CN104145126B - 具有力补偿的磁性轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在更好地补偿在磁轴承上的能预定的力。为此提出一种具有第一磁装置(10)的磁轴承设备，该第一磁装置设计为环形并且具有中轴线，以便使轴能旋转地通过磁力保持在中轴线上。此外该磁轴承设备还具有独立于第一磁装置(10)的第二磁装置(12)，用于补偿作用在轴上的能预定的力。这样可以补偿由于不平衡而引起的重力或力。

Description

具有力补偿的磁性轴承
技术领域
本发明涉及一种具有磁装置的磁轴承设备，该磁装置设计为环形并且具有一个中轴线，以便使轴能旋转地通过磁力保持在中轴线上。
背景技术
对于不具有永磁偏(Vormagnetisierung)的、常规的径向的磁轴承来说，产生稳态磁偏的三相电流绕组的应用是已知的。举例来说可以参阅文献DE 23 58 527 A1。该文献提出的主动磁性轴承中具有旋转驱动器，该驱动器设计为由定子和动子组成且具有通过传感器监测的气隙。由定子绕组通过交流电供电所产生的旋转场与定子的绕组通过增益放大器的输出电流产生的控制场叠加。
除此之外文献EP 2 148 104 A1公开了一种磁性径向轴承，该轴承具在周向上分布地布置的电磁体。这些电磁体分别具有一种共同线圈来产生磁偏以及磁性的、多相的旋转场。线圈的第一和第二半部分各自连接在星形节点中。这两个星形节点设置为用于连接在用于磁偏激励的直流电源上。其余的线圈端部设置为并联地连接在用于旋转场的相应的、多项的三相电流控制器上。
磁轴承用作可旋转的轴的轴承。同时它还要对稳定地作用在轴上的重力进行补偿。除此之外它还需对其他的能预定的力，例如由不平衡而产生的力进行补偿。为了对这些能预定的力进行补偿并同时使轴定心，相应地敷设磁轴承的控制或调节装置及磁轴承线圈。
文献DE 23 42 767 A1中一类磁轴承设备是已知的。举例来说这里在罐形永磁体中安置电磁体，并且它们与悬浮在其上的另一个永磁体共同作用。
文献WO 95/20260 A1给出了具有特殊绕组的、用于合并产生同样的转矩和剪切力的电感机。一种类似的具有由磁性支承的转子的电机由文献DE 91 12 183 U1给出。
此外文献US 3 791 704 A给出了一种磁性轴承，其中永磁体在它的位置上螺栓能调节地控制。
发明内容
本发明的目的在于，给出提出可以以低廉成本制造出的磁轴承设备。此外应提出一种对可旋转的轴的磁性支承的改进方法，由此能对作用在轴上的、能预定的力进行补偿。
优选地轴的轴承通过两个不同的、彼此独立的磁装置来实现。第一磁装置用于将轴保持在轴承的中轴线上，并且第二磁装置用于对作用在轴上的、能预定的力进行补偿。通过这种责任的分工，可以将第一磁装置设置的明显更小些，因为它例如不需要额外地一直对重力进行辅助补偿。由此磁轴承的电子件的所占空间降低。
在一个实施方案中第二磁装置具有一个永磁体。当需要补偿轴的重力时，其特别有利，该补偿无需电流，因为所需的磁力由一个或多个永磁体施加。
特别地，永磁体与用来补偿能预定的力的第一磁装置的中轴线之间的径向距离可以通过集成在磁轴承设备内的调节装置来调节。如果能预定的力发生了变化，则其变得非常有利。举例来说，轴或轴承的重量发生改变后，所要补偿的重力也发生改变，因此相应的调节装置是有利的。当轴或轴承出现不平衡时，同样通过适当的调节，对这个不平衡进行补偿。
第二磁装置设计为环形并且与第一磁装置同心。由此可以沿任意径向对能预定的力进行补偿。
特别地，第一磁装置包括第一线圈***而第二磁装置包括第二线圈***并且每个线圈***分别具有多个极对，且第二线圈***的极对数正好比第一线圈***的极对数小或大一。由此在磁轴承设备的一侧的两个同向极互相加强(例如两个北极；一个来自第一磁装置而另一个来自第二磁装置)而在相反的另一侧两个反向极之间相互削弱(一个北极和一个南极；一个来自第一磁装置而另一个来自第二磁装置)。
由此可以有目的地沿相互加强的极的方向产生力。
除此之外磁轴承设备还可以包括用来驱控第一磁装置的第一逆变器及用来驱控第二磁装置的第二逆变器。由此举例来说可以通过直流电压***对轴承设备进行供电，如同典型的在电动汽车或混合动力汽车的情况一样。
当能预定的力为重力时，优选地，第二磁装置包括第二调节装置，利用第二调节装置能调节第二磁装置以便补偿作用在轴上的重力。因此第一磁装置无需对重力进行补偿，由此相应地其所占空间变小。
当能预定的力是由于轴的或轴上或轴承上的不平衡引起时，第二磁装置可以包括第二调节装置，利用第二调节装置能调节第二磁装置以便补偿能预定的力。因此可能的是，对作用在不同的径向方向上的动态力进行补偿。
附图说明
现在依据附图对本发明进行进一步阐述，附图示意了：
图1是具有永磁体用来补偿重力的磁轴承的截面图，
图2是用于驱动具有两个线圈***的磁轴承设备的逆变电路，以及
图3是以本发明为依据的磁轴承的磁场分布。
具体实施方式
下面具体描述的实施实例阐述了以本发明为依据的优选方案。
图1所示的实例，示意了磁性轴承的纵切面。其具有中轴线1，围绕中轴线，轴2应能旋转地支承。此外磁轴承具有外罩3，该外罩内设置了用于支承的磁装置。这类磁轴承通常具有用于使轴2定心的第一磁装置。为了简明起见，在图1中没有示出该第一磁装置。其具有带有多个线圈的线圈***，其中这些线圈在圆周上分布地布置。
作用在轴上的重力，在图1中的朝下指向。因此在磁轴承设备中，这里是在外罩3内，设置附加的第二磁装置，用来对重力的进行反作用。在图1的实例中，第二磁装置包括永磁体4。永磁体4可以由多个单独的磁体组成。该永磁体，沿轴向看，优选地具有弧形结构，其中该永磁体与轴2的间距优选地各处均相同。
利用中心螺栓5可以通过改变其与轴的间距从而对作用在轴2上的磁力进行调节。如果在永磁体的位置上应用电磁体，附加地或作为替代地，可以通过改变电流实现场强及吸引力。
在螺栓5的左边和右边可以设置引导螺栓6，从而当其与轴2的间距发生变化时引导永磁体4。举例来说，可以借助测力计7实现对永磁体4与轴2之间的间距的调节。如图1中实例所示，磁轴承设备具有抓取轴承(Fanglager)8，因此该抓取轴承8可以通过测力计7而靠在外罩3上。举例来说，抓取轴承8可以是一种松弛的球轴承，在发生故障时该球轴承可以通过机械方式抓住轴2。现在对永磁体4与轴2之间的间距进行调节，使得轴2的重力可以完全被补偿，因此测力计7只测定抓取轴承8的重量。由此可以通过第二磁装置(这里指永磁体4)对重力补偿进行优化调整。
可以减少永磁体4与轴2的间距直至，实现对轴2的抗扭固定。因而该磁体4可以被用作定位制动件。举例来说可以更容易地执行对风力发电机的维修工作。
如上所述在磁轴承的结构方案中磁体具有拱形顶，其与轴2的外半径大致相符。因此可以减小轴与磁体之间的气隙9并且提高磁体的作用力。
在磁轴承的另一个结构方案中，磁体4与轴2之间的间距9的变化是自动的。间距的变化可以被控制或调节。举例来说，调节参量可以是由测力计7所测得的力。依据该调节参量可以对力进行调节，其中优选地确定力的最大值与最小值。在对力进行调节的控制循环中，其中磁体与轴的间距为调整参量，可以确定调整参量的最小值，不得低于该最小值。
如果轴2包含非磁性材料，该轴能够设有磁性的环形密封圈(轴套)。为了将涡流损耗降到最小，上述密封结构可以以叠片形式实现。为了将涡流损耗降到最小也可以采用带有相应轴套的软磁轴。
这里未对其进行权利说明的图1所示的轴承为具有磁性补偿单元的机械轴承。在这种情况下图1所示的轴承8可以是常规的轧辊轴承(例如球或滚柱轴承)并且无需安置第一磁装置来对轴进行定心。即使在第二磁装置(永磁体2)的简单稳态磁场的情况下，可以降低作用在轴承上的重量负载，因此通过减轻负荷可以得到更长的持续工作时间。当更换轴承非常困难并且成本高时(例如离岸风电场)，以上情况便特别有利。
通过图2和3阐述了以本发明为依据的磁轴承设备的实施实例，其中第二磁装置为了对作用在轴上的能预定的力(例如重力或由于不平衡而引起的力)进行补偿而具有电磁体。图2所示的电路示意了此类磁轴承设备的一种可能的电路结构。该设备具有用于将轴(图2未示意出)定心的如三相线圈***10。逆变器11对该第一线圈***10进行馈电。此外逆变器11具有控制装置或调节装置，从而对第一线圈***10内流过的电流进行调节，以实现通过线圈***10的磁场对作用在轴上的能预定的力进行补偿。一种可能的控制回路，例如该回路可以测量作用在轴2上的力或轴相对于中轴线1的错位，未在图2中示意出来。
此外所述磁轴承设备包括第二磁装置，该第二磁装置具有第二线圈***12。两个线圈***10和12彼此独立，并且第二线圈***12也由独立的逆变器13控制。该逆变器13可以为三相线圈***12提供三相电流。
在本实例中两个逆变器11和13由中间电路14供电。而该中间电路14由整流器供给，该整流器可以对单相交流电进行整流。
逆变器13中也可以包括调节装置，通过该调节装置可以实现，根据各种测量值来调节由第二线圈***产生的磁性补偿力。因此为了检测不平衡可以测量出轴的加速度或例如偏移并且将其输送至集成在逆变器13内的控制器。
第二逆变器13内的控制器与第一逆变器11的控制器相比具有较小的调节精度，因为后者必须对转子的精确中心定位进行调节。
通过图2所示的电路可以得到如图3图示的磁场。这里要注意的是，第一磁装置与第一线圈***10以及第二磁装置与第二线圈***12分别设置环形且同心地布置。由此两个磁装置的磁场以图3所示方式叠加。
图3所示实例示意了具有八极线圈绕组的第一磁装置。亦即线圈***10具有八个沿圆周分布的极，进而具有极对p＝4。而第二磁装置则具有六极线圈绕组。亦即第二线圈***12具有六个沿圆周分布的极，进而具有极对p＝3。图3为第一线圈***的8个极，这些极起到了对轴进行定心的作用，由大写字母N和S表示。第二线圈***12的六个沿圆周分布的极由字母n和s表示。在十二点钟位置两个线圈***的极相互叠加，在六点钟位置也是如此。如果对两个线圈***10和12接通电流，得到图3所示的磁极，则环形磁场分布的上半部分的磁场变强，这是因为每个北极N、n与南极S、s相距很近。相反位于磁场分布下方的每个南极S、s和北极N、n相距很远。由此其磁场变弱。在磁场位于图3所示的磁场布局的时间点时在磁轴承设备内旋转的轴被向上拉。这可以起到补偿重力的作用。而这种磁场布局也可以动态地向各种方向旋转，因此举例来说可以实现对不平衡的补偿。
如果在旋转体(如有必要具有组件的轴)工作时测定出不平衡，则可以通过所述的磁轴承设备对该不平衡进行补偿。原则上作为对第二线圈12的替代，如上所述，也可以设置永磁体4，该永磁体与旋转体之间的气隙是可变化地调节的。
在本发明的另一个结构方案中可以设置一个磁体，例如为了测试的目的而激发或衰减旋转体的振荡。

Claims (8)

1.一种磁轴承设备，具有
-第一磁装置，所述第一磁装置设计为环形并且具有中轴线(1)以便使轴(2)能旋转地通过磁力保持在所述中轴线上，
-独立于所述第一磁装置的第二磁装置，所述第二磁装置用于补偿作用在轴(2)上的能预定的力，其中所述第二磁装置设计为环形并且与所述第一磁装置同心地布置，
-所述第一磁装置包括第一线圈***(10)并且所述第二磁装置包括第二线圈***(12)，每个线圈***分别具有多个极对，并且所述第二线圈***(12)的极对数刚好比所述第一线圈***(10)的极对数少一个，
-其中所述第一磁装置用于所述轴(2)的定心并且其中所述第二磁装置反作用于重力。
2.根据权利要求1所述的磁轴承设备，其中所述第二磁装置具有永磁铁(4)。
3.根据权利要求2所述的磁轴承设备，其中所述永磁铁(4)相对于所述第一磁装置的所述中轴线的径向距离为了补偿所述能预定的力能通过集成在所述磁轴承设备中的第一调节装置来调节。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁轴承设备，包括用于驱控所述第一磁装置的第一逆变器(11)和用于驱控所述第二磁装置的第二逆变器(13)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁轴承设备，其中所述能预定的力为重力并且第二磁装置具有第二调节装置，利用所述第二调节装置能调节所述第二磁装置以便补偿作用在所述轴(2)上的所述重力。
6.根据权利要求4所述的磁轴承设备，其中所述能预定的力为重力并且第二磁装置具有第二调节装置，利用所述第二调节装置能调节所述第二磁装置以便补偿作用在所述轴(2)上的所述重力。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的磁轴承设备，其中所述能预定的力是由所述轴的不平衡或在所述轴上的不平衡引起的，并且所述第二磁装置具有第二调节装置，利用所述第二调节装置能调节所述第二磁装置以便补偿所述能预定的力。
8.根据权利要求4所述的磁轴承设备，其中所述能预定的力是由所述轴的不平衡或在所述轴上的不平衡引起的，并且所述第二磁装置具有第二调节装置，利用所述第二调节装置能调节所述第二磁装置以便补偿所述能预定的力。
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