CN101799046A - 均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承是利用多个磁环端面边缘倒角磁环进行轴向挤压，实现轴向磁悬浮；再利用轴向充磁磁环内外侧靠近端面的部分存在表磁的物理现象，使多个悬浮磁环受到径向挤压，实现径向悬浮。最终实现整体全磁悬浮。

Description

均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承

所属技术领域

本发明涉及一种均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，该轴承利用端面边缘倒角(或不倒角)的磁环进行对应相互挤压，在通过倒角降低径向偏力的情况下，实现轴向悬浮；同时利用轴向充磁磁环内外侧面的磁场进行径向相互挤压，使其中的悬浮环受到稳定的径向挤压力，就可以实现悬浮环的径向悬浮。这样可以利用磁的挤压力支撑轴承的轴向径向载荷，实现轴承的全磁悬浮。属于磁悬浮技术领域。

背景技术

目前，完全由强磁稀土材料生产的磁悬浮轴承还没有研制出来，这主要是因为目前我们的磁物理学理论与实际钕铁硼材料的表磁特性存在一定差距。结果导致广大机械工程师都按照现有原理设计的磁悬浮轴承都不能实现磁悬浮。我们通过数年在不同地区长时间反复试验，最终发现钕铁硼永磁体的表磁规律，同时试验了动态挤压状态下的表磁和挤压力的变化情况，最终设计出这种磁悬浮轴承。

发明内容

本发明的原理是利用钕铁硼永磁环的端面表磁场，使其中的一个或多个磁环受到轴向挤压力，实现主轴的轴向悬浮；再利用钕铁硼永磁环的侧向表磁场，使其中的一个或多个磁环受到均衡径向挤压力，实现主轴的径向悬浮。在钕铁硼永磁体中，轴向充磁磁环的内外侧边缘存在与端面极性相反磁场，这种磁场的方向基本垂直于磁环的端面，会对处于磁环边缘的磁体产生作用力，也会对磁环端面上方的磁体产生作用力。在磁环端面受到另外一个同极磁环挤压时，其端面内外侧的反极磁场会成倍增加。这种反极磁场对挤压磁环的吸力也会增加。反之会对磁环产生挤压力。

为了克服反极磁场给对应同极挤压环产生的径向吸力，我们采用给磁环端面倒角的方式，使磁环端面内外侧的反极磁场远离端面，这样可以降低磁环端面挤压时，悬浮环受到的径向吸力。

钕铁硼永磁体加工成的轴向充磁磁环，其端面内外侧平行于端面的方向存在一种与端面相同且平行的磁场，这种磁场越靠近端面越强，由两端向中间逐渐衰减，磁环侧面的中间处为0。该侧面磁场是一种连续的环形磁场。与同样方向的磁环侧面磁场进行挤压时，能够产生较大的径向挤压力。且磁场不会因为被挤压而衰减。

如果将磁环的侧面加工成锥形斜面，其侧面环形磁场的方向仍然会平行与磁环的端面，不会随锥形角度的变化而改变。因此我们可以用锥形径向悬浮环取代圆柱形径向悬浮磁环，成为锥形环磁悬浮轴承。

这里还有一个距离与挤压力的问题。磁环轴向端面相互挤压时，其距离越近，挤压力越大。挤压力与距离半径的平方成反比。而利用磁环侧向磁场进行挤压时，距离与挤压力的关系不完全与轴向挤压力相同。在距离小于1毫米时，其挤压力的变化就不再是与距离半径的平方成反比。所以侧面磁场挤压情况有别于轴向磁场挤压情况。

但是当轴向充磁磁环的侧面挤压另外一个轴向充磁磁环侧面时，前面提到的垂直于端面的反极磁场同样存在，磁环侧面挤压产生径向挤压力同时，轴向吸力也非常大，这就导致轴向悬浮力降低。此时需要加大轴向悬浮磁环的体积和降低轴向吸力。降低径向挤压环之间的轴向吸力可以采用使两个相互径向挤压环的端面不在同一平面上，两端对称。另外还可以把轴向挤压环和径向挤压环分离，使轴向挤压环只负责轴向挤压，径向挤压环也单独负责径向挤压。这样都可以降低径向挤压时的轴向吸力。

本发明原理解决的问题所采用的技术方案是：在轴承套的内侧中间固定一个轴向挤压环，在轴承套的两端对称固定两个径向挤压环。两个悬浮环固定在主轴上，其轴向挤压端面分别与轴向挤压环的两个端面挤压，产生轴向悬浮力；两个悬浮环的外侧面分别与两个径向挤压环的内侧面相互挤压，使两个悬浮环处于径向悬浮状态。这种方案可以设计出磁悬浮轴承。

但是根据原理图(图1)所示，在两个磁环进行同极挤压时，其磁环端面外侧的反极会成倍增加。理论上这种反极场只要完全相对还是会产生斥力。但是实际试验中，两个相互轴向挤压磁环不能完全相对，这样边缘反极磁场就会对磁环端面上的对应挤压磁环产生吸力，这样就体现出两个磁环之间的径向偏力。另外还会降低轴向挤压力。根据原理图(图2)所示，磁环侧面存在一种与磁环端面平行的侧向磁场。当两个磁环利用其侧面磁场进行径向挤压时，其端面的轴向磁场会降低。这样就会导致整体轴向悬浮力降低。

所以就需要把轴向悬浮环和径向悬浮环分开。

另外主轴可以是空心结构。

附图说明

图1是本发明的磁环轴向挤压及表磁状况的径向剖面构造图。

图2是本发明的磁环径向挤压及表磁状况的径向剖面构造图。

图3是本发明的磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图4是本发明的悬浮环功能分开磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图5是本发明的轴向外挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图6是本发明的悬浮环功能分开的轴向外挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图7是本发明的大环外轴向挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图8是本发明的悬浮环功能分开的大环外轴向挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图9是本发明的挤压环功能分开的大环内轴向挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图10是本发明的无轴向悬浮支撑锥形环磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

图11是本发明的轴向悬浮环为多环的锥形环磁悬浮轴承的径向剖面构造图。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，上轴向挤压环1，下轴向挤压环2，上轴向挤压环边缘反极磁场3，下轴向挤压环边缘反极磁场4。当磁环1与磁环2相互挤压时，其四周边缘反极磁场会成倍增加。这个反极磁场的方向如4所示，基本垂直于磁环端面。这种磁场4会对磁环1产生轴向和径向吸力，在多磁环配套挤压悬浮时，主要表现为径向吸力。如果对磁环边缘进行倒角，就可以使边缘的这种反极远离端面，就可以降低这种径向吸力。

图2中，磁环1和磁环2的侧面存在一种与端面同极，但是平行于端面的磁场3。这种磁场3存在于磁环的内外侧，而且不会因为与其他磁场挤压而衰减，并且能够维持稳定挤压力。利用两个极性方向相同的磁环(环1和环2)外侧的环形磁场3进行径向挤压，能够产生稳定的径向力，同时不会影响磁环的旋转。由于磁环侧面还存在垂直于端面的反极，两个长度相同的磁环在挤压时，其轴向吸力会比较大。另外磁环1和磁环2在径向相互挤压时，其端面的表磁4会降低，且幅度较大。所以轴向悬浮环和径向悬浮环最好分开。

图3中，主轴1，悬浮环2，径向挤压环3，轴向挤压环4，轴承套5。两个径向挤压环3安装在轴承套5的两端，轴向挤压环4安装在轴承套5的中间，主轴1穿过中间，使悬浮环2处于轴向挤压环4的两端，实现轴向悬浮；同时悬浮环2还处于径向挤压环3的中间，受到径向挤压环3的均衡径向挤压力，实现径向悬浮。

其中径向挤压环3与悬浮环2的轴向长度不相同，是为了降低挤压环3和悬浮环2之间的轴向吸力。

图4中，两个径向挤压环4的内侧挤压两个径向悬浮环3的外侧，使径向悬浮环3处于径向悬浮状态；轴向挤压磁环6的两端挤压两个轴向悬浮环5，使其处于轴向悬浮状态。径向悬浮环3和轴向悬浮环5中间用不导磁的环7隔开。径向挤压环4和轴向挤压环6固定在轴承套2内。径向挤压环4、不导磁的环7和轴向挤压磁环6共同安装在主轴上。主轴1穿过轴承套2，悬浮于轴承套2内。这种将径向悬浮磁环和轴向悬浮磁环分开的办法可以避免挤压环之间的磁场相互干扰。

整个轴承可以从轴向挤压环6的中间拆分开来，成为左右对称的两个部分。中间用于安装电机转子或其他转动设备。

图5中，径向挤压环5安装在轴承套2的中间，挤压悬浮环4的侧面，使悬浮环4处于径向悬浮状态；两个挤压面边缘倒角的轴向挤压环3安装在轴承套的两侧，挤压悬浮环4的两端，使悬浮环4处于轴向悬浮状态。悬浮环中间可以安装主轴1。这样悬浮环就可以实现全悬浮。其中轴向挤压环倒角的半径和角度不限。

图6中，径向挤压环7安装在轴承套2的中间，挤压径向悬浮环6，两个轴向挤压环3安装在轴承套2的两侧，挤压两个轴向悬浮环4，轴向悬浮环4和径向悬浮环6之间用不导磁的环5隔开，轴向悬浮环4、径向悬浮环6及不导磁的环5共同安装在主轴1上，这样主轴就可以获得均衡的轴向及径向挤压力，实现主轴完全悬浮。

图7中，两个径向挤压环4安装在轴承套6的两端，挤压两个安装在主轴1上的径向悬浮环5，实现径向悬浮；两个轴向悬浮环3通过支撑体2安装在主轴上，与挤压环4对应，实现轴向悬浮。这种设计可以保持大直径转子的稳定。径向挤压环4与径向悬浮环5的长度可以相同。

图8中，径向挤压环6安装在轴承套7的中间，挤压安装在主轴1上的径向悬浮环5的外侧，使悬浮环5处于径向悬浮状态；两个轴向挤压环4安装在轴承套7的两端，两个轴向悬浮环3通过支撑体2安装在主轴1上，两个轴向挤压环4挤压两个轴向悬浮环3，带动主轴1实现轴向悬浮。

图9中，两个径向悬浮环3安装在轴承套7的两端内侧，挤压两个安装在主轴1上的径向悬浮环2，实现主轴的径向悬浮；两个轴向挤压磁环5对称安装在轴承套7内，挤压两个安装在支撑体8上的轴向悬浮磁环6，支撑体8安装在主轴1上。这样主轴就获得稳定的轴向和径向悬浮力。

图10中，外侧为锥形斜面的径向悬浮环2固定在主轴1上，悬浮在内侧面为锥形斜面的径向挤压环3的内侧，径向挤压环3安装在轴承套4的两侧。此时悬浮环2通过外侧环形磁场的径向悬浮力实现径向悬浮，又通过锥形斜面的分力，分解部分挤压力对称向外，实现轴向悬浮。这种结构由于没有轴向悬浮支撑，不稳定。

图11中，外侧为锥形的径向悬浮环3固定在主轴1的两端，与内侧为锥形斜面的挤压环4实现径向挤压悬浮。挤压环4固定在轴承套2的两端。轴向悬浮环5和6相互套在一起，固定在主轴1上。轴向挤压环7安装在轴承套2的内侧，其端面与轴向悬浮环5和6端面相互挤压，实现主轴的轴向悬浮。轴向悬浮环5和6之间可以有间隙，也可以没有间隙；其挤压端边缘可以倒角，也可以不倒角。锥形径向悬浮环3与轴向悬浮环5和6之间通过不导磁的环8隔离。这样主轴整体就实现了完全悬浮。

图7、图9、图10和图11是轴承从中间拆分开来的结构。上述所有磁悬浮轴承都可以用相同方式从轴承中间拆分开来，然后根据需要在对称悬浮磁环中间或两侧，安装旋转体转子。使其成为磁悬浮轴承一体机。

在上述设计结构中，可以在磁环的挤压面和非挤压面上开凹槽，所开的凹槽形状不限，凹槽可以是连续的环形，也可以是不连续的槽，或者是未穿透的孔。也可以在磁环非挤压面上加工一些突起，这些突起可以是环形连续的，也可以是不连续的环形，其形状不限。其用途可以是起到固定作用，也可以起到增加挤压面表磁的作用。

在上述设计中，在磁环上对称少量开孔，不会影响磁环的表磁。所以可以通过对磁环实施穿孔优化，可以降低轴承的重量，节约资源。

根据钕铁硼材料的特性，上述设计中的磁环的挤压面和非挤压面边缘可以倒角，也可以不倒角。

在上述设计中，磁环可以是整体磁环，也可以是由磁瓦拼接而成的磁环。拼接磁瓦之间可以有间隙，也可以没有间隙。磁瓦上也可以有凸起、凹槽和穿孔。

在上述设计中，不同形状或组合的磁环可以根据需要任意组合使用，只要能够实现轴向和径向悬浮即可。

以上设计中，径向悬浮环可以是侧面平行于主轴的圆柱形磁环，也可以是侧面不平行于主轴的锥形磁环。只要挤压环与悬浮磁环侧面平行且匹配即可。

径向悬浮挤压磁环组可以是两对，只要对称也可以是多对。

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、等效变形形成的磁悬浮轴承，其技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：主轴1，悬浮环2，径向挤压环3，轴向挤压环4，轴承套5。两个径向挤压环3安装在轴承套5的两端，轴向挤压环4安装在轴承套5的中间，主轴1穿过中间，使悬浮环2处于轴向挤压环4的两端，实现轴向悬浮；同时悬浮环2还处于径向挤压环3的中间，受到径向挤压环3的均衡径向挤压力，实现径向悬浮。

2.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：径向悬浮和挤压磁环的侧面可以平行于主轴，也可以是不平行于主轴的锥形环。轴向悬浮用磁环其挤压面可以倒角。

3.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：磁环的挤压面和非挤压面都可以存在凹槽。凹槽的形状和深度不限，甚至可以是对称穿透的孔。同时磁环的非挤压面上还可以安装凸起，只要突起对称和不影响旋转，凸起的连续性和形状不限。

4.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：轴承中的完整磁环都可以由磁瓦拼接而成。

5.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：径向挤压磁环和对应径向悬浮磁环轴向长度可以相同，也可以长度不相同。

6.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：悬浮环可以同时具备径向悬浮和轴向悬浮的功能，也可以是径向悬浮环只负责径向悬浮，轴向悬浮环只负责轴向悬浮。

7.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：只要能够同时实现径向悬浮和轴向悬浮功能，其径向悬浮结构和轴向悬浮结构的排列形式不限。

8.根据权利要求1所述的均衡挤压径向悬浮环的磁悬浮轴承，其特征是：以上所有设计均可以任意组合使用。

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