具有安全軸承的機器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及具有安全軸承的機器。一種機器包括轉子（101），定子（102），主軸承（103），以及安全軸承（104），其用于在主軸承不工作的情況下支撐轉子。當轉子由主軸承支撐的時候，在轉子和安全軸承之間具有徑向間隙和軸向間隙。響應于軸向間隙的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面（107）相對于垂直于轉子的旋轉軸線的空間平面是傾斜的，使得在旋轉軸線與轉子和安全軸承之間的接觸點處的接觸表面的法線之間的角（α）大于0度并且至多10度。當轉子被安全軸承支撐的時候，接觸表面的傾斜至少部分地消除了回旋運動的激發。
【專利說明】具有安全軸承的機器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機器，其包括轉子，定子，主軸承，所述主軸承用于相對于定子可旋轉地支撐轉子，以及至少一個安全軸承，所述安全軸承用于在主軸承不工作的情況下相對于定子可旋轉地支撐轉子。
【背景技術】
[0002]在一些情況下，需要提供旋轉機器，其除了主軸承之外具有安全軸承。主軸承在正常工作期間被配置用于可旋轉地支撐機器的轉子，并且當主軸承不工作的時候，安全軸承被配置用于可旋轉地支撐轉子。機器可以例如是渦輪機，其例如可以是渦輪式鼓風機、渦輪壓縮機或泵，并且主軸承例如可以是無接觸磁軸承。當磁軸承變得不工作的時候，例如由于電力切斷，轉子落到由安全軸承支撐。還可能的是，在它們仍活動但是它們的負載容量被超過的意義上，磁軸承是不工作的。也在這種情況下，安全軸承不得不支撐轉子。通常，為了使安全軸承將不會影響機器的正常工作，當轉子由主軸承支撐的時候，在轉子和安全軸承之間具有徑向和軸向間隙。
[0003]當被安全軸承支撐的時候，上述的徑向間隙允許轉子回旋。例如，當安全軸承是滾珠軸承的時候，當落到由安全軸承支撐時，轉子通常進入圓柱形前進回旋運動。這種回旋運動產生高離心力，其所機器的機械結構承受應力。
[0004]專利公開US4629261描述了用于由無接觸磁軸承支撐的轉子的安全和對中裝置。如果無接觸磁軸承使動力變松，安全和對中裝置提供用于轉子的對中支撐。轉子軸包括具有錐形摩擦表面的環，并且安全軸承包括套筒，其由具有反作用彈簧的電磁鐵控制并且還具有錐形摩擦表面。在動力故障的情況下，彈簧迫使兩個錐形表面在一起并且為轉子提供對中支撐。錐形表面的錐形角不得不是相對小的以便提供適當的對中作用。在US4629261顯示的例子中，錐角大約是30度，其中錐角是錐形表面和錐形表面的旋轉對稱軸線之間的角。與在US4629261中描述的技術方案相關的挑戰在于,其要求由上述對中作用確定的旋轉軸線和轉子的主慣性矩之間的良好對齊，因為要不然會產生高離心力。

【發明內容】

[0005]下面展示了簡化的概要，從而提供本發明的一些方面的基本理解。概要不是本發明的廣泛綜述。既不有意確認本發明的重要或關鍵元素也不描繪本發明的范圍。下面的概要僅以簡化的形式展示本發明的一些概念作為示例本發明的實施例的更詳細描述的前述。
[0006]根據本發明提供一種機器，其包括:
轉子和定子，
主軸承，其用于相對于定子可旋轉地支撐轉子，以及
至少一個安全軸承，其用于在主軸承不工作的情況下相對于定子可旋轉地支撐轉子。
[0007]當轉子被主軸承支撐的時候，在轉子和安全軸承之間具有徑向間隙和軸向間隙。布置成響應于軸向間隙的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面相對于垂直于轉子的旋轉軸線的空間平面是傾斜的，使得在轉子的旋轉軸線與轉子和安全軸承之間的接觸點處的接觸表面的法線之間的角大于O度并且至多10度，更優選地至多5度。因此，在示例其中轉子的接觸表面是錐形的例子中，錐角是至少80度，更優選地至少85度。因而，接觸表面的錐形形狀是鈍角的，使得當轉子被向安全軸承推時由錐形形狀提供的對中效果是小的，使得允許轉子(即使不強制)繞其主慣性矩旋轉。結合本發明，令人驚奇地注意到，當轉子被安全軸承支撐的時候，接觸表面的上述的傾斜至少部分地消除了回旋運動的激發。
[0008]本發明的很多非限制性和示例性的實施例在所附從屬權利要求中描述。
[0009]本發明的各種的非限制性和示例性的實施例涉及構造和操作方法，以及其額外的主題和優勢，將在結合附圖閱讀時從特定示例性實施例的下列描述中得到最好的理解。
[0010]動詞“包括”和“包含”在本文件中作為開放式限定使用，其既不排他也不要求未記載特征的存在。除非另外明顯地規定，從屬權利要求中記載的特征是可以互相自由結合的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發明的示例性實施例和它們的優點在下面更為詳細地以示例方式并參照附圖被解釋，其中:
圖1顯示了根據本發明的示例性實施例的機器的一部分的示意圖，
圖2a示出了根據現有技術的安全軸承系統的行為，并且圖2b示出了根據本發明的示例性實施例的安全軸承系統的行為，
圖3顯示了根據本發明的示 例性實施例的機器的一部分的示意圖，以及 圖4顯示了根據本發明的示例性實施例的機器的示意圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1顯示了根據本發明的示例性實施例的機器的一部分的示意圖。機器包括轉子101，定子102，和主軸承103，其用于相對于定子可旋轉地支撐轉子。機器可以例如是電機，轉子101可以是電機的轉子，定子102可以是電機的定子。在圖1所示的示例性例子中，主軸承是無接觸磁軸承。機器包括安全軸承104，其用于在主軸承103不工作的情況下(例如由于電力切斷)相對于定子102可旋轉地支撐轉子101。在正常操作期間，當轉子101由主軸承103支撐的時候，為了使安全軸承不會干擾機器的正常操作，在轉子和安全軸承104之間具有徑向間隙105和軸向間隙106。布置成響應于軸向間隙106的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面107相對于垂直于轉子的旋轉軸線122的空間平面是傾斜的，使得在轉子的旋轉軸線與轉子和安全軸承之間的接觸點處的接觸表面107的法線之間的角α大于O度并且至多10度。轉子的接觸表面107相對于空間平面是傾斜的，使得當接觸點在徑向方向上朝向轉子的旋轉軸線122運動時，接觸點在軸向方向上朝向安全軸承104運動。換句話說，接觸表面107朝向安全軸承104成錐形。轉子的旋轉軸線122與坐標系199的ζ軸平行，上述空間平面與坐標系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更優選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被選擇成使得接觸表面107的錐形形狀是鈍角的，使得當轉子被向安全軸承104推時由錐形形狀提供的對中效果是小的，使得允許轉子繞其主慣性矩旋轉。角α的有利的值或范圍可以利用模擬和/或實驗找出。
[0014]在圖1所示的示例性例子中，轉子的接觸表面107是錐形的，使得當接觸點朝向轉子的旋轉軸線122或遠離轉子的旋轉軸線122運動時，角α是基本上不變的，即角α在接觸表面107上是基本上不變的。接觸表面107的錐形形狀是鈍角的，使得當轉子被向安全軸承104推時由錐形形狀提供的對中效果是小的，使得允許轉子繞其主慣性矩旋轉。此外，當角α是小的使得角α至多幾度，如5度，例如角α大約I度，實際上可能的是基本上互相獨立地設計徑向間隙105和軸線間隙106。轉子可以例如通過作用在由轉子驅動的葉輪上的空氣動力被向安全軸承104推。
[0015]在根據本發明的示例性實施例的機器中，安全軸承104包括滾動接觸軸承108，其包括外環，該外環由機器的框架支撐，可旋轉內環，以及內環和外環之間的滾動元件。滾動接觸軸承108可以包括例如一個或多個滾珠軸承，其布置成能夠承載軸向負載。在圖1所示的示例性例子中，滾動接觸軸承包括兩個滾珠軸承，其布置成能夠在兩個方向上承載軸向負載。
[0016]在根據本發明的示例性實施例的機器中，安全軸承104包括套筒元件，其包括徑向地在內環和轉子之間的第一部分109和軸向地在滾動接觸軸承和轉子的接觸表面107之間的第二部分110。第二部分110包括響應于軸向間隙106的閉合與轉子接觸的表面。
[0017]當轉子被安全軸承104支撐的時候，轉子的接觸表面107的上述傾斜至少部分地消除了回旋運動的激發。這種效果參照圖2a和2b在下面被說明，其中圖2a示出了根據現有技術的安全軸承系統的行為，并且圖2b示出了根據本發明的示例性實施例的安全軸承系統的行為。
[0018]圖2a示出了其中轉子221在軸向方向上被力F向安全軸承224推的例子。軸向方向與坐標系299的z軸平行。為了說明性目的，我們假定轉子的旋轉軸線222已經在坐標系299的正y軸方向上遠離安全軸承的旋轉軸線223運動。此外，我們假定轉子的轉速是《,并且安全軸承的轉速是ωΒ。在接觸點225，轉子和安全軸承之間的速度差△^是:
Δ V1 = ω R Rr1- ωΒ Rb,(I)
其中Rki是從轉子的旋轉軸線222到接觸點225的距離并且Rb是從安全軸承的旋轉軸線223到接觸點225的距離。在接觸點226，轉子和安全軸承之間的速度差Λ V2是:
Δ V2 — ω R Re2 - ω b Rb，( 2)
其中Rk2是從轉子的旋轉軸線222到接觸點226的距離。
[0019]在其中轉速0^和ωΒ適配成使得在接觸點225實際上沒有滑動的例子中，即Av1^ 0，在接觸點226有滑動，即Λ V2古O。接觸點226的滑動引起與坐標系229的χ軸平行的力。這種力可以代表轉子221的回旋運動的激發。相對地，當轉速(^和(^適配成使得在接觸點226實際上沒有滑動的時候，即Av2~0，在接觸點225有滑動，即Av1古O。這種滑動引起一種力，這種力可以代表回旋運動的激發。力的方向典型地使得其引起向前回旋運動。實際上，當Rri關Rke時，當且僅當ω-- = ωΒ = O時，AvJP Δ v2 二者可以為0，因為由等式(I)和等式(2)組成的等式對具有非零決定因子。
[0020]圖2b示出了其中根據本發明的示例性實施例的轉子201在軸向方向上被力F向安全軸承204推的例子。為了說明性目的，我們假定轉子的旋轉軸線232已經在坐標系299的正I軸方向上遠離安全軸承的旋轉軸線233運動。由于接觸表面207的錐形形狀，在接觸表面207和安全軸承之間具有間隙206。因此，轉子201和安全軸承204的旋轉速度可以使它們自身適配成使得在安全軸承和轉子之間的接觸中沒有滑動。因此，與現有技術相關的且參照圖2a示出的情況可以被避免。在現有技術相關的且參照圖2a示出的情況下，如果轉子221的旋轉軸線222已經相對于安全軸承224的旋轉軸線223運動，總有至少一個與滑動的接觸。
[0021]布置成響應于軸向間隙的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面不是必須為錐形。這在圖3中示出，其顯示了根據本發明的示例性實施例的機器的一部分的示意圖。
[0022]在圖3所示的示例性例子中，轉子301的接觸表面307的輪廓是凹的，使得當接觸點朝向轉子的旋轉軸線322運動的時候，在接觸表面的法線和轉子的旋轉軸線322之間的角增加。在圖3所示的情況下，安全軸承304在接觸點325接觸轉子301并且在接觸點325處的旋轉軸線322和接觸表面的法線之間的角是α I。如果安全軸承304在離旋轉軸線322比接觸點325更遠的點326處接觸轉子301，相對應的角可以是小于α I的α 2。
[0023]在根據本發明的示例性實施例的機器中，轉子的接觸表面307的輪廓是具有半徑R的第一圓的弧。
[0024]在根據本發明的示例性實施例的機器中，安全軸承304的接觸表面311的輪廓是第二圓的弧，該第二圓具有比R更小的半徑，如圖3所示。
[0025]圖4顯示了根據本發明的示例性實施例的機器的示意圖。機器包括電動機，室431，其具有用于流體運動的入口 432和出口 433，放置在室中用于運動流體的葉輪434。電動機由連接到電力網437的轉換器435供給。電動機可以是例如感應電動機，永磁同步電動機，無刷直流電動機，或磁阻電動機。電動機包括定子402和連接到葉輪434的轉子401。定子402包括主軸承403，其用于相對于定子可旋轉地支撐轉子，定子鐵心結構436，其包括定子繞組，以及安全軸承404a和404b，其用于在主軸承403不工作的情況下相對于定子可旋轉地支撐轉子401。主軸承403可以是例如無接觸磁軸承。在圖4所示的示例性機器中，葉輪434直接連接到電動機的轉子401。然而，還可能的是，在葉輪和驅動葉輪的馬達之間具有齒輪。電動機可以例如但不必須是具有實心轉子的高速感應電動機。在本文件中，術語“高速”意味著馬達的轉速大于5000 rpm。
[0026]在正常操作期間，當轉子401由主軸承403支撐的時候，為了使安全軸承不會干擾機器的正常操作，在轉子與安全軸承404a和404b之間具有徑向間隙和軸向間隙。布置成響應于軸向間隙的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面相對于垂直于轉子的旋轉軸線的空間平面是傾斜的，使得在轉子的旋轉軸線與轉子和安全軸承之間的接觸點處的接觸表面的法線之間的角大于O度并且至多10度，更優選地至多5度。
[0027]上面給出的描述中提供的具體例子不應被解釋為限制所附權利要求的適用性和/或解讀。
【權利要求】
1.一種機器,其包括: 轉子(101，301，401)和定子(102，402)， 主軸承(103，403 )，其用于相對于定子可旋轉地支撐轉子，以及 至少一個安全軸承(104, 304,404a, 404b),其用于在主軸承不工作的情況下相對于定子可旋轉地支撐轉子， 其中，當轉子由主軸承支撐的時候，在轉子和安全軸承之間具有徑向間隙(105)和軸向間隙(106)，其特征在于，布置成響應于軸向間隙的閉合接觸安全軸承的轉子的接觸表面(107，307)相對于垂直于轉子的旋轉軸線的空間平面是傾斜的，使得在轉子的旋轉軸線與轉子和安全軸承之間的接觸點處的接觸表面的法線之間的角(α )大于O度并且至多5度。
2.根據權利要求1所述的機器，其中轉子的接觸表面(107)相對于空間平面是傾斜的，使得當接觸點在徑向方向上朝向轉子的旋轉軸線運動時，接觸點在軸向方向上朝向安全軸承運動。
3.根據權利要求1或2所述的機器，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.根據權利要求1-3任一項所述的機器，其中轉子的接觸表面(107)是錐形的，使得當接觸點朝向轉子的旋轉軸線或遠離轉子的旋轉軸線運動時，角是基本上不變的。
5.根據權利要求1-3任一項所述的機器，其中轉子的接觸表面(307)的輪廓是凹的，使得當接觸點朝向轉子的旋轉軸線運動的時候，角增大。
6.根據權利要求5所述的機器，其中轉子的接觸表面(307)的輪廓是第一圓的弧。
7.根據權利要求6所述的機器，其中安全軸承的接觸表面(311)的輪廓是第二圓的弧，所述第二圓具有比第一圓更小的半徑，安全軸承的接觸表面布置成響應于軸向間隙的閉合接觸轉子。
8.根據權利要求1-7任一項所述的機器，其中安全軸承(104)包括滾動接觸軸承(108)，其包括由機器的框架支撐的外環，可旋轉內環，以及內環和外環之間的滾動元件。
9.根據權利要求8所述的機器，其中安全軸承包括一個或多個滾珠軸承，其布置成能夠承載軸向負載。
10.根據權利要求8或9所述的機器，其中安全軸承包括套筒元件，其包括: 徑向地在內環和轉子之間的第一部分(109)，以及 軸向地在滾動接觸軸承和轉子的接觸表面(107)之間的第二部分(110)， 第二部分具有響應于軸向間隙的閉合與轉子接觸的表面。
11.根據權利要求1-10任一項所述的機器，其中主軸承(103)是無接觸磁軸承。
12.根據權利要求1-11任一項所述的機器，其中機器是電機，轉子是電機的轉子，定子是電機的定子。
13.根據權利要求1-12任一項所述的機器，其中機器包括: 室(431)，其具有用于流體運動的入口(432)和出口(433)，以及 葉輪(434)，其連接到轉子(401)并且放置在室中用于使流體運動。
【文檔編號】H02K5/16GK103997154SQ201410056121
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2013年2月20日
【發明者】E.J.蘭特托, V.湯米拉, M.P.帕科 申請人:蘇爾壽泵業系統有限公司