CN109690099B - 磁性止推轴承 - Google Patents

Abstract

一种磁性轴承(20)，包括：转子(22)，所述转子将被支撑为绕轴线(502)旋转；定子(24)，所述定子从第一端(30)延伸到第二端(32)，并且包括：一个或多个第一永磁体(110)；一个或多个第二永磁体(112)，所述一个或多个第二永磁体的极性基本上与所述一个或多个第一永磁体的极性相反；第一轴向绕组(34)；第二轴向绕组(36)；第一端杆(120)；以及第二端杆(122)。

Description

磁性止推轴承

相关申请的交叉引用

要求保护2016年8月31日提交并且名称为“磁性止推轴承(Magnetic ThrustBearing)”的美国专利申请No. 62/381,746的权益，其公开内容以全文引用的方式并入本文中，如同详细阐述一样，并且本申请是2016年2月15日提交并且名称为“磁性轴承(Magnetic Bearing)”的PCT/US2016/017943的部分继续申请，其要求于2015年2月26日提交并且名称为“磁性轴承(Magnetic Bearing)”的美国专利申请No. 62/121,443的权益，这些申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中，如同详细阐述一样。

背景技术

本公开涉及磁性轴承。更具体地说，本公开涉及用于涡轮机的电磁轴承。

成熟的技术存在于主动磁性轴承中。2011年7月7日公开的美国专利申请公开2011/0163622A1公开了一种提供径向和轴向支撑的电磁轴承。对于轴向支撑，定子具有一对相对的轴向杆，所述轴向杆通过轴向背铁在外径(OD)处接合。轴向线圈周向地包裹背铁的内侧并且形成穿过轴向杆和背铁的磁通路径，其中轴向杆之间的内侧间隙被由间隙内的转子叠片堆叠形成的致动器目标跨越。

在轴向线圈的径向内侧，定子包括由叠片堆叠形成的径向致动器杆组件。此叠片堆叠具有完整的环形外环部分和多个径向向内的凸起，每个凸起由相关联的径向控制线圈包裹。在径向致动器杆组件附近在其相对轴向端处，一对永磁体环夹持在径向致动器杆组件与轴向杆之间。

在从致动器目标径向行进通过径向杆组件、通过永磁体轴向向外转弯、接着径向向内穿过相关联的轴向杆、轴向向内转回以进入致动器目标的末端并且接着径向向外转回的相对侧处产生一对径向磁通回路。因此，一对相反正负号的径向磁通量被轴向磁通回路包围。

另一四径向杆径向轴承配置涉及径向和周向而非轴向通过的磁通路径。在此配置中，可以在若干条件之间切换。一组涉及的磁通路径具有穿过一对相对的杆的中心直径支路和两个圆周支路，所述两个圆周支路围绕另一对的相应杆周向地穿过背铁。所述两对因此产生两个可能的如下路径：每个路径具有两个可能的方向。另外，另一组涉及的第一磁通路径支路径向穿过一个杆、周向转弯以穿过背铁到达两个相邻杆中的一者，并且接着径向地返回通过所述相邻杆以与轴中的第一支路相接。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种磁性轴承，所述磁性轴承包括：转子，所述转子将被支撑为绕轴线旋转；定子，所述定子从第一端延伸到第二端，并且包括：一个或多个第一永磁体；一个或多个第二永磁体，所述一个或多个第二永磁体的极性基本上与所述一个或多个第一永磁体的极性相反；第一轴向绕组；第二轴向绕组；第一端杆；以及第二端杆。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体是非稀土磁体。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述磁性轴承是没有径向绕组的止推轴承。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述磁性轴承不含定子叠片。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述转子包括具有径向凸缘的金属芯。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述金属芯径向凸缘承载轴向层叠的金属护套。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一端杆和所述第二端杆径向地延伸到所述轴向层叠的金属护套的内侧。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述凸缘承载：邻近所述第一端杆的径向层叠的第一叠片；以及邻近所述第二端杆的径向层叠的第二叠片。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述径向层叠的第一叠片是连续的环形物；并且所述径向层叠的第二叠片是连续的环形物。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述金属芯径向凸缘承载环形磁体。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述金属芯径向凸缘承载基本上具有径向极化的磁体。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述金属芯径向凸缘承载具有轴向相反极化的一对磁体。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个第一永磁体是第一永磁体环；并且所述一个或多个第二永磁体是第二永磁体环。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一永磁体环是第一连续全环形环；并且所述第二永磁体环是第二连续全环形环。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述定子还包括：中心背铁，所述中心背铁在所述一个或多个第一永磁体与所述一个或多个第二永磁体之间。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述中心背铁在所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组的径向内侧具有内径边缘。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，一种使用磁性轴承的方法包括使电流流过：所述第一轴向绕组；以及所述第二轴向绕组，以便：通过同时为所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组供电来控制轴向力或位置。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组由至少一个H桥放大器供电。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一轴向绕组与所述第二轴向绕组各自由相应的相关联的H桥放大器供电。

在其它实施方案中的一个或多个实施方案中，机器包括所述轴承。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其它特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是压缩机中的电磁轴承的局部示意性局部中心纵向轴向半剖视图。

图2是图1的轴承的示意性中心纵向截面中值磁通图。

图3是压缩机中的第二电磁轴承的局部示意性中心纵向轴向半剖视图。

图4是压缩机中的第三电磁轴承的局部示意性局部中心纵向轴向半剖视图。

图5是压缩机中的第四电磁轴承的局部示意性局部中心纵向轴向半剖视图。

图6是用于为一个或多个线圈供电的H桥放大器的示意图。

各附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了具有转子22和定子24的轴向单极轴承20。定子具有中心纵向轴线500。转子具有中心纵向轴线502。轴线500和502名义上通常重合；然而，轴承可以吸收转子轴线相对于定子轴线的轻微偏移。磁性轴承可以用在涡轮机(例如，压缩机)中，其中定子安装到压缩机的壳体或壳（或以其它方式与其集成)，并且转子安装到压缩机的轴(或以其它方式与其集成)。横向中心平面示出为510。出于示意图的目的，壳体或壳示出为26，并且轴示出为28。

轴承从第一端30延伸到第二端32。定子包括多个线圈(例如，金属线绕组)。为了轴向支撑转子，在第一端附近，定子包括围绕轴线500、502的第一轴向线圈34。在第二端32附近，定子包括也围绕轴线500、502的第二轴向线圈36。围绕轴线500、502的示例性轴向线圈可以串联电连接或单独控制，使得通过它们的电流产生轴向控制场，所述轴向控制场对抗或辅助永磁体偏置场。此永磁体偏置场的方向取决于永磁体110、112的磁化。

定子包括彼此同轴地轴向间隔开的第一永磁体环110(图1)和第二永磁体环112。永磁体环具有基本相反的轴向极性。在此示例中，两个磁体的南极皆向内面向横向中心平面510，并且轴向相对的北极轴向面向外侧/外部。磁环可以是全环状连续环或可以是分段的(下文论述)。制造公差将意味着可能无法实现完全相反的极性。通常，这可以在20°或10°内实现。一些替代配置可能涉及有意地使极性略微偏离轴向，以使得它们可以达到反平行的示例性60°偏离。

每个环110、112具有内径(ID)面、外径(OD)面和相对的轴向端面。环110和112安装在中心背铁70的相对侧(轴向端)处。

环110、112的轴向外侧是相应的端帽或端杆120、122。在此示例中，每个端杆是单个圆周件而非分段的(例如，如PCT/US2016/017943中所论述)。这些端杆各自具有大致C形的半横截面，具有径向外侧套筒部分124、径向延伸的端腹板126和径向内侧套筒部分128。这限定了容纳/收纳相关联的轴向绕组34、36的环形通道。

轴承的任一端上的轴向线圈36、34可以在相反方向上绕轴线500、502周向缠绕。在这种情况下，线圈可以串联连接或单独控制，其中电流相对于轴线500、502在相同的圆周方向上。如果轴向线圈36、34在相同的圆周方向上缠绕，则流过轴向线圈的电流方向必然彼此相反。轴向线圈可以串联连接或通过适当的连接单独控制。

为了径向支撑转子，可以提供一个或多个单独的径向轴承(例如，机械轴承或磁性轴承)。或者，轴承20可以是如PCT/US2016/017943中公开的集成轴承。

示例性转子22包括金属构件159，所述金属构件又包括套筒160与径向向外延伸的凸缘166的组合。套筒从第一端162延伸到第二端164，并且具有内侧或内表面(ID)表面168。ID表面168可以接触轴28的外径(OD)表面29。一个示例性附接机构是金属构件到轴上的热收缩配合。另一机构是键槽和固定螺钉机构。在其它实施方案中，金属构件159与轴可以整体形成为单件。凸缘具有第一轴向端面170和第二轴向端面172以及外径(OD)轮缘表面174。外径表面轮缘174与中心背铁70的内径(ID)表面72隔开间隙176。类似地，面170和172通过间隙190和192与相应端杆120和126的内侧套管部分128的表面180分开。

因此，就轴向轴承而言，图1的示例在转子或定子上没有任何叠片。

图2示出了在横向中心平面510的相应第一侧和第二侧上的永磁体(PM)磁通路径(回路)530、532(在此对称情况下，其形成两个回路之间的分界面)。作为参考，第一磁通路径的描述在环110处轴向开始，在端杆120中轴向向外、径向向内并且轴向向内流动。接着，第一磁通路径穿过轴向气隙190，轴向进入并且径向离开转子凸缘166，径向向外穿过径向气隙176。接着，其进入中心定子杆70的内径表面，在定子杆70中径向向外通过，并且接着轴向向外转弯以返回到环110。

作为参考，第二磁通路径532的描述在环112处轴向开始，在端杆122中轴向向外、径向向内和轴向向内流动。接着，第一磁通路径穿过轴向气隙192，轴向进入并且径向离开转子凸缘166，径向向外穿过径向气隙176。接着，其进入中心定子杆70的内径表面，在定子杆70中径向向外通过，并且接着轴向向外转弯以返回到环112。图2还示出了泄漏路径540和542(参见PCT/US2016/017943)。

当轴向线圈34、36中没有电流时，这两个磁通路径被定义用于稳态条件。在操作中，响应于传感器202感测到的位移，控制器将激励线圈以抵消位移。举例来说，转子在Z方向上从居中状态的位移将导致气隙190在轴向上大于气隙192。在那种情况下，控制器将电流施加到线圈，以使得线圈34中的电流产生磁通量添加到第一回路530中的PM磁通量，从而增大穿过气隙190的磁通量，以增大第一端杆与凸缘之间的吸引力。同时，线圈36中的电流减去第二回路532中的PM磁通量，以减小通过气隙192的磁通量，这又减小了第二端杆与转子凸缘之间的吸引力。这将倾向于将凸缘重新定中心于反馈控制回路中。可以使用各种算法来进行控制。举例来说，这些可以包括电流向上或向下的固定增量调节以及正负号到中心的固定增量调节，或者调节可以与感测到的位移成比例。

电气硬件可以包括传统的H桥，用于控制线圈34和36中的电流，例如在PCT/US2016/017943中。图6示出了用于为一个或多个线圈供电的H桥放大器840。这可以由控制器200控制或与所述控制器集成。在一个示例中，每个H桥放大器840具有单个相关联的线圈，反之亦然。这允许线圈的独立供电，以使得可以对每个线圈施加不同的电流量值。放大器840具有与电压源844并联连接的两个支路或分支841和842。示例性电压源844是恒定DC电压源，并且可以由不同线圈的H桥放大器共享。

线圈的端子880和882连接在两个支路841和842的中心位置上。对于每个支路的每一侧(高压和低压)，端子880、882经由相应开关装置851、852、853、854与二极管861、862、863、864的并联组合连接到电压源。示例性开关装置为栅极控制的开关装置，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。如上所述，880和882可以表示个别线圈34或36的端子。或者，线圈可以由单个H桥放大器串联供电，使得端子880是第一线圈的一个端子，端子882是第二线圈的一个端子，并且线圈的其它端子彼此连接。

图3示出了除以下情况外在其它方面类似于轴承20的替代轴承300：凸缘166由凸缘结构320代替，所述凸缘结构具有由整体金属和若干叠片330、332、334形成的芯部322。芯的示例性端面322是阶梯式的，以容纳叠片330和332。这些叠片分别形成为若干组同心的径向环，一组在另一组内。举例来说，这些叠片可以形成为直径从外侧到内侧逐渐变小的管段。叠片334形成为轴向堆叠的盘，其内径(ID)边界分别接触凸缘芯322的外侧轮缘与叠片330和332中的最外侧环的相邻外径表面。

在操作中，叠片330和332用于减小由用于调节转子轴向位置的控制电流的高频变化引起的涡流的影响。因此，这些叠片减少了由涡流引起的转子损失的影响。叠片334还用于减小涡流和相应损耗的影响，并且从而降低对转子部件的加热。

图4示出了除以下情况外在其它方面类似于系统300的系统400：叠片330、332、334分别用永磁体430、432和434代替。在所示实施方案中，磁体110和磁体112的极性被定向成在中心平面510的每一侧上具有相同的磁通量循环方向，其中两个方向彼此相对。因此，如果磁体110和112具有背离中心平面510的北极性，则磁体430和432具有朝向中心平面的北极性，并且磁体434具有背离轴线500、502的北极性。

图5示出了横跨横向中心平面510具有不对称性的系统600。出于论述的目的，不对称轴承中的横向中心平面的一个示例可以被定义为沿着凸缘166的中心的平面。

示例性图5的实施方案示出了图1实施方案的不对称变体。然而，其它实施方案的不对称版本也是可能的，具有其它不对称性的版本也是可能的。可以选择不对称性以在Z方向上向转子提供基线轴向偏置力以抵消转子上在Z+方向上的负载力F_轴向(例如，由于轴承在压缩机中时的压力差或由于轴定向是竖直时的重力)。

所示的不对称性涉及维持线圈34与36之间的对称性(例如，它们具有相同的匝数并且在相反的方向上承载公共电流)。另外的线圈对称性包括相同的横截面形状、相对于轴线500、502和线的位置。

替代实施方案可以在两个线圈34与36之间具有不对称性。因此，为了提供类似的偏置力方向，如果两个线圈串联供电，则第二线圈36可以具有比第一线圈34更多的匝数。

主要示出的不对称性是在环110与112之间。磁体112可以按一种或多种方式比磁体110更强大和/或具有更大的物理尺寸。在所示实施方案中，磁体可以具有相似的材料和相似的圆周范围，但磁体112具有更大的纵向横截面积。在示例性实施方案中，它们具有类似的纵向尺寸，但磁体112具有更大的径向跨度。在压缩机壳体26或定子的相邻背铁(未示出)基本上限定固定外径的情况下，示例性磁体112因此向内延伸到较小的内径。额外的相关联不对称性是杆122相应地比杆120更大。因此，在示例性实施方案中，第二端杆122的外侧套筒部分124的内侧轮缘表面具有比杆120更大的径向跨度，以对应于磁体112的配合面的相邻尺寸。类似地，内侧套管部分128的端部180较大以适应加宽的磁通量分布。不对称性将有效地将两个磁通量分布的会合平面移动到从横向中心平面510朝向第一端杆轴向移位的位置510'。

示例性叠片是钢板的轴向堆叠(例如，软磁钢或硅钢)。叠片的使用相对于单块钢减少了涡流损失。对叠片和其它部件的物理定向的制造公差可能比极化公差更严格。通常，相关表面将在其标称方向的1.0°或2.0°范围内。然而，可以有意设计更广泛的偏移。

图1还示出了控制器200。所述控制器可以作为整体或系统(例如，制冷系统)与涡轮机(例如电动压缩机)的控制器集成或由其提供。所述控制器可以从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如，各种系统位置处的压力传感器和温度传感器，并且具体地说用于轴承控制，径向位置传感器和轴向位置传感器(例如，单个Z传感器202示出为安装在轴承中))接收用户输入。控制器可以经由控制线(例如，硬连线或无线通信路径)联接到传感器和可控系统部件(例如，阀、轴承、压缩机电机、叶片致动器等)。控制器可以包括一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储供处理器执行以执行操作方法的程序信息并且存储由程序使用或生成的数据)；以及硬件接口装置(例如，端口)，用于与输入/输出装置和可控系统部件介接。

其它变体涉及周向地对永磁体分段。在一些实施方案中，分段可以产生分段的完整环(在各段之间基本上没有周向间隙)。然而，其它值得注意的实施方案涉及由间隙分开的段。在PCT/US2016/017943中论述了这种分段的示例。类似地，例如叠片的其它部件可以是分段的或连续的。表面轴向延伸的叠片330和332的变体是使用金属板的螺旋而非逐渐增大尺寸的金属环的同心组。

利用这样的一对分段永磁体110、112(或者表征为两个周向永磁体阵列)，可以做出许多进一步的变体。在基本变体中，两个圆周阵列中的每一者内的所有磁体具有与这种阵列中的其它磁体相同的极性，其中两个阵列的极性彼此相反。在其它变体中，子单元的个别两个磁体的极性彼此相反，但每个阵列中的磁体不需要是相同的极性。

与不同的替代现有技术轴承相比，各种实施方式可以具有若干优点中的一个或多者。上文论述了磁通量聚焦。举例来说，各种实施方案可以至少对于环110和112使用非稀土磁体。这降低了成本。稀土磁体的特征在于磁体使用稀土元素，例如镝、铽、铕、钕、钐和钇。这些元素的组合含量通常为至少10.0重量%(例如10.0%至50.0%)或至少20.0%。钕通常是主要类别的稀土磁体(钕磁体)中的关键元素，因此非稀土磁体尤其可以具有10.0重量%以下的此元素。另一类是钐-钴磁体(例如，通常15重量%至45重量%的钐)。因此，在非稀土磁体中，钐也可以低于15.0重量%或10.0重量%。示例性的非稀土磁体是铁氧体/陶瓷磁体、铝镍钴合金(alnico)、锰铋、氮化铁等。然而，其它实施方案可以使用稀土磁体或组合。

在说明书和所附权利要求中使用“第一”、“第二”等仅用于在权利要求内进行区分，并且不一定表示相对或绝对重要性或时间顺序。类似地，将一个元件在权利要求中标识为“第一”(等)并不排除这样的“第一”元件标识在另一权利要求中或在描述中被称为“第二”(等)的元件。

如果以英语单位继之以含有SI或其它单位的括号给出度量，则括号的单位是转换，并且不应暗示在英语单位中找不到的精确度。

已经描述了一个或多个实施方案。然而，应理解，可以进行各种修改。举例来说，当应用于现有基本系统时，这种配置的细节或其相关联使用可能影响特定实施方式的细节。因此，其它实施方案在所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种磁性轴承(20)，所述磁性轴承包括：

转子(22)，所述转子将被支撑为绕轴线(502)旋转，所述转子包括具有径向向外延伸的凸缘(166)的金属芯(160、28)，其中所述凸缘(166)具有第一轴向面和第二轴向面(170、172)；

定子(24)，所述定子从第一端(30)延伸到第二端(32)，并且包括：

一个或多个第一永磁体环(110)；

一个或多个第二永磁体环(112)，所述一个或多个第二永磁体环的极性与所述一个或多个第一永磁体环的极性相反；

围绕所述轴线的第一轴向绕组(34)；

围绕所述轴线的第二轴向绕组(36)；

第一端杆(120)；以及

第二端杆(122)；

其中所述凸缘(166)的所述第一轴向面和第二轴向面(170, 172)与所述第一端杆和第二端杆(120、122) 通过间隙(190、192)分开；

其中所述磁性轴承是没有径向绕组的止推轴承。

2.如权利要求1所述的磁性轴承，其中所述一个或多个第一永磁体环和所述一个或多个第二永磁体环是非稀土磁体。

3.如权利要求1所述的磁性轴承，所述磁性轴承不含定子叠片。

4.如前述权利要求中任意一项所述的磁性轴承，其中：

所述金属芯径向凸缘(166)承载轴向层叠的金属护套(334)。

5.如权利要求4所述的磁性轴承，其中：

所述第一端杆和所述第二端杆径向地延伸到所述轴向层叠的金属护套的内侧。

6.如权利要求4所述的磁性轴承，其中所述凸缘 (166) 承载：

邻近所述第一端杆的径向层叠的第一叠片(330)；以及

邻近所述第二端杆的径向层叠的第二叠片(332)。

7.如权利要求6所述的磁性轴承，其中：

所述径向层叠的第一叠片(330)是连续的环形物；并且

所述径向层叠的第二叠片(332)是连续的环形物。

8.如权利要求1所述的磁性轴承，其中：

所述金属芯径向凸缘承载环形磁体(430、432、434)。

9.如权利要求1所述的磁性轴承，其中：

所述金属芯径向凸缘承载具有径向极化的磁体(434)。

10.如权利要求1所述的磁性轴承，其中：

所述金属芯径向凸缘承载具有轴向相反极化的一对磁体(430、432)。

11.如权利要求1所述的磁性轴承，其中所述定子还包括：

中心背铁(70)，所述中心背铁在所述一个或多个第一永磁体与所述一个或多个第二永磁体之间。

12.如权利要求11所述的磁性轴承，其中：

所述中心背铁(70)在所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组的径向内侧具有内径边缘。

13.一种使用如权利要求1所述的磁性轴承的方法，所述方法包括使电流流过：

所述第一轴向绕组；以及

所述第二轴向绕组，

以便：

通过同时为所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组供电来控制轴向力或位置。

14.如权利要求13所述的方法，其中：

所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组由至少一个H桥放大器供电。

15.如权利要求13所述的方法，其中：

所述第一轴向绕组与所述第二轴向绕组各自由相应的相关联的H桥放大器供电。

16.一种机器，所述机器包括如权利要求1所述的磁性轴承。

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