專利名稱：用于磁軸承裝置的轉(zhuǎn)子軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有如權(quán)利要求1的前序部分所述特征的用于磁軸 承裝置的轉(zhuǎn)子軸，涉及一種包括此種轉(zhuǎn)子軸的磁軸承裝置，以及涉及一 種制造轉(zhuǎn)子軸的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，轉(zhuǎn)子由一組主動磁軸承支撐以繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的磁軸 承裝置眾所周知。轉(zhuǎn)子通常包括由多個主動磁軸承單元圍繞的中心軸， 各個所述單元通常包括多個電磁體。磁軸承裝置經(jīng)常進(jìn)一步包括用于驅(qū) 動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，該馬達(dá)通常也包括多個電磁體。軸通常包括多個設(shè)置于軸的周緣上并用于電磁體的環(huán)形靶(target )。所述靶通常為鐵磁性元件，其作用為使電磁體的磁通路線閉 合。所述靶通常由彼此電絕緣的堆疊及層壓的鐵磁性金屬薄片封裝件構(gòu) 成。此種金屬薄片封裝件降低了渦電流效應(yīng)，渦電流效應(yīng)將導(dǎo)致較強(qiáng)的 損耗和導(dǎo)致軸的不良發(fā)熱。所述粑通常由非磁性的隔件沿軸向間隔開。帶有靶的軸通常以包括多個不同步驟的特別方式制造。通常，首先 將各個薄片模切(沖孔)成環(huán)形形狀。然后，將這些薄片堆疊進(jìn)封套內(nèi)以形成堆疊式薄片封裝件。該封套保持薄片并使薄片定心，以便將其內(nèi) 徑研磨成緊公差而后再安裝。然后，加熱由環(huán)形隔件分隔開的若干個所 述薄片封裝件，并使其在較熱時滑動到"棵"轉(zhuǎn)子軸(即內(nèi)軸部)上。 當(dāng)冷卻時，薄片封裝件和環(huán)形隔件收縮以與軸的中央部產(chǎn)生徑向冷縮配 合。最后，從層壓的薄片封裝件移除封套。這種工序可導(dǎo)致所制成的轉(zhuǎn)子軸出現(xiàn)相當(dāng)大的不平衡，主要因為在 冷縮配合過程中靶通常略微改變它們的形狀和徑向位置。因此，通常必 需通過在車床(研磨或車削加工機(jī))上對產(chǎn)品進(jìn)行精加工而裁切出最終 產(chǎn)品。該額外步驟耗費(fèi)時間并增加最終產(chǎn)品的成本。通過冷縮配合對靶進(jìn)行安裝導(dǎo)致很多附加的不利情況。冷縮配合產(chǎn) 生作用于靶上的永久徑向應(yīng)力載荷。在旋轉(zhuǎn)過程中，該永久靜態(tài)載荷加 到因離心力而引起動態(tài)載荷上。由此，最大容許旋轉(zhuǎn)速度比所需的低。另 一復(fù)雜情況源于以下事實即內(nèi)軸部的材料和靶的材料通常具有不同 的溫度系數(shù)。在操作過程中，轉(zhuǎn)子軸通常發(fā)熱，導(dǎo)致這些部件發(fā)生不同 程度的膨脹。必須以將在整個操作溫度范圍內(nèi)以及在整個旋轉(zhuǎn)速度范圍 內(nèi)的所述膨脹考慮在內(nèi)的方式對冷縮配合進(jìn)行設(shè)計，使得在所有操作條 件下冷縮配合的總徑向應(yīng)力既不接近零也不會太高。這就限制了針對轉(zhuǎn) 子軸的不同部件的材料選擇，并使得對尺寸公差的要求非常高，尤其對 于小的轉(zhuǎn)子更是如此。在JP-A01-122333中，提出了通過軸向夾緊而將耙配合在中心軸部 的外周緣上的方案。但是，這種構(gòu)思在實踐中尚未被廣泛接受，因為以 此方式構(gòu)造的轉(zhuǎn)子軸不能容易地確保其穩(wěn)定性，在以該相同方式構(gòu)造的 不同轉(zhuǎn)子軸之間會發(fā)生大的不可預(yù)知的機(jī)械性能變化。用于磁軸承裝置的轉(zhuǎn)子軸還經(jīng)常設(shè)有推力盤，所述推力盤用作軸向 軸承中的電磁體的耙。由于所述推力盤的存在而帶來的限制條件也經(jīng)常 會阻礙高的旋轉(zhuǎn)速度。推力盤的直徑越大，在高旋轉(zhuǎn)速度時盤材料上的 栽荷越大。因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在一種趨勢，也就是保持使用小的推力 盤，尤其是使其比軸向軸承單元小很多。但是，這就必需得采用用于軸 向軸承單元的特定形狀的磁輒，磁軛沿徑向朝向中心導(dǎo)引磁通并導(dǎo)引至 其與推力盤之間的空氣間隙。這進(jìn)而增加了磁軸承裝置的總長，阻礙了 較小的軸向軸承的開發(fā)并提高了成本。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)子軸，其可容易地制造并具有可 再生產(chǎn)性能，并且其適于實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)速度。該目的通過如權(quán)利要求1所述的用于磁軸承裝置的轉(zhuǎn)子軸而得以實現(xiàn)。本發(fā)明的另一目的是提供一種具有此種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子軸的磁軸承裝 置。該目的通過如權(quán)利要求12所述的磁軸承裝置而得以實現(xiàn)。本發(fā)明的又一目的是提供一種用于制造轉(zhuǎn)子軸的簡單方法，從而可獲得具有可再生產(chǎn)性能的軸。該目的通過如權(quán)利要求13所述的方法而得以實現(xiàn)。 本發(fā)明的有利實施方式記述于從屬權(quán)利要求中。因此，提供一種用于磁軸承裝置的轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子軸包括內(nèi)軸部 和用于電磁體的至少一個大致呈環(huán)形的靶。所述靶設(shè)置在所述內(nèi)軸部的 周緣上。依據(jù)本發(fā)明，以這樣的方式使所述靶保持在將軸向壓力施加在 耙上的兩個套環(huán)之間，使得所述軸向壓力在所述轉(zhuǎn)子軸的外周緣的附近 最大。以此方式，獲得了具有簡化構(gòu)造、更高硬度以及在高旋轉(zhuǎn)速度時 具有更高穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)子軸。優(yōu)選地，套環(huán)以使得所述軸套僅在所述靶的 周緣的附近抵靠著所述靶的方式進(jìn)行設(shè)計。用語"外周緣的附近"可理 解成其所表示的是在施加力的軸向位置處進(jìn)行測量的、覆蓋所述環(huán)形 靶的徑向范圍的50%—優(yōu)選為30%—的位于最外部分的徑向范圍。換 言之，相對于靶的內(nèi)圓周部分，將力施加到更加接近靶的外部分。優(yōu)選地，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸靜止時，所述軸向壓力比靶和內(nèi)軸部之間的任何 徑向力都大。換言之，靶主要由軸向力而不是徑向力來保持。特別地， 靼優(yōu)選地不通過壓配合來保持。與采用冷縮配合的情形相對比，在靶和內(nèi)軸部之間可存在間隙。在 安裝了乾之后，這種間隙可由合適的間隙填充材料填充。優(yōu)選地，間隙 填充材料選自灌封劑(pottants)、環(huán)氧樹脂以及焊料。通過在間隙內(nèi)放 置間隙填充材料，確保了在磁軸承裝置的操作過程中不平衡得以保持不 變。耙通常包括多個大致沿徑向延伸的堆疊的環(huán)形薄片，例如靶可由環(huán) 狀層壓的薄片封裝件形成。通過軸向力而不是徑向力保持此種封裝件特 別有利，因為用冷縮配合制造此種公差很小的堆疊的薄片封裝件極為困 難。如果由凸部沿軸向形成抵靠著耙的套環(huán)中的至少一個，所述凸部設(shè) 置在轉(zhuǎn)子軸的外周緣的附近，則可容易地確保軸向力在外周緣的附近最 大。優(yōu)選地，凸部至少在某些部分處具有具有環(huán)形形狀，并且與軸的軸 線共心。在優(yōu)選實施方式中，凸部為完全環(huán)形。轉(zhuǎn)子軸可包括一個或多個隔件，所述一個或多個隔件將靶與位于同一軸上的其它乾分隔開。在此情況下，用于每個靶的套環(huán)的其中之一可 由隔件形成。內(nèi)軸部可具有若干個不同的部分。特別地，可具有由靶圍繞的大致 圓柱形部分、從圓柱形部大致沿徑向延伸的軸肩、以及位于軸肩上并與 軸的軸線共心的環(huán)狀軸向凸部，其中所述套環(huán)的其中之一由位于軸肩上 的凸部形成。為了將靶容易地安裝到軸上，內(nèi)軸部有利地具有外螺紋，具有與所 述外螺紋互相作用的內(nèi)螺紋的螺母安裝在所述外螺紋上以便施加壓力。所述套環(huán)中的至少一個和/或靶可包括用于沿徑向使靶在內(nèi)軸部上 定心的凹部和/或凸部。替代地，靶可簡單地通過位于靶的內(nèi)圓周處的 內(nèi)軸部定中。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于磁軸承裝置的轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子軸推力 盤。推力盤優(yōu)選地具有以大致連續(xù)的方式沿徑向朝向周緣減小的厚度。 優(yōu)選地，推力盤在兩個軸向側(cè)以大致對稱的方式朝向周緣逐漸變薄。該厚度有利地連續(xù)減小至少25%，更優(yōu)選地為至少三分之一。有利地，所 述減小為逐漸減小。換言之，該厚度優(yōu)選地在其范圍相當(dāng)于推力盤的半 徑的至少25 % —優(yōu)選為相當(dāng)于推力盤的半徑的至少三分之一一的環(huán)形 區(qū)域中連續(xù)減小。優(yōu)選地，所述推力盤具有具有大致均勻的第一厚度的第一區(qū)域， 所述第一區(qū)域設(shè)置于所述內(nèi)軸部的附近；以及具有比所述第一均勻厚度 小的大致均勻的第二厚度的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域設(shè)置于推力盤的周 緣的附近。這些具有均勻厚度的區(qū)域用來設(shè)置成面對著軸向軸承單元的 極孰的配置。由此筒化了軸向軸承單元的構(gòu)造。接著，有利地，提供位 于所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間的逐漸變薄區(qū)域，其中所述逐漸變 薄區(qū)域的厚度以大致連續(xù)的方式朝向所述周緣從所述第一均勻厚度減 小到所述第二均勻厚度。具有逐漸減小的厚度的推力盤可有利地與帶有通過軸向夾緊而安 裝耙的軸組合在一起，如上所述。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括如上所述的轉(zhuǎn)子軸的磁軸承裝置，其包 括用于與靶和/或推力盤發(fā)生磁性作用的至少一個主動磁軸承單元。特可包括至少一個…通常兩個…徑向磁軸承單元，所 述徑向磁軸承單元沿軸在不同位置圍繞著位于軸上的相應(yīng)的耙；和/或 至少一個軸向軸承單元，所述軸向軸承單元設(shè)置成沿軸向與推力盤面對 的配置。
依據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子軸可通過如下步驟容易地制造
—提供具有大致圓柱形部的內(nèi)軸部、設(shè)置于所述圓柱形部的一個 軸向側(cè)部上的軸環(huán)、以及設(shè)置于所述圓柱形部的另一軸向側(cè)部上的外螺
紋；
—提供多個堆疊的環(huán)形薄片以形成靶； —提供具有內(nèi)螺紋的螺母；
- ^_所述多個堆疊的環(huán)形薄片滑動到所述內(nèi)軸部的所述大致圓柱形 部上以形成所述耙；以及
-通過所述內(nèi)螺故將所述螺母緊固到所述外螺紋上，以便以這樣的 方式將軸向壓力施加到所述靼上，4吏得所述軸向壓力在所述轉(zhuǎn)子軸的外周 緣的附近最大。
套環(huán)可與內(nèi)軸環(huán)一體成形，或者可設(shè)置在安裝到內(nèi)軸部的部件上， 例如第二螺母或附加的隔件。靶可通過堆疊單個薄片而預(yù)先制造或者或
形成于內(nèi)軸部上。


結(jié)合附圖中所示的示例性實施方式對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，所 述附圖為
圖1以局部剖視圖示出磁軸承裝置的示意性立體圖2示出圖1中的磁軸承裝置沿平面A-A的截面圖3示出轉(zhuǎn)子的示意性立體側(cè)視截面圖4示出圖3中的轉(zhuǎn)子的第一放大局部立體側(cè)視截面圖5示出圖3中的轉(zhuǎn)子的第二放大局部立體側(cè)視截面圖；以及
圖6示出圖3中的轉(zhuǎn)子的第三放大局部立體側(cè)視截面圖。
具體實施例方式
圖l和圖2示出例如適合用于支撐承載著渦輪分子泵(TMP)的葉 片的轉(zhuǎn)子本體的磁軸承裝置。轉(zhuǎn)子軸200磁懸浮于該裝置中以繞旋轉(zhuǎn)軸 線201旋轉(zhuǎn)。為此，提供了多個磁軸承單元。 一對軸向或推力軸承單元 100、 110與安裝于輪軸狀中心軸部210上的推力盤220互相作用，從而 穩(wěn)定轉(zhuǎn)子軸200的位置以防止沿軸向發(fā)生平動位移。第一徑向軸承單元 80和第二徑向軸承單元90穩(wěn)定接近這些軸承單元的那些軸部的位置以 防止發(fā)生徑向位移，由此獲得防止軸沿徑向發(fā)生平動位移以及繞徑向發(fā) 生傾斜位移的穩(wěn)定性。馬達(dá)單元70驅(qū)動轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)。實施為雙滾珠 軸承130、 140的輔助性的接觸(touch-down)軸承在磁軸承切斷或故 障的情況下使軸保持在位。替代地，也可使用其它類型的軸承，例如單 滾珠軸承或滑動軸承。
提供多個傳感器單元以檢測軸的位移。軸向位移檢測器形成于第一 傳感器板40上，而徑向位移傳感器則形成于第二傳感器板50和第三傳 感器板60上。這些傳感器檢測軸沿預(yù)定方向的位移。
在圖3至圖6中更詳細(xì)地示出轉(zhuǎn)子軸200。它包括內(nèi)軸部210，內(nèi) 軸部210用作第一乾240、第二乾260和第三乾280、第一隔件250和 第二隔件270、加固螺母2卯、推力盤220以及遠(yuǎn)側(cè)螺母230的承載體。
輪軸狀內(nèi)軸部210在其近端處具有大直徑部分，該大直徑部分形成 圓柱形支撐表面211并具有中心鉆孔212。可從圖l和圖2中清楚看出， 支撐表面的作用為接收輔助軸承140，而鉆孔的作用則為將轉(zhuǎn)子本體… 例如承載TMP的轉(zhuǎn)子葉片的本體—-安裝到軸。
大直徑部分的近端終止于軸肩214處。大直徑部分的近側(cè)由直徑減 小的長圓柱形部分鄰接。靶240、 260和280以及隔件250和270設(shè)置 在該圓柱形部分的周緣上。圓柱形部分由第一外螺紋215鄰接，第一外 螺紋215的外徑不超過圓柱形部分的直徑，并且加固螺母290安裝于第 一外螺紋215上。
在進(jìn)一步接近遠(yuǎn)端處，內(nèi)軸部具有徑向軸肩216和用于安裝推力盤 220的第二外螺紋217。另一徑向軸肩218和第三外螺紋219的作用為 安裝遠(yuǎn)側(cè)螺母230。內(nèi)軸部優(yōu)選地一體成形，并且優(yōu)選地由諸如奧氏體鋼或鋁等的非磁 性金屬構(gòu)成。
使第一靶240滑動到內(nèi)軸部210的圓柱形部分上。操作時，該靶的 作用為使第一徑向磁軸承單元卯的磁通路線閉合。該靶由多個堆疊的、 層壓的、鐵磁性的環(huán)形金屬薄片構(gòu)成，且薄片的平面沿徑向延伸。
第一乾240沿徑向與由諸如奧氏體鋼或鋁等的非磁性金屬所制成的 第一隔件250鄰接，第一隔件250同樣也已滑動到內(nèi)軸部210的圓柱形 部分上。設(shè)置抵靠著第一隔件250的第二靶260，接在第二靶260之后 的是與第一隔件250具有相似設(shè)計的第二隔件270。第二靶260的作用 為使馬達(dá)單元70的磁通路線閉合。它包括多個永久磁鐵266,永久磁鐵 266在其周緣處由環(huán)形薄壁圓周套筒265保持，所述套筒265例如由鋼 或碳纖維化合物制成。磁鐵以公知方式與套筒結(jié)合。
設(shè)置抵靠著第二隔件270的第三靶280。該靶的作用為使第二徑向 軸承單元80的磁通路線閉合。因為必須由該單元承受的力通常稍微小 于第一徑向軸承單元90所承受的力，所以第二徑向單元80和相應(yīng)的第 二靶280稍微小于第一單元卯和第一靶240。除了該尺寸差異，第三靶 280與第一耙240具有相同的設(shè)計。
加固螺母290設(shè)置于鄰接第三靶280的位置。該加固螺母2卯具有 設(shè)置于其中心通孔中的內(nèi)螺紋292,所述螺母2卯通過內(nèi)螺紋292并借 助六角形緊固部分293而旋擰到內(nèi)軸部210上。加固螺母的作用為將軸 向壓力(即夾緊力或加固力)F，施加到耙240、 260和280以及隔件250 和270。正是這種壓力連同反作用力F使靶和隔件保持定位。換言之， 至少在磁軸承裝置的靜止期間，軸向壓力F、 F，實質(zhì)上比內(nèi)軸部與靶和 隔件之間的任何徑向力都大。特別地，靶和隔件以這樣的方式設(shè)置在內(nèi) 軸部上，即容許這些部件在內(nèi)軸部上自由滑動，并且沒有應(yīng)用冷縮配合。
軸向壓力F、 F，主要沿軸的外周緣施加。為此，環(huán)狀(環(huán)形)軸向 凸部設(shè)置在內(nèi)軸部210的大直徑部分的近側(cè)的軸肩214上、每個隔件250 和270的一個軸向面上、第二靶260的周緣上、以及加固螺母2卯的面 對第三靶280的軸向面上。這些凸部與軸的軸線共心，并且在位于軸的 外周緣附近的徑向區(qū)域處完全繞著軸的圓周延伸。這可從圖4中最清楚 地看到，在圖中可清楚地看到位于隔件270的面上的凸部271，所述凸部面對第三乾280，并且在圖中可看到位于加固螺母2卯上的相應(yīng)凸部 291。這些凸部用作用于沿軸向夾緊第三乾280的套環(huán)。同樣地，位于 其它部件上的相應(yīng)凸部用作用于夾緊第一靶240和第二靶260的套環(huán)。 這些凸部確保軸向壓力F、 F，僅僅或主要施加在外周緣處。
除了設(shè)置位于鄰接靶的部件上的環(huán)形軸向凸部(或者換言之，環(huán)狀 凸肩)，此種凸部也可具有其它形狀并且不需要以不間斷方式繞著軸的 圓周延伸。舉例而言，通過沿相應(yīng)部件的圓周設(shè)置均勻分布的多個小的 軸向凸部，可實現(xiàn)相似的穩(wěn)定效果。除了設(shè)有分離的凸部，相應(yīng)部件也 可朝向中心平滑地逐漸變薄。重要的是軸向力主要施加在軸的周緣附 近。
第一耙240和第三耙280以及隔件相對于其相應(yīng)內(nèi)徑處的內(nèi)軸部定 心。相比之下，用于馬達(dá)單元的第二耙260通過分別設(shè)置在把和隔件 250、 270上的凸部和凹部定心，如同從圖5中所能最清楚地看到。隔件 250在接近其周緣處設(shè)有環(huán)狀凹部252。靶260具有相應(yīng)的環(huán)狀凸部262, 凸部262沿軸向伸入凹部252內(nèi)并進(jìn)一步沿軸向突出而超過凹部252的 深度。隔件270同樣也設(shè)有凹部272,并且耙260設(shè)有相應(yīng)的第二凸部 263。以此方式，乾260可相對于隔件250定心，而同時確保了隔件250 和靼260之間的任何軸向力均施加在耙的周緣附近。耙有效地定心，即 使耙260的內(nèi)徑存在較大制造公差也是如此。
通過軸向夾緊方式來安裝靶具有許多優(yōu)點，以下列舉出其中一些
-因為周緣部件(靶、隔件)并未承受因冷縮配合而引起的徑向應(yīng) 力所導(dǎo)致的預(yù)載荷，所以可比以傳統(tǒng)方式構(gòu)造的相同尺寸的軸獲得更高 的旋轉(zhuǎn)速度(旋轉(zhuǎn)頻率)。
-因為用于使周緣部件保持定位的力沿軸向作用，所以有效的保持 (夾緊)力實際上與旋轉(zhuǎn)速度無關(guān)。
—靶可具有比冷縮配合所要求的公差大的公差。
—內(nèi)軸部起到彈性連接桿的作用，即起到關(guān)于軸向壓力的軸向彈簧 的作用。因溫度系數(shù)不同而會發(fā)生變化的力主要沿軸向而非徑向作用。 這些力可由于內(nèi)軸部的彈性膨脹而部分地抵消。相比之下，在現(xiàn)有技術(shù) 中，此種溫度力主要沿徑向作用，并且將主要由已承受預(yù)載荷并在高旋轉(zhuǎn)速度下承受相當(dāng)大的動態(tài)載荷的周緣部件來承載。
—由于軸向壓力施加在軸的外周緣附近，所以整個軸構(gòu)造的硬度比
均提高了很多。提高的硬度使得彎曲的本征頻率更高，并因此而使得控 制更加容易進(jìn)行。
-因為輔助軸承可容易地安裝和拆卸，所以它們可沿轉(zhuǎn)子軸設(shè)置于 幾乎任意位置，即使它們的直徑比其它的靶元件的直徑小也是如此。
-在單獨(dú)轉(zhuǎn)子部件發(fā)生故障的情況下，可容易地對轉(zhuǎn)子進(jìn)行修理， 例如通過更換安裝于軸上的單個靶或隔件或輔助軸承。
-因為在組裝后不需要進(jìn)行額外的精加工/車削步驟，所以簡化了 軸的安裝過程。
在一些情況下，軸的簡化構(gòu)造會引起一定程度的不平衡，這可歸咎 于靶的未完全定心，尤其是當(dāng)沒有進(jìn)行額外的精加工步驟時。該不平衡
與附接到軸的轉(zhuǎn)子本體所引起的不平衡…例如TMP示例中的泵葉片的 不平衡…相比，經(jīng)常是可忽略的。大的不平衡需要更大的軸承內(nèi)空氣間 隙，從而需要更大的軸承電流。因此，此種不平衡會成為重要問題，尤 其對于小的軸承裝置而言更是如此，在小的軸承裝置中，可獲得的軸承 電流會受到軸承線圏可利用空間的限制。
在圖1和圖2的示例中，徑向軸承70、 90的改進(jìn)構(gòu)造容許存在大 的不平衡。這些軸承構(gòu)造為異極軸承，其僅具有用于四個繞組的四個極 孰，即每個極孰承載兩個繞組的磁通， 一個用于x徑向和一個用于y徑 向。這就使得與傳統(tǒng)的具有四個繞組的八極軸承相比，每個繞組的截面 增大了很多。由于磁通增大，所以對于獲得相同的軸承力來說，能夠增 大空氣間隙，因此能夠適應(yīng)即便其不平衡性增大的轉(zhuǎn)子。
有利地，繞組可按2004年6月8日提交的歐洲專利申請案第04 405 354.4號中所述的方式…尤其是按如其中的圖7所示的方式…連接到它 們的驅(qū)動放大器。換言之，四個繞組可連接到共同的中性點。用于+x 和-x方向的兩個繞組將接收總量恒定的正電流，兩個電流沿同 一方向流 向中性點。然后，用于+y和-y方向的另外兩個繞組將依據(jù)中性點的狀 態(tài)帶走總量相同的電流。上述情況可通過以下方式實現(xiàn)在H橋型放大器的端口之間串聯(lián)連接+x和+y繞組；在另一 H橋型放大器的端口之間 類似地串聯(lián)連接-x和-y繞組；以及通過將+x和+y繞組之間的共接點與 -x和-y繞組之間的共接點連接在一起從而形成中性點(共同節(jié)點)。通 過改變+x和+y繞組之間和-x和-y繞組之間的電流分配，同時保持電流 總量(其等于各繞組的偏置電流的兩倍)恒定，便可實現(xiàn)控制。在圖1 和圖2的配置中，因為實際上穿過各對相反極孰的磁通總量通常完全相 同，并且因為線團(tuán)和控制器之間的連接數(shù)量是傳統(tǒng)H橋型放大器的一 半，所以上述連接電路特別適用。
圖6示出軸的局部圖，圖中突出顯示推力盤220。推力盤通過與內(nèi) 軸部210的外螺紋217互相作用的內(nèi)螺紋226而安裝到內(nèi)軸部210。所 述推力盤沿軸向抵靠著徑向軸肩216,徑向軸肩216用作所述盤旋擰到 內(nèi)軸部上時的止擋件。位于該盤的一個軸向面上的環(huán)狀軸向凸部224緊 密圍繞內(nèi)軸部以更好地穩(wěn)定該盤。第二環(huán)狀軸向凸部225用作在圖l和 圖2中可看到的輔助軸承130的止擋件，以使該軸承承受軸向力。在該 盤的盤面設(shè)置孔227以將盤緊固到內(nèi)軸部。
除了凸部，該盤在到達(dá)第 一半徑&處的內(nèi)范圍內(nèi)具有均勻厚度。 然后，該厚度在逐漸變薄的區(qū)域——即位于在半徑&和半徑R2之間延
伸的范圍內(nèi)的區(qū)域一一中持續(xù)地減小到值d2。在位于周緣的附近的第三
環(huán)形區(qū)域內(nèi)，厚度再次均勻一致。如從圖l和圖2中清楚看出，環(huán)形極 靴設(shè)置在面對厚度均勻區(qū)域的軸向軸承單元中。因為極靱面對厚度均勻 區(qū)域，所以這些極孰的構(gòu)造得以簡化。
這種構(gòu)造使得能夠在不增加推力盤的質(zhì)量的情況下針對預(yù)定的最 大旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)置更大的推力盤。具有這種構(gòu)造的推力盤具有優(yōu)良的穩(wěn)定 性。因為不需要磁軛以進(jìn)行額外地向內(nèi)導(dǎo)引磁通，所以可按更加簡單的 方式構(gòu)造軸向軸承單元。在該示例中，因為采用了徑向直徑相對較大的 軸承單元，所以其厚度沿徑向減小的推力盤同樣具有有利之處。因而， 同樣也采用具有相對較大直徑的軸向軸承成為可行之舉…所述大直徑 軸承的使用必需使用相對較大直徑的推力盤。
通過此種推力盤可獲得的磁力實際上不比具有相同直徑和均勻厚 度山的盤所獲得的磁力小。由于外磁極處的空氣間隙的圓周較大，所 以位于軸向軸承的外磁極處的總磁性截面面積與內(nèi)磁極處的大概相等。 磁性截面限定為磁通線穿過其延伸的垂直于磁通的區(qū)域。在該示例中，在推力盤的延伸在軸向軸承單元的極靴之間的逐漸變薄區(qū)域中，磁性截 面近似垂直于徑向方向。因此，磁性截面面積將由該區(qū)域內(nèi)的圓周和厚 度的乘積近似給定。特別地，這使得能夠使用以下經(jīng)驗法則以便有利地
選擇出作為半徑的函數(shù)的厚度截面面積…即厚度和圓周的乘積進(jìn)而厚 度和半徑的乘積--應(yīng)該在厚度減小的整個逐漸變薄的區(qū)域內(nèi)近似恒定。 盡管這種準(zhǔn)則將使厚度相對于半徑成雙曲線關(guān)系，但通常出于容易制造 的原因，優(yōu)選地，選用與雙曲線性減小相近似的線性下降。出于相同的 原因，厚度均勻的外部區(qū)域(R2和盤半徑R之間)所延伸的徑向范圍 比到達(dá)半徑&處的厚度均勻的內(nèi)部區(qū)域所延伸的徑向范圍小。
在該示例中，該厚度以對稱方式減小，即盤的兩側(cè)具有相同的傾斜 角。但是，取決于軸向軸承單元的構(gòu)造，上述對稱方式為非必要，特別 地，可設(shè)想得到所述盤僅有一個面逐漸變薄。
厚度減小的徑向范圍相對較大并且所述盤的逐漸變薄部的傾斜角 相對較小。這種設(shè)計方案相當(dāng)有利，原因為該方案使得磁通能夠平滑分 布并且符合上述關(guān)于磁性截面的考慮。優(yōu)選地，厚度減小的徑向范圍為 總半徑的至少約四分之一。在該示例中，該范圍延伸超過總半徑的約三 分之一。精確的值將主要取決于軸向軸承單元的構(gòu)造，特別是取決于其 極靴之間的徑向距離。同樣地，盤在周緣處的厚度優(yōu)選地減小為盤的內(nèi) 區(qū)域處的厚度的至少約四分之一，更優(yōu)選地為盤的內(nèi)區(qū)域的厚度的至少 約三分之一。
在軸的遠(yuǎn)端處，遠(yuǎn)側(cè)螺母230以與推力盤220相似的方式安裝，即 通過位于內(nèi)軸部上的外螺紋219、位于螺母中的內(nèi)螺紋234、用作螺母 沿軸向抵靠到其上的止擋件的軸肩218、沿軸向延伸超出止擋件并部分 地包繞內(nèi)軸部210的環(huán)狀凸部，并且借助六角形部分233進(jìn)行安裝。該 遠(yuǎn)側(cè)螺母用作軸向位移傳感器一一優(yōu)選地為渦電流類型一一的目標(biāo)元 件(target),以及用作諸如脈沖傳感器或分解器等的旋轉(zhuǎn)傳感器的目標(biāo) 元件。為此，該螺母通常不是旋轉(zhuǎn)對稱螺母，如可從圖6中清楚看出。
軸承單元以及傳感器板由殼體10包繞。來自傳感器的信號饋送到 設(shè)置于殼體10外的控制單元(在圖1中未示出)。在控制單元中，從這 些信號導(dǎo)出用于軸承單元的合適的控制電壓或電流，并且將所述合適的 控制電壓或電流從控制單元饋送到軸承單元。為了在控制單元和磁軸承裝置之間饋送信號和電流，設(shè)置穿過殼體10的殼壁的電饋通元件30。饋通元件30包括大致垂直于殼體10的縱 向軸線(即垂直于旋轉(zhuǎn)軸線)延伸的印刷電路板(PCB) 31。該板延伸 而橫向穿過殼體10的殼壁，并全面沿著殼體的內(nèi)圓周切分殼壁，即其 將殼體分成兩部分。所述板沿其延伸的橫截面與旋轉(zhuǎn)軸線垂直。饋通元 件的細(xì)節(jié)公開于2005年8月24日提交的歐洲專利申請第05 405 492.9 號中，其全部內(nèi)容以參照方式并入本文中以教示一種改進(jìn)的電氣真空饋 通元件。徑向位移傳感器優(yōu)選地為WO-A-2004/048883中所公開的類型。此 種多軸式徑向位移傳感器包括繞軸放置的主感應(yīng)元件、以及多個設(shè)置于 該主感應(yīng)元件附近的次感應(yīng)元件。通過向主感應(yīng)元件提供時變電流并且 檢測次元件中的感應(yīng)電壓，可確定軸的位移。所有感應(yīng)元件可容易地實 施為位于單個共同的印刷電路板上的印刷線圏。由此獲得一種高效而又非常簡單的徑向位移傳感器。特別地，第二傳感器板50和第三傳感器 板60中的每一個均優(yōu)選地在其導(dǎo)電(通路)層內(nèi)配置此種多軸式徑向 位移傳感器。在第一傳感器板的導(dǎo)電層中同樣可配置軸向位移傳感器。此種傳感 器可為傳統(tǒng)的單線圏或多線圏式渦電流傳感器類型，其確定第一傳感器 板和位于軸200端部處的遠(yuǎn)側(cè)螺母230上的徑向凸緣231之間的距離。 替代地，軸向位移傳感器可為2005年1月11日提交的歐洲專利申請第 05 405 009.1號中所公開的類型。此種軸向位移傳感器包括兩個共心的 并大致共面的線圏，這兩個線團(tuán)被供給頻率相同但卻反相(相反的繞旋 轉(zhuǎn)軸線的方向)的AC電流。由此，傳感器的敏感區(qū)大致局限于這些線 圏之間的區(qū)域，并且極大地減少了干擾。旋轉(zhuǎn)傳感器也可配置于第一傳感器板的導(dǎo)電層內(nèi)，例如按上文所參 照的歐洲專利申請第05 405 009.1號中所述的方式。此種多軸式徑向位 移傳感器在其結(jié)構(gòu)方面與上述的多軸式徑向位移傳感器相似，即其包括 繞軸放置的主感應(yīng)元件、以及多個設(shè)置于該主感應(yīng)元件附近的其它感應(yīng) 元件。特別地，主感應(yīng)元件繞著位于軸200端部處的螺母230的一部分 放置，該部分不是旋轉(zhuǎn)對稱，而是具有至少一個缺口或凹槽。通過向主 感應(yīng)元件提供時變電流，尤其是高頻AC電流，并且檢測次元件中的感 應(yīng)電壓，可確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。同樣，感應(yīng)元件可容易地實施為第一傳感器板的導(dǎo)電層中的印刷線團(tuán)。特別地，主感應(yīng)元件可與軸向位移傳 感器的線圏之一相同，從而進(jìn)一步使結(jié)構(gòu)簡化。在替代性實施方式中，徑向位移傳感器之一可與軸向位移傳感器設(shè)置于軸向軸承100、 110的同一側(cè)上，并且這些傳感器甚至可組合在單 一的多檢測單元內(nèi)，例如WO 2005/026557中所述。所有印刷電路板(傳感器板40、 50、 60以及饋通元件30的PCB) 具有用于容納轉(zhuǎn)子軸的共心開口。特別地，饋通元件30的板31具有直 徑比推力盤220的直徑大的開口 。以此方式，磁軸承裝置可容易地組裝， 并且當(dāng)證實必需維修的情況下可容易地接近轉(zhuǎn)子。如果在轉(zhuǎn)子軸承載多個泵葉片的真空泵中、尤其是渦輪分子真空泵中 包括有依據(jù)本發(fā)明的磁軸承裝置時，則^^據(jù)本發(fā)明的磁軸承裝置就特別有 益。 一種不同的應(yīng)用為當(dāng)4^發(fā)明的磁軸承裝置用于例如空調(diào)內(nèi)時，可用于 氣體壓縮機(jī)的渦輪泵。但是，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不局限于這些應(yīng)用。附圖標(biāo)記清單1磁軸承裝置2控制單元10殼體11主體12凸緣13圓形溝槽14蓋20蓋21螺釘23圓形溝槽30電饋通元件31印刷電路板32連接裝置40第一傳感器板50第二傳感器板60第三傳感器板70馬達(dá)單元80第一徑向軸承單元卯第二徑向軸承單元100第一軸向軸承單元110第二軸向軸承單元130第一輔助軸承140第二輔助軸承200轉(zhuǎn)子軸201轉(zhuǎn)子軸線210內(nèi)軸部211第一支撐表面212鉆孔214第一軸環(huán)215第一外螺紋216第二軸環(huán)217第二外螺紋218第三軸環(huán)219第三外螺紋220推力盤221內(nèi)(直)部222中間(逐漸變薄)部223外(直)部224定心部225螺母部226內(nèi)螺紋227孑匕230 螺母232 定心部234 內(nèi)螺紋250 第一隔件260 第二耙263 凸部266 永久磁鐵271 凸部280 第三耙291 凸部293 螺母部231 徑向凸緣233 螺母部240 第一乾252 凹部262 凸部265 封套270 第二隔件272 凹部290 加固螺母292 內(nèi)螺紋
權(quán)利要求
1.一種用于磁軸承裝置(1)的轉(zhuǎn)子軸(200)，所述轉(zhuǎn)子軸(200)包括內(nèi)軸部(210)和用于電磁體的至少一個大致呈環(huán)形的靶(240；260；280)，所述靶(240；260；280)設(shè)置在所述內(nèi)軸部(210)的周緣上，其特征在于，以這樣的方式使所述靶(240；260；280)保持在將軸向壓力(F，F(xiàn)’)施加在所述靶(240；260；280)上的兩個套環(huán)之間，使得所述軸向壓力(F，F(xiàn)’)在所述轉(zhuǎn)子軸(200)的外周緣的附近最大。
2. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子軸(200)靜止 時，所述軸向壓力(F， F，)比所述耙(240; 260; 280)和所述內(nèi)軸部(210)之間的任何徑向力都大。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述靶(240; 260; 280 ) 包括多個大體沿徑向延伸的堆疊的環(huán)形薄片。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，在所述耙(240; 260; 280)和所述內(nèi)軸部(210)之間存在間隙，并且，在所述間隙中 放置有間隙填充材料。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述套環(huán)中的 至少一個由設(shè)置于所述轉(zhuǎn)子軸(200)的所述外周緣的附近并且沿軸向 朝向所述把(240; 260; 280)突出的環(huán)形凸部(271， 291)形成。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述轉(zhuǎn)子軸(200 ) 包括將所述靶(240; 260; 280)與另一靶分隔開的隔件(250; 270)， 并且，所述套環(huán)的其中之一由所述隔件(250; 270)形成。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述內(nèi)軸部(210 ) 具有由所述靶圍繞的大致圓柱形部、大致沿徑向從所述圓柱形部延伸的 軸肩(214)、以及設(shè)置于所述軸肩上并沿軸向突出的環(huán)形凸部，并且， 所述套環(huán)的其中之一由所述環(huán)形凸部(214)形成。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述內(nèi)軸部(210) 具有外螺紋(215)，并且，具有與所述外螺紋(215)互相作用的內(nèi)螺紋(292)的螺母(290)安裝到所述內(nèi)軸部(210)上以便施加所述軸 向壓力(F， F，)。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述套環(huán)(271; 291 )中的至少一個和/或所述靼(240; 260; 280 )包括用于使所述乾(240; 260; 280)沿徑向定心的凹部和/或凸部。
10. —種用于磁軸承裝置(1)的轉(zhuǎn)子軸(200)，尤其是如權(quán)利要求 1至9中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子軸(200 )包括具有外周緣的推 力盤(220)，其特征在于，所述推力盤(220)具有外周緣并且所述推 力盤的厚度以大致連續(xù)的方式朝向所述周緣沿徑向減小。
11. 如權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)子軸，其中，所述推力盤(220)具有 具有大致均勻的第一厚度(dj的第一區(qū)域，所述第一區(qū)域設(shè)置于所述 內(nèi)軸部(210)附近；以及具有比所述第一均勻厚度(dj小的大致均 勻的第二厚度(d2)的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域設(shè)置于所述推力盤(220 ) 的周緣的附近；以及位于所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間的逐漸變薄 區(qū)域，其中所述逐漸變薄區(qū)域的厚度以大致連續(xù)的方式朝向所述周緣從 所述第一均勻厚度(dj減小到所述第二均勻厚度(d2)。
12. —種磁軸承裝置(1 )，其包括如權(quán)利要求1至11中任一項所述 的轉(zhuǎn)子軸(200),并包括至少一個主動磁軸承單元(80; 90)。
13. —種用于制造如權(quán)利要求1至11中任一項所述的轉(zhuǎn)子軸(200 ) 的方法，其包括如下步驟—提供具有大致圓柱形部的內(nèi)軸部(210)、設(shè)置于所述圓柱形部 的一個軸向側(cè)部上的軸環(huán)(214)、以及設(shè)置于所述圓柱形部的另一軸向 側(cè)部上的外螺紋(215);-提供多個堆疊的環(huán)形薄片以形成靶(240; 260; 280);—提供具有內(nèi)螺紋(292)的螺母(290);-使所述多個堆疊的環(huán)形薄片滑動到所述內(nèi)軸部的所述大致圓柱 形部以形成所述耙(240; 260; 280);以及-將帶有內(nèi)螺紋(292 )的所述螺母(2卯)緊固到所述外螺紋(215 ) 上，以^更以這樣的方式將軸向壓力(F， F，)施加到所述耙(240; 260;*(280)上，使得所述軸向壓力(F， F，)在所述轉(zhuǎn)子軸(200)的外周緣 的附近最大。
全文摘要
本申請公開一種用于磁軸承裝置(1)的轉(zhuǎn)子軸(200)。該軸包括內(nèi)軸部，在所述內(nèi)軸部的周緣上安裝有由隔件(250，270)分隔開的多個靶(240，260，280)。這可通過將軸向壓力(F，F(xiàn)’)施加到周緣部件上而不是應(yīng)用徑向壓配合來實現(xiàn)。以此方式獲得簡化的構(gòu)造、更高的硬度以及更高的穩(wěn)定性。本申請進(jìn)一步公開一種具有推力盤(220)的轉(zhuǎn)子，所述推力盤的厚度朝向周緣減小。從而容許在給定的旋轉(zhuǎn)速度下使用更大的推力盤。
文檔編號F16C32/04GK101248282SQ200680030725
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者勒內(nèi)·拉爾索納, 菲利普·布勒 申請人:梅科斯特拉克斯勒股份公司