CN104279236A - 用于磁悬浮转子系统的辅助轴承 - Google Patents

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Abstract

一种组件，包括相对于固定外壳(16)通过至少一个主动磁性轴承(12)和至少一个辅助轴承(18)支撑的旋转轴(10)，主动磁性轴承(12)存在平均径向气隙(E1)，辅助轴承(18)包括一方面固定到外壳(16)的衬套(21)和另一面固定到旋转轴(10)的套筒(20)。衬套(21)和套筒(20)具有定义小于所述平均径向气隙(E1)的间隙(E2)的相对表面(24、23)。衬套(21)和套筒(20)的每个围绕轴(10)的纵轴呈现出对称，而在包括所述纵轴的纵向截面内具有不同形状，以当旋转轴(10)落在辅助轴承上时优化接触压力分布。

Description

用于磁悬浮转子系统的辅助轴承
技术领域
本发明涉及用于磁悬浮转子系统的辅助轴承和涉及包含这种辅助轴承的磁悬浮。
背景技术
磁性轴承运行没有机械摩擦，但是需要持续供给电力。在动力失效的情况中，轴需要通过所谓的辅助轴承支撑，辅助轴承还称作着陆轴承、应急轴承或备用轴承。
装备有主动磁性轴承的旋转机械包括机械辅助轴承，辅助轴承用于如果一个磁性轴承过载或如果电气或电动控制电路失效或其他故障或悬浮过载的情况。
辅助装置提供机械冗余并且需要正确的界定和定义尺寸以便充分保证机械不被损坏并且一旦过载或伺服控制失效消失设备可以立刻恢复。
一般地干润滑或套筒衬套组合(平滑环)的滚动元件轴承可以被用于构建辅助轴承。
更特别地是使用滚动元件轴承的辅助轴承可以使用陶瓷滚动元件轴承。然而这种轴承费用高昂而且需要很大的空间。
辅助滑动轴承具有平滑表面，特别是使用套筒衬套组合的辅助轴承具有各种各样的缺点。特别地，通常套筒具有负载不足的承载能力和不能应对高滑动速度。由于磁性轴承的气隙，其不能预测轴是否以轴向对齐衬套中心轴的方式下降。可能发生轴和衬套未对齐而不是同心。这在安装在轴上的套筒的边缘上产生很高的接触压力。因此，通常避免套筒的使用。
安装在磁性轴承上的转子通常呈现非常高的公称转速。在这样的情形下，由于控制或动力供给失效如果发生转子落在辅助轴承上，转子在其旋转速度下存在偏心回旋运动，偏心随后通过辅助轴承的间隙定义。在这种情形下，出现非常高度的不平衡导致轴承的损坏或转子的变形。
图1示出了用于支撑旋转轴10的常规径向磁性轴承12的示例。磁性轴承12包括构成为电磁的定子，并包括铁磁芯14和线圈13。气隙E1定义在定子13、14和轴10外表面外围之间，其构成转子电枢。
套筒衬套型的辅助轴承18包括套筒20，套筒20可以例如为压配合在轴10的直径减小的圆柱部分22上。衬套21安装在外壳16中并且具有固定到外壳16并且相对于套筒20同心设置的圆柱状层。间隙E2定义在衬套21的内圆柱表面24和套筒20的外圆柱表面23之间。
辅助轴承18的相对表面23、24之间的间隙E2可以例如在0.2到0.3毫米之间并且小于磁性轴承12的气隙E1，气隙E1可以例如在0.4到0.6毫米之间。通常间隙E2大约为气隙E1的一半。
在套筒衬套型的常规辅助轴承中，例如辅助轴承18，如图1所示在纵轴截面相对表面23、24定义为直线形状。如上所述，当磁性轴承12失效并且轴10的套筒20落在衬套21上时，如果在下落期间轴与衬套未对齐，套筒的边缘上产生非常高的接触压力。
发明内容
因此需要解决的技术问题是弥补上述缺点，并且特别是在相关磁性轴承失效期间或通过相关磁性轴承支撑的停止运行时，降低套筒以及套筒衬套型辅助轴承的衬套的磨损和损坏。
本发明进一步的目的是即使轴在非常高的旋转速度下旋转让套筒衬套型辅助轴承的使用成为可能。
一般而言本发明的目的是让使用具有平滑表面的滑动轴承成为可能，平滑表面包括可以是与外壳或轴一体成型的或者是与外壳或轴通过衬套或套筒固定在一起的热处理表面。
本发明的另一个目的是提供一种辅助轴承制造的简化方法。
本发明在所附权利要求中限定。
本发明更特别地涉及一种组件，它包括通过存在平均径向气隙(E1)的至少一个主动磁性轴承和至少一个辅助轴承相对于固定外壳支撑的旋转轴，辅助轴承包括一方面与外壳一体成型的第一平滑表面和另一方面与旋转轴一体成型的第二平滑表面，所述第一和第二平滑表面相对并且限定出小于所述平均径向气隙(E1)的间隙(E2)，其特征在于每个所述第一平滑表面和所述第二平滑表面围绕所述轴的纵轴呈现出对称，同时包括所述纵轴在纵向截面中具有不同形状。
根据特定的实施方式，第一表面在所述纵向截面中具有凸起形状，然而第二表面在所述纵向截面中具有凹入形状。
根据另一个实施方式，第一表面在所述纵向截面中具有凹入形状，然而第二表面在所述纵向截面中具有凸起形状。
根据再一个实施方式，第一表面在所述纵向截面中具有凸起形状，然而第二表面在所述纵向截面中具有直线形状。
根据又一个实施方式，第一表面在所述纵向截面中具有直线形状，然而第二表面在所述纵向截面中具有凸起形状。
第一平滑表面可以是直接在外壳上加工的热处理表面。
第二平滑表面可以是直接在旋转轴上加工的热处理表面。
第一平滑表面可以是形成在衬套上的热处理表面，衬套固定安装在外壳上。
第二平滑表面可以是形成在套筒上的热处理表面，套筒固定安装在旋转轴上。
根据特定的实施方式，套筒具有冠状外形。
在这种情况中优选地冠状套筒半径的缩减ΔH通过公式给出：
ΔH＝h*((2*u-1c)/(1a-1c))^exp
h是在套筒形状末端的总下降
u是从套筒中心的点距离
1c套筒剖面到没有做出修改的总长度
1a套筒剖面的总长度，和
exp是大于1的指数。
优选exp的值是4。
根据另一个特定的实施方式，套筒具有对数形状。
在这种情况中优选具有对数形状的套筒半径的缩减ΔH通过公式给出：
ΔH＝h*((In(1-((2*min(abs(u)，1a/2)/I2)^exp)))/(In(1-(I1/I2)^exp)))
h是在套筒形状末端的总下降
u是从套筒中心的点距离
1a套筒剖面的总长度，和
exp是大于1的指数。
I1是计算方法为I1＝1a*k1的系数
I2是计算方法为I2＝1a*k2的系数
优选值如下：
K1＝0.98
K2＝1.02
exp＝6
对数形状导致在中心较小的高度偏差，而在套筒末端给出更多的高度偏差，这对轴心差更加敏感但是在标称情况中减小了接触压力。
衬套优选由具有最小58洛氏硬度并且具有热处理表面的材料制成。
套筒优选由具有热处理表面的钢制成。
平均径向气隙(E1)优选在0.2至0.5mm之间并且间隙(E2)优选在0.15至0.3mm之间。
本发明还涉及包括如上定义的组件的径向磁性轴承装置。
附图说明
图1是已知的包括安装在磁性轴承和辅助轴承内旋转轴的组件的局部截面侧视图，
图2示出了根据本发明可以实现的辅助轴承的纵向截面的另一个实施例。
图3到7是根据本发明的辅助轴承的套筒和衬套的不同形状纵向截面的一些实施方式的示意图。
图8示出了给出冠形形状的曲线作为根据本发明实施方式的辅助轴承的套筒宽度的函数，
图9示出了给出接触压力的不同曲线作为用于相同负载的具有不同尺寸轴心差的辅助轴承的套筒宽度的函数，
图10具有磁性轴承和辅助轴承的集成电动压缩机的实施例的示意透视图，和
图11是具有磁性轴承和辅助轴承的密封电动压缩机的另一个实施例的示意透视图。
优选实施方式
本发明将会结合以示例方式给出的优选实施方式进行描述。
如前所述，图1示出了包括限定了气隙E1的径向磁性轴承12和具有衬套21和套筒20的辅助轴承18的组件的典型配置，衬套21和套筒20限定了小于平均气隙E1的间隙E2。在正常运行中，轴10通过磁性轴承12支撑而不接触磁性轴承12的定子13、14和辅助轴承18的衬套21，然而在磁性轴承12运行失效的情况中，例如电源故障，轴10的套筒20落在辅助轴承18的衬套21上。当套筒20和衬套21两个都具有以围绕轴10的纵轴对称的相同常规圆柱形状而在包括纵轴X-X’的纵向截面中具有相同直线形状时，它们不能支撑高负载而且不能应对高滑动速度。特别是由于磁性轴承12的气隙，不能预测轴10是否以轴向对齐衬套21中心轴的方式下降。可能发生轴10和衬套21未对齐而不是同心。这在安装在轴上的套筒20的边缘上产生很高的接触压力。
根据本发明，图1的组件以这样的方式改进，衬套21和套筒20的每个围绕轴10的纵轴呈现出对称而具有在包括纵轴X-X’的纵向截面中具有不同的形状。因此衬套21和套筒20具有不同形状，其被限定以当轴10不再被磁性轴承12支撑并且落下时在辅助轴承18中优化接触压力分布，即使轴10没有与辅助轴承18的中心轴轴向对齐。因此本发明的目的在于限制辅助轴承18的套筒20上的接触压力，即使轴10与衬套21没有对齐。
图2是根据本发明辅助轴承18的纵向截面，包括具有外表面23的旋转套筒20和具有内表面24的固定衬套21。图2的辅助轴承18示出了具有凸缘30的套筒20，但这不是限制而且其他的实施方式也是可能的。在图2的实施方式中，表面23和24定义它们之间的间隙沿着轴10的纵轴X-X’具有不同形状。
图3到7描述了辅助轴承的可能的不同实施方式，辅助轴承包括具有不同形状的固定衬套21和旋转套筒20。在图中凸起或凹入的幅度被放大以更好地描述本发明的核心内容。
图3示出了辅助轴承18，包括具有凹入形状的表面23A的套筒20和具有凸起形状的表面24A的衬套21。为了使系统被组装，需要小心的是转子套筒20的最大外直径(包括机械公差)小于定子衬套21的最小直径。
图4示出了辅助轴承18，包括具有凸起形状的表面23B的套筒20和具有凹入形状的表面24B的衬套21。图3涉及的约束条件相应的适用。
图5示出了辅助轴承18，包括具有直线形状的表面23C的套筒20和具有凸起形状的表面24C的衬套21。选择凸起表面的半径以使衬套21的边缘绝不会接触套筒20。
图6示出了辅助轴承18，包括具有凸起形状的表面23D的套筒20和具有直线形状的表面24D的衬套21。选择凸起表面的半径以使套筒20的边缘绝不会接触衬套21。
图7示出了辅助轴承18，包括具有冠状形状的表面23E的套筒20和具有直线形状的表面24E的衬套21。这是优选的实施方式。
例如图7所示配置的实施方式将会在下文中更加详细的描述。然而，冠形形状也可以适用于例如图5所示的实施方式中(套筒20具有直线形状并且衬套21具有凸起形状)。
冠形的幅度通过以下等式定义：
ΔH＝h*((2*u-1c)/(1a-1c))^exp
其中：
H：套筒形状末端的总下降
U：套筒中心的点距离
1c：套筒剖面到没有做出修改的总长度
1a：套筒剖面的总长度，和
exp：大于1的指数。
设计的优选变形是具有4的指数。
这种冠状是凸起并且套筒半径的缩减ΔH(通过称为下降的冠形产生的在半径的减小量)在点P因此定义如下：
ΔH＝h*((2*u-1c)/(1a-1c))^exp
套筒20具有冠形形状的外凸起表面23E，从而包括不具有直径缩减的长度为1c的中心纯平圆柱表面230E，和具有直径从中心部分230E到套筒20的对应边缘逐渐减小的两个外侧部分231E和232E。每个部分231E和232E可以具有一个圆弧或具有不同半径曲率的一些圆弧的组合。
特别有利的是对部分231E和232E采用对数形状。
优选地在这种情况中具有对数形状的套筒半径的缩减ΔH通过以下等式给出：
ΔH＝h*((In(1-((2*min(abs(u)，1a/2)/I2)^exp)))/(In(1-(I1/I2)^exp)))
其中h是在套筒形状末端的总下降，
u是从套筒中心的点距离，
1a套筒剖面的总长度，
exp是大于1的指数，
I1是计算方法为I1＝1a*k1的系数，和
I2是计算方法为I2＝1a*k2的系数。
优选值如下：
K1＝0.98
K2＝1.02
exp＝6
对数形状导致在中心较小的高度偏差，而在套筒末端给出更多的高度偏差，这对轴心差更加敏感但是在标称情况中减小了接触压力。相比于在直套筒或套筒上的直衬套，它们的边缘具有固定半径的倒角，对数形状减小套筒末端的边缘应力。
本发明，特别是当冠形形状被用于由辅助轴承18的套筒20和衬套21构建的一个元件时，即使存在轴心差也能够降低边缘应力。
衬套21优选使用具有最小58洛氏硬度并且具有热处理表面的材料制成。
套筒20优选由具有热处理表面的钢制成。例如套筒20可以由如100Cr6的铬合金制成，但是其他材料也是可能的。
用于支撑轴10的径向磁性轴承的平均径向气隙(E1)优选在0.2至0.5mm之间，并且套筒20和衬套21之间的最小间隙(E2)优选在0.15至0.3mm之间。
图8示出了例如具有40mm直径和11mm宽度的套筒的冠形形状。给出了冠形高度(m)的曲线100作为沿着套筒宽度(m)的位置的函数。
图9示出了在1200N负载下沿着图8实施例的套筒宽度(m)对不同轴心差幅度(轴和套筒之间的角α)的接触压力(MPa)。
曲线101对应于没有轴心差(α＝0mrad)的接触压力。
曲线102对应于具有轻微轴心差(α＝2mrad)的接触压力。
曲线103对应于具有较高轴心差(α＝4mrad)的接触压力。
根据本发明因为当由于相关磁性轴承12故障轴10落在套筒20上时，接触套筒20的边缘是可以避免的，与没有该形状相比辅助轴承18可以在较高速度和负载下提供其功能。这允许在应用中使用套筒衬套组合，这在以前是不能够完成的。如果旋转轴10以一定角度接触辅助轴承时特别是如此。
图1示出了单个辅助轴承18和单个径向磁性轴承12与旋转轴10的一部分(通常是但不一定必须是端部部分)协作，但是具有另一个相似径向轴承和另一个相似磁性轴承的相似组件用于支撑轴10的另一部分。
众所周知的是在旋转轴落到辅助轴承中以后，旋转轴可以在相同角度位置或者以一定角度偏离接触辅助轴承，即左侧辅助轴承的顶部和右侧辅助轴承的底部。例如根据本发明提出的给予形状的辅助轴承能够应对一定角度的这种轴心差。
本发明可以结合套筒20的自润滑特征。
本发明可以用于控制电子设备的磁性轴承系统和整合到一个单元的磁性轴承。由于电子设备可以某些时候给自身供应电力，这在电力故障后旋转轴落到辅助轴承以前允许降低轴的速度。
根据本发明的辅助轴承可以用于不同应用中，例如在汽车工业中(具有相对较小尺寸的轴承)，如用于小型涡轮压缩机，或油气工业中(具有较大尺寸的轴承)，如发动机压缩机。
图10示出了包括可以通过弹性联轴器组装的电机轴211和压缩机轴212的集成电动压缩机的实施例。电动机轴211通过电机215旋转并且通过分别与辅助轴承216、217关联的两个径向磁性轴承213、214无接触支撑。压缩机轴承212装有一些压缩机轮220并且通过分别与辅助轴承222、223关联的两个径向磁性轴承218、219无接触支撑。此外磁性推力轴承221安装在压缩机轴212上。
辅助轴承216、217、222、223，通常由滚珠轴承构成，可以全部设计为具有如上所述的特殊形状套筒和衬套的套筒衬套轴承。
图11示出了包括通过限定刚性轴线的刚性联轴器组装的电动机轴311和两个压缩机轴312、325的另一种密封电动压缩机的示例。电动机轴311通过电机315旋转并且通过分别与辅助轴承316、317关联的两个径向磁性轴承313、314无接触支撑。第一压缩机轴312装有一些压缩机轮320并且在其没有联接到电动机轴311的端部通过与辅助轴承322关联的一个径向磁性轴承318无接触支撑。第二压缩机轴325装有一些压缩机轮324并且在其没有联接到电动机轴311的端部通过与辅助轴承323关联的一个径向磁性轴承319无接触支撑。此外磁性推力轴承321安装在第二压缩机轴325上。
辅助轴承316、317、322、323，通常由滚珠轴承构成，可以全部设计为滑动轴承，更特别地是具有如上所述的特殊形状套筒和衬套的套筒衬套轴承。
尽管优选实施方式已经被示出并描述，可以理解的是在没有脱离如所附权利要求定义的本发明范围内可以做出任何的变化或改进。因此不同实施方式的特征可以结合。特别是可以结合集成到外壳的第一平滑表面和通过固定在轴上的衬套定义的第二平滑表面，或相反的可以结合通过固定在外壳上的套筒定义的第一平滑表面和集成到旋转轴的第二平滑表面，设置第一和第二平滑表面热处理并且第一平滑表面和第二平滑表面每个围绕旋转轴的纵轴呈现出对称，而在包括所述纵轴的纵向截面内具有不同形状。

Claims (15)

1.一种组件，包括相对于固定外壳(16)通过至少一个主动磁性轴承(12)和至少一个辅助轴承(18)支撑的旋转轴(10)，该主动磁性轴承(12)存在平均径向气隙(E1)，该辅助轴承(18)包括一方面集成到外壳(16)的第一平滑表面(24)和另一面集成到旋转轴(10)的第二平滑表面(23)，所述第一和第二平滑表面(24、23)相对并且限定出小于所述平均径向气隙(E1)的间隙(E2)，其特征在于所述第一平滑表面(24)和所述第二平滑表面(23)每个围绕所述轴(10)的纵轴呈现出对称，而在包括所述纵轴的纵向截面内具有不同形状。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一表面(24)在所述纵向截面中具有凸起形状(24A)，而所述第二表面(23)在所述纵向截面中具有凹入形状(23A)。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一表面(24)在所述纵向截面中具有凹入形状(24B)，而所述第二表面(23)在所述纵向截面中具有凸起形状(23B)。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一表面(24)在所述纵向截面中具有凸起形状(24C)，而所述第二表面(23)在所述纵向截面中具有直线形状(23C)。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一表面(24)在所述纵向截面中具有直线形状(24D)，而所述第二表面(23)在所述纵向截面中具有凸起形状(23D)。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一平滑表面(24)是直接在所述外壳(16)上加工的热处理表面。
7.根据权利要求1所述的组件，其中所述第二平滑表面(23)是直接在所述旋转轴(10)上加工的热处理表面。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一平滑表面(24)是形成在固定安装在所述外壳(16)上的衬套(21)上的热处理表面。
9.根据权利要求1所述的组件，其中所述第二平滑表面(23)是形成在套筒(20)上的热处理表面，该套筒(20)固定安装在所述旋转轴(10)上。
10.根据权利要求5和9所述的组件，其中所述套筒(20)具有冠形形状(23E)。
11.根据权利要求10所述的组件，其中所述冠状套筒(20)的半径缩减ΔH通过等式给出：
ΔH＝h*((2*u-1c)/(1a-1c))^exp
其中h是在套筒形状末端的总下降
u是从套筒中心的点距离
1c套筒剖面到没有做出修改的总长度
1a套筒剖面的总长度，和
exp是大于1的指数。
12.根据权利要求5和9所述的组件，其中所述套筒(20)具有对数形状。
13.根据权利要求12所述的组件，其中具有对数形状的套筒(20)的半径缩减ΔH通过等式给出：
ΔH＝h*((In(1-((2*min(abs(u)，1a/2)/I2)^exp)))/(In(1-(I1/I2)^exp)))
其中h是在套筒形状末端的总下降，
u是从套筒中心的点距离，
1a套筒剖面的总长度，
exp是大于1的指数，
I1是计算方法为I1＝1a*k1的系数，
I2是计算方法为I2＝1a*k2的系数。
14.根据权利要求1所述的组件，其中所述平均径向气隙(E1)在0.2至0.5mm之间并且间隙(E2)在0.15至0.3mm之间。
15.一种径向磁性轴承设备，其特征在于其包括根据权利要求1到14任何一项的组件。
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