[发明专利]用于旋转机械的被动磁性轴承和集成所述轴承、包括能量生产涡轮的旋转机械

说明书

一种用于旋转机械的改进的被动磁性轴承(PMB)和集成该轴承的旋转机械被配置成当处于具有外力的运行环境中时来抵消施加在其上的三个状态维度的力。改进的PMB包括具有海尔贝克阵列的第一环元件。第二环元件具有在第二环的相应区域上成角度延伸的第一海尔贝克阵列和第二海尔贝克阵列。当环相对于彼此定位在轴向运行范围内时，来自第一环的海尔贝克阵列与第二环的第一海尔贝克阵列和第二海尔贝克阵列的磁性相互作用限定了组合力曲线。该曲线可以具有与预定的目标轴向力曲线匹配的轴向分量，以及与预定的目标径向力匹配的径向分量。在一个应用中，一个或多个被动磁性轴承可以被集成在能量生产涡轮中，从而力的轴向分量抵消扭矩产生方向上的流动力，径向分量抵消重力。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月18日提交的标题为“被动磁性轴承和集成所述轴承、包括能量生产涡轮的旋转机械”的第62/794,164号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开通常涉及一种用于旋转机械的被动磁性轴承和集成该轴承的旋转机械。更具体地，被动磁性轴承和旋转机械将暴露于由流体流或施加到轴承和旋转机械上的任何其它力引起的载荷。被动磁性轴承和旋转机械被配置成抵消施加在其上的三(3)个状态维度的力，这三个状态维度的力可以包括三个方向上的力。被动磁性轴承和旋转机械主要适用于使用任何类型流体的能量生产涡轮，并且更具体地，适用于可以从使用被动磁性轴承中受益的那些涡轮。该被动磁性轴承在其它特性之中包括具有多轴向特性的一组环元件。

背景技术

三(3)个状态维度的被动磁性轴承(passive magnetic bearing，PMB)的设计受到可追溯到1800年代早期的恩绍定理所描述的物理原理的限制。该定理宣称，仅使用固定电荷或固定磁极，例如由PMB产生的固定电荷或固定磁极，来构建稳定的、非接触的、静电的或静磁的悬浮系统是不可能的。因此，用于一(1)个轴线的简单的PMB设计需要额外的主动磁性轴承(active magnetic bearing，AMB)来稳定其它两(2)个轴线。当简单的PMB用于旋转机械时，这种机械总是有三(3)个轴线要稳定：i)一个轴线是竖直轴线或重量(Y轴线)；ii)一个轴线是轴向轴线或通常是推力(Z轴线)；iii)第三个轴线是垂直于轴向轴线和竖直轴线的侧向轴线(X轴线)。因此，恩绍定理教导，旋转机械不能以现有技术的状态或仅由现有技术已知的电荷的静电相互作用维持的配置来维持稳定的静态平衡：

对于静态场，麦克斯韦方程组导出了拉普拉斯方程，该拉普拉斯方程指出，由电势U(r)导出的电力F(r)将总是没有差异，因此：

并且，在x、y和z笛卡尔坐标系中，这将导致所有力的总和如下：

为了将带电粒子包含在给定的位置上，在该位置上的所有力的总和应该等于零，并且来自平衡位置上的任何移位应该被相反方向的恢复力抵消：

F_X＝-kx

拉普拉斯方程直接表明刚度常数“k”不可能在所有三个方向上均有负号，即不可能在所有方向上均包含电荷。

由于恩绍定理施加的限制，目前几乎所有可用的商业磁性轴承系统均是AMB类型的磁性轴承系统，该磁性轴承系统使用由电子放大器供电的电磁体，电子放大器的输入来自场传感器和转换器，该场传感器和转换器嵌入轴承系统环境中和轴承系统环境周围，并监测旋转机械的其它两(2)个轴线。

这些传感器和转换器形成闭环反馈系统，该闭环反馈系统通过使用嵌入在放大器中的模拟和/或数字自适应PID系统以相对的高频运行，以保持轴承的悬浮旋转机械部件稳定且以其相应的轴线为中心。

由于这种系统的复杂性，AMB是：i)昂贵；ii)需要定期维护；iii)不断地消耗电力来为其放大器、电磁体、传感器和转换器供电；iv)其集成降低了可靠性，并且增加了故障概率和相关的缺点。