CN115142156A - 转杯纺纱设备的具有转杯轴和轴承单元的纺纱转杯轴承系统 - Google Patents
转杯纺纱设备的具有转杯轴和轴承单元的纺纱转杯轴承系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种转杯纺纱设备的纺纱转杯轴承系统，包括纺纱转杯(2)的转杯轴(10)以及用于转杯轴(10)的径向和轴向组合轴承的轴承单元(1)，转杯轴(10)包括永磁体(20)和端面(18)。轴承单元(1)包括具有第一轴向轭架(11)和第二径向轭架(12)的定子，第一轭架(11)包括第一直径(DJ1)的第一开口(8)，其中布置有凸台(14)。第二轭架(12)包括第二直径(DJ2)的第二开口(9)。第一开口(8)与转杯轴(10)之间形成径向气隙(SR1)。端面(18)与凸台(14)之间形成轴向气隙(SA)。转杯轴(10)的圆周面与第二轭架(12)之间形成另外径向气隙(SR2)，转杯轴(10)的永磁体(20)布置于第一轭架(11)与第二轭架(12)之间。
Description
技术领域
本发明涉及磁轴承技术领域，具体地涉及一种用于支承转杯纺纱设备的纺纱转杯的轴向/径向组合磁轴承，能够同时吸收轴向和径向轴承力。转杯纺纱设备的纺纱转杯轴承系统包括纺纱转杯的转杯轴以及用于转杯轴的径向和轴向组合轴承的轴承单元，其中转杯轴包括第一轴径和第二轴径以及布置于第一轴径与第二轴径之间的至少一个永磁体，并自转杯轴的第一轴径起在永磁体的一侧具有朝向转杯轴的轴线径向延伸的端面。
背景技术
磁轴承能够借助磁力在不发生材料接触的情况下支承轴(这里为转杯轴)。通常由可调节的电磁体产生轴承力。通过适当的反馈和电子调节确保机电系统的稳定性。磁轴承中通常使用了电磁轴承和永磁体的组合。磁轴承既可设计为轴向轴承，又可设计为径向轴承。往往需要在一台机器中组合两种类型的轴承，才能相对于支承轴的旋转轴线吸收轴向和径向上的轴承力。诸如电动机或磁力驱动器等机器一般需要两个或更多个径向轴承和至少一个轴向轴承以便转杯轴保持所需的位置。
专利文献DE 196 42 471 A1揭示了一种具有纺纱转杯的自由端转杯纺纱设备，其转杯轴支承于两对支撑盘的角撑中，通过轴向轴承支撑并由单个电动驱动器作用，该电动驱动器的定子固定至纺纱箱壳。转杯轴配置为中空轴，单个电动驱动器的转子集成于该中空轴内。然而，转杯轴的轴承却极不精确。
专利文献DE 10 2006 053 734 A1揭示了一种自由端纺纱设备的转杯驱动器。转杯驱动器驱动形成机轴的转杯轴和布置于其上的转杯体。转杯轴和转杯体形成用于纺丝的纺纱转杯。转杯轴作为转杯驱动器的转子的一部分并磁性支承于转杯驱动器的两侧上。借助两个永磁环和一个限定的可激励磁轴承线圈来进行支承。借助这些元件和感应传感器，可以调节操作期间自由悬挂的纺纱转杯的轴向位置。这样可以相对准确地确定和保持轴以及纺纱转杯的轴向位置。然而，转杯轴和纺纱转杯的径向位置却在很大的公差范围内变化。然而，为了能够纺出均匀无中断的纤丝，除了轴向位置外，纺纱转杯的径向位置也分外重要。
现代自由端转杯纺纱机中纺纱转杯的转速高达每分钟200000转。这类纺纱转杯具有转杯体，将纤维喂入转杯体，再将其从转杯体中作为纤丝拔出。转杯体的直径可以超过20毫米，最大可达40毫米。在纺纱转杯操作期间，纺纱转杯的转杯体和轴承上的作用力极高。纺纱转杯的稳定无故障支承尤为重要，既要产出尽量均匀的纤丝，又要确保纺纱设备的安全无故障运行。
专利文献WO 93/05310 A1揭示了一种轴向磁轴承。布置于定子的磁极片之间的轴绕有线圈。通过磁场使轴径向居中保持在线圈之间。可以通过主动调节系统来完成支承和定中。
发明内容
本发明的目的是改进利用磁轴承技术支承转杯轴的公知构思。轴承应在轴向和径向上精确，转杯轴应能轻松从轴承上安装和拆装。
为了达成上述目的，本发明提出了独立权利要求的主题。各种实施方案及改进方案请参阅从属权利要求。
根据本发明的转杯纺纱设备的纺纱转杯轴承系统包括纺纱转杯的转杯轴以及用于该转杯轴的径向和轴向组合轴承的轴承单元。转杯轴包括第一轴径和第二轴径以及布置于第一轴径与第二轴径之间的至少一个永磁体。自转杯轴的第一轴径起，在永磁体的一侧布置有朝向转杯轴的轴线径向延伸的端面。轴承单元包括具有第一轭架和第二轭架的定子，其中第一轭架包括第一致动器线圈和具有第一直径的第一开口，该第一开口中布置有朝向第一轭架的轴线径向延伸的凸台。特别是通过第一轭架来实现转杯轴的轴向支承。第二轭架包括至少两个第二致动器线圈和具有第二直径的第二开口。第二轭架特别是用于转杯轴的径向支承。第一轭架与第二轭架在转杯轴的轴向上相互间隔。当转杯轴布置于轴承单元中，在轴承操作期间，第一开口的第一直径大于第一轴径，使得第一开口与转杯轴之间形成径向气隙。转杯轴的端面与第一轭架的凸台相互作用，使得端面与凸台之间形成轴向气隙。第二开口的第二直径大于第二轴径，使得转杯轴的圆周面与第二轭架之间形成另外的径向气隙。转杯轴的永磁体布置于第一轭架与第二轭架之间，以当激励线圈时，在第一轭架的轴向气隙中以及第二轭架的另外径向气隙中均产生偏磁通。
通常，主动磁性径向轴承例如已经通过磁阻力产生了稳定的轴向力，从而一般无需单独的轴向支承轴承。然而，纺纱转杯上仍有大量作用力，这可能导致纺纱转杯从其预设位置移离。这样的缺陷在于，从中产生纱线的纺纱转杯的转杯体的位置变化可能导致纱线不匀，甚至导致纤丝断头。通过使用例如主动磁轴承形式的附加轴向支承轴承，使纺纱转杯轴向支撑到能够补偿作用于其上的轴向力的程度。将纤维喂入转杯时会产生这样的轴向力，例如压制力。另一方面，纺纱转杯在转杯壳体中转动，例如由转杯壳体中存在的吸力产生拉力作用于纺纱转杯上。
根据本发明的纺纱转杯轴承系统用作组合轴承，至少纺纱期间在轴向和径向上无接触。由于转杯轴采取非接触式轴承，纺纱转杯能够节能运行。轴承单元占用的结构空间很小，因为它组合了转杯轴的轴向和径向轴承。轴向和径向轴承协作，从而它们整体上在纺纱操作期间为转杯轴在轴向和径向上提供最佳支撑。利用根据本发明的组合轴承，既可在轴向上又可在径向上实现转杯轴的轴承调节。
有利的是，第一轴径等于或小于第二轴径和/或小于第二开口的直径。这样转杯轴即可至少从一侧插入到组合轴承的轴承单元以及再从组合轴承的轴承单元中移除。这样便于转杯轴的组装和拆装，进而产生具成本效益、易于维护的纺纱转杯轴承系统。
还有利的是，端面轴向封闭转杯轴或者使转杯轴的直径至少自第一轴径起减小。当端面轴向封闭转杯轴时，转杯轴终止于此处，它就位于纺纱转杯轴承系统的轴承单元之内。此处也可以封闭轴承单元，从而降低污染风险。如果转杯轴的直径仅在端面减小，则很可能转杯轴贯穿轴承单元并延续到轴承单元之后。轴承单元即可布置于转杯轴的末端或沿转杯轴的某处。
还有利的是，第一轭架与第二轭架相互连接，特别是经由接片相互连接。这样就能进一步增强轴承单元施加到转杯轴上的磁偏。
还特别有利的是，第二轭架的磁极片在转杯轴的开口区域内通过很薄(例如0.5mm至1mm宽)的磁饱和接片相互连接。由于定子与轴之间气隙中的磁通密度分布非常均匀，这些将相邻磁极片相互连接的磁饱和接片具有使转杯中涡流损耗最小化的效果。磁饱和接片直接布置于极片与开口中转杯轴之间的间隙处。通过磁饱和接片，在定子十字与此间的转杯轴之间产生主磁通，而非围绕转杯轴产生主磁通。
有利的是，转杯轴终止于第一轭架的凸台。这样轴承单元就形成纺纱转杯轴承系统的终端。这既有利于将力沿轴向和径向引入转杯轴，又有利于包括转杯驱动器的整个结构单元的构型以及结构单元在纺纱机的纺纱单元中的布置。替代地，如果转杯轴贯穿第一轭架，则纺纱转杯轴承系统也可以例如布置于其中形成纤丝的转杯体附近。虽然在第一替代方案中纺纱转杯的驱动器位于轴承单元与转杯体之间，但在该第二替代方案中，纺纱转杯的驱动器布置于轴承单元的与转杯体相对的一侧上。例如，这可能有利于附装传感器以确定纺纱转杯的当前定位。
还有利的是，转杯轴的第一轴径或第二轴径由连接到转杯轴的元件构成，特别是由永磁体和/或磁通引导件构成。这样转杯轴的构型就设计得特别简单。永磁体和/或磁通引导件形成各自所需的轴径，进而使得转杯轴能够在构建和制造技术方面设计得非常简单。
还有利的是，端面由连接到转杯轴的元件形成。这样端面即可由特别有利于磁通的材料制成，不同于转杯轴的其余材料。这样例如当纺纱转杯加速时，转杯轴在轴向上的固有频率即可特别有利地发挥作用。
同样有利的是，永磁体在轴向上磁化并布置于转杯轴的中央开口内或围绕转杯轴的圆周。由于永磁体布置于转杯轴的中央开口中，能够特别简单稳定地将永磁体紧固至转杯轴。如果永磁体围绕转杯轴的圆周附接，在某些实施方案中，这在轴承单元相对于转杯轴的轴向位置布置方面存在优势。
还有利的是，特别是在第一轭架与第二轭架之间，至少一个补偿线圈与第一致动器线圈同轴布置，以当适当激励时减少第一致动器线圈在径向气隙中的漏磁通。这样就能实现产生轴向力和径向力的更佳解耦。
同样有利的是，转杯轴配属有位置传感器，用于确定转杯轴相对于轴承单元的轴向和/或径向位置。位置传感器就此能够确定转杯轴的当前位置，例如通过测量距纺纱转杯的限定表面的距离。由此生成的信号可以用于通过轴承单元在轴向和/或径向上调节转杯轴的适当位置。
有利的是，转杯轴支承有轴承单元和另外的轴承，特别是径向磁轴承。当轴承单元布置于转杯轴的一端处，则可能特别有利的是，该另外的轴承位于转杯轴的另一端处。这样转杯轴即可支承于特别稳定的位置。该另外的轴承(优选地径向磁轴承)可以由永磁体组成。与组合轴承单元的主动轴承相比，该另外的轴承通常只要作为试图使转杯轴尽量恒定地保持并支撑于此处的被动轴承即可。
根据本发明的纺纱转杯轴承系统的轴承单元包括具有第一轴向轭架和第二径向轭架的定子，其中第一轭架包括第一致动器线圈和具有第一直径的第一开口。该第一开口中布置有朝向第一轭架的轴线径向延伸的凸台。第二轭架包括至少两个第二致动器线圈和具有第二直径的第二开口。每个致动器线圈位于第二轭架的磁极片处。两个开口的中点彼此同心对齐，并限定了转杯轴可轴向定向布置的轴向方向。第一轭架与第二轭架在该轴向上相互间隔。轴承单元形成用于转杯轴的径向和轴向支承的组合轴承。轴承可以活动，即，在径向同心和轴向偏置的实际位置在径向和轴向上偏离目标位置的情况下，可以利用该根据本发明的轴承单元校正转杯轴的位置。
根据本发明的转杯轴包括第一轴径和第二轴径以及布置于第一轴径与第二轴径之间的至少一个永磁体。自转杯轴的第一轴径起，转杯轴在永磁体的一侧具有朝向转杯轴的轴线径向延伸的端面。转杯可以相对于轴承单元支撑于端面上，进而能够不仅径向而且轴向上可调节地受到支撑。转杯轴和转杯体形成用于纺丝的转杯。在操作期间，由转杯驱动器驱动转杯轴。转杯轴作为转杯驱动器的转子的一部分，与转杯驱动器的线圈相互作用，该线圈静止地围绕转杯轴布置。
还有利的是，转杯体布置于转杯轴的一端处。转杯轴和转杯体共同形成了用于自由端转杯纺纱机的纺纱转杯。向转杯内喂入纤维，并通过高速旋转的纺纱转杯将纤维压在转杯体内壁上。当从转杯体中拔出纤维时，由此生成的纤维股中产生加捻，从而由纤维形成纱线。
同样有利的是，永磁体布置于转杯轴的末端之一处。永磁体能够在此处特别有利地连接到转杯轴。这样例如可以将永磁体插入到转杯轴的中央空隙中并例如通过压配合或粘接紧固于此。
在本说明书中，描述了一种用于支承转杯轴的设备。根据一示例，上述设备包括至少一个永磁体以及具有第一轭架和第二轭架的定子，永磁体连接到转杯轴并因此可以随之旋转。第一轭架和第二轭架由软磁材料制成。第一轭架具有供转杯轴插入的开口，使得第一轭架与转杯轴的端面或与之连接的元件之间形成轴向气隙。同时，第一轴向轭架形成为使得第一轭架与转杯轴的圆周面之间形成第一径向气隙。第二径向轭架布置为使得转杯轴的圆周面与第二轭架之间形成第二径向气隙。上述设备还包括布置于第一轭架处的第一致动器线圈以及布置于第二轭架处的两个或更多个第二致动器线圈。永磁体相对于第一轭架和第二轭架定位以在轴向气隙和第二径向气隙中皆产生偏磁通。
由于永磁体定位于转杯轴处，尽管转杯轴和定子无底切，也可以产生两个方向上的轴向力。
这些设备根据上述描述配置，其中提及的特征能够单独地或以任意组合存在。
下面结合附图所示的示例对各种实施例予以详述。图示不必按比例绘制，本发明不仅限于图示的各方面。确切而言，重点呈现图示实施例的基本原理。
附图说明
下述实施例表明本发明的更多优势。图中：
图1示出根据本发明的组合轴承的轴承单元的示例透视图；
图2示出图1所示的根据本发明的组合轴承的轴承单元的横向剖视图；
图3示出图2所示的设备的磁力线；
图4示出图1所示的根据本发明的组合轴承的轴承单元的轴向致动器线圈中线圈电流的力效应；
图5示出图1所示的根据本发明的组合轴承的轴承单元的径向致动器线圈中线圈电流的力效应；
图6示出根据本发明的组合轴承的轴承单元的另一实施例的横向剖视图；
图7示出根据本发明的组合轴承的轴承单元具有附加补偿线圈的另一示例；
图8示出纺纱转杯与根据本发明的组合轴承的轴承单元的横向剖视图；
图9示出纺纱转杯与根据本发明的组合轴承的轴承单元的另一示例的横向剖视图。
具体实施方式
在下文对图示的替选实施例的描述中，这些实施例的设计和/或作用模式方面与上述实施例相同和/或至少相当的特征标有相同的附图标记。如未再次具体解释这些特征，则它们的设计和/或作用方式对应于已述特征的设计和作用方式。为了清楚起见，可能并非所有相同的部分皆标有附图标记，但以相同方式绘制。为了更清楚起见，在某些附图中，仅在组合轴承的轴承单元区域中显示出转杯轴。
根据本文描述的实施例，磁轴承可以通过在径向和轴向上都产生轴承力(电磁力)而以非接触方式支承转子(例如电动机的转子)。除了另外的非接触式轴承，还可以完全非接触式支承转子。根据本发明，转子为纺纱转杯2的转杯轴10。在下文中，这种轴向轴承与径向轴承的组合又称组合轴承(轴向/径向组合轴承)。由转杯轴的旋转轴线的方位决定轴向，在本说明书中定义为z方向，它与x方向和y方向共同形成了笛卡尔坐标系。因此，径向轴承力位于xy平面中。
图1和图2示出组合轴承的轴承单元1的第一实施例，其中图1为透视图，图2为xz平面的相关横截面。图1和图2所示的设备包括形成轴承单元1的定子以及配置为转子的转杯轴10。定子可以布置于转杯纺纱设备的纺纱站中的壳体29上或壳体29中。转杯轴10例如可以是驱动纺纱转杯2的电动机的电动机轴。定子包括所有用于产生和引导磁通的非旋转部件。同样地，转子包括旋转的转杯轴10本身以及与之连接的用于产生和引导磁通并随转杯轴10旋转的那些部件。
纺纱转杯轴承系统包括组合轴承1和转杯轴10并具有至少一个永磁体20，该永磁体20组装在转杯轴10中或转杯轴10上并随之旋转。因此，永磁体20又称转杯磁体。在图2所示的示例中，永磁体20布置于转杯轴10的轴端处的中央开口15中，例如与旋转轴线同轴。转杯轴10本身优选地但非必然地由非铁磁材料制成，例如由不锈钢、塑料或其他低导磁材料制成。在某些应用中，转杯轴10可以设计为中空轴。永磁体20可以在轴向上磁化。在图2中，用箭头表示永磁体20的磁化。
如图2所示，永磁体20布置于转杯轴10的轴端处。在其他实施例中，永磁体20也可以布置于转杯轴10的任意轴向位置(z坐标)处(另见图6或图9)。在图2所示的示例中，磁通集中器13(又称磁通引导件)布置为轴向上邻近永磁体20。磁通集中器13由软磁材料制成并用于引导磁通，磁通大体上局部受限于磁通集中器13。任选地，中央开口15(例如孔道)可以在轴端处具有另外的磁通引导件19，该磁通引导件19可以形成用于中央开口15的覆盖件。磁通引导件19也可以由软磁材料构成。然而，中央开口15的覆盖件也可以省除或由不同的材料制成。
轴承单元1包括两个软磁元件。在下文中，这些软磁元件之一称为径向轭架12或第二轭架12，因为它沿径向引导磁通。径向轭架12可以是径向上(即，在xy平面中或平行于xy平面)伸展的大致盘形元件。径向轭架12的轴向位置(即z坐标)大致对应于磁通集中器13的轴向位置或永磁体20一端的轴向位置。在某些实施例中，也可以省除磁通集中器13，尽管这会导致增高漏磁通。在图2中，径向第二轭架12相对于z方向位于永磁体20旁。一般而言，轭架作为磁导通路、即磁路(magnetic circuit)的一部分，进而径向轭架12由软磁材料制成。磁通集中器13与径向轭架12之间存在径向气隙SR2(另见图3)，即，磁力线基本上径向穿过气隙SR2。术语“气隙”一般并非隐含间隙中只有空气，而仅指间隙中存在非磁性材料。相应地，在本实施例中，除了空气还存在转杯轴10的材料，特别是开口15的壁体。
另一个软磁元件称为轴向轭架，又称第一轭架11。在图2所示的示例中，该轴向第一轭架11沿z方向位于永磁体20旁，但位于永磁体20与径向第二轭架12相对的一侧。轴向第一轭架11也用于引导磁通并可以例如具有类似于壶形磁体的形状。在所示的示例中，轴向轭架11具有大致圆柱形状，其中转杯轴10的一端插入到该圆柱形状中，使得转杯轴10的端面16与轴向轭架11之间形成小的轴向气隙SA，其中该端面16形成第一轭架11的凸台14的端面18。在轴向气隙SA中，磁力线在转杯轴10与轴向轭架11之间基本上沿轴向延伸。转杯轴10的圆周面与轭架11之间形成另外的径向气隙SR1(参见图3)，这样能够得出磁性推论。
转杯磁体或永磁体20通过轴向轭架11、径向轭架12和气隙SR2、SA、SX产生磁场和相应的磁通BBIAS。在所示的示例中，气隙SX在轴向z方向上位于轴向轭架11与径向轭架12之间，明显大于其他气隙，因此会导致一定的漏磁通(参见图3)。这样由转杯磁体或永磁体20产生的磁通BBIAS又称磁偏(magnetic bias)或偏磁通(bias flux)。稍后将详述磁力线走向。在某些实施例中，轴向轭架11与径向轭架12之间的气隙SX也可以由铁磁接片17桥接，如图9所示。
为了产生轴向力，磁轴承的定子具有至少一个线圈21，该线圈21与转杯轴10的旋转轴线(z轴)同轴，下面又称“轴向致动器线圈”。轴向致动器线圈21可以布置于壶形轴向轭架11内部，类似于壶形磁体(电磁体)。更一般而言，轴向致动器线圈21由软磁元件、即轭架11形成，该轭架11用来引导磁通，并形成到转杯轴10的端面16的轴向气隙SA以及到转杯轴10的圆周面的径向气隙SR1。轴向气隙SA中生效的磁通(总磁通)是通过将由永磁体20引起的偏磁通BBIAS和因轴向致动器线圈21引起的磁通B21叠加而产生。根据线圈21中电流的方向，由永磁体20产生的偏磁通BBIAS在轴向气隙SA中有所增强或减弱。根据本文所述的实施例，轭架11(定子部分)与转杯轴10之间的轴向力甚至可改变方向，即从吸引的负z方向变为排斥的正z方向，反之亦然。
上述设备还包括传感器装置(参见图1至图3)，该传感器装置具有一个或多个位置传感器28，用于测量转杯轴10的轴向和径向位置以及相关的电子控制装置，这可根据转杯轴10的测量位置来调整经过轴向致动器线圈21和径向致动器线圈22a-22d的电流。由定子和转子以及磁轴承的电子控制装置组成的整个系统即可将转杯轴10保持在期望的轴向位置。稍后将详述传感器装置和电子控制装置。
如上所述，例如从图3中可以看出，永磁体20以磁通BBIAS偏压(biased)轴向气隙SA，因此该磁通BBIAS又称偏磁通。当无电流流过轴向致动器线圈21时，通常有负z方向的轴向力作用于转杯轴10，进而形成轴向预应力。该力作为偏磁通BBIAS的结果，例如可以通过激励致动器线圈21来补偿，从而致动器线圈21产生磁通(用B21表示)。磁通B21可以部分补偿、完全补偿或过度补偿偏磁通BBIAS。在图3结合图4的情况下，图4中(a)表示偏磁通BBIAS与磁通B21相长叠加(线圈电流为正，磁通B21沿z方向)，而图4中(b)表示偏磁通BBIAS与磁通B21相消叠加(线圈电流为负，磁通B21逆z方向)。
在完全补偿(BBIAS+B21＝0)的情况下，轴向(净)力为零，转杯轴10处于其轴向目标位置。然而，为了减少能量消耗，也可以使用另外的轴承来补偿轴向预应力(参见图8和图9)。例如，该另外的轴承可以是被动磁轴承6。然而，也可以使用第二组合轴承或设置另一轴承，产生大致相同大小但沿相反方向(即沿z方向)作用于转杯轴10上的轴向预应力。在此情况下，通过轴向致动器线圈21的相对较小电流足以使转杯轴10保持于其不受力位置(目标位置)。
如上所述，由传感器装置以其位置传感器28连续检测转杯轴10的轴向位置。电子控制装置配置为如此设置经过轴向致动器线圈21的电流，使得转杯轴10总能回到其不受力位置或保持于该位置(位置调节)。在此情况下，磁轴承操作期间的电流就在零安培附近波动。如果如上所述另外的轴承未补偿或未完全补偿轴向预应力，则轴向致动器线圈21中的电流在操作期间在特定的额定电流附近波动。
为了减少涡流损耗，在某些实施例中，传导磁通的软磁元件(即径向第二轭架12和轴向第一轭架11)也可以由层压金属片堆叠制成或例如由软磁复合材料(soft magneticcomposite)制成。
为了产生径向轴承力，至少两个、但特别是三个或四个致动器线圈22a-22d(这里称为径向致动器线圈22a-22d)布置于径向轭架12上。在所示的实施例中，四个致动器线圈22a-22d磁耦合到径向轭架12。通过适当激励径向致动器线圈22a-22d，可以在xy平面中产生任何径向上的作用力，如图5的剖视图所示。如上所述，永磁体20在径向气隙SR2中产生偏磁通BBIAS与线圈22a-22d产生的磁通B22根据电流方向而相长或相消叠加。
转杯轴10在第一轴向轭架11的区域中具有第一轴径dS1而在第二径向轭架12的区域中具有第二轴径dS2。永磁体20布置于两个轴径dS1和dS2之间。转杯轴10的端面16始于第一轴径dS1并朝向z方向上的轴线进而朝向转杯轴10的轴线径向延伸。第一轴向轭架11包括具有第一直径DJ1的第一开口8，该第一开口8中布置有朝向第一轭架11的z方向轴线径向延伸的凸台14。第二轭架12包括轴承单元1的具有第二直径DJ2的第二开口9。第一轭架11与第二轭架12在转杯轴10的轴向上相互间隔距离Sx(参见图3)。
当转杯轴10布置于轴承单元1中，在轴承操作期间，即在转杯轴10在轴承单元1中可操作地支承转杯轴10的位置上，第一开口8的第一直径DJ1大于第一轴径dS1。这样，第一开口8与转杯轴10之间形成径向气隙SR1(参见图3)。转杯轴10的端面16与第一轭架11的凸台14相互作用，使得端面16与凸台8之间形成轴向气隙SA。第二开口9的第二直径DJ2大于第二轴径dS2，使得转杯轴10的圆周面与第二轭架12之间形成另外的径向气隙SR2。
从图2中的图示中可以看出，在本实施例中，第一轴径dS1等于第二轴径dS2。借此，可以在正z方向上从轴承单元1中移除转杯轴10，因为在该方向上转杯轴10与轴承单元1之间不存在底切。对于纺纱转杯轴承系统的简单低成本的组装和拆装，可以从轴承单元1移除转杯轴10十分重要。当第一轴径dS1小于第二轴径dS2、特别是小于径向轭架12处第二开口9的直径DJ2时，也可能实现这样的移除(参见图6)。
图3所示的示例显示了与图2相同的横截面，图3显示了磁性相关的气隙SR2、SR1、SA和SX以及转杯磁体20产生的偏磁通和线圈21产生的磁通。图5示意性示出径向轭架12中的磁通走向，特别是在图3中未包含的致动器线圈22a-22d的磁通。在图3至图5中，永磁体20产生的偏磁通标记为BBIAS。与之相关的磁力线从永磁体20经过径向气隙SR2、径向轭架12、气隙SX(可能有漏磁通)、轴向轭架11和轴向气隙SA回到永磁体20。在图5中，照常符号⊙表示指向纸外的磁力线，而
表示指向纸面的磁力线。这同样适用于经过线圈的电流方向(例如参见图4)。
轴向致动器线圈21产生的磁通用B21表示。与之相关的磁力线沿z方向穿过线圈21，穿过气隙SA和SR1以及轭架12。如上所述，图5中示出径向致动器线圈22a-22d产生的磁通B22，它却基本上穿过径向轭架12和气隙SR2，其中磁通BBIAS和B22叠加(总磁通B22+BBIAS)。类似地，磁通BBIAS和B21在气隙dA中叠加(总磁通B21+BBIAS)。从图3中可以看出，永磁体20在径向气隙SR2和轴向气隙SA中皆产生偏磁通BBIAS。
在图3和图4(图4中(a))所示的情况下，轴向致动器线圈21会增强永磁体20的磁通BBIAS，从而转杯轴10上的拉力逆着z方向增高。通过更改线圈21中的电流方向，线圈21产生的磁通B21会抵消永磁体20的磁通BBIAS，从而减小向下的拉力(参见图4(b)电流方向相反)。利用所示的设备，通过相应的设计甚至可以产生使转杯轴10在z方向上移动的力。
在所示的示例中，提供了四个径向致动器线圈22a-22d。原则上，两个或三个线圈便足矣。在图5中，通过激励线圈22a和22c，作用力在负x方向上向左作用于转杯轴10。如图所示，在环形气隙SR2的左侧区域中，产生的磁通与预应力相比增加，而在气隙SR2的右侧区域中，产生的磁通与预应力相比减少。如果线圈22a和22c中的电流方向反转，则相应地产生正x方向上的作用力。在这种理论情况下，另两个径向致动器线圈22b和22d保持无电流，因为它们仅需在y方向上产生作用力。
如果转杯轴10处于其目标位置，即在图2中处于x＝0和y＝0，则径向力因磁偏而得以抵消。这意味着径向致动器线圈22a-22d可以用零安培的平均电流操作，能量消耗就相对较小。
在本文描述的示例中，所示的导磁径向轭架12缠绕在四个极片上，每个极片具有四个线圈22a-22d之一。图5所示的轭架12的磁极片之间的凹槽24可以在转杯轴10的轴箍中引起交变的磁通分量。为了减少导电转子轴箍中的涡流损耗，这些凹槽24也可以通过薄接片25(即所谓的磁饱和接片)相连接。
为了使转杯轴10径向居中，除了轴向位置(z坐标)，上述传感器装置还以其位置传感器28连续测量转杯轴10的径向位置(x坐标和y坐标)。由电子控制装置根据传感器信号来确定转杯轴10的当前位置。电子控制装置还包含位置调节，将转杯轴10的测量位置(x,y,z)与目标位置(例如(0,0,0))进行比较并调节经过致动器线圈21和22a-22d的电流，以使气隙SA和SR2中产生的磁力抵消与目标位置的任何偏差。为此，电子控制装置可以具有适用的功率输出级(例如由(MOS)晶体管制成)。适用的电子控制装置本身已为公知，故本文不再赘述。
在目前所述的示例中，转杯轴10的轴端插入到轴向第一轭架11中，其设计类似于壶形磁体。但情况并非必然如此。在图6所示的示例中，转杯轴10贯穿轴向轭架11。在本例中，永磁体20可以呈环形布置于转杯轴10的圆周外侧。这同样适用于任选的磁通引导件13和19。磁力线和磁通(偏磁通BBIAS以及线圈B21和B22的磁通)的走向与前述示例无显著区别，请参阅上文特别是结合图4和图5所述的内容。在本例中，轴向气隙SA不是在轴向轭架11与转杯轴10的端面16之间，而是在轴向轭架11与轴台、轴肩或连接到转杯轴10的部分(例如磁通引导件19或永磁体20)的端面18之间。
在目前所述的示例中，转杯磁体20在轴向上磁化。特别是在图6的示例中，永磁体20也可以配置为径向磁化环。在此情况下，永磁体20将布置于磁通引导件13的位置处，此时将不再需要这个磁通引导件13。此外，永磁体20不必然具有圆柱形或环形。只要磁导片13和19适应于轭架11和12的形状或气隙SR1、SR2、SA和SX的形状即可。借此，转杯轴10在位置传感器28和轭架12连同磁通引导件13和19以及永磁体20的区域中具有直径dS2，该直径dS2既小于轭架12的开口9的直径DJ2，也小于轭架11的开口8的直径DJ1。在进一步走向中，转杯轴10朝向转杯轴10的端面16具有直径dS1，该直径dS1小于轭架11的另外开口26的直径DJ3。转杯轴10即可贯穿轴承单元1并仍可在轴向上从轴承单元1中移除。
在图6所示的示例中，轭架11和轭架12的位置也可以颠倒，即轴向轭架11不必布置于轴端或者轴向轭架11比径向轭架12更靠近转杯轴10的端面17。相应地，轴承单元1可以呈镜像倒置方式配置。
图7示出另一实施例的透视剖面图。图7中的示例与图1至图3中的示例基本上相同，只是从z方向上观察时径向轭架12旁布置有附加的补偿线圈23。为了尽量减少轴向致动器线圈21的漏磁通对径向气隙SR2中偏磁通BBIAS的影响，可以靠近径向轭架12设置附加的补偿线圈23。补偿线圈23可以与转杯轴10同轴布置。激励该补偿线圈23，以使气隙SR2中轴向致动器线圈21的漏磁通近乎被补偿线圈23的磁通抵消。这可以简单地通过将致动器线圈21与补偿线圈23串联来实现。这会减少与调节转杯轴10的轴向或径向位置的径向调节回路的轴向耦合。主要请参阅结合上述附图的说明。
图8示出纺纱转杯2与根据本发明的组合轴承的轴承单元1的横向剖视图。轴承单元1对应于图1至图5的轴承单元1的结构和描述。在转杯轴10的中间轴向区域中显示出纺纱转杯2的驱动器30。纺纱转杯2的驱动器30包括静止线圈3和转子磁体4。线圈3静止固定于壳体29中，而转子磁体4固定于转杯轴10中。在纺纱转杯2的驱动器30的操作期间产生电磁场，该电磁场使得转杯轴10及其转子磁体4在线圈3内置身于非接触式旋转。这样转杯轴10以及纺纱转杯2产生高达约200000转/分钟的转速。
转杯轴10在转杯轴10背离轴承单元1的末端处布置有转杯体5。在纺纱设备的操作期间，单根纤维喂入转杯体5，在纺纱转杯2的高速旋转下将这些纤维压在转杯体5的内壁上，作为加捻丝经纺纱转杯2的中心轴线拔出。这样特别是在接纱时可能出现失衡，必须通过轴承来进行平衡。
为了确保纺纱转杯2的稳定运行，纺纱转杯2的转杯轴10不仅由轴承单元1支承，而且还由另外的轴承支承，这里特别是径向作用的磁轴承6。本图所示的磁轴承6仅被动作用。它并不调节转杯轴10的精确位置。相反极化的永磁环7a和7b相互排斥，从而导引永磁环7a和7b的同心定位进而转杯轴10的同心定位。当外永磁环7a静止布置于壳体29上时，内永磁环7b则固定至转杯轴10上。内永磁环7b由此在外永磁环7a内定中。通过并排多对永磁环7a和7b(本实施例中为四对)实现转杯轴10的稳定支承。通过邻接多对的交替磁化还会产生转杯轴10的更高径向刚度。通过永磁环7a和7b之间的轴向错置可以产生转杯轴10上的轴向力。这样，静态的轴向力可以被永磁环被动吸收，即不消耗能量。
图9示出纺纱转杯2与根据本发明的组合轴承的轴承单元1的另一示例。轴承单元1的设计基本上对应于图6中的设计。轴承单元1布置有靠近转杯体5的位置传感器28。位置传感器28测量到转杯体5上轴环27的距离。转杯轴5上又布置有环形磁通集中器13和19以及环形永磁体20，它们对应于轴向轭架11和径向轭架12。轴承单元1之后是具有线圈3和转子磁体4的转杯轴10的驱动器30。转杯轴10止于被动磁轴承6，该被动磁轴承6具有静止的永磁环7a和随转杯轴10旋转的永磁环7b。通过将转杯轴10的直径与轭架11和轭架12的开口以及转杯轴10的驱动器30的定子3和永磁环7a区域中的其他通道相匹配，在该本发明实施方案中，纺纱转杯2同样无需组装工作即可从纺纱转杯轴承系统中移除。
转杯轴10的轴径dS1上布置有连接到转杯轴10的元件，这里为永磁体20和两个磁通引导件或磁通集中器13和19，进而将转杯轴10扩大到轴径dS2。与第一轴向轭架11相互作用的端面18相应地由这些元件之一形成，这里为磁通集中器19。
本发明不局限于图中显示和文中描述的实施例。在权利要求的范围内同样可能涵盖不同实施例中表示并描述的特征组合。
附图标记列表
1 轴承单元
2 纺纱转杯
3 定子
4 转子磁体
5 转杯体
6 磁轴承
7a、7b 永磁环
8 轭架11的第一开口
9 轭架12的开口
10 转杯轴
11 第一轭架
12 第二轭架
13 磁通集中器(磁通引导件)
14 凸台
15 开口
16 端面
17 接片
18 端面
19 磁通集中器(磁通引导件)
20 永磁体
21 致动器线圈
22a-22d 致动器线圈
23 补偿线圈
24 凹槽
25 接片
26 另外开口
27 轴环
28 位置传感器
29 壳体
30 驱动器
BBIAS 磁通
B21 磁通
B22 磁通
dS1 第一轴径
dS2 第二轴径
DJ1 第一开口直径
DJ2 第二开口直径
DJ3 另外开口直径
SA 轴向气隙
SR1 径向气隙
SR2 径向气隙
SX 第一轭架与第二轭架之间的气隙
Claims (15)
1.一种转杯纺纱设备的纺纱转杯轴承系统，包括纺纱转杯(2)的转杯轴(10)以及用于所述转杯轴(10)的径向和轴向组合轴承的轴承单元(1)，
其中，所述转杯轴(10)包括第一轴径(dS1)和第二轴径(dS2)以及布置于所述第一轴径(dS1)与所述第二轴径(dS2)之间的至少一个永磁体(20)，并自所述转杯轴(10)的第一轴径(dS1)起在所述永磁体(20)的一侧具有朝向所述转杯轴(10)的轴线径向延伸的端面(18)，且
所述轴承单元(1)包括具有第一轴向轭架(11)和第二径向轭架(12)的定子，其中，
所述第一轭架(11)包括第一致动器线圈(21)和具有第一直径(DJ1)的第一开口(8)，所述第一开口(8)中设置有朝向所述第一轭架(11)的轴线径向延伸的凸台(14)，
所述第二轭架(12)包括至少两个第二致动器线圈(22a-22d)和具有第二直径(DJ2)的第二开口(9)，且
所述第一轭架(11)与所述第二轭架(12)在所述转杯轴(10)的轴向上相互间隔，
其中，当所述转杯轴(10)布置于所述轴承单元(1)中，在轴承操作期间，
所述第一开口(8)的第一直径(DJ1)大于所述第一轴径(dS1)，使得所述第一开口(8)与所述转杯轴(10)之间形成径向气隙(SR1)，
所述转杯轴(10)的端面(18)与所述第一轭架(11)的凸台(14)相互作用，使得所述端面(18)与所述凸台(14)之间形成轴向气隙(SA)，
所述第二开口(9)的第二直径(DJ2)大于所述第二轴径(dS2)，使得所述转杯轴(10)的圆周面与所述第二轭架(12)之间形成另外径向气隙(SR2)，且
所述转杯轴(10)的永磁体(20)布置于所述第一轭架(11)与所述第二轭架(12)之间，以当激励所述线圈(21、22a-22d)时，在所述第一轭架(11)的轴向气隙(SA)中以及所述第二轭架(12)的另外径向气隙(SR2)中均产生偏磁通(BBIAS)。
2.根据权利要求1所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述第一轴径(dS1)等于或小于所述第二轴径(dS2)和/或小于所述第二开口(9)的直径(DJ2)。
3.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述端面(18)轴向封闭所述转杯轴(10)或使所述转杯轴(10)的直径(dS2)自所述第一轴径(dS1)起减小。
4.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述第一轭架(11)与所述第二轭架(12)相互连接，特别是通过接片(17)相互连接。
5.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述转杯轴(10)终止于所述第一轭架(11)的凸台(14)或贯穿所述第一轭架(11)。
6.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述转杯轴(10)的第一轴径(dS1)或第二轴径(dS2)由连接到所述转杯轴(10)的元件构成，特别是由所述永磁体(20)和/或磁通引导件(13、19)构成。
7.根据前一项权利要求所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述端面(18)由连接到所述转杯轴(10)的元件形成。
8.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述永磁体(20)在轴向上磁化并布置于所述转杯轴(10)的中央开口(15)内或围绕所述转杯轴(10)的圆周。
9.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，特别是在所述第一轭架(11)与所述第二轭架(12)之间，至少一个补偿线圈(23)与所述第一致动器线圈(21)同轴布置，以当适当激励时减少所述第一致动器线圈(21)在所述径向气隙(SR1)中的漏磁通。
10.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述转杯轴(10)配属有位置传感器(28)，用于确定所述转杯轴(10)相对于所述轴承单元(1)的轴向和/或径向位置。
11.根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统，其特征在于，所述转杯轴(10)支承有所述轴承单元(1)和另外的轴承，特别是径向磁轴承(6)。
12.一种根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统的轴承单元，其特征在于，所述轴承单元(1)包括具有第一轴向轭架(11)和第二径向轭架(12)的定子，其中，
所述第一轭架(11)包括第一致动器线圈(21)和具有第一直径(DJ1)的第一开口(8)，所述第一开口(8)中设置有朝向所述第一轭架的轴线径向延伸的凸台，
所述第二轭架(12)包括至少两个第二致动器线圈(22a-22d)和具有第二直径(DJ2)的第二开口(9)，且
所述第一轭架(11)与所述第二轭架(12)在轴向上相互间隔。
13.一种根据前述权利要求中任一项或多项所述的纺纱转杯轴承系统的转杯轴，其特征在于，所述转杯轴(10)包括第一轴径(dS1)和第二轴径(dS2)以及布置于所述第一轴径(dS1)与所述第二轴径(dS2)之间的至少一个永磁体(20)，并自所述转杯轴(10)的第一轴径(dS1)起在所述永磁体(20)的一侧具有朝向所述转杯轴(10)的轴线径向延伸的端面(18)。
14.根据前一项权利要求所述的转杯轴，其特征在于，所述转杯轴(10)的一端处布置有转杯体(5)。
15.根据前述权利要求中任一项或多项所述的转杯轴，其特征在于，所述永磁体(20)布置于所述转杯轴(10)的两端之一处。
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