CN101979888A - 能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承 - Google Patents
能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，包括，一个非磁体轴承外圈和与旋转轴相配合的非磁体内圈，在所述非磁体轴承外圈上，嵌入有相向对称分布的径向永磁体磁极组，在跟随旋转轴一起转动的内圈上，制有沿整个圆周面环绕形成的环形外径凸台，凸台两侧设置有两个相互吸引的永磁体磁环；在外圈的内侧环面上制有环形内径凸台，其下方半圆环槽内嵌入有半圆永磁体磁环，在该环形内径凸台的上方两侧，设有两个相互吸引的永磁扇形磁体。本发明使旋转轴载荷力和上拉下顶的磁浮力形成的动态平衡力系。解决了大型设备高速旋转体轴承轴载荷力对轴承摩擦力发热耗量，需要冷却设备冷却，使用维护周期短等的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种无机械接触的磁悬浮支撑永磁型磁浮轴承，更具体地说，本发明涉及一种能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承。
背景技术
现有的轴承由于承担了轴转动时的精确定位和轴载荷产生的全部作用力，使传统的轴承使用时间长后，都会产生严重磨损，而必须更换。由于机械旋转体在转动时，轴载荷对轴承会产生影响轴承使用寿命的摩擦力，要消耗轴转动的部分能量，尤其是卧式旋转设备中高速运转的旋转轴自身重量，产生的单边径向作用力，加剧了滚珠轴承摩擦力对轴承的磨损速度，导致转轴的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性的失衡。甚至产生极高的温度，轴承产生的摩擦力发热而消耗转轴的能量，进一步缩短了旋转体的使用寿命。特别是在大型设备、发电机、高速旋转机械设备的转轴轴承，这种问题尤为突出，因此，现有技术不得不配置结构复杂、体积庞大、价格昂贵的冷却循环系统来加以解决。
随着旋转机械朝高转速、高精度和高柔性等多方向的发展，近年来有关磁力轴承的研究成果及发展动向论述已成为专家们竞相研究的热门课题。2010年8月22日至25日，在汉举行的，由武汉理工大学与西安交通大学共同主办，武汉理工大学校承办的“第十二届国际磁悬浮轴承学术会议”，来自17个国家和地区的约130位代表出席了会议，来自英、美、德、日、南非、瑞士、奥地利等国家和地区的近80名知名学者作了磁悬浮轴承的学术报告。
现有技术中的特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中的悬浮轴承(Magnetic Bearing)，是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，将转子的重量固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空在固定运转轨道上。但这项技术并没有得到欧美国家的认可。例如山东科技大学磁悬浮研究中心研制的可用于高速旋转机械、高速加工机床、超洁净环境、飞轮储能、风力发电机等的磁悬浮轴承电主轴，是一种图6所示的在单个方向上五自由度的磁悬浮轴承结构。它是由设置在旋转体承托部上，并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和在环形凹槽内设置的电磁线圈所构成具有环形凸极的初级铁心，与设置在旋转体上并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛所构成具有浅槽型环形凸极的次级铁心所组成。所构成的初级定子部和具有与初级定子部环形副磁极直径相等的旋转体心轴端，两者通过气隙对正，并使其具有相互对称的齿槽极面，是用位移传感器检测转子的轴偏差信号，并转换送入控制器，功率放大器控制电磁铁中的电流，产生的电磁力来保证转子稳定悬浮于设定位置的。
长期以来人们努力研究，投入了大量人力、物力研制的电磁型“磁悬浮轴承”，通常都是由控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器五部分组成磁悬浮轴承系统。其中最为关键的控制器部件是决定整个磁悬浮轴承系统性能的核心。国内对磁悬浮轴承控制器的控制规律研究起步较晚，当前使用较多的都是控制精度不是很高的常规PID和PD控制。由于每个系统都必须对应相应的KP，KI，KD，调节起来很麻烦，使用很不方便。不能做成象“傻瓜型设备”那样任何人都能很方便的使用产品。
目前国内外集众多门学科于一体，号称最能体现机电一体化的磁悬浮轴承产品，其磁悬浮的意义在事实上都是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式。从整个装置结构上看，不仅结构及其复杂，功耗大、成本高，体积大，互换性差，而且不同的磁悬浮轴承还必须有相对应的控制器，还不能同时实现两个及两个以上自由度的控制，即便是数字化的控制器，都难以实现复杂的控制。
当前的各种“磁悬浮轴承”虽然都能在理论上利用“磁能”来对冲轴上的承载力，使转轴在悬浮状态转动。但都不能解决应用简单、低成本、自适应控制和轴在转动时的精确定位，并未起到实际的轴承作用。在各种技术方案中，采用多个向心设置的电磁铁和复杂的反馈控制，都带有不同程度的技术缺陷，运行成本太高，悬浮4Kg的轴载荷，花费的成本高达30余万，而且运行的成本也很高，实用磁悬浮轴承的关键技术仍未突破。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种结构简单，低成本，不产生机械磨损和热量，能耗低、无噪声、寿命长、无需润滑、无油污染，使用方便，动态稳定，既能冲兑轴上承载，又能提高机械旋体转速，并能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承。
本发明的目的是这样实现的，一种能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，包括，一个与轴承座相配合的非磁体外圈和与旋转轴相配合的非磁体内圈，其特征在于，在所述非磁体轴承外圈上，嵌入有相向对称分布的径向永磁体磁极组。在跟随旋转轴一起转动的内圈上，制有沿整个圆周面环绕形成的环形外径凸台，该环形外径凸台两侧设置有两个相互吸引的永磁体磁环；在所述外圈的内侧环面上制有环形内径凸台，在所述环形内径凸台的下方半圆环槽内，嵌入有半圆永磁体磁环，在该环形内径凸台的上方半圆环形凸台两侧，设有两个相互吸引的永磁体扇形磁体。
在外圈内运转，并具有径向活动空间的内圈磁极组合体，两侧磁极与上述永磁扇形磁体的磁极相反，且上两侧内侧上构成的磁极与上述半圆永磁体磁环的磁极相同，上方半圆上的扇形磁体和下方半圆上的半圆永磁体磁环1对称地向着外圈的中心轴线，组成一个对内圈磁极组合体径向磁场作用力P1+外圈磁极组合体径向磁场作用力P2＝悬浮磁场合力的磁能举力P。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
结构简单，低成本，无需润滑、无油污染、无需复杂的控制或维护系统，使用方便免维护，悬浮几十公斤转轴的永磁能悬浮轴承制造成本仅几百元。本发明由内圈磁极组合体和外圈磁极组合体两部分组成的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，结构简单且易制作，其制造成本低于现有技术电磁型“磁悬浮轴承”成十倍，甚至上百倍。采用的两磁极组合体，始终处于相互不接触的悬浮空间，使普通转轴轴承不再承担轴载荷产生的作用力，几乎是在“无轴载荷状态”下，跟随旋转体转轴一起转动。旋转轴上的轴载荷力，由与其旋转轴载荷匹配的磁能举力P冲抵。在磁浮轴承内部互相不接触的内、外圈磁极组之间，产生的定向磁场作用力互相冲抵、并将旋转体转轴载荷直接传递到轴承座上承担，旋转轴始终处在永磁能悬浮状态中转动，使得旋转转轴上的载荷力，不会对轴承产生摩擦阻力。也不消耗旋转轴的能量，不影响旋转体的使用寿命。因此无需润滑维护、无油污染，十分低碳环保。
用本发明磁能悬浮组合普通轴承，普通转轴轴承只对转轴起定位作用，转轴的轴载荷由永磁体磁能悬浮轴承的内、外磁极组合体之间的磁能作用力来承担，使其处于磁悬浮状态转动。在磁能举力P支承下，完全互相不接触，而不产生机械磨损和发热热量，因此能耗低、噪声小、寿命长，动态稳定好。试验证明，加装了本发明磁悬浮轴承的普通电动机，旋转体上的温度测试，在12000转/分下，工作几个小时试验升温几乎为0°。用在大型设备，如发电机、发动机、汽轮机以及高速旋转的飞轮设备上，转速可大大提高，且不发热。发电输出功率可提高20％以上。风力电发电机在相同风速前提下，可比传统风力发电机提高20％的发电量。从根本上解决了大型设备高速旋转体轴承轴载荷力对轴承产生的摩擦力发热消耗转轴能量，且需要冷却设备冷却，使用维护周期短的难题。
使用方便，动态稳定。本发明将多个永磁体磁极，排列组合后，能产生恒定磁场定向作用力的组合件，与承载能力相当的机械轴承组合成辅助普通旋转体轴承组合，形成的磁能悬浮轴承组件，由于组合体的内径之间留有内圈磁极组合体可以自由转动的足够间隙，机械轴承只承担对旋转轴转动时的各种外力状态下的机械定位。磁能悬浮轴承的内圈磁极组合体配合在旋转轴体上，内圈磁极组合体在外圈磁极组合体内，不会产生轴向或径向的窜动漂移。排列组合成的多对磁极间，产生磁场悬浮作用力的合力方向与旋转轴载荷力相反、大小与其匹配。经过精确设计旋转轴载荷力和科学合理的搭配磁浮力，可以使旋转轴载荷力和上拉下顶的磁浮力，形成一个提高机械旋体转速稳定的动态平衡力系。与普通转轴轴承组合在一起，可消除普通轴承重量承载力的摩擦。虽然磁极数量和旋转轴几何尺寸载荷力相关，但对应永磁铁产生的磁力足以平衡旋转轴的载体重量，因为多少体积的永磁铁可以产生将多少吨的磁体吸附力，据目前国产的永磁体可以吸引或排斥自重500倍的水平。而且永磁磁体的磁力千年的衰减力仅有千分之几，使用寿命极高、生产制造和使用维护成本极低。
附图说明
图1是本实用永磁能磁浮轴承的半剖视示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是本发明外圈磁极组合体的分解示意图。
图4本发明内圈磁极组合体的分解示意图。
图5是本发明一个与普通转轴轴承组合装配原理的分解示意图。
图6是现有技术一种电磁型“磁悬浮轴承”系统的示意图。
图中：1半圆永磁体磁环，2永磁扇形磁体，3外圈，4永磁体磁环，5内圈，6半圆环槽，7环形内径凸台，8环形外径凸台，9卡槽插口孔，10安装定位槽，A机械轴承，B永磁能磁悬浮轴承。
具体实施方式
参阅图1-图4。本发明中提供的磁浮轴承，具有一个与轴承座配合的非磁体轴承外圈3和与旋转轴相配合的非磁体内圈5。辅助支承普通旋转体的磁浮轴承由外圈磁极组合体和内圈磁极组合体两部分组成。内圈磁极组合体配合在旋转轴体上，内圈磁极组合体在外圈磁极组合体内。外圈磁极组合体由非磁体轴承外圈圆环上，嵌入的两个相向中心轴线对称分布的径向永磁体磁极组组成。内圈磁极组合体由一个内圈非磁体圆环体和外圆上环形外径凸台8上的两片永磁体磁环组成。它形成了一对稳定均匀的径向磁极场。在跟随旋转轴一起转动的内圈5上，制有沿整个圆周面环绕形成的环形外径凸台8，在该环形外径凸台两侧设置有两个相互吸引的永磁体磁环4。左右两侧永磁体磁环4的磁极以N-S、N-S异性相吸组合排列。内圈5的外径与两个永磁体磁环4的内径匹配。为确保两磁环间有一个精确间距，在内圈外径的圆柱面的中部有一个外径凸台8，外径凸台8凸台的高度小于永磁体磁环4的外径、外径凸台8的宽度与外环内的凸台7宽度一致。两个永磁体环4安装在外径凸台8的两侧。
外圈组合体配合安装在轴承座内的外圈3，在其内侧圆环的环面上，制有在径向环形内径凸台7。环形内径凸台7的外径大于永磁体磁环4的外径，环形内径凸台7的凸台宽度等于环形外径凸台8的宽度。在所述环形内径凸台7的下方半圆环上制有半圆环槽6，半圆环槽6内嵌入有半圆永磁体磁环1。半圆环槽6是安装定位半圆永磁体磁环1的半圆弧通槽，半圆环槽6槽的宽度等于半圆永磁体磁环1的厚度。在该环形内径凸台7的上方圆环形凸台两侧，设有两个相互吸引的永磁扇形磁体2，扇形磁体2设置在环形内径凸台7的上方。扇形磁体2圆心角小于90°。上方半圆上的扇形磁体2和下方半圆上的半圆永磁体磁环1对称地向着外圈3的中心轴线，组成一个对内圈磁极组合体径向磁场作用力P1+P2(外圈磁极组合体径向磁场作用力)＝悬浮磁场合力的磁能举力P。构成的内圈磁极组合体两侧磁极与上述扇形永磁磁体的磁极相反，产生磁场间吸引力P1，且上两侧内侧上构成的磁极与上述半圆永磁体磁环的磁极相同，产生磁场间排斥力P2，P1+P2形成一个定向悬浮支撑旋转轴的磁能举力P，当磁能举力P＝旋转轴的载荷力时，即可使旋转轴在永磁能悬浮状态运转。
在图1所示的虚线图中，描述了本发明另一个实施例。图中所示的虚线是在所述的半圆环槽6内嵌入有半圆永磁体磁环1的环形内径凸台7两侧安装有与所述半圆永磁体磁环1弧形相同的半圆永磁体磁环或电磁体等其他导磁体磁环。其目的在于进一步加强往上悬浮的力度，主要用于比较重型的轴载荷。
设计制造时将这个磁能径向力，调整至与转轴的载荷力相当，安装时利用半圆环槽6定位，把磁能举力P径向力调整至相反转轴载荷力的方向平衡。
为了确保本发明能精确安装到位和拆卸方便，在外圈3的内径凸台7与半圆弧的半圆环槽6通槽交接处的两端面，制有两个直径小于内径凸台7厚度的螺纹通孔，以便与专用工具连接。内圈5的两端面伸出两个永磁体磁环的外端面距离，开有一对挂丝卡槽插口孔9，以便复合轴承在安装和拆卸时，与专用工具上的挂丝匹配，在外圈3正对磁场推举力P的方向上制有安装定位槽10。
参阅图5。一个普通转轴轴承A和永磁体定向磁能举力轴承B组合。其中，磁能轴承的外圈磁极组合体，是将多个永磁体的磁极，排列组合后能产生恒定的磁场定向作用力的一种典型组合件，与承载能力相当的机械轴承A组合成一种能消除轴承承载力的机械-磁能悬浮组合轴承。机械旋转轴承A与定向磁能举力磁浮轴承B复合组成一个共同作用于电机旋转轴的组合轴承。机械旋转轴承A，由于在组合轴承中只起机械定位作用，不承担固定的轴载荷力。所以，电机旋转轴承A设计选型时，可选较轻系列的机械轴承。定向磁能举力磁浮轴承B包括：由一片半圆永磁体磁环、两片小于90°的永磁扇形磁体2与外圈3成的外圈磁极组合体；由两片永磁体磁环4与内圈5组成内圈磁极组合体。定向磁能举力磁浮轴承B组合安装到位后，转轴处在磁悬浮状态。磁能举力磁浮轴承B组合安装到位后，永磁体磁环4将旋转转轴的载荷力传递给磁极内、外圈磁极组，经磁能量转换到轴承座，使旋转转轴处在最佳的磁能悬状态。内外磁极组之间产生稳定永恒的径向磁场推举力P。P是P1、P2的合力。P1＝∑Q1，P1＝∑Q2，P＝P1+P2。Q1是外圈磁极组的扇形磁体2对内环磁极体产生磁场吸引力的磁场均载分布力、Q2是外圈磁极组的半圆磁体1对内环磁极体产生磁场排斥力的磁场均载分布力。P1是Q1磁场均载分布力的合力；P2是Q2磁场均载分布力的合力。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，磁环的厚度、大小，磁环与磁环间的间隙分布、位置的变化，内、外圈非磁体圆环体材料的选择等。内圈非磁体圆环体可以选用铝或铝合金、钛或钛合金、不锈钢、钢材以及非金属材料，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，包括，一个与轴承座相配合的非磁体外圈和与旋转轴相配合的非磁体内圈，其特征在于，在所述非磁体轴承外圈上，嵌入有相向对称分布的径向永磁体磁极组。在跟随旋转轴一起转动的内圈上，制有沿整个圆周面环绕形成的环形外径凸台，该环形外径凸台两侧设置有两个相互吸引的永磁体磁环；在所述外圈的内侧环面上制有环形内径凸台，在所述环形内径凸台的下方半圆环槽内，嵌入有半圆永磁体磁环，在该环形内径凸台的上方半圆环形凸台两侧，设有两个相互吸引的永磁体扇形磁体。
2.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，在外圈内运转，并具有径向活动空间的内圈磁极组合体，两侧磁极与所述永磁扇形磁体的磁极相反，且两侧内侧上构成的磁极与上述半圆永磁体磁环的磁极相同，上方半圆上的扇形磁体(2)和下方半圆上的半圆永磁体磁环(1)对称地向着外圈(3)的中心轴线，组成一个对内圈磁极组合体径向磁场作用力P1+外圈磁极组合体径向磁场作用力P2＝悬浮磁场合力的磁能举力P。
3.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，外圈磁极组合体由非磁体轴承外圈圆环上，嵌入的两个相向中心轴线对称分布的径向永磁体磁极组组成。
4.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，辅助支承普通旋转体的磁浮轴承由外圈磁极组合体和内圈磁极组合体两部分组成。
5.根据权利要求4所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，内圈磁极组合体由一个内圈非磁体圆环体和外圆环形外径凸台(8)上的两片永磁体磁环(4)组成。
6.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，左右两侧永磁体磁环(2)的磁极以N-S、N-S异性相吸组合排列，内圈(5)的外径与两个永磁体磁环(4)的内径匹配。
7.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，在内圈外径的圆柱面的中部有一个外径凸台(8)，外径凸台(8)凸台的高度小于永磁体磁环(4)的外径、外径凸台(8)的宽度与外环内的凸台(7)宽度一致，两个永磁体环(4)安装在外径凸台(8)的两侧。
8.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，在外圈(3)的内径凸台(7)与半圆弧的半圆环槽(6)通槽交接处的两端面，制有两个直径小于内径凸台(7)厚度的螺纹通孔。
9.根据权利要求1所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，在环形内径凸台(7)两侧安装有与所述半圆永磁体磁环(1)弧形相同的扇形永磁体磁环或电磁体磁环。
10.一种使用权利要求1～9任意一项所述的能与普通转轴轴承组合消除轴承承载力的永磁能悬浮轴承，其特征在于，内圈(5)的两端面伸出两个永磁体磁环的外端面距离，开有一对挂丝卡槽插口孔(9)，在外圈(3)正对磁场推举力P的方向上制有安装定位槽(10)。
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