CN105650114B - 磁性轴承及其制造方法和包括这种磁性轴承的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性轴承(1)，其包括：磁性底座(10)；安装在所述磁性底座(10)上的至少三个致动器线轴(20)；以及与所述致动器线轴(20)相关联的磁性传感器(30)。根据本发明，在所述致动器线轴(20)和所述磁性传感器(30)中的至少一个磁性系统(20；30)共同包括：线圈保持器(21；31)；卷绕在所述线圈保持器(21；31)上的线圈(22；32)；以及集成到所述线圈保持器(21；31)并且被设计用于插入至少一根导线(91；92)的连接器设备(80；180)。本发明还涉及一种包括这种磁性轴承(1)的装置和一种用于制造这种磁性轴承(1)的方法。

Description

磁性轴承及其制造方法和包括这种磁性轴承的装置
技术领域
本发明涉及一种磁性轴承。本发明还涉及一种包括这种磁性轴承的装置。本发明还涉及一种用于制造这种磁性轴承的方法。
背景技术
以已知的方式，磁性轴承可以集成到旋转装置，诸如飞轮、涡轮分子泵、涡轮膨胀机、涡轮压缩机、鼓风机、主轴、冷却器等。例如，飞轮被设计用来存储旋转能量。配备有传统轴承的飞轮的旋转速率被限制到几千RPM(每分钟转数)，而安装有磁性轴承的飞轮可达到十万RPM。
WO-A-2008/039256公开了磁性轴承的一个例子，其包括致动器和传感器。由电磁体形成的致动器被设计为支撑和定位旋转设备，诸如旋转轴。传感器被设计为控制致动器的操作。磁性轴承还包括用于传输能量或信号的电线。
通常，磁性致动器和传感器包括由铜线制成并卷绕在线圈保持器上的磁性线圈。今天，制造这种磁性轴承的方法包括手动操作。磁性线圈被手动地卷绕在线圈保持器上。此外，磁性线圈之间的电连接是手动完成的。此外，磁性轴承的不同组成部分的装配是手动完成的。因此，采用这些方法来制造磁性轴承的劳动时间和成本都不能完全令人满意，特别是对于高产量来说。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的磁性轴承。
为此，本发明涉及一种磁性轴承，其包括：磁性底座；安装在磁性底座上的至少三个致动器线轴(bobbins)；以及与致动器线轴相关联的磁性传感器。根据本发明，在致动器线轴和磁性传感器中的至少一个磁性系统共同包括：线圈保持器；卷绕在线圈保持器上的线圈；以及集成到线圈保持器并且设计用于插入至少一根导线的连接器设备。
由于本发明，制造磁性轴承的劳动时间和成本被降低。连接器设备被直接地集成到线圈保持器，从而使导线更容易插入并且使磁性系统更容易彼此连接。优选地，所述连接器设备被构造为避免焊接操作。磁性轴承的总体制造过程更简单并且更快捷。
有利地，所述线圈可在自动绕线机中自动地卷绕到线圈保持器上，在所述自动绕线机中，构成线圈的导线已插入到连接器内。与手动卷绕相比，自动卷绕减少了制造磁性轴承的劳动时间，并且增加了高产量的可行性。此外，自动卷绕提高了致动器和传感器的电特性和磁特性的重复性。
根据本发明有利但不是强制性的其它方面，这种磁性轴承可包括以下特征中的一个或几个：
-线圈保持器支撑单个线圈。特别地，致动器线轴的线圈保持器支撑单个线圈。
-线圈保持器包括两个平行板和一个中心部分，所述线圈被卷绕在两平行板之间的中心部分上。
-线圈保持器包括两个横向部分，每个横向部分支撑一个线圈。特别地，磁性传感器的线圈保持器支撑两个线圈。
-线圈保持器包括连接所述两个横向部分的铰链。
-线圈保持器的每个横向部分包括两个平行板和一个中心部分，线圈被卷绕在两平行板之间的中心部分上。
-磁性轴承包括：致动器子组件，其包括设置有至少三个致动器角(horn)的磁性底座，每个致动器角接收属于致动器线轴中的一个的致动器线圈；以及传感器子组件，其设置有至少三个传感器角，每个传感器角接收属于磁性传感器中的一个的传感器线圈。
-传感器子组件包括支撑所述磁性传感器的检测环和接收所述检测环的支架。
-磁性致动器的线圈保持器包括凹部，其在线圈内延伸并且接收电磁体。
-线圈保持器包括用于接收连接器设备的插槽。
-线圈保持器由塑料材料制成。
-连接器设备是绝缘体位移连接器。
-连接器设备是连体(siamese)绝缘体位移连接器，包括用于插入不同导线的相似的相对连接部分。
-连接器设备包括直引脚和用于插入导线的连接部分。
-磁性轴承包括四对致动器线轴。
-磁性轴承是径向作用(active)磁性轴承。
-磁性轴承是轴向作用磁性轴承。
本发明还涉及一种包括上文提到的磁性轴承的装置，例如飞轮、涡轮分子泵、涡轮膨胀机、涡轮压缩机、鼓风机、主轴或冷却器。
本发明还涉及一种用于制造上文提到的磁性轴承的方法。所述制造方法至少包括以下步骤：
(a)将没有线圈的线圈保持器定位在自动绕线机中；
(b)将指定为形成线圈或多个线圈的导线的第一端插入到线圈保持器内；
(c)将所述导线绕线圈保持器自动地卷绕，以形成线圈或多个线圈；
(d)将导线的第二端插入到线圈保持器内；以及
(e)将连接器设备结合到线圈保持器，使得导线自动地插入连接器设备内。
优选地，所述制造方法还至少包括以下步骤：
(f)对磁性轴承的每个致动器线轴和/或每个磁性传感器执行步骤(a)至(e)；
(g)将致动器线轴安装到磁性底座上以形成致动器子组件；以及
(h)将致动器子组件与传感器子组件组装，以形成磁性轴承。
附图说明
下面参照附图对本发明进行解释，附图仅作为说明性示例，并不限制本发明的目的。在附图中：
-图1是根据本发明的径向型磁性轴承的透视图；
-图2是图1的磁性轴承的分解透视图，包括致动器子组件、传感器子组件和两个盖部分；
-图3是更大比例的图2致动器子组件的透视图，其包括磁性致动器线轴；
-图4是更大比例的图3磁性致动器线轴的另一透视图；
-图5是更大比例的图2传感器子组件的透视图，其包括磁性传感器线轴；
-图6是组装好的图5传感器子组件沿箭头VI的仰视图。
-图7和图8是更大比例的图5和图6磁性传感器线轴的不同透视图；
-图9是示出连接器设备的沿图6的IX-IX线的局部剖视图；以及
-图10是类似于图9的剖视图，其示出了连接器设备的第二实施例。
具体实施方式
图1至图9示出了根据本发明的磁性轴承1及其构成元件。更精确地，图1至图9示出了径向作用磁性轴承1的静态部分，而为了简单起见未示出转子部分。
如图1和图2中所示，磁性轴承1定心在中心轴线X1上，并且包括致动器子组件2、传感器子组件3和两个盖部分8。磁性轴承1具有模块化结构，这使得其制造过程更简单并且更迅速。磁性轴承1还包括用于传送能量或信号的电线90。子组件2或3被构造为在磁性轴承1的内部形成磁回路。
致动器子组件2包括磁性致动器底座10，所述磁性致动器底座设置有径向向内突出的致动器角16。致动器子组件2还包括安装在致动器角16周围的磁性致动器线轴20。致动器子组件2对每个致动器角16包括一个致动器线轴20。所述传感器子组件3包括检测环4，所述检测环包括设置有径向向内突出的传感器角46的磁性传感器底座40。检测环4还包括安装在传感器角46周围的磁性传感器线轴30。检测环4对每两个传感器角46包括一个传感器线轴30。传感器子组件3还包括接收检测环4的支架5。盖部分8设置有用于装配磁性轴承1的联锁腿9。
如图3和图4所示，磁性致动器底座10包括定心在轴线X1上的环12。底座10包括设置在环12内用于接收致动器线轴20的四个存放处(lodgments)14。两个角16在各存放处14中从环12朝向轴线X1延伸。换句话说，底座10包括沿环12并且围绕轴线X1分布的八个角16。每个角16具有朝向轴线X1的弯曲内表面18。共同地，表面18位于定心在轴线X1上的圆柱体上，并限定用于接收磁性轴承1的转子部分的空间。底座10优选地由形成独特的磁性材料块的Fe-Si层叠金属堆叠制成。底座10被加工以形成环12、存放处14、角16和表面18。因此，角16与环12一体地形成。
每个致动器线轴20包括线圈保持器21和卷绕在保持器21上的磁性线圈22。保持器21由绝缘塑料材料制成，优选地是用30％的玻璃纤维(PA66GF30)增强的聚酰胺塑料。线圈22由单根导线制成，优选地是漆包铜线。
保持器21包括通过中空的中心部分25连接的两个平行板23和24。线圈22卷绕在板23与24之间的部分25上。保持器21包括在部分25内形成并且在每个板23和24中间打开的凹部26。换句话说，凹部26延伸穿过保持器21，并且在线圈22内延伸。凹部26被设计为接收角16。在目前情况下，角16和部分25具有矩形横截面。保持器21还包括垂直于后板23和轴线X1的两个后板27。每个板27包括半圆柱体271，其包括半孔272。当两个保持器21耦合时，半圆柱体271形成完整的圆柱体和用于接收紧固螺钉的完整孔。保持器21还包括连接部分28，其包括两个平行插槽29。每个插槽29被设计为接收连接器80，如在下文详述。
在实践中，当电流通过线圈22时，相关联的角16被磁化，因此产生磁通变化，从而导致围绕保持器21布置的线圈22的张力变化。磁性轴承1包括四对角16和四对线圈22，其在操作中形成四个磁回路。
如图5和图6所示，磁性传感器底座40包括定心在轴线X1上的环41，和设置在环41内用于接收传感器线轴30的四个存放处42。类似于致动器底座10，两个传感器角46在各存放处42中从环41朝向轴线X1延伸。换句话说，底座40包括沿环41并且围绕轴线X1分布的八个角46。每个角46具有面向轴线X1的弯曲内表面。共同地，角46的内表面位于定心在轴线X1上的圆柱体上，并限定用于接收磁性轴承1的转子部分的空间。底座40优选地由形成独特的磁性材料块的Fe-Si层叠金属堆叠制成。底座40被加工以形成环41、存放处42和角46。因此，角46与底座40一体地形成。
支架5包括定心在轴线X1上的环51、形成在环51内的四个凸部52、从凸部52朝向轴线X1延伸的四个突起53。在环41装配在环51内时，凸部52和突起53形成用于接收传感器线轴30的存放处54。支架5还包括从环51相对着轴线X1延伸的四个径向突片55，和从突片55平行于轴线X1向上和向下延伸的四个轴向板坯(slab)56。当子组件2和3被定位在盖部分8之间时，板坯56被设计为接触地接收底座10的底部。支架5还包括用于接收紧固螺钉的四个螺纹凸耳58。存放处54和板坯56绕轴线X1偏移90度角，而存放处54和凸耳58相对于轴线X1径向地对齐。优选地，支架5由铝合金制成。
如图7和图8所示，每个传感器线轴30包括线圈保持器31和卷绕在保持器31上的两个磁性线圈32。图7和图8示出了在下文中详述的不同构造中的保持器31。保持器31由绝缘塑料材料制成，优选地是用30％的玻璃纤维(PA66GF30)增强的聚酰胺塑料。线圈32是用单根金属导线共同制成的，优选的是漆包铜线。
保持器31包括通过中间柔性铰链25连接的两个横向部分311和312。每个部分311和312包括通过中空的中心部分35连接的两个平行板33和34。各线圈32卷绕在板33与34之间的部分35上。每个部分311和312包括在部分35内形成并且在每个板33和34中间打开的凹部36。换句话说，凹部36延伸穿过保持器31，并且在线圈32内延伸。凹部36被设计为接收传感器角46。部分311的凹部36具有中心轴线X311，而部分312的凹部36具有中心轴线X312。每个部分311和312还包括垂直于后板33的两个后板37。每个部分311和312还包括连接部分38，其包括两个平行插槽39。每个插槽39被设计为接收连接器80，如下文详述。
在实践中，每个角46通过转子的旋转而被磁化，因此产生磁通变化，从而导致围绕保持器31布置的线圈32中的张力变化。磁性轴承1包括四对角46和四对线圈32，其在操作中形成四个磁回路。
形成线圈32的铜线在所述线圈之间邻近铰链313延伸。换句话说，铜线具有连接在铰链313旁的线圈32之间的中间股320。铜线具有插入到两个连接器80内的两个端部，一个结合到部分311，一个结合到部分312。
图7示出了在卷绕步骤的最后的传感器线轴30，其中，保持器31的部分311和312处于第一构造中。部分311和312的板34是彼此平行的，同时轴线X311和X312是对齐的。塑料引线314形成在部分311的板34上，与铰链313相对。板37和/或引线314设计为被卷绕机的工具抓住。保持器31可绕轴线X311和X312旋转，使得线圈32能够立刻被自动地卷绕在保持器31的部分35上。连接线圈32的铜线的中间股320示出在铰链311的前面。
图8示出了在安装步骤的开始的传感器线轴30，所述安装步骤在卷绕步骤之后执行，部分311和312处于第二构造中。部分311和312已经相对于彼此在铰链313处枢转，使得部分311和312的板34彼此对准，同时轴线X311和X312是平行的。引线314已被移除。铜线的端部321被示出为插入到连接器80内，所述连接器集成到部分311上。在这种构造中，传感器线轴30可以安装在底座40上。
在实践中，通过线轴30和角46形成的传感器被设计用来控制由线轴20和角16形成的致动器的操作。传感器线轴30被连接到控制单元，其为了简化目的而未被示出。当安装磁性轴承1时，每个传感器线圈32沿着由轴线X1限定的轴向方向位于致动器线圈22旁边。角16和46、致动器线圈22和传感器线圈32是成对耦合的，从而允许磁性轴承1转子部分的径向位置控制。
如图9所示，连接器80被设计用于插入两个不同的导线91和92。更精确地，连接器80被设计用于接收和自动约束导线91和92，而无需焊接操作。导线91是设计用于形成卷绕在保持器31上的线圈32的漆包线。图8示出了导线91的端部321。导线92是设计用于将附近的传感器线轴30彼此连接的铠装线。插槽39首先接收导线91，然后接收连接器80，然后接收导线92。
连接器80是连体绝缘体位移连接器，包括用于插入导线91和92的类似的相对连接部分81和82。连接器80由导电金属合金制成，优选地是铜，更精确地是后镀锡黄铜。连接器80通过装配到设计到那里的插槽39中而集成到线圈保持器31。部分81朝向插槽39的底部定向，而部分82朝向插槽39底部的对面定向，即朝向插槽39的入口部分。部分81和82通过中间部分84连接，所述中间部分设置有用于锁定在插槽39中的横向翅片85。每个部分81和82包括两个横向突片86，各自包括横向刚性元件87和中心夹持元件88。夹持元件88在导线91或92插入它们之间时弹性变形。当连接器80被插入到插槽39内时，金属丝91被自动地接收并约束在突片86之间。有利地，漆包线91可以被自动地剥开，即当导线91接收在突片86之间时，漆质被局部地从导线芯移除。
本发明还涉及一种用于制造磁性轴承1的方法。
该制造方法至少包括以下连续步骤(a)、(b)、(c)、(d)和(e)。
步骤(a)在于将没有线圈22或32的线圈保持器21或32定位在自动卷绕机32中。步骤(b)在于将指定为形成线圈22或32的导线91的第一端插入到线圈保持器21或31内，更精确地插入到插槽29或39内。步骤(c)在于将导线91绕线圈保持器21或31自动地卷绕，以形成线圈22或32。线圈保持器21通过卷绕机由板23和/或由板24保持在凹部26内。线圈保持器31通过卷绕机由板33和/或由板34保持在凹部36内。当卷绕完成时，步骤(d)在于将导线91的另一端插入到线圈保持器21或31内，更精确地插入到另一插槽29或39内。有利地，步骤(b)和(d)可以通过卷绕机自动地执行。
步骤(e)在于将至少一个连接器设备80结合到线圈保持器21或31，更精确地在插槽29或39中，使得导线91自动地插入连接器设备80。在实践中，线圈保持器21和31可以在其插槽29或39中接收多个连接器设备80。有利地，由于连接器设备80，属于导线91的绝缘体可以局部地从导线芯除去。优选地，在这个阶段中，连接器设备80被设计为接收第二导线92。
与手动卷绕相比，自动卷绕减少了制造磁性轴承的劳动时间，并增加了高产量的可行性。此外，自动卷绕提高了致动器和传感器的电特性和磁特性的重复性。
此外，所述制造方法通常至少包括以下步骤(f)、(g)和(h)。步骤(f)在于对磁性轴承1的每个致动器线轴20和/或每个传感器线轴30执行步骤(a)至(e)，优选地是对磁性轴承1的每个致动器线轴20和每个传感器线轴30执行步骤(a)至(e)。步骤(g)包括两个子步骤(g1)和(g2)。子步骤(g1)在于将各致动器线轴20安装在磁性致动器底座10上以形成致动器子组件2，其中，各致动器线圈22安装在它的相关角16上。子步骤(g2)在于将各传感器线轴30安装在磁性传感器底座40上以形成传感器子组件3，其中，各传感器线圈32安装在它的相关角46上。步骤(h)在于组装致动器子组件2与传感器子组件3以形成磁性轴承1。
连接器180的第二实施例呈现在图10上。类似于图9的第一实施例的元件具有增加100的引用标号。下文仅描述了相对于第一实施例的区别。
连接器180是绝缘体位移连接器。连接器180包括类似于部分81的第一连接部分181，和设置有直引脚189的第二连接部分182。连接器180包括设置有横向翅片185的中间部分184。连接部分181包括两个横向突片186，各自包括横向刚性件187和中心夹持元件188。连接部分181被设计为将导线插入夹持元件188之间，其为了简化目的而未被示出。连接部分182被设计用于插入到设置有孔197的印刷电路板196中。引脚189被插入到孔197中，然后通过焊接198焊到板196上。
可选地，除连接器80或180之外，线圈保持器21和31可以集成适合于本申请的任何连接器设备。无论连接器设备的类型是什么，它都被集成到线圈保持器21或31中的一个上，从而允许导线的更容易插入和磁性系统20或30的彼此连接。
其它未示出的实施例可以在本发明的范围之内实现。
根据一个未示出的实施例，磁性轴承可具有轴向构造，而不是径向构造。
根据另一未示出的实施例，磁性轴承1可包括不同数量的角16和46、致动器线圈22和传感器线圈32。优选地，磁性轴承1包括成对的角16和46，其接收成对的线圈22和32。在实践中，磁性轴承1包括相同数量的角16和46、致动器线圈22和传感器线圈32。换句话说，每个致动器线圈22与传感器线圈32相关联。
根据另一个未示出的实施例，致动器线轴20可具有保持器21，其包括用于保持两个线圈22的两个部分，类似于保持器31包括用于保持两个线圈32的两个部分311和312。在这种情况下，这两个致动器线圈22与两个传感器线圈32相关联。
根据另一未示出的实施例，传感器线轴30可具有仅支撑一个线圈32的保持器31，类似于保持器21仅支撑一个线圈22。在这种情况下，属于两个传感器线轴30的两个传感器线圈32与两个致动器线圈22相关联。
根据另一未示出的实施例，装备磁性轴承1的磁性传感器可具有与如上所述的传感器线轴30不同的结构。
不管是本发明的哪个实施例，磁性轴承1都包括磁性底座10；安装在磁性底座10上的至少三个致动器线轴20；以及与致动器线轴20相关联的磁性传感器30。根据本发明，在致动器线轴20和磁性传感器30中的至少一个磁性系统包括共同形成单个组件的以下元件：线圈保持器、卷绕在线圈保持器上的线圈、以及集成到线圈保持器上并被设计用于插入至少一根导线的连接器设备。优选地，磁性轴承1的所有致动器线轴20和磁性传感器30都沿着上述路线被设计。
此外，不同实施例的技术特征可以全部或部分地彼此结合。由此，磁性轴承1及其制造方法能够适合于应用的具体要求。

Claims (12)

1.一种磁性轴承(1)，其包括：
-磁性底座(10)；
-安装在所述磁性底座(10)上的至少三个致动器线轴(20)；以及
-与所述致动器线轴(20)相关联的磁性传感器(30)；
在所述致动器线轴(20)和所述磁性传感器(30)中的至少一个磁性系统(20；30)共同包括：
-线圈保持器(21；31)；
-卷绕在所述线圈保持器(21；31)上的线圈(22；32)；以及
-集成到所述线圈保持器(21；31)并且被设计用于插入至少一根导线(91；92)的连接器设备(80；180)，
所述连接器设备(80；180)是绝缘体位移连接器，其被设计用于接收并自动地约束至少一根导线(91；92)，
其中，所述连接器设备(80)是连体绝缘体位移连接器，包括用于插入不同导线(91；92)的相似的相对连接部分(81；82)，或者所述连接器设备(180)包括直引脚(189)和用于插入导线(91)的连接部分(181)。
2.根据权利要求1所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(21)支撑单个线圈(22)。
3.根据权利要求2所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(21)包括两个平行板(23、24)和一个中心部分(25)，所述线圈(22)被卷绕在所述两个平行板(23、24)之间的中心部分(25)上。
4.根据权利要求1所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(31)包括两个横向部分(311、312)，每个横向部分支撑一个线圈(32)。
5.根据权利要求4所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(31)包括连接所述两个横向部分(311、312)的铰链(313)。
6.根据权利要求4或5所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(31)的每个横向部分(311、312)包括两个平行板(33、34)和一个中心部分(35)，所述线圈(32)被卷绕在所述两个平行板(33、34)之间的中心部分(35)上。
7.根据权利要求1所述的磁性轴承(1)，包括：
-致动器子组件(2)，其包括设置有至少三个致动器角(16)的磁性底座(10)，每个致动器角接收属于所述致动器线轴(20)中的一个的致动器线圈(22)；以及
-传感器子组件(3)，其设置有至少三个传感器角(46)，每个传感器角接收属于所述磁性传感器(30)中的一个的传感器线圈(32)。
8.根据权利要求1所述的磁性轴承(1)，其中，所述线圈保持器(21；31)包括用于接收所述连接器设备(80；180)的插槽(29；39)。
9.根据权利要求1所述的磁性轴承(1)，包括四对致动器线轴(20)。
10.一种包括根据权利要求1所述的磁性轴承(1)的装置。
11.一种用于制造根据权利要求1所述的磁性轴承(1)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
(a)将没有线圈(22；32)的所述线圈保持器(21；31)定位在自动绕线机中；
(b)将指定为形成所述线圈(22)或多个线圈(32)的导线(91)的第一端插入到所述线圈保持器(21；31)中；
(c)将所述导线(91)绕所述线圈保持器(21；31)自动地卷绕，以形成所述线圈(22)或多个线圈(32)；
(d)将所述导线(91)的第二端插入到所述线圈保持器(21；31)中；以及
(e)将所述连接器设备(80；180)结合到所述线圈保持器(21；31)，使得所述导线(91)自动地插入所述连接器设备(80；180)中，
所述连接器设备(80)是连体绝缘体位移连接器，包括用于插入不同导线(91；92)的相似的相对连接部分(81；82)，或者所述连接器设备(180)包括直引脚(189)和用于插入导线(91)的连接部分(181)。
12.根据权利要求11所述的方法，还至少包括以下步骤：
(f)对所述磁性轴承(1)的每个致动器线轴(20)和/或每个磁性传感器(30)执行步骤(a)至(e)；
(g)将所述致动器线轴(20)安装在所述磁性底座(10)上以形成致动器子组件(2)；以及
(h)将所述致动器子组件(2)与传感器子组件(3)组装以形成所述磁性轴承(1)。
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