CN102454701A - (多极化取向)互厄及层叠式永磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

(多极化取向)互厄及层叠式永磁悬浮轴承，属机械-磁技术应用领域；以静磁悬浮技术解决轴承并达到保持状态所必须的刚度；需解决磁体结构问题及平衡点合理安置问题都需进行突破性的解决(以构造及平衡分布上的匹配)才能在现有技术材料等条件框架内，使之实用化，在保持力及力矩提高10倍以上的情况下，且结构简化，构件比例合理，可广泛应用于各种机械场合中。

Description

(多极化取向)互厄及层叠式永磁悬浮轴承

本发明属机械-磁技术应用领域；确切的讲静磁场作用下的磁悬浮装置。

目前已知的静磁悬浮技术，还没能有效解决轴承保持状态所必须地刚度；磁体结构问题及平衡点合理安置问题都需进行突破性的解决才能在现有技术材料等条件框架内，使之实用化。

本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，以构造及平衡分布上的匹配来解决实用性问题。

本发明的特点：在保持力及力矩提高10倍以上的情况下，且结构简化，构件比例合理，可广泛应用于各种机械场合中。

本发明的技术关键：

基本结构是由内轴载体，外轴载体，外(轴)磁偶极体，内(轴)磁偶极体等组成；基本工作原理为：由于每组(磁偶极体)对应的外轴磁偶极体及内轴磁偶极体的外形至少有1个为完整环状(另一个可为完整环状或沿环状分布的多个个体的间断体)，当内轴载体与外轴载体之间出现轴向及径向相对位移时(其他方向可分解为轴向及径向的合成)将产生恢复力来抵抗位移(力及力矩的方向与位移相反)，具体的讲；(磁偶极体分为3个取向；轴向，径向及其它方向)首先；对应取向为轴向的磁偶极体组将产生对对轴向位移起抵抗的反作用的力，如果当在2者(2磁偶极体)之间采用的是自然平衡位置状态安装时每组(2磁偶极体)将直接产生恢复力(平衡状态下，整体环状的局部区域，磁偶极体的恢复力等于0，有位移时才出现，且与位移正相关)；而当采用互厄平衡位置状态安装时，需要另一个与之对应相同环磁结构来与之相互平衡(在平衡状态下，每一个整体环状2磁偶极子的，磁极间的恢复力将不等于0，而2组磁偶极子的轴向磁力大小相等，方向相反，有轴向位移时才出现整体力矩及力，且与位移正相关，每一组的轴向力的增量也都将沿位移的反方向增加(在同样的结构下共厄平衡下的恢复力要比自然平衡结构下大10倍以上))；其次；对应于取向为径向的磁偶极体来说，当内轴载体与外轴载体之间出现径向相对位移时也将产生恢复力，此时取向为径向的环状结构的磁偶极体组的磁偶极体之间也就产生了径向相对位移，同样当在2者之间采用自然平衡位置安装状态时，将直接产生恢复力；而当在2者之间采用互厄平衡位置安装状态时，对应的(磁偶极体)之间的径向力的分力增量都将沿径向位移的反方向增加(在同样的结构下共厄平衡下的恢复力要比自然平衡结构下大10倍以上)(在2者(2磁偶极体)之间(在平衡状态下，整体环状的局部区域，磁偶极体的恢复力不等于0(分布于直径两端区域的2磁偶极子的磁力大小相等，方向相反)，但对于整个环状体所有磁偶极子的力及力矩之和等于0，有位移时才出现整体力矩及力，且与位移正相关))；在其次：任何一个复杂的其他位移方向都将分解成轴向径向等方向位移的合成，都将产生抵抗偏移的恢复力及力矩而保持悬浮状态(由于磁极的磁路安排特点，各次偶极子组的偶极子的相互作用只对偶极子极化方向的位移的反作用力大，而对垂直于极化方向的位移的作用力相对很小，另外可用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做静磁屏蔽层，在各磁体的端部也可以安装上述材料，以使磁场以更窄小空间发出，使磁偶极子的端部等效磁核的体积更小，增加磁场梯度，有利于提高轴承抗位移能力；另外为获得轴承所需的微小位移的大刚度性及轴向/径向位移的平衡匹配性，磁极之间采用精细极点微凸对应式有极佳的平衡失衡的保护性，因为与磁偶极矩(简单的讲是大体上的磁极的联线方向)垂直的相对过大位移将会使磁体进入非稳定平衡状态，当磁极的相对2面采用微凸极点交错对应方式将减缓与磁偶极矩垂直方向位移的所引起的垂向失衡力的相对增加数值，在等量的位移下沿磁偶极矩方向磁力的增加量始终大于垂向增量，在所有磁极间的合力的共同作用下，使轴承系统保持悬浮平衡)；其特征就是：在磁极物理分布中采用了多取向方式及互厄位置安排以及层叠式结构；磁体的磁场分布的处理即可以是保持磁性材料的均一性也可以在表面加上屏蔽层或加上磁极端部的磁整流帽；同一个磁偶极子环状构造可以是磁偶极子的整齐排布也可以是错位排布的磁偶极子集合的排布体；磁极的微细形状可以是普通的平直及锥台形状也可以是精细微凸磁极点交错对应式(平直的磁极表面，面积相对于位移的尺度来说，是较大的，不利于形成大的磁场梯度，获得轴承所需的小位移刚度)。

所述的在磁极物理分布中采用了多取向方式是指；每组磁偶极子的磁偶极子的(极化方向)取向及可以沿着径向及轴向方向(或近似径向及轴向)，也可以是除沿着径向及轴以外还有沿非径向及轴向(极化)方向的分布。

所述的在磁极物理分布中采用了互厄位置安排是指：在轴承的外轴载体及内轴载体处于自然(平衡)位置状态时，对于(极化方向)取向为径向的磁偶极子组(2部分分别固定安装在内轴及外轴上)的2部分来说，即可处于局部平衡状态也可处于局部非平衡状态而整体平衡状态；对于(极化方向)取向为轴向(及其他非径向的)的磁偶极子组(2部分分别固定安装在内轴及外轴上)的2部分来说，即可处于局部平衡状态也可处于局部非平衡状态而整体平衡状态，此时的局部非平衡状态而整体平衡状态至少要2个独立方向的磁偶极子来完成(且对应组之间的轴向的非平衡位移方向相反且对应组之间轴向力(内力)大小相等方向相反)。

所述的在磁极物理分布中采用层叠式结构是指在轴承的内轴载体及外轴载体的径向延伸部分呈交错状态，从形态上可以呈单周期状态或多周期状或混合周期状态，各周期之间的构造可以是相同的或相似的或是具有本技术特征的构造。

所述的在内轴载体可加装有限位缓冲装置指的是：轴向及径向的限位可以使用环状轴套类构件或卡快置放于内轴载体或外轴载体上来限制2者之间的相对位移量；也可以直接把限位结构直接加工在内轴载体或外轴载体上，起到强力冲击时保护结构的作用，例如在内轴载体或外轴载体之间的环状间隙上加装限位环，环可以嵌入内轴载体及外轴载体的卡槽中，卡槽形状的设计可使3者能自由转动，其间隙又能限定位移量。

所述的磁极的微细形状可以是精细微凸磁极点交错对应式是指：在相互面对的磁极上，2磁极表面上存在距离最近的3个磁极点(磁极点组；可以使1组或多组)(磁极点位于3角形的3个顶点上)将会有相对最强的(沿磁偶极矩方向运动时)作用磁力增量，该磁力的改变(增量)量要远大于(沿与磁偶极矩垂直的方向运动)所带来的(沿与磁偶极矩垂直的方向)的磁力改变量。

磁偶极子与磁荷的引用都是为方便处理问题，但在实际上磁单极是不存在的，因而N及S磁极是永远不可分割的，在数学上引入磁偶极子将是对磁体之间的场的分布及相互作用，将是清晰而简化的。

静磁屏蔽的必要性，因为铁磁等材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层；应用其强导磁的特性；整流罩也是必要的。

下面结合一个较佳实施例对本发明作进一步所说明；

[图1]磁偶极子互厄平衡原理示意图。

[图2]磁偶极子自然平衡原理示意图。

[图3]设有磁极分装结构磁悬浮轴承示意图

[图4]一种3周期磁悬浮轴承结构示意图

[图5]精细微凸磁极点交错对应式结构示图

图示说明：

(1)外磁偶极体

(2)内磁偶极体

(3)外磁偶极体磁极

(4)内磁偶极体磁极

(5)内磁偶极体磁极联接体

(6)外磁偶极体磁极联接体

(7)磁力自然平衡位置线

(8)位移及磁力点

(9)位移及磁力点

(10)位移及磁力点

(11)位移及磁力点

(30)外轴承载体

(31)内轴承载体

(32)轴承中心轴线

(33)分体磁偶极体(轴向排布)

(34)轴向排布磁偶极体

(35)轴向排布磁偶极体

(36)径向排布的磁偶极体

(37)磁偶极体磁极

(41)梳状外轴载体

(42)梳状内轴载体

(43)径向排布的磁偶极体

(44)径向排布的磁偶极体

(45)轴向排布的磁偶极体

(46)轴向排布的磁偶极体

(47)轴承中心轴线

(48)磁极尖部

(49)磁极尖部

(51)(交错对位的)微凸磁极点

(52)(交错对位的)微凸磁极点

(53)外磁偶极体

(54)内磁偶极体

(55)外磁偶极体磁极

(56)内磁偶极体磁极

如[图1]及[图2]所示：

悬浮轴承的最基本的平衡要素是借助于，自然平衡及互厄平衡的2种稳定平衡状态；外磁偶极体(1)可以为环形结构，磁场集中于2磁极之间(磁极可看成等效磁荷，磁场近似集中于2磁极上)；内磁偶极体(2)为直条状(磁极也可被看成等效磁荷，近似集中与2磁极上，呈辐射状态)；外偶极体磁极(3)及内偶极体磁极(4)可以是高导磁材料，可使磁极(磁荷)集中于更小的区域中(意味着更大的磁场强度及磁场梯度，这样使得活动在(1)的磁隙内的(2)在沿着X方向位移时，磁力的绝对值随偏离平衡点的位移大小呈单调增加的变化)。

图1及2的右端是F-X曲线；F代表磁力；X代表内磁偶极体(2)沿极化方向的位移曲线。

对于图1来说：X2代表位移，(内磁偶极体(2)的中心位于磁力自然平衡位置线(7)上时，F＝0)，由于内偶极体磁极联接体(5)外偶极体磁极联接体(6)分别将2个内磁偶极体(2)及2个外磁偶极体(1)刚性联接，当(2)沿X方位移时，将产生恢复力，该平衡点为稳定平衡点。

对于图2来说：在平衡状态下(内磁偶极体(2)的中心偏离磁力自然平衡位置线(7)上时，当偏离的量相同时，有F＝0)。

从曲线可看出：X1代表位移，在同样的位移情况下，图2的位移及磁力点(8)及位移及磁力点(9)所表征的磁力增量数值小于图1位移及磁力点(10)及位移及磁力点(11)所表征的磁力增量数值；这就意味着图1比图2更能抵抗外力的扰动，对悬浮轴承更有利。

诸磁极表面的细微结构可以如图5所示。

如图3所示：

轴向排布磁偶极体(35)及径向排布的磁偶极体(36)固定安装在外轴承载体(30)上，分体磁偶极体(轴向排布)(33)及轴向排布磁偶极体(34)固定安装在内轴承载体(31)上；

磁悬浮工作原理为：产生轴向位移时，主要由轴向排布磁偶极体(35)及(34)承担而产生恢复力；产生径向位移时主要由分体磁偶极体(轴向排布)(33)与径向排布的磁偶极体(36)承担，(32)为轴承中心轴线(诸磁极表面的细微结构可以如图5所示)，(37)为磁偶极体磁极。

如图4所示：

径向排布的磁偶极体(43)及轴向排布的磁偶极体(45)固定安装在梳状外轴载体(41)上，径向排布的磁偶极体(44)及轴向排布的磁偶极体(46)固定安装在梳状内轴载体(42)上，(47)为轴承中心轴线。工作原理与图3类似；本结构将有更大的轴承保持力。诸磁极表面的磁极尖部(48)及磁极尖部(49)的细微构造可如如图5所示。

概括来说：在磁极物理分布中采用层叠式结构是指在轴承的内轴载体及外轴载体的径向延伸部分呈交错状态，从形态上可以呈单周期状态或多周期状或混合周期状态，各周期之间的构造可以是相同的或相似的或是具有本技术特征的构造。

如图5所示：

在外磁偶极体(53)及内磁偶极体(54)的外磁偶极体磁极(55)及内磁偶极体磁极(56)的表面上分布有(交错对位的)微凸磁极点(51)及(交错对位的)微凸磁极点(52)。

(交错对位的)微凸磁极点(51)与(交错对位的)微凸磁极点(52)之间错位对应(在平衡位置下)。

图5中；相互面对的磁极(55)及(56)上，距离最近的3个磁极点(位于3角形的3个顶点上；如部位(60)所示)将会有相对最强的作用磁力；计算上不难得出：缩小磁极间隙(沿磁偶极矩方向运动)所带来的(沿磁偶极矩方向)的磁力的改变量要远大于(沿与磁偶极矩垂直的方向运动)所带来的(沿与磁偶极矩垂直的方向)的磁力改变量。

另外为获得轴承所需的微小位移的大刚度性及轴向/径向位移的平衡匹配性，磁极之间采用精细极点微凸对应式有极佳的平衡失衡的保护性，因为与磁偶极矩(简单的讲是大体上的磁极的联线方向)垂直的相对过大位移将会使磁体进入非稳定平衡状态，当磁极的相对2面采用微凸极点交错对应方式将减缓与磁偶极矩垂直方向位移的所引起的垂向失衡力的相对增加数值，在等量的位移下沿磁偶极矩方向磁力的增加量始终大于垂向增量，在所有磁极间的合力的共同作用下，使轴承系统保持悬浮平衡)。

Claims (6)

1.(多极化取向)互厄及层叠式永磁悬浮轴承，基本结构是由内轴载体，外轴载体，外(轴)磁偶极体，内(轴)磁偶极体等组成；基本工作原理为：由于每组(磁偶极体)对应的外轴磁偶极体及内轴磁偶极体的外形至少有1个为完整环状(另一个可为完整环状或沿环状分布的多个个体的间断体)，当内轴载体与外轴载体之间出现轴向及径向相对位移时(其他方向可分解为轴向及径向的合成)将产生恢复力来抵抗位移(力及力矩的方向与位移相反)，具体的讲；(磁偶极体分为3个取向；轴向，径向及其它方向)首先；对应取向为轴向的磁偶极体组将产生对对轴向位移起抵抗的反作用的力，如果当在2者(2磁偶极体)之间采用的是自然平衡位置状态安装时每组(2磁偶极体)将直接产生恢复力(平衡状态下，整体环状的局部区域，磁偶极体的恢复力等于0，有位移时才出现，且与位移正相关)；而当采用互厄平衡位置状态安装时，需要另一个与之对应相同环磁结构来与之相互平衡(在平衡状态下，每一个整体环状2磁偶极子的，磁极间的恢复力将不等于0，而2组磁偶极子的轴向磁力大小相等，方向相反，有轴向位移时才出现整体力矩及力，且与位移正相关，每一组的轴向力的增量也都将沿位移的反方向增加(在同样的结构下共厄平衡下的恢复力要比自然平衡结构下大10倍以上))；其次；对应于取向为径向的磁偶极体来说，当内轴载体与外轴载体之间出现径向相对位移时也将产生恢复力，此时取向为径向的环状结构的磁偶极体组的磁偶极体之间也就产生了径向相对位移，同样当在2者之间采用自然平衡位置安装状态时，将直接产生恢复力；而当在2者之间采用互厄平衡位置安装状态时，对应的(磁偶极体)之间的径向力的分力增量都将沿径向位移的反方向增加(在同样的结构下共厄平衡下的恢复力要比自然平衡结构下大10倍以上)(在2者(2磁偶极体)之间(在平衡状态下，整体环状的局部区域，磁偶极体的恢复力不等于0(分布于直径两端区域的2磁偶极子的磁力大小相等，方向相反)，但对于整个环状体所有磁偶极子的力及力矩之和等于0，有位移时才出现整体力矩及力，且与位移正相关))；在其次：任何一个复杂的其他位移方向都将分解成轴向径向等方向位移的合成，都将产生抵抗偏移的恢复力及力矩而保持悬浮状态(由于磁极的磁路安排特点，各次偶极子组的偶极子的相互作用只对偶极子极化方向的位移的反作用力大，而对垂直于极化方向的位移的作用力相对很小，另外可用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做静磁屏蔽层，在各磁体的端部也可以安装上述材料，以使磁场以更窄小空间发出，使磁偶极子的端部等效磁核的体积更小，增加磁场梯度，有利于提高轴承抗位移能力；另外为获得轴承所需的微小位移的大刚度性及轴向/径向位移的平衡匹配性，磁极之间采用精细极点微凸对应式有极佳的平衡失衡的保护性，因为与磁偶极矩(简单的讲是大体上的磁极的联线方向)垂直的相对过大位移将会使磁体进入非稳定平衡状态，当磁极的相对2面采用微凸极点交错对应方式将减缓与磁偶极矩垂直方向位移的所引起的垂向失衡力的相对增加数值，在等量的位移下沿磁偶极矩方向磁力的增加量始终大于垂向增量，在所有磁极间的合力的共同作用下，使轴承系统保持悬浮平衡)；其特征就在于：在磁极物理分布中采用了多取向方式及互厄位置安排以及层叠式结构；磁体的磁场分布的处理即可以是保持磁性材料的均一性也可以在表面加上屏蔽层或加上磁极端部的磁整流帽；同一个磁偶极体环状构造可以是磁偶极子的整齐排布也可以是错位排布的磁偶极子集合的排布体；磁极的微细形状可以是普通的平直及锥台形状也可以是精细微凸磁极点交错对应式；在内轴载体，外轴载体上既可以不放置限位缓冲装置也可以加装有限位缓冲装置。

2.如权利要求1及所述轴承，其特征就在于；所述的在磁极物理分布中采用了多取向方式是指；每组磁偶极子的磁偶极子的(极化方向)取向及可以沿着径向及轴向方向(或近似径向及轴向)，也可以是除沿着径向及轴以外还有沿非径向及轴向(极化)方向的分布。

3.如权利要求2及所述装置、其特征就在于；所述的在磁极物理分布中采用了互厄位置安排是指：在轴承的外轴载体及内轴载体处于自然(平衡)位置状态时，对于(极化方向)取向为径向的磁偶极子组(2部分分别固定安装在内轴及外轴上)的2部分来说，即可处于局部平衡状态也可处于局部非平衡状态而整体平衡状态；对于(极化方向)取向为轴向(及其他非径向的)的磁偶极子组(2部分分别固定安装在内轴及外轴上)的2部分来说，即可处于局部平衡状态也可处于局部非平衡状态而整体平衡状态，此时的局部非平衡状态而整体平衡状态至少要2个独立方向的磁偶极子来完成(且对应组之间的轴向的非平衡位移方向相反且对应组之间轴向力(内力)大小相等方向相反)。

4.如权利要求1及所述轴承，其特征就在于；所述的在磁极物理分布中采用层叠式结构是指在轴承的内轴载体及外轴载体的径向延伸部分呈交错状态，从形态上可以呈单周期状态或多周期状或混合周期状态，各周期之间的构造可以是相同的或相似的或是具有权力要求1，2，3，4特征的构造。

5.如权利要求1及所述轴承，其特征就在于；所述的磁极的微细形状可以是精细微凸磁极点交错对应式是指：在相互面对的磁极上，2磁极表面上存在距离最近的3个磁极点(磁极点组；可以使1组或多组)(磁极点位于3角形的3个顶点上)将会有相对最强的(沿磁偶极矩方向运动时)作用磁力增量，该磁力的改变(增量)量要远大于(沿与磁偶极矩垂直的方向运动)所带来的(沿与磁偶极矩垂直的方向)的磁力改变量。

6.如权利要求1及所述轴承，其特征就在于；所述的在内轴载体可加装有限位缓冲装置指的是：轴向及径向的限位可以使用环状轴套类构件或卡快置放于内轴载体或外轴载体上来限制2者之间的相对位移量；也可以直接把限位结构直接加工在内轴载体或外轴载体上。

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