CN104343829B - 用于磁悬浮转子系统中的球轴承类型的辅助轴承 - Google Patents

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Abstract

一种组件，包括旋转轴(104，114)，其相对于固定座(105，115)通过具有中间径向空气间隙的至少一个主动磁力轴承和包括同轴布置的第一和第二环形表面(124，123)的至少一个辅助轴承(118)来支撑，所述同轴布置的第一和第二环形表面(124，123)中的一个(124)与所述固定座(105，115)和所述旋转轴(104，114)中的一个限定了间隙(E2)，所述间隙(E2)比所述中间径向空气间隙小，并且所述同轴布置的第一和第二环形表面(124，123)的另一个(123)与所述固定座(105，115)和所述旋转轴(104，114)的另一个构造为一体。辅助轴承(118)包括相对彼此具有偏移量的第一球轴承和第二球轴承以增加启动转矩。

Description

用于磁悬浮转子系统中的球轴承类型的辅助轴承
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮转子系统中的球轴承类型的辅助轴承和结合该辅助轴承的磁悬浮。
背景技术
磁力轴承的运转避免了机械摩擦，但是需要持续地提供电力。一旦电力中断，轴需要通过所谓的辅助轴承来支撑，其也叫着陆轴承、紧急轴承或者后备轴承。
配备有主动磁力轴承的旋转机械包括机械辅助轴承，其在磁力轴承中的一个过载或者电子或电控线圈故障或者其他导致故障或者悬架过载的事件时工作。
辅助装置提供了机械的冗余量，并且需要被正确地定义和标注尺寸以便完全保证机器不会被损坏，并且一旦过载或者伺服控制故障消失，设备可以立即恢复。
一般采用干式润滑或者套筒套组合(光滑环)的滚动元件轴承可以用于构造辅助轴承。但是具有平滑表面的辅助滑动轴承，特别是利用套筒套组合的辅助轴承具有多个缺点。尤其是套筒具有明显不足的承载能力并且无法应对高滑动速度。因此，在比如“油和气”领域中应用的辅助轴承一般是球轴承类型。
这样，旋转机械的重量和转动载荷可以通过主动磁力轴承(AMB)的磁场来支撑。主动磁力轴承装配有辅助轴承，其在机器的等待期不得不支撑转子，并且一旦主动磁力轴承故障也能够抓住转子。
辅助轴承包括高精度机械轴承，其在轴向和径向方向被“柔和地”预加负荷。
着陆轴承布置的传统设计是由成对布置的并且在轴向上预加负荷以增加转矩的一组角接触球轴承或深沟球轴承组成。
附图6图示一种球轴承类型的传统辅助轴承18，包括一对滚动元件3、13，每组滚动元件3、13位于定子笼1、11和转子笼2、12之间。转子笼2、12与绕轴X-X′旋转的转子构件4构成一体，而在定子笼1、11和固定的定子构件5之间形成间隙。该间隙可以是例如介于0.2到0.3毫米之间，并且比相关的径向磁力轴承(未图示)的气体间隙小，其中气体间隙可以是例如介于0.4到0.6毫米之间。通常，辅助轴承的间隙大概是磁力轴承的气体间隙的一半。
一种球轴承类型的紧急轴承的例子在美国专利7217039B2中被公开。
图7图示了旋转机械的垂直支撑10的一个例子，包括至少一个主动磁力轴承17、位置传感器16和辅助轴承18，其可以结合如上文公开的图6的形式。旋转机械可以是例如压缩机。两个径向磁力轴承17可以位于压缩机的中心位置的每一侧。两个辅助轴承18可以位于压缩机的端部附近。在已知附图7的例子中，辅助轴承和机器的其他部分之间的间隙通过附图标记20来表示，并且位于转子笼2、12和转子4之间，同时定子笼1、11与固定的定子构件5构成一体。然而，该间隙可以位于定子笼1、11和固定的定子构件5之间，转子笼2、12可以与转子4构成一体，如附图6所示。
当转子4悬浮在主动磁力轴承中时，与机器，包括磁力轴承和辅助轴承，的过程气体中的冷却流相结合的通过转子的高速旋转而产生的气动力矩，迫使球轴承的内环旋转，如果球轴承阻力矩太小，则导致不可控和不期望的球轴承旋转。这种现象会产生滚珠的加速磨损，以派生出轴承座的预载的减小。
现有技术的辅助轴承经常是具有无笼设计的满装轴承，但它们也可以容纳一个笼。辅助轴承一般是没有密封和防护的开式轴承，并且是油脂润滑。用于调整轴承布置的启动转矩的主要参数是轴向预载弹簧。但是这不足以显著增加启动转矩。除了增加着陆密封之外没有其他明显的解决方法以增加转矩。但是接触密封随着接触唇的磨损会产生转矩的变化。
发明内容
要解决的技术问题是补救上文提到的的缺点并且特别是用来显著地和以可控的方式来增加在筒体中的一组球轴承组件的启动转矩，当相关的磁力轴承故障或者当由相关磁力轴承支撑的轴休息时，用于保证悬浮于主动磁力轴承的机械的转子的着陆。
本发明还针对允许有效地使用球轴承类型的辅助轴承的可能性，即使轴在一个很高的转速下旋转并且处于严酷的条件下，例如具有过程气体的冷流。
本发明由所附的权利要求限定。
本发明特别涉及一种组件，包括旋转轴，其通过相对于固定座具有中间径向空气间隙的至少一个主动磁力轴承，和包括同轴布置的第一和第二环形表面的至少一个辅助轴承来支撑，所述同轴布置的第一和第二环形表面中的一个与所述固定座和所述旋转轴中的一个限定了间隙(E2)，所述间隙(E2)比所述中间径向空气间隙小，并且所述同轴布置的第一和第二环形表面的另一个与所述固定座和所述旋转轴的另一个构造为一体，其特征在于辅助轴承包括相对彼此具有偏移量的第一球轴承和第二球轴承。
该偏移量可以是径向偏移量或者角度偏移量。
可选地，该偏移量可以同时包括径向偏移量和角度偏移量。
径向偏移量优选是比所述间隙(E2)更宽。
角度偏移量可以是优选在5-30度之间的角度。
根据一个具体实施例，偏移量仅仅通过所述第一和第二球轴承之间的几何偏移得到。
根据另一个实施例，偏移量至少部分地通过应用于所述第一和第二球轴承的不同负载得到。
偏移量通过应用具有不同刚性或不同预载条件的轴向或径向弹簧的负载来得到。
偏移量还可以通过应用在第一和第二球轴承上的不均匀的圆周上的轴向预载来得到。
根据另一实施例，偏移量至少部分地通过在第一和第二球轴承分别同轴布置的第一和第二环形表面的另一个与固定座和旋转轴的另一个之间，插入第一和第二环形波纹径向弹簧垫圈来得到，第一环形波纹弹簧垫圈具有与第二环形波纹弹簧垫圈不同的刚性。
另外，第一和第二环形波纹径向弹簧垫圈还可以绕各自的第一和第二球轴承的圆周具有不同刚性。
典型的，中间径向空气间隙优选在0.2和0.5mm之间并且间隙(E2)优选在0.15和0.3mm之间。
本发明还涉及一种径向磁力轴承装置，包括上文限定的组件。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的球轴承类型的辅助轴承的轴向半剖视图，其中径向偏移量产生于两个并列的辅助轴承的球轴承之间，
图2是根据本发明的第二实施例的球轴承类型的辅助轴承的轴向半剖视图，其中角度偏移量产生于两个并列的辅助轴承的球轴承之间，
图3是根据本发明的第三实施例的球轴承类型的辅助轴承的轴向半剖视图，其中径向偏移量产生于两个并列的辅助轴承的球轴承之间，并且环形的径向波纹弹簧垫圈与辅助轴承的球轴承相配合，
图4和5分别是用来构成所述环形径向波纹弹簧垫圈的波纹弹簧垫圈的俯视图和侧视图，
图6是根据现有技术的由两个并列球轴承组成的球轴承类型的辅助轴承的轴向半剖视图，而
图7是根据现有技术的具有配有辅助轴承的主动磁力轴承的旋转机械的示意性的半剖视图。
具体实施方式
本发明将结合通过示例方式给出的具体实施例来说明。
附图1图示了根据本发明的第一实施例的球轴承类型的辅助轴承的一部分的一个例子。这个辅助轴承可被用于结合附图7定义的传统的主动径向磁力轴承。
附图1图示球轴承类型的辅助轴承118的一个例子，包括一对滚动元件103、113，每组滚动元件103、113位于定子笼101、111和转子笼102、112之间。在这个实施例中转子笼102、112分别与绕轴X-X′106或轴X″-X″′116旋转的转子构件104、114构成为一体，而间隙E2定义为分别位于定子笼101、111和固定的定子构件105、115之间。间隙E2可以是例如介于0.2到0.3毫米之间，并且比对应的径向磁力轴承(未图示)的气体间隙小，其中气体间隙可以是例如介于0.4到0.6毫米之间。通常，辅助轴承的间隙大概是磁力轴承的气体间隙的一半。可以注意到在附图1的实施例中，间隙E2被定义为位于由定子笼101、111的外表面构成的环形表面124和固定的定子构件105、115之间，而由转子笼102、112的外表面构成的环形表面123与转轴104、114构成为一体。然而，本申请类似地提供一个实施例，其中间隙E2定义为位于由转子笼102、112的外表面构成的环形表面123和转轴104、114之间，而由定子笼101、111的外表面构成的环形表面124与固定的定子构件105、115构成为一体。
根据本发明，构成辅助轴承118的第一和第二球轴承产生偏移。附图1的组件以这样的方式来构造，径向偏差Δ自行产生于轴X-X′106和轴X″-X″′116之间，并且更普遍地产生于由滚动元件103构成的第一球轴承和由滚动元件113构成的第二球轴承之间。
在附图1的实施例中，径向偏差Δ主要通过几何的方式产生，如，在第一和第二球轴承的轴承容纳座中具有偏移量。但是偏移量和径向偏差还可以通过应用对于两个球轴承不同的特定的负载(沿箭头150和160的方向)来产生。这些负载可以通过例如具有不同刚性或者不同预载条件的径向或者轴向弹簧来产生。
附图2图示了根据本发明的第二实施例的球轴承类型的辅助轴承的一部分的一个例子。这个辅助轴承可被用于结合附图7定义的传统的主动径向磁力轴承。
附图2图示球轴承类型的辅助轴承218的一个例子，包括一对滚动元件203、213，每组滚动元件203、213位于定子笼201、211和转子笼202、212之间。转子笼202、212与绕轴X-X′206旋转的转子构件204、214构成为一体，而间隙E2定义为分别位于定子笼201、211和固定的定子构件205、215之间。间隙E2可以是例如介于0.2到0.3毫米之间，并且比相关的径向磁力轴承(未图示)的气体间隙小，其中气体间隙可以是例如介于0.4到0.6毫米之间。通常，辅助轴承的间隙大概是磁力轴承的气体间隙的一半。
可以注意到在附图2的实施例中，间隙E2被定义为位于由定子笼201、211的外表面构成的环形表面224和固定的定子构件205、215之间，而由转子202、212的外表面构成的环形表面223与转轴204、214构成为一体。然而，本申请类似地提供一个实施例，其中间隙E2定义为位于由转子笼202、212的外表面构成的环形表面223和转轴204、214之间，而由定子笼201、211的外表面构成的环形表面224与固定的定子构件205、215构成为一体。
根据本发明，构成辅助轴承218的第一和第二球轴承产生偏移。附图2的组件以这样的方式来构造，角度偏差α自行产生于由滚动元件103构成的第一球轴承和由滚动元件113构成的第二球轴承之间。
在附图2的实施例中，角度偏差α主要通过几何的方式产生，如，在第一和第二球轴承的轴承容纳座中具有偏移量。如图2所示，具有滚动元件213的第二轴承与轴X-X′206垂直地固定安装，而具有滚动元件203的第一球轴承倾斜角度α。特别是该角度α可以在大约5到30度之间，但是根据需要其它值也是可能的。
偏移量和角度偏移量还可以通过应用对于两个球轴承不同的特定的负载(沿箭头150和160的方向)来产生。这些负载可以通过例如具有不同刚性或者不同预载条件的径向或者轴向弹簧来产生。
在同样的辅助轴承中也可以结合如图1所示的径向偏差Δ和如图2所示的角度偏差α。
一些附加的方式可以用来产生在同一辅助轴承中使用的两个球轴承之间的偏移。
从而在圆周方向上的非均匀的轴向预载可以沿图1的箭头150、160的方向或者沿图2的箭头250、260的方向应用到每个球轴承。
轴向预载在圆周上的不同促使滚珠103、113；203、213和相应的滚道之间的角接触的偏差。当轴旋转时，在回转一周中，由于角接触偏差，滚珠103、113；203、213将加速和减速，从而产生能显著地增加球轴承的阻力矩的“堵车效果”。
可以注意到，由于运用到球轴承上的轴向和径向的预载的柔和的方式，如上述的关于图1和图2的几何偏移量可以得到。
例如位于第一和第二球轴承周围的多个弹簧垫片的每一个的螺栓转矩可以被选择为非均匀的，从而能够有意地在轴向负载方向上产生偏移量。
附图3图示了用来在辅助轴承的球轴承中产生偏移量的额外手段的另一个例子。附图3的实施例与附图1的实施例十分类似，相同的元件使用相同的附图标记并且不再描述。
在附图3的实施例中，径向弹簧垫圈144A插入转子笼102和转子构件104之间。类似地，径向垫圈144B插入转子笼112和旋转构件104之间。径向弹簧垫圈144A、144B是环形波纹状弹簧垫圈，其在获得环形形状之前具有如附图4和5所示的波纹钢带144的形状。当它制成环状插入转子笼102、112和旋转构件104、114之间以构成径向弹簧垫圈144A、144B时，钢带的厚度a，波纹的波长p，波纹的高度h和钢带144的宽度L用来限定由这样的波纹带144构成的弹簧的刚性。波纹钢带144，也叫“波莱尔弹簧(Borelly springs)”，可以如法国专利2614375中描述的被制造和使用。
根据本发明，径向弹簧垫圈144A、144B被设计成绕圆周具有不同的刚性，并且还对于构成辅助轴承的每个球轴承具有不同的刚性。
在如附图3所示的实施例中，径向弹簧垫圈插入到转子笼102、112和旋转构件104、114之间，而间隙E2产生于定子笼101、111和固定的定子构件105、115之间。但是也可以在转子笼102、112和旋转构件104、114之间形成间隙E2，并且在定子笼101、111和固定构件105、115之间插入径向弹簧垫圈144A、144B。
附图3的实施例也可以结合附图2的实施例，比如，如果间隙产生于转子笼202、212和旋转构件204、214之间，在一个实施例中，径向弹簧垫圈144A、144B也可以插入转子笼202、212和旋转构件204、214之间来制造角度偏移量，或者可选地，在一个实施例中，径向弹簧垫圈144A、144B也可以插入定子笼201、211和固定的定子构件205、215之间来制造角度偏移量。
本发明能有显著地并以可控的方式增加组装在筒体内的一组球轴承的启动转矩，用于保证悬浮于主动磁力轴承的机械的转子的着陆。启动转矩调整到比由空气动力效应产生的气动转矩大。
可以注意到，在着陆期间提供给球轴承组的负载显著大于被定性为“柔和”预载的球轴承的预载。本发明的特征因此能够改善辅助轴承的气动转矩，而无需显著改变着陆期间球轴承的状态。
根据本发明的辅助轴承可被应用到不同用途，比如用于汽车行业(具有相对小型的轴承)，如小型涡轮压缩机，或用于石油和天然气工业(具有大型的轴承)，如电机压缩机。
虽然最佳实施例已经展示和描述过，但是可以理解在不超出本发明的附加权利要求限定的范围的基础上的改变和变形都是可以做出。因此不同实施例的特征也被结合。特别是能够结合径向偏移量与角度偏移量。

Claims (12)

1.一种轴承组件，包括旋转轴(104,114；204,214)，所述旋转轴相对于固定座(105,115；205,215)通过具有中间径向空气间隙的至少一个主动磁力轴承和包括同轴布置的第一和第二环形表面(124,123；224,223)的至少一个辅助轴承(118；218)来支撑，所述同轴布置的第一和第二环形表面(124,123；224,223)中的一个(124；224)与所述固定座(105,115；205,215)和所述旋转轴(104,114；204,214)中的一个限定了间隙(E2)，所述间隙(E2)比所述中间径向空气间隙小，并且所述同轴布置的第一和第二环形表面(124,123；224,223)的另一个(123；223)与所述固定座(105,115；205,215)和所述旋转轴(104,114；204,214)的另一个构造为一体，其特征在于所述辅助轴承(118；218)包括相对彼此具有偏移量的第一球轴承和第二球轴承，其中所述偏移量是径向偏移量和/或角度偏移量。
2.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述径向偏移量比所述间隙(E2)更宽。
3.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述角度偏移量包括5-30度之间的角度。
4.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量同时包括径向偏移量和角度偏移量。
5.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量仅仅通过所述第一和第二球轴承之间的几何偏移得到。
6.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量至少部分地通过应用于所述第一和第二球轴承的不同负载得到。
7.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量通过应用具有不同刚性或不同预载条件的轴向或径向弹簧的负载来得到。
8.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量通过在第一和第二球轴承上施加在圆周方向上非均匀的轴向预载来获得。
9.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述偏移量至少部分地通过在所述第一和第二球轴承分别同轴布置的所述第一和第二环形表面(124,123；224,223)的另一个(123；223)与所述固定座(105,115；205,215)和所述旋转轴(104,114；204,214)的另一个之间，插入第一和第二环形波纹径向弹簧垫圈(144A，144B)来得到，所述第一环形波纹径向弹簧垫圈(144A)具有与所述第二环形波纹径向弹簧垫圈(144B)不同的刚性。
10.根据权利要求9所述的轴承组件，其中所述第一和第二环形波纹径向弹簧垫圈(144A，144B)的每一个还在第一和第二球轴承的圆周周围具有不同刚性。
11.根据权利要求1所述的轴承组件，其中所述中间径向空气间隙在0.2-0.5mm之间，并且所述间隙(E2)在0.15-0.3mm之间。
12.一种径向磁力轴承装置，其特征在于包括根据权利要求1所述的轴承组件。
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