CN104214215B - 着陆轴承和磁轴承组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在磁轴承组件中的着陆轴承，该着陆轴承(16a，18a)包括第一着陆表面(20，20a，20b)和第二着陆表面(22，22a，22b)，其中第二着陆表面(22，22a，22b)被设置成面向第一着陆表面(20，20a，20b)。提出第一着陆表面(20，20a，20b)和第二着陆表面(22，22a，22b)中的至少一个具有用于填充润滑剂(28)的多孔结构层(24)。

Description

着陆轴承和磁轴承组件
技术领域
本发明涉及一种用在磁轴承组件中的着陆轴承(landing bearing)和包含根据本发明的着陆轴承的磁轴承组件。
背景技术
已知可采用磁轴承来在正常操作下通过使用磁悬浮将转子或轴保持在定子内的中心径向位置而不会使得转子和定子之间机械接触。磁轴承包括由适合电路电驱动的电磁铁以伺服控制定子中转子的径向位置。
转子径向保持在定子内的效果由电磁铁传递的力所决定，这就需要以充足的电能对电磁铁进行稳定的供电。
如果供给电磁铁的电能发生中断或者如果对磁轴承所支承的轴或转子突然施加大的径向或轴向力，轴承将不再能够将转子固定在中心并且将发生“着陆(landing)”状态，在该状态下，转子从被保持在无机械接触的状态变化到被保持在有机械接触的状态。
在该着陆过程中，转子将与定子接触。由于转子或轴在通常情况下高速旋转，例如，以大于30,000转每分钟(rpm)的速度旋转，这样的接触将导致包含该磁轴承的设备损坏。
为了解决该问题，磁轴承已经安装有着陆用的副机械轴承，其通常被称作着陆轴承。
由于磁轴承通常以非常高的速度运行，因此紧急停运(滑动)的功率通常很高。该高停运功率需要着陆轴承具有很高的耐磨性和很小的摩擦力。由于空间的限制和成本的原因，滑动平面轴承(sliding plain bearings)要优于滚动轴承，特别是对于小型磁悬浮轴承系统而言。
为滑动轴承提供液压润滑的油润滑需要较大的空间和昂贵的密封系统。由于滑动轴承的协调接触，油脂将被推出，从而难以对油脂润滑进行密封。为了克服高滑动功率的损害，例如类金刚石(DLC)的先进涂层已被推荐用来对平面轴承的内环或轴套进行涂敷，然而这大大增加了着陆轴承的成本。
发明内容
本发明试图通过提供一种耐久性高、同时能避免润滑剂泄漏的着陆轴承来解决上述问题。
本发明涉及一种用在磁轴承组件中的着陆轴承，着陆轴承包括优选为形成在安装在轴上的轴套上的第一着陆表面和优选为形成在与着陆轴套同轴地安装在壳体中或定子中的衬套上的第二着陆表面。第二着陆表面被设置为面向第一着陆表面。
作为对在轴套或衬套上提供涂层着陆表面的替代，涂层可以直接涂敷在转子和/或壳体上。
提出第一着陆表面和第二着陆表面的至少一个涂敷有多孔结构层。着陆轴承可以是径向轴承或轴向轴承或组合了彼此成一角度设置的两个或多个着陆表面的径向-轴向轴承。表面可以位于轴承环的一个部件或两个部件上。为了便于制造，具有多孔结构层或多孔结构涂层的着陆表面优选是第一着陆表面，即，着陆衬套的一个表面。多孔结构层可吸收润滑剂的基础油并避免泄漏。
可选的，第一着陆表面和第二着陆表面的至少一个具有至少一个凹部，至少一个凹部用于接收和容纳压出的多孔结构层的润滑剂。着陆表面的凹部能够长时间的保留住润滑剂并同时防止泄漏。其结果是，能够通过简单的方式实现在可磨坏前支持数十个停止过程的低成本的着陆轴承。
如果多孔结构层与凹部位于同一着陆表面，则对基础油的吸收将尤其有效。
优选的，衬套由最低表面硬度为40HRC、优选大于52HRC的淬火钢制成。此外，提出着陆轴套由淬火钢制成，其可以特别地比用于衬套的钢更硬，具有的最低表面硬度为50HRC，优选大于56HRC。为了节省成本，优选可对轴套和衬套采用相同的钢材。
当多孔结构层的孔大小为0.001至2μm，孔密度为1至20％和/或层厚度为0.5至20μm时，可以实现充分的和可靠的效果。更大的孔、更高的孔密度和/或更大的层厚度可导致多孔结构层的失稳和不足的机械强度，而低于上述范围的值会导致吸收润滑剂的能力不足。
优选的，多孔结构层的孔大小为0.1至1μm，孔密度为5至10％和/或层厚度为3至7μm。
此外还提出多孔结构层包括锰磷酸盐、锌-钙磷酸盐和黑色氧化物中的至少一种。锰磷酸盐的孔密度更大、层厚度更厚，但是比黑色氧化物相对要软。因此，锰磷酸盐是长持久时间而软着陆的优先选择。黑色氧化物的孔密度更低、层厚度更小、但是硬度更高。因此，黑色氧化物对于硬着陆而短持久时间来说是优先选择。锌磷酸盐比其他两种涂层更软，比锰磷酸盐更薄，但是比黑色氧化物更厚。其可用于中等着陆情况。
在制造工艺简单的本发明的优选实施例中，采用化学转换工艺优选在80至140℃的温度下涂敷多孔结构层。
也可使用如等离子体沉积、PVD或CVD方法来涂敷其他可能的涂层。
当凹部的深度处于0.1至5mm的范围内时可以达到充分和可靠的效果。优选的，凹部的深度在0.25至1mm的范围内，其为润滑剂创造出充足的容积并同时避免了对大厚料或轴套或衬套的需求。
当凹部的宽度处于0.1至10mm的范围内时可以达到充分和可靠的效果，其为润滑剂创造出充足的容积并同时避免位于凹部对面的表面严重变形。优选的，凹部的宽度在0.5至3mm的范围内。更宽的凹部导致压力下更显著的变形，并从而导致凹部边缘出的磨损加重。此外，该范围易于在实际中进行制造。
在优选凹部的宽度与凹部的体积之间的比值较小的实施例中，凹部形成为槽。优选的，凹部形成为多个槽中的一个，多个槽形成为平行或交叉的直线或曲线。
在本发明的替换实施例中，凹部可形成为多个离散凹坑中的一个。与槽相比，凹坑可降低润滑剂泄漏的风险并提供更好的液压润滑效果。
还提出凹部形成为多个离散凹部中的一个，其中凹部表面积的密度为整个表面积的1至40％，优选为5-20％。这确保了在除凹部之外的表面部分具有充分的支撑并能同时为润滑剂提供充足的容积。较低的密度将具有有限的润滑效果。较高的密度将减少固-固接触表面、增大接触压力并减少载荷能力，如增大磨损和降低使用寿命。
还提出拒油涂层被涂敷在具有多孔结构层的着陆表面的至少一个边缘部分上。优选的，拒油涂层的表面能量低于0.028N/m，优选低于0.015N/m。润滑油(或润滑脂的基础油)的表面能量处于30至35N/m的范围内。拒油涂层的表面张力应当比油的表面张力低。
还提出从具有至少一个凹部的表面的凹部部分之外的部分去除润滑剂。这可防止润滑剂的无意泄漏，而在凹部外很难对其进行控制。
在优选实施例中，润滑剂为具有基础油的润滑脂，运动粘度(测量方法ASTMD7279-08，ASTM D445)在40℃大于60cSt(mm2/s)，优选大于90cSt，并且由国家润滑脂协会(NLGI)建立的润滑脂标准分类所规定的浓度为NLGI2或更高。
当润滑剂含有至少一种减磨添加剂和/或当润滑剂含有至少一种极压(EP)添加剂时，可以进一步延长轴承的使用寿命。
当润滑剂含有具有PTFE增稠剂的真空润滑脂时，可以将装置应用到真空应用中。
当润滑剂含有优选粘度值在40℃高于200cSt的更大粘度的基础油时，对于绝大部分应用来说可以安全的避免泄漏。
对于真空应用而言，提出润滑剂的基础油的蒸汽压在25℃低于10-9托、优选为低于10-12托，如PFPE油。
作为使用润滑脂的替代，润滑剂可以是润滑油，特别是粘度大于60cSt、优选大于90cSt，并且浓度为NLGI2或更高的润滑油。为了使得轴承能够在真空应用中使用，提出润滑剂为优选为在40℃粘度高于200cSt的高粘度真空油。
当与具有多孔结构层的着陆表面相对的着陆表面具有憎油涂层时，能够进一步减少泄漏并且可以避免在初始运行阶段后润滑剂发生粘附。
本发明的另一方面涉及包含至少一个上述种类的着陆轴承的磁轴承。优选的，磁轴承包括至少一个径向着陆轴承和至少一个径向-轴向着陆轴承。
上述本发明的描述以及所附的权利要求、附图和下文对优选实施例的描述示出了特定组合下本发明的多个特征。本领域技术人员能够容易地想到这些特征的进一步的组合或子组合以使得在权利要求中所限定的本发明与他或她的特定需要相适应。
附图说明
图1是根据本发明的包含两个着陆轴承的磁轴承的示意图；
图2是根据本发明第一实施例的图1中一个着陆轴承的轴套的着陆表面的截面图；
图3是根据本发明第二实施例的着陆轴承的着陆表面的截面图；
图4是根据本发明第三实施例的着陆轴承的着陆表面的截面图；
图5是可进一步应用到图1-4中实施例的根据本发明第四实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图6是可进一步应用到图1-4中实施例的根据本发明第五实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图7是可进一步应用到图1-4中实施例的根据本发明第六实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图8是根据本发明第七实施例的着陆轴承的着陆表面的截面图；
图9是根据本发明第八实施例的着陆轴承的着陆表面的截面图；
图10是根据本发明第九实施例的着陆轴承的着陆表面的截面图；
图11是可进一步用于图8-10中实施例的根据本发明第十实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图12是可进一步用于图8-10中实施例的根据本发明第十一实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图13是可进一步用于图8-10中实施例的根据本发明第十二实施例的着陆轴承的着陆表面的顶部视图；
图14示出了本发明的另一实施例，其中着陆表面为转子轴的涂层表面；以及
图15示出了本发明的又一实施例，其中着陆表面为壳体的涂层表面。
具体实施方式
图1是包含有安装在壳体15中的定子10和安装在轴14上的转子12、第一着陆轴承16和第二着陆轴承18的磁轴承。
第一着陆轴承16作为径向/轴向着陆轴承并包括安装在轴14上的轴套16a和安装在载有定子10(未示出)的壳体15中的衬套16b。轴套16a和衬套16b均分别包括径向着陆表面20a，22a和轴向着陆表面20b，22b，两个轴向着陆表面20b，22b面向另一个径向着陆表面20a，22a，其中，当磁轴承处于磁悬浮状态时，在面向彼此的表面之间具有一个小的间隙。
当磁轴承故障时，如，当电流中断或者当对磁轴承产生强的冲击时，面向彼此的着陆表面将逐渐接触。当电源中断时，着陆轴承16，18将支承以每分钟数万转高速旋转的轴10，并且轴套16a，18a与衬套16b，18b之间的摩擦将使得旋转减速并最终停止。
根据应用的领域，着陆轴承不得不在磨坏之前支持至少数个这样的停止过程。
基本上上述情况同样适用于第二着陆轴承18，但是，其形成为具有轴套18a的径向着陆表面20和衬套18b的相应径向着陆表面22的仅径向的着陆轴承。
本发明涉及着陆表面20，20a，20b，22，22a，22b的具体结构。下面的说明描述了作为示例的着陆表面20的结构。然而，该结构也可应用于着陆表面中的任意一个、多个着陆表面或者上述所有着陆表面。在优选实施例中，轴套16a，18a的着陆表面20，20a，20b具有该结构并且分别相对的着陆表面可形成为可任选地涂敷有憎油涂层的不锈钢表面，憎油涂层可避免在初始运行阶段粘附油脂。
图2是根据本发明第一实施例的轴套16a的着陆表面20的截面图。
轴套16a由表面硬度为56HRC或以上的淬火钢制成，轴套16a的着陆表面20涂有多孔结构层24，其通过化学转换过程在80和140℃之间的温度下施加，在本示例中其被选择为黑色氧化物涂层，但是其也可以是锰磷酸盐或锌-钙磷酸盐涂层。得到的孔的大小为约0.5μm，孔密度为大约7％。多孔结构层的厚度为5μm。注意图1中的厚度经过了强烈地夸大以使得多孔结构层24可以被看到。
衬套18b，16b的淬火钢可具有低于轴套16a，18a的钢的表面硬度。
如图2中所示，轴套18a的着陆表面20具有规律图案的凹部26，凹部26为具有基本矩形断面的槽，槽深0.7mm、宽2mm。
凹部26和多孔结构层24中的孔中完全填充了如油脂或润滑油的润滑剂28或润滑剂的基础油。所选择的润滑剂取决于应用的领域，但是应当是在40℃具有高于60cSt(mm2/秒)、优选高于90cSt或者由国家润滑脂协会(NLGI)建立的润滑脂标准分类所规定的浓度为NLGI2或更高的高粘度润滑剂。可以采用PTFE增稠剂来进一步增大粘度，并且所选择的润滑剂可具有减磨或极压添加剂。对于真空应用来说，应当选择具有在25℃时蒸汽压低于10-9托、优选为低于10-12托的基础油的润滑剂。真空润滑脂或真空油的粘度应当优选为在40℃大于200cSt。
说明书的下述部分涉及本发明的进一步的实施例，其中为了突出相似之处，采用相同的附图标记来表示具有相同功能的特征。描述限于图1和2中实施例的不同之处并且未涉及没有变化的重复特征。对于在后的特征，读者应当参考上文对图1和2的描述。
图3是根据本发明第二实施例的轴套18a的径向着陆表面20的截面图，其中形成凹部26的槽的剖面为梯形。
图4是轴套18a的着陆表面20的截面图，其中形成凹部26的槽具有半圆形的截面。
图5是显示为平铺、展开表面的轴套18b的着陆表面20的顶部视图，其中图示出形成凹部26的槽沿轴套18a的圆周方向平行排列。
图6是本发明第五实施例的顶部视图，其中凹部26形成为排列成规则网格图案的离散凹坑。
图7是本发明第六实施例的顶部视图，其中凹部26形成为多个槽，其中第一组相互平行的槽与第二组相互平行的槽直角相交，从而形成矩形的网格图案。不言而喻的是，也可以将彼此相交的槽之间的角度选择为不同于90°。
图5-7的顶部视图可与图2-4的各实施例结合。
图8是根据本发明第七实施例的轴套18a的着陆表面20的截面图，其中凹部26形成为与图2剖面对应的具有矩形剖面的槽，其中，除了图2的特征之外，还沿轴套18a的轴向外边沿设置了两条拒油涂层30。
在图8的实施例中，拒油涂层30被涂敷在多孔结构层24的顶部。在本发明的可选实施例中，拒油涂层可以被直接涂敷在轴套18a的不锈钢表面上。
拒油涂层30具有对于润滑剂28的基础油而言低于0.015N/m的表面能。
图9和10是基本与图3和4的实施例相对应的根据本发明第八和第九实施例的截面图，其中仅仅是在轴套18a的侧边上增加了拒油涂层30。
图11到13对应于图5到7的实施例，其中仅仅是在轴套18a的侧边上增加了拒油涂层30。
在上文所述的各个实施例中，当衬套18b在着陆过程中按压轴套18a时，润滑剂28被从多孔结构层24的孔中压出并对轴承进行润滑。在初始安装时，多余的润滑剂被从多孔结构层的上表面去除。在着陆轴承18的着陆操作过程中，另外的润滑剂可取自凹部26或者可流入凹部。在图8到13的实施例中润滑剂28或基础油通过条状拒油涂层30在着陆轴承18的外侧轴向流动从而可靠防止了润滑剂28的泄漏并同时确保了良好的润滑性能。轴套16b，18b的着陆表面22，22a和22b上的憎油涂层防止在停止过程后或初始运行阶段之后粘附润滑剂28。
图11至13的顶部视图可与图8至10的各实施例结合。
图14示出了本发明的另一实施例，其中着陆表面20为转子轴14的涂层表面。着陆轴承18不包括单独的轴套。着陆轴承18的内环相反与转子轴14一体形成，其直接涂敷有多孔结构层24。着陆表面20的具体结构可以是图2-13中示出的任意一种结构。
图15示出了本发明的又一实施例，其中着陆表面为壳体15的涂层径向内表面。着陆轴承18不包括单独的轴套。着陆轴承18的外环相反与壳体15一体形成，其直接涂敷有多孔结构层24。壳体15的着陆表面22的具体结构可以是图2-13中示出的任意一种结构。

Claims (13)

1.一种用在磁轴承组件中的着陆轴承，该着陆轴承包括：
a.第一着陆表面(20，20a，20b)；
b.第二着陆表面(22，22a，22b)，其中该第二着陆表面(22，22a，22b)被设置成面向该第一着陆表面(20，20a，20b)；
其特征在于：
c.该第一着陆表面(20，20a，20b)和该第二着陆表面(22，22a，22b)中的一个涂敷有多孔结构层(24)，该多孔结构层(24)包含适于填充有润滑剂(28)的孔；
该多孔结构层(24)的孔大小为0.001至2μm，孔密度为1至20％，和/或层厚度为0.5至20μm；
该第一着陆表面(20，20a，20b)和该第二着陆表面(22，22a，22b)中的另一个用憎油涂层涂覆以防止在停止过程后或初始运行阶段之后粘附润滑剂；
该第一着陆表面(20，20a，20b)和该第二着陆表面(22，22a，22b)中的所述一个为该磁轴承的壳体(15)或转子轴(14)直接涂敷有多孔结构层(24)的表面。
2.根据权利要求1所述的着陆轴承，进一步包括被配置为安装在该转子轴(14)上的着陆轴套(16a，18a)，其中该第一着陆表面(20，20a，20b)为该着陆轴套(16a，18a)的表面。
3.根据权利要求2所述的着陆轴承，进一步包括被配置为与该着陆轴套(16a，18a)同轴安装在壳体(15)中或定子(10)中的衬套(16b，18b)，其中该第二着陆表面(22，22a，22b)为该衬套(16b，18b)的表面。
4.根据前述权利要求1所述的着陆轴承，其中该多孔结构层(24)包括锰磷酸盐、锌-钙磷酸盐和黑色氧化物中的至少一种。
5.根据前述权利要求1所述的着陆轴承，其中该第一着陆表面(20，20a，20b)和该第二着陆表面(22，22a，22b)中的至少一个具有用于容纳润滑剂(28)的至少一个凹部(26)。
6.根据权利要求5所述的着陆轴承，其中该凹部(26)具有0.5至3mm范围内的宽度。
7.根据权利要求5-6之一所述的着陆轴承，其中该凹部(26)形成为多个槽中的一个槽，多个槽形成为平行或交叉的直线或曲线。
8.根据权利要求5-6之一所述的着陆轴承，其中该凹部(26)形成为多个离散凹坑中的一个。
9.根据权利要求5所述的着陆轴承，其中该凹部(26)形成为多个凹部中的一个，其中凹部表面积的密度为整个表面积的5-20％。
10.根据前述权利要求1所述的着陆轴承，其中拒油涂层(30)被涂敷在具有该多孔结构层(24)的该着陆表面(20，20a，20b，22，22a，22b)的至少一个边缘部分上。
11.根据前述权利要求1所述的着陆轴承，其中与具有该多孔结构层(24)的该第一着陆表面(20，20a，20b)相对的该第二着陆表面(22，22a，22b)具有憎油涂层。
12.根据前述权利要求1所述的着陆轴承，其中具有该多孔结构层(24)的该着陆表面为位于该着陆轴套(16a)上的该第一着陆表面(20，20a，20b)。
13.一种磁轴承组件，包括如前述权利要求之一所述的至少一个着陆轴承。
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