Машина с улавливающим подшипником гибридной конструкции

Изобретение относится к машине с улавливающим подшипником гибридной конструкции. Машина содержит статор (1) и ротор (2). Ротор (2) имеет вал (3) ротора, который установлен в подшипниках (4) так, что ротор (2) может вращаться вокруг оси (5) вращения. Подшипники (4) выполнены в виде активных магнитных подшипников (4), в которых ротор (2) установлен бесконтактно. Каждому активному магнитному подшипнику (4) придан улавливающий подшипник (6), который улавливает ротор (2) при отказе соответствующего активного магнитного подшипника (4). Улавливающий подшипник (6) имеет расположенную на валу (3) ротора втулку (7) и расположенное на статоре (1) устройство (8) скольжения. Втулка (7) имеет расположенное радиально внутри внутреннее кольцо (9), посредством которого втулка (7) закреплена и удерживается на валу (3) ротора. Втулка (7) имеет охватывающее внутреннее кольцо (9) радиально снаружи внешнее кольцо (10), которое при отказе соответствующего активного магнитного подшипника (4) скользит в устройстве (8) скольжения соответствующего улавливающего подшипника (6). Внутреннее кольцо (9) и внешнее кольцо (10) выполнены из отличающихся друг от друга материалов и неразъемно соединены друг с другом с замыканием по материалу. Технический результат: создание усовершенствованного улавливающего подшипника машины, в котором втулка разделена на два кольца, каждое из которых возможно оптимизировать в соответствии с их функциями. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное изобретение касается машины, причем

- эта машина содержит статор и ротор, причем

- ротор содержит вал ротора, причем

- вал ротора установлен в подшипниках так, что ротор может вращаться вокруг оси вращения, причем

- подшипники выполнены как активные магнитные подшипники, в которых ротор установлен бесконтактно, причем

- каждому из активных магнитных подшипников придан улавливающий подшипник, которыми ротор улавливается при выходе из строя соответствующего активного магнитного подшипника, причем

- соответствующий улавливающий подшипник имеет расположенную на валу ротора втулку и расположенное на статоре устройство скольжения.

Такие машины широко известны.

В магнитных подшипниках осуществляется бесконтактное закрепление валов. Поэтому не возникает износа и почти никаких потерь трения. Однако магнитные подшипники должны быть активными, т.е. снабжаться током. Поэтому они могут выходить из строя. По этой причине необходимо наличие контактной предохранительной опоры (= улавливающего подшипника). Такие предохранительные опоры обеспечивают безопасный постепенный останов ротора при выходе из строя активного магнитного подшипника. Они изнашиваются, если в них возникает потребность, относительно быстро и поэтому должны быть сменными.

Согласно уровню техники для роторов с высокой частотой вращения, например 5000 об/мин и более, и/или с большим весом, например 5 т и более, часто используют улавливающие подшипники, которые состоят из расположенной на валу ротора втулки и взаимодействующего с этой втулкой подшипника устройства скольжения, расположенного на статоре. Втулки подшипников согласно уровню техники состоят из высокопрочных медных сплавов (в частности сплавов хрома, никеля, кремния и меди) и насаживаются на вал ротора термически или методом гидропрессовой сборки. Втулки, во-первых, должны обладать очень высокой теплопроводностью, чтобы они могли воспринимать и отводить выделяющуюся при постепенном останове ротора энергию трения. Кроме того, втулки должны обладать требуемой механической стабильностью.

Для обеспечения прочной посадки втулок на валу ротора эти втулки выполняются с заданным значительным превышением размера на усадку. Это ведет к высоким тангенциальным напряжениям. Высокопрочные медные сплавы согласно уровню техники под действием высокой статической нагрузки склонны, однако, к явлениям релаксации напряжений, что может привести к разрыхлению границ зерна с последующим внезапным выходом втулок из строя. Уже относительно низких значений температур (ниже 100°C) может оказаться достаточно для форсирования таких повреждений.

Задача данного изобретения заключается в таком усовершенствовании улавливающего подшипника машины, указанного вначале рода, что существующие в уровне техники проблемы больше не возникнут.

Эта задача решается посредством машины с признаками независимого п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации этой машины являются предметом зависимых п. 2–17 формулы.

Согласно изобретению предусматривается, что

- каждая втулка имеет расположенное радиально внутри внутреннее кольцо, посредством которого эта втулка закреплена и удерживается на валу ротора,

- каждая втулка имеет окружающее это внутреннее кольцо радиально снаружи внешнее кольцо, которое при выходе из строя соответствующего активного магнитного подшипника скользит в устройстве скольжения соответствующего улавливающего подшипника,

- внутреннее кольцо и внешнее кольцо выполнены из отличающихся друг от друга материалов, и

- внутреннее кольцо и внешнее кольцо соединены друг с другом неразъемно с замыканием по материалу.

Такое соединение по материалу между внутренним и внешним кольцами может заключаться, в частности, в приваривании. Таким образом, внутреннее и внешнее кольца могут быть сварены друг с другом. Такая сварка может быть реализована, в частности, посредством процесса диффузионной сварки.

Как правило, внутреннее кольцо выполнено из металла. В частности, может состоять из стали.

Внешнее кольцо, как правило, выполнено из медного сплава. В порядке альтернативы внешнее кольцо может быть выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия или из меди и карбида. При этом, в частности, уже отдельные зерна порошка могут представлять собой порошковую смесь указанных материалов.

Для получения хорошего соединения между внутренним кольцом и внешним кольцом может потребоваться размещение между внутренним и внешним кольцами промежуточного слоя. Этот промежуточный слой может состоять, например, из никеля.

Во втулке могут быть расположены смазочные отверстия, проходящие радиально и/или аксиально. Если такие отверстия предусмотрены, то они располагаются только во внутреннем кольце. Внешнее кольцо не имеет никаких отверстий такого рода.

Указанные выше свойства, признаки и преимущества данного изобретения, а также способ их достижения будут более понятны из нижеследующего описания примеров осуществления, которые более подробно рассматриваются в сочетании с прилагаемыми чертежами. При этом на них схематично представлены:

Фиг. 1 - машина,

Фиг. 2 – система подшипников машины по Фиг. 1,

Фиг. 3 – улавливающий подшипник, и

Фиг. 4 - вырыв из Фиг. 3.

Согласно Фиг. 1 машина имеет статор 1 и ротор 2. Статор 1 и ротор 2 могут быть эффективными электромагнитными частями электрической машины. Однако это не обязательно. В широком смысле понятия «статор» и «ротор» означают лишь, что в одном случае речь идет о неподвижной части (статор 1), а в другом – о вращающейся части (ротор 2). Что касается машины, то это может быть, например, передаточный механизм, насос, турбина и т.д.

Ротор 2 содержит вал 3 ротора. Вал 3 ротора установлен в подшипниках 4. Поэтому ротор 2 может вращаться вокруг оси 5 вращения. Ось 5 вращения проходит, как правило, горизонтально.

Когда далее используются понятия „аксиально", „радиально" и „тангенциально", то всегда подразумевается, что относительно оси 5 вращения. „Аксиально" означает направление параллельно оси 5 вращения. „Радиально" означает направление перпендикулярно оси 5 вращения, к ней или, соответственно, от нее. „Тангенциально" означает направление, которое перпендикулярно как аксиальному направлению, так и радиальному направлению. „Тангенциально" означает, таким образом, направление на постоянном радиальном удалении от оси 5 вращения по окружности вокруг этой оси 5 вращения.

Подшипники 4 машины согласно фиг. 2 выполнены как активные (= электромагнитные) магнитные подшипники 4. В этих активных магнитных подшипниках 4 ротор 2 установлен бесконтактно.

Эти активные магнитные подшипники 4 могут выходить из строя. По этой причине каждому активному магнитному подшипнику 4 придан улавливающий подшипник 6. Этими улавливающими подшипниками 6 ротор 2 улавливается при отказе соответствующего активного магнитного подшипника 4. Каждый улавливающий подшипник 6 имеет расположенную на валу 3 ротора втулку 7 и расположенное на статоре 1 устройство 8 скольжения.

При отказе активных магнитных подшипников 4 ротор 2, как уже упоминалось, улавливается улавливающими подшипниками 6. В этом состоянии соответствующая втулка 7 контактирует с соответствующим устройством 8 скольжения и скользит там. Магнитные подшипники 4 в дальнейшем остаются бесконтактными.

Соответствующая втулка 7 имеет – см. также фиг. 3 и 4 – внутреннее кольцо 9. Внутреннее кольцо 9 расположено радиально внутри. Посредством этого внутреннего кольца 9 втулка 7 подшипника крепится и удерживается на валу 3 ротора. Каждая втулка 7 подшипника имеет также внешнее кольцо 10. Внешнее кольцо 10 окружает внутреннее кольцо 9 радиально снаружи. Внешнее кольцо 10 является тем элементом втулки 7, который при отказе соответствующего активного магнитного подшипника 4 скользит в устройстве 8 скольжения соответствующего улавливающего подшипника 6.

Внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 выполнены из отличающихся друг от друга материалов. Они соединены друг с другом неразъемно, с замыканием по материалу. В частности они могут быть сварены друг с другом. Такая сварка может быть реализована, например, путем изостатического горячего прессования (HIP), в частности путем диффузионной сварки.

Материал внутреннего кольца 9 может быть выбран в зависимости от потребности. В частности внутреннее кольцо 9 может быть выполнено из металла, например из стали. Материал внешнего кольца 10 тоже может быть выбран в зависимости от потребности. Например, внешнее кольцо 10 может быть выполнено из медного сплава.

В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления внешнее кольцо 10 выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия. При этом можно смешать порошок меди и порошок оксида алюминия в подходящем соотношении (само по себе известном) и затем переработать. В порядке альтернативы можно предусмотреть, чтобы уже отдельные зерна этой порошковой смеси содержали порошковую медь и порошковый оксид алюминия в определенном соотношении. Упомянутая смесь из меди и оксида алюминия обладает тем преимуществом, что как прочность материала, так и термические свойства могут быть достигнуты почти независимо от термической обработки. Поэтому термическую обработку при прессовании можно согласовать с получением хорошего соединения с внутренним кольцом 9. В порядке альтернативы вместо оксида алюминия можно использовать карбид, в частности карбид алюминия.

В некоторых случаях можно непосредственно сваривать внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 друг с другом. В других случаях может понадобиться размещение промежуточного слоя 11 между внутренним кольцом 9 и внешним кольцом 10. Этот промежуточный слой 11 может, в частности, состоять из никеля.

Промежуточный слой 11, если он предусмотрен, имеет относительно небольшую толщину материала dz. В частности, его толщина материала dz, как правило, составляет максимум 0,2 мм, чаще даже менее 0,1 мм. Толщина материала di внутреннего кольца 9 и внешнего кольца 10, напротив, как правило, составляет несколько мм, часто даже более 10 мм.

Как показано на фиг. 2, внутреннее кольцо 9 может иметь смазочные отверстия 12. Эти смазочные отверстия 12 согласно фиг. 2 могут проходить радиально и/или аксиально. Независимо от того, предусмотрены такие смазочные отверстия 12 или нет, внешнее кольцо 10 никаких таких отверстий не имеет.

Данное изобретение обладает многими преимуществами. В частности, можно избежать относительно сильно подверженной отказам конструкции, которая получается, если втулка 7 подшипника выполнена из одного единственного материала. Благодаря разделению втулки 7 подшипника на внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 можно каждое из них отдельно оптимизировать в соответствии с их функциями. Кроме того, можно предусмотреть смазочные отверстия 12, не повышая при этом риска выхода из строя.

Хотя данное изобретение было детально проиллюстрировано и пояснено на рассмотренном предпочтительном примере осуществления, оно не ограничивается этими раскрытыми вариантами, и специалист может вывести на их основании другие модификации, которые не выходят, однако, за рамки объема защиты данного изобретения.

1. Машина, содержащая

- статор (1) и ротор (2), причем

- ротор (2) имеет вал (3) ротора, причем

- вал (3) ротора установлен в подшипниках (4) с возможностью вращения вокруг оси (5) вращения, причем

- подшипники (4) выполнены в виде активных магнитных подшипников (4), в которых ротор (2) установлен бесконтактно, причем

- каждому из активных магнитных подшипников (4) придан улавливающий подшипник (6) для улавливания ротора (2) при отказе соответствующего активного магнитного подшипника (4), причем

- соответствующий улавливающий подшипник (6) имеет расположенную на валу (3) ротора втулку (7) и расположенное на статоре (1) устройство (8) скольжения, причем

- соответствующая втулка (7) подшипника имеет расположенное радиально внутри внутренне кольцо (9), посредством которого эта втулка (7) закреплена и удерживается на валу (3) ротора, причем

- эта соответствующая втулка (7) имеет охватывающее внутреннее кольцо (9) радиально снаружи внешнее кольцо (10), которое при отказе соответствующего активного магнитного подшипника (4) скользит в устройстве (8) скольжения соответствующего улавливающего подшипника (6), причем

- внутреннее кольцо (9) и внешнее кольцо (10) выполнены из отличающихся друг от друга материалов, и

- внутреннее кольцо (9) и внешнее кольцо (10) неразъемно соединены друг с другом с замыканием по материалу.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) и внешнее кольцо (10) сварены друг с другом.

3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) выполнено из металла.

4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) выполнено из стали.

5. Машина по любому из пп. 1, 2, или 4, отличающаяся тем, что внешнее кольцо (10) выполнено из медного сплава.

6. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что внешнее кольцо (10) выполнено из медного сплава.

7. Машина по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что внешнее кольцо (10) выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия или из меди и карбида.

8. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что внешнее кольцо (10) выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия или из меди и карбида.

9. Машина по п. 7, отличающаяся тем, что порошковая смесь состоит из зерен порошка, и отдельные зерна порошка состоят из меди и оксида алюминия.

10. Машина по п. 8, отличающаяся тем, что порошковая смесь состоит из зерен порошка, и отдельные зерна порошка состоят из меди и оксида алюминия.

11. Машина по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что между внутренним кольцом (9) и внешним кольцом (10) расположен промежуточный слой (11).

12. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что между внутренним кольцом (9) и внешним кольцом (10) расположен промежуточный слой (11).

13. Машина по п. 11, отличающаяся тем, что промежуточный слой (11) выполнен из никеля.

14. Машина по п. 12, отличающаяся тем, что промежуточный слой (11) выполнен из никеля.

15. Машина по любому из пп. 1, 2, 4 или 12, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) снабжено смазочными отверстиями (12), которые проходят радиально и/или аксиально, а во внешнем кольце (10) таких отверстий не предусмотрено.

16. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) снабжено смазочными отверстиями (12), которые проходят радиально и/или аксиально, а во внешнем кольце (10) таких отверстий не предусмотрено.

17. Машина по п. 11, отличающаяся тем, что внутреннее кольцо (9) снабжено смазочными отверстиями (12), которые проходят радиально и/или аксиально, а во внешнем кольце (10) таких отверстий не предусмотрено.