CN203722518U - 转子的混合磁悬浮装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有压缩机叶轮（2，3）的转子（1）的混合磁悬浮装置包括：永磁体（104，114），其集成到布置在转子（1）上的（2，3）附近的收缩环（8，18）；永磁体（124，134），其集成到与转子（1）共轴布置并与弹性材料（5，15）连接以限定被动径向的磁性轴承的固定环（23，33）；线圈(6，16)，其与磁性电枢（10，20）连接并面向垂直于所述转子（1）的转子部分（7，17）；以及被配置为用于检测转子（1）的轴向位置的轴向传感器（60，160）以及被配置为用于作为轴向传感器60，160）的输出量的函数馈电给线圈（6，16）的控制装置（200），用于产生轴向轴承力和电机转矩二者从而适于限定无轴向轴承的电机。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种转子的混合(hybrid)的磁悬浮装置(magneticsuspension)，所述转子具有在它的第一端处的第一压缩机叶轮和在它的第二端处的第二压缩机叶轮。
本实用新型更具体地说然而并非仅应用于电助推的涡轮增压器，离心式汽车-压缩机，串联式汽车-压缩机，例如适合用于车辆的散热与空调装置的紧凑式电动压缩机。
该车辆可包括特别的陆地车辆例如混合电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）以及飞行器或其他种类的车辆。
背景技术
传统的电动压缩机，例如用于车辆的散热和空调压缩机，典型地与电机有关。
这样的电机驱动的压缩机的例子在专利文献US6183215B1中给出。
这几类电机驱动的压缩机具有与润滑剂、制冷剂、低的工作速度、摩擦损失和不紧凑有关的许多缺点。
主要的两类散热和空调电动压缩机用于HEV/EV车辆：旋转式的叶片式压缩机和振动式螺旋型压缩机（scroll type compressors）。
这两类与电机有关的电动压缩机具有以下缺点：
－润滑剂用于不同的机械部件，
－需检查润滑油与制冷剂（例如卤代烷制冷剂R134a或最近使用的氢氟烯烃制冷剂HFO－1234yf）的亲合性，
－润滑剂应当仔细选择以保护电机绕组使之免受绝缘失效的风险，
－需要油分离器和渗漏检测设备来避免EV/HEV车辆中的电力系统的污染，
－传统的电动压缩机具有受到限制且不能超过每分钟10,000转的速度，
－摩擦损失对电动压缩机的操作是不利的。
此外，专利文献US2002/0040581A1公开了一种用于内燃机的废气涡轮增压器，所述内燃机具有布置在废气路线中的废气废气涡轮机和布置在进气道中并通过轴连接到涡轮机的压缩机，该压缩机包括同时形成电机的转子的压缩机叶轮。
专利文献EP1201891A1进一步公开了一种具有电动助推的涡轮增压器，其将涡轮增压器的叶轮用作具有绕组的感应电机转子以产生磁场。
实用新型内容
因此，希望提供一种转子的悬浮装置和一种电动压缩机，其可解决这些问题中的大部分。
本实用新型更特别地，虽然不专门地，用于汽车空调应用，因此进一步致力于提供一种考虑了在车辆中产生的高的振动水平并且尽可能紧凑的电动压缩机。
本实用新型更具体地说致力于提供一种用于转子的悬浮装置，该悬浮装置没有增加转子的长度或质量，因此在转子动力学方面没有不利影响。
此外，本实用新型致力于提供一种成本有效、不需维修且低摩擦力的悬浮装置系统，该悬浮装置系统不需要停靠轴承，其与可在五个轴线方向可操作的主动的（active）磁悬浮装置相反。
本实用新型涉及转子的混合磁悬浮装置，所述转子具有在它的第一端处的第一压缩机叶轮和在它的第二端处的第二压缩机叶轮，其中它包括：
－集成到第一和第二收缩环的至少第一和第二组永磁体，所述第一和第二收缩环分别布置在所述转子上的所述第一和第二压缩机叶轮附近，所述第一和第二组永磁体由与所述转子共轴的外面的非磁性环保持，
－集成到第一和第二固定环的至少第三和第四组永磁体，所述第一和第二固定环分别与所述转子共轴布置且与所述第一和第二压缩机叶轮附近的弹性材料连接，以使得所述第三和第四组永磁体分别面向所述第一和第二组永磁体同时提供它们之间的间隙以限定被动（passive）径向的磁性轴承(magnetic bearing)，
－至少第一和第二线圈，其分别与所述第一和第二磁性电枢连接并面向垂直于所述转子定位的第一和第二转子部分，以及
－配置为用于检测所述转子的轴向位置的轴向传感器，以及配置为用于作为所述轴向传感器的输出量的函数馈电给所述第一和第二线圈的控制装置，用于产生轴向轴承力和电机转矩二者从而适于限定无轴向轴承（axialbearingless）的电机。
因为被动径向的磁性轴承不是完全稳定的，因此无轴向轴承的电机，除了它的正常功能之外，充当稳定器，弹性材料充当阻尼支撑件。
根据特定的实施例，每个永磁体包括由导电材料例如铜或铝做成的至少一个插入件。
由导电材料做成的插入件减小了轴向偏差。当偏差发生时，即如果转子和定子不在中心并且存在气隙变化，那么磁场变化不再为零且反向电流（场）感应在所述插入件中因而稳定所述力。
根据具体实施例，由导电材料做成的插入件在沿着转子的纵轴方向上位于相同类型的两个单独的永磁体之间的中间位置。
根据另一可能的实施例，由导电材料做成的两个插入件在沿着转子的纵轴方向上位于一单独的永磁体的两侧处。
根据一具体实施例，第一和第二收缩环由单个空心筒构成。
根据另一可能的实施例，第一和第二收缩环设计成限定一隔热件。
无轴向轴承的电机可包括第一和第二转子部分，每个第一和第二转子部分由选为以下部分的部分做成，所述以下部分为：由导电和磁性合金做成的用于限定感应电机的部分、由永磁体做成的用于限定永磁电机的部分、或由硬磁材料做成的用于限定磁滞电机或磁阻电机的部分。
根据特定的更具体地说适于串联式汽车-压缩机例如用于车辆的散热和空调（HVAC）系统的实施例，第一和第二转子部分分别位于第一和第二压缩机叶轮的第一和第二正面。
根据另一特定的更具体地说适于电助推涡轮增压器的实施例，第一和第二转子部分分别位于盘状件的第一和第二正面上，所述盘状件垂直于转子一体地定位在第一和第二压缩机叶轮之间。
附图说明
图1是根据本实用新型的第一实施例的串联式压缩机的示意性的纵向剖视图；
图2是根据本实用新型的第二实施例的串联式压缩机的示意性的纵向剖视图；
图3是根据本实用新型的第三实施例的涡轮增压器的示意性的纵向剖视图；
图4是根据本实用新型的第四实施例的涡轮增压器的示意性的纵向剖视图；
图5是转子的透视图，所述转子示出将永磁体安装在其上的一可能的方法；
图6和图7是转子的示意性的侧视图，所述转子示出将永磁体布置在其上的两种可能的方法；
图8是转子的示意性的侧视图，所述转子示出将大于两圈（two rings）的永磁体布置在其上的例子；
图9和图10是转子的示意性的侧视图，所述转子示出将具有导电插入件的永磁体布置在其上的两个可能的方法；
图11和图12是转子的示意性的侧视图，所述转子示出将具有导电插入件的永磁体布置在其上的其他两种可能的方法；以及
图13是转子的示意性的侧视图，所述转子示出将大于两圈的具有导电插入件的永磁体布置在其上的例子。
具体实施方式
将结合通过例子给出的优选实施例描述本实用新型。
图1示出了装备有根据本实用新型的混合磁悬浮装置的串联式压缩机的例子。这样的串联式压缩机可例如被用于散热和空调（HVAC）系统，该系统可致力于混合的电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）或用于飞行器或其他类型的车辆。
转子轴1在它的第一端处耦接到第一压缩机叶轮2和在它的第二端处耦接到第二压缩机叶轮3。
无轴向轴承的电机包括转子部分7，17，该转子部分垂直地转子轴1定位并且在图1的实施例中更具体地说分别位于第一和第二压缩机叶轮2，3的正面上。转子部分7，17每个可由以下部分的部分做成，该以下部分选自：由导电和磁性合金做成的用于限定感应电机的部分、由永磁体做成的用于限定永磁电机的部分、或由硬磁材料做成的用于限定磁滞电机或磁阻电机的部分。无轴向轴承的电机进一步包括定子，该定子包括磁性电枢10，20和面向各自的转子部分7，17的绕组6，16。
通常而言，无轴向轴承的电机包括转子部分7，17和定子部分，所述转子部分例如具有多个极对电枢，所述定子部分每个包括具有分别用于接收绕组6，16的狭槽的芯体10，20，所述绕组被配置为施加电机转矩和轴向轴承力，定子部分分别定位成与转子部分7，17相反。芯体10，20可包括层叠的磁铁堆或磁性复合材料。
在无轴向轴承的电机的定子部分中，每个线圈6，16可包括用来施加轴承力（为轴1的轴线中心的环形线圈）和电机转矩（在芯体10，20中形成的多个狭槽内的单相或多相绕组配置）的单独的绕组。
替代地，所需要的轴承力和电机转矩通过结合的绕组产生在每个线圈6，16中。在这样的情况下，每个定子部分中的单个线圈6，16将共同支撑需要的电机和轴承安匝。
多个极对电枢可通过例子方式使用。然而，转子部分7，17可根据选择的原理（永磁体、感应、开关磁阻、磁滞）支撑不同的结构元件。
第一和第二被动径向的磁性轴承位于压缩机叶轮2，3附近以在压缩机的功能操作期间支撑轴1浮置。每个被动径向的磁性轴承包括与轴1旋转的永磁体和为固定的永磁体。
更具体地如图1所示，被动径向的磁性轴承包括:
－集成到第一和第二收缩环8，18的至少第一和第二组永磁体4，14，所述第一和第二收缩环分别布置在转子轴1上的第一和第二压缩机叶轮2，3附近，第一和第二组永磁体4，14由与转子轴1共轴的外面的非磁性环9，19保持，
－集成到第一和第二固定环23，33的至少第三和第四组永磁体24，34，所述第一和第二固定环分别布置成与转子轴1共轴且与第一和第二压缩机叶轮2，3附近的弹性材料5，15连接，以使得第三和第四组永磁体24，34分别面向第一和第二组永磁体4，14同时提供其间的间隙以限定被动径向的磁性轴承。
轴1由于径向磁性轴承以不接触方式浮置。因为被动的磁性轴承不是完全稳定的，因此无轴向轴承的电机用作稳定器，弹性材料5，15充当阻尼支撑件。弹性材料5，15可例如预先收缩在永磁体24，34中或粘合在其上。
轴的轴向位置由例如可变感应型的传感器60，160监视，其检测与额定位置的任何偏差并发出信号，该信号用于控制系统200中以控制无轴向轴承的电机的绕组6，16中的电流以便将轴1带回到它的额定位置。
由于被动的磁性轴承和无轴向轴承的电机一起实施，因此弹性装置5，15辅助停靠轴承对支撑轴1是不需要的。
罩壳或凸缘和具有与压缩机连接的制冷剂的冷却系统是传统的。
在被动的磁性轴承中，所述力由反向的磁体4，24或14，34之间的排斥力构成。构成被动的磁性轴承的一个部分的转子磁体4，14可以是安装在支撑所述磁体的环形状，这样的环8，18收缩在转子轴1上。
替代地，如图5所示，收缩在转子轴1上的单个空心筒8可用于安装两个被动径向的磁性轴承的转子磁体4，14。
永磁体4，24和14，34的不同排斥力配置可采取为如图6和7所示，其中磁化方向可垂直于转子轴1的轴线（图6）或平行于转子轴1的轴线（图7）。
除了位于压缩机叶轮2，3附近的两个基本被动径向的磁性轴承4，24和14，34，可以沿着转子轴1进一步增加一些被动径向的磁性轴承14’，34’；14”，34”（参见图8），因为所述力对应于暴露表面，大于两个的多个被动径向的磁性轴承增加由被动的磁性轴承产生的力。
图2示出了类似于图1的实施例但具有稍微不同的被动径向的磁性轴承的变型的实施例。与图1和2的实施例共有的元件具有相同的附图标记并且不会再次描述。
在图2的实施例中，导电材料例如铜或者铝的插入件与不同的永磁体结合。因而，导电材料的插入件12，112，122，132分别被插入到中间的永磁体104，114，124，134中，如图2所示。导电材料减小了当排斥力发生在反向的磁体之间时产生的轴向偏差。因而当偏差发生时，由于当转子和定子不在中心时的气隙的变化，因此磁场变化不再为零，相反的电流（和磁场）感应在插入件12，112，122，132中，因而稳定所述力。
如上所述，永磁体104，124和114，134的永磁体的不同排斥力配置可选定为如图9和10所述，其中磁化方向可垂直于转子轴1的轴线（图9）或平行于转子轴1的轴线。导电材料的插入件12，112，122，132的提供没有改变不同配置是可能的的事实。
除了位于压缩机叶轮2，3附近的两个基本的被动径向的磁性轴承104，124和114，134之外，可以进一步增加沿着转子轴1的被动径向的磁性轴承114’，134’（参见图13），因为所述力对应于暴露表面，因此大于两个的多个被动径向的磁性轴承增加了由被动的磁性轴承产生的力。
在图2，9，10和13的例子中，导电材料的插入件12，112，122，132位于永磁体的中间，即两个相同的永磁体104，114，124，134位于导电材料的中心插入件12，112，122，132的在转子轴的纵轴方向上的两侧上。然而，如图11和12所示，其他的配置是可以的。
在图11和12的例子中，永磁体104，114，124，134位于中间，导电材料12A，12B，112A，112B，122A，122B，132A，132B位于中心永磁体104，114，124，134的在转子轴的纵轴方向上的两侧上。
在图2的实施例中，构成被动的磁性轴承的一个部分的转子磁体104，114可以是安装在支撑所述磁体的环8，18上的环形状，这样的环8，18收缩在转子轴1上或者如上相对于图5所述的，替代地收缩在转子轴1上的单个空心筒8用于安装两个被动径向的磁性轴承的转子磁体104，114。
第三和第四组永磁体24，34可布置成使得它们分别集成到第一和第二固定环23，33。然而根据变型的实施例，第三和第四组永磁体24，34可集成到弹性材料5，15的第一和第二环，即固定环23，33可与弹性材料5，15的第一和第二环结合。
图3和4涉及本实用新型的进一步的实施例，其可特别地应用于涡轮增压器。与图1和2的实施例相同的元件具有相同的附图标记且不会再次描述。
基本上，图3的被动径向的磁性轴承可与图1的被动径向的磁性轴承完全相同并且不会再次描述。同样地，图4的被动径向的磁性轴承可与图2的具有导电材料12，112，122，132的被动径向的磁性轴承完全相同并且不会再次描述。以前参照图5到8描述的特征还可应用到图3的实施例，然而以前参考图9到13描述的特征也可应用于图4的实施例。
在图3和4的实施例中，无轴向轴承的电机的第一和第二转子部分7，17没有位于压缩机叶轮2，3的正面上而是分别位于盘状件13的第一和第二正面上，所述盘状件垂直于转子轴1一体地定位在第一和第二压缩机叶轮2，3之间。
第一和第二线圈6，16和相应的传感器60，160，其分别与第一和第二固定的磁性电枢10，20连接，分别面向位于所述盘状件13的两个正面上的转子部分7，17。
控制单元200从轴向传感器60，160接收输出量并馈电给充当主动的轴向轴承且还可产生以前描述的电机转矩的线圈6，16。
图1到4示出了两个单个的叶轮2，3。然而，压缩机部分的其他设计可与在此披露的不同实施例结合使用。因而，每个压缩机叶轮2，3可包括两个叶轮，如果需要的话，即本实用新型还可适用于包括两个串联式叶轮的压缩机部分。
虽然优选实施例已经被示出和描述，但是应当理解到任何变化和改型可在其中进行而没有背离如在所附权利要求中限定的本实用新型的范围。
Claims (14)
1.一种转子（1）的混合磁悬浮装置，所述转子具有在它的第一端处的第一压缩机叶轮（2）和在它的第二端部处的第二压缩机叶轮（3），其特征在于，它包括：
－集成到第一和第二收缩环（8，18）的至少第一和第二组永磁体（4，14；104，114），所述第一和第二收缩环分别布置在所述转子（1）上的所述第一和第二压缩机叶轮（2，3）附近，所述第一和第二组永磁体（4，14；104，114）由与所述转子（1）共轴的外面的非磁性环（9，19）保持，
－集成到第一和第二固定环（23，33）的至少第三和第四组永磁体（24，34；124，134），所述第一和第二固定环布置成分别与所述转子（1）共轴且与所述第一和第二压缩机叶轮（2，3）附近的弹性材料（5，15）连接，以使得所述第三和第四组永磁体（24，34；124，134）分别面向所述第一和第二组永磁体（4，14；104，114）同时提供它们之间的间隙以限定被动径向的磁性轴承，
－至少第一和第二线圈（6，16），该至少第一和第二线圈分别与第一和第二磁性电枢（10，20）连接并分别面向垂直于所述所述转子（1）定位的第一和第二转子部分（7，17），以及
－配置为用于检测所述转子（1）的轴向位置的轴向传感器（60，160）,以及配置为用于作为所述轴向传感器（60，160）的输出量的函数馈电给所述第一和第二线圈（6，16）的控制装置（200），用于既产生轴向轴承力又产生电机转矩从而适于限定无轴向轴承的电机。
2.根据权利要求1所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，每个永磁体（104，124，114，134）包括由导电材料做成的至少一个插入件（12，122，112，132）。
3.根据权利要求2所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，所述导电材料包括选自铜和铝的材料之一。
4.根据权利要求2或3所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，由导电材料做成的所述插入件（12，122，112，132）在沿着所述转子（1）的纵轴方向上位于相同类型的两个单独的永磁体（104，124，114，134）之间的中间位置。
5.根据权利要求2或3所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，由导电材料做成的两个插入件（12A，12B，122A，122B，112A，112B，132A，132B）在沿着所述转子（1）的纵轴方向上位于单独的永磁体（104，124，114，134）的两侧处。
6.根据权利要求1－5中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，所述第一和第二收缩环（8，18）由单个的空心筒（8）构成。
7.根据权利要求1－6中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，所述第一和第二收缩环被设计成限定隔热件。
8.根据权利要求1－7中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，无轴向轴承的电机包括第一和第二转子部分（7，17），该第一和第二转子部分中的每个由选自以下部分的部分做成，所述以下部分为：由导电和磁性合金做成的用于限定感应电机的部分、由永磁体做成的用于限定永磁电机的部分、或由硬磁材料做成的用于限定磁滞电机或磁阻电机的部分。
9.根据权利要求1－8中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，所述第一和第二转子部分（7，17）分别位于所述第一和第二压缩机叶轮（2，3）的第一和第二正面上。
10.根据权利要求1－8中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其特征在于，所述第一和第二转子部分（7，17）分别位于盘状件（13）的第一和第二正面上，所述盘状件垂直于所述转子（1）一体地定位在所述第一和第二压缩机叶轮（2，3）之间。
11.一种串联式汽车-压缩机，其特征在于，包括根据权利要求9所述的混合磁悬浮装置。
12.一种电助推涡轮增压器，其特征在于，包括根据权利要求10的混合磁悬浮装置。
13.一种离心式汽车-压缩机，其特征在于，包括根据权利要求1到10中的任一项所述的混合磁悬浮装置。
14.一种电动压缩机，其特征在于，包括根据权利要求1到10中的任一项所述的混合磁悬浮装置，其中它被应用到用于车辆的散热和空调系统。
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