CN101709746A - 五自由度永磁悬浮轴承转子系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，它包括一个外壳，一个转子，2个径向轴承和2个轴向轴承，该四个轴承都是全永磁悬浮轴承，实现转子的五自由度完全悬浮。本发明易于在相关工业领域中推广应用。

Description

五自由度永磁悬浮轴承转子系统

技术领域

本发明涉及一种5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，不采用任何电磁或机械装置作为辅助措施就可以实现转子的完全悬浮。本发明可以减轻机械装置的整体重量，且无需传感器和外置控制器，除了具有传统电磁轴承的诸多优点外，还有结构简单紧凑，不需要提供能源等特点，适用于为一般或特殊要求的转子提供支撑。

背景技术

在工程实践中，由于转子可绕轴向任意转动，因此对于转子系统而言共有五个自由度。当这五个自由度都得到控制时，则称转子系统为五自由度全控制。在本发明所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统中，两个轴向永磁轴承控制系统一个轴向移动的自由度，两个径向永磁轴承分别控制系统沿径向移动及转动的自由度。

本发明涉及之技术领域目前为非磁性材料环境，并对周围的物件可能产生磁化影响，因此应用中有必要进行磁屏蔽。

目前，磁悬浮轴承作为世界上公认的高性能支撑部件，已经得到了广泛的认可。这种具有传统机械支撑技术所无法比拟的支撑部件具有各类传统轴承无法达到的技术指标和性能特点。国际上研究磁悬浮轴承的理论与技术可以追溯到上个世纪之初，我国研究主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing，简称AMB)的历史可以追溯到上个世纪八十年代。

目前，磁悬浮轴承的基本理论和技术问题大部分得到了解决，目前主要面对的是工业应用问题，而其中相关的工艺要求和技术指标等方面的问题不尽相同，已成为这一技术发展的瓶颈之处。因而有专家提出了智能磁力轴承(intelligent magnetic bearing，简称IMB)的概念，以求克服设计中的繁琐过程。但由于技术等客观条件的限制，这个概念也没有得到实现。故而到目前为止，磁悬浮支承这一新技术在我国的应用方面仍是空白。

发明内容

本发明的目的在于针对现有主动磁悬浮轴承(AMB)技术存在的性能、设计与应用方面的不足，提供了一种5自由度全永磁悬浮轴承转子系统。它的特点在于非同于其他依赖于任何辅助支承的永磁轴承系统，在摆脱了一切附属装置后真正实现了转子的5个自由度完全悬浮。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明是提出了一种基于使得转子在其5个自由度上实现完全悬浮的全永磁悬浮系统(Entire Permanent Magnet Levitation System，简称EPMLS)，这是仅仅依靠永久磁铁即可实现的转子稳定悬浮，其机理是利用了永久磁铁的动态力平衡技术，使得系统中的所有永磁体产生的磁力既相互依赖，又相互约束，或称之为“以线代面”、“线面结合”技术，从而达到系统(转子)在一种动态下的自稳定。

本发明之全永磁悬浮轴承转子系统其技术难点是全永磁轴承的充磁与系统的安装。可以认为，本发明之全永磁悬浮轴承转子系统的技术指标将依据充磁与安装技术的性能与难度而定，并正比于这些技术指标与难度。

本发明涉及之全永磁悬浮轴承转子系统可广泛应用于特种工业领域。其优点是除了具有AMB的所有特征外，无需提供任何的能源，是一种既节能又环保的新支承部件。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，包括一个外壳，一个转子，2个轴向轴承和2个径向轴承。

所述四个全永磁悬浮轴承的磁化方向为：轴向轴承轴向磁化，径向轴承径向磁化。

所述四个全永磁悬浮轴承有四个小环：2个轴向轴承动磁环和2个径向轴承动磁环，还有4个大环：2个轴向轴承静磁环和2个径向轴承静磁环。轴向轴承动磁环和径向轴承动磁环分别安装于转子的两端外侧和内侧位置处，与转子固定连接，轴向轴承静磁环和径向轴承静磁环则与外壳固定连接。

所述轴向轴承动磁环的外围与与轴向轴承静磁环内圈存在设定的倾斜度，提供一个轴向向心力，并提高转子的定位精度，以及提供由径向轴承引起的轴向静平衡力，这一倾斜度最小为零。

所述两个径向全永磁悬浮轴承动磁环与静磁环之间的轴向偏移距离Z。径向全永磁悬浮轴承动磁环与静磁环之间的工作气隙X为必需。在工作中，径向全永磁悬浮轴承之间的轴向偏移距离Z可以按照需要进行调整，但径向全永磁悬浮轴承之间的工作气隙一般不可人为改变。

为了克服径向全永磁悬浮轴承对轴向运动产生的影响，在轴向全永磁悬浮轴承内环表面采用斜度处理是可行的。其轴向全永磁悬浮轴承动磁环与静磁环之间的斜度可以产生克服自身引发的轴向力并使转子趋于平衡，其磁平衡力的大小与其斜度大小有关，可以根据实际工况在加工前予以设计。但其斜度一旦设计完成，在实际工作中将无法调整。理论上说，这一倾斜度也允许为零。

本发明涉及之全永磁悬浮轴承转子系统可应用于特种工况，但其实现还需要进行磁场的屏蔽设计，其实际使用中对环境的影响将视屏蔽技术及效果而定。

本发明所述之全永磁悬浮轴承的技术可实现指标将与全永磁悬浮轴承的充磁、安装技术的精度与难度成正比。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的支承转子的轴承全部采用全永磁悬浮轴，实现转子的五自由度完全悬浮，不依赖其他任何辅助支承，摆脱一切附属装置，易于在相关工业领域中推广应用。

附图说明：

图1是本发明五自由度全永磁悬浮轴承转子系统结构示意图。

图2是图1中轴向轴承结构示意图(其中图(a)为剖面图，图(b)为局部剖开等轴测图)。

图3是图1中径向轴承结构示意图(其中图(a)为剖面图，图(b)为局部剖开等轴测图)。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例以结合附图详述如下：参见图1、图2、图3，本五自由度全永磁轴承悬浮系统，包括一个外壳1，一个转子4，两个轴向永磁轴承：动磁环2和静磁环5组成一对轴向永磁轴承，和两个径向永磁轴承：动磁环3和静磁环6组成一对径向永磁轴承。依靠永磁轴承产生的反向对称磁力使得转子趋向平衡稳定，达到利用全永磁实现悬浮的目的。

参见图1，上述悬浮系统中的径向永磁轴承是由动静两个磁环组成，动磁环2、动磁环3与转子4固接，静磁环5、静磁环6与外壳1固接。按照实际计算结果，动静环间的轴向间隙Z大小可调节。参见图1，上述悬浮系统中的轴向永磁轴承同样由动静两个磁环组成，动磁环2与转子4固接，静磁环5与外壳1固接。按照实际计算结果，动静磁环相对面的倾斜度可以改变，也可以为零。使得转子快速趋于稳定和平衡。

Claims (6)

1.一种5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，包括一个外壳(1)、一个转子(4)、2个轴向轴承和2个径向轴承，其特征在于所述2个径向轴承和2个轴向轴承都是全永磁悬浮轴承，安装位置为轴向对称。可实现转子的5自由度完全悬浮。

2.根据权利要求1描述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统其特征在于所述四个全永磁悬浮轴承的磁化方向为：轴向轴承轴向磁化，径向轴承径向磁化。

3.根据权利要求1所述的5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述的四个全永磁悬浮轴承有4个小环：2个轴向轴承动磁环(2)和2个径向轴承动磁环(3)，还有4个大环：2个轴向轴承静磁环(5)和2个径向轴承静磁环(6)。轴向轴承动磁环(2)和径向轴承动磁环(3)分别安装于转子(4)的两端外侧和内侧位置处，与转子固定连接，轴向轴承静磁环(5)和径向轴承静磁环(6)则与外壳(1)固定连接。

4.根据权利要求1所述的5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述轴向轴承动磁环(2)与轴向轴承静磁环(5)存在设定的倾斜度，提供一个轴向向心力，并提高转子的定位精度，以及提供由径向轴承引起的轴向静平衡力，这一倾斜度最小为零。

5.根据权利要求1所述的5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于2个径向全永磁轴承对称分布于转子上，径向轴承动磁环(3)与径向轴承静磁环(6)之间存在轴向偏移距离Z。

6.根据权利要求1所述的5自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于径向全永磁悬浮轴承中存在一个工作气隙X，该工作气隙X是按照实际工况的要求设计确定，使用中一般不可改变。

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