CN101586625A - 磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴 - Google Patents

Abstract

本发明是一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，该轴承利用轴向充磁磁环端面和内外两侧的都具有与端面相同磁场的特性，利用固定在轴承套内的磁块组或内侧有凹陷的变形磁环对浮动旋转磁环的轴向和径向进行悬浮，再利用磁瓦或磁块对两个悬浮环的另外一端进行径向悬浮，使转轴完全悬浮起来，成为磁悬浮轴承。本磁悬浮轴承悬浮起来的主轴还可以带动其他设备的旋转部分悬浮起来，成为磁悬浮轴承一体机。

Description

磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴

所属技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的中轴，该系统是利用一个两端有内侧凹陷(外侧凹陷)形固定环(该环也可以由多块梯形台阶的磁块拼接而成)，对两个浮动的普通磁环边缘进行轴向径向挤压，实现轴承定子对轴承转子的轴向悬浮，附带径向悬浮。再用磁瓦(或磁块)对两个浮动环的外侧边缘进行对称挤压，实现主径向悬浮，成为永磁磁悬浮轴承。为了提高轴承悬浮力的刚性，还可以把部分永磁块替换成电磁铁，成为电磁永磁混合磁悬浮轴承。被悬浮起来轴承转轴上可以附载电机、鼓风机、压缩机、涡轮机、泵、水轮机、风扇、旋转门、光盘、电脑硬盘、水表及电表等需要旋转传动设备的旋转部分，成为磁悬浮中轴一体机。属于磁悬浮技术领域。

背景技术

目前，传统的磁悬浮轴承大多数不能实现全磁悬浮运转。普通轴承由于需要对滚珠进行摩擦，所以转速严重受限。轴承已成为许多技术发展的瓶颈。为了提高轴承的转速，就必须使轴承旋转部分与固定部分完全分离，使轴承旋转部分彻底悬浮起来。我们经过长时间技术攻关，最终使轴承的旋转部分找到了有力径向轴向悬浮支撑，实现了真正意义上的转子磁悬浮。由于是利用永磁材料进行磁悬浮，所以转轴悬浮起来之后与定子永远不会接触。另外还可以增加电磁铁或用电磁铁替代部分永磁块，以提高轴承的悬浮刚性。

发明内容

为了克服普通滚动轴承不能适应高转速要求和现有的磁悬浮轴承不能实现全悬浮高刚性的问题，本发明提供一种可将轴承旋转部分完全悬浮起来的磁悬浮轴承，可以实现上下磁力不对称抗偏心和强磁力抗偏心磁悬浮。该设备在整体翻转时仍然可以保证转子在全磁悬浮状态下运转，是一种适应动态设备如飞机上的磁悬浮轴承。

本发明原理解决的问题所采用的技术方案是：一个两端有凹陷的磁环(该磁环还可以用多块梯形台阶的磁块组拼接而成)固定在轴承套的中间，一根主轴穿过固定磁环，将两个悬浮环挤压悬浮在固定磁环的两侧，凹陷磁环的凹陷边缘挤压两个悬浮磁环的近中心端同极部分，使磁环受到轴向悬浮力。同时利用固定在轴承套两端的磁瓦组(或磁块组)对两个悬浮磁环的远中心端边缘进行均衡径向挤压，实现对轴承的径向悬浮。这样悬浮磁环就能够获得均衡的轴向径向悬浮力，带动转轴完全悬浮起来，成为全磁悬浮轴承。

其中悬浮磁环和磁块组都可以根据需要进行对称、对应变形。对悬浮环远中心端进行挤压的磁瓦(或磁块)的长度和挤压间距不限，磁块与悬浮环之间可以存在夹角，其角度不限。

经过试验，我们知道普通轴向充磁磁环N极端面和S极端面的环外侧和环内侧的近端部分都呈现与端面相同的极性，而且呈环形连续状态，每一个极环形磁场的高度约为磁环高度的二分之一，我们称为近端同极现象。这样我们就获得了一个径向封闭环形磁场，用方向为径向排列的磁瓦或磁块对旋转磁环同极部分进行环形对称径向挤压，旋转磁环就可以获得一个连续的径向悬浮力；再配合一个对的旋转磁环轴向悬浮力，两个对称旋转磁环就获得强有力的径向轴向悬浮支持。由于磁环内侧和外侧都有相同的情况，所以固定悬浮磁块也可以安装在磁环的内侧面，以适应外旋转转子的要求。

同时我们还发现，永磁体产生的磁场随时会在一定范围进行变化，而且几乎没有规律。两个极性相对的磁场之间产生这种变化，就会导致轴向悬浮时磁力必然会偏向一边。这种偏心力会加大一边的径向张力。由于其存在不确定性，这种张力方向是随机任意方向。在此时轴向张力越大，径向偏心力也越大，这样轴承径向的可承载力越小。所以该磁悬浮轴承存在轴向载荷与径向载荷成反比的现象。

根据试验，发现钕铁硼永磁体有许多独特的物理特性，其中有一点就是如果将钕铁硼永磁体进行变形，其中突出部位的磁场强度最大。其余部位的磁场强度明显较弱。我们称其为突出效应。这就是为什么两个锥形磁环形成的磁悬浮轴承径向承载力不够的原因。如果使悬浮环的径向挤压部位突出，可以提高轴承的径向载荷。另外钕铁硼永磁体还有其他多种独特的物理特性，我们根据近端同极现象、反推现象、突出效应和边缘聚集效应等物理特性设计了这种磁悬浮轴承。根据钕铁硼永磁体上述的物理现象，可以对轴承中的磁块和悬浮磁环进行合理变形，都可以实现转轴的全悬浮。其中用于实现径向悬浮的磁瓦的长度最好在挤压部分长度的一倍以上。

为了提高轴承的刚性和稳定性，我们还可以用电磁铁部分或全部取代固定部分的永磁块，使其成为电磁永磁混合磁悬浮轴承。

旋转磁环在被悬浮之后可以带动主轴悬浮起来，主轴可以带动电机、鼓风机、压缩机、涡轮机、泵、水轮机、风扇、旋转门、光盘、电脑硬盘、水表及电表等设备的旋转部分悬浮起来，成为具有磁悬浮功能的一体机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图2是本发明的小体积磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图3是本发明的小体积磁悬浮轴承的轴向构造图。

图4是本发明的锥形悬浮环径向抗偏心磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图5是本发明的径向抗偏心磁悬浮轴承的径向悬浮磁瓦的轴向视图。

图6是本发明的立式高轴向载荷磁悬浮轴承主轴一体机的径向剖面构造图。

图7是本发明的半悬浮磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图8是本发明的轴向悬浮部分变形磁悬浮轴承风扇一体机径向剖面构造图。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，图1中，主轴1，轴承套2，远中心端径向悬浮磁块组(或磁瓦组)3，浮动旋转磁环4，中间用于两边轴向挤压的凹形磁环(或磁块组组成的环形磁体)5等。主轴1穿过中间用于两边轴向挤压的凹形磁环5，将两个浮动旋转磁环4挤压悬浮在中间凹形磁环5的两侧，此时磁环5对两个悬浮环产生轴向悬浮力，实现对磁环的轴向悬浮；两组远中心端径向悬浮磁块组3对悬浮磁环的远中心端部分侧面进行对称向心挤压，实现对两个悬浮磁环的径向悬浮。远中心端径向悬浮磁块组(或磁瓦组)3和中间用于两边轴向挤压的凹形磁环(或磁块组组成的环形磁体)5全部安装在轴承套2内，这样轴承的转轴就完全悬浮了起来。

图2是本发明的小体积磁悬浮轴承，其中，主轴1穿过由多块变形磁块4组成的轴向悬浮结构的中间，将两个浮动旋转环3悬浮在磁块组4的两侧，用于径向挤压的多块磁瓦5对称安装在变形磁块4之间，对悬浮环3进行径向悬浮，多块变形磁块4和用于径向挤压的多块磁瓦5全部安装在轴承套2内。磁块体积在一定比例条件下，就可以悬浮起两个浮动旋转环3。实现全磁悬浮的目的。该结构还可以将中间挤压磁瓦和磁块均衡分成两部分，对一个悬浮磁环的两边进行对称挤压，实现磁悬浮，同时减小轴承体积。

图3是本发明的小体积磁悬浮轴承的轴向构造图。其中用于对磁环4进行轴向挤压的多块变形磁块4和用于对磁环3进行径向挤压的多块磁瓦5均衡对称的安装在轴承套2内。

图4是本发明的锥形悬浮环径向抗偏心磁悬浮轴承的径向剖面图。多块磁瓦4对两个悬浮环3进行轴向挤压，其中上部两个磁瓦4a小于下部两个磁瓦4b，这样悬浮环3就产生一个向上的浮力，该浮力可以抵消较大的转子重力，实现径向抗偏心。根据钕铁硼永磁体的突出效应，悬浮磁环远中心端可以呈锥形，这样环的凸出部位磁场强度较强，有利于提高径向载荷。挤压悬浮环的磁瓦也可以根据钕铁硼永磁体的突出效应进行类似变形，只要符合钕铁硼永磁体的四种效应，变形的形状不限。

图5是图4中右边径向悬浮磁瓦的轴向视图。其中上部两个磁瓦4a的体积小于下部两个磁瓦4b的体积。

图6是本发明的立式高轴向载荷磁悬浮轴承主轴一体机的径向剖面构造图。其中两个凹形磁环5两个对悬浮环4进行轴向挤压的方向全部向上，两个半磁悬浮轴承之间用于安装电机、水轮机等设备，使其成为立式磁悬浮轴承一体机。

图7是本发明的半悬浮磁悬浮轴承。其只有一个向上的挤压磁环对一个悬浮环进行挤压悬浮，有一组径向挤压磁瓦对磁环进行径向挤压悬浮。上面下面都可以有限位轴承，底部可以安装螺丝等固定结构限制磁环上移。这样虽然有轻微径向摩擦，但是轴向摩擦已被磁环全部悬浮起来，大大降低了摩擦阻力。用于低转速重轴设备时，节能效果十分明显。

图8是本发明的轴向悬浮部分变形磁悬浮轴承风扇一体机。其中用于轴向挤压的固定环6挤压面为内凹的瓦形，对应悬浮磁环5的挤压悬浮面为外凸锥形，这样实现轴承的轴向悬浮。该结构为美国人设计的磁悬浮轴承结构，但是几乎悬浮不起来，即使悬浮起来，径向承载力也非常低，因此人们认为磁环的加工精度不高，磁块的密度不均匀，导致磁场不均匀。所以磁悬浮才会失败。实际上是因为其变形之后锥形面的磁场降低了，磁场聚集在凸出部位的顶端，所以其悬浮力不足。只要充分了解钕铁硼永磁体的物理学特性，再在悬浮磁环的远中心端安装径向悬浮磁瓦组4，对悬浮磁环5进行径向悬浮，轴承转轴1就能够完全悬浮起来。同时主轴1上还可以附带风扇叶轮2和电机转子7，通过电机定子8带动电机定子7转动，就可以成为磁悬浮轴承风扇一体机。

另外该主轴还可以负载其他需要旋转传动设备的转子部分，成为鼓风机、压缩机、涡轮机、泵、水轮机、风扇、旋转门、光盘、电脑硬盘、水表及电表等磁悬浮轴承主轴一体机

在以上多项实施例中，不同的实施例中的配件可以与其他实施例任意组合搭配，成为适应不同要求的磁悬浮轴承。

除以上实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换、等效变形形成的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：主轴1穿过中间用于两边轴向挤压的凹形磁环5，将两个浮动旋转磁环4挤压悬浮在中间凹形磁环5的两侧，此时磁环5对两个悬浮环产生轴向悬浮力，实现对磁环的轴向悬浮；两组远中心端径向悬浮磁块组3对悬浮磁环的远中心端部分侧面进行对称向心挤压，实现对两个悬浮磁环的径向悬浮。远中心端径向悬浮磁块组(或磁瓦组)3和中间用于两边轴向挤压的凹形磁环(或磁块组组成的环形磁体)5全部安装在轴承套2内，这样轴承的主轴1就完全悬浮了起来。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：浮动旋转环可以根据钕铁硼永磁体具有凸出部位磁场强度最大的特点(凸出效应)进行变形。固定挤压磁瓦可以挤压在其突出部位。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：轴向挤压磁块和径向挤压磁块可以全部安装在两个悬浮环的中间，对悬浮环进行对称轴向径向挤压，实现轴承的磁悬浮。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：在卧式状态下，用于两边径向挤压的磁瓦，其下面磁瓦的体积可以大于上面磁瓦的体积，使下面磁瓦对悬浮环的挤压力大于上面磁瓦对悬浮磁环的挤压力，其力差可以抵消主轴的重量。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：轴向悬浮磁块(或磁环)与浮动旋转磁环之间的挤压面可以是锥形斜面，斜面角度不限。浮动旋转磁环受到的轴向悬浮力可以是全部向上，用于承载较大的轴向重量。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：用于对浮动环进行挤压的磁块可以部分获全部由电磁铁取代。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：轴向挤压磁块和径向挤压磁瓦均可以对浮动旋转磁环的内侧进行轴向径向挤压，实现对轴承的轴向径向悬浮。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴，其特征是：悬浮起来的主轴可以带动电机、鼓风机、压缩机、泵、涡轮机、汽轮机、风扇、光盘、电脑硬盘、旋转门、水表及电表等设备的旋转部分悬浮起来，成为磁悬浮轴承一体机。

9.根据上述权利要求，不同的轴承结构中的配件可以任意组合搭配，成为适应不同需要的磁悬浮轴承或磁悬浮主轴一体机。

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