CN101341348B - 电磁式磁浮机构轴承 - Google Patents

Abstract

一种电磁式磁浮机构轴承，其主要是由电磁铁、定子、转子、外套体、内套体以及电流控制器所组成。其中，该转子置于定子的中空处，与定子做一套合，并利用一种呈单一五角形块的电磁铁，让定子与转子上的电磁铁做交错，再利用电斥力原理，让两者间的电磁铁的磁性相互抗衡，致使电磁铁不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。再通过外套体与内套体来包覆定子与转子，使其能够导磁以达到隔绝电磁力。并利用电流控制器来控制电流量的大小与电流的方向性，以达到增减电磁力的强度与磁极的方向。

Description

电磁式磁浮机构轴承

技术领域

本发明涉及一种电磁式磁浮机构轴承。

背景技术

目前现有的轴承当中，其种类繁多，按其用途及规格等来细分，约超过数万多种，因此归类颇为不易，若依照轴承的机能及相对运动的方式区分，约可分为滚动轴承及滑动轴承二大类，且滚动轴承与滑动轴承各有其优缺点。

滚动轴承与滑动轴承相比较，其优点在于所产生的摩擦力较低、润滑简单、可同时承受径向与推力的负载、忍受超载、可与转轴紧密接合，使激活扭矩较小，而且当轴径相当时，其所占的轴向空间也较少；然而，滚动轴承价格较高、噪音大、所需的径向空间较大、使用寿命短、承受震动的能力较差，而且在破坏前并无预警的迹象，以至于容易造成整体机构的损坏…等，则为滚动轴承的缺点。

另外，滑动轴承主要使用于负荷重、速度低及有冲击性的机械，而滚动轴承则大半用于负荷轻、速度快、精度高、无冲击性的机械，但是这二类轴承都是具有其限制性，例如摩擦问题就无法避免，摩擦力不仅损耗能量及机件，也会产生高温，致使机件因高温而产生变形，而影响其精度，甚至破坏整个设备，且速度愈高时，该问题会愈严重，而为解决摩擦问题，通常会配合适当的润滑油来降低摩擦系数，来达到改善的目的，然而，使用润滑油会产生污染问题，严重时甚至会影响到整个轴承的运作，而且也不利于环保。

再者，传统接触性的轴承装置，不论如何的加以改善，都无法完全消除摩擦现象，以致机构零件会因摩擦产生微粒漂浮于其中，无法符合目前高科技产业的需求，因此为了解决摩擦问题，即有业者朝非接触式轴承的方向进行研发。

而目前现有的非接触式轴承主要分为三类：

1.空气轴承：其缺点是负荷大时会造成精度较差，难以控制，且刚性不佳，可承受力量较小。

2.流体轴承：其刚性高，可承受负荷大，成本也不高，但是流体阻尼太大，且容易受温度影响，进而影响精度。

3.磁浮轴承：目前被认为最具发展潜力的非接触式轴承，它是根据磁力作用的原理，以借着磁场感应产生的磁浮力，将转轴悬浮起来，使得定子与转子之间不会相互接触。

由上可知，相较于其它非接触式轴承，磁浮轴承确实拥有许多优点：

1.无旋转阻力，转轴的转速可远高于其它轴承。

2.不需要复杂的润滑系统或气压系统。

3.使用寿命长、维修成本低。

4.无磨擦，可避免因摩擦所产生的阻抗、噪音以及污染问题。

5.用于非常低温或高真空状态等特殊工作环境(如外层空间等)。

6.过主动式控制提供所需的刚性，并有效抑制因高速运转时所产生的振动问题。

然而，磁浮轴承虽有如此多优点，然其亦有某些问题存在，其缺点如下：

1.电流流经电磁铁时，会因为电磁铁的磁场线圈的电阻而发热，进而造成能量上的损耗。

2.磁性电感较低。

3.磁力线发散情形严重。

4.结构复杂且不易组装。

因此，如何将目前的磁浮轴承的缺点做一改善，成为业界普遍的问题。

发明内容

本发明的主要目的是利用一种呈单一五角形块的电磁铁，让定子与转子上的电磁铁做一交错，再利用电斥力原理，让两者间的电磁铁的磁性相互抗衡，至使电磁铁不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。

本发明的次要目的是改变电磁铁的形状，使其呈单一五角形块，可达到改善磁力线发散的情况，并通过改变磁束的分布来提升其机构本身的刚性；

本发明的另一目的是提供一种电流控制器来控制电流量的大小以增减电磁力的强度与磁极，使其转子周围能够平均的受力，以提高磁性电感，在本发明的设计下能将磁性轴承调到最适当的位置，可防止转子自理想路径中发生位移；

本发明的又一目的是通过磁浮作用使转轴转动时，定子与转子不会因互相摩擦，致使能量损耗，以使转轴可高速运转

为达上述的目的，其本发明的电磁式磁浮机构轴承至少包含：

电磁铁，呈单一五角形块，而该电磁铁上具有一磁场线圈；定子，其内侧包覆着复数个电磁铁，该定子是用导磁材料所制成，并呈一中空圆环状；

转子，其外侧包覆着复数个电磁铁，该转子是用导磁材料所制成，并呈一中空圆环状；

外套体，将定子外侧包覆起来，且该外套体由导磁材料制成，以达到隔绝磁性的效用；

内套体，设于转子的内侧，且该内套体由导磁材料制成，以达到隔绝磁性的效用；

电流控制器，用来控制电磁铁上电流的大小及方向性，使其能改变电磁力之强弱与磁极；

转子与定子做一套合，并利用呈单一五角形块的电磁铁，让定子与转子上的电磁铁做一交错，并利用电斥力的原理来产生磁旋涡，让两者间的电磁铁的磁性相互抗衡，至使电磁铁不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。

当定子与转子交错时，定子与转子的顶部及底部会有一间隙，而该间隙会比两者电磁铁之间的适当间隙要小，当转子转动超过负荷时，定子与转子的顶部及底部会相互碰撞，可适时的保护定子与转子两者间的电磁铁不会相互撞击，并再通过外套体与内套体来包覆定子与转子，以导磁来隔绝电磁铁的磁性。

因为电磁铁的形状呈现为单一五角形块，并将该电磁铁一块一块的平行与垂直排列，所以能够达到改善磁力线发散的情况，并通过改变磁束的分布来提升其本身的刚性。而该电磁铁上的磁场线圈可以用超导体材质来做环绕，使其能够接近零电阻的状态，进而达到增加电流的能量的目的。

本发明具有以下的优点：

1.利用一种呈单一五角形块的电磁铁，让定子与转子上的电磁铁做一交错，再利用电斥力原理，让两者间的电磁铁的磁性相互抗衡，至使电磁铁不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。

2.定子与转子上的电磁铁呈上下相互交错排列，让定子与转子两者间的电磁铁利用电斥力形成适当空隙，且当定子与转子交错时，定子与转子的顶部及底部会有间隙，而该间隙会比两者电磁铁之间的适当间隙要小，当转子转动超过负荷时，定子与转子的顶部及底部会相互碰撞，所以当转子转动超过负荷时，可保护两者间的电磁铁不至于相互撞击。

3.将电磁铁形状改为单一五角形块，以达到改善磁力线发散的情况，并将电磁铁一块一块的平行与垂直排列于定子与转子上，两者电磁铁磁性最强的地方，即是在于尖端处，也就是两者相对应的部份，使其能够达到改变磁束的分布来提升其本身的刚性。

4.可通过电流控制器来控制电流量的大小与电流的方向性，以达到增减电磁力的强度与磁极，使其转子的周围能够平均的受力，以提高磁性电感；且能将磁性轴承调到最适当的位置，能防止转子自理想路径中发生位移。

5.利用电斥力让转子做悬浮，使转子在旋转时可达到无磨擦、无噪音、低耗能、反应速度快、可使转子达到极高的转速。

附图说明

图1为本发明的分解示意图；

图2为本发明中定子与转子放大分解示意图；

图3为本发明中定子与转子的组合图；

图4为本发明中定子与转子的剖面图；

图4-1为本发明实施例定子与转子磁力分布示意图；

图5为本发明的示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、4-1及图5所示，本发明的电磁式磁浮机构轴承，其至少包括：

电磁铁3，其形状呈单一五角形块，而该电磁铁上具有磁场线圈31；

定子1，该定子1内侧包覆着复数个电磁铁3，并将该复数个电磁铁3一块一块排列，使其呈一中空圆环状，且是用导磁材料所制成；

转子2，该转子2外侧包覆着复数个电磁铁3，并将该复数个电磁铁3一块一块排列，使其呈一中空圆环状，且系用导磁材料所制成；

外套体4，将定子1外侧以导磁材料包覆起来，以达到隔绝磁性的目的；

内套体5，设于转子2的内侧壁面，并以导磁材料包覆起来，以达到隔绝磁性的目的；

电流控制器6，用来控制电磁铁3上电流的大小及方向性，使其能改变电磁力的强弱与磁极；

转子2会置于定子1的中空处，与定子1做一套合，并利用呈单一五角形块的电磁铁3，让定子1与转子2上的电磁铁3做一交错，并利用电斥力的原理来产生磁旋涡，让两者间的电磁铁3之磁性相互抗衡，形成适当间隙，致使电磁铁3不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。当定子1与转子2交错时，定子1与转子2的顶部及底部会有一间隙，而该间隙会比两者电磁铁3之间的适当间隙要小，当转子2转动超过负荷时，定子1与转子2的顶部及底部会相互碰撞，可以保护电磁铁3不至于相互撞击。

该电磁铁3的形状系呈单一五角形块，并将该电磁铁3一块一块的平行与垂直排列，使其能够达到改善磁力线发散的情况，并通过改变磁束的分布来提升其本身的刚性。透过外套体4与内套体5来包覆定子1与转子2，而该外套体4与内套体5均由导磁材料所制成。

请参阅图4-1，定子1与转子2上的电磁铁3相互交错时(如：30度、45度..等角度，其最佳实施角度为45度角)，a面与b面相互排斥，而c面与d面相互排斥，其转子2在做动作时，不会让电磁铁3产生位移，使其能够达到定位的目的，让定子1与转子2上的电磁铁3能够定位在其交错的正中间位置。

而电磁铁3上的磁场线圈31是可以用超导体材质来做环绕，使其能够接近零电阻的状态，进而达到增加电流的能量。

本发明所提供的电磁式磁浮机构轴承在实施时，是利用电流控制器6来产生直流电或交流电，并透过磁场线圈31来做传导，以控制电磁铁3的电磁力的强弱及磁极方向，让转子2做转动的动作，并利用固定架7将本发明的电磁式磁浮机构轴承做固定。

其中，当定子1的电磁铁3嵌入部份为S极的极性时，而该转子2的电磁铁3嵌入部份也必须为S极的极性。定子1与转子2将电磁铁3嵌入的部份利用导磁材料所包覆起来，所以嵌入的部份不会产生磁性。

定子1与转子2相对应的部份都为N极，利用同磁极相斥原理，让定子1与转子2之间形成间隙，让转轴套设于本发明的电磁式磁浮机构轴承上转动时，因为定子1与转子2的不相互接触，进而达到无摩擦、无噪音及低耗能的目的。电磁铁3上的磁极会因为电流控制器6的改变而有所不同，且定子1与转子2两者电磁铁3磁性最强的地方，即是尖端的部份，也就是两者相对应的部份。

Claims (6)

1.一种电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：它包含：

电磁铁，其形状呈单一五角形块，而该电磁铁上具有磁场线圈；

定子，该定子内侧包覆着复数个电磁铁，且该定子用导磁材料所制成；

转子，该转子外侧包覆着复数个电磁铁，且该转子用导磁材料所制成；

外套体，将定子外侧包覆起来，且该外套体用导磁材料所制成，以达到隔绝磁性的目的；

内套体，设于转子的内侧壁面，且该内套体用导磁材料所制成，以达到隔绝磁性的目的；

电流控制器，用来控制电磁铁上电流的大小及方向性，使其能改变电磁力的强弱与磁极；

将转子与定子做一套合，并利用呈单一五角形块的电磁铁，将定子与转子上的电磁铁做一交错，并利用电斥力的原理来产生磁旋涡，让两者间的电磁铁的磁性相互抗衡，至使电磁铁不会产生位移，使其能够达到稳定定位的功能。

2.根据权利要求1所述的电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：其中所述的电磁铁上的磁场线圈利用了超导体材质。

3.根据权利要求1所述的电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：所述的定子呈中空圆环状。

4.根据权利要求1所述的电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：所述的转子呈中空圆环状。

5.根据权利要求1所述的电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：所述的电流控制器能够提供直流电。

6.根据权利要求1所述的电磁式磁浮机构轴承，其特征在于：所述的电流控制器能够提供交流电。

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