带有磁性轴承的旋转组件的制作方法

本发明涉及具有磁性轴承的旋转组件的领域，所述磁性轴承具有相对于固定的定子部分可动的转子部分。本发明还涉及一种包括这种旋转组件的设备，尤其是流变测量设备。
背景技术：
：轴承可以将被称为“转子”的可动部分保持在其轴线上，同时仍然允许转子相对于被称为“定子”的固定部分旋转。用于旋转组件的轴承有两个主要类别，即机械轴承和磁性轴承，在所述机械轴承中转子通过机械装置保持在其旋转轴线上，在所述磁性轴承中转子通过具有磁体形式的磁性部分保持在其旋转轴线上。磁性轴承相对于机械轴承的优点在于以下事实，即磁性轴承可以在转子的旋转期间将转子保持在其轴线上，同时防止任何机械摩擦。另一方面，一般而言，对于磁性轴承，转子在其轴线上的保持不如机械轴承精确(虽然所述机械轴承允许转子相对于其旋转轴线偏转)，并因此主要用于不要求转子在其旋转轴线上受到机械约束但仍然要求没有摩擦的应用。例如，它可以通过以下方式得到使用：联接到转子的端部处的嵌入式扭杆以便轴向地保持转子从而在没有摩擦的情况下测量扭矩。常规上，磁性轴承使用环体形磁体，即呈圆环体形式的磁体，所述圆环体环绕着基本上彼此面对的转子的一部分和定子的一部分。文献ep0983450在这个主题上描述了一种磁性轴承，其中转子通过轴向保持装置连接到定子，并且在其每一个端部处都包括环体形磁体。定子还包括基本上面向转子的磁体并相对于该磁体轴向偏移的环体形磁体。转子的磁体和定子的磁体构造成彼此排斥。因此，转子磁体和定子磁体的排斥力倾向于使转子轴向移动，其与对抗转子的轴向移动的轴向保持装置相结合，使得在转子的旋转期间将转子保持在其轴线上成为可能。文献ep0983450的磁性轴承的缺点在于以下事实：转子的磁体和定子的磁体之间的排斥力在转子在其理想位置中居中时最小，而在转子移开时增加。相反，优选的是力在中心处最大以确保轴承的稳定性。实际上，当期望最大化该轴承的回复力时，接近倾向于使轴承不稳定的不稳定位置。转子在其旋转期间被有规律地引导离开其轴线，然后被排斥力(随着转子移动远离其轴线而增加)带回到其轴线中。这种磁性轴承的另一个缺点在于难以更换形成旋转组件的零件。要更换零件，确实有必要通过将转子从轴向保持装置上分离然后通过沿定子的内壁滑动转子来将其拆离。这些步骤漫长又费力，因此一旦旋转组件被重新组装就更是如此，必须再次分别沿着转子和定子调整磁性轴承的磁体的定位。这种磁性轴承还具有对共振敏感的缺点。实际上，对于中等至较高的旋转速度和/或振荡来说，旋转中的转子以某一频率振荡，所述频率可能对应于旋转组件的一个共振频率或多个共振频率。转子然后共振，并且甚至有脱离其旋转轴线的风险，这导致当使用旋转组件进行测量时例如测量运动或扭矩时测量不正确。在施加转子的精确振荡以便执行给定方法并且所施加的振荡频率还对应于旋转组件的共振频率的情况下，这尤其具有限制性。技术实现要素：因此，本发明的目的是通过提出一种设置有磁性轴承的旋转组件来克服现有技术的缺点，所述磁性轴承使得能够以稳定的方式将旋转组件的转子保持在其旋转轴线上，特别是靠近允许对磁性轴承进行最刚性调节的位置，即轴线上的回复力最大的位置。为此，根据第一方面，本发明提出了一种特别是用于流变测量设备的旋转组件，其包括：-定子，-转子，其能相对于所述定子旋转，所述转子被轴向保持装置轴向地保持，从而防止所述转子沿其旋转轴线运动，所述轴向保持装置包括适于附接到框架并允许所述转子径向运动的柔性杆，-磁性轴承，其包括安装在所述转子上的由磁性材料制成的转子元件和安装在所述定子上的由磁性材料制成的定子元件，由磁性材料制成的转子元件和定子元件中的至少一个是球形磁体，其中，所述旋转组件具有稳定位置，在所述稳定位置中，所述转子与其旋转轴线对齐，并且由磁性材料制成的元件沿着所述转子的旋转轴线彼此面对并且彼此分离达给定的距离，并且其中由磁性材料制成的元件构造成彼此吸引，以便产生对抗所述转子的轴向错位的回复力。因此，旋转组件的稳定位置是平衡位置，其中对于由磁性材料制成的转子元件和由磁性材料制成的定子元件之间的给定轴向距离，转子趋近其轴线的回复力最大。在该稳定位置，旋转组件最佳地运行，并且然后在其运行时倾向于保持在该位置。术语“磁体”是指永磁体或电磁体。“由磁性材料制成的元件”或简称为“磁性元件”是指能够以被所述磁体(如上文所定义的)吸引的方式与磁体的磁场相互作用的元件。这种磁性元件可以由例如铁、镍、钴或铬制成。它可以具有不同的形状，比如平板、圆柱体、立方体、球体或任何其它适合在旋转组件中使用的形状。特别地，这种由磁性材料制成的元件可以是如上所定义的磁体。上文定义的术语“磁性元件”涉及单个磁性元件或多个磁性元件，并且在适用的情况下，涉及单个磁体或多个磁体。根据其它方面，所提出的旋转组件具有以下的不同特征(单独采用或根据其技术上允许的组合来采用)：-由磁性材料制成的转子元件和由磁性材料制成的定子元件均包括磁体。以这种方式，转子的由磁性材料制成的元件和定子的由磁性材料制成的元件彼此施加磁性吸引，并因此彼此互相吸引，这增加了转子的回复力并进一步稳定了磁性轴承。-当旋转组件处于稳定位置时，由磁性材料制成的转子元件和由磁性材料制成的定子元件沿着转子的旋转轴线对齐；-转子的由磁性材料制成的元件和定子的由磁性材料制成的元件有利地为球形形状。事实上，由磁性材料制成的元件的形状会影响调节分离它们的距离的可能性。如本文其余部分所述，可以观察到的是与例如圆柱形几何形状相比，球形几何形状在旋转组件处于稳定位置时使由磁性材料制成的元件之间的距离进一步最小化成为可能。实际上，在非球形几何形状的情况下，特别是圆柱形的情况下，过小的距离会导致转子在旋转中错位的风险和阻挡轴承的风险，而当由磁性材料制成的转子和/或定子元件中的至少一个是球形时，不会有转子错位的风险。然后，由磁性材料制成的元件之间的磁性相互作用被最大化，而不管它们相对于彼此的相对位置，这因此使得转子的回复力最大化成为可能；-由磁性材料制成的转子元件和/或由磁性材料制成的定子元件是永磁体；-由磁性材料制成的转子元件和/或由磁性材料制成的定子元件是电磁体；-由磁性材料制成的转子元件和定子元件各自形成磁偶极子，并且其中，当所述转子处于稳定位置时，转子和定子的磁偶极子沿着所述转子的轴线彼此对齐，并且以彼此吸引的方式沿相同方向取向；所述转子包括：头部，所述头部连接至所述轴向保持装置；基部，所述基部面对所述头部配置；以及中间部分，所述中间部分将所述转子的头部连结至其基部，所述头部、基部和中间部分界定出适于接收定子功能部分的转子气隙，所述定子功能部分设置有所述由磁性材料制成的定子元件，所述由磁性材料制成的转子元件和定子功能部分的由磁性材料制成的元件在所述旋转组件处于稳定位置时与所述转子的轴线对齐。功能部分被如此命名，是因为它包括定子磁性元件，并且与转子磁性元件磁性地相互作用，与定子的延伸到气隙外的其余部分相反。当定子具有延伸形状时，该功能部分尤其是定子的端部，其长度比宽度长。类似地，转子的与定子磁性元件磁性相互作用的部分被命名为转子的功能部分；-定子优选基本上正交于转子的轴线延伸。这种正交配置优化了磁性轴承周围的空间，并简化了其结构。然而，定子相对于转子的倾斜配置并不脱离本发明的范围；-可以通过调节定子的功能部分在转子的气隙中的轴向位置来调节所定距离。该所定距离在旋转组件处于稳定位置时最小，这最大限度地增加回复力并确保旋转组件的稳定性；-优选地，磁性轴承是无源的，即它不需要任何外部能量供应，并且只由用磁性材料制成的转子元件和定子元件之间的永久相互作用力来运行。这可以是具有可变磁阻的磁性轴承或者具有永磁体的磁性轴承。这种无源磁性轴承具有以下优点：具有特别低的成本，特别是低于有源磁性轴承。根据第二方面，本发明提出了一种用于进行流变测量的流变测量设备，其包括至少一个如上文所述的旋转组件。附图说明参考附图，本发明的其它优点和特征将在阅读以下描述时显现出来，这些描述是出于告知的目的并以非限制性的方式给出的，所述附图示出了：-图1是根据一个实施例的处于稳定位置的旋转组件的剖视图，包括设置有转子磁性元件和定子磁性元件的磁性轴承；-图2是根据另一实施例的与图1的旋转组件类似的旋转组件的剖视图，其中转子磁性元件和定子磁性元件是球形的；-图3a和3b是示出了回复力对图1的旋转组件的转子的作用的示意图；-图4a、4b和4c是示出了根据由磁性材料制成的元件的几何形状是球形还是非球形的旋转组件的行为上的差异的示意图；-图5是示出了转子和定子的简化拆卸的图1的旋转组件的示意图；-图6是示出了转子和定子磁体之间距离的简化调节的图1的旋转组件的示意图；-图7是示出了旋转组件的共振频率根据转子磁体和定子磁体的吸引力而变化的关系图。具体实施方式在本文中描述的旋转组件的磁性轴承可以将转子保持在其旋转轴线上，特别是在转子自身绕其轴线旋转时。所描述的磁性轴承优选地是可以进行流变测量的设备的旋转组件的磁性轴承。它可以非常特别地是例如流变仪或粘度计。然而，本发明不限于该单一应用。图1和2示出了根据本发明的旋转组件1的实施例，其中所述旋转组件处于所谓的“稳定位置”。旋转组件1在其运行时即在转子2绕其轴线a旋转时倾向于保持在该稳定位置，而在其停止时即在转子2不动时默认处于该位置。下面的描述是相对于处于稳定位置的旋转组件1给出的。当然可以理解，随着转子的旋转，其构成元件的配置和行为能够在其操作期间至少轻微地变化。转子2通过附接到转子和框架的轴向保持装置4连接到框架5。优选地，轴向保持装置4嵌入到框架5中。轴向保持装置4有利地呈与转子2的旋转轴线a对齐的杆的形式。因此，轴向保持装置4防止转子2沿着轴线a(即在通常使用旋转组件1的情况下向上和向下)的运动，根据这种情况，转子的旋转轴线a相对于旋转组件的支撑平面基本上竖直且正交。当转子2绕其轴线旋转时，轴向保持装置4受到扭力，这使测量扭矩成为可能。然而，轴向保持装置4具有一定的柔性。因此，如同任何磁性轴承一样，转子可以接受相对于定子的错位。柔性轴向保持装置4与框架5的附接(特别是通过嵌入)因此建立了转子2的轴向抵接部，同时仍然消除了由所述转子的径向运动引起的摩擦。根据这些实施例，转子2包括：头部10，其连接到轴向保持装置4；基部11，其面向头部10配置；以及中间部分12，其平行于转子的轴线a延伸并将转子的头部10连结到其基部11。转子的头部10、其基部11和中间部分12界定了由术语“转子气隙”表示的任何空的空间13，其构造成接收与转子轴线a相交的定子的功能部分。在非限制性的方式中，定子3在这里在径向方向上延伸，即基本上正交于转子的轴线a。根据图1和2所示的实施例，转子2和定子3各自包括由磁性材料制成的元件6、7，其配置以及它们的磁性相互作用有助于旋转组件1的稳定性。为此，由磁性材料6、7制成的元件根据转子的旋转轴线a彼此相对地定位。它们可以根据转子的旋转轴线a对齐。转子功能部分和定子功能部分可以包括不同形状的磁性元件。这些磁性元件可以是磁体，或者仅仅是可以与磁体的磁场相互作用而不具有磁体的磁性吸引特性的部分。特别地，转子磁性元件和定子磁性元件中只有一个可以包括磁体，而另一个包括不是磁体的磁性元件，或者转子磁性元件和定子磁性元件都可以包括磁体。然而，仍然需要磁性元件中的一个产生能够吸引另一个磁性元件的磁场，并且因此至少转子磁性元件或定子磁性元件包括磁体。根据图1所示的实施例，由磁性材料制成的转子元件6为球形，而由磁性材料制成的定子元件7为圆柱形。圆柱形是有利的，因为它便于在旋转组件中将由磁性材料制成的元件设置在适当的位置，特别是有利于对齐两个元件并调节由磁性材料制成的元件之间的所定距离，其细节将在本文的其余部分中提供。转子磁性元件和定子磁性元件如上文所定义。转子磁性元件6容纳在腔体16中，所述腔体出于此目的而设置在转子2的结构中。腔体16由侧壁17和底部18形成，所述侧壁围绕转子2的平行于它的轴线a延伸并通过在气隙的上表面22处收紧而延伸，所述底部垂直于侧壁17。腔体16的侧壁17和底部18适于使转子磁性元件6相对于转子2本身保持在固定位置。定子磁性元件7容纳在腔体19中，所述腔体出于此目的而设置在定子3的结构中，位于容纳在转子气隙13中的定子3的功能部分14处。定子3的腔体19有利地具有与转子的结构和功能相似的相似结构和功能，其中侧壁20由底部21封闭。由于定子磁性元件7的圆柱形形状，侧壁通过抵接部15延伸，该抵接部在定子的上表面24处部分地封闭腔体。根据图2所示的实施例，转子和定子的由磁性材料制成的元件是球形的。磁性轴承优选为无源磁性轴承。这可以是具有可变磁阻的磁性轴承或者具有永磁体的磁性轴承。当转子和定子磁性材料之一是磁体例如转子磁性材料是磁体时，转子磁体6产生磁场并且构造成在其磁场与定子磁性元件相互作用时吸引定子磁性元件7。转子磁体6和定子磁性材料7形成磁偶极子8、9，其优选基本上沿着轴线a对齐在一起，比如由图1和2中相应的箭头所示。由于转子2和定子3在旋转组件1内的相对接近性以及磁偶极子的取向，转子磁体6的磁场与定子磁性元件7相互作用。然后，定子磁性元件7被转子磁体6磁化并被其吸引。假设定子磁体是固定的，这种吸引产生转子磁体6向定子磁性元件7的相应引力，这导致趋向于将转子保持在其旋转轴线上的回复力。该回复力如图3a所示，该图显示了转子磁性元件和定子磁性元件在稳定位置的定位。施加在转子上的回复力由标为fr的箭头所示，并且轴向向下取向。当转子磁性材料和定子磁性材料是磁体时，它们都产生磁场并且构造成在它们的磁场相互作用时相互吸引。它们形成磁偶极子8、9，其优选基本上沿着轴线a彼此对齐，比如图1和2中相应的箭头所示。磁偶极子8、9在相同方向上取向，这里为从轴线a的底部到顶部。由于转子2和定子3在旋转组件1内的相对接近性以及磁偶极子的取向，转子磁体和定子磁体6、7的磁场彼此相互作用，并且转子磁体和定子磁体6、7彼此相互吸引。假设定子磁体是固定的，这些相互作用引起了倾向于将转子保持在其旋转轴线上的回复力。这个回复力如图3a所示。尽管转子磁性元件和定子磁性元件6、7彼此吸引，但假设定子3是固定的并且转子2由轴向保持装置4轴向地保持，转子磁体6附近的转子的气隙13的上表面22和定子磁体7附近的定子功能部分14的上表面24保持彼此面对，并且轴向分离达距离d1。该距离d1对应于转子的气隙13的下表面23与定子功能部分14的下表面25之间的距离d2。应当理解，距离d1和d2可以根据定子3在转子2的气隙13中的定位而变化，其中这些距离中的一个的增加导致另一个距离的等量减少，反之亦然。定子3与转子2的中间部分12分离达距离d3，以防止转子2与定子3摩擦。转子磁性元件和定子磁性元件6、7以所定的非零距离m彼此分离。在图1和2中，磁性元件6、7有利地配置在旋转组件1中，以便在分别面向转子和定子的上表面22、24处平齐，并且使它们之间的磁性相互作用最大化。在这种配置中，距离m于是基本上等于距离d1。然而，可以在转子和定子的结构中分别提供磁性元件6、7的其它配置，以便调节它们的磁性相互作用。根据刚刚描述的内容，当旋转组件1处于稳定位置时，并且对于磁性元件之间的预定轴向距离m，回复力最大。当转子2旋转时，其能够错位，即脱离其旋转轴线a，并且旋转组件1能够脱离其稳定位置。转子2的错位导致转子磁性元件和定子磁性元件不再彼此面对，并且特别是不再根据轴线a在适当的情况下对齐。转子和/或定子磁性元件磁体6、7的磁偶极子8、9不再一起对齐并且不再与轴线a对齐。这种构造如图3b所示。回复力fr的轴向分量fra减小，有利于朝向旋转轴线a取向的径向分量frr，并且这趋向于使转子2返回到其旋转轴线a上处于稳定位置。此外，假设分离磁性元件6、7的距离m比在稳定位置中大，磁性元件6、7的磁场的相互作用减小。回复力于是比在稳定位置中的弱，并且旋转组件1处于不稳定位置，其倾向于返回到其平衡位置。然后，回复力在旋转组件1处于稳定位置并且转子2与其旋转轴线对齐时最大，并且在转子2错位的情况下减小。与现有技术中设有具有环体形磁体的轴承的磁性组件相比，这涉及到转子2在其旋转期间的增加的稳定性。回到转子磁性元件和定子磁性元件6、7，它们中的至少一个有利地为球形形状。磁性元件的形状影响用于调节分离它们的距离m的可能性。参考图4a-c，确实观察到的是，与另一种非球形几何形状相比，当旋转组件处于稳定位置时，球形几何形状可以进一步最大限度地减小距离m。实际上，在非球形几何形状的情况下，比如举例来说参考图4a和图4b(其示出了两个磁性元件6和7是圆柱形的情况)中的圆柱形，过小的距离m会导致转子在旋转中错位和阻挡轴承的风险。相反，当转子和定子的磁性元件6、7中的至少一个是球形时(如图4c所示，在两个磁性元件6和7是球形的情况下)，没有转子错位的风险。然后，磁性元件6、7之间的磁性相互作用被最大化，而不管它们相对于彼此的相对位置如何，这因此可以最大化转子的回复力。根据本发明的优选实施例，转子元件和定子元件包括球形磁体。回到转子2的结构，当转子绕其轴线a旋转时，中间部分12抵靠定子3，这限制了其旋转幅度。因此，转子2在围绕其轴线a旋转期间描绘出不完整的圆。在两个中间部分12的情况下，当转子2绕其轴线a进行旋转时，转子描绘略小于180°的角度。可以以一定方式设计中间部分12使得转子2能描绘适合于其将要操作的设备类型的角度，并且如果需要，实现接近360°的角度。然而，转子的这种不完全旋转通常被发现在扭矩测量设备中运行的具有现有技术水平的磁性轴承的旋转组件中，其中不同之处在于，为了利用这些公知的旋转组件来进行转子的完全旋转，有必要在转子上提供克服纵向力并因此产生摩擦的抵接部。因此，可以理解的是，增加抵接部消除了人们对使用磁性轴承的所有兴趣，磁性轴承的主要目的之一正是通过防止摩擦来允许转子旋转。具有现有技术的磁性轴承的一些旋转组件利用压缩、干燥和脱油的空气源进行操作，这大大减少了摩擦。然而，尽管它可以在没有抵接部的情况下实现，但是建立这种压缩空气循环是不实际的，并且在任何情况下都需要额外的安装和实施工作。本发明的带有磁性轴承的旋转组件可以克服压缩空气的这种循环和相关的限制。本发明的旋转组件1的结构可以简单且快速地更换转子2或定子3的一部分。为此，如图5中的箭头27所示，径向移动转子2就足以使其离开其轴线a，只要扭杆足够柔软以允许这样。于是可接近腔体16、19和磁性元件6、7，并且因此后者可以容易地从它们各自的腔体移除。新的磁性元件6、7可以插入到它们的腔体16、19中，然后转子2再次定位在其轴线a上。然后旋转组件准备好进行操作。此外，本发明的旋转组件1提供了精确且简单地调节回复力的可能性。为此，有两种可能性。第一种可能性包括改变转子磁性元件和/或定子磁性元件7的功率，即改变它们产生的磁场的强度。从实用的角度来看，这仅仅需要用具有更强磁性的元件来代替它们，特别是用更强力的磁体。因此，转子磁性元件和定子磁性元件6、7之间的吸引力随着它们的磁性或功率而增加，并且随后回复力也增加。第二种可能性包括调节转子磁性元件和定子磁性元件6、7之间的距离m。如上所述，通过将磁性元件6、7一起移动或彼此移开，磁性元件之间的吸引力被调节，并且随之使得回复力被调节。尽管转子磁性元件和定子磁性元件6、7的更换通过所描述的旋转组件而变得容易，但是距离m的调节更加实用，因为它允许简单、精确且快速地调节回复力。如果希望增加回复力，通过简单地向下移动转子(即沿着轴线a在与框架相反的方向上，如图6中的箭头28所示)就足以使磁性元件6、7更靠近在一起。距离d1减少，并且距离d2同样多地增加。这样做，增加了旋转组件的稳定性。相比之下，在现有技术的具有同轴和排斥环体形磁体的磁性轴承的情况下，调节距离m更复杂，因为考虑到接近不稳定位置，将转子和定子磁性元件6、7靠得更近会产生转子2错位和磁性轴承不稳定的风险。在距离d1过短的过度调节的情况下，转子2和定子3可能偶然地彼此接触，并产生与转子旋转相反的摩擦。然而，这种过度调节不会产生转子2的错位，这与现有技术中具有排斥性环体形磁体的磁性轴承相反，但至多会减慢转子2的旋转速度，而不损坏旋转组件或扭杆或对附近的操作者有危险。此外，当转子2自身旋转时，它易遭机械振荡。这些机械振荡导致转子2在转子的气隙13的限制内相对于定子3运动。转子根据给定的振荡频率进行振荡，该频率取决于其旋转速度和旋转组件的机械特性。该振荡频率位于包括多个振荡频率(其中特别是一个或数个所谓“共振频率”)的频谱中。当转子的振荡频率对应于共振频率时，转子共振，这降低了旋转组件和设备的性能。转子的共振振荡频率还取决于转子的回复力。因此，调节回复力也使得调节旋转组件的共振频率成为可能。通过简单地根据箭头28向下移动转子，带动转子磁性元件和定子磁性元件6、7更靠近在一起，可以增加回复力并将共振频率移动到较高的频率。因此，避免了当转子在期望的速度范围中旋转时的任何共振风险。此外，在磁性轴承处于活动状态的情况下，可以用为此目的得到调整的控制系统来抑制振荡。示例为了表征转子磁性元件和定子磁性元件的吸引力、由此产生的回复力和共振频率之间的联系的特征，通过软件，利用包括磁体的磁性元件，并且在假设转子的振荡具有足够低的振幅以使磁体施加的吸引力具有恒定的振幅并指向下方的情况下，进行仿真。在这些模拟中使用的旋转组件基本上对应于上文根据图1至图6描述的旋转组件，转子具有70克的质量，并且通过直径为1毫米的钛制成的扭杆连接到框架。对于转子和定子磁体的吸引力的不同值，计算相应的共振频率(以赫兹表示，符号为hz)。所有测量都保持相同的转子和定子磁体，通过调节转子和定子之间的距离d1，带动它们彼此靠近。所获得的结果在下面的表i中汇总在一起，并在图7中以关系图的形式示出，其中横坐标对应于以牛顿(符号为n)表示的磁体的吸引力(标记为fm)，并且纵坐标对应于以赫兹(hz)表示的共振频率(标记为fs)。表i吸引力(n)共振频率(hz)01.3853.6206.6210014.29结果表明，共振频率随着磁体的吸引力的增加而增加。因此，可以通过简单地调节转子和定子之间的距离d1来调节旋转组件的共振频率，然后提供转子的旋转速度并因此提供转子的振荡频率，其因此被调整以便防止转子的振荡频率对应于共振频率。参考文献ep0983450当前第1页12