专利名称：用于支撑辊轴的磁力轴承装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于支撑辊轴的磁力轴承装置，更具体而言，涉及使用永磁体或电磁体以非接触方式支撑辊轴的磁力轴承装置。
背景技术：
通常，在转子领域中轴承是核心部件，为了使旋转期间的机械摩擦最小化，采用注入油或气体的方法。在现有的轴承的旋转中，例如轴承的轴旋转或者使用球轴承进行旋转等中，必然发生机械接触。当在电镀线中使用这样的轴承时，该轴承在温度在450°C _470°C的范围内 的电镀槽中旋转而逐渐被磨损，且导致不稳定的旋转，所以当辊旋转时出现振动和噪声。具体而言，当钢板通过后侧的气体擦拭装置的气刀时，上述振动增大了电镀量偏差，导致产品缺陷。因此，为了事先防止由机械接触和磨损导致的问题，需要周期性地每隔两周或三周更换辊轴。然而，由于设备的大型化和线的高速化，依然存在机械球轴承的寿命迅速缩短的问题。如图I所示，现有的热浸镀锌装置中，通过电镀槽I的钢板6通过导辊3、稳定辊5和校正棍4,之后通过气刀2、电磁稳定器(electro magnetic stabilizer) 8和顶棍7。电镀槽I中的熔融锌的温度在450°C _460°C的范围内，可通过各种宽度和厚度的钢板6。施加到辊轴上的负载根据待供应的钢板6而不同。在导辊3的情况下，其两端可以被施加500kgf的最大负载。此外，由于诸如振动之类的动态特性，在辊的旋转方向上可以作用有± IOOkgf的负载，在辊的轴向上可以作用有小于IOOkgf的最大负载。在上述的热浸镀锌过程中，由于各种类型的钢和张力，并非作用有恒定的力。因此，当处理高强度钢或高抗拉钢时，需要这样一种热浸镀锌装置其具备磁力轴承，即使在辊的两端向径向作用的力和轴向作用的力变化的情况下，也具有迅速反应和强的物理特性，且能以非接触方式使用，从而其寿命长。
发明内容
发明要解决的课题本发明的一个目的在于，分析支撑辊轴的磁力轴承装置的特性，根据其结果设计对电磁力的性能有影响的最适合的主要因素。本发明的另一目的在于，为了稳定的驱动而控制施加的电流，从而消除辊和钢板的振动。本发明的另一目的在于，减小气刀执行气体擦拭时的电镀量偏差，并使得能够半永久地使用电镀槽内的辊轴。本发明的另一目的在于，使用未采用昂贵传感器的磁力轴承，以使反应速度比使用现有近接传感器的控制更快。
解决课题的方法根据本发明的一方面，提供了一种磁力轴承装置，其特征在于，包括磁体，其在朝向辊轴形成的突出部处产生磁场；以及体部，其在一个方向上支撑所述磁体。在所述辊轴与所述突出部之间形成气隙的同时支撑所述辊轴，并且所述突出部的两侧实施了倒角。本发明的一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁体包括电磁体、永磁体或电磁体和永磁体的组合，通过所述突出部处产生的磁场在所述辊轴与所述突出部之间形成气隙的同时支撑所述辊轴。所述电磁体包括具有朝向所述辊轴形成的突出部的磁极和缠绕所述磁极的线圈，所述永磁体包括朝向所述辊轴形成的突出部，所述永磁体的突出部缠绕有线圈。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，包括轴向磁力轴承， 其形成在所述辊轴的两端，当所述辊轴旋转时在所述辊轴的方向上支撑所述辊轴；以及径向磁力轴承，其形成在所述辊轴的径向方向，当所述辊轴旋转时在所述辊轴的径向方向上支撑所述辊轴。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，对所述线圈施加直流电。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，通过脉冲宽度调制(PWM, Pulse Width Modulation)驱动器施加所述直流电。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，所述线圈是Y形连接的。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，根据对所述线圈施加的电流的大小来控制所述辊轴与所述磁极之间的气隙。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置设置在热浸镀锌装置的导辊中，所述磁极与包围所述导辊的辊轴的熔融锌之间的气隙在O. 2mm~ 1mm的范围内。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置通过使用氮或空气作为冷却气体来冷却。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述冷却气体从所述磁力轴承装置上方下降并通过所述磁力轴承装置，然后上升到所述磁力轴承装置上方。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述冷却气体从所述磁力轴承装置上方下降并通过所述磁力轴承装置，然后下降到所述磁力轴承装置下方。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，设置在所述磁力轴承装置外部的壳体包括非磁性材料。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁极的实施了倒角的突出部的周向长度小于所述磁极的未实施倒角的突出部的周向长度的二倍。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，对所述线圈施加交流电，并且由所述交流电形成的随时间改变的磁场来产生所述辊轴的径向浮力和所述辊轴的周向推进力。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述辊轴由铜或铝导体形成。
本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置支撑设置在热浸镀锌装置中的导辊、稳定辊和校正辊中的任一者。本发明的另一实施例中提供的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁体包括具有朝向所述辊轴形成的突出部的磁极，并且所述径向磁力轴承的体部通过在所述辊轴的周向上连接所述磁极而一体化。有益效果根据本发明的实施方案，能够使用永磁体或电磁体以非接触方式支撑辊轴。而且，因不发生机械接触而摩擦导致的噪声以及能量损失小，无需进行润滑或密封。因此，允许辊轴的旋转速度到非常高的水平，从而可高速生产电镀钢板。此外，根据本发明，可根据增益来调整轴承的刚度和阻尼控制，从而可在临界速度或更大的速度实现稳定的加速。因此，可显著减小被更换轴承的数量。
图I是现有热浸镀锌装置的示意图。图2是本发明的热浸镀锌装置中钢板通过辊的状态的图。图3是解释本发明的轴向磁力轴承的结构的配置图。图4是本发明的径向磁力轴承的内部结构图。图5是本发明的径向磁力轴承的体部的立体图。图6是本发明的第一实施例的径向磁力轴承的冷却装置的内部结构图。图7是本发明的第二实施例的径向磁力轴承的冷却装置的内部结构图。图8是本发明的磁极的实施了倒角的突出部的放大图。图9是本发明的径向磁力轴承的性能曲线图。图10是本发明的轴向磁力轴承的性能曲线图。图11是示出了根据本发明磁极数的电流与线圈绕组数之间的关系的曲线图。附图标记I电镀槽6钢板9线圈10磁极11辊轴12突出部13标称气隙 14冷却气体15 壳体16 棍17熔融锌 18径向磁力轴承19轴向磁力轴承20冷却气体罐21 管22 网筛23密封膜24体部
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方案进行说明。然而，本发明可以多种不同形式实施，而不应被解释为限于本文中阐述的实施方案。为了更明确的说明，对图中的要素的形状以及大小等可进行夸大，且图中相同的参考标记指代相同的要素。
图2是本发明的热浸镀锌装置中钢板通过辊的状态的图。参照图2，该热浸镀锌装置包括电镀槽I，其填充有熔融锌；辊16，其被放入电镀槽I中并以辊轴11为中心旋转，从而移送放入电镀槽I中的钢板6 ;以及磁力轴承，其具有在朝向辊轴11形成的突出部处产生磁场的磁体。此时，该磁力轴承在该突出部与包围辊轴11的熔融锌之间形成气隙的同时支撑辊轴11。这样的磁力轴承装置可用来支撑热浸镀锌装置的导辊、稳定辊、校正辊的辊轴11，并且包括轴向磁力轴承19和径向磁力轴承18。径向磁力轴承18用来控制作用于电磁体上的所施加的电流，从而减小辊轴11旋转时的径向偏心。轴向磁力轴承19用来以与径向轴承18相似的方式减小轴向偏心。辊16的旋转速度小于4Hz——其是工作线速度的极限，对应于该旋转速度的振动 频率小于10Hz。不使用导致机械摩擦的现有球轴承，而使用具有迅速响应的偏电流来显著降低由振动和摩擦导致的噪声，并且检查动态特性以设置优化响应速度以执行控制。壳体15被密封(sealing),以使熔融锌不渗入轴向磁力轴承19和径向磁力轴承18的内部。尽管壳体15覆盖有密封膜，但当轴向磁力轴承19和径向磁力轴承18的内部温度高时，电磁力的效率降低。因此，设置冷却气体罐20和管21来执行内部清除(purging)。假定冷却气体罐20和管21的内部温度总是维持在250°C或更低时，甚至在修理或驱动期间出现功率问题的情况下，该密封功能防止熔融锌渗入磁力轴承。当壳体15的温度下降时，在靠近壳体15的区域中可能出现锌渣。因此，对壳体15应用双重封装。当温度下降时，磁力轴承的性能被维持以减小控制量的变化，这显著减小了辊16在径向方向上的振动。使得钢板6前进时产生的振动最小化，以维持气体擦拭期间的有利条件。设置在轴向磁力轴承或径向磁力轴承外部的壳体由非磁性材料形成。图3是说明本发明的轴向磁力轴承的结构的配置图。对于轴向磁力轴承19，使用了至少一个或多个永磁体(其可缠绕有线圈)或电磁体。参照图3，当使用电磁体时，轴向磁力轴承19包括具有朝向辊轴11形成的突出部12的磁极10和缠绕磁极10的线圈9。由线圈9中的电流形成的磁场产生的电磁力在突出部12与包围辊轴11的熔融锌之间形成气隙13的同时支撑辊轴11。具体而言，轴向磁力轴承19分别形成在辊轴11的两端，当钢板经过辊16的表面而辊轴11进行旋转时，轴向磁力轴承19在辊轴11的方向上支撑辊轴11。此时，轴向磁力轴承19在辊轴11的两端形成了与辊轴11的气隙13，辊轴11被径向磁力轴承18和气隙13夹在中间。当使用永磁体时，由永磁体形成的磁场在突出部12与包围辊轴11的熔融锌之间形成气隙的同时支撑辊轴11。该情况可基于如下原理加以理解图3中，没有线圈9缠绕磁极10，磁场由突出部12产生，从而在辊轴11的方向上支撑辊轴11。此外，也可以使用永磁体(可缠绕有线圈)和电磁体的组合。图4是本发明的径向磁力轴承的内部结构图。图5是本发明的径向磁力轴承的体部的立体图。对于该径向磁力轴承，使用了至少两个或更多个永磁体(其可缠绕有线圈)或电磁体。参照图4和图5，当使用电磁体时，径向磁力轴承包括具有朝向辊轴11形成的突出部12的磁极10 ;缠绕磁极10的线圈9 ；以及通过在棍轴11的周向上连接磁极10而一体化的体部24。体部24支撑了通过在磁极10上缠绕线圈9而形成的电磁体，在轴向磁力轴承中也用来支撑电磁体。当使用永磁体时，体部24也支撑永磁体。
通过线圈9中的电流形成的磁场产生的电磁力在突出部12与包围辊轴11的熔融锌之间形成气隙13的同时支撑辊轴11。具体而言，径向磁力轴承形成在辊轴11的径向方向上，并在辊轴11旋转时在辊轴11的径向方向上支撑辊轴11。值不改变的标称气隙13填充有冷却气体。标称气隙13与熔融锌17之间的边界处形成有密封膜23。密封膜23由不受磁力影响的非磁性材料的陶瓷或不锈钢等形成。磁极10的突出部12可形成各种形状，这是为了使涡电流的泄漏最小化，并增大电磁力与辊轴11相接触的面积。在径向磁力轴承中，电磁力线与该力的大小的动态特性由以下因素决定磁极10的数量；磁极10的突出部12的形状；以及线圈绕组的数量；以及对线圈9施加的偏电流；以及控制频率。本发明的该实施方案中，磁极10的突出部12的形状被以图4中所示的方式设计， 以减少磁通量泄漏以及增加导致磁力的横截面积。靠近磁极10的区域的横截面积减小，靠近辊轴11的区域的横截面积被最大化。此外，突出部12的形状应根据磁极10的数量和面积而改变，以进行稳定的控制。在该情况下，与一般的磁力轴承相比，用更高的精度控制气隙，这使得可消除辊轴11中的近乎全部振动。由于辊轴11的形状以及电镀线的特性，钢板的张力总是被施加到上部。因此，当磁力的负载小且施加相当小的张力时，能更精确地控制向下方向上作用的磁力的磁极。缠绕有线圈9的磁极10不旋转，因此在背离气隙13的方向上施加偏电流以实时控制磁力。线圈9是Y形连接的，直流电通过脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)驱动器施加到线圈9。根据施加到线圈9的电流的大小来控制熔融锌17与磁极10之间的气隙。电磁力与磁极10的数量成正比，与施加到线圈9的电流的平方成正比，与线圈绕组的数量的平方成正比，与气隙13的平方成反比，并与在通过磁极10的突出部12形成的内部圆的横截面积成正比。如果是设置在热浸镀锌装置的导辊中的磁力轴承，则优选地，熔融锌17与磁极10之间的气隙13的控制范围在O. 2mm-Imm的范围内，以产生最小电磁力并支撑500kgf的最小负载。当使用永磁体时，包括磁力轴承，该磁力轴承具备在朝向辊轴形成的突出部处产生磁场的永磁体，从而在永磁体与包围棍轴的熔融锌之间形成气隙的同时支撑棍轴。该情况可基于如下原理加以理解图4中，没有线圈9缠绕磁极10，磁极10产生磁场以在辊轴的径向方向上支撑辊轴。此外，也可以使用永磁体(可缠绕有线圈)和电磁体的组合。根据本发明的上述实施方案，永磁体可在轴向磁力轴承和径向磁力轴承中使用。然而，考虑到热浸镀锌线中的电镀环境特性，可以使用能够施加可变的力的电磁体，并且磁极10的数量可以被设置为两个或更多个。此外，使用产生大强度磁场的Halbach阵列(Halbach Array)，以增大磁极10之间的间隔。特别地，在钢的张力和种类无很大改变的电镀线中使用具有永磁体的无源磁力轴承，并且也可以使用永磁体(可缠绕有线圈)和电磁体的组合。本发明的该实施方案的轴向磁力轴承和径向磁力轴承被实施为施加直流电的电磁悬浮型，并且轴向磁力轴承实时控制电磁力，以维持棍在工作侧(work side)和驱动侧(drive side)的力平衡以及防止钢板的盘旋运动。当辊轴11由铜或铝导体形成时，对轴向磁力轴承和径向磁力轴承施加交流电，同时由该交流电形成的随时间改变的磁场来产生该棍轴的径向浮力和周向推进力。图6是本发明的第一实施例的径向磁力轴承的冷却装置的内部结构图。供应的冷却气体14通过网筛(mesh screen) 22去除异物并到达密封膜。冷却气体14的循环以如下的U形方式执行冷却气体14从磁力轴承上方下降并通过磁力轴承，然后上升到磁力轴承上方。为了防止磁力轴承的效率降低以及避免使得磁力抵消的居里温度，使用氮气作为冷却气体，且循环冷却。通过在磁极10上缠绕线圈9而形成的电磁体的温度下降到250°C或更低，使得在氮气在线圈9周围经过之后可以稳定地执行控制。因为环境温度对磁力轴承的效率有直接影响，所以被设置为接近标准温度的温度。氮气从上方开始下降，因此当供应高压冷却气体14时图6的结构对于支承压力是稳定的。图7是本发明的第二实施例的径向磁力轴承的冷却装置的内部结构图。图7的结构与图6的结构原理相同，但冷却气体14的循环以如下的方式执行从磁力轴承上方下降 并通过磁力轴承，然后移动到磁力轴承下方。在水平方向上支撑磁力轴承，因此，当喷射高压冷却气体14时该结构不稳定。当磁力轴承的重量减小时应用图4的结构，其中循环路径(circulation)短且区域限制小。图8是本发明的磁极的实施了倒角的突出部的放大图。参照图8，磁极10的突出部12的两侧都实施了倒角从而彼此对称。对磁极10的突出部12的两侧都进行倒角，是为了将从突出部12泄漏的涡电流最小化，从而使施加到辊轴的磁力的接触面积最大化。此外，磁极10的实施了倒角的突出部12的周向长度是磁极10的未实施倒角的突出部12的周向长度的两倍。在图8中，磁极10的实施了倒角的突出部12的周向长度为a/2+a+a/2 = 2a，而磁极10的未实施倒角的突出部12的周向长度为a。以这种方式对磁极10的突出部12进行倒角是为了防止相邻线圈9产生的电磁力受影响。图9是本发明的径向磁力轴承的性能曲线图。图9根据磁极的数量P、施加到线圈的电流I、线圈绕组的数量N示出了径向磁力轴承的性能。径向磁力轴承被设置为，在气隙在I. 2mm-1. 4mm的范围内的区域中能够经受500kgf的负载F(现场实际情况)。电流使用直流电，G代表标称气隙。该磁力轴承可被驱动以产生转矩，也可被动旋转，并具有维持径向方向上的气隙的功能。辊因钢板的前进而一直被动旋转。图10是本发明的轴向磁力轴承的性能曲线图。当磁极的数量P设置为I、施加到线圈的电流I设置为30且线圈绕组的数量N设置为30时，轴向磁力轴承在气隙在lmm-1. 2mm的范围内的区域中能够经受IOOkgf的负载F(现场实际情况)。电流使用直流电，G代表标称气隙。轴向磁力轴承具有维持轴向方向上的气隙的功能，在轴向方向上支撑辊轴，因此使用一个磁极。图11是示出了根据本发明磁极数的电流与线圈绕组数之间的关系的曲线图。图11根据磁极数量和线圈绕组数量示出了磁力轴承中的灵敏度曲线，其中对线圈施加35A的电流且气隙为1.5!11111以支撑6001^€的最小负载？_。该磁力轴承的尺寸不受限制。在对线圈施加的电流为固定的情况下，将磁极的数量从2到12进行改变，计算所需的线圈绕组的数量。尽管已根据示例性实施方案示出和描述了本发明，但本领域技术人员应明了，在不违背权利要求限定的本发明的主旨和范围的前提下可以做出修改和 变更。
权利要求
1.一种磁力轴承装置，其特征在于，包括 磁体，其在朝向辊轴形成的突出部处产生磁场；以及 体部，其在一个方向上支撑所述磁体， 在所述辊轴与所述突出部之间形成气隙的同时支撑所述辊轴，并且所述突出部的两侧实施了倒角。
2.根据权利要求I所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁体包括电磁体、永磁体或电磁体和永磁体的组合，通过所述突出部处产生的磁场在所述辊轴与所述突出部之间形成气隙的同时支撑所述辊轴， 所述电磁体包括具有朝向所述辊轴形成的突出部的磁极和缠绕所述磁极的线圈，所述永磁体包括朝向所述辊轴形成的突出部，所述永磁体的突出部缠绕有线圈。
3.根据权利要求I所述的磁力轴承装置，其特征在于，包括 轴向磁力轴承，其形成在所述辊轴的两端，当所述辊轴旋转时在所述辊轴的方向上支撑所述辊轴；以及 径向磁力轴承，其形成在所述辊轴的径向方向，当所述辊轴旋转时在所述辊轴的径向方向上支撑所述辊轴。
4.根据权利要求2所述的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，对所述线圈施加直流电。
5.根据权利要求4所述的磁力轴承装置，其特征在于，通过脉冲宽度调制(PWM，PulseWidth Modulation)驱动器施加所述直流电。
6.根据权利要求2所述的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，所述线圈是Y形连接的。
7.根据权利要求2所述的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，根据对所述线圈施加的电流的大小来控制所述辊轴与所述磁极之间的气隙。
8.根据权利要求7所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置设置在热浸镀锌装置的导辊中，所述磁极与包围所述导辊的辊轴的熔融锌之间的气隙在O.的范围内。
9.根据权利要求I所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置通过使用氮或空气作为冷却气体来冷却。
10.根据权利要求9所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述冷却气体从所述磁力轴承装置上方下降并通过所述磁力轴承装置，然后上升到所述磁力轴承装置上方。
11.根据权利要求9所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述冷却气体从所述磁力轴承装置上方下降并通过所述磁力轴承装置，然后下降到所述磁力轴承装置下方。
12.根据权利要求I所述的磁力轴承装置，其特征在于，设置在所述磁力轴承装置外部的壳体包括非磁性材料。
13.根据权利要求2所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁极的实施倒角的突出部的周向长度小于所述磁极的未实施倒角的突出部的周向长度的二倍。
14.根据权利要求2所述的磁力轴承装置，其特征在于，当所述磁体是电磁体时，对所述线圈施加交流电，并且由所述交流电形成的随时间改变的磁场来产生所述辊轴的径向浮力和所述辊轴的周向推进力。
15.根据权利要求14所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述辊轴由铜或铝导体形成。
16.根据权利要求I所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁力轴承装置支撑设置在热浸镀锌装置中的导辊、稳定辊和校正辊中的任一者。
17.根据权利要求3所述的磁力轴承装置，其特征在于，所述磁体包括具有朝向所述辊轴形成的突出部的磁极，并且所述径向磁力轴承的体部通过在所述辊轴的周向上连接所述磁极而一体化。
全文摘要
本发明涉及用于支撑辊轴的磁力轴承装置，更具体而言，涉及使用永磁体或电磁体以非接触方式支撑辊轴的磁力轴承装置。本发明的用于支撑辊轴的磁力轴承装置包括磁体，其用于在朝向辊轴形成的突出部处产生磁场；以及体部，其用于在一个方向上支撑所述磁体。在所述辊轴与所述突出部之间形成气隙的同时支撑所述辊轴，并且对所述突出部的两侧实施了倒角。
文档编号F16C32/04GK102803766SQ201080028911
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者张泰仁, 池昌运, 权容焄, 金根永 申请人:Posco公司