具有結合到其的輔助軸承的複合磁軸承的製作方法
2023-07-04 03:20:51 3
具有結合到其的輔助軸承的複合磁軸承的製作方法
【專利摘要】本說明書涉及一種複合磁軸承，該複合軸承具有結合到其的輔助軸承，通過改進其結構，其能夠減小轉子的長度和系統體積。本說明書的具有結合到其的輔助軸承的複合磁軸承是徑向複合磁軸承，其圍繞轉子的周緣設置以減少摩擦，並且該複合磁軸承包括：磁軸承；和輔助軸承，該輔助軸承在線圈和永磁體設置在其中的內側上被固定到定子側芯的內部的空的空間中。
【專利說明】具有結合到其的輔助軸承的複合磁軸承
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合磁軸承，該複合磁軸承具有耦合到其的輔助軸承。更具體而言，本發明涉及具有耦合到其的輔助軸承的複合磁軸承，該複合磁軸承具有改進的結構，以用於最小化轉子的長度和系統體積。
【背景技術】
[0002]已經存在為具有運動例如旋轉或往復運動(轉子軸或移動軸)的部件提供不同的軸承，以用於解決由於摩擦而在部件的運動中容易發生的不同的問題，例如磨損問題、損害問題、噪聲問題和能量浪費問題。一般而言，在廣泛使用的軸承中存在滑動軸承(slidingbearing)、滾動軸承(rolling bearing)，其中滑動軸承安裝成圍繞軸，其中潤滑油向與軸承接觸的部分提供，並且滾動軸承具有可旋轉部件，例如滾珠或滾柱，放置在與軸承接觸的部分中以用於最小化摩擦。
[0003]傳統廣泛地使用的那些軸承具有與軸的接觸面，這必定在軸承的部分中的任一個處發生。近來，為了使不與軸接觸，磁軸承(magnetic bearing)的使用擴大到不同的領域中，從而事實上使摩擦最小化。如在第2009-0070178號韓國專利申請案公開中所公開的(「使用電容測量磁軸承的圓柱徑向方向位移的系統和用於確定磁軸承是否具有發生在其中的故障的方法」，2009年7月I日公開)，通過圍繞軸布置具有強磁場的磁體或電磁體，磁軸承被製成作用為軸承，以使軸通過磁懸浮被浮起。因為磁軸承一點也沒有與軸接觸，使得摩擦為零，沒有對部件造成磨損或損害，所以磁軸承具有很多優點，例如長的壽命和非常低的噪聲。然而，一般而言，不是將磁軸承設計成僅僅用磁軸承來支撐軸，除了磁軸承之外，還設置了具有與軸直接接觸的輔助軸承，以用於得到軸的實際上更穩定的支撐。
[0004]圖1示出了具有設置到轉子的相關技術的磁軸承的轉子的截面圖。如所示，一般而言，由電機2帶動旋轉的轉子I具有多個軸承3、4、6、7、9和設置到轉子I的間隙傳感器5、8、10。因為轉子I具有在一個方向延伸的柱狀形狀，一般而言，轉子I具有分別設置於其上側部和下側部的至少兩個徑向軸承(radial)、和設置於一側的推力軸承(thrust)。在圖1中，因為徑向軸承和推力軸承是用於通過磁懸浮支撐轉子I的磁軸承3、6、9，所以徑向軸承和推力軸承與轉子I沒有直接接觸。
[0005]當所有的轉子和磁軸承系統在有規律的操作中時，操作徑向磁軸承3、6以通過磁懸浮來支撐轉子I。然而，如果系統是靜止的，因為沒有功率提供給徑向磁軸承3、6，不產生磁力，所以徑向磁軸承3、6不能支撐轉子I。因此，對於這種情況，轉子I設置有以一般接觸類型軸承的模式的徑向輔助軸承4、7，例如滾珠軸承。徑向輔助軸承4、7不僅用於當系統靜止時支撐轉子1，而且甚至在用於轉子I的系統故障(fault)時也支撐轉子1，以儘可能達到旋轉的安全停止而不損害到轉子I。因此，這種徑向輔助軸承4、7是將提供給轉子的重要部件。雖然它具有不同於圖1的模式，但是具有類似於圖1的結構，在第2010-0054253號韓國專利申請案公開(具有彈簧阻尼系統的向下接觸滾珠軸承，2010年5月25日公開)中公開了一種設備，在該模式中，滾珠軸承作為磁軸承的補充和磁軸承一起設置到可旋轉主體。
[0006]為了保證用於設置徑向輔助軸承4、7的空間，轉子I被設計為將轉子I的長度增加到和徑向輔助軸承4、7要佔據的體積一樣。然而，在其中存在問題，因為轉子I的長度越長，系統自身的體積越大。除此之外，因為轉子I的長度越長，在彎曲模式中的轉子I的臨界速度越低，在增加轉子I的操作速度中存在限制。
[0007]現有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009](專利文獻I)1.第2009-0070178號韓國專利公開(「使用電容測量磁軸承的圓柱徑向方向位移的系統和用於確定磁軸承是否具有發生在其中的故障的方法」，2009年7月I日公開)。
[0010](專利文獻2)2.第2010-0054253號韓國專利公開(具有彈簧阻尼系統的向下接觸滾珠軸承，2010年5月25日公開)。
[0011]發明的詳細說明
[0012]技術問題
[0013]因此，為了解決相關技術的問題，本發明的目的是提供一種具有耦合到其的輔助軸承的複合磁軸承，其具有用於最小化轉子的長度和系統體積的改進結構。
[0014]解決問題的手段為了實現本發明的目的，具有圍繞轉子設置以用於減少摩擦的耦合到其的輔助軸承的徑向類型的複合磁軸承包括:磁軸承，該磁軸承包括設置到其的附接到轉子的周緣的轉子芯、設置到其的在徑向方向圍繞轉子芯布置以在其中形成空的空間的多個定子芯、分別設置到定子芯的最外側的多個永磁體、和提供給定子芯以包圍永磁體以便將永磁體分別放置在其中心處的多個線圈；和輔助軸承，其在線圈和永磁體被提供的位置的內側上固定到定子芯的內部的空的空間中。
[0015]在這種情況下，磁軸承可以是單極類(homopolar)型磁軸承。
[0016]並且，輔助軸承可以是包括滾珠軸承和滾柱軸承的滾動類型軸承。
[0017]並且，輔助軸承可以由輔助軸承殼體固定和支撐，該輔助軸承殼體固定並且耦合到定子芯。
[0018]並且，複合磁軸承還可包括形成為圍繞磁軸承的外側面的磁軸承殼體。在這種情況下，複合磁軸承還可包括間隙傳感器，該間隙傳感器設置在磁軸承殼體的一個側部處以用於測量複合磁軸承和轉子之間的間隙(gap)。
[0019]發明的效果
[0020]根據本發明的示例性實施例，具有非接觸類型磁軸承和接觸類型輔助軸承兩者的轉子可以通過在非接觸類型磁軸承中設置輔助軸承而將轉子的長度減小到與固定相關技術輔助軸承所需要的空間一樣。通過最小化轉子的長度，因此可以減小整個系統體積。不僅如此，轉子長度減小到短於相關技術轉子長度允許將臨界速度提升到高於在轉子彎曲模式中的相關技術，從而擴大轉子可以穩定地操作的操作速度範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1示出了具有設置到其的相關技術磁軸承的轉子的截面圖。
[0022]圖2示出了根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的透視圖。
[0023]圖3示出了根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的截面圖。
[0024]圖4示出了具有根據本發明的示例性實施例的設置到轉子的複合磁軸承的轉子的截面圖。
[0025]圖5示出了用於比較相關技術磁軸承的轉子和根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的轉子的截面圖。
[0026]
[0027]100:複合磁軸承
[0028]110:磁軸承111:線圈
[0029]112:永磁體113:定子芯
[0030]114:轉子芯115:磁軸承殼體
[0031]120:輔助軸承121:輔助軸承殼體
[0032]500:轉子510:電機
【具體實施方式】
[0033]為了使本領域技術人員參考附圖容易地實現，將詳細地描述本發明的示例性實施例。如本領域技術人員將認識到，描述的實施例可以以各種不同的方式修改，而所有不偏離本發明的精神或範圍。附圖和描述被視為實質上是說明性的而不是限制性的。貫穿本說明書，相同的附圖標記指代相同的元件。
[0034]在說明書的描述中，「?上」意味著在目標構件上面或下面的位置，而不一定是參考重力方向的目標部件以上的位置。
[0035]將參考附圖來描述根據本發明的示例性實施例的具有耦合到其的輔助軸承的複合磁軸承。
[0036]圖2示出了根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的透視圖，並且圖3示出了根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的截面圖。將參考圖2和3描述本發明的複合磁軸承的結構。
[0037]根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承100是圍繞轉子500設置的徑向(radial)類型的複合磁軸承，以用於根本上減少摩擦。在這種情況下，複合磁軸承100具有磁軸承110和輔助軸承120 —起耦合在其中的結構。
[0038]磁軸承110包括:轉子芯114，其設置到磁軸承110，附接到轉子500的周緣；多個定子芯113，其設置到磁軸承110，在徑向方向圍繞轉子芯114布置以在其中形成空的空間；多個永磁體112，其分別設置於定子芯113的最外側；和多個線圈111，其設置到定子芯113以圍繞永磁體112，以將永磁體112分別放置在其中心處。也就是說，定子芯113中的每一個具有設置到距離轉子500最遠側的永磁體112，其中線圈111設置成圍繞永磁體112。並且，如所示，線圈111形成為纏繞在和轉子500的軸線方向相同的方向的軸線上。因此，具有分別設置到其的線圈111和永磁體112的多個定子芯113在徑向方向圍繞轉子芯114布置。
[0039]—旦施加功率，定子芯113中的線圈111和永磁體112中的每一個產生磁力。轉子500具有從其中設置了定子芯113的各個方向施加到的力，並且轉子500通過相應地與定子芯113相排斥的力在多個定子芯113中的空間中懸浮。這種現象歸因於磁懸浮的根本原理。因此，磁軸承110通過使用磁懸浮原理來支撐轉子500。通過控制提供給線圈111的功率的強度、方向、相位和頻率，可以控制磁軸承110產生的磁力。
[0040]在這種情況下，如可以從磁軸承110的結構獲知，優選的是，磁軸承110是單極(homopolar)類型磁軸承。與異極類型相比，單極類型磁軸承沒有由禍流(eddy currunt)引起的產生熱的問題，易於製造軸芯，並且因為永磁體和電磁體(線圈)被一起使用，所以可以最小化能量消耗。並且，因為電磁體芯在軸的方向布置，所以可以在軸的周緣方向確保更多的空隙。
[0041]在這種情況下，如前所述，一般而言，當轉子500僅用磁軸承110支撐時，發生以下問題。因為在其中施加功率時磁軸承110進入操作，以當整個系統正常操作時(即當功率被正常提供給磁軸承110和轉子500兩者時)正常產生磁力，在磁軸承110不與轉子500接觸的狀態中，磁軸承110支撐轉子500不存在問題。然而，在系統靜止狀態中，因為沒有功率提供給磁軸承110和轉子500兩者，使得磁軸承110不產生磁力，所以轉子500處於其中轉子500與磁軸承110接觸的狀態。
[0042]當然，如果是轉子500不旋轉的狀態，即使轉子500與磁軸承110接觸，也可能不存在問題，問題是當系統存在故障時。如果由於提供到磁軸承110的功率出差錯，則磁軸承110不是正常操作，所以即使轉子500保持旋轉，軸承110也不得不開始與轉子500接觸。在這種情況下問題容易發生，由於磁軸承I1可能被轉子500的旋轉損壞，並且當轉子500做出非常不穩定的旋轉時，存在例如損害到整個系統的事故的高可能性。
[0043]為了避免這樣的問題，在相關技術中，除了如在圖1中示出的磁軸承(對應於磁軸承110)之外，在轉子上提供了輔助軸承。然而，附加的輔助軸承引起以下問題。為了確保用於將輔助軸承設置到轉子的空間，需要和輔助軸承的長度一樣的轉子的至少附加長度，並且這增加了整個系統的體積。除此之外，由於轉子的彎曲發生傾向根據增加的轉子長度而增加，所以臨界速度值變低，其是轉子可能以彎曲模式穩定旋轉的閾值速度。因此，問題發生在最後，由於轉子可以在其中做出穩定旋轉的操作速度範圍被減小。
[0044]在本示例性實施例中，提出了複合磁軸承100，其具有輔助軸承120被耦合到磁軸承110的內部以用於防止由轉子的增加的長度引起的問題以及甚至在系統停止或系統故障時得到穩定操作的結構。
[0045]輔助軸承120在線圈111和永磁體112設置到的位置的內側上(靠近轉子)被固定到定子芯113的內部的空的空間中。為了得到更加穩定的耦合，如圖所示，優選的是，由固定並耦合到定子芯113的輔助軸承殼體121來固定和支撐輔助軸承120。
[0046]並且，優選的是，輔助軸承120是包括滾珠軸承和滾柱軸承的滾動軸承類型。如前所述，設置了輔助軸承120，以用於在系統停止或尤其是系統故障時得到轉子500的穩定支撐。因此，不用說，輔助軸承120需要具有足夠的剛度以當輔助軸承120開始與轉子500接觸時承受，以及承受一定程度上的外部衝擊或振動。不僅如此，如前所述，在本發明中，採用將輔助軸承120設置在磁軸承110中的結構的最根本的原因是為了減小轉子500的絕對長度。被用作輔助軸承120的軸承還具有形成的不長的長度。
[0047]考慮到那些條件，以滾珠軸承或類似軸承的模式的軸承適合用作輔助軸承120，其具有足夠的剛度，足以支撐轉子，甚至在與轉子接觸和衝擊的情況下沒有損壞的風險，並且能夠形成為具有短的長度。因此，優選的是，輔助軸承120是以滾珠軸承的模式的軸承。
[0048]參考圖3，優選的是，複合磁軸承100附加地具有形成為圍繞磁軸承110的外側的磁軸承殼體115。磁軸承殼體115從外側保護不同的部件，例如磁軸承110。
[0049]不僅如此，在這種情況下，複合磁軸承100還可以包括設置在磁軸承殼體115的一側處的用於測量複合磁軸承100和轉子500之間的間隙(gap)的間隙傳感器130。參考圖1中的相關技術軸承系統，可以獲知間隙傳感器被分開地設置以用於測量轉子和軸承之間的間隙。在這種情況下，因為本發明的複合磁軸承100也具有為磁軸承110設置的間隙傳感器130，不增加向間隙傳感器130提供的不必要的空間，所以可以使空間利用率和最小化轉子長度的效果最大化。
[0050]圖4示出了具有根據本發明的示例性實施例的設置到轉子的複合磁軸承的轉子的截面圖，並且圖5示出了用於比較相關技術磁軸承的轉子和根據本發明的示例性實施例的複合磁軸承的轉子的截面圖。通過採用本發明的複合磁軸承可獲得的優點將參考圖4和圖5更詳細地進行描述。
[0051]在本示例性實施例中，磁軸承110 (甚至在輔助軸承120不存在的情況下)最初在其中具有空隙。因此，輔助軸承120可以安裝在最初在磁軸承110中存在的空隙中。也就是說，因為將根本不存在需要增加磁軸承110或類似物的體積的情況，如果其意圖安裝本發明的複合磁軸承100，所需要的是僅僅確保空間，其中磁軸承110最初已經被安裝到轉子500。也就是說，本示例性實施例的複合磁軸承100允許最小化轉子長度的增加和由將輔助軸承安裝在轉子上弓I起的系統體積的增加的影響。
[0052]從而，因為消除了當在轉子上安裝軸承時僅僅用於安裝軸承的長度的不必要的增加的影響，所以轉子500可以實質上形成為比相關技術的轉子短。與此同時，參考圖4，因為轉子形成為在一個方向延伸，一般而言，軸承中的至少兩個被設置到轉子的兩端(圖4示出了其中提供了根據本示例性實施例的兩個複合磁軸承的情況，其中複合磁軸承中的每一個用10a和10b的參考符號表示)。在相關技術中，當需要提供磁軸承(參見圖1)時，因為輔助軸承被務必設置在磁軸承的附近，所以其需要至少兩組磁軸承和輔助軸承，在端部處總計至少四個軸承被提供給轉子。然而，因為本發明的複合磁軸承100可以替換設有一個複合磁軸承的相關技術[磁軸承+輔助軸承]，所以設置在轉子上的軸承組的數量越多，減小轉子長度的效果越大。
[0053]圖5示出了具有兩個軸承組的現有轉子(在圖5中左側)與具有用本發明的複合磁軸承替換的軸承組中的兩個的轉子(在圖5中右側)的比較，其中可以獲知，如果軸承組用本發明的複合磁軸承替換，則轉子500的整體長度實質上變得更短，如可以在圖5的比較截面圖中注意到，即使是當僅僅設置了兩個軸承組時的情況。
[0054]如前所述，轉子500的長度越長，彎曲發生的風險越高，因此使臨界速度值變低，其是轉子500可以穩定地旋轉的閾值速度(換句話說，其中轉子500可以穩定地操作的操作速度範圍被減小)。然而，如圖5中所示，因為通過採用本發明的複合磁軸承，所以可以肯定地減小轉子500的長度，能夠增加在轉子500的彎曲模式中的臨界速度值並增加轉子500可以穩定地在其內操作的操作速度範圍，最後，轉子500可以以高於相關技術的速度操作。
[0055]本發明不局限於示例性實施例，而是包括由本領域技術人員從本發明的示例性實施例做出的所有範圍的改變和對示例性實施例的公認的等同物。
【權利要求】
1.一種徑向(radial)類型的複合磁軸承，其具有耦合到所述複合磁軸承的圍繞轉子設置的用於減少摩擦的輔助軸承，所述複合磁軸承包括: 磁軸承，所述磁軸承包括:轉子芯，其設置到所述磁軸承，附接到所述轉子的周緣；多個定子芯，其設置到所述磁軸承，在徑向方向圍繞所述轉子芯布置以在其中形成空的空間；多個永磁體，其分別設置到所述定子芯的最外側；和多個線圈，其設置到所述定子芯以圍繞所述永磁體，以便分別將所述永磁體放置在其中心處；和 輔助軸承，其在所述線圈和所述永磁體被提供的位置的內側上被固定到所述定子芯的內部的所述空的空間中。
2.根據權利要求1所述的複合磁軸承，其中所述磁軸承是單極(homopolar)類型磁軸
3.根據權利要求1所述的複合磁軸承，其中所述輔助軸承是包括滾珠軸承和滾柱軸承的滾動類型軸承。
4.根據權利要求1所述的複合磁軸承，其中所述輔助軸承由輔助軸承殼體固定和支撐，所述輔助軸承殼體固定且耦合到所述定子芯。
5.根據權利要求1所述的複合磁軸承，還包括形成為圍繞所述磁軸承的外側的磁軸承殼體。
6.根據權利要求5所述的複合磁軸承，還包括設置在所述磁軸承殼體的一個側部處以用於測量所述複合磁軸承和所述轉子之間的間隙(gap)的間隙傳感器。
【文檔編號】F16C32/00GK104520599SQ201380006733
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年6月17日 優先權日:2012年6月19日
【發明者】樸撤訓, 崔相奎, 鹹尚龍, 洪鬥義, 尹泰光 申請人:韓國機械研究院