纺纱杯轴、用于主动磁支承的轴承装置和纺纱杯驱动装置的制作方法

本发明涉及用于气流纺纱装置的纺纱杯轴的主动磁支承的轴承装置、用于主动磁性支承在这种轴承装置中的纺纱杯轴以及包括这种轴承装置连带相应纺纱杯轴的纺纱杯驱动装置。

背景技术：

由文献de102014104531a1公开了一种用于纺纱杯的磁轴承，其涉及径向主动磁轴承与被动磁轴向轴承的组合。在此，可以通过电机实现径向主动磁轴承部件，它除了驱动力矩外还能产生径向力以便径向定中纺纱杯的纺纱杯轴。

文献de102006030187a1和de102007028935a1分别公开了一种用于纺纱杯磁性支承的轴承装置，包括被动磁径向轴承和轴向主动磁轴承。

这种已知的磁轴承尤其对纺纱杯以达到200000转/分钟的高转速近似无磨损运行是有利的。但这种磁轴承因为纺纱杯轴的设计和相应构造遇到转速极限，其阻止与纺纱杯轴相连的纺纱杯以明显高于200000转/分钟的转速运行。另外，当前所用的被动磁径向轴承或轴向轴承决定了在相应支承方向上的低刚性，由此可能不利地影响到位置精度。被动磁轴承的特点一般是采用在永磁体之间存在的吸合力或斥力的无控制的相互作用。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术，本发明基于以下任务，提供一种用于气流纺纱机的纺纱杯轴的磁性支承的轴承装置、一种适用于此的纺纱杯轴以及一种纺纱杯驱动装置，借此提高纺纱杯轴的位置精度，尤其可以实现与纺纱杯轴相连的或可与之相连的纺纱杯以尤其明显高于200000转/分钟、尤其是高于220000转/分钟的很高转速运行。另外，该轴承装置应该以优选方式保证高的径向刚性和轴向刚性。

该任务将通过一种具有本发明第一方面特征的轴承装置、一种具有根据本发明第七方面的纺纱杯轴和一种根据本申请第十三方面的纺纱杯驱动装置来完成。

该轴承装置包括至少一个可借助电子控制系统被影响的用于待支承的纺纱杯轴的径向主动磁轴承。该径向主动磁轴承有利于轴承装置以及要由其支承的纺纱杯轴的更紧凑的结构。另一方面，可以放弃被动径向磁轴承所需要的主动阻尼以支持在运行状态不稳时的低轴承刚性。

根据本发明的轴承装置的特点是，该轴承装置具有可借助这个或另一个电子控制系统被影响的用于纺纱杯轴的轴向主动磁轴承。该轴向主动磁轴承允许较高的轴向刚性，由此获得该纺纱杯轴或与之相连或可与之相连的纺纱杯的很精确定位。另外，该轴的轴向位移可由外力决定地例如通过纺纱负压或其波动被有目的地抵消。另外，可以与径向主动磁轴承相关地通过影响在各自轴承轴线方向上的位置因更好的穿透而获得更平稳运行，进而达到超过220000转/分钟的很高转速。按照优选方式，已经配设有径向主动磁轴承的控制系统可以被用于影响轴向主动磁轴承，由此可以节约成本、结构空间和电子装置。

各自径向主动磁轴承和轴向轴承可以是可在商场获得的主动磁轴承，其被相应设计成且被用作径向轴承或轴向轴承。

主动磁轴承在本发明意义上是指这样的电磁体作用的轴承，其借助一个或多个电磁体产生的磁力能以控制方式被影响，从而能以可调节的磁性反作用力对外界影响因素或力做出反应以便可以将待支承部件即纺纱杯轴稳定保持在期望位置上。通常，主动磁轴承配属有姿态传感器或位置传感器用于检测待支承部件的姿态或位置。轴承传感器与控制系统相连，其根据所传输的传感器信息调整电磁作用的轴承以根据需要稳定支承待支承部件。

根据本发明的一个优选实施方式，该轴承装置配属有用于驱动纺纱杯轴的无轴承电机，其中该无轴承电机还设立作为另一个径向主动磁轴承或所述至少一个径向主动磁轴承或唯一的径向主动磁轴承。无轴承电机的特点是，其适用于非接触驱动一个部件以及非接触径向支承待驱动部件。在此，这样的无轴承电机可以具有两个定子绕组，一个用于非接触驱动，另一个用于非接触支承。或者，可以在同一个定子绕组中叠加地馈入“驱动电流”和“支承电流”。由此，该无轴承电机可以除了用于驱动力矩的力外还同时提供使待支承且待驱动的部件的平移自由度稳定化所需要的力。将无轴承电机用于气流纺纱机的轴承装置有利于纺纱杯轴沿其转动轴线的短小设计结构。由此，可以提高该纺纱杯轴的弯曲临界转速。只要纺纱杯轴长度超过此时径向主动磁轴承无法再只通过无轴承电机被可靠保证的一定值，轴承装置就尤其可具有另一个径向主动磁轴承，其例如可通过已知的径向主动磁轴承构成。

根据一个优选实施方式，在该轴承装置内，该轴向主动磁轴承设置成与待支承的纺纱杯轴的横截面呈阶梯形的周面部分对置。该磁轴向轴承具有用于横截面呈阶梯形的第一周面部分的对置以产生在待支承的纺纱杯轴内沿其转动轴线取向的第一磁力作用的至少一个第一电磁体和用于横截面呈阶梯形的第二周面部分的对置以产生在待支承的纺纱杯轴内沿转动轴线与第一磁力作用方向反向的第二磁力作用的第二电磁体。与阶梯形周面部分对置的布置形式是产生轴向轴承所需的磁阻力所需要的，磁阻力的大小和方向取决于阶梯形状设计结构以及各电磁体相对于各自对应的阶梯形状的布置。所述阶梯形状的布置和设计结构如此选择，使得两个电磁体产生彼此相反的磁阻力。彼此相反的起电磁体作用的磁阻力因此在纺纱杯轴的轴向支承方向上被可控叠加，由此，沿其转动轴线或轴向支承方向作用于纺纱杯轴的电磁力的大小和方向是可调节的。这样一来，能通过适当方式对外力做出反应，该外力沿其轴向支承方向作用于该纺纱杯轴并能使其离开所述稳定的轴向位置。

轴向主动磁轴承的电磁体尤其可以如此构成，各自绕组环绕适于容纳纺纱杯轴的空间。或者，电磁体的各自绕组最好能平行于转动轴线实现。这种轴向主动磁轴承设计的替代可能性有利于根据需要来设计该轴承装置。

更优选地，至少所述第一或第二电磁体设置成与待支承的纺纱杯轴的轴端的横截面呈阶梯形的周面部分对置。由此，从轴向主动磁轴承起径向作用的磁力可以被用于尤其在轴端区域内支撑径向轴承。尤其优选彼此相邻地设置两个电磁体以便分别与待支承的纺纱杯轴的轴端的对应的横截面呈阶梯形的周面部分对置。为此，该径向主动磁轴承和轴向轴承可以基本上在维持紧凑布置的情况下相互磁退耦以避免相互磁性干扰。

或者，所述第一和第二电磁体优选可以沿装置方向围绕该无轴承电机。而这有利于很简单的轴承装置结构。

根据一个替代优选实施方式，该轴向主动磁轴承设置成与待支承的纺纱杯轴的端侧轴端对置。该轴向主动磁轴承在此具有永磁北极或永磁南极用于对所述端侧轴端施以磁力，还具有电磁体用于根据需要叠加所述磁力。此外，该轴承装置被设计成在与磁性磁力作用方向相反的方向上被磁性偏置地支承该纺纱杯轴。轴向主动磁轴承与纺纱杯轴的端侧端对置容许用于相应短地构成的纺纱杯轴的最紧凑的轴承装置。这种磁性偏置可以最简单地通过轴向错开布置径向主动磁轴承和/或用于驱动纺纱杯轴的电动机的相互对应的定子部件和转子部件来获得。

根据一个替代优选实施方式，可以代替两个对置的永磁极地采用一个永磁极与一个磁通传导材料的组合，在这里，该永磁极或该轴向主动磁轴承或者该端侧轴端和该磁通传导材料相应对应于与永磁极对置的部件。由此能以成本最低的方式实现在所述轴向主动磁轴承与轴端之间的吸合力。

根据另一个替代优选实施方式，该轴向主动磁轴承可以具有用于对端侧轴端施以磁力的永磁极或者用于与源于设于端侧轴端中的永磁极的磁力相互作用的磁通传导材料。另外，该轴向主动磁轴承包括用于产生叠加磁力的稳定化轴向电磁力的电磁体。所述永磁极或磁通传导材料在此布置成与纺纱杯轴的端侧轴端对置。该电磁体设置成与纺纱杯轴的横截面呈阶梯形的周面部分对置。轴向主动磁轴承的结构可以由此被校正。另外，这种优选的轴承装置也适合于将纺纱被轴用于包括两个电磁体的其它前述优选轴承装置中的一个，由此可以提供对轴承装置的更好选择。

此外，该轴向主动磁轴承的根据前述优选实施方式之一的设计与径向主动磁轴承相结合地允许采用就沿纺纱杯轴转动轴线近似相同形成的直径的意义上光滑构成的纺纱杯轴，由此，总体减小纺纱杯轴的离心力载荷以及空气摩擦，随之可以实现纺纱杯轴在轴承装置中的平稳许多的运行。

根据本发明的另一方面，提出一种用于磁性支承在根据前述实施方式之一的轴承装置中的纺纱杯轴。该纺纱杯轴至少在与径向主动磁轴承和轴向轴承对置的轴部内由磁通传导材料构成，在支承状态中，电磁通(elektromagnetischefluesse)流过所述轴部以便轴向和径向支承该纺纱杯轴。由此，电磁通可以在纺纱杯轴内无损耗地或近似无损耗地被传导。还优选地，纺纱杯轴只在下述轴部内由磁通传导材料构成，即在支承状态中，永磁通和电磁通流过该轴部以便轴向和径向支承该纺纱杯轴。由此能可靠应对在纺纱杯轴内的磁短路危险。

最好至少在设置用于传导造成径向支承的电磁通的轴部以外以光轴形式呈圆柱体状构成。在本发明的意义上，以光轴形式呈圆柱体状构成的形状的特点是，纺纱杯轴至少在前述轴部外没有径向超出限定圆柱体的外径的或从其凸出的径向凸起。由此，纺纱杯轴的重量和进而离心力载荷可以被进一步减小，由此有利于以纺纱杯轴获得很高转速。另外，由此实现了对应轴承装置的在纺纱杯轴的径向上紧凑的构型，其就气流纺纱装置的结构空间而言产生有利作用。另外，纺纱杯轴可以不太费力地从对应的轴承装置中尤其沿转动轴线或轴向支承轴线被取出或沿该轴线被装入其中。

还优选地，纺纱杯轴在设置用于与止动轴承或限位轴承合作的轴部中具有至少比相邻的或邻接的轴部更小的直径。由此，该纺纱杯轴在运行过程或其转动过程中在所述轴部具有较小的周向速度。因此可以保证在轴承装置出故障时在此支承区域内有较小的力作用，由此，针对故障情况的轴承装置安全性可被提高。止动轴承或限位轴承是常见的用于止动纺纱杯轴或限制纺纱杯轴沿其轴向和/或径向的位移运动的轴承。

尤其优选地，该纺纱杯轴完全以光轴形式呈圆柱体状构成。因此，前述轴部具有等于或小于限定该圆柱体的外径的外径，由此，能以改善方式获得前面的有利作用。

还优选地，被构造用于导通造成径向支承的电磁通的轴部是与纺纱杯轴分开的构件，其可安装到纺纱杯轴上。该轴部此时最好可套装到纺纱杯轴上直至规定位置和/或被设计成可就位于在纺纱杯轴周面中对应于该轴部的凹空部中。纺纱杯轴由此可简单且低成本地构成，在此，磁通传导轴部可针对由轴承装置确定的要求根据需要来设计和布置。因此，可提供一种用于设计成各种各样的轴承装置的纺纱杯轴，其中当前匹配于轴承装置的轴部沿轴纵轴线或转动轴线尤其能可更换地安放在规定位置上。所述轴部沿轴纵轴线或纺纱杯轴转动轴线取向的固定定位可以通过适当方式例如借助在纺纱杯轴和/或轴部上的接合件和/或支承件实现。

尤其是所述纺纱杯轴匹配于具有包括第一和第二电磁体的轴向主动磁轴承的前述轴承装置或针对这样的轴承装置构成。为此，该纺纱杯轴在第一和第二电磁体的作用区域内分别具有横截面呈阶梯形构成的周面部分或者沿纺纱杯轴的转动轴线呈阶梯形构成的轮廓以产生彼此反向的磁阻力。横截面呈阶梯形的设计结构在各自电磁体的作用区域内造成各自周面部分距对应电磁体的不同距离，以便如此根据需要取向地将所产生电磁通传导入纺纱杯轴，从而可以产生作用于纺纱杯轴的适于定位或移位的可控的轴向磁阻力分量。

根据一个替代优选实施方式，该纺纱杯轴匹配于前述轴承装置，其具有包括永磁极或磁通传导材料和电磁体的轴向主动磁轴承。该纺纱杯轴为此在其设置成与轴向主动磁轴承对置的端侧轴端由磁通传导材料构成，只要该轴向主动磁轴承具有永磁极。或者与此不同，纺纱杯轴可以在端侧轴端具有永磁极如北极或南极，只要轴向主动磁轴承具有永磁极。因此，可以在端侧轴端与轴向主动磁轴承之间在运行过程中保证吸合磁力。

根据本发明的另一个方面，提出一种用于气流纺纱装置的纺纱杯驱动装置，包括驱动装置壳体，其与根据前述实施方式之一的相应设计的纺纱杯轴相关地具有根据前述实施方式之一的轴承装置。该纺纱杯轴尤其可更换地安装在该轴承装置中。因此，对于气流纺纱装置，可以提供一种作为具有相互协调的部件的结构单元构成的、用于纺纱杯的驱动单元，对此还最好将转杯体与纺纱杯轴连接起来，或者纺纱杯轴已经与转杯体连接或一体形成以构成纺纱杯。纺纱杯轴为了连接具有常见的传递转矩的接合部位。

附图说明

从以下对本发明优选实施例的说明中、结合附图和图面并从权利要求书中得到本发明的其它特征和优点。若干特征可以在本发明的优选实施方式中分别单独地实现或者以多个任意组合的方式实现。

以下，结合附图来详述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据第一实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图；

图2是根据第二实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图；

图3是根据第三实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图；

图4是根据第四实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图；

图5是根据第五实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图；以及

图6是根据第六实施例的具有纺纱杯轴的轴承装置的示意图。

具体实施方式

在以下对根据本发明的实施例的说明中，针对各图所画出的且相似作用的零部件采用相同的或相似的附图标记，在此放弃对该零部件的重复说明。

图1至图6以示意图示出根据第一至第六实施例的具有纺纱杯轴200的轴承装置100。

如图1所示的轴承装置100根据第一实施例包括两个径向主动磁轴承110，它们在装置方向上框住用于驱动以光轴形式呈圆柱体状的纺纱杯轴200的电机120的两侧。电机120是常见的适用于转动驱动纺纱杯轴的换向直流电机，其具有在定子中的绕组包122和在转子中的与纺纱杯轴200相连的永磁体124。

各径向主动磁轴承110通常被构造成具有定子和转子。转子由电磁磁通传导材料114构成且被嵌入安置在纺纱杯轴200的周面202内。在定子中如此设置用于产生绕纺纱杯轴均匀分布的电磁场的多个绕组112，即由绕组112产生的可控磁力在转子114的径向上作用以便能将纺纱杯轴200保持就位。

此外，轴承装置100具有轴向主动磁轴承130，其安置在轴承装置100的远离转杯体的一侧以与纺纱杯轴200的轴端210对置。轴向主动磁轴承130具有第一电磁体131和第二电磁体132，其分别具有环绕轴端210的绕组134用于产生轴向作用的磁力。轴向主动磁轴承130被如此控制，使得由电磁体131、132产生的磁力彼此反向，以通过按照大小的磁力叠加实现纺纱杯轴200的稳定轴向定位。径向主动磁轴承110和轴向主动磁轴承130通过共同的电子控制系统300被控制。用于纺纱杯轴的轴承控制的控制系统的结构是常见的。但在根据本发明的轴承装置100中的特点是，在所示实施例中，各自径向主动磁轴承110和轴向主动磁轴承130通过尤其是共同的控制系统300被控制以将纺纱杯轴200定位在稳定的支承位置中。这样的控制系统300按照已知方式包括用于检测纺纱杯轴200的轴向位置或径向位置的轴向和径向的位置传感器以及与之相连的用于放大由传感器传输的测量信号的测量放大器和用于测量信号处理的信号处理器。信号处理器在输出侧与功率放大器相连，通过功率放大器，相应的控制信号被输出以使纺纱杯轴200从实际位置进入额定位置且被传输给径向主动磁轴承110和轴向轴承130。

为了控制该主动磁轴承，最好也可以采用一个以上的控制系统。此时，能以特别优选的方式冗余设计一个或多个控制系统，以便在一个控制系统出故障时接管尤其控制的部件的相应控制，也可选地或替代地在运行过程中检查这一个控制系统的控制。

根据第一实施例的轴承装置100还具有例如由文献de102007028935a1已知的轴向限位轴承140，其上装有与控制系统300相连且作用于轴端210的轴向位置传感器。轴端210为了限位功能而具有沿转动轴线从轴端突出的且突入限位轴承140中的凸起212。

纺纱杯轴200完全以光轴形式呈圆柱体状构成。限定圆柱体的纺纱杯轴200的外径此时未被任何配属于纺纱杯轴200的从此径向突出的凸起超出。由此，轴承装置100可以在径向支承方向上最紧凑地构成。另外，可以顺利采取纺纱杯轴200的更换。

纺纱杯轴200在其远离转杯体侧端的轴端210在轴向主动磁轴承130区域内分别具有收缩部，周面202在各自与轴向主动磁轴承130对置的部分204、206中通过该收缩部呈阶梯形构成。该阶梯形轮廓造成磁阻力的产生，磁阻力在轴向主动磁轴承130的相应控制时允许修正纺纱杯轴200的轴向位置。

在电机120区域内，纺纱杯轴200如前所述配设有在电极120的转子内的永磁体124。在径向主动磁轴承110的各自区域内，磁通传导材料被加入纺纱杯轴200的周面202中。

如图2所示的第二实施例与第一实施例的区别仅在于电机设计结构。在第二实施例中采用了无轴承电机150，其除了驱动部件外还接管径向支承部件，由此，根据第二实施例的轴承装置100相比于根据第一实施例的轴承装置100实际减少了径向主动磁轴承。这样的无轴承电机150通常如此设计，相对于两极的转子区产生四极支承区，使得径向支承所需的磁力可以在无轴承电机150的主动部分中产生。无轴承电机150的使用允许轴承装置的结构简化。只保留位置传感器和借助控制系统300的轴承控制。

图3示出了轴承装置100的第三实施例，其与第二实施例的不同在于进一步减少径向主动磁轴承以及轴向主动磁轴承130的电磁体131、132的不同布置。电磁体131、132布置在无轴承电机150的两侧。轴承装置100对于短的纺纱杯轴200尤其有利。因为轴向主动磁轴承130除了轴向磁力分量也在运行中产生径向磁力分量的事实，径向磁力分量可以被用于纺纱杯轴200的径向支承。

根据第三实施例的纺纱杯轴200与根据第一和第二实施例的纺纱杯轴200的区别在于在纺纱杯轴200的胜任轴向主动磁轴承130的不同布置的另一部段中形成横截面呈阶梯形的周面202。

图4不同于第二实施例地示出根据第四实施例的轴承装置100，其具有轴向主动磁轴承130和纺纱杯轴200的对应轴端210的替代设计结构。此变型尤其也可以按照替代方式应用在另外两个实施例之一中。轴向主动磁轴承130的这个替代变型与待支承的纺纱杯轴200的端侧轴端210对置并且包括用于对端侧轴端210施以磁力的永磁南极136和用于根据需要叠加永磁力的电磁体133。根据第四实施例的纺纱杯轴200在其设置成与轴向主动磁轴承130对置的端侧轴端210具有永磁北极208，用于产生在不同的永磁极之间作用的磁吸合力。永磁北极208被加入端侧轴端210中。

另外，根据第四实施例的轴承装置100被设计成在与该磁吸合力作用方向相反的方向上磁性偏置地支承该纺纱杯轴200。这例如可以如此做到，即在无轴承电机150的非驱动状态下，设于定子内的绕组152在轴向支承方向上相对于转子154错位布置。在无轴承电机150的运行状态中，于是产生在轴向支承方向上作用的磁偏置力，其与轴向主动磁轴承130的吸合力反向作用。所述错位尤其如此选择，在轴承装置100的所示驱动状态中，绕组152与转子154之间的错位被消除。

图5以第五实施例示出第四实施例的一个替代变型，其唯一差别是纺纱杯轴200代替一个永磁极地具有磁通传导材料207，磁通传导材料处于与轴向主动磁轴承130的永磁南极136的相互磁性作用中。

图6示出第六实施例，其具有轴向主动磁轴承130和为此设置的纺纱杯轴200的相对于第四实施例的替代变型。轴向主动磁轴承130具有磁通传导材料135，该磁通传导材料布置成与设于纺纱杯轴200的端侧轴端210内的永磁南极208对置，以在纺纱杯轴200的轴向支承方向上产生吸合磁力。

另外，轴向主动磁轴承130配属有一个电磁体133，该电磁体就像第一至第三实施例的电磁体131、132那样与阶梯形的周面部分209对置，以便能在轴向支承方向上产生磁阻力。电磁体133设立且可控制以及调整，以便在轴向支承方向上产生与吸合磁力反向的可控力来稳定纺纱杯轴200的轴向支承位置。由此，轴承装置100的结构相比于第四实施例和第五实施例可被简化，因为配属于轴向主动磁轴承130的电磁体133在此布置和工作方式中有力地取代了前述的磁偏置。

按照第七实施例的一个未示出的替代方式，轴向主动磁轴承130的磁通传导材料可以根据另一个实施例由永磁极代替，其不同于设于端侧轴端210内的永磁极208地被磁化。另外，替代地根据另一个实施例，端侧轴端210可以代替永磁极地具有磁通传导材料，其中，轴向主动磁轴承130与磁通传导材料对置地具有一永磁极。原则上可以想到任何变型，只要在纺纱杯轴200的端侧轴端210和与之对置的轴向主动磁轴承130的部件之间可以产生沿轴向支承方向作用的吸合磁力。

只是示例性地选择所述的且如图所示的实施例。不同的实施例可以完全或者关于若干特征相互组合。一个实施例也可以由另一个实施例的特征补充。因此，例如径向主动磁轴承和/或轴向主动磁轴承的布置并不局限于如图1至图6所示的视图。轴向主动磁轴承130也可以是这样的，即各自电磁体131、132的绕组134平行于纺纱杯轴200的转动轴线220延伸。另外，原则上可以在所有实施例中规定通常已知的止动轴承和/或限位轴承，用于通过阻止纺纱杯轴200例如在轴承装置100出故障情况下方式断裂来保证纺纱杯轴200的可靠运行。

如果一个实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”逻辑关系，则这可以被解读为该实施例根据一个实施方式不仅具有第一特征也具有第二特征，并且根据另一个实施方式，或是只具有第一特征，或是只具有第二特征。