于调节和/或控制根据本发明所述的轴承装置或者像先前描述的那样的轴承装置的方法，其中，轴承装置在工作中通过一个或多个执行器优选以动态的方式得以调节和/或控制，以便补偿和/或减缓运行干扰。
附图说明
本发明的其他特征、优点和作用由下面对本发明的优选实施例的说明得知。其中：
图1示出具有作为本发明第一实施例的轴承装置的转盘的示意性横截面图；
图2以具有作为本发明第二实施例的另一轴承装置的相同图示示出图1中的转盘。
具体实施方式
图1以示意性横截面图示出转盘设备1，就像将其例如用作工件载体环行系统那样。
转盘1具有定子2，该定子位置固定地布置，并且转动体3作为转盘可围绕转动轴线4转动地支承在该定子上。这种转盘设备1一方面通过转动体3的重力G或者在转动体上布置的设备，并且另一方面通过动态的负荷基于围绕转动轴线4的很高的转动速度而承受负荷。
转动体3具有中心底座(Mittelfuβ)5，所述中心底座通过双列角接触球轴承6可在定子2中围绕转动轴线4转动地得以支承。角接触球轴承6构成为：既轴向地接纳指向转动轴线4的方向的力，例如重力G，又径向地接纳指向转动轴线4的力，并且通过定子2来调移(abtragen)。
为了给角接触球轴承6减轻负荷，转盘设备1示出磁支承结构7，所述磁支承结构构成为：产生磁力F，所述磁力与重力G相反地指向并且由此给角接触球轴承6减轻负荷。
磁支承结构7具有第一磁区域8和第二磁区域9，所述第一磁区域和所述第二磁区域通过中间间隙10彼此间隔开0.5mm至5mm的数值。第一磁区域8和第二磁区域9环行地围绕转动轴线4地构成并且各具有两个彼此同中心地布置的圈8a、8b和9a、9b。相应径向外圈8a和9a以及相应内圈8b和9b在转盘设备1的俯视图中分别以彼此叠合一致的方式布置。圈8a、8b和圈9a、9b分别具有永磁体，所述永磁体分别以如下方式布置和/或取向，即，第一磁区域8和第二磁区域9相互排斥。例如，在中间间隙10中，磁区域8和磁区域9的负极(可供选择地是正极)对置。
第一磁区域8通过中间载体11与转动体3固定地并且刚性地连接。相反，第二磁区域9通过执行器12布置在承载体13上或者(在另外的实施方式中)布置在定子2上。
执行器12构成用于：沿着或者逆着转动轴线4的方向推动第二磁区域9或者其子区域，或者以如下方式推动第二磁区域9或者其子区域，即，改变中间间隙10的宽度d。通过推动第二磁区域9或者通过改变中间间隙10的间隙宽度d可以调整磁力F，所述磁力与重力G相反地起作用。
执行器12可以构成为：选择性地沿着或者逆着朝向第二磁区域8的方向推动第二磁区域9，包括第二磁区域9的各个圈9a或9b或者圈9a、9b的环行的各个延伸区段。通过这种方式，可以实现的是，旋转对称地或者依赖于在围绕转动轴线4的环行方向上的位置地提高或降低磁力F。
可选地，转盘设备1并且尤其是磁支承结构7或执行器12与控制装置(未示出)连接，所述控制装置构成为：将平稳运行中的干扰，例如转动体3的不平衡、倾翻、震颤和/或振动，动态地和/或实时地通过操控执行器12来减缓和/或补偿。作为用于这种调节或控制的输入量，可以使用传感器(未示出)的信号，所述传感器要么针对转动体3整体地，要么依赖于在环行方向上的位置地测定所述不平衡等。
图2示出本发明的第二实施方式，其中，第二磁区域9并且尤其是其两个圈9a、9b布置在共同的、刚性的承载体13上，通过执行器12，可以使所述承载体以其整体移动和/或倾翻。
在两个实施方式中，执行器12可以构成为气动机构、液压机构和/或流体系统或者构成为电动驱动装置或电动执行器。
除了使用由转盘设备1中的角接触球轴承6和磁支承结构7组成的轴承装置之外，还可以实现的是，将由任意的滚动轴承和这种主动的磁支承结构构成的这种组合集成在线性轴承或弯道轴承中。因此，总的来说，还提出一种机电一体化系统，用于通过调节或控制磁支承结构7的中间间隙10来使支承得到减缓和不平衡补偿。
附图标记列表
1        转盘、转盘设备
2        定子
3        转动体
4        转动轴线
5        中心底座
6        角接触球轴承
7        磁支承结构
8        第一磁区域
8a、8b   内圈和外圈
9        第二磁区域
9a、9b   内圈和外圈
10       中间间隙
11       中间载体
12       执行器体
13       承载体

Claims (16)

1.轴承装置(1)，所述轴承装置(1)构成为具有转动轴线(4)的旋转支承结构，所述轴承装置(1)具有：
两个轴承配对件(2、3)、
一个滚动轴承区段(6)
和一个磁轴承区段(7)，其中，所述磁轴承区段(7)具有第一磁区域和第二磁区域(8、9)，所述第一磁区域和所述第二磁区域通过中间间隙(10)彼此分开，
其中，所述滚动轴承区段(6)和所述磁轴承区段(7)共同地以能相对于彼此运动的方式支承所述两个轴承配对件(2、3)，并且所述轴承装置(1)具有执行器(12)，所述执行器设计成用于控制和/或调节所述中间间隙(10)，其中，所述执行器(12)改变所述中间间隙(10)的间隙宽度(d)，其中，所述第一磁区域(8)通过中间载体(11)与设计成转子的第一轴承配对件(3)机械联接，而所述第二磁区域(9)与设计成定子的第二轴承配对件(2)机械联接，
其特征在于，
所述第二磁区域(9)通过所述执行器(12)布置在所述定子(2)上的承载体(13)上或者布置在所述定子(2)上，并且所述执行器(12)设计成沿着或者逆着所述转动轴线(4)的方向以如下方式推动所述第二磁区域(9)或者所述第二磁区域(9)的子区域，即，改变所述中间间隙(10)的间隙宽度(d)。
2.根据权利要求1所述的轴承装置(1)，其特征在于，在至少一个磁区域(8、9)内布置有永磁体。
3.根据权利要求1或2所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述执行器(12)能够通过外部能量来驱动。
4.根据权利要求3所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述外部能量以流体技术的方式来传输。
5.根据权利要求3所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述外部能量以电的方式来传输。
6.根据权利要求4所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述外部能量以液压的方式或以气动的方式来传输。
7.根据权利要求6所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述外部能量通过压缩空气来传输。
8.根据权利要求1或2所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述轴承装置(1)具有控制装置，所述控制装置设计为：操控所述执行器(12)，以便在运行中减缓所述轴承配对件(2、3)的不平衡、震颤、振动和/或倾翻。
9.根据权利要求8所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述轴承装置(1)具有传感器，所述传感器设计为：检测所述轴承配对件(2、3)的不平衡、震颤、振动和/或倾翻。
10.根据权利要求1或2所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述磁轴承区段(7)的数量由一个替换为多个，多个所述磁轴承区段(7)能够通过一个所述执行器(12)或者多个所述执行器(12)选择性地倾翻和/或移动。
11.根据权利要求1或2所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述磁轴承区段(7)的数量由一个替换为多个，多个所述磁轴承区段(7)共同地布置在承载体(13)上，其中，所述承载体(13)能够通过一个所述执行器(12)或者多个所述执行器(12)倾翻和/或移动。
12.根据权利要求11所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述承载体(13)以环绕所述转动轴线的方式构成并且构成为圆盘。
13.根据权利要求11所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述承载体(13)构成为圆盘。
14.根据权利要求1所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述滚动轴承区段(6)构成为深沟球轴承。
15.根据权利要求1所述的轴承装置(1)，其特征在于，所述轴承装置构成为转盘(1)。
16.用于调节和/或控制根据前述权利要求之一所述的轴承装置(1)的方法，其特征在于，所述轴承装置(1)在运行中通过一个所述执行器(12)或者通过多个所述执行器(12)以动态的方式得以调节和/或控制，以便补偿和/或减缓所述轴承配对件(2、3)的运行干扰，其中，至少一个所述执行器(12)改变所述中间间隙(10)的间隙宽度(d)。
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