CN105207376B - 用于组合式径向‑轴向磁推轴承的叠片芯及其相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

组合式径向‑轴向磁推轴承的芯由涂覆有涂层的叠片叠置而成，每一叠片具有至少一个径向切口(9)。改变经过叠层中心孔的轴向控制磁通量会感应循环电流，而这些切口(9)会阻碍感应循环电流。相对于前一个叠片来旋转每一叠片可保持磁对称。

Description

用于组合式径向-轴向磁推轴承的叠片芯及其相应的制造 方法
本申请是名称为“用于组合式径向-轴向磁推轴承的叠片芯及其相应的制造方法”、国际申请日为2010年11月2日、国际申请号为PCT/BE2010/000075、国家申请号为201080056305.4的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于驱转机器的磁推轴承，这种磁推轴承具有组合式轴向-径向结构，其中，轴向控制磁通量经过软磁芯的中心孔。
背景技术
通过磁推轴承可实现无接触式悬置。磁推轴承可限制摩擦损耗，因而在高速运用场合这种磁推轴承很受人欢迎。由于转子动力的限制因素，高速旋转式机器的结构通常复杂。在这个意义上看，轴的轴向长度的任何减少均会造成转子动力达到极限值。在所谓的组合式轴承中最大限度地利用了这种性质。这些轴承结构中，将轴向通道和径向通道组合在紧凑结构中，从而可共享几个功能部件。
在专利和科技文献中均公开了组合式轴承的各种例子。通常，轴向控制磁通量的路径经过铁磁材料构成的叠片叠层的中心孔。专利或专利申请US5514924、US6268674、US6727617、WO2008074045、CN1737388号中公开了这些例子。科技文献如Imoberdorf等、Pichot等以及Buckner等撰写的文章公开了其他例子。Blumenstock的美国专利US 6359357Bl号描述的这种组合式轴承中，轴向控制磁通量不经过铁磁材料构成的叠片叠层的中心孔。
如果轴向控制磁通量的路径经过叠片叠层的中心孔，或具体而言，如果在组合式轴承包含的某区域导电路径包围控制磁通量，那么组合式轴承的轴向通道性能会受到不利影响。在此情况下，改变控制磁通量会在周围材料中感应出电压。如果周围路径是闭合的且导电，那么这些感应电压会产生循环电流，从而会产生焦耳损耗。实际上，这种叠片叠层可被认为是变压器的第二短路线圈，轴向控制线圈是第一线圈。这种效果是由频率决定的：损耗随着频率而增加。根据特定的轴向控制电流和频率，焦耳损耗会减小所产生的作用力。因而，轴向通道的性能受到影响。
如果轴向致动器作用在叠片叠层上，那么这种现象也会出现在这种叠片叠层上。在此情况下控制磁通量进入叠层本身中，但物理解释是相同的。在美国专利US6268674号中，Takahashi提出在目标叠片叠层内部切割一系列均匀分布的径向狭槽。显然，为了在旋转时保持足够的强度，不能在叠片的整个厚度上进行切割。这样，如果控制磁通量仅进入狭槽区域，那么会局部产生感应电流。这种技术仅仅提供了一种解决办法来减小目标叠片叠层中的损耗。全部控制磁通量仍然被定子叠层包围。
据我们所知，还没有报道其他技术来减少这种损耗。在本专利中，提供了一种不同的技术来减少损耗。这种技术可应用到组合式磁推轴承的转子叠层和定子叠层中。
发明内容
本发明涉及一种永磁偏置的或电流偏置的组合式径向-轴向磁推轴承的定子或转子的叠片芯。这种叠片芯包括由各个平坦软磁叠片构成的稳固叠层。各个叠片具有同伦等价为球体的拓扑性质，以在叠片平面上形成至少一个完整的物理中断部来中断循环电流。稳固叠层显示具有同伦等价为圆环的拓扑性质以形成磁对称。至少一个物理中断部中填充有电绝缘材料，并且：
－相邻叠片上的所述至少一个物理中断部相对于彼此枢转，或者
－所述稳固叠层包括多个子叠层，其中所有相邻叠片上的所述至少一个物理中断部重叠，并且其中，所述子叠层的所述至少一个物理中断部相对于彼此枢转。
在本发明中，循环电流定义为经过软磁材料且沿着围绕叠片芯的闭合路径流动的电流。
平坦叠片和球体之间的同伦等价表明：仅采用弯曲、拉伸和/或收缩操作实际上可使平坦叠片形成为球形。此时不允许进行切断或上胶操作。类似地，稳固叠层和圆环之间的同伦等价表明：仅采用弯曲、拉伸和/或收缩操作实际上可使叠层形成为圆环形。
上述表述“在叠片平面上形成至少一个完整的物理中断部来中断循环电流”换句话说是指：在叠片平面上会形成包围住转子的、几乎完全闭合的软磁路径，路径中具有至少一个物理中断部来中断循环电流。
上述表述“包围住转子的、几乎完全闭合的软磁路径”的意思是：该路径包围住转子，优选包括至少75％的软磁材料，或者更优选地，包括至少95％的软磁材料。
本发明也涉及一种用于制造叠片芯的方法，该叠片芯用于组合式轴向-径向磁推轴承的定子或转子，从而该方法包括以下步骤：
－提供一组平坦的软磁叠片，所述叠片的拓扑形状同伦等价为球体形状；
－设置第一软磁层，以获得至少一个物理中断部来中断循环电流；
－相对于在前的软磁层来枢转和/或转动随后的所有软磁层；
－固定所形成的该组软磁层。
本发明还涉及一种用于制造叠片芯的方法，该叠片芯用于组合式轴向-径向磁推轴承的定子或转子，其中该方法包括以下步骤：
－提供一组平坦的软磁叠片，所述叠片的拓扑形状同伦等价为球体形状；
－设置第一组软磁层；采用如下方式来设置所述第一组软磁层：通过设置所述第一组软磁层而得到用于中断循环电流的至少一个物理中断部，且使得所有相邻叠片层上的至少一个物理中断部相一致；
－设置随后的多个叠层；设置随后的多个叠层的方式与布置第一组软磁层的方式相同，但使得所有的随后的多个叠层相对于在前的多个软磁层进行了枢转和/或转动；
－固定所形成的成组软磁层。
通过以这种方式来制造组合式轴承的定子芯或转子芯，由于不能形成变化的控制磁通量，从而产生了循环的涡电流。因而，轴承中的损耗减小，轴向致动器性能增强。
附图说明
为了更透彻地显示本发明的特征，在下面的内容中，通过非限制性的实例来描述本发明的用于组合式径向-轴向磁推轴承的定子或转子的叠片芯的优选实施例，附图中给出了附图标记，附图如下：
图1表示现有技术中的带永磁偏置的第一组合式轴承的半纵向截面图；
图2表示现有技术中的带永磁偏置的第二组合式轴承的纵向截面图；
图3表示现有技术中的带电流偏置的第三组合式轴承的纵向截面图；
图4表示现有技术中的第一组合式轴承的四极径向致动部件的截面图；
图5表示现有技术中的第二组合式轴承的三极径向致动部件的截面图；
图6表示组合式轴承的四极致动部件的360<°叠片的截面图，该叠片在对称轴线上具有切口；
图7表示图6中的叠片能够枢转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图8表示叠层在切口附近的磁场线分布，切口的切向尺寸为0.5毫米，叠层由厚度为0.35毫米的四个叠片构成，叠片双侧均涂覆有厚度为10微米的涂层；
图9表示叠层在切口附近的磁通密度分布，切口的切向尺寸为0.5毫米，叠层由厚度为0.35毫米的四个叠片构成，叠片双侧均涂覆有厚度为10微米的涂层；
图10表示组合式轴承的四极径向致动部件的360<°叠片的截面图，叠片在对称轴线上无切口；
图11表示图10中的叠片能够枢转和/或翻转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图12表示组合式轴承的三极径向致动部件的360<°叠片的截面图，叠片对称轴线上有切口；
图13表示图12中的叠片能够枢转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图14表示组合式轴承的三极径向致动部件的360<°叠片的截面图，叠片在对称轴线上无切口；
图15表示图14中的叠片能够枢转和/或翻转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图16表示组合式轴承的四极径向致动部件的180<°叠片片断的截面图；
图17表示图16中的叠片片断能够枢转和/或翻转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图18表示组合式轴承的三极径向致动部件的120<°叠片片断的截面；
图19表示图18中的叠片片断能够枢转和/或翻转到的所有可能位置，而磁极的方位保持不变；
图20表示致动器目标叠层的被切开的360<°叠片的截面图；
图21表示带有非笔直切口及绝缘垫片的360<°叠片的截面图。
具体实施方式
图1、2和3示出了现有的组合式轴承的一些纵截面。图4和5示出了现有的组合式轴承的两个可能的径向截面。所显示的可供选择的设计结构均由叠片式转子叠层1、叠片式定子叠层2、定子磁轭3、两个轴向磁极4a和4b以及至少三个径向磁极5构成，叠片转子叠层具有几何转动轴线X-X'。轴向力受轴向控制线圈6控制，轴向控制线圈的结构是旋转对称的。径向力受径向控制线圈7控制。径向控制线圈缠绕在径向磁极5周围。如果永磁铁8不产生偏磁场，可通过某种特定方式将偏置电流增加到轴向控制电流中、或通过将偏置电流输送到单独的偏置线圈中就可产生偏磁场，所述偏置线圈形状呈旋转对称、靠近轴向控制线圈6布置。
如果将电流输送到径向控制线圈7中，磁通量开始在定子叠层2的叠片平面上流动。输送给轴向控制线圈6的电流所产生的磁通量经过定子磁轭3，接着穿过轴向磁极4a，穿过朝向转子叠层1的间隙，然后穿过朝向相对的轴向磁极4b的间隙，最终返回到定子磁轭3。由于轴向控制电流随着时间发生改变，因而时变磁通量经过定子叠层2的中心孔。根据法拉第-楞次定理和欧姆定理，定子叠层2的叠片结构中会感应环流。因而，本发明的目的是通过物理方法中断这些感应的循环电流的路径。
可能实现这种物理中断的方式是：在定子叠层2的每个360<°叠片10上形成一个切口9，如图6所示，该图中的定子叠层2是四极定子叠层。表示法“360<°”表示：由于叠片上形成有切口9，因而叠片覆盖的角度稍小于360°。尽管很难形成宽度小于0.25毫米的切口，但是很显然这种切口实际上产生了相当大的切向磁阻。因而，叠片10失去了用于径向控制磁场的磁对称结构的一部分。假定定子叠层仅具有一层单独的叠片10，那么由于切口的原因而会产生显著的径向通道性能损失。但是，叠置叠片10提供了能够避免降低这种性能的方式。
图7示出了图6中的带有一个切口9的360<°叠片10可能枢转到的所有位置，这些位置不会对四个磁极5的位置有影响。因而，如果以这种方式堆叠定子以使得相邻的360<°叠片10的切口9总是相互分开，磁场线通过相对于360<°叠片发生改变从而穿过切口。从而，需要两次穿过相邻叠片10的涂层。此时关键点在于：叠片的涂层可制作得比切口宽度尺寸要薄很多，例如与至少250微米的切口宽度相比，涂层厚度为1微米。
图8示出了由四个叠片10组成的定子叠层2的截面。该图所示的截面垂直于叠片10的平面、相切于定子叠层中心，该中心位于一个叠片10的切口9的位置上。图8示出了切口9附近的径向控制磁场中的磁场线分布。在这个具体的例子中，叠片10的厚度为0.35毫米，切口9的宽度B为0.5毫米，涂层厚度D为10微米，这表明软磁部分(双侧涂层)之间的厚度为20微米。当靠近切口9时，磁场线分成两等分。在切口9内几乎没有任何磁场线。一旦超出切口9的范围，磁场线就重新聚集在原来的叠片10中。
很显然，这会影响切口9附近的局部磁通密度，如图9所示，图9中的定子叠层2与图8所示的定子叠层相同。在切口9内几乎没有任何磁场线，因而切口内的磁通密度几乎为零。在图9中用深蓝色(DB)阴影线表示切口9内的磁通密度。沿叠片平面离开切口区域时，磁通密度逐渐增加至标称值，这一磁通密度变化过程可用颜色表示为：颜色从深蓝色(DB)转变为淡蓝色(LB)、蓝绿色(CN)，并进一步从绿色(GR)变为黄色(GL)。在相邻叠片中，靠近切口时磁通密度增加，这一磁通密度变化过程可用颜色表示为：颜色从黄色(GL)变为桔色(OR)、最后变为红色(RD)。
在这个具体的例子中，涂层比较厚，磁通密度主要仅受相邻叠片10影响。其他叠片对磁通密度影响较小。理论上来说，叠片10中的磁通密度会局部增加至标称值的1.5倍。但是，涂层越薄，磁场线穿透得越深，从而局部磁通密度峰值减小得越多。
从图8和9可得出结论：磁通密度受切口9影响的区域尺寸不会大于几毫米。因而，在输送大的径向控制电流时，局部会出现饱和，但是这对轴承的整体性能影响小。
为了整体恢复初始的磁对称状态，建议将切口9均匀分布在定子叠层2的圆周上。根据图7中的360<°叠片10的可供选择位置，例如能够通过重复方式布置四个360<°叠片10来形成定子叠层2。从而切口9之间的最短轴向距离大致等于叠片10厚度的四倍。
图6所示的360<°叠片结构10设置有与对称轴线相一致的切口9。但是这并不是必须的。相反地，切口不位于对称轴线上会进一步增加切口9之间的最小轴向距离。例如，图10所示的360<°叠片10具有四个磁极5，设置有不与对称轴线相一致的切口9。通过枢转和/或转动叠片10可实现八个不同位置，而磁极5的定位保持不变，如图11所示。通过重复堆叠八个叠片10可形成磁对称定子叠层2，这样切口之间的最短轴向距离为八个叠片厚度之和。
图12示出了仅具有三个磁极5的360<°叠片10，仅有一个切口9设置在对称轴线上。图13示出了枢转图12中的叠片10仅产生三个不同位置，在这三个不同位置上磁极5的方位保持不变。以这种方式叠置叠片之后以使得整个定子叠层保持磁对称，从而切口9之间的最短轴向距离等于三个叠片10的厚度。在这个具体结构中，磁场线仅穿过一个叠片10一定距离，从而切口9附近的磁通密度增大量可能接近50％。
在定子叠层2具有三个磁极5的情况下，为了增加切口9之间的最小轴向间距，需要让切口9不位于对称轴线上，如图14所示。在这种情况下，枢转和/或翻转图14中的叠片10，切口9可位于六个可供选择位置上，而磁极5的定位保持不变，如图15所示。因而切口9之间的最短轴向距离大致为叠片10厚度的六倍。
直到目前，仅给出了具有一个切口9的实例。但本申请并不局限于此。例如，具有四个磁极5的定子叠层2由图16所示的180<°叠片11构成。当合适布置180<°叠片时，两个这种180<°叠片11形成了组合的叠片结构13，该叠片结构相当于具有两个切口9。通过枢转和/或翻转图16所示的180<°叠片11，可以呈现切口9位于不同位置的四种结构布置，而磁极5的方位保持不变，如图17所示。通过在轴向上以重复方式叠置四个180<°叠片11来形成定子叠层2，从而四个180<°叠片11的切口9之间的轴向距离最小。选择这种由180<°叠片11构成的结构而不采用带有一个切口的360<°叠片10，原因在于：可潜在地减少废物例如由冲孔而产生的废物。
请注意，图17中的组合而成的叠片结构13具有两个不位于对称轴线上的切口。如果这些切口位于对称轴线上，那么仅能获得两种可供选择的布置。这表明切口9附近的磁通密度会增加一倍，因而这并不令人满意。如图18所示的120<°叠片12构成的结构具有三个磁极5和三个切口9，对于这种结构也会出现上述类似状况。在此情况下，如果三个切口9不位于对称轴线上，那么仅可能获得两种可能的布置，如图19所示。在此情况下不能使用对称的120<°叠片12，因为这样的话所有切口将都位于对称轴线上。
前述讨论集中于具有三个和四个磁极的一些可供选择的结构。但是，在不失一般性的情况下，相同的设计观点可应用到磁极5数量更多或甚至无任何磁极5的结构设计中。图20给出了无磁极5的叠片10的例子。这种结构例如可用来将致动器目标叠层1组装在旋转部件上。
360<°叠片10上包括一个单独的切口9会大大降低其机械强度。但是，根据本发明的基本原理来叠置叠片时，与不具有切口9的情况相比，所形成的叠层的强度和机械完整性几乎没有被降低。如果采用180<°叠片11或120<°叠片12或其他组合而成的叠片结构13，会很难达到类似的机械属性，但并不是不可能达到。
在前述所有例子中，切口9被径向地形成，如果有磁极5，所述切口会穿过叠层的最薄部分。本发明的主旨思想并不局限于这些具体情况。例如，切口可以穿过磁极5。同样地，通过非径向的笔直切口9或甚至不笔直的切口9来实现物理中断。采用非径向切口的原因是可进一步减小切口附近的磁通密度增加。采用非笔直切口的原因是：叠层在运行中旋转时或通过180<°叠片11或120<°叠片12组装成叠层时，可增强叠层的结构特性。在这类情况下，可以考虑例如使切口9的形状类似鸠尾形结合件，优选地，绝缘垫片材料14置于切口中，以避免产生任何可能的电接触。图21阐明了该设计理念。
在前述内容所包含的所有可能的实施例中，相邻叠片层上的切口9不重合。可稍稍放宽这种条件限制。也可将致动目标叠层1或定子叠层2组装成一系列枢转和/或翻转的子叠层，每一子叠层本身是由至少两个相邻叠片层构成的叠层，具有如下性质：相邻叠片层上的一些切口9或所有切口重叠。此情况下，通过将全部切口9均匀分布在整个叠层的圆周上可保持磁对称。在这样所形成的结构中，磁场能在切口附近经过相邻的子叠层找到一条低磁阻路径。但是，在这种结构中，由于磁场线必须穿过更多涂层，因而布置结构就不太令人满意。另一方面，本发明的设计理念可形成可行的设计方案来解决结构问题。
本发明并不局限于上述或附图所示的叠片芯的实施例的结构，但是，在不脱离本发明范围的情况下，能以各种形状和尺寸来制造这种叠片芯。

Claims (11)

1.永磁铁偏置或电流偏置的组合式径向-轴向磁推轴承的定子或转子的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述叠片芯(1-2)包括各个平坦的软磁叠片(10-11-12)构成的稳固叠层，所述各个叠片(10-11-12)均具有大体圆环形结构以及所述大体圆环形结构中的至少一个物理中断部(9)，其中所述至少一个物理中断部(9)在所述各个平坦的软磁叠片所处的平面中物理性地中断循环电流，其中，由各个平坦的软磁叠片构成的所述稳固叠层形成圆柱形结构，其中所述圆柱形结构构造为在所述稳固叠层中形成磁对称；其中，所述至少一个物理中断部(9)中填充有电绝缘材料(14)，并且其中：
－相邻叠片(10-11-12)上的所述至少一个物理中断部(9)相对于彼此枢转。
2.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述各个叠片(10-11-12)均不相互电接触。
3.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述至少一个物理中断部(9)是笔直和径向布置的。
4.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述至少一个物理中断部(9)是笔直、但不是径向布置的。
5.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述至少一个物理中断部(9)的形状类似鸠尾形结合件。
6.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述稳固叠层的截面显示无磁极(5)。
7.根据权利要求1所述的叠片芯(1-2)，其特征在于：所述稳固叠层的截面显示具有一个以上的叠片(11-12)。
8.一种制造叠片芯的方法，该叠片芯用于组合式径向-轴向磁推轴承的定子或转子，其特征在于该方法包括以下步骤：
－提供一组平坦的软磁叠片(10-11-12)，所述软磁叠片(10-11-12)均具有大体圆环形结构；
－设置第一软磁层，以获得至少一个物理中断部(9)而用于中断感应的循环电流，其中所述至少一个物理中断部(9)布置在各个所述软磁叠片(10-11-12)的大体圆环形结构中；
－相对于在前的软磁层来枢转随后的所有软磁层，使得处于相邻的软磁叠片(10-11-12)中的所述至少一个物理中断部(9)相对于彼此旋转；
－固定所形成的软磁层的组。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述至少一个物理中断部(9)的内部布置电绝缘材料(14)。
10.一种制造叠片芯的方法，该叠片芯用于组合式径向-轴向磁推轴承的定子或转子，其特征在于该方法包括以下步骤：
－提供一组平坦的软磁叠片(10-11-12)，所述软磁叠片(10-11-12)均具有大体圆环形结构以及所述大体圆环形结构中的至少一个物理中断部(9)；
－组装第一子叠层；采用如下方式来组装所述第一子叠层：通过设置第一组软磁层以使得每一叠片层上产生用于中断感应循环电流的所述至少一个物理中断部(9)并使得所有相邻叠片层上的所述至少一个物理中断部重叠；
－组装随后的子叠层；采用如下方式来组装随后的子叠层：以与采用第一组软磁层来组装第一子叠层相同的方式布置随后的多个软磁层，但是随后的带有多个软磁层以及所述至少一个物理中断部(9)的所有子叠层相对于先前的带有多个软磁层的子叠层进行枢转；
－固定所形成的软磁层的组。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：在所述至少一个物理中断部(9)的内部布置电绝缘材料(14)。
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