转子轴相对于定子的磁力支承装置和互相插接的转子盘元件和定子盘元件

摘要

本发明涉及一种磁力支承装置(12)，其含有一些沿径向互相插接的软磁性转子盘元件(4i)和软磁性定子盘元件(7i)。这些元件(4i、7i)在它们互相面对的那一侧设有一些环形的、分别通过空气间隙(8k)相对置的齿形延伸段(4f或7f)。此外，为转子盘元件(4i)或定子盘元件(7i)配设产生磁场的装置(7m)，以用于产生在盘元件(4i、7i)之间沿轴向定向的磁通(Mf)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将转子轴相对于定子磁力支承的装置，有下列特征：

a)一个第一支承部分与转子轴连接以及被与该定子对应设置的一个第二支承部分在彼此有间距的情况下围绕，

b)第一支承部分含有一些垂直于转子轴轴线定向的和沿此轴线的方向前后排列的软磁性转子盘元件，它们分别隔开距离形成空隙，

c)第二支承部分含有一些垂直于转子轴轴线定向的和沿转子轴轴线的方向前后排列、彼此隔开距离的软磁性定子盘元件，它们分别插入相邻转子盘元件的其中一个空隙内，

d)在这些元件之间形成基本上沿轴向定向的磁通。

背景技术

例如由DE3844563可知一种相应的支承装置。

磁力支承装置允许不接触和无磨损地支承运动构件。这些构件不需要润滑剂以及可以成为低摩擦结构。常用的(传统的)径向或轴向磁力支承装置，利用在定子的固定的电磁铁与转子体的随同旋转的铁磁性元件之间的磁力。在此类支承中磁力始终是相吸的。其结果是，原则上沿所有的三个空间方向都不能达到固有稳定地支承。因此这些磁力支承装置需要一种主动式支承调整装置，它通过位置传感器和调节回路控制电磁铁的电流以及消除转子体从其额定位置的偏离。多通道结构的调整装置需要复杂的功率电子设备。相应的磁力支承装置例如使用在涡轮分子泵组、超离心机、机床高速旋转芯轴和有旋转阳极的X射线管中；还已知使用在电动机、发电机、涡轮和压缩机内。

图1概略表示一种相应的磁力支承装置30的基本结构。图中表示两个主动式径向支承31和32，它们包括励磁铁33和34以及在转子轴37上的径向支承转子盘35和36、一个主动式轴向支承38，该轴向支承38包括在转子轴37上的转子盘39和40以及在转子盘上的同心励磁绕组42i、以及五个距离传感器41a至41e，它们与每个径向支承的各两个侧向自由度和轴向支承的一个自由度相对应。此外还需要五个配属的调节回路r1至r4或z5。由于在这种支承装置中当支承间隙变小时吸力增大，所以相应装置从开始起就是不稳定的。因此转子轴37的位置必须通过由借助传感器41a至41e的距离测量装置和下游的调节器及下游给励磁铁33和34馈电的放大器组成的调节回路稳定化。因此相应的磁力支承装置相当复杂。为预防调节回路突然失效，必须附加地采用机械式止推支承。

此外例如由DE4436831C2还已知一些磁力支承装置，它们有永久磁铁和高T_C超导材料。这种磁力支承装置是自稳定的，也就是说它们不需要调节。然而由于超导材料所要求的尤其低于80K的低温工作温度，所以需要隔热和通过适当的低温冷却剂或通过制冷机制冷。

还已知一些沿一个方向自稳定的支承装置，它们有磁通量、铁的软磁性部分以及永久磁铁。在这种支承装置例如可以由DE3409047A1和DE3844563A得知的相应的设计中，在轴上的永久磁铁环沿轴向与铁磁轭的极排成一条直线并因而导致径向定心。在这里磁通量通过励磁线圈增强，必要时轴向不稳定的自由度通过电子调节回路稳定化。可以将多个沿轴向前后交替的具有相同轴向磁化的固定及旋转磁铁环排成一列以及满足径向支承功能。在这里还必须主动稳定轴向自由度。

此外，由DE19944863A可知一种有一个经修改的径向支承装置的泵。在这里转子设有永久磁铁柱而不是环，在转子上固定的永久磁铁或铁芯柱沿轴向相对置。围绕转子的定子有电励磁线圈。此外还存在特殊的径向稳压器。

但是以上论及的所有具有永久磁铁部分的支承装置，支承力比较小以及支承刚性不够。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于不接触地支承轴的磁力支承装置，尤其用于高速旋转的机器，如涡轮压缩机，它与列举的现有技术相比不那么复杂。尤其在考虑到动态力和狭窄的间隙公差的情况下应能保证提供大的支承力和高的支承刚性。

按本发明上述技术问题采取权利要求1中说明的措施得以解决。

据此，用于转子轴相对于定子磁力支承的装置应有下列特征，即

-第一个支承部分与转子轴连接以及被对应于该定子配设的第二支承部分在有间距的情况下围绕，

-第一个支承部分含有一些垂直于转子轴的轴线定向且沿此轴线的方向前后排列的软磁性转子盘元件，这些转子盘元件分别隔开距离地形成空隙，

-所述第二支承部分含有一些垂直于转子轴轴线定向且沿此轴线的方向前后排列、彼此隔开距离的软磁性定子盘元件，这些定子盘元件分别插入所述转子盘元件的空隙内，

-转子盘元件和定子盘元件在它们彼此面对的那一侧设有一些环形的、分别通过支承间隙相对置的齿形延伸段，

以及

-为转子盘元件和定子盘元件配设产生磁场的装置，用于产生在盘元件之间基本上沿轴向定向的磁通。

与现有技术相比，在本发明的支承装置中在外部的产生磁场装置造成经过各自支承间隙的磁通量，并磁化软磁性材料、尤其铁制的齿形延伸段。在这里磁通密度在各自的间隙内是不均匀的，由此在铁的表面施加力。有利地，在软磁性材料，如铁内可以实现比仅仅用永久磁性材料例如钕-铁-硼(Nd-Fe-B)制的装置强得多的磁化，并因而达到单位面积更大的支承力。

按磁阻原理，本系统希望磁阻最小化以及将齿形延伸段定位为，使它们尽可能靠近地对置。当径向偏移时磁力造成一个成比例的复位力，因此在这种情况下不再需要径向调整装置。

在移动齿形延伸段宽度的一半时施加最大的径向力。因为纵向分度通过齿形延伸段的径向宽度和与之相邻的空隙决定，所以支承刚度可以通过齿形延伸段的尺寸在大的范围内选择。尤其可以通过细齿实现刚度很大的支承。在两侧有相同支承间隙的对称结构中，转子盘元件上的轴向力互相抵消。当然这种平衡沿轴向是不稳定的，必须通过附加装置，如主动调整式磁力支承，必要时还要通过机械支承使之稳定化。不过每根轴对于单个轴向支承只需要唯一的一个调节回路，而不是如在图1所示有主动调整式径向支承的先有技术中那样的五个。

另一方面通过小的轴向移动可以施加一个大的稳定的轴向磁力，不需要消耗电功率，所以轴向支承还只须承受轴向负荷中的动态部分。这可以通过调整轴向调整装置达到，其中将轴向支承的励磁电流的时间平均值的最小值规定作为额定值。

本发明支承装置的有利扩展设计可由从属于权利要求1的那些权利要求得知。按权利要求1所述的实施方式可以与从属权利要求之一的特征或优选地也可以与多个从属权利要求的特征组合。据此，按本发明的支承装置附加地还有下列特征：

·在转子盘元件与定子盘元件之间的空隙外面，在未为它们配设产生磁场的装置的盘元件的沿径向内边缘或外边缘上，可以设沿轴向延伸的软磁性材料以用于闭合磁通回路，如轴向延伸的磁轭体或至少部分转子轴。采用这些软磁性材料部分可以减小磁通回路的磁阻，由此可以达到在齿形延伸段之间相应地增大的磁通密度并因而达到更佳的磁刚度。

·产生磁场的装置可以有利地是永久磁性的元件，以及这些元件可以至少组合在一些转子盘元件或定子盘元件内。相应的支承装置可以有比较紧凑的结构。

·在这方面有利的是，设有永久磁性元件的盘元件分别沿轴向分成两半，然后在这两半之间设永久磁性元件。

·若含有永久磁性元件的盘元件有比不含永久磁性元件的盘元件更大的径向尺寸，则对于盘元件之间高的磁通密度和有效利用永久磁性的材料方面也是有利的。

·取代使用永久磁性的元件或附加地，产生磁场的装置也可以由至少一个电磁铁绕组构成。所述绕组可以设在转子盘元件或定子盘元件沿径向的内边缘或外边缘上，以及可以与磁轭体或转子轴沿轴向延伸的软磁性材料对应地配设。为了使磁通回路闭合，绕组在转子盘元件与定子盘元件之间形成的空隙之外，处于未为它们配设产生磁场的装置的那些元件边缘。

·优选地，转子盘元件和定子盘元件互相面对且设有齿形延伸段的平面侧，相对于转子轴线的垂直线可以倾斜地布置。采用这种斜度得到楔形的纵剖面形状。在这里轴向尺寸(盘厚)和倾斜角选择为，使盘元件可以处处接受磁通量，不会在盘元件内导致磁饱和。

本发明支承装置的其他有利的扩展设计可由上面没有论及的从属权利要求得知。

附图说明

下面参见附图借助优选的实施例更详细地说明本发明。附图分别采用轴向纵剖面和略有示意性的方式，其中：

图2表示本发明磁力支承装置的基本结构；

图3表示在转子轴径向偏移时转子盘元件与定子盘元件的齿形延伸段之间的磁力线走势；

图4至6表示有永久磁铁作为产生磁场的装置的磁力支承装置的一些具体实施方式；以及

图7和8表示各有至少一个电磁铁绕组作为产生磁场的装置的磁力支承装置的一些具体实施方式。

在这些附图中对应的部分总是采用相同的附图标记。

具体实施方式

本发明的磁力支承装置在图中没有表示的部分都是众所周知的。图2中总体用附图标记2表示的磁力支承装置包括一根不接触地支承的、含有第一支承部分4的转子轴3，第一支承部分4有垂直于转子轴3的轴线A定向并固定在转子轴3上随同旋转的转子盘元件4i。这些元件用软磁性材料制成。它们沿轴向隔开间距地前后排列以形成各自的空隙5j。位置固定的定子构成第二支承部分7，它同样有彼此沿轴向隔开距离并有间距地围绕转子轴3的环盘状定子盘元件7i。这些元件也用软磁性材料制成并沿径向不接触地伸入到所述空隙5j内，从而造成转子盘元件4i和定子盘元件7i的一种沿轴向交替的梳状结构。转子盘元件和定子盘元件在它们互相面对的各侧，制有分别通过具有小的轴向尺寸或宽度b的空气间隙8k相对置的齿形延伸段4f或7f，或设计有这种延伸段。每个盘元件的延伸段设计成环形以及相互间同心地布设。在这里，宽度b有利地界于相邻延伸段的中心的径向距离s的0.05与0.25倍之间。在图中还用虚线暗示由图中没有表示的外部产生磁场的装置造成的磁通量Mf的磁力线。

在成叠盘元件端部的那个端盘元件7e设计为在一侧制齿的磁通导引件，它与一个磁通回引装置(为它可例如采用铁磁性的轴或固定的铁磁轭体)共同闭合磁通量回路。

如在图2中还表示的那样，环盘元件4i或7i的齿形延伸段4f和7f在纵剖面内看有矩形轮廓或横截面。在这里，延伸段之间的空隙4l和7l可大体有相同宽度并深度(沿轴向看)约为宽度的0.5至1倍。优选地，空隙和齿形延伸段有相同的径向尺寸。

环盘状元件4i和7i以及按照本发明的磁力支承装置的其他所有磁通导引部分，优选地可用高饱和磁化的软磁性材料制成，例如用铁、含硅的合金铁或FeCo合金制造。在相对置的齿形延伸段4f和7f之间的空气间隙8k在这里有一个轴向宽度，它一般界于齿形延伸段相应宽度或与之相邻的空隙深度的0.2与0.6倍之间。

对于径向支承，齿形延伸段4i和7i例如通过两侧制有环形和同心沟槽的表面在铁盘上构成。在图2所示的平衡位置，这些延伸段4i和7i准确相对置；当径向偏移时，磁力造成一个成比例的复位力。如可以借助图2所示实施方式的一些盘元件4i和7i的截取部分表示在图3中的磁力线Mf的走势那样，本系统试图通过其磁通导引部分按照磁阻原理使磁阻以这样的方式最小化，即，将相邻盘元件的齿形延伸段定位成使它们如图2中那样尽可能靠近地相对置。

由图3还可以看出，齿形延伸段从纵剖面图内看也可以有利地设计为梯形，此时它们的侧面相对于转子轴线A的平行线倾斜达45°。

图4至图8表示磁力支承装置不同的设计可能性，它们的区别分别在于其借助外部的产生轴向磁通量的装置通过第一和第二支承部分处于前后位置的盘元件的磁通回路。在图中用虚线示出磁通Mf的磁力线。

按图4中总体用附图标记12表示的磁力支承装置，它的定子元件7i分别沿轴向分成两半，一个永久磁性的元件处于两半之间作为产生磁场的装置。因此在每个定子盘元件7i中央填加用永久磁性材料、优选用Nd-Fe-B材料制成的一个沿径向延伸的层或一个环盘7m。在这里，定子盘元件有利地具有比它们的制成沟槽的具有齿形延伸段7f的作用面更大的轴向直径，为的是能在空气间隙8k内达到尤其1忒斯拉和更大的磁通密度，以及磁性材料能在工作点，例如NbFeB在0.5与0.8忒斯拉之间，造成大的能量积B*H。此外，有利地转子盘元件4i和定子盘元件7i互相面对的制有齿形延伸段4f和7f的平面侧倾斜地布置。采用这种斜度，使铁的厚度与当地的磁通量相匹配。由此使轴向支承长度可以保持为较小。相对于转子轴轴线A的垂直线的倾斜角α在这里应选择为，尽管实现盘元件的楔形(在纵剖面内看)，但在盘元件内没有任何地方出现磁饱和。按照本实施例，角度α约在7°与15°之间，例如约10°。第一支承部分4的随同旋转的端部盘元件和铁制的或含有铁部分的转子轴3构成磁通回程。非磁性的套筒13将位置固定的定子盘元件7i在其外边缘固定在一起。

图5中总体用附图标记15表示的磁力支承装置与图4所示装置12的区别仅在于，不是其定子盘元件7i，而是其转子盘元件4i，分别在盘的轴向中央设有形式上为层或圆片4m的永久磁性材料。按本实施方式转子轴3是非磁性的；在这里磁通回流通过位置固定的端部盘元件7e和在定子盘元件7i外边缘处第二支承部分7的固定的外部磁轭体16构成。

在图4和图5所示的磁力支承装置12及22中，也可以仅仅它们的个别环盘元件7i或4i，例如每第二、第三或第四个元件，可以配备相应厚度的NdFeB元件7m或4m。此时为避免磁短路，必须在盘元件与各自的磁通回流体，在图4的情况下为轴3或在图5的情况下为外部磁轭体之间，填加一个10至50倍支承间隙宽度的非磁性空隙。在这里仅端盘元件具有紧密的磁连接。

在图6所示的总体用附图标记18表示的磁力支承装置中，在其第二支承部分7中将一个或多个环盘形元件19m沿径向定向地填加到软磁性材料制的导引磁通量的外部磁轭体20内。在这里除定子7的沿径向导引磁通量的端盘元件7e外，盘元件7i和/或4i可以如机械负荷允许的那样薄。在使用一根用磁性材料制的转子轴3时，在这里也必须为随同旋转的转子盘元件设磁绝缘的中间元件21，它例如设计为非磁性套筒。但按图示的实施方式轴3应尽可能无磁性。

取代使用永久磁性元件，也可以同样好地采用电磁铁绕组作为产生磁场的装置。图7和8分别表示一种相应的磁力支承装置22或25的可能性。因此，按图7的磁力支承装置22的实施方式与图6所示磁力支承装置相比的差别在于，在它们的软磁性外部磁轭体20内没有永久磁性的元件，以及代之以在外部磁轭体2上安置至少一个电磁铁绕组23。磁通密度B并进而与B2成正比的支承刚度有利地可以借助通过励磁绕组23的电流控制。在这里，在使用含有磁性材料的转子轴3的情况下，在轴与各转子盘元件4i之间也需要一个有足够磁绝缘的中间体21。图的下半部分表示一种相应的实施方式，而图的上半部分以非磁性的轴为出发点。

在图8所示的磁力支承装置25的实施方式中，电磁铁绕组26o处于位置固定的定子盘元件7i的内边缘。这些元件再在其外边缘被相应于图4的非磁性套筒13固定在一起。在这里磁性材料制的转子轴3用作导引磁通Mf的回流体。在此实施方式中，支承刚度也可以有利地借助绕组26o调整。

在以上说明的磁力支承装置2、12、15、18、22和25的实施方式中，它们的出发点在于，产生磁场的装置要么是永久磁性的元件4m、7m、19m，要么是磁绕组23、26o。当然，为了产生期望的通过支承装置的齿形延伸段4m和7m的轴向磁通Mf，也可以将在个别图中表示的永久磁性元件与电磁铁绕组组合。

按本发明的磁力支承装置在图中表示的那些实施方式，转子轴轴线A总是沿水平方向延伸。当然磁力支承装置也可以定向为，使它的转子轴轴线处于一个相对于水平方向倾斜的方向或垂直的方向。在所有这些磁力支承装置中径向导引都是自稳定的。这种支承的优点在于，只还有剩下的轴向自由度必须通过例如主动调整式磁力支承稳定化。在这方面，与按已说明的现有技术使用永久磁铁的支承装置相比较，在各自的空气间隙内产生更强的磁场，以及齿形延伸段的结构可以设计得非常精细，其结果是导致高的支承刚度。在永久磁铁励磁时径向导引是无功的。此外也可以在腐蚀性的环境中使用。在通过电磁铁绕组励磁的实施方式中，为了通过临界转速可以有利地利用一种由传统的轴承已知的方法(参见DE4234524A1)，按此方法可以借助转速传感器得知已接近临界值，并可以短时提高或降低电流和支承刚度。以此方式可以躲过总系统的机械共振。此外，通过将各旋转的盘元件调整为具有不同空气间隙的轴向位置，可以无功地施加轴向持续力。轴向调节回路还只须补偿与时间有关的轴向力和保证轴向稳定性。