CN102454704A - 封装式磁体组件和用于制造它的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及封装式磁体组件和用于制造它的工艺。本发明提供了一种封装式磁体组件，其包括：(a)设置在外壳中的磁体，所述外壳包括至少一个壁，并且限定了至少一个孔；和(b)外壳盖；所述外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中外壳盖设置为可气密地密封所述孔，第一部分固定地连接在第二部分上，其中连接点经过热处理；并且外壳壁由非磁性材料形成，并且固定地连接在外壳盖的第二部分上。在一个实施例中，这种封装式磁体组件的磁体是永磁体，并且在一个备选实施例中是电磁体。在一个实施例中，这种封装式磁体组件是定子-转子组件的构件。

Description

封装式磁体组件和用于制造它的工艺
相关申请的交叉引用
本申请是于2007年11月2日提交的美国专利申请No.11/934,396的部分继续申请并要求享有其权益，该美国专利申请No.11/934,396则要求享有于2007年3月8日提交的题名为“用于腐蚀环境中的磁轴承”的美国临时专利申请No.60/905,710的权益，这些美国专利申请均通过引用而完整地结合在本文中。
技术领域
本公开涉及利用磁轴承并可用于腐蚀环境中的转子和定子组件，以及组装磁轴承的工艺。该转子和定子组件可用于涡轮膨胀机、泵、压缩机、电动机和发电机、以及相似的用于石油和天然气工业的涡轮机械中。
背景技术
涡轮膨胀机是一种减小进气流的压力的装置。在这样做时，在减压期间可提取有用功。此外，从涡轮膨胀机中还可能产生流出流(effluent stream)。这种流出流然后可穿过分离器或蒸馏塔，以便将该流出流分离到重质液体流中。涡轮膨胀机利用旋转设备，其是相对较昂贵的，并且通常包括安装在外壳中的径向内流式涡轮转子，外壳具有径向入口和轴向出口。涡轮转子通过固定在转子上的轴而可旋转地安装在轴承中。这种涡轮膨胀机可供各种广泛的不同气流用于诸如空气分离、天然气加工和传输、膨胀过程中的压力下降的能量的回收、相关过程的废热的热能回收等等。压缩机可作为一种装置与涡轮膨胀机相关联，以取得功或只是消散来自涡轮膨胀机的能量。
目前有三种主要类型的轴承，其可用于支撑涡轮机械，例如上面提到的涡轮膨胀机或压缩机中的转子轴。各种类型的轴承包括磁轴承、滚柱元件轴承和流体薄膜轴承。磁轴承利用电磁力而定位和支撑移动的轴。该轴可进行回转(旋转)或往复运动(线性平移)。相比之下，流体薄膜轴承和滚柱元件轴承都与转子轴直接接触，并且通常需要基于流体的滑润剂，例如油。
磁轴承提供了超越流体膜轴承和滚柱元件轴承的优越性能。磁轴承通常具有较低的阻力损失、较高的刚性和阻尼属性、以及适中的负载能力。另外，不同于其它类型的轴承，磁轴承不需要润滑，因而消除了油、阀门、泵、过滤器、冷却器等等，其增加了复杂性，并且包括工艺污染的风险。
在一种用于转子和定子组件的典型的磁轴承布局中，定子包围由铁磁性材料形成的转子轴，定子包括多个电磁线圈。各个电磁线圈被称为磁径向轴承，因为它们径向包围转子，电磁线圈产生磁场，其倾向于吸引转子轴。在围绕转子轴的合适位置上，转子轴组件受到定子内部的这些活动的磁径向轴承的支撑。通过改变特定磁体的线圈中的电流的量，可控制吸引力，使得转子保持居中于磁体之间。定子中的传感器包围转子，并测量转子离居中位置的偏差。数字处理器使用来自传感器的信号以确定如何调整磁体中的电流，从而使转子居中于磁体之间。检测轴位置、处理数据和调整线圈中的电流的循环可在高达25,000次每秒的速率下发生。因为转子“浮动”在空间中而不与磁体相接触，所以不需要任何类型的润滑。
耐摩轴承以及密封件可安装在转子轴的各端，以便在未激励磁轴承时支撑轴。这避免了在转子轴和定子的径向磁轴承之间的任何接触。这些辅助轴承或“备用”轴承通常是干的、润滑的，并且在正常操作期间保持无负载的。
在石油和天然气工业中，转子和定子组件可在工艺气体中运转，工艺气体还可用作冷却剂。工艺气体通常是在大约10巴至大约200巴的压力下的天然气。不幸的是，天然气可能具有高度的污染物。这些污染物可包括腐蚀剂例如硫化氢(H2S)、水、CO2、油和其它。在最坏的情况下，水和H2S的组合导致被称为湿酸气的东西，它是一种更具腐蚀性的气体。磁轴承通常需要冷却，从而保持轴承构件中的可接受的温度。利用工艺气体直接作为冷却剂，其在实现一种较少密封的系统方面提供了显著的优点，其消除了对于缓冲气体(其在上游石油和天然气应用中通常不能得到)的需求，并且增强了安装的涡轮机械的安全性和可操作性。然而，磁轴承组件的冷却，以及因此其在包含上述污染物的工艺气体环境中的使用，对于易受损的磁轴承构件造成了极大的风险。
美国腐蚀工程师协会(NACE)标准MR0175，“用于油田设备的硫化物应力腐蚀破裂防腐剂金属材料”是在石油和天然气工业中广泛使用的标准，其规定了为用于酸气环境中的机械提供良好的使用寿命所需要的合适的材料、热处理条件和硬度等级。NACE遵从性材料或成分是相当耐腐蚀的，这些腐蚀可发生在非NACE遵从性材料暴露于酸气和/或湿酸气时。例如，NACE遵从性焊缝通常需要焊接后热处理工艺，以消除任何焊缝应力，焊缝应力将通常有助于易受腐蚀性。目前在石油和天然气工业中还没有使用完全遵从NACE的磁轴承系统。
NACE的遵从性是合乎要求的，因为转子轴组件包括若干个在操作期间可能暴露于酸气环境中的构件。这些包括尤其转子轴本身、围绕转子轴的磁转子叠片、以及转子坐落套筒。作为对腐蚀剂的敏感性的一个示例，已经发现如果转子叠片暴露于湿酸气中，那么它们通常会由于氢脆性和应力相关的腐蚀性开裂而失效。应力相关的腐蚀性开裂是个问题，因为磁转子叠片通常由冲孔制造而成，这些冲孔被冷缩配合到转子轴上。在以工作速度进行操作期间，这些构件由于冷缩配合应力和施加于构件上的径向力而经受相对较高的机械应力。
目前用于转子和定子组件中的磁轴承系统的另一缺点涉及通常用于建造转子轴和/或转子叠片中的合金钢。最耐酸气腐蚀的钢成分的选择通常具有较差的磁性。因为这个原因，在转子轴上发生高的电磁损失，导致热负载超过1.00W/cm2(6.45W/in2)。暴露于来自热负载的高温下，这可能降低钢对酸气腐蚀的耐力。增加构件的尺寸以便最大限度地减小热负载，这从成本以及与更大构件相关的底座(footprints)方面考虑是不切实际的。
除了转子轴和叠片之外，转子轴组件通常包括转子坐落套筒，其冷缩配合在转子轴的各端上。在转子坐落的情况下，这种坐落套筒与滚柱元件备用轴承的内座圈相接合，在此期间，磁轴承失效，并且备用轴承在后续关闭程序期间必须支撑转子。目前转子坐落套筒由一种非NACE遵从性材料形成，并因此在酸气环境会遇到腐蚀。
磁轴承定子是一种固定的构件，其提供了用于使转子组件悬浮的磁场源。气隙将定子与转子轴分隔开。为了最大限度地增加磁场强度和悬浮力，该气隙被制成尽可能得小，同时仍然满足在转子轴和定子之间的机械间隙要求。间隙尺寸通常在几分之一毫米的级别。如果间隙增加，定子中的线圈需要更大电流使转子悬浮，或者必须增加定子的直径或轴长，所有这些都增加了整个定子尺寸。如果定子尺寸是有限制的，并且不能被增加，那么如果气隙大于机械间隙所需要的尺寸，则悬浮力就会减小。
当前的定子要么是封装式的(encapsulated)要么是非封装式的。在封装式(encapsulated)定子的情况下，定子“罐”(can)保护定子构件免受工艺环境。当前的定子通常可由两个相同材料的同心管组成，其在末端被连接起来。这种管状的罐部段定位在定子和转子轴之间的间隙中。如果罐材料是非磁性的，那么其在所需要的机械间隙的顶部增加了额外的磁隙，其减少了轴承能力。为了保持轴承能力，管状的罐部段的材料可选择为磁性的。
在当前的实践中，定子罐部段由磁性的NACE遵从性合金(典型的示例是具有15-18wt％的铬、3-5wt％的镍和3-5wt％的铜含量的镍铬合金，例如17-4PH(沉淀硬化)的不锈钢)组装而成并焊接在一起。焊缝将通常需要在超过600℃的温度下进行焊接后热处理，从而达到完全的NACE遵从性。然而，由于封装式电气定子构件的温度限制和当前制造方法的原因，热处理是不可能的。因此，焊缝目前不是遵从NACE的，并且由于例如暴露于酸气中而发生腐蚀和故障。此外，某些定子构件，例如传感器以及电源线和仪器导线不能被封装，并且暴露于工艺气体环境中。
现在参照现有技术的图1，其显示了一种总体以标号10指定的典型的涡轮膨胀机-压缩机系统，其包括一种转子和定子组件，它具有多个用于支撑转子轴的磁轴承。系统10包括位于外壳16的相对两端上的涡轮膨胀机12和压缩机14，外壳封闭了多个用于支撑转子轴20的磁轴承18。
各个磁轴承18包括围绕转子轴20而设置的定子22。定子22包括设置为用以提供磁场的定子磁极、定子叠片、定子绕组(未显示)。转子叠片24固定在转子轴20上，各个转子叠片与各个定子22对准，并设置为与之保持磁连通。当受到适当激励时，定子22有效地吸引转子叠片24，从而为转子轴20提供悬浮和径向定位。所示系统10还包括额外的轴向磁轴承26和28，从而在轴向方向上通过作用于磁转子推力盘30上而与转子轴20对准。滚柱元件备用轴承32设置在转子轴的各个末端周围，并定位成当磁轴承失效或系统10处于关闭状态时可与设置在转子轴16上的转子坐落套筒34相接合。当系统10设置为可容纳轴向负载或推力负载时，套筒34的宽度得以增加，以适应任何轴向运动。
备用轴承32通常由滚柱元件轴承制成。在这种轴承中，内座圈和外座圈需要高硬度的合金钢(通常超过HRC40(洛氏硬度C级))以实现低的磨损和长的轴承寿命。然而在合金钢中，高硬度和耐腐蚀的属性是相矛盾的要求。结果，当前的圈由高硬度的合金钢制成，其不满足NACE腐蚀性要求。
系统10还包括由标号36表示的多个传感器以及与控制器单元(未显示)保持电连通的电源线和仪器导线38。传感器36通常用于感测转子轴20上的轴向和径向非连续性，使得沿着轴的径向和轴向移动可通过控制器单元进行监测，从而在转子轴20上产生所需的磁悬浮力。
现有技术的图2显示了示例性的转子和定子组件50的局部截面图。转子和定子组件50包括转子轴组件52，其包括连接在转子轴56上的转子叠片54。封装式定子组件60包围转子轴组件50，并包括定子框架62、包绕在导电绕组66中的磁性定子叠片64、以及定子套筒68。定子套筒68通常具有在0.05至5.0毫米(mm)范围内的厚度。封装式定子组件60包括由壁70和定子套筒68所限定的被气密密封的罐，壁70具有大约1厘米的厚度。罐由焊接在各种接口72上的多个部段形成。这些焊缝不是遵从NACE的。其它未显示的定子构件是定子槽、磁极、传感器、电源线和仪器导线。气隙80将转子轴组件52与定子组件60分隔开。在操作过程中，转子轴56悬浮在由定子组件60产生的磁场中。
假使在腐蚀环境中利用磁轴承系统的转子和定子组件的使用增加，则对于克服当前磁轴承的上述缺陷存在增长的需要。
发明内容
这里公开的是耐腐蚀的封装式磁体组件和用于制造它们的工艺。在一个实施例中，本发明提供了一种封装式磁体组件，其包括：(a)设置在外壳中的磁体，所述外壳包括至少一个壁，并且限定了至少一个孔；和(b)外壳盖；所述外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中外壳盖设置为用于气密地密封所述孔，第一部分固定地连接在第二部分上，其中连接点经过热处理；并且外壳壁由非磁性材料形成，并且固定地连接在外壳盖的第二部分上。
在一个备选实施例中，本发明提供了一种形成封装式磁体组件的工艺，该工艺包括：将外壳盖的由非磁性材料所形成的第二部分焊接到外壳盖的由磁性材料形成的第一部分上，以便提供一种焊接的外壳盖，并接下来在可有效地消除焊缝应力的温度下对焊接的外壳盖进行热处理；将磁体设置在外壳中，该外壳包括至少一个由非磁性材料形成的壁，并且限定了至少一个孔；并将热处理后的焊接的外壳盖焊接到外壳上，使得外壳盖的第二部分固定地连接在外壳壁上，从而气密地密封住孔。
这里公开的构件和工艺的特征和优点可通过参照以下附图和详细说明以及包含在那里的示例而变得更容易理解。
附图说明
下面的图是用于说明性的目的，其中相同的元件用相同的编号表示。
图1是现有技术的磁轴承系统的示意图，其显示了用于例如膨胀机-压缩机中的磁轴承转子组件和定子。
图2是现有技术的封装式定子的示意图，其显示了相对于转子组件而设置的带有NACE非遵从性焊缝的定子罐。
图3显示了被覆有聚合物屏障层的转子组件的示意图。
图4显示了构建本发明的一个或多个实施例的步骤的示意图。
图5是相对于转子轴和转子坐落套筒(rotor landing sleeve)而设置的滚柱元件备用轴承的示意图。
具体实施方式
本公开提供了包括磁轴承的转子和定子组件，以及用于组装适合于在腐蚀环境中使用的磁轴承的工艺。磁轴承组件根据某些应用的需要可被制成是完全遵从NACE的。例如，通过用屏障薄膜覆盖磁性钢转子轴和转子叠片来获得NACE遵从性转子轴组件。对于采用封装式定子组件的磁轴承系统，NACE遵从性定子罐是利用用于封装的磁性材料和非磁性材料的组合而获得的，其在被焊接在一起时只需要在不同材料之间的接头中进行热处理。类似地，转子坐落套筒、备用轴承的内座圈和外座圈、以及电源线和仪器导线可通过使用特定材料而被制成是NACE遵从性的，其将在下面进行更详细地描述。
涡轮膨胀机用作一个说明性的示例，但这里公开的用于腐蚀环境的磁轴承可用在轴向轴承以及其它磁轴承的实例中；例如泵、压缩机、电动机、发电机以及其它涡轮机械。
图3显示了用于使磁轴承的转子组件适合于在腐蚀环境，例如在酸气和湿酸气环境中使用的一个实施例。转子轴组件100包括转子轴102、设置在该轴周围的转子叠片104、以及转子坐落套筒108。所示屏障层106设置在转子轴组件的所有暴露表面上。在一个可选的实施例中，屏障层形成于转子轴组件的选定的表面上。例如，屏障层可形成于转子组件最容易受腐蚀的选定区域上。这些包括转子轴、转子叠片或用于共同形成转子叠片的冲孔的选定的区域。在一个实施例中，屏障层应用于转子上，其包括由铁-硅(FeSi)制成的叠片，其众所周知没有或只有很低的耐腐蚀性。NACE遵从性合金(例如17-4PH不锈钢)通常不需要聚合物表面涂层，因为它们本身是耐腐蚀的。
可选地，在应用屏障层之前可应用底漆涂层。底漆层的具体厚度将依赖于选定的屏障材料的类型，但通常应选择为是有效地用于设置在磁轴承的特殊环境中使用的。本领域中的普通技术人员基于聚合物成分和预期应用而完全可以想到优化层的厚度。
用于形成保护处在腐蚀环境中的转子轴组件100的屏障层106的合适的材料包括，但不想被局限于各种完全(即全氟化)和部分氟化的聚合物。合适的完全氟化的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)和全氟烷氧基树脂-聚四氟乙烯共聚物(PFA)、氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)等等。PFA是聚四氟乙烯[CF2＝CF2]与全氟烃基乙烯醚[F(CF2)nCF2OCF＝CF2]的共聚物。合成的聚合物包含通常为PTFE的碳-氟主链，其带有全氟烷氧基树脂侧链。一种适合于屏障层的特殊的PFA形式是聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚共聚物(MFA)。部分氟化的聚合物包括乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)。
由Whitford公司售卖商标XylanTM和杜邦公司售卖商标TeflonTM和Teflon-STM下的含氟聚合物的组合物也是有用的屏障层材料。XylanTM涂层部分地包括PTFE，PFA和FEP。TeflonTM涂层部分地包括PTFE、PFA、FEP和ETFE碳氟树脂。Teflon-STM是另一相关系列的包含粘接树脂的碳氟化合物涂层，其提供了增加的硬度和耐磨性或其它所需的属性。
其它用于形成屏障层的有机材料包括粉末状环氧化物、填充的环氧化物、填充的硅酮和填充的PPS(聚苯硫醚)。典型的热塑性环氧树脂粉末涂层包括，但不应局限于来自3M公司的ScotchkoteTM 134和ScotchkoteTM 6258。
ScotchkoteTM 134熔合的环氧树脂涂层(FBEC)是一种但成分的可热固化的热塑性环氧树脂涂层，其部分地包括二(4-间苯二酚)异丙基二环氧甘油醚-二(4-间苯二酚)异丙基共聚物。ScotchkoteTM 6258熔化键合的环氧树脂涂层(FBEC)是一种单成分的可热固化的热塑性环氧树脂涂层，其部分地包括二(4-间苯二酚)异丙基二环氧甘油醚-挖掘(4-间苯二酚)异丙基共聚物和表氯醇-邻甲酚-甲醛聚合物的混合物。ScotchkoteTM 134和ScotchkoteTM 6258作为干粉可选地应用于25.4微米(1密耳)酚底漆涂层上，并在150℃至250℃的温度下热固化高达30分钟而形成254至381微米(10至15密耳)的厚度。
还一些其它用于形成图3中的屏障层106的材料包括氧化物、磷酸盐和铬酸盐的转化涂层，更具体地说，由Sermatech公司售卖的商标名SermalonTM、SermaloyTM、SermagardTM和SermatelTM下的转换材料。
SermalonTM涂层系统包括铝填充的铬酸盐/磷酸盐粘接涂层、中间高温聚合物阻化性涂层、以及PTFE浸渍的外涂层。涂层厚度在100至150微米的范围内。SermaloyTM是带有硅-浓缩外层的金属间化合的镍铝化物。SermatelTM是一系列无机涂层，其结合在金属上，形成了金属-陶瓷化合物。SermagardTM是带陶瓷粘接剂的水基铝化涂层。
聚合物屏障层106的厚度可在2微米至600微米(0.079密耳至23.6密耳)的范围内。
聚合物屏障层106可采用液体分散物或粉末的形式而应用于衬底上(即，转子组件的所有或选定的表面上)，可选地应用于底漆层上。包括水中的聚合材料或溶剂悬浮液在内的液体分散物，可应用在喷涂和烘焙涂布工艺中，在该工艺中液体分散物被喷涂到衬底上，以便后续加热至包含在该液体分散物中的聚合材料的熔化温度以上。应用粉末形式的聚合材料的已知方法包括利用例如静电枪、静电流化床或静电植绒枪而将粉末喷涂到衬底上。在另一示例中，可将粉末喷涂到已经被加热至聚合材料的熔化温度以上的衬底上，从而形成涂层，其也被称为热喷涂。在被称为“旋转涂衬”的工艺中应用涂层也是已知的，其中衬底和粉末在例如炉中被加热至聚合材料的熔化温度以上，同时使衬底旋转，以便在衬底上形成无缝的涂层。
如之前论述的那样，屏障层106应用于转子轴组件100的至少一个暴露的选定表面上，其可包括一个或多个由转子叠片104、转子轴102、转子坐落套筒108、其它转子组件表面或完全装配好的转子100所限定的表面。将部分或整个转子组件封装在保护涂层中的目的是抑制例如暴露于酸气中时可能发生的腐蚀。
转子轴组件的构件通常由磁性钢形成。在一个实施例中，转子叠片由铁-硅(FeSi)材料制成，并且在其上面设置了聚合物屏障涂层。
在另一实施例中，转子叠片被覆有包含阻氢性镍基合金的屏障层，该镍基合金包含基于该镍基合金总重量的40-90wt％(重量百分比)的镍。这里，“X-Ywt％”意味着“X wt％至Y wt％”，其中X和Y是数字。具体地说，阻氢性镍基合金是来自Haynes International公司的
Figure BSA00000606729800102
其包含基于镍基合金总重量的大约56wt％的镍、大约2.5wt％的钴、大约22wt％的铬、大约13wt％的钼、大约3wt％的钨、大约3wt％的铁、大约0.5wt％的锰、大约0.08wt％的硅、大约0.35wt％的钒和大约0.010wt％的碳。
在另一实施例中，转子轴由类型17-4PH不锈钢合金的磁性钢形成，它是一种沉淀硬化的马氏体不锈钢，其包含基于沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量的10-20wt％的铬，并且还包含铜和铌添加剂。更具体地说，沉淀硬化的马氏体不锈钢包括(基于该沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量的)大约16.5wt％的铬、大约4.5wt％的镍、大约3.3wt％的铜和大约0.3wt％的铌。磁性钢的使用允许转子轴组件的结构具有紧凑的尺寸。转子叠片上的聚合物屏障层或可选的
Figure BSA00000606729800111
涂层对例如由于暴露于酸气中而引起的腐蚀提供了额外的耐性。然而，同例如铁硅合金(FeSi)相比，防酸气合金例如类型17-4PH合金的使用会影响转子的磁性，因而增加了电磁损失。这尤其在根据美国石油协会要求对装配机械进行周围空气测试期间提出了极大的挑战。周围空气比加压的工艺气体具有显著更低的压力和因此更低的冷却能力。另外，其热属性和传输属性劣于许多工艺气体，因而同加压的工艺气体相比进一步降低了其冷却能力。对此补偿的一种途径是增加转子尺寸，从而增加暴露面积，因而减少转子表面热通量，并增加冷却能力。然而，这在预期的应用中减少了磁轴承的吸引力。如果不增加转子尺寸，那么所得转子可能具有超过1W/cm2(6.45W/in2)的转子表面热通量(heat flux)。如果在周围空气中进行测试，这可以很容易导致过热而超出叠片式转子隔热材料的能力之外。所有这些缺点可通过在足够高的压力和/或足够低的温度下，在空气或其它气体(例如氮气)中测试装配好的机械来避免，从而保持轴承构件可接受的温度。所需压力和温度的精确的组合是与设计相关的，并且需要知道在测试条件下有待正确选择的预计的转子损失。除了17-4PH合金的合金以外，例如西部电气公司(Western Electric Company)的PERMALLOYTM和来自Allegheny Ludlum公司的MOLY PERMALLOYTM合金、低碳马氏体不锈钢或相似的材料也可用于制造转子叠片。PERMALLOYTM和MOLY PERMALLOYTM包括基于合金总重量的大约80wt％的镍、大约14wt％的铁、大约4.8wt％的钼、大约0.5wt％的锰和大约0.3wt％的硅。低碳马氏体不锈钢包括(基于该低碳马氏体不锈钢的总重量的)大约11.5-17.0wt％的铬、大约3.5-6.0wt％的镍和仅仅0.060wt％的碳。
在另一实施例中，如图3中所示的转子坐落套筒108由钴基超级合金钢形成，其包括基于钴基超级合金钢的总重量的40-70wt％的钴。钴基超级合金钢的使用有利地使转子坐落套筒是NACE遵从性的。更具体地说，合适的钴基超级合金钢包括，但不应局限于HaynesInternational公司在商标名
Figure BSA00000606729800121
下售卖的钴基超级合金钢，其包括基于该钴基超级合金钢的总重量的大约54wt％的钴、大约26wt％的铬、大约9wt％的镍、大约5wt％的钼、大约3wt％的铁、大约2wt％的钨、大约0.8wt％的锰、大约0.3wt％的硅、大约0.8wt％的氮和大约0.06wt％的碳。其它合适的钴基超级合金钢包括HAYNESTM 6B，其包括基于钴基超级合金钢的总重量大约51wt％的钴、大约10wt％的镍、大约20wt％的铬、大约15wt％的钨、大约3wt％的铁、大约1.5wt％的锰、大约0.4wt％的硅和大约0.10wt％的碳，以及Armoloy公司在商标名
Figure BSA00000606729800122
下售卖的铬涂层。
Figure BSA00000606729800123
和HAYNESTM 6B合金主要包括钴、铬和镍。这些钴基超级合金展现了优异的摩擦特性，其对于在磁轴承故障期间，当转子轴掉落到滚柱元件备用轴承上时防止转子轴表面的损伤是必要的，同时满足了耐腐蚀性要求。另外，还有镍钴基合金(例如MP35N合金)，其可进行加工硬化并时效处理，以增加它们的硬度和因而强度，并仍然保持NACE遵从性。
图5显示了滚柱元件备用轴承200的大致示意图，其包括相对于转子轴202和坐落套筒204的内座圈208和外座圈206。在另一实施例中，滚柱元件备用轴承的内座圈和外座圈由马氏体氮化不锈钢制成，其包括基于该马氏体氮化不锈钢的总重量的10-20wt％的铬和0.1-1.0wt％的氮。典型的成分是基于该成分总重量的大约0.25-0.35wt％的碳、大约0.35-0.45wt％的氮、大约0.5-0.6wt％的硅、大约14.5-15.5wt％的铬、以及大约0.95-1.05wt％的钼。这些马氏体氮化不锈钢商业上可从Barden公司得到(例如Cronidur-30TM)，或从美国SKF轴承公司(SKF Bearings USA)得到，例如VC444。这些马氏体氮化不锈钢在硬度上对于滚柱元件备用轴承座圈中的应用(高于55的HRC(洛氏硬度C级))是足够高的，并且还提供了优秀的耐腐蚀性。
在又一实施例中，各种定子构件可通过将屏障材料应用于选定的表面上而受到免于腐蚀性气体环境的保护。这些包括定子罐表面、电源线和仪器导线、定子传感器和定子套筒。这对于非封装式定子组件是有利的。
在另一实施例中，这里公开的测试方法允许在现场安装之前，在工厂环境中测试具有超过1W/cm2(6.45W/in2)的转子表面热通量的紧凑型磁轴承这需要在工厂中，在加压的空气或其它惰性气体的气氛中操作轴承，这些空气或气氛与石油生产场所所使用的甲烷或天然气相反。该空气或其它惰性气体通过冷却器、热交换器或者可选地为低温流体(其在供给磁轴承之前膨胀至选定的温度和压力下)进行预先冷却。该气氛的温度在-260℃至40℃的范围内。该气氛被加压至至少2巴，以增加其除热能力，同时将转子温度保持在工程限制范围内。
如之前论述的那样，转子和定子组件可包括封装式定子组件，也在这里被称为定子罐(stator can)。在一个实施例中，定子罐由NACE遵从性材料构成，并利用磁性和非磁性钢合金的组合焊接而成。磁性钢合金放置在磁性钢提供了电磁优势的定子罐的区域中，例如定子套筒中。非磁性钢(例如因科镍合金)具有较好的耐腐蚀性，并且不需要焊接后热处理，并因此将其放置在不需要磁性钢属性的区域中。
在一个实施例中，封装式定子的磁性钢合金包括沉淀硬化的马氏体不锈钢，其包括基于沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量10-20wt％的铬。更具体地说，该沉淀硬化的马氏体不锈钢包括(基于该沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量的)大约16.5wt％的铬、大约4.5wt％的镍、大约3.3wt％的铜和大约0.3wt％的铌。
在一个实施例中，封装式定子的非磁性材料包括镍基合金，其包括基于该镍基合金的总重量的40-70％的镍。更具体地说，该镍基合金包括(基于该镍基合金的总重量的)大约58wt％的镍、大约21.5wt％的铬、大约9wt％的钼和大约5wt％铁。
在一个实施例中，本发明提供了一种封装式磁体组件，其包括设置在外壳中的磁体。外壳包括至少一个壁，并限定了至少一个孔。封装式磁体组件还包括外壳盖，其包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分。外壳盖设置为用以气密地密封住孔。外壳的第一部分固定地连接在外壳的第二部分上，其中连接点(例如焊接线)经过热处理，以降低连接点(其在这里有时被称为“接口”)上的残余应力。外壳壁由非磁性材料形成，并固定地连接在外壳盖的第二部分上。
外壳可具有任何需要的形状。例如，外壳可以是具有单个壁和两个圆形孔的圆柱体、具有五个壁和单个孔的盒状体、具有单个壁和单个孔的圆锥体、具有单个壁和单个孔的部分圆锥体、具有单个壁和两个孔的部分圆锥体、具有单个壁和一个或多个孔的部分球体，或者非理想的形状及一个或多个孔。外壳盖恰当地配合到孔上，从而气密地密封住孔。在一个实施例中，外壳盖构成了盘(配合至圆柱形的外壳或圆锥形的外壳)。在一个备选实施例中，外壳盖是平坦的矩形(配合至盒状外壳)。在又一实施例中，外壳盖是鼻锥体(配合至部分圆锥形的外壳)。在另一实施例中，外壳盖是部分球体(配合至部分球形的外壳)。在又一实施例中，外壳盖是非理想的形状，以便恰当地配合具有非理想形状的孔。
在一个实施例中本发明提供了一种封装式磁体组件，其包括永磁体，例如陶瓷复合材料，其包括氧化铁，以及包含碳酸钡和碳酸锶的陶瓷基质。在一个备选实施例中，本发明提供了一种包括电磁体(例如属于电磁体的定子)的封装式磁体组件。
这种封装式磁体组件可用于各种应用，例如电动机中的电磁体。在各种应用中，本发明提供的封装式磁体组件可设置为是固定的或旋转的。例如，在本发明所提供的封装式磁体组件用作电动机中的定子的情况下，封装式磁体组件据称被设置为是非旋转的(即固定的)封装式磁体组件。在封装式磁体组件安装于机械系统的活动构件，例如压缩机的转子上的情况下，封装式磁体组件据称被设置为旋转的封装式磁体组件。
本发明所提供的封装式磁体组件在驱动磁灵敏的旋转设备构件例如转子时是特别有用的。在各种实施例中，封装式磁体组件可与转子协同使用，在这些实施例中，封装式磁体组件用作定子，其设置为用以驱动磁灵敏(magnetically susceptible)的转子。这种由本发明提供的作为定子的封装式磁体组件与磁灵敏的转子的组合在这里有时也被称为定子-转子组件。在定子作用于转子并且该转子设置在至少部分地被定子所限定的空腔中的情况下，封装式磁体组件被称为是由外至内的定子-转子组件(即，由外至内为定子-转子)的构件。或者，在定子作用于转子且该定子设置在至少部分地被转子所限定的空腔中的情况下，封装式磁体组件被称为是由内至外的定子-转子组件(即，由内至外为定子-转子)的构件。
在一个实施例中，转子本身不是磁灵敏的(即在磁场的影响下容易受到旋转或平移的控制)，但包括一个或多个附件，其使转子变成磁灵敏的。因而，非磁灵敏的转子可连接到一个或多个磁构件，例如由本发明提供的封装式磁体组件上，其使该转子变成磁灵敏的。在一个实施例中，本发明提供了一种封装式磁体组件，其是“轴向”的定子-转子组件的构件。在这样一个实施例中，封装式磁体组件和其磁影响(magnetic compliment)相对于转子的轴线以非平行的方式，例如与转子的轴线正交的方式布置。在一个实施例中，转子包括沿着转子轴线成正交地布置并连接在转子上的一个或多个封装式磁体组件，例如在包括第一封装式磁体组件和第二固定的封装式磁体组件的磁推力轴承中的封装式磁体组件，其中第一封装式磁体组件是永磁体，该永磁体设置为是连接在转子上的环状物，其中转子位于其旋转轴线的中心，第二固定的封装式磁体组件用作相对于转子成正交地布置并且与第一封装式磁体组件平行的定子。在上面的示例中，第一封装式磁体组件举例说明了控制转子沿着转子轴线的平移的第二固定的封装式磁体组件的磁影响，并用作轴向的定子-转子组件的一个示例。
在一个实施例中，本发明提供了一种磁轴承，其包括本发明的一个或多个封装式磁体组件。例如上述磁推力轴承，或包括封装式磁体组件的磁轴承，其外壳设置为是由非磁性材料制成的套筒(套筒外壳)。套筒外壳设置为可与转子轴相联接，套筒外壳限定了内部空腔和孔。套筒外壳包括设置在内部空腔中并靠近孔的磁体。外壳盖气密地密封住孔，该外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中第一部分固定地连接在第二部分上，其中连接点经过热处理，并且套筒外壳固定地连接在外壳盖的第二部分上。设置在内部空腔中的磁体可以是电磁体或永磁体。
如提到的那样，本发明还提供了一种形成封装式磁体组件的工艺，该工艺包括：将外壳盖的非磁性材料所形成的第二部分焊接到外壳盖的由磁性材料形成的第一部分上，以便提供一种焊接的外壳盖，并接下来在可有效地消除焊缝应力的温度下对焊接的外壳盖进行热处理；将磁体设置在外壳中，该外壳包括至少一个由非磁性材料形成的壁，并且限定了至少一个孔；并将热处理后的焊接的外壳盖焊接到外壳上，使得外壳盖的第二部分固定地连接在外壳壁上，从而气密地密封住孔。
本领域中已经阅读过本公开的普通技术人员应该懂得，该磁体可以是永磁体或和电磁体。由本发明提供的工艺的一个显著的优点在于，设置在外壳中的热敏性永磁体或电磁体不需要暴露于消除焊缝应力所需要的高温下。
参照图4，该图示意性地显示了由本发明提供的用于制造一个或多个封装式磁体组件的工艺。该工艺150包括，在接口156处将外壳盖的第二部分152焊接到外壳盖154的第一部分上。通过在将任何热敏构件设置于外壳盖上或其附近之前形成包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分的复合外壳盖，则NACE遵从性焊缝可通过将焊接的复合物暴露于焊接后热处理程序中而形成，该热处理程序确保了焊缝区域和所有热影响区域的低硬度(低于HRC33)。焊缝可通过本领域中的任何焊接工艺来形成，其容许进行焊接后热处理，使得由于非相似材料的焊接而引起的焊缝应力得以消除。在一个实施例中，在接口156的区域中实现了小于HRC33的硬度。典型的焊接工艺包括气焊电子束和借助填料的电子束、激光焊接、TIG焊接、MIG焊接、电弧焊接、吹管焊接和包括至少其中一个前述工艺的组合。
在图4所示的一个或多个实施例中，外壳盖包括第一部分部段154和第二部分部段152，其中第二部分152于接口156处连接到第一部分154的边缘上，该接口156限定了第一部分154的周边。如提到的那样，第一部分154由磁性材料制成，并且第二部分152由非磁性材料制成。在一个实施例中，非磁性材料是超级合金钢，其焊接在包括17-4PH磁性钢类型的第一部分154上。在一个实施例中，第二部分由包括镍基合金的非磁性超级合金钢制成，该镍基合金包括基于该镍基合金的总重量的40-70％的镍。在另一实施例中，第二部分由包括商业上可从因科镍合金国际(Inco Alloys International)公司得到的因科镍合金
Figure BSA00000606729800171
(Inconel
Figure BSA00000606729800172
)的镍基合金制成，其包括大约58wt％的镍、大约21.5wt％的铬、和大约9wt％的钼以及大约5wt％的铁。外壳盖可经过热处理以便在接口156处形成NACE遵从性焊缝，其中该外壳盖包括这种第一部分，其焊接到这种第二部分上。
合适的焊接后热处理工艺是根据NACE MR0175的一种双时效硬化工艺，包括其中一个以下热循环：1)在1040±14℃下进行固溶退火并用空气冷却或液体淬火至32℃以下；之后在620±14℃的温度下进行第一沉淀硬化循环至少4小时，并用空气冷却或液体淬火至32℃以下；之后在620±14℃的温度下进行第二沉淀硬化循环至少4小时，并用空气冷却或液体淬火至32℃以下；或者2)在1040±14℃下进行固溶退火并用空气冷却或液体淬火至32℃以下；之后在760±14℃的温度下进行第一沉淀硬化循环至少4小时，并用空气冷却或液体淬火至32℃以下；之后在620±14℃的温度下进行第二沉淀硬化循环至少2小时，并用空气冷却或液体淬火至32℃以下。
在一个实施例中，由本发明提供的封装式磁体组件包括设置在外壳中的电磁体。因而在图4所示的一个实施例中，电磁体是定子，其包括定子构件，例如定子框架160，其包括安置在导电绕组162中、并连接在热处理后的焊接的外壳盖上的磁性定子叠片158，该外壳盖包括磁性部分154和非磁性部分152。外壳可通过在接口166处将外壳壁164彼此焊接在一起而进行组装，从而完成限定了孔的外壳，该孔在形状上与外壳盖是互补的。外壳壁164由用于外壳盖的第二部分152中的相同或相似的非磁性材料(例如非磁性钢)形成，例如上面提到的InconelTM 625超级合金钢。外壳盖与孔相接合，使得外壳盖的第二部分152可于接口166处焊接到外壳壁164上，从而气密地密封住孔。因为外壳壁164和外壳盖第二部分152由相同或相似的材料制成，所以接口166处的焊缝在焊接时就是NACE遵从性的，并且不需要焊接后热处理以实现NACE遵从性。因而，NACE遵从性的封装式定子可在不使内部定子电气构件遭遇损害性的热水平的条件下进行装配。
在本发明所提供的封装式磁体组件包括电磁体的情况下，如图4所示的实施例中那样，电源线和仪器导线可连接在外壳中的电磁体构件上，并通过穿越其中一个或多个外壳壁的电导线(图4中未显示)而与定位在外壳外面的电源线和仪器单元相连通。为了提供最大的防腐蚀保护，可将这些电源线和仪器导线的暴露部分制成是NACE遵从性的。因而，与设置在外壳中的电磁体保持电连通的电源线和仪器导线可包括导线套筒，其包括包围导电材料的非磁性的耐腐蚀合金。NACE遵从性材料(例如因科镍合金)可用作合适的导线套筒材料。导线套筒封闭了电导线，其利用例如绝缘的陶瓷材料如氧化镁(MgO)进行隔离，氧化镁在加压条件下提供了优秀的电绝缘能力。
以下示例落在上述更一般地描述的方法的范围内，并且用于举例说明该更一般地描述的方法。这些示例只是出于举例说明的目的而展示的，并不意图限制本发明的范围。
示例1
在这个示例中，单独的金属样本是粉末，其被覆有ScotchkoteTM6258热固性环氧树脂作为屏障涂层，并被热固化至300微米至327微米的厚度。该部件在应用粉末之前被预热至150℃至246℃的温度。然后将粉末在177℃下固化30分钟。这些样本在高压釜中利用工艺气体进行测试，以确定涂层在酸气环境中的适应性。一系列测试被执行，其中天然气中的硫化氢的水平从6,000ppm(百万分之一)变化至20,000ppm，并且湿气的水平从50ppm水变化至饱和。样本还暴露于30℃至130℃的变化的温度下。
在暴露于硫化氢和低于79℃温度的水中的样本中，没有观测到腐蚀迹象。
示例2
在这个示例中，小型转子(2-3英寸外径的数量级)被覆有ScotchkoteTM 134粉末。转子在应用粉末之前被预热至150℃至246℃的温度。然后在177℃下将粉末固化30分钟以形成300微米至327微米的厚度。这些样本也在高压釜中利用工艺气体进行测试，以确定涂层在酸气环境中的适应性。
样本显示，当暴露于高水平的硫化氢(6000至20,000ppm)、(50ppm至饱和)的水和80℃下时，没有腐蚀迹象。
示例3
在这个示例中，两个全尺寸生产转子被覆有178微米至406微米(7密耳至16密耳)厚度的SermalonTM。它们在生产条件下的油田中进行测试并得以通过测试。这些生产转子在现场安装，并且涂层承受了腐蚀性工作气体环境超过2,000个小时，并且防止酸气对底下的金属构件的腐蚀。样本显示没有腐蚀迹象。
示例4
在这个示例中，对代表备用轴承座圈的Cronidur 30的样本执行NACE环境测试。该材料按照NACE TM0177方案A在代表备用轴承座圈的应力水平下通过了标准720小时的验证环形试验(proof ringtests)，而没有腐蚀迹象。
示例5
在这个示例中，对代表备用轴承坐落套筒的Haynes 6-B的样本执行NACE环境测试。该材料按照NACE TM0177方案A在代表备用轴承坐落套筒的应力水平下通过了标准720小时的验证环形试验，而没有腐蚀迹象。
示例6
在这个示例中，对代表定子罐焊缝的因科镍合金625和17-4PH的焊缝样本执行NACE环境测试。该材料按照NACE TM0177方案A在代表定子罐的应力水平下通过了标准720小时的验证环形试验，而在焊缝中没有腐蚀迹象。
上述各种实施例的组合显示，磁轴承对于例如酸气环境中可能遭遇的腐蚀性元素具有优良的耐性。
除非上下文中明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”包括复数形式的所指对象。指向相同特征或组分的所有范围的端点都是可以独立组合的，并且包含所指端点。
本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还可使本领域中的技术人员实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所含方法。本发明的可专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不异于权利要求字面语言的结构要素，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等同结构要素，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种封装式磁体组件，包括：
(a)设置在外壳中的磁体，所述外壳包括至少一个壁，并限定了至少一个孔；和
(b)外壳盖；
所述外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中所述外壳盖设置为用以气密地密封所述孔，所述第一部分固定地连接在所述第二部分上，其中连接点经过热处理；且
其中，所述外壳壁由非磁性材料形成，并且固定地连接在所述外壳盖的第二部分上。
2.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述磁体是永磁体。
3.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述磁体是电磁体。
4.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件设置为旋转的封装式磁体组件。
5.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件设置为非旋转的封装式磁体组件。
6.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是由外至内的定子-转子组件的构件。
7.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是由内至外的定子-转子组件的构件。
8.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是轴向的定子-转子组件的构件。
9.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述第一部分的磁性材料包括沉淀硬化的马氏体不锈钢，其包含基于该沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量的10-20wt％的铬。
10.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述非磁性材料包括镍基合金，该镍基合金包含基于该镍基合金的总重量的40-70wt％的镍。
11.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是定子，该定子包括连接在所述外壳壁上的定子框架，以及安置在与所述外壳盖的第一部分保持磁连通的导电绕组中的磁性定子叠片。
12.根据权利要求1所述的封装式磁体组件，其特征在于，还包括与设置在所述外壳中的电磁体保持电连通的电源线和仪器导线，其中所述导线包括包围导电材料的非磁性的耐腐蚀合金。
13.一种磁轴承，其包括根据权利要求1所述的封装式磁体组件。
14.一种封装式磁体组件，包括：
(a)设置在外壳中的电磁体，所述外壳包括至少一个壁，并限定了至少一个孔；和
(b)外壳盖；
所述外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中所述外壳盖设置为用以气密地密封所述孔，所述第一部分固定地连接在所述第二部分上，其中连接点经过热处理；且
其中，所述外壳壁由非磁性材料形成，并且固定地连接在所述外壳盖的第二部分上。
15.一种磁轴承，其包括根据权利要求14所述的封装式磁体组件。
16.根据权利要求14所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件设置为旋转的封装式磁体组件。
17.根据权利要求14所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件设置为非旋转的封装式磁体组件。
18.根据权利要求14所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是由外至内的定子-转子组件的构件。
19.根据权利要求14所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是由内至外的定子-转子组件的构件。
20.根据权利要求14所述的封装式磁体组件，其特征在于，所述封装式磁体组件是轴向的定子-转子组件的构件。
21.一种封装式磁体组件，包括：
(a)设置在外壳中的永磁体，所述外壳包括至少一个壁，并限定了至少一个孔；和
(b)外壳盖；
所述外壳盖包括由磁性材料制成的第一部分和由非磁性材料制成的第二部分，其中所述外壳盖设置为用以气密地密封所述孔，所述第一部分固定地连接在所述第二部分上，其中连接点经过热处理；且
其中，所述外壳壁由非磁性材料形成，并且固定地连接在所述外壳盖的第二部分上。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103758766A (zh) * 2012-06-22 2014-04-30 Skf磁性机械技术公司 紧凑型电动离心压缩机
CN105370411A (zh) * 2014-08-15 2016-03-02 通用电气公司 具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系
CN105370410A (zh) * 2014-08-15 2016-03-02 通用电气公司 具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2975147B1 (fr) * 2011-05-13 2014-04-25 Mecanique Magnetique Sa Palier magnetique actif chemise resistant a la corrosion
ITCO20120033A1 (it) * 2012-06-19 2013-12-20 Nuovo Pignone Srl Assieme magnetico incapsulato, metodo per spurgare un meato macchina rotante e impianto petrolifero / gassifero
US9169847B2 (en) 2012-07-16 2015-10-27 Solar Turbines Incorporated Auxiliary bearing landing guard
NO2746606T3 (zh) * 2012-12-21 2018-09-01
EP2746607B1 (en) * 2012-12-21 2017-07-26 Nuovo Pignone S.r.l. Jacketed magnetic bearing and rotary machine comprising such a bearing
WO2014117011A1 (en) 2013-01-25 2014-07-31 Trane International Inc. Pressure nitrided stainless steel hybrid bearing for a refrigerant lubricated compressor
WO2017066194A1 (en) 2015-10-11 2017-04-20 Renesas Electronics America Inc. Data driven embedded application building and configuration
WO2020090520A1 (ja) * 2018-10-31 2020-05-07 Ntn株式会社 軸受装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3789250A (en) * 1972-02-04 1974-01-29 Ford Motor Co Permanent magnet dynamoelectric machine
FR2589646B1 (fr) * 1985-10-30 1987-12-11 Alsthom Machine synchrone a enroulements stator et rotor supraconducteurs
US4769624A (en) * 1986-10-30 1988-09-06 General Motors Corporation Permanent magnet assembly
US6310414B1 (en) * 1994-06-21 2001-10-30 Rotoflow Corporation Shaft bearing system
US5698917A (en) * 1995-09-25 1997-12-16 Glacier Rpb Inc. Electromagnetic bearing with a stationary armature canning arrangement
US7224096B2 (en) * 1997-10-16 2007-05-29 Honeywell International Inc. Rotatable assemblies having chemically bonded lamination stacks
JP3927327B2 (ja) * 1998-11-06 2007-06-06 株式会社小松製作所 ハロゲンガスを含むガスレーザ装置
US6198803B1 (en) * 1999-08-20 2001-03-06 General Electric Company Bearing assembly including rotating element and magnetic bearings
JP2001182746A (ja) * 1999-12-27 2001-07-06 Ebara Corp 磁気軸受装置
AU5735101A (en) * 2000-04-28 2001-11-12 Elliott Turbo Welding method, filler metal composition and article made therefrom
US7030847B2 (en) * 2000-11-07 2006-04-18 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Light emitting device and electronic device
US6648167B1 (en) * 2001-02-14 2003-11-18 Sermatech International, Inc. Ducting passages for a polymeric lining
US6553773B2 (en) * 2001-05-15 2003-04-29 General Electric Company Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding
EP1696041A1 (en) * 2005-02-28 2006-08-30 Fujikoki Corporation Method of manufacturing an assembled body of a plurality of members, manufacturing method of electromagnetic control valve, and control valve for variable capacity compressor
FR2897911B1 (fr) * 2006-02-27 2009-03-27 Mecanique Magnetique Sa Soc D Palier magnetique actif chemise
US7847454B2 (en) * 2007-03-08 2010-12-07 General Electric Company Encapsulated stator assembly and process for making
US20080218008A1 (en) * 2007-03-08 2008-09-11 General Electric Company Rotor and Stator Assemblies that Utilize Magnetic Bearings for Use in Corrosive Environments

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103758766A (zh) * 2012-06-22 2014-04-30 Skf磁性机械技术公司 紧凑型电动离心压缩机
CN105370411A (zh) * 2014-08-15 2016-03-02 通用电气公司 具有低损耗润滑剂轴承和低密度材料的动力系体系
CN105370410A (zh) * 2014-08-15 2016-03-02 通用电气公司 具有混合型低损耗轴承和低密度材料的动力系架构

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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