CN107630270B - 一种磁浮轴承结构纺纱转子的转子轴及对应纺纱转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自由端纺纱装置(1)内纺纱转子(2)的转子轴(4)，该纺纱转子(2)位于一个磁浮轴承结构(8)中，并通过一个电动机形式的独立驱动装置(5)来驱动，该转子轴(4)具有的多部件结构包括至少一个中心件(15)和至少两个环绕该中心件(15)的外部件(16)。中心件(15)和外部件(16)在转子轴(4)的轴向上前后相邻排布。中心件(15)具有一个空腔(17)，其中布置有一个与电动机形式的独立驱动(5)内的定子(10)共同作用的永磁体(18)。一个自由端纺纱装置(1)的纺纱转子(2)包括一个转杯(3)和一个上述转子轴(4)。

Description

一种磁浮轴承结构纺纱转子的转子轴及对应纺纱转子

技术领域

本发明涉及一种用于自由端纺纱装置内纺纱转子的转子轴，该纺纱转子位于一个磁浮轴承结构中，并通过一个电动机形式的独立驱动装置来驱动。该转子轴具有的多部件结构包括至少一个中心件及至少两个围绕该中心件的外部件。所述中心件和所述外部件在转子轴轴向上前后相邻排布。此外本发明还涉及自由端纺纱装置内一个相应的纺纱转子。

背景技术

目前，特别是随着当前自由端纺纱装置的转子转速越来越高，可达到每分钟150,000转及以上的范围，纺纱转子及其转子轴通常支承在一个磁轴承结构中。此类磁轴承结构包括例如两个间隔开的径向磁性轴承，每个轴承包括激励线圈(供给线圈)和轴承磁铁。此外，在纺纱转子的转子轴上设置有永磁体，其与轴承磁铁或径向磁轴承共同作用，并与纺纱转子的转子轴一起旋转。此外，在转子轴中还配备有一个用来驱动转子轴的独立驱动装置的转子。例如在专利文件EP 1966421 B1中描述了此类带磁轴承结构的纺纱转子。磁轴承结构和转子轴驱动的部件构造使得此类自由端纺纱转子的制造，以及它们在自由端纺纱装置中的安装变得十分复杂。因此，通常此类纺纱转子的转杯和转子轴间的连接是可拆分的，以便在纺纱过程中容易更换纺纱元件。

在此类磁轴承结构的另一个难点在于，在运行过程中纺纱转子在磁浮轴承结构中所需的径向定心和轴向定位。专利文件DE 102014104531 A1为此描述了一种包括主动径向磁轴承和被动轴向磁轴承的磁轴承结构。在此，转子轴由多个部分组成，其中在径向轴承区域使用铁磁性材料，在径向轴承以外的区域使用非铁磁性材料。通过非磁性区域与磁性区域的分离，实现转子轴在运行过程中的精确轴向定位。其驱动装置的实施例在该文件中没有进行描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转子轴，其易于制造，并且可以以简单的方式安装在自由端纺纱装置上。此外，还提供了一种相应的纺纱转子。

本发明目的可通过如下技术方案所描述内容得以实现。具体地：

一个自由端纺纱装置纺纱转子的转子轴，其具有多部件结构，该纺纱转子位于一个磁浮轴承结构中，并通过一个电动机形式的独立驱动装置来驱动。该转子轴包含至少一个中心件及至少两个环绕该中心件的外部件。所述中心件和所述外部件在转轴轴向上前后相邻排布。

所述中心件具有一个空腔，用于设置一个与电动机形式的独立驱动装置内的定子共同作用的永磁体。通过将与独立驱动装置的定子共同作用的永磁体设置在所述中心件的空腔中，可以在转子轴的安装中直接放入永磁体，从而不需要任何额外的步骤来安装永磁体。此外，通过永磁体在空腔内的布置，转子轴没有向外凸起的部分，从而使得转子轴能更容易地安装在自由端纺纱装置中。在此有利的方式是，所述转子轴的多部件实施例能够让转子轴的各个部件对应其功能来生产，并根据此来使用合适的材料。

而优选地，当永磁体在轴向上借助于一个外部件完成在中间件内的定位，转子轴的安装就会特别简单。在此它仅需要将永磁体插入空腔中。在安装了对应的外部件后，永磁体就会相对于中间件进行正确定位，因而也会相对于自由端纺纱装置的定子进行正确定位。

进一步优选地，是转子轴的一个改进方案，该转子轴具有一个额外的用于连接转子轴和转杯的连接件。连接件必须仅用于转子轴和转杯的连接，因此具有简单的结构，也从而能够容易地制造出来。在此就不需要制造像单体式转子轴那样要求的形状复杂的部件。另外，当外部件不需要包含与转杯的连接功能时，也能够拥有较为简单的结构。

此外有利的是，在制造转子轴或转子轴的单个部件时，转子轴包含了一个第一外部件，其具有一个传递力矩的耦合装置，特别是一个齿耦合装置，用于转子轴和转杯的力矩传递连接。因为第一外部件仅需要实现将力矩传递到转杯的功能，而不用于稳固转杯和转子轴的连接，所以它可以具有更简单的结构，从而以更有利的方式完成生产。

同样有利的是，转子轴包含了一个第二外部件，其在远离耦合装置的前端具有一个接收架，特别是一个圆柱形凹座，用于接收永磁体。用于轴向磁轴承的永磁体由此可以以容易的方式嵌入转子轴。

在此特别有利的是，在凹座布置有一个不可磁化材料，例如非铁磁性材料、特别是铝材制成的的插入套筒，用于接收所述永磁体。通过插入套筒可以保证，只有插入的永磁体会和轴向轴承产生相互作用，从而使轴向轴承和转子轴端部的距离始终保持稳定。

根据本发明的另一有利的实施例是，至少所述外部件和所述中心件被焊接在一起，特别是通过激光焊接在一起。由此转子轴的单个部件能够以特别高的精度连接，从而变形的风险相对较小。当然同样也可考虑其他连接外部件和中间件的方式，例如胶合的方式。

根据本发明的一个特别优选的实施例，可将所述连接件设计成管状，并具有一个特别是筒状的第一连接区，通过该区域与第一外部件相连，和一个最好同样也是筒状的第二连接区，通过该区域与转杯相连。由此可以低成本地制造所述连接件。同时连接件或转子轴的组装也变得容易，仅需要将管状的连接件推到所述转子轴的外部件上。

若连接件设计成管状，则特别有利的还包括，耦合装置至少在径向上布置在筒状的第二连接区内。从而耦合装置可以受到保护，避免纤维飞絮和其它污染物，也避免机械损伤。原则上当然也可考虑，将所述耦合装置在径向上设置在所述筒状的连接区域外。

根据本发明另一个优选的改进方案，所述连接件或某一外部件可具有一个轴向上的紧急轴承支持面(支承面或支撑面)，特别是一个轴承环。在轴向轴承出现故障的情况下，该支持面在自由端纺纱装置内与之互补设计的支持面上转动，两个支持面形成一个低摩擦的配合。

特别有利的是，将轴承环热装(热压装配)到所述连接件或某所述一外部件中，这也使得出现磨损时可更换轴承环。

此外特别有利的是，所述支持面，特别是轴承环，由金属材料制成，特别是由铝材制成。但也可考虑，所述支持面由一种合成材料或一种复合材料制成。

转子轴的至少一个中心件由不可磁化材料制成，优选地由非铁磁性材料制成，特别是由高级优质钢材料制成，使得内置的永磁体和独立驱动装置的定子不会互相干扰。或者在另一个实施例中，所有中心件由非铁磁性材料制成。但在本发明范围内也可使用一种合成材料或一种复合材料。此外还可考虑，中心件由3D打印的材料制成，在制造后还可以进行切削加工。

在此有利的是，至少两个外部件和/或连接件由可磁化材料制成，优选地由铁磁性材料制成，特别是由高强度钢或不锈钢材料制成。所述高强度钢在此优选地为一种具有355N/mm2的最小屈服强度的材料。这种材料具有高强度，由此提供给转子轴在运转过程中超过每分钟150,000转的转速所需要的稳定性。同时，外部件的铁磁性材料和径向磁轴承也可相互作用。

此外，通过将中心件设计成非铁磁性材料以及将外部件设计成铁磁性材料的实施例，确保了纺纱转子在磁轴承结构中的正确轴向定位。

此外有利的还是，中心件具有一个用于接收第一外部件的第一接收区，和一个用于接收第二外部件的第二接收区。由此使得外部件和转子轴的中心件更容易接合。在此优选地将所述接收区做成筒状或者圆柱状，使得外部件可容易地接合到中心件上，或者插在中心件上。

此外有利的是，中心件和外部件具有相同的外径。由此使得转子轴可毫无困难地插入到自由端纺纱装置或从装置中移出。

基于上述转子轴的优点，当自由端纺纱装置的纺纱转子具有这样的转子轴时也是有利的。

同样的，基于本发明的纺纱机应具有上述或下述设备特征，并且这些特征可以单个或在随机组合中得以体现。

根据本发明的另一个方面，还提供一种纺纱转子，其包括一个转杯和一个如上描述的转子轴。

附图说明

通过阅读参照以下非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出的是一个自由端纺纱装置的剖面示意图；

图2示出的是一个自由端纺纱转子的转子轴的剖面示意图；

图3示出的是一个替代实施例的转子轴的剖面示意图；以及

图4示出的是一个转杯的透视图。

标号说明

1自由端纺纱装置； 2纺纱转子；

3转杯； 4转子轴；

5独立驱动装置； 6转子壳体；

7驱动装置壳体； 8磁轴承结构；

9径向磁轴承； 10定子；

11支持面； 12轴承环；

13插入套筒； 14轴向轴承；

15中心件；

16a第一外部件； 16b第二外部件；

17空腔； 18永磁体；

19连接件； 20耦合装置；

21接收架； 22圆柱形凹座；

23a第一接收区；

23b第二接收区；

24a第一连接区； 24b第二连接区

具体实施方式

为了更好的使本发明清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1示出的是一个自由端纺纱装置1的剖面示意图。自由端纺纱装置1包含一个纺纱转子2，该纺纱转子2可通过一个独立驱动装置5驱动，并可旋转地支承在一个磁浮轴承结构8中。在这里纺纱转子2以这样的方式布置在自由端纺纱装置1中，它的转杯3在一个真空的转子壳体6中旋转，而纺纱转子2的转子轴4从转子壳体6延伸至驱动装置壳体7中。在驱动装置壳体7中布置有独立驱动装置5和磁轴承结构8。图1所示的磁轴承结构8包括两个布置在两端的径向磁轴承9，设计为主动磁轴承，以及同样设计成主动磁轴承的轴向轴承14。但没有强制要求将轴向轴承14也设计成主动磁轴承。它同样也可以设计成空气轴承或者推力轴承。

所述独立驱动装置5包括一个带定子绕组的定子10，在图1中布置在两个径向磁轴承9之间。此外独立驱动装置5还包含一个永磁体18，其与纺纱转子2的转子轴4相连，使得转子轴4构成独立驱动装置5的转子。纺纱转子2的转子轴4在此具有一个多部件结构，将借助于下述图2说明。

图2示出的是转子轴4的剖面示意图。根据前文描述它包含至少一个中心件15及至少两个外部件，其在轴向上前后相邻排布。优选地，所述中心件15由不可磁化材料制成， 优选地由非铁磁性材料制成，并具有一个空腔17，在该空腔17中布置有独立驱动装置5的永磁体18。和中心件15相反，两个外部件优选地由磁性材料制成，优选地由铁磁性材料制 成，可与自由端纺纱装置1的径向磁轴承9产生相互作用。因为外部件由铁磁性材料制成， 所以不需要在转子轴4中布置一个永磁环。而且由于转子轴4的多部件结构，使得独立驱动 装置5的永磁体18能够以节省空间、容易装配的方式安装在转子轴4内部，因为中心件15由非铁磁性材料制成，所以也不会影响永磁体18和定子10的相互作用。

在此特别有利的是，转子轴4仅包含一个中心件15及两个外部件，或者至多还有一个用于连接转杯3的连接件19。在此一方面可以让每个外部件或中心件15对应于它们 的功能来制造，同时还使得转子轴4仅由三个或四个部件简单的组装而成。

此外，图2还示出，转子轴4有一个第一外部件16a，其含有一个通过力矩传递连接转杯3(见图4)的耦合装置20。耦合装置20在图中仅示意性地画出。通过第一外部件16a的安装，永磁体18同时实现相对于转子轴4的定位，从而实现相对于自由端纺纱装置1的定位。此外转子轴4有一个第二外部件16b，根据前文描述其包含了一个用于永磁体18(此处未画出)的接收架21。该永磁体18可和一个轴向轴承14(见图1)相互作用。但这样的接收架21只在当轴向轴承14设计成磁轴承时才投入使用。接收架21优选地设计成一个圆柱形的凹座22。

中心件15有一个第一接收区23a，用于中心件15和第一外部件16a的连接，在图中其优选地设计成筒状，这样就仅需将第一外部件16a插入该区域。反之，第一外部件16a为此要有一个设计成与第一接收区23a互补的凸出区域。中心件15有一个第二接收区23b，用于连接对应轴向轴承14的第二外部件16b。在本文中其设计成圆柱状凸出结构，这样就仅需将第二外部件16b接合在与之互补的第二接收区23b中即可。显然，第一接收区23a和第二接收区23b的阐述仅作示例理解。在另一个优选实施例中，同样可以考虑，两个接收区23a、23b设计为筒状，或者两个接收区23a、23b也可设计为圆柱状的凸出。最后，在另一个优选实施例中，所述接收区23a、23b也不一定是圆柱状，可以具有不同的几何形状。将所述接收区23a、23b设计成圆柱状可以使得装配变得简单。第一外部件16a、第二外部件16b和中心件15优选地通过激光焊接接合在一起，从而使转子轴4具有高精度和良好的同心度。

此外根据前文描述，转子轴4还具有一个连接件19，用于与未画出的转杯3连接。设置一个额外的连接件19能够以有利的方式来加工第一外部件16a和引入传递力矩的耦合装置 20，特别在图3中可以看出。与所画的图示不同，也不一定需要将传递力矩的耦合装置20连接在外部件上。它同样可以连接在连接件19上。

图3示出的是另一个带耦合装置20的转子轴4的实施例。图3的转子轴在结构上基本对应于图2，因此以下只会对两幅图的差异部分进行更详细的描述。如图3所示，这里也是永磁体18被设置在一个筒状的空腔17中，并在那通过第一外部件16a实现轴向定位，该第一外部件16a包含有一个用于将力矩传递给转杯3的耦合装置20。在图中耦合装置20设计成齿耦合装 置的形式。齿耦合装置能够以特别有利的方式接入第一外部件16a的前端，因为在组装连接件19 前该前端是可自由装配的。

然而在此处未示出的另一个实施例中，耦合装置20也可设计成一个单独的耦合件的形式，其可以插在第一外部件16a的孔里，或者也可以插在连接件19的第一连接区24a中，特别是以压制或者胶合、粘合的方式。在此也可以考虑，将单独的耦合件设计成相应形状的永磁体18，可将转杯3轴向固定在转子轴4上。

如图3进一步所示，在图中的接收架21中布置有一个在插入套筒13内的永磁体18，该插入套筒13由非铁磁性材料、如铝材制成，这保证了在轴向轴承14中有预定的轴向间隙。

连接件19也如图2一样设计为管状或者筒状，从而能够以特别简单的方式制造和组装。为了能安装在转子轴4或第一外部件16a上，连接件19具有一个第一连接区24a，其优选被设计为筒状，并只在与之为互补设计的第一外部件16a的圆柱状凸出上移动。连接件19和第一外部件16a的连接同样最好是激光焊接。

连接件19还具有一个用于连接转杯3的筒状的第二连接区24b。因此转杯3可以容易地插进连接区24b中。在这里转杯3可以容易地连接转子轴4，因为转杯3被筒状的连接区24b引导，从而容易和耦合装置20连接。

连接件19的筒状设计，也有利于在径向和轴向上保护布置在连接件19内的耦合装置20。当然，以这样方式与转杯3相连的连接件19不是必须的。耦合装置20也可设计成不仅用来传递力矩，同时也用来连接转杯3。最后还可以考虑，不将连接件19布置在转子轴4上，而是布置在转杯3上。

此外在本文中转子轴4还具有一个轴承环12，其含有一个轴向上的紧急轴承支持面11。该支持面11设计成沿轴向的环形，并和自由端纺纱装置1的一个相应的支持面相互作用。然而也可以考虑，作为图3示出的轴承环12的一个替换方案，在转子轴4的前端区域布置一个轴向上的紧急轴承支持面11。

图4示出的是根据本发明的一个优选实施例一个转杯3，其带有一个与转子轴4的耦合装置20互补的齿轮结构的耦合装置20。此外，在转杯3中还设置有一个永磁体18，其让插入转子轴4连接区24b的转杯3在转子轴4的轴向上保持固定。当然，也可以和图中所示描述不同，为了转杯3的轴向固定，考虑将永磁体18布置在转子轴4的耦合装置20区域或者第一外部件16a区域。

在此，图示的转子轴4具有以下优势，铁磁性材料的外部件使得不需要在转子轴 4上设计额外的永磁环。而且非铁磁性材料的中间件15的多部件设计使得永磁体18可以安装在转子轴4的内部。而转子轴4具有恒定直径的光滑外表面，使其容易被安装在自由端纺纱装置1中。因为本文中的转子轴4仅由三个或包括连接件的四个部件构成，所以尽管是多部件设计，仍可以容易的方式组装起来。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。尽管上述由三个部件以及额外的连接件19构成的实施例是极具优势的，还是可以将例如每个中间件15和外部件设计成两部件结构，或者在其他优选实施例中可以设置多于两个的外部件。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (26)

1.一种用于自由端纺纱装置(1)内磁浮轴承结构纺纱转子(2)的转子轴(4)，该纺纱转子(2)支承在一个磁浮轴承结构(8)上，并通过一个电动机形式的独立驱动装置(5)来驱动，其中，该转子轴(4)具有的多部件结构包括至少一个中心件(15)及至少两个环绕该中心件(15)的外部件，所述中心件(15)和所述外部件在所述转子轴(4)的轴向上前后相邻排布，其特征在于，所述中心件(15)具有一个空腔(17)，其中设置有一个与所述电动机形式的独立驱动装置(5)内的定子(10)共同作用的永磁体(18)，

所述中心件(15)具有一个用于接收第一外部件(16a)的第一接收区(23a)，和一个用于接收第二外部件(16b)的第二接收区(23b)，其中，所述第一接收区(23a)、所述第二接收区(23b)呈筒状或圆柱状，

所述转子轴(4)的至少一个所述中心件(15)由不可磁化材料制成，所述外部件由可磁化材料制成并且与所述自由端纺纱装置(1)的径向磁性轴承(9)相互作用，确保纺纱转子在磁浮轴承结构（8）中的正确轴向定位，且不需要在所述转子轴4中布置一个永磁环；

所述中心件(15)通过胶合连接所述第一外部件(16a)以及所述第二外部件(16b)。

2.根据权利要求1所述的转子轴(4)，其特征在于，所述转子轴(4)具有一个额外的用于连接所述转子轴(4)和转杯(3)的连接件(19)。

3.根据权利要求2所述的转子轴(4)，其特征在于，所述连接件(19)由可磁化材料制成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的转子轴(4)，其特征在于，该转子轴(4)具有一个第一外部 件(16a)，其包含一个传递力矩的耦合装置(20)，用于所述转子轴 (4)和转杯(3)的力矩传递连接。

5.根据权利要求4所述的转子轴(4)，其特征在于，所述耦合装置(20)为齿耦合装置。

6.根据权利要求4所述的转子轴(4)，其特征在于，所述第二外部件(16b)远离所述耦合装置(20)的前端包含有一个接收架(21)，用于接收所述永磁体(18)。

7.根据权利要求6所述的转子轴(4)，其特征在于，所述接收架(21)为圆柱形凹座(22)。

8.根据权利要求7所述的转子轴(4)，其特征在于，所述凹座(22)设置有一 个非铁磁性材料做的插入套筒(13)，用于接收所述永磁体(18)。

9.根据权利要求8所述的转子轴(4)，其特征在于，所述非铁磁性材料为铝制材料。

10.根据权利要求1至3中任一项或5至9中任一项所述的转子轴(4)，其特征在于，至少所述外部件和 所述中心件(15)是被焊接在一起的。

11.根据权利要求10所述的转子轴(4)，其特征在于，至少所述外部件和 所述中心件(15)是通过激光焊接被焊接在一起的。

12.根据权利要求2或3所述的转子轴(4)，其特征在于，所述连接件(19)被设计 成管状，所述连接件包括一个第一连接区(24a)和一个第二连接区(24b)，通过所述第一连接区(24a)与所述第一 外部件(16a)相连，通过所述第二连接区(24b)与所述转杯(3) 相连。

13.根据权利要求12所述的转子轴(4)，其特征在于，所述第一连接区(24a) 为筒状，所述第二连接区(24b)为筒状。

14.根据权利要求5至9中任一项所述的转子轴(4)，其特征在于，所述耦合装置(20)至少 沿着所述筒状的第二连接区(24b)内的径向设置。

15.根据权利要求14所述的转子轴(4)，其特征在于，所述耦合装置(20)沿着所述筒状的第二连接区(24b)内的径向和轴向两个方向设置。

16.根据权利要求4所述的转子轴(4)，其特征在于，所述耦合装置(20)至少沿着所述筒状的第二连接区(24b)内的径向设置。

17.根据权利要求16所述的转子轴(4)，其特征在于，所述耦合装置(20)沿着所述筒状的第二连接区(24b)内的径向和轴向两个方向设置。

18.根据权利要求2或3或13所述的转子轴(4)，其特征在于，所述连接件(19)或所述外部件中的任一个具有一个轴向上的紧急轴承支持面(11)。

19.根据权利要求18所述的转子轴(4)，其特征在于，所述轴向上的紧急轴承支持面(11)为一轴承环(12)。

20.根据权利要求19所述的转子轴(4)，其特征在于，所述轴承环(12)由金属材料制成。

21.根据权利要求20所述的转子轴(4)，其特征在于，所述金属材料为铝材料。

22.根据权利要求1至3中任一项或5至9中任一项或11或13或15至17中任一项或19至21中任一项所述的转子轴(4)，其特征在于，所述不可磁化材料为高级优质钢材料。

23.根据权利要求1至3中任一项或5至9中任一项或11或13或15至17中任一项或19至21中任一项所述的转子轴(4)，其特征在于，所述可磁化材料为不锈钢材料。

24.根据权利要求23所述的转子轴(4)，其特征在于，所述不锈钢材料为高强度钢。

25.根据权利要求1至3中任一项或5至9中任一项或11或13或15至17中任一项或19至21中任一项或24所述的转子轴(4)，其特征在于，所述中心件(15)和所述外部件具有相同的外直径。

26.一种纺纱转子(2)，其特征在于，包括一个转杯(3)和一个根据权利要求1至25中任一项所述的转子轴(4)。

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