具有磁通升高的磁径向轴承的制作方法

相关申请的交叉引用

要求保护提交于2017年4月1日且标题为“magneticradialbearingwithfluxboost”的美国专利申请第62/480,412号的权益，该申请的公开内容以引用的方式整体并入本文，如同详细阐述一样。

背景技术：

本公开涉及磁轴承。更具体地，本公开涉及用在涡轮机中的电磁轴承。

在主动磁轴承中存在发展良好的技术。公布于2011年7月7日的美国专利申请公布2011/0163622a1(us'622)公开了一种提供径向和轴向支撑的电磁轴承。对于轴向支撑，定子具有一对相反的轴向磁极，该对相反的轴向磁极通过轴向背铁在外径(od)处连结。轴向线圈周向缠绕背铁的内侧并形成穿过轴向磁极和背铁的磁通路径，其中在轴向磁极之间的内侧间隙由该间隙内的转子层叠件堆叠所形成的致动器目标跨越。

一般来讲，在轴向线圈的径向内侧，us'622定子包括由层叠件堆叠形成的径向致动器磁极组件。该层叠件堆叠具有全环外环部分和多个径向向内的突起，每个突起由相关联的径向控制线圈缠绕。一对永磁环夹在径向致动器磁极组件与轴向磁极之间，与径向致动器磁极组件相邻且处于其相对的轴向端处。

一般来讲，在相对侧处形成一对径向磁通回路，其从us'622致动器目标开始径向穿过径向磁极组件，向轴向外侧转向穿过永磁体，并且然后向径向内侧穿过相关联的轴向磁极，轴向向内往回转向以进入致动器目标的端部，并且然后径向向外往回转向。因此，一对符号相反的径向磁通被轴向磁通回路包围。

另一种四径向磁极径向轴承配置涉及径向和周向而不是轴向通过的磁通路径。在该配置中，可以在若干状况之间进行切换。一组涉及具有穿过一对相反的磁极的中心直径支线和周向穿过围绕另一对相反的磁极中的相应的磁极的背铁的两个周向支线的磁通路径。这两对因此形成两个可能的此类路径，其中每个路径具有两个可能的方向。另外，另一组涉及径向穿过一个磁极、周向转向以穿过背铁到达两个相邻的磁极中的一个并且然后径向往回返回穿过所述相邻的磁极以在轴中与第一支线相遇的第一磁通路径支线。

提交于2016年2月15日且名称为“magneticbearing”并于2016年9月1日公布为wo/2016/137775(wo'775公布)的pct/us2016/017943公开了一种利用永磁偏置和电磁偏置的磁径向/止推轴承，该文件的公开内容以引用的方式整体并入本文，如同详细阐述一样。

提交于2016年8月31日且名称为“magneticthrustbearing”的美国专利申请第62/381,746号中公开了一种组合永磁偏置和电磁偏置的磁止推轴承，该文件的公开内容以引用的方式整体并入本文，如同详细阐述一样。

技术实现要素：

本公开的一方面涉及一种磁轴承，所述磁轴承包括：转子，所述转子被支撑以围绕轴线旋转；定子，所述定子从第一端延伸到第二端并包括：一个或多个第一永磁体；一个或多个第二永磁体，所述一个或多个第二永磁体与所述一个或多个第一永磁体轴向间隔开；一个或多个中间永磁体，所述一个或多个中间永磁体轴向位于所述一个或多个第一永磁体与所述一个或多个第二永磁体之间；多个层叠件齿部，所述多个层叠件齿部在所述一个或多个中间永磁体的径向内部；以及多个径向绕组，所述多个径向绕组分别包围所述多个齿部中的相应的相关联齿部。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体是非稀土磁体。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个中间永磁体是非稀土磁体。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中：所述一个或多个第二永磁体具有与所述一个或多个第一永磁体的极性基本上相反的极性；并且所述一个或多个中间永磁体具有基本上横向于所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体的所述极性的极性。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体是全环的。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个中间永磁体是全环的。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述磁轴承是非止推轴承。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述定子还包括：第一端磁轭，所述第一端磁轭轴向邻接所述一个或多个第一永磁体；以及第二端磁轭，所述第二端磁轭轴向邻接所述一个或多个第二永磁体。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述定子还包括：第一端层叠件，所述第一端层叠件被所述第一端磁轭包围；以及第二端层叠件，所述第二端层叠件被所述第二端磁轭包围。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述转子还包括：一个或多个第三永磁体；一个或多个第四永磁体，所述一个或多个第四永磁体与所述一个或多个第三永磁体轴向间隔开；以及中心层叠件，所述中心层叠件轴向位于所述一个或多个第三永磁体与所述一个或多个第四永磁体之间。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述中心层叠件具有在至少一个第三永磁体和至少一个第四永磁体的相应的内径(id)表面的径向外侧的内径(id)表面。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述转子还包括：第一端层叠件，所述第一端层叠件轴向邻接所述一个或多个第三永磁体；以及第二端层叠件，所述第二端层叠件轴向邻接所述一个或多个第四永磁体。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个中间永磁体包括：一个或多个第一中间磁体和一个或多个第二中间磁体。所述一个或多个第一中间磁体位于所述一个或多个第一永磁体与所述一个或多个第二中间磁体之间；所述一个或多个第一中间磁体具有相对于所述一个或多个第一永磁体的极性部分地径向向内指向的极性；并且所述一个或多个第二中间磁体具有相对于所述一个或多个第二永磁体的极性部分地径向向内指向的极性。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一种用于使用所述磁轴承的方法包括使电流行进通过所述多个径向绕组，以便控制所述转子的径向位置。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述多个径向绕组包括第一对直径上相对的绕组和与所述第一对绕组正交的第二对直径上相对的绕组。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一对绕组和所述第二对绕组各自由相应的相关联的h桥放大器供电。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，对于所述第一对绕组和所述第二对绕组中的每个绕组：第一永磁体磁通路径作为回路穿过所述绕组、至少一个第一永磁体和至少一个第三磁体；并且第二永磁体磁通路径作为回路穿过所述绕组、至少一个第二永磁体和所述至少一个第三永磁体。使电流行进包括使电流行进通过所述第一对绕组中的一个绕组，以增大相关联的所述第一永磁体磁通路径和所述第二永磁体磁通路径，同时使电流行进通过所述第一对绕组中的另一个绕组，以减小相关联的所述第一永磁体磁通路径和所述第二永磁体磁通路径。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，使电流行进包括使电流行进通过所述第二对绕组中的一个绕组，以增大相关联的所述第一永磁体磁通路径和所述第二永磁体磁通路径，同时使电流行进通过所述第一对绕组中的另一个绕组，以减小相关联的所述第一永磁体磁通路径和所述第二永磁体磁通路径。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一种机器包括这样的轴承。

在附图以及下面的描述中阐述一个或多个实施方案的细节。从具体实施方式、附图说明和权利要求中，其他特征、目的和优点将显而易见。

附图说明

图1是压缩机中的电磁轴承的部分局部示意中心纵向轴线截面图。

图2是沿着图1的线2-2截取的轴承的横向截面图。

图3是沿着图1的线3-3截取的轴承的横向截面图。

图4是沿着图1的线4-4截取的轴承的横向截面图。

图5是沿着图1的线5-5截取的轴承的横向截面图。

图6是沿着图1的线6-6截取的轴承的横向截面图。

图7是示出永磁体磁通的示意中心纵向截面中值磁通图。

图8是示出组合的永磁体和电磁体磁通的示意中心纵向截面中值磁通图。

图9是用于为一个或多个线圈供电的h桥放大器的示意图。

图10是压缩机中的第一可选电磁轴承的部分局部示意中心纵向轴向截面图。

图11是压缩机中的第二可选电磁轴承的部分局部示意中心纵向轴向截面图。

在各个附图中，相同的附图标记和名称指示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了轴向单极轴承20，其具有转子22和定子24。定子具有中心纵向轴线500。转子具有中心纵向轴线502。轴线500和502标称地在正常情况下是重合的；然而，轴承可以承受转子轴线相对于定子轴线的轻微偏移。磁轴承可以用在涡轮机(例如，压缩机)中，其中定子安装到压缩机的外壳或壳体(或以其他方式与压缩机的外壳或壳体集成)，而转子安装到压缩机的轴(或以其他方式与压缩机的轴集成)。定子横向中心平面示为510，而在正常情况下重合的转子横向中心平面示为512。出于示意图示目的，外壳或壳体示为26，而轴示为28。示例性压缩机是离心式压缩机。

轴承从第一端30延伸到第二端32。定子包括多个线圈(例如，金属线绕组)。如下面进一步讨论的，示例性轴承是纯径向轴承而不是轴向或止推轴承。可选实现方式可以与轴向轴承特征集成。而且，示例性实施方案关于中心平面510、512端对端地机械对称。也可以是大致电气对称的(例如，线圈的整体布局是对称的)，但是线圈和电连接件的缠绕可以是非对称的，以便提供所述的控制。

在示例性径向轴承中，存在四个线圈：各有两个直径上相对的线圈的正交的两对。在图2中所示的x-y参考系中，存在一对x线圈34a、34b和一对y线圈36a、36b。图2还示出了转子与定子之间的局部径向间隙38。如下面进一步讨论的，在操作中，磁通在各个位置处穿过间隙38，以在转子上施加净力。以一种方式激励x线圈会在正x方向上施加力，而以相反的方式激励x线圈会在负x方向上施加力。类似地，以一种方式激励y线圈会在正y方向上施加净力，而以相反的方式激励y线圈会在负y方向上施加力。控制可以是响应于与轴承集成或以其他方式与轴承相关联的常规的径向位置传感器(未示出)。在给定一对中的示例性线圈可以串联电连接或分开地控制，使得通过它们的电流产生径向控制场，该径向控制场对抗或辅助永磁体偏置场(下面讨论)。

定子包括彼此同轴地轴向间隔开的第一永磁体环50(图1)和第二永磁体环52。永磁体环具有基本上相反的轴向极性。在该示例中，两个磁体的北极面向横向中心平面510内部，而轴向相反的南极面向轴向外侧/外部。磁体环可以是全环连续环或可以是分段的(下面讨论)。制造公差将意味着可能无法实现恰好相反的极性。典型地，这将能够在20°内或10°内实现。一些可选配置可能涉及有意地使极性略微偏离轴向，使得它们可以偏离反平行达示例性60°。

每个环50、52具有内径(id)面(表面)、外径(od)面(表面)和相对的轴向端面(表面)。环50和52安装在中心中间永磁体环60的相对侧(轴向端)处。示例性中心中间环60被形成为连续全环单件，而不是分段的。中心中间环60具有id面和od面以及相对的轴向端面。从id面径向向内延伸的是多个层叠件齿部(图2)64a、64b、66a、66b，它们分别与线圈34a、34b、36a、36b相关联并被线圈34a、34b、36a、36b包围。示例性层叠件(以及下面讨论的其他层叠件)是钢板(例如，软磁钢或硅钢)的轴向堆叠。层叠件的使用减少相对于单块钢的涡流损失。线圈内的层叠件起到芯部的作用。示例性中间环60具有横向于环50和52的极性的基本上径向极性(例如，经受上文所讨论的相同公差问题)。

示例性齿部具有id面和od面、相对的轴向端面以及相对的周向端面。id面沿着间隙38的中心部分38-1下落。od部分可以支承用于安装到中间环60的附接特征。示例性附接特征100是在齿部的od面上的燕尾形突起，其与中间环的id表面中的燕尾形沟槽或通道102配合。在组合时，齿部64a、64b、66a、66b可以被指定为中心层叠件。在一些实现方式中，可以存在单个中心层叠件，使得例如外径部分是全环的，并且齿部从其径向向内延伸。这样的组件可以通过收缩配合安装在中间环60中(例如，冷却层叠件、使层叠件滑动并然后允许层叠件加热回到环境温度)。

环50、52的轴向外侧是相应的端构件。示例性端构件各自包括外径磁轭120、122，该外径磁轭具有id面、od面和相对的轴向端面。示例性磁轭(以及下面讨论的其他背铁或磁轭)由非层叠磁钢(诸如1010钢)形成。外侧轴向端面沿着轴承20的相邻的第一端或第二端下落。每个端构件还包括端层叠件。与中心层叠件一样，示例性端层叠件被分段成齿部134a、134b、136a、136b(图6)和138a、138b、140a、140b(图4)。示例性齿部几何形状和附接件可以类似于上面针对中心层叠件的齿部所述的那些。图4和图6示出了在端层叠件处的间隙38的相应的部分38-3和38-2。

返回图1，示例性转子22包括在其外径(od)表面上携载层叠件146的金属芯部144。为了便于制造，示例性层叠件是146是全长的。层叠件的轴向介于齿部之间的部分可能基本上没有功能，并且可以被单片钢或其他填充材料取代。

图7示出了在中心穿过轴承20的一对直径上相对的中心齿部和线圈的示意性纵向截面图。在截面中，示出了四个磁通回路550a、550b、552a、552b。这些示意性地各自用单个线示出，而不是如在等高线图中一样各自用多个线示出。而且，虽然一条虚线路径示为穿过每个层叠件堆叠，但是它将是跨叠层件堆叠的磁通分布。在图7中，线圈未被激励。因此，附图的上半部中的场与下半部中的场对称。因此，图7示出了中间环60的径向极性如何增大在横向中心平面的相应侧处的相应磁通回路。

图8示出了通过径向线圈的电磁偏置进行修改以在转子上施加向上力(如图8所示)的场。具体地，所示的线圈在这个方向上被激励，使得它们的相关联的磁通增大页面的上半部中的回路并减小下半部中的回路。施加的电流的示例性幅值足够大，使得下半部中的净磁通550a'、552a'的方向相对于图7颠倒。因此，上部磁通回路550b'、552b'示意性地示出了由比图7中更粗的线表示的增加的磁通。这样的净效果是沿着页面在向上方向上将力施加到转子。

电气硬件可以包括传统的h桥，以用于控制线圈34a、34b、36a、36b中的电流，诸如在wo'775公布中公开。图9示出了用于为一个或多个线圈供电的h桥放大器840。这可以由控制器200控制或与控制器200集成。在一个示例中，每个h桥放大器840具有单个相关联的线圈，反之亦然。这允许对线圈的独立供电，使得可以向每个线圈施加不同的电流幅值。放大器840具有与电压源844并联连接的两个支线或分支841和842。示例性电压源844是恒定dc电压源，并且可以由不同的线圈的h桥放大器共用。

线圈的端子880和882跨两个支线841和842的中心位置连接。对于每个支线的每一侧(高电压和低电压)，端子880、882经由相应的切换装置851、852、853、854和二极管861、862、863、864的并联组合来连接到电压源。示例性切换装置是栅极控制切换装置，诸如绝缘栅双极型晶体管(igbt)或金属氧化物场效应晶体管(mosfet)。如上指出，880和882可以表示单独的线圈的端子。可选地，给定一对中的线圈可以由单个h桥放大器串联供电，使得端子880是第一线圈的一个端子，端子882是第二线圈的一个端子，并且线圈的其他端子彼此连接。

可选实施方案可能在相应的两对的线圈或给定一对中的两个线圈之间具有非对称性。例如，可能需要提供基线向上偏置。而且，可选实施方案可以具有除两对之外的配置(例如，120°间隔的三个线圈和相关联的齿部)。

图9还示出了控制器200。控制器可以作为整体或系统(例如，制冷系统)与涡轮机(例如，电动压缩机)的控制器集成或由其提供。控制器可以从输入装置(例如，开关、键盘或类似的装置)和传感器(未示出，例如，在各种系统位置处并具体地用于轴承控制的压力传感器和温度传感器、径向位置传感器(例如，如wo'775公布中所示)和轴向位置传感器)接收用户输入。控制器可以经由控制线路(例如，硬连线或无线通信路径)联接到传感器和可控制系统部件(例如，阀、轴承、压缩机马达、轮叶致动器等)。控制器可以包括以下一者或多者：处理器；存储器(例如，用于存储供处理器执行来执行操作方法的程序信息，并且用于存储由程序使用或生成的数据)；以及用于与输入/输出装置和可控制系统部件对接的硬件接口装置(例如，端口)。示例性控制如wo'775公布中公开。

图10示出了涉及对定子224的修改的替代性轴承220。转子和控制细节可以与关于图1的轴承20讨论的相同。代替由基本上径向磁极化的单个环形成，一个或多个中间永磁体包括一个或多个第一中间磁体的第一环230以及一个或多个第二中间磁体的第二环232。环230和232具有基本上偏离径向且偏离轴向的极性(由箭头示出)以使横向中心平面510、512的相对侧处(例如，在偏离轴向约25°与偏离轴向约65°之间，更确切地，在偏离轴向约35°与偏离轴向55°之间)的相应磁通环路升高。示例性环230和232用大致直角三角形截面示出。因此，三角形截面的斜边限定在所示的方向上渐缩的截锥形od表面(朝向横向中心平面径向向内地收敛)。然而，其他形状是可能的，包括矩形截面并且凸线/表面取代三角形的斜边。可选地(并且可独立于双环230和232实施)，示例性轴承还包括在环50和52轴向外侧的永磁体环240和242，其中极性与环230和232的那些类似地偏离轴向和径向但同样为了增大相关联的磁通回路。因此，环240和242中的每一者的截面的斜边形成朝向横向中心平面径向地收敛或远离横向中心平面径向地发散的截锥形表面。

图10还示出了可以用在图1实现方式或其他实现方式中的另一制造变化。在这个实现方式中，定子包括圆周护套或套筒250(例如，钢或其他金属的)，以便于安装在外壳中。示例性套筒250是全环。

至少部分地介于套筒与各种磁体(例如，至少在适应各种磁体的三角形截面的部分中)之间的是封装材料252(例如，可选地纤维加强的模制聚合物)。

可以在转子上作出多种其他变化。例如，提交于2017年4月1日的共同待决美国专利申请第62/480405号公开了转子轴承永磁体的若干示例，该申请的公开内容以引用的方式整体并入本文，如同详细阐述一样。在图11中的轴承320的一个这样的示例中，转子322包括一个或多个第一永磁体150和一个或多个第二永磁体152，它们分别位于定子永磁体50和52的径向内侧并具有与定子永磁体基本上相反的相应的极性，以便与相应的相关联定子磁体配合以限定与上面讨论的永磁体偏置相关联的永磁体磁通回路。

示例性转子322包括金属芯部160(例如，磁钢的)，该金属芯部安装到轴并在相关联的径向向外敞开的通道中携载定子永磁体。例如，可以通过在车床上转动金属杆料来形成支撑件。在这种示例性一件式支撑配置中，存在多个各自形成相应的周向阵列的永磁体150、152。例如，端对端区段可以组合以环绕完整的360°。两个或更多个磁体的这种配置允许经由径向向内插入进行组装。为了径向保持磁体，阵列可以被容纳于相应的护套170、172。示例性护套是非金属复合材料缠绕物(例如，环氧树脂基质中的碳纤维或玻璃纤维带)。金属护套可以与高速应用相关。

图11还将转子322示出为携载中心层叠件178以及相应的第一端层叠件180和第二端层叠件182。这些转子层叠件在与相应的定子层叠件对准的轴线的径向内侧，并与相应的定子层叠件一起限定相关联的间隙部分38-1、38-2和38-3。

示例性芯部160因此具有形成转子中心背铁或磁轭以及第一端背铁或磁轭和第二端背铁或磁轭的相应的部分162、164和166。在可选配置中，芯部160是多个件。例如，一个件可以形成中心背铁和在转子磁体的径向内侧的部分，而两个相应的件可以形成转子端磁轭。这样的配置可以允许容易地组装具有全环转子磁体而没有单独的保持器的系统。组装可以经由通过加热和冷却的一系列收缩配合进行。

如下面进一步讨论的，转子322层叠件的内径边界或面是在转子永磁体的id面或边界的径向外侧，以便于磁通场的转向。

与不同的可选现有技术轴承相比，各种实现方式可以具有若干优点中的一个或多个。添加的定子磁体提供附加的磁通升高。例如，在各种实施方案中，这种升高可以允许使用非稀土磁体。这降低了成本。稀土磁体由使用稀土元素(诸如镝、铽、铕、钕、钐和钇)的磁体表征。这些元素的组合含量将典型地为至少10.0重量%(例如，10.0%至50.0%)或至少20.0%。钕典型地是主要类别的稀土磁体(钕磁体)中的关键元素，因此非稀土磁体具体地可以具有10.0重量%以下的该元素。另一类别是钐-钴磁体(例如，典型地15重量%至45重量%的钐)。因此，在非稀土磁体中，钐也可以低于15.0重量%或10.0重量%。示例性非稀土磁体是铁氧体/陶瓷磁体、铝镍钴合金、锰铋、氮化铁等。然而，其他实施方案可以使用稀土磁体或组合。

说明书和所附权利要求中的“第一”、“第二”等的使用仅是为了在所述权利要求内进行区分，而未必指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，权利要求中将一个元件标识为“第一”(或类似的表述)不排除此类“第一”元件标识在另一项权利要求或说明书中被称为“第二”(或类似的表述)的元件。

已经描述了一个或多个实施方案。然而，应当理解，可以进行各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，这种配置或其相关联的用途的细节可能影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也在所附权利要求的范围内。