具有安全轴承的机器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及具有安全轴承的机器。一种机器包括转子（101），定子（102），主轴承（103），以及安全轴承（104），其用于在主轴承不工作的情况下支撑转子。当转子由主轴承支撑的时候，在转子和安全轴承之间具有径向间隙和轴向间隙。响应于轴向间隙的闭合接触安全轴承的转子的接触表面（107）相对于垂直于转子的旋转轴线的空间平面是倾斜的，使得在旋转轴线与转子和安全轴承之间的接触点处的接触表面的法线之间的角（α）大于0度并且至多10度。当转子被安全轴承支撑的时候，接触表面的倾斜至少部分地消除了回旋运动的激发。
【专利说明】具有安全轴承的机器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器，其包括转子，定子，主轴承，所述主轴承用于相对于定子可旋转地支撑转子，以及至少一个安全轴承，所述安全轴承用于在主轴承不工作的情况下相对于定子可旋转地支撑转子。
【背景技术】
[0002]在一些情况下，需要提供旋转机器，其除了主轴承之外具有安全轴承。主轴承在正常工作期间被配置用于可旋转地支撑机器的转子，并且当主轴承不工作的时候，安全轴承被配置用于可旋转地支撑转子。机器可以例如是涡轮机，其例如可以是涡轮式鼓风机、涡轮压缩机或泵，并且主轴承例如可以是无接触磁轴承。当磁轴承变得不工作的时候，例如由于电力切断，转子落到由安全轴承支撑。还可能的是，在它们仍活动但是它们的负载容量被超过的意义上，磁轴承是不工作的。也在这种情况下，安全轴承不得不支撑转子。通常，为了使安全轴承将不会影响机器的正常工作，当转子由主轴承支撑的时候，在转子和安全轴承之间具有径向和轴向间隙。
[0003]当被安全轴承支撑的时候，上述的径向间隙允许转子回旋。例如，当安全轴承是滚珠轴承的时候，当落到由安全轴承支撑时，转子通常进入圆柱形前进回旋运动。这种回旋运动产生高离心力，其所机器的机械结构承受应力。
[0004]专利公开US4629261描述了用于由无接触磁轴承支撑的转子的安全和对中装置。如果无接触磁轴承使动力变松，安全和对中装置提供用于转子的对中支撑。转子轴包括具有锥形摩擦表面的环，并且安全轴承包括套筒，其由具有反作用弹簧的电磁铁控制并且还具有锥形摩擦表面。在动力故障的情况下，弹簧迫使两个锥形表面在一起并且为转子提供对中支撑。锥形表面的锥形角不得不是相对小的以便提供适当的对中作用。在US4629261显示的例子中，锥角大约是30度，其中锥角是锥形表面和锥形表面的旋转对称轴线之间的角。与在US4629261中描述的技术方案相关的挑战在于,其要求由上述对中作用确定的旋转轴线和转子的主惯性矩之间的良好对齐，因为要不然会产生高离心力。
【发明内容】
[0005]下面展示了简化的概要，从而提供本发明的一些方面的基本理解。概要不是本发明的广泛综述。既不有意确认本发明的重要或关键元素也不描绘本发明的范围。下面的概要仅以简化的形式展示本发明的一些概念作为示例本发明的实施例的更详细描述的前述。
[0006]根据本发明提供一种机器，其包括:
转子和定子，
主轴承，其用于相对于定子可旋转地支撑转子，以及
至少一个安全轴承，其用于在主轴承不工作的情况下相对于定子可旋转地支撑转子。
[0007]当转子被主轴承支撑的时候，在转子和安全轴承之间具有径向间隙和轴向间隙。布置成响应于轴向间隙的闭合接触安全轴承的转子的接触表面相对于垂直于转子的旋转轴线的空间平面是倾斜的，使得在转子的旋转轴线与转子和安全轴承之间的接触点处的接触表面的法线之间的角大于O度并且至多10度，更优选地至多5度。因此，在示例其中转子的接触表面是锥形的例子中，锥角是至少80度，更优选地至少85度。因而，接触表面的锥形形状是钝角的，使得当转子被向安全轴承推时由锥形形状提供的对中效果是小的，使得允许转子(即使不强制)绕其主惯性矩旋转。结合本发明，令人惊奇地注意到，当转子被安全轴承支撑的时候，接触表面的上述的倾斜至少部分地消除了回旋运动的激发。
[0008]本发明的很多非限制性和示例性的实施例在所附从属权利要求中描述。
[0009]本发明的各种的非限制性和示例性的实施例涉及构造和操作方法，以及其额外的主题和优势，将在结合附图阅读时从特定示例性实施例的下列描述中得到最好的理解。
[0010]动词“包括”和“包含”在本文件中作为开放式限定使用，其既不排他也不要求未记载特征的存在。除非另外明显地规定，从属权利要求中记载的特征是可以互相自由结合的。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]本发明的示例性实施例和它们的优点在下面更为详细地以示例方式并参照附图被解释，其中:
图1显示了根据本发明的示例性实施例的机器的一部分的示意图，
图2a示出了根据现有技术的安全轴承系统的行为，并且图2b示出了根据本发明的示例性实施例的安全轴承系统的行为，
图3显示了根据本发明的示 例性实施例的机器的一部分的示意图，以及 图4显示了根据本发明的示例性实施例的机器的示意图。
【具体实施方式】
[0012]图1显示了根据本发明的示例性实施例的机器的一部分的示意图。机器包括转子101，定子102，和主轴承103，其用于相对于定子可旋转地支撑转子。机器可以例如是电机，转子101可以是电机的转子，定子102可以是电机的定子。在图1所示的示例性例子中，主轴承是无接触磁轴承。机器包括安全轴承104，其用于在主轴承103不工作的情况下(例如由于电力切断)相对于定子102可旋转地支撑转子101。在正常操作期间，当转子101由主轴承103支撑的时候，为了使安全轴承不会干扰机器的正常操作，在转子和安全轴承104之间具有径向间隙105和轴向间隙106。布置成响应于轴向间隙106的闭合接触安全轴承的转子的接触表面107相对于垂直于转子的旋转轴线122的空间平面是倾斜的，使得在转子的旋转轴线与转子和安全轴承之间的接触点处的接触表面107的法线之间的角α大于O度并且至多10度。转子的接触表面107相对于空间平面是倾斜的，使得当接触点在径向方向上朝向转子的旋转轴线122运动时，接触点在轴向方向上朝向安全轴承104运动。换句话说，接触表面107朝向安全轴承104成锥形。转子的旋转轴线122与坐标系199的ζ轴平行，上述空间平面与坐标系199的xy平面平行。角α可以是例如:
Cl〈 α ≤ C2,
其中Cl是下列之一:0，1，2，3，4，5，6，7，8或9度并且C2是下列之一使得C2>C1:1，2，3，4，5，6，7，8，9或10度。Cl更优选地是下列之一:0，1，2，3或4度并且C2是下列之一使得 C2>C1:1，2，3，4 或 5 度。[0013]角α被选择成使得接触表面107的锥形形状是钝角的，使得当转子被向安全轴承104推时由锥形形状提供的对中效果是小的，使得允许转子绕其主惯性矩旋转。角α的有利的值或范围可以利用模拟和/或实验找出。
[0014]在图1所示的示例性例子中，转子的接触表面107是锥形的，使得当接触点朝向转子的旋转轴线122或远离转子的旋转轴线122运动时，角α是基本上不变的，即角α在接触表面107上是基本上不变的。接触表面107的锥形形状是钝角的，使得当转子被向安全轴承104推时由锥形形状提供的对中效果是小的，使得允许转子绕其主惯性矩旋转。此外，当角α是小的使得角α至多几度，如5度，例如角α大约I度，实际上可能的是基本上互相独立地设计径向间隙105和轴线间隙106。转子可以例如通过作用在由转子驱动的叶轮上的空气动力被向安全轴承104推。
[0015]在根据本发明的示例性实施例的机器中，安全轴承104包括滚动接触轴承108，其包括外环，该外环由机器的框架支撑，可旋转内环，以及内环和外环之间的滚动元件。滚动接触轴承108可以包括例如一个或多个滚珠轴承，其布置成能够承载轴向负载。在图1所示的示例性例子中，滚动接触轴承包括两个滚珠轴承，其布置成能够在两个方向上承载轴向负载。
[0016]在根据本发明的示例性实施例的机器中，安全轴承104包括套筒元件，其包括径向地在内环和转子之间的第一部分109和轴向地在滚动接触轴承和转子的接触表面107之间的第二部分110。第二部分110包括响应于轴向间隙106的闭合与转子接触的表面。
[0017]当转子被安全轴承104支撑的时候，转子的接触表面107的上述倾斜至少部分地消除了回旋运动的激发。这种效果参照图2a和2b在下面被说明，其中图2a示出了根据现有技术的安全轴承系统的行为，并且图2b示出了根据本发明的示例性实施例的安全轴承系统的行为。
[0018]图2a示出了其中转子221在轴向方向上被力F向安全轴承224推的例子。轴向方向与坐标系299的z轴平行。为了说明性目的，我们假定转子的旋转轴线222已经在坐标系299的正y轴方向上远离安全轴承的旋转轴线223运动。此外，我们假定转子的转速是《,并且安全轴承的转速是ωΒ。在接触点225，转子和安全轴承之间的速度差△^是:
Δ V1 = ω R Rr1- ωΒ Rb,(I)
其中Rki是从转子的旋转轴线222到接触点225的距离并且Rb是从安全轴承的旋转轴线223到接触点225的距离。在接触点226，转子和安全轴承之间的速度差Λ V2是:
Δ V2 — ω R Re2 - ω b Rb，( 2)
其中Rk2是从转子的旋转轴线222到接触点226的距离。
[0019]在其中转速0^和ωΒ适配成使得在接触点225实际上没有滑动的例子中，即Av1^ 0，在接触点226有滑动，即Λ V2古O。接触点226的滑动引起与坐标系229的χ轴平行的力。这种力可以代表转子221的回旋运动的激发。相对地，当转速(^和(^适配成使得在接触点226实际上没有滑动的时候，即Av2~0，在接触点225有滑动，即Av1古O。这种滑动引起一种力，这种力可以代表回旋运动的激发。力的方向典型地使得其引起向前回旋运动。实际上，当Rri关Rke时，当且仅当ω-- = ωΒ = O时，AvJP Δ v2 二者可以为0，因为由等式(I)和等式(2)组成的等式对具有非零决定因子。
[0020]图2b示出了其中根据本发明的示例性实施例的转子201在轴向方向上被力F向安全轴承204推的例子。为了说明性目的，我们假定转子的旋转轴线232已经在坐标系299的正I轴方向上远离安全轴承的旋转轴线233运动。由于接触表面207的锥形形状，在接触表面207和安全轴承之间具有间隙206。因此，转子201和安全轴承204的旋转速度可以使它们自身适配成使得在安全轴承和转子之间的接触中没有滑动。因此，与现有技术相关的且参照图2a示出的情况可以被避免。在现有技术相关的且参照图2a示出的情况下，如果转子221的旋转轴线222已经相对于安全轴承224的旋转轴线223运动，总有至少一个与滑动的接触。
[0021]布置成响应于轴向间隙的闭合接触安全轴承的转子的接触表面不是必须为锥形。这在图3中示出，其显示了根据本发明的示例性实施例的机器的一部分的示意图。
[0022]在图3所示的示例性例子中，转子301的接触表面307的轮廓是凹的，使得当接触点朝向转子的旋转轴线322运动的时候，在接触表面的法线和转子的旋转轴线322之间的角增加。在图3所示的情况下，安全轴承304在接触点325接触转子301并且在接触点325处的旋转轴线322和接触表面的法线之间的角是α I。如果安全轴承304在离旋转轴线322比接触点325更远的点326处接触转子301，相对应的角可以是小于α I的α 2。
[0023]在根据本发明的示例性实施例的机器中，转子的接触表面307的轮廓是具有半径R的第一圆的弧。
[0024]在根据本发明的示例性实施例的机器中，安全轴承304的接触表面311的轮廓是第二圆的弧，该第二圆具有比R更小的半径，如图3所示。
[0025]图4显示了根据本发明的示例性实施例的机器的示意图。机器包括电动机，室431，其具有用于流体运动的入口 432和出口 433，放置在室中用于运动流体的叶轮434。电动机由连接到电力网437的转换器435供给。电动机可以是例如感应电动机，永磁同步电动机，无刷直流电动机，或磁阻电动机。电动机包括定子402和连接到叶轮434的转子401。定子402包括主轴承403，其用于相对于定子可旋转地支撑转子，定子铁心结构436，其包括定子绕组，以及安全轴承404a和404b，其用于在主轴承403不工作的情况下相对于定子可旋转地支撑转子401。主轴承403可以是例如无接触磁轴承。在图4所示的示例性机器中，叶轮434直接连接到电动机的转子401。然而，还可能的是，在叶轮和驱动叶轮的马达之间具有齿轮。电动机可以例如但不必须是具有实心转子的高速感应电动机。在本文件中，术语“高速”意味着马达的转速大于5000 rpm。
[0026]在正常操作期间，当转子401由主轴承403支撑的时候，为了使安全轴承不会干扰机器的正常操作，在转子与安全轴承404a和404b之间具有径向间隙和轴向间隙。布置成响应于轴向间隙的闭合接触安全轴承的转子的接触表面相对于垂直于转子的旋转轴线的空间平面是倾斜的，使得在转子的旋转轴线与转子和安全轴承之间的接触点处的接触表面的法线之间的角大于O度并且至多10度，更优选地至多5度。
[0027]上面给出的描述中提供的具体例子不应被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解读。
【权利要求】
1.一种机器,其包括: 转子(101，301，401)和定子(102，402)， 主轴承(103，403 )，其用于相对于定子可旋转地支撑转子，以及 至少一个安全轴承(104, 304,404a, 404b),其用于在主轴承不工作的情况下相对于定子可旋转地支撑转子， 其中，当转子由主轴承支撑的时候，在转子和安全轴承之间具有径向间隙(105)和轴向间隙(106)，其特征在于，布置成响应于轴向间隙的闭合接触安全轴承的转子的接触表面(107，307)相对于垂直于转子的旋转轴线的空间平面是倾斜的，使得在转子的旋转轴线与转子和安全轴承之间的接触点处的接触表面的法线之间的角(α )大于O度并且至多5度。
2.根据权利要求1所述的机器，其中转子的接触表面(107)相对于空间平面是倾斜的，使得当接触点在径向方向上朝向转子的旋转轴线运动时，接触点在轴向方向上朝向安全轴承运动。
3.根据权利要求1或2所述的机器，其中角(α)大于Cl并且至多C2，其中Cl是下列之一:0，1，2，3或4度并且C2是下列之一使得C2>C1:1，2，3，4或5度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的机器，其中转子的接触表面(107)是锥形的，使得当接触点朝向转子的旋转轴线或远离转子的旋转轴线运动时，角是基本上不变的。
5.根据权利要求1-3任一项所述的机器，其中转子的接触表面(307)的轮廓是凹的，使得当接触点朝向转子的旋转轴线运动的时候，角增大。
6.根据权利要求5所述的机器，其中转子的接触表面(307)的轮廓是第一圆的弧。
7.根据权利要求6所述的机器，其中安全轴承的接触表面(311)的轮廓是第二圆的弧，所述第二圆具有比第一圆更小的半径，安全轴承的接触表面布置成响应于轴向间隙的闭合接触转子。
8.根据权利要求1-7任一项所述的机器，其中安全轴承(104)包括滚动接触轴承(108)，其包括由机器的框架支撑的外环，可旋转内环，以及内环和外环之间的滚动元件。
9.根据权利要求8所述的机器，其中安全轴承包括一个或多个滚珠轴承，其布置成能够承载轴向负载。
10.根据权利要求8或9所述的机器，其中安全轴承包括套筒元件，其包括: 径向地在内环和转子之间的第一部分(109)，以及 轴向地在滚动接触轴承和转子的接触表面(107)之间的第二部分(110)， 第二部分具有响应于轴向间隙的闭合与转子接触的表面。
11.根据权利要求1-10任一项所述的机器，其中主轴承(103)是无接触磁轴承。
12.根据权利要求1-11任一项所述的机器，其中机器是电机，转子是电机的转子，定子是电机的定子。
13.根据权利要求1-12任一项所述的机器，其中机器包括: 室(431)，其具有用于流体运动的入口(432)和出口(433)，以及 叶轮(434)，其连接到转子(401)并且放置在室中用于使流体运动。
【文档编号】H02K5/16GK103997154SQ201410056121
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月19日 优先权日:2013年2月20日
【发明者】E.J.兰特托, V.汤米拉, M.P.帕科 申请人:苏尔寿泵业系统有限公司