CN110475981B - 具有通量增强的磁性径向轴承 - Google Patents

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Abstract

一种磁性轴承(20)具有：转子(22)，所述转子(22)被支撑用于绕轴线(502)旋转；以及定子(24)，所述定子(24)从第一端(30)延伸到第二端(32)。所述定子具有：周向外绕组(50)；周向内绕组(52)；在所述内绕组与所述外绕组之间的径向间距(54)；多个层叠体齿部(84A、84B、86A、86B)；以及分别环绕所述多个齿部中的相应的相关联齿部的多个径向绕组(34A、34B、36A、36B)。多个磁通量路径分别与所述多个径向绕组相关联，并且：径向穿过所述相关联的绕组；轴向穿过所述径向间距；从所述径向间距径向穿过到所述转子；并且沿所述转子轴向穿过。

Description

具有通量增强的磁性径向轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月1日提交的且标题为“Magnetic Radial Bearing withFlux Boost”的美国专利申请号62/480,409的权益，如同详细阐述一样，所述美国专利申请的公开内容以引用方式整体并入本文中。
背景技术
本公开涉及磁性轴承。更特别地，本公开涉及用于涡轮机中的电磁轴承。
在主动磁性轴承中存在发展良好的技术。2011年7月7日公布的美国专利申请公布2011/0163622A1(US ‘622)公开了提供径向和轴向支撑的电磁轴承。对于轴向支撑，定子具有由轴向护铁在外径(OD)处接合的一对相反轴向磁极。轴向线圈周向地缠绕在护铁的内侧并形成通过轴向磁极和护铁的通量路径，其中轴向磁极之间的内侧间隙通过由间隙内的转子层叠堆形成的致动器目标来跨越。
一般来说，在轴向线圈的径向内侧，US ‘622定子包括由层叠堆形成的径向致动器磁极组件。此层叠堆具有完整环状外环部分和多个径向向内的突出部，所述多个径向向内的突出部中的每一者由相关联的径向控制线圈缠绕。一对永磁环在径向致动器磁极组件的相反轴向端处与其相邻，并夹在径向致动器磁极组件与轴向磁极之间。
一般来说，在相对侧处形成一对径向通量回路，所述一对径向通量回路从US ‘622致动器目标径向前进通过径向磁极组件，轴向向外转向通过永磁体，并且然后径向向内转向通过相关联的轴向磁极，轴向向内转回以进入致动器目标的端，并且然后径向向外转回。因此，一对具有相反符号的径向通量被轴向通量回路环绕。
另一个四径向磁极径向轴承配置涉及径向且周向而非轴向地穿过的通量路径。在这个配置中，可以在若干条件之间进行切换。一个组涉及带有通过一对相反磁极的中心直径支路和周向穿过围绕另一对的相应磁极的护铁的两个周向支路的通量路径。两对因此形成两种可能的此类路径，其中每个路径有两个可能的方向。另外，另一个组涉及第一通量路径支路，所述第一通量路径支路径向穿过一个磁极，周向转向以穿过护铁到达两个相邻磁极中的一个磁极，并且然后径向向回返回通过该相邻磁极以在轴中与第一支路会合。
2016年2月15日提交的且标题为“Magnetic Bearing”并在2016年9月1日公布为WO/2016/137775(WO ‘775公布)的PCT/US2016/017943公开了利用永磁体偏置和电磁体偏置的磁性径向/推力轴承，如同详细阐述一样，所述PCT公布的公开内容以引用方式整体并入本文中。
2016年8月31日提交的且标题为“Magnetic Thrust Bearing”的美国专利申请号62/381,746公开了组合永磁体偏置和电磁体偏置的磁性推力轴承，如同详细阐述一样，所述美国专利申请的公开内容以引用方式整体并入本文中。
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，所述转子被支撑用于绕轴线旋转；以及定子，所述定子从第一端延伸到第二端。所述定子包括：周向外绕组；周向内绕组；在所述内绕组与所述外绕组之间的径向间距；多个层叠体齿部；以及分别环绕所述多个齿部中的相应的相关联齿部的多个径向绕组。多个磁通量路径分别与所述多个径向绕组相关联，并且：径向穿过所述相关联的绕组；轴向穿过所述径向间距；从所述径向间距径向穿过到所述转子；并且沿所述转子轴向穿过。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括在所述内绕组与所述外绕组之间的金属芯。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：一个或多个另外的层叠体，所述内绕组轴向地位于所述另外的层叠体与所述多个层叠体齿部之间。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述内绕组和所述外绕组串联连接以在相反的周向方向上传递电流。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述轴承不具有永磁体。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述磁性轴承是无推力轴承。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：DC电源，所述DC电源连接到所述内绕组和所述外绕组。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：多个H桥放大器，所述多个H桥放大器耦接到所述多个径向绕组。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：一种用于使用所述磁性轴承的方法。所述方法包括：使电流流过所述多个径向绕组，以便控制所述转子的径向位置。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述多个径向绕组包括沿直径相对的第一对绕组和与所述第一对绕组正交的沿直径相对的第二对绕组。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述第一对绕组和所述第二对绕组各自由相应的相关联H桥放大器供电。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：使电流流过所述内绕组和所述外绕组以产生磁通量。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述使电流流过所述内绕组和所述外绕组包括使单路所述电流在相反的周向方向上流动。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：所述使电流流动包括：使电流流过所述第一对绕组中的一个绕组以增强所述磁通量，同时使电流流过所述第一对绕组中的另一个绕组以抵消所述磁通量。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括一种机器，所述机器包括所述轴承。
本公开的另一个方面涉及一种用于操作磁性轴承的方法，所述磁性轴承包括：转子，所述转子被支撑用于绕轴线旋转；以及定子，所述定子从第一端延伸到第二端。所述定子包括：周向外绕组；周向内绕组；在所述内绕组与所述外绕组之间的径向间距；以及多个径向绕组。所述方法包括：使电流在相反的周向方向上流过所述内绕组和所述外绕组以产生磁通量。
本公开的另一个方面涉及一种用于提供径向磁性轴承中的磁通量的方法，所述径向磁性轴承包括：转子，所述转子被支撑用于绕轴线旋转；以及定子，所述定子从第一端延伸到第二端。所述定子包括周向绕组和多个径向绕组。所述方法包括：使电流流过所述周向绕组以产生磁通量。
另一个实施方案可另外和/或可替代地包括：使电流流过所述多个径向绕组，以便周向有区别地影响所述磁通量。
一个或多个实施方案的细节在附图和以下描述中阐明。其他特征、目标和优点将从描述和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1是压缩机中的电磁轴承的局部、部分示意、中心纵向轴向截面图。
图2是沿图1的线2-2截取的轴承的横截面图。
图3是沿图1的线3-3截取的轴承的横截面图。
图4是沿图1的线4-4截取的轴承的横截面图。
图5是示出永磁体通量的示意性中心纵向截面中间磁通量图。
图6是示出组合的永磁体通量和电磁体通量的示意性中心纵向截面中间磁通量图。
图7是用来为一个或多个线圈供电的H桥放大器的示意图。
各个附图中的相同附图标号和名称指示相同元件。
具体实施方式
图1示出具有转子22和定子24的轴向同级轴承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在标称上通常重合；然而，轴承可吸收转子轴线相对于定子轴线的轻微偏置。磁性轴承可用于涡轮机(例如，压缩机)中，其中定子安装到外壳或压缩机的壳体(或以其他方式与其集成)并且转子安装到压缩机的轴(或以其他方式与其集成)。定子横向中心面被示出为510并且通常重合的转子横向中心面被示出为512。出于示意性说明的目的，外壳或壳体被示出为26并且轴被示出为28。示例性压缩机是离心式压缩机。
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)。如下文进一步讨论的，示例性轴承是纯径向轴承并且不是轴向轴承或推力轴承。替代性实现方式可与轴向轴承特征部集成。另外，示例性实施方案在机械上为关于中心面510、512对称的端对端。如下文进一步讨论的，可存在更复杂的型式，所述型式可以是非常机械对称的并且还可能是非常电对称的(例如，线圈的整体布局是对称的)，但是线圈的缠绕和电连接部可能是不对称的以便提供所描述的控制。
在示例性径向轴承中，存在四个径向线圈：正交的两对沿直径相对的两个线圈。在图2中示出的X-Y参照系中，存在一对X线圈34A、34B和一对Y线圈36A、36B。图2还示出转子与定子之间的局部径向间隙38。如下文进一步讨论的，在操作时，磁通量穿过各位置处的间隙38以将净力施加在转子上。以一种方式给X线圈通电在正X方向上施加力并且以相反方式给X线圈通电在负X方向上施加力。类似地，以一种方式给Y线圈通电在正Y方向上施加净力并且以相反方式给Y线圈通电在负Y方向上施加力。控制可响应于与轴承集成或以其他方式与轴承相关联的常规径向位置传感器(未示出)。给定对中的示例性线圈可串联电连接或单独进行控制，使得通过它们的电流形成对抗或辅助DC偏置场(下文讨论的)的径向控制场。
定子包括以径向间距54彼此同轴径向间隔开的周向外绕组50(图1)和周向内绕组52。如下文进一步讨论的，绕组50和52可被配置来诸如通过缠绕的引导在彼此相反的周向方向上传递电流。在示出的实例中，绕组是电串联的并且可由在端子56与端子58之间延伸的单股线或一束线形成。在示例性配置中，线的节段60在内绕组52与端子56之间延伸，并且线的节段62在外绕组与端子58之间延伸。线的区段64径向跨越间隙/间距54以串联连接两个绕组50和52。因此，当电流320施加在端子56与端子58之间时，它会以一个周向方向在一个绕组中穿过并且以相反的周向方向在另一个绕组中穿过。如下文讨论的，这可用来提供基准偏置。在示例性实施方案中，内绕组在金属芯70(例如，软磁性钢)的径向内侧，并且外绕组在所述金属芯70的径向外侧。相应绕组可被封装在封装剂74、76(诸如可选地纤维增强型模塑聚合物)中。金属套筒或护套78可外接封装剂74以便于(例如，通过压力配合、键控互相配合等)安装到涡轮机外壳26。
示例性环70被形成为连续的完整环状单件而不是分段的。环70具有ID面和OD面以及相反的轴向端面。分别与线圈34A、34B、36A、36B相关联并由其环绕的多个层叠齿部(图2)84A、84B、86A、86B从ID面径向向内延伸。示例性层叠体(和下文讨论的其他层叠体)是钢板(例如，软磁性钢或硅钢)的轴向堆。层叠体的使用相对于单块钢减少了涡流损失。线圈内的层叠体充当芯。
示例性齿部具有ID面和OD面、相反的轴向端面以及相反的周向端面。ID面沿间隙38的中心部分38-2下倾。OD部分可承载用于安装到环70的附接特征部。示例性附接特征部100是齿部的OD面上的与环的ID表面中的燕尾形凹槽或通道102配合的燕尾形突出部。组合起来，齿部84A、84B、86A、86B可被指定为第二端层叠体。在一些实现方式中，可存在单个第二端层叠体，这样使得(例如)外径部分是完整环状的并且齿部从其径向向内延伸。这种组件可以通过收缩配合(例如，加热环，使层叠体滑入并且然后冷却环)安装在环70中。图4示出第一端层叠体齿部94A、94B、96A、96B，其可类似地形成第一端层叠体。第一端层叠体齿部还可承载径向线圈。然而，在这个示例性实施方案中，不存在环绕这些齿部的线圈/绕组。因此，可能的进一步变型将会基本上具有没有单个齿部的完整环状结构。
回到图1，示例性转子22包括在其外径(OD)表面上承载层叠体146的金属芯144。示例性层叠体146是全长的以便于制造。层叠体的轴向地位于齿部之间的部分可以是基本上无功能的并且可以被整体式钢或其他填充材料替代。
图5示出居中穿过轴承20的沿直径相对的一对第二端齿部和线圈的示意性纵向剖视图。在截面中，示出两个通量回路550A、550B。这些各自用单线而不是各自用像等值线图中的多条线来示意性示出。另外，尽管一条虚线路径被示出为通过每个层叠堆，但它会是穿过层叠堆的通量的分布。在图5中，未给径向线圈通电，但给周向绕组通电。因此，附图的上半部中的场与下半部中的场是对称的。在示例性实施方案中，DC电流530(图2)从附图在内绕组的图7片材的上半部中的平面流出，并流入附图在外绕组的片材的上半部中的平面中。
图6示出如图6中所观察到的由径向线圈的电磁偏置修改以在转子上施加向上力的场。具体地，在这种方向上给所示出的线圈通电以使得他们的相关联磁通量增强片材的上半部中的回路，并且抵消下半部中的回路。所施加电流的示例性大小足够显著，从而使得下半部中的净通量550Aʹ相对于图5方向相反。因此上通量环550Bʹ通过比图5中更大的线宽被示意性示出为具有增加的通量。这种增加的通量的净效应是沿片材在向上方向上向转子施加力。
电气硬件可包括用于控制线圈34A、34B、36A、36B中的电流的传统H桥，诸如WO‘775公布中所公开的。图7示出用于为周向绕组供电的DC电源830和用来为一个或多个径向线圈供电的若干H桥放大器840中的一个。这些可由控制器200控制或与控制器200集成。在一个实例中，单个恒定DC电流通过DC电源830流过内绕组和外绕组。
直接连接DC电源的替代方案涉及DC-DC转换器，以便能够控制电流的大小。
在一个实例中，每个H桥放大器840具有单个相关联的线圈并且反之亦然。这允许为线圈独立供电，使得可向每个线圈施加不同电流大小。放大器840具有并联连接到电压源844的两个支路或分支841和842。示例性电压源844是恒定DC电压源并且可被不同线圈的H桥放大器共享。
线圈的端子880和882跨两个支路841和842的中心位置进行连接。到达每个支路的每一侧(高电压和低电压)的端子880、882通过相应开关装置851、852、853、854和二极管861、862、863、864的并联组合连接到电压源。示例性开关装置是栅控开关装置，诸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可表示单个线圈的端子。可替代地，给定对中的线圈可能由单个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，并且线圈的其他端子彼此连接。
替代性实施方案可在两个相应对的线圈或给定对的两个线圈之间具有不对称性。例如，可能需要提供基准向上偏置。此外，另外替代性实施方案可能具有两对之外的配置(例如，处于120°间隔的三个线圈和相关联齿部。类似地，示例性实施方案具有相同的内绕组和外绕组的线匝数。然而，其他实施方案可能具有不对称性，其中一个中的线匝多于另一个中的线匝。
图7还示出控制器200。控制器可与涡轮机(例如，电压缩机)的控制器集成或由所述涡轮机的控制器提供作为整体或系统(例如，制冷系统)。控制器可从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如在各种系统位置处的压力传感器和温度传感器以及特别用于轴承控制的径向位置传感器(例如，如WO ‘775公布中所示出的)和轴向位置传感器)接收用户输入。控制器可通过控制线路(例如，硬连线或无线通信路径)耦接到传感器和可控制系统部件(例如，阀、轴承、压缩机电机、轮叶致动器等)。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来进行操作方法的程序信息，并且用于存储由一个或多个程序使用或生成的数据)；以及用于与输入/输出装置和可控制系统部件对接的硬件接口装置(例如，端口)。示例性控制是如WO ‘775公布中所公开的。
如下文讨论的，可存在对定子和/或转子的各种进一步修改。修改的一个方面涉及内绕组和外绕组的布置。例如，在轴向横截面中，可使用绕组的其他布局。为了更为有效和通量逐步转向，环70可以具有弧形中心纵向截面(例如，外凸和内凹，其中绕组的单个线匝沿袭该形状)。然而，此类配置可能趋于径向扩展轴承并且从包装的角度来看是低效的。其他修改可包括包装效率的电/磁效率。此类系统的实例可包括反转凹面和凸面，使得环70的中心部分相对于轴向端部分径向向内凹入。
可以在转子上进行多种其他变型。例如，2017年4月1日提交的共同未决的美国专利申请号62/480405公开了转子轴承永磁体的若干实例，如同详细阐述一样，所述美国专利申请的公开内容以引用方式整体并入本文中。因此，类似的转子磁体可用来增强图5的基线DC感应通量。类似地，可诸如通过将轴向极化永磁环定位在内线圈与外线圈之间的径向间距内(例如，占据环70中的周向通道)来在定子上提供永磁体增强。
与不同的替代性现有技术轴承对比，各种实现方式可具有若干优点中的一个或多个。DC绕组和任何添加的磁体提供另外的通量增强。例如，在各种实施方案中，这种增强可允许使用非稀土磁体，或者如图1中所示出的，避免使用所有永磁体。特别地，避免使用稀土磁体限制了成本。这降低了成本。稀土磁体的特征在于使用稀土元素(诸如镝、铽、铕、钕、钐和钇)的磁体。那些元素的组合含量将通常为按重量计至少10.0%(例如，10.0%至50.0%)或至少20.0%。钕通常是稀土磁体的主类(钕磁体)中的关键元素，因此，尤其按重量计，非稀土磁体可能具有低于10.0%的此元素。另一类是钐钴磁体(例如，按重量计，通常15%至45%的钐)。因此，在非稀土磁体中，钐按重量计也可能低于15.0%或10.0%。示例性非稀土磁体是铁氧体/陶瓷磁体、磁钢、锰铋、氮化铁等。然而，其他实施方案可使用稀土磁体或组合。
在描述和以下权利要求中，使用“第一”、“第二”等仅仅是为了在权利要求内进行区分，而不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，在权利要求中将一个元件标识为“第一”(或诸如此类)并不排除这种“第一”元件去标识在另一项权利要求中或在描述中被称为“第二”(或诸如此类)的元件。
已描述了一个或多个实施方案。尽管如此，应当理解，可做出各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，此类配置或其相关联用途的细节可影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也在以下权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种磁性轴承(20)，其特征是所述磁性轴承包括：
转子(22)，所述转子(22)被支撑用于绕轴线(502)旋转；以及
定子(24)，所述定子(24)从第一端(30)延伸到第二端(32)，并且包括：
周向外绕组(50)；
周向内绕组(52)；
在所述内绕组与所述外绕组之间的径向间距(54)；
多个层叠体齿部(84A、84B、86A、86B)；以及
多个径向绕组(34A、34B、36A、36B)，所述多个径向绕组(34A、34B、36A、36B)分别环绕所述多个齿部中的相应的相关联齿部；以及
多个磁通量路径，所述多个磁通量路径分别与所述多个径向绕组相关联，并且：
径向穿过所述相关联的绕组；
轴向穿过所述径向间距；
从所述径向间距径向穿过到所述转子；并且
沿所述转子轴向穿过。
2.如权利要求1所述的磁性轴承，其还包括在所述内绕组与所述外绕组之间的金属芯(70)。
3.如权利要求1所述的磁性轴承，其还包括一个或多个另外的层叠体(94A、94B、96A、96B)，所述内绕组轴向地位于所述另外的层叠体与所述多个层叠体齿部之间。
4.如权利要求1所述的磁性轴承，其中：
所述内绕组和所述外绕组串联连接以在相反的周向方向上传递电流(530)。
5.如权利要求1所述的磁性轴承，其中所述轴承不具有永磁体。
6.如权利要求1所述的磁性轴承，所述磁性轴承是无推力轴承。
7.如权利要求1所述的磁性轴承，其还包括：
DC电源(830)，所述DC电源(830)连接到所述内绕组和所述外绕组。
8.如权利要求7所述的磁性轴承，其还包括：
多个H桥放大器(840)，所述多个H桥放大器(840)耦接到所述多个径向绕组。
9.一种用于使用如权利要求1所述的磁性轴承的方法，其特征是所述方法包括使电流流过：
所述多个径向绕组，
以便：
控制所述转子的径向位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中：
所述多个径向绕组包括沿直径相对的第一对绕组和与所述第一对绕组正交的沿直径相对的第二对绕组。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述第一对绕组和所述第二对绕组各自由相应的相关联H桥放大器供电。
12.如权利要求10所述的方法，其还包括：
使电流(530)流过所述内绕组和所述外绕组以产生磁通量(550A、550B)。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述使电流流过所述内绕组和所述外绕组包括使穿过所述内绕组的电流和穿过所述外绕组的电流在相反的周向方向上流动。
14.如权利要求12所述的方法，其中：
所述使电流流动包括：
使电流流过所述第一对绕组中的一个绕组以增强所述磁通量，同时使电流流过所述第一对绕组中的另一个绕组以抵消所述磁通量。
15.一种机器，所述机器包括根据权利要求1所述的轴承。
16.一种用于操作磁性轴承(20)的方法，其特征是所述磁性轴承包括：
转子(22)，所述转子(22)被支撑用于绕轴线(502)旋转；以及
定子(24)，所述定子(24)从第一端(30)延伸到第二端(32)，并且包括：
周向外绕组(50)；
周向内绕组(52)；
在所述内绕组与所述外绕组之间的径向间距(54)；以及
多个径向绕组(34A、34B、36A、36B)，
所述方法包括：
使电流(530)在相反的周向方向上流过所述内绕组和所述外绕组以产生磁通量(550A、550B)。
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