磁性轴承和其制造方法以及包括该磁性轴承的旋转装置

摘要

本发明涉及一种适合于装配旋转装置的磁性轴承(1)。磁性轴承(1)包括：设有磁性基部(10)和安装在磁性基部(10)上的至少三个致动器线轴(20)的致动器子组件(2)，和设有与致动器线轴(20)相关联的至少三个磁性传感器(30)的传感器子组件(4)。在致动器子组件(2)和传感器子组件(4)中的至少一个子组件(2；4)包括安装在一起的至少三个扇区(11)。每个扇区(11)在该扇区(11)属于致动器子组件(2)时包括至少一个致动器线轴(20)，或在该扇区属于传感器子组件(4)时包括至少一个磁性传感器(30)。本发明还涉及包括这样的磁性轴承(1)的旋转装置以及用于制造这样的磁性轴承(1)的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性轴承。本发明还涉及一种包括这样的磁性轴承的旋转装置。本发明还涉及一种用于制造这样的磁性轴承的方法。

背景技术

以已知的方式，磁性轴承可以集成到旋转装置，诸如飞轮、涡轮分子泵、涡轮膨胀机、涡轮压缩机、鼓风机、主轴、冷却器等。例如，飞轮被设计用来存储旋转能量。配备有传统轴承的飞轮的旋转速率被限制到几千RPM(revolutionsperminute，每分钟转数)，而安装有磁性轴承的飞轮可达到十万RPM。

WO-A-2008/039256公开了磁性轴承的一个例子，其包括属于同一中心自组件的致动器和传感器。磁性轴承还包括布置在中心子组件的两侧上的两个支撑板。由电磁体形成的致动器被设计为支撑和定位旋转设备，诸如旋转轴。传感器被设计为控制致动器的操作。磁性轴承还包括用于传输能量或信号的电线。

今天，磁性轴承的不同组成部分的装配是手动完成的。通常，磁性致动器和传感器包括由铜线制成并卷绕在线圈保持器上的磁性线圈。用于制造这样的磁性轴承的方法包括手动操作。磁性线圈被手动地卷绕在线圈保持器上。此外，磁性线圈之间的电连接是手动完成的。因此，这些方法用来制造磁性轴承的劳动时间和成本都不能完全令人满意，特别是对于高产量来说。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的磁性轴承。

为此目的，本发明涉及一种适合于装配旋转装置的磁性轴承。根据本发明中，磁性轴承包括：设有磁性基部和安装在该磁性基部上的至少三个致动器线轴(bobbins)的致动器子组件，和设有与致动器线轴相关联的至少三个磁性传感器的传感器子组件。此外，在致动器子组件和传感器子组件中的至少一个子组件包括安装在一起的至少三个扇区。此外，每个扇区包括：当扇区属于致动器子组件时的至少一个致动器线轴，或当扇区属于传感器子组件时的至少一个磁性传感器。

由于本发明，制造磁性轴承的劳动时间和成本被降低。磁性轴承具有模块化结构，这使得其制造过程更简单并且更迅速。由于子组件中的至少一个包括多个扇区，磁性系统的安装更容易并且可以自动化。与手动组装相比，自动卷绕减少了制造磁性轴承的劳动时间，并增加了高产量的可行性。与单叠片堆叠相比，线轴可以更大，从而增加了磁性轴承的负载能力。

根据本发明有利但不是强制性的其它方面，这样的磁性轴承可包括以下特征中的一个或几个：

-致动器子组件包括安装在一起的至少三个扇区，每个扇区包括至少一个致动器角(horn)和安装在致动器角上的致动器线轴。

-致动器子组件包括安装在一起的四个扇区，每个扇区围绕磁性轴承的中心轴线延伸超过90度角。

-致动器子组件的每个扇区包括由单个部件制成在一起的两个致动器角和安装在致动器角上的两个致动器线轴。

-每个磁性传感器位于所述致动器子组件的两个扇区之间的连接处。

-每个磁性传感器介于磁性轴承的中心轴线与致动器子组件的扇区中的一个的中心之间。

-传感器子组件包括安装在一起的至少三个扇区并且每个包括至少一个磁性传感器。

-传感器子组件包括基部和中间支撑件，所述中间支撑件设有传感器角并且紧固在基部与每个接收在传感器角中的一个上的磁性传感器之间。

-中间磁性支撑件包括主要部分和形成叉的两个传感器角。

-磁性轴承包括布置在致动器子组件的两侧上的两个传感器子组件。

-磁性轴承仅包括布置在致动器子组件的一侧上的一个传感器子组件。

-在磁性致动器和磁性传感器之中的至少一个磁性系统共同包括：线圈保持器；卷绕在线圈保持器上的线圈；和，集成到线圈保持器并且设计用于插入至少一根导线的连接器设备。

-线圈保持器支撑单个线圈。特别地，致动器线轴的线圈保持器支撑单个线圈。

-线圈保持器包括两个平行板和一个中心部分，所述线圈在两平行板之间被卷绕在所述中心部分上。

-线圈保持器包括两个横向部分，其各自支撑一个线圈。特别地，磁性传感器的线圈保持器支撑两个线圈。

-线圈保持器的每个横向部分包括两个平行板和一个中心部分，线圈在两平行板之间被卷绕在所述中心部分上。

-致动器线轴的线圈保持器包括凹部，其在线圈内延伸并且接收电磁体。

-磁性传感器的线圈保持器包括凹部，其在线圈内延伸并且接收传感器角。

-连接器设备是绝缘体位移连接器，其设计为接收并自动地约束至少一根导线

本发明还涉及一种包括上文提到的磁性轴承的旋转装置，例如飞轮、涡轮分子泵、涡轮膨胀机、涡轮压缩机、鼓风机、主轴或冷却器。

本发明还涉及一种用于制造上文提到的磁性轴承的方法。所述制造方法至少包括以下步骤：

(a)制造致动器子组件；

(b)制造传感器子组件；和

(c)组装该致动器子组件和传感器子组件，以形成磁性轴承。

根据本发明，在步骤(a)和/或在步骤(b)的过程中，至少设置三个扇区以形成致动器子组件或传感器子组件，当该扇区属于致动器子组件时，每个扇区包括至少一个磁性致动器，或者，当该扇区属于传感器子组件时，每个扇区包括至少一个磁性传感器。

附图说明

本发明现在将对应附图进行解释，其作为说明性示例，而没有限制本发明的目的。在附图中：

-图1是根据本发明的径向磁性轴承的透视图；

-图2是图1的磁性轴承的分解透视图，其包括致动器子组件、两个传感子组件(仅为其中一个呈现了传感器)和印刷电路板；

-图3是在组装好的没有传感器和印刷电路板的磁性轴承以更大尺度的透视图；

-图4是图3的磁性轴承沿箭头IV的顶视图；

-图5是类似于图4以更大尺度的视图，其示出包括设有磁性致动器线轴的四个扇区的致动器子组件；

-图6是类似于图5以更大尺度的视图，其仅示出致动器子组件的一个扇区；

-图7是类似于图4以更大尺度的视图，其示出包括基部、中间磁性支撑件和磁性传感器线轴的传感器子组件；

-图8是图7的传感器子组件的透视图；

-图9是磁性传感器线轴和它的磁性支撑件沿图8上的箭头IX的顶视图；和

-图10是在图9上示出的磁性传感器线轴和它的磁性支撑件的透视图。

具体实施方式

图1至图10示出了根据本发明的磁性轴承1和它的构成元件。更精确地，图1至图10示出了径向作用磁性轴承1的静态部分，而为简单起见未示出转子部分。

如图1至图4示，磁性轴承1定心在中心轴线X1上，并且包括致动器子组件2、传感器子组件4和印刷电路板6。磁性轴承1还包括设计用于容纳元件2、4和6的盖部分，其出于简化目的而未呈现。磁性轴承1还包括用于传送能量或信号的电线，其出于简化目的而未呈现。磁性轴承1具有模块化结构，这使得其制造过程更简单并且更迅速。子组件2或3被构造为在磁性轴承1的内部形成磁回路

致动器子组件2包括磁性致动器基部10，所述磁性致动器基部设有径向向内突出的致动器角16。致动器子组件2还包括安装在致动器角16上的致动器线轴20。致动器子组件2对每个致动器角16包括一个致动器线轴20。各传感器子组件4包括磁性传感器线轴30，并且它们的磁性支撑50设有径向向内突出的传感器角56传感器子组件4对每个传感器角30包括一个传感器线轴56。上部子组件4仅在图1和图2上呈现有传感器线轴30和支撑件50，而传感器线轴30和支撑件50在图3和图4上为了简化目的没有呈现。

如图1至图6所示，磁性致动器基部10包括绕轴线X1分布的四个扇区11。每个扇区11围绕轴线X1延伸超过90度角。每个扇区11设有两个致动器角16和安装在角16上的两个致动器线轴20。每个扇区11包括具有定心在轴线X1上的整体圆柱形形状的弯曲部分12。角16与部分12一起由优选地通过冲压制造的堆叠叠片一体地形成。部分12在两个横向末端13之间延伸，各自具有界定半孔14的叉形形状。相邻部分12通过在半孔14中插入销70而接合在一起。部分12包括在角16周围朝向轴线X1定向的存放处(lodgment)15，其用于接收致动器线轴20。两个角16在各存放处15中从部分12朝向轴性X1延伸。换句话说，基部10包括沿环12并且围绕轴线X1分布的八个角16。每个角16具有朝向轴线X1的弯曲内表面18。共同地，表面18定心在轴线X1上，并界定用于接收磁性轴承1的转子部分的空间。各部分12优选地由形成独特的磁性材料块的层叠金属堆叠制成。部分12的叠层被加工以形成末端13、存放处15、角16和表面18。因此，角16与部分12一体地形成。

每个致动器线轴20包括线圈保持器21和卷绕在保持器21上的磁性线圈22。线圈保持器21由绝缘塑料材料制成，优选地是用30％的玻璃纤维(PA66GF30)增强的聚酰胺塑料。线圈22由单根导线制成，优选地是漆包铜线。

保持器21包括通过中空的中心部分25连接的两个平行板23和24。线圈22在板23与24之间卷绕在部分25上。保持器21包括在部分25内形成并且在每个板23和24中间打开的凹部26。换句话说，凹部26延伸穿过保持器21，并且在线圈22内延伸。凹部26被设计为接收角16。在目前情况下，角16和部分25具有矩形横截面。如下文详述的，保持器21还包括连接部分28，其包括设计成接收连接器80的插槽29。

在实践中，当电流通过线圈22时，相关联的角16被磁化，因此产生磁通变化，从而导致围绕保持器21布置的线圈22的张力变化。磁性轴承1包括四对角16和四对线圈22，其在操作中形成四个磁回路。

如图7和图8所示，传感器子组件4包括定心在轴线X1上的环形基部或环40。优选地，环40由铝合金制成。四个径向突起42从环40内朝向轴线X1延伸，以用于接收传感器线轴30。每个突起42包括连接到环40的较大部分43和朝向轴线X1的较薄部分44。平行于轴线X1的四个孔45形成在环40与部分43的连接处，以用于接收销70。平行于轴线X1的两个较小的孔46形成在每个部分44上，以用于接收紧固螺钉并且将支撑件50安装在突起42上。除了形成分度装置的销70外，八个轴向突起48在环40下方延伸，以用于相对于子组件2定位子组件4。在组装磁性轴承1时，突起48接触地接收基部10的顶部或底部。

如图7至图10所示，每个传感器线轴30包括线圈保持器31和卷绕在保持器31上的两个磁性线圈32。保持器31由塑料材料制成，优选地是用30％的玻璃纤维(PA66GF30)增强的聚酰胺塑料。线圈32是用单根金属导线共同制成的，优选的是漆包铜线。

保持器31包括两个横向部分311和312，各自包括通过中空的中心部分35连接的两个平行板33和34。各线圈32在板33与34之间卷绕在部分35上。每个部分311和312包括在部分35内形成并且在每个板33和34中间打开的凹部36。换句话说，凹部36延伸穿过保持器31，并且在线圈32内延伸。凹部36被设计成接收属于所述磁性支撑件50的传感器角56。如下文详述的，每个部分311和312还包括连接部分38，其包括设计成接收连接器90的插槽39。形成线圈32的铜线具有都插入到连接器90内的两个端部，一个结合到部分311，一个结合到部分312。

在实践中，每个角56通过转子的旋转而被磁化，因此产生磁通变化，从而导致围绕保持器31布置的线圈32中的张力变化。磁性轴承1包括四对角56和四对线圈32，其在操作中形成四个磁回路。

通过传感器线轴30和角56形成的传感器被设计用来控制由线轴20和角16形成的致动器的操作。传感器线轴30被连接到控制单元，其为了简化目的而未示出。当磁性轴承1被安装时，每个传感器线轴30被放置在致动器子组件2的两个扇区之间的连接处。由此，每个传感器线圈32邻近致动器线圈22定位。角16和56、致动器线圈22和传感器线圈32是成对耦合的，从而允许控制磁性轴承1的转子部分的径向位置。

可选地，每个传感器线轴30能够被插入在轴线X1与一个扇区11的中心之间。由此，每个传感器线圈32基本上与致动器线圈22沿着中心轴线X1对齐。

磁性支撑件50被安装在传感器线轴30与基部40之间，更精确地是在线圈保持器31与突起42之间。磁性支撑件50优选地由磁性叠片堆叠制成，例如硅铁。每个磁性支撑件50包括主要部分52和形成叉的两个角56。部分52上设有孔54，其用于接收紧固螺钉并将支撑件50安装在突起42上。角56设有与部分52相对的表面58，使得当所有支持件50都被安装在环40上时，表面58位于定心在轴线X1上的圆柱体上，并且界定用于容纳磁性轴承1的转子部分的空间，类似于角16的表面18。角56被设计为插入到设置在保持器31中的凹部36内，从而使传感器线轴30能够被安装在支撑件50上，所述支撑件被安装在环40上，以形成传感器子组件4。

连接器80和90优选地是绝缘体位移连接器，其设计用于接收并自动地约束导线，而无需焊接操作。第一种类型的导线是设计用于形成卷绕在保持器21或31上的线圈22或32的漆包线。第二种类型的导线是设计用于将致动器线轴20或附近的传感器线轴30彼此连接的铠装线。连接器80和90通过装配在设计到那里的插槽29和39中而被集成到保持器21和31。可选地，除连接器80和90之外，线圈保持器21和31可以集成适合于本申请的任何连接器设备。无论连接器设备的类型是什么，它被集成到线圈保持器21或31中的一个上，从而允许导线的更容易插入和磁性系统20或30的彼此连接。

本发明还涉及一种用于制造磁性轴承1的制造方法。

所述制造方法至少包括以下连续步骤(a)、(b)、(c)。步骤(a)在于制造致动器子组件2。优选地，在步骤(a)中，线圈22在自动绕线机中被自动地卷绕在保持器21上，然后致动器线轴20被安装在角16上。步骤(b)在于制造传感器子组件4。优选地，在步骤(b)中，线圈32在自动绕线机中被自动地卷绕在保持器31上，然后致动器线轴30被安装在角56上。步骤(c)在于组装致动器子组件2和传感器子组件4以形成磁性轴承1。优选地，在步骤(c)中，子组件2的扇区11被安装在一起，并且固定在子组件4之间，然后印刷电路板6被安装在子组件2和4上。

根据本发明在图1至图10中呈现的实施例，在步骤(a)中，扇区11被设置以形成子组件2。由于子组件2包括几个扇区11，致动器线轴20在角16上的安装是更容易的，并且可以自动化。与手动组装相比，自动卷绕减少了制造磁性轴承的劳动时间，并增加了高产量的可行性。

其它未示出的实施例可以在本发明的范围之内实现。

根据未示出的实施例，磁性轴承1可包括不同数量的角16和56、致动器线圈22和传感器线圈32。优选地，磁性轴承1包括成对的角16和46，其接收成对的线圈22和32。换句话说，每个致动器线圈22与一个传感器线圈32相关联。

根据另一未示出的实施例中，致动器线轴20可具有保持器21，其包括用于保持两个线圈22的两个部分，类似于保持器31包括用于保持两个线圈32的两个部分311和312。在这种情况下，这两个致动器线圈22与两个传感器线圈32相关联。

根据另一未示出的实施例，传感器线轴30可具有仅支撑一个线圈32的保持器31，类似保持器21仅支撑一个线圈22。在这种情况下，属于两个传感器线轴30的两个传感器线圈32与两个致动器线圈22相关联。

根据另一未示出的实施例，装备磁性轴承1的磁性传感器可具有与如上所述的传感器线轴30不同的结构。

在图1至图10的例子中，致动器子组件2包括安装在一起的四个扇区11，每个扇区11包括两个致动器线轴20，而传感器子组件4包括环40，但没有扇区。换句话说，致动器子组件2是分扇区的子组件。

根据另一未示出的实施例，分扇区的致动器子组件2可包括安装在一起的不同数目的扇区11，至少有三个扇区11，每个扇区11包括至少一个致动器线轴20。

根据另一未示出的实施例，传感器子组件4可包括形成环40的至少三个扇区，每个扇区包括至少一个传感器线轴30。换句话说，传感器子组件4是分扇区的子组件。

在图1至图10的例子中，磁性轴承1包括布置在致动器子组件2的两侧上的两个传感器子组件4。第一个是径向定位功能所需要的，而第二个可用于转子的轴向位置检测。

根据另一未示出的实施例，磁性轴承可只包括布置在致动器子组件的一侧上的一个传感器子组件。

无论是本发明的哪个实施例，至少一个子组件2或4包括安装在一起的至少三个扇区，每个扇区包括至少一个磁性系统20或30。

此外，不同实施例的技术特征可以全部或部分地彼此结合。由此，磁性轴承1和其制造方法能够适合于应用的具体要求。