CN103075423A - 被动式磁悬浮轴承及其组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式磁悬浮轴承及其组件，被动式磁悬浮轴承包括转轴以及设在转轴上的一个转子组件和一个或多个定子组件。定子组件包括圆盘形定子盘和嵌设在定子盘上的多个相同的块状永磁体；定子盘的底面上设有多组同心圆环形定子凹槽用以安放永磁体；每组定子凹槽包括四个圆环形定子凹槽，沿定子盘的径向列数的第一个和第四个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个定子凹槽中放置相同极性的但与第一个和第四个凹槽中极性不同的永磁体。转子组件包括圆盘形转子盘和镶嵌在转子盘内的多个相同的块状永磁体；转子盘的底面上设有与定子凹槽一一对应的转子凹槽以安放永磁体。该被动式磁悬浮轴承具有成本低、制备容易且运行稳定的优点。

Description

被动式磁悬浮轴承及其组件

技术领域

本发明涉及磁轴承，尤其涉及一种被动式磁悬浮轴承及其被动式磁悬浮轴承组件。

背景技术

现行的垂直轴风力机、飞轮转子、发动机、发电机和其他可旋转的部件通常使用滚珠或滚柱轴承来做支撑。这些支撑轴承固定了旋转部件的位置，防止其受径向和轴向力的影响。然而，这些轴承的一大常见缺点就是存在摩擦、噪声和劳损问题。

磁力轴承使用磁场来传输作用在轴承上的力，可以提供无接触和低摩擦的运动。基于这样的明显优势，该项技术应用广泛。尽管如此，该项技术也存在由磁矩产生的局限性。当它被应用到磁悬浮系统上时，磁力与外力(如重力)持久稳定的平衡很难达到。

目前在现有技术中，磁轴承中采用同心圆环或分段环片磁体，一方面，在磁轴承的使用过程中将出现大直径圆环或环片磁体的磁化现象；另一方面，就目前的工艺来说，由于这种材料的脆性，制造大直径圆环并使其均匀地带磁性是极其困难的，再者，生产每个圆环磁体的机器大小必需同要求的磁体规范一致。生产分段环片也必需同要求的圆环大小一致。由于强磁力的排斥作用，分段环片的组装也很困难。与此同时，在利用磁斥力实现悬浮的过程中，由于磁斥力具有发散的特性，当转子受到外力时，磁场的均匀度将失衡，从而导致转子与定子座之间发生碰撞或直接弹出。因此，从以上可以看出，现有技术中的磁悬浮轴承制备难度高、成本高、且使用过程中易于失去平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中磁悬浮轴承制备难度高和成本高的缺陷，提供一种成本低且易于制备的被动式磁悬浮轴承及其组件。

本发明中采用的技术方案是提供了一种被动式磁悬浮轴承，包括转轴以及穿设在所述转轴上的一个转子组件和一个或多个定子组件，所述定子组件与所述转子组件之间留有间隙，所述定子组件沿边缘固定在轴承固定板上，其中，

所述定子组件包括圆心通过所述转轴的圆盘形定子盘和嵌设在所述定子盘上的多个相同的块状永磁体；其中所述定子盘面向所述转子组件的底面上设有一组或多组同心圆环形定子凹槽，用以安放所述永磁体；每组所述定子凹槽包括四个圆环形定子凹槽，每组所述定子凹槽中沿所述定子盘的径向列数的第一个和第四个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第一个和第四个定子凹槽中放置的永磁体的极性与第二个和第三个定子凹槽中放置永磁体的极性相反；

所述转子组件包括圆心通过所述转轴的圆盘形转子盘和镶嵌在所述转子盘内的多个相同的块状永磁体；其中所述转子盘面向所述定子组件的底面上设有一组或多组同心圆环形转子凹槽，用以安放所述永磁体，所述转子凹槽与所述定子凹槽一一对应；每组所述转子凹槽包括四个圆环形转子凹槽，每组所述转子凹槽中沿所述转子盘的径向列数的第一个和第四个转子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个转子凹槽中放置相同极性的永磁体，第一个和第四个转子凹槽中放置的永磁体的极性与第二个和第三个转子凹槽中放置永磁体的极性相反；

所述定子组件中的永磁体与所述转子组件中的永磁体相同。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述定子凹槽的凹陷深度小于所述永磁体的厚度。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述定子凹槽的凹陷深度为所述永磁体厚度的五分之一或四分之一。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述转子凹槽的凹陷深度大于所述永磁体的厚度。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述转子盘的底面上覆盖有顺磁材料制成的盖板。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述盖板的厚度为0.1毫米到2.0毫米。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述永磁铁为长和宽分别为M_l和M_w的长方体磁体，每个所述定子凹槽或转子凹槽的半径r与每个定子凹槽或转子凹槽中相应放置的永磁体的个数n_m满足：

$r=\frac{M_l}{2\sin \left(\frac{360}{{2n}_m}\right)};$

相邻定子凹槽或相邻转子凹槽之间的间距满足：

r_n+1＝r_n+2M_w；

相邻两个定子凹槽之间的圆心角ω_offset-D满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-D}=\frac{360}{n_m};$

相邻两个转子凹槽之间的圆心角ω_offset-Z满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-Z}=-\frac{360}{n_m};$

r_n和r_n+1分别为所述转子盘或所述定子盘上沿径向列数的第n个和第n+1个转子凹槽或定子凹槽的半径。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，所述定子盘通过硅树脂圆环固定在所述轴承固定板上。

本发明还提供了一种被动式磁悬浮轴承组件，包括转轴、固定穿设在所述转轴上的两个非磁性轴承、以及固定穿设在所述转轴上且设置在两个所述非磁性轴承之间的被动式磁悬浮轴承，被动式磁悬浮轴承为上述的任意一种。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承组件中，所述非磁性轴承为滚珠轴承或滚柱轴承。

在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承及其组件中，采用多个小型块状永磁体的组合来替代现有的圆环磁体或分段环片磁体，该小型块状永磁体价格低廉，易于获取，而且组装简易，只需要将其固定嵌设在定子盘和转子盘中即可；另外，以定子组件为例，转子组件也类似，每组定子凹槽包括四个圆环形定子凹槽，每组所述定子凹槽中沿所述定子盘的径向列数的第一个和第四个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第一个和第四个定子凹槽中放置的永磁体的极性与第二个和第三个定子凹槽中放置永磁体的极性相反，通过该方式排布永磁体，可以使永磁体组合后产生的磁场是均匀的，避免转动过程中失去平衡。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的被动式磁悬浮轴承组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图中示出了依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承组件的剖视图。被动式磁悬浮轴承组件包括转轴300以及固定穿设在该转轴300上的被动式磁悬浮轴承和两个非磁性轴承500，被动式磁悬浮轴承设置在两个非磁性轴承500之间(其中一个图1中未示出，位于动式磁悬浮轴承的另一端处)，且被动式磁悬浮轴承和两个非磁性轴承500均为同心结构；该非磁性轴承500为已有的滚珠轴承或滚柱轴承。其中，被动式磁悬浮轴承用于稳定轴向方向(坐标系中的z轴方向)，非磁性转轴300用于稳定与轴向垂直的平面(坐标系中的x轴和y轴方向)。两个非磁性轴承的功能只是在静止状态下支撑转轴300。在运动状态下，被动式磁悬浮轴承组件依靠转速将会保持旋转稳定。非磁性轴承500与磁轴承间留有空隙，且不随被动式磁悬浮轴承转动而转动。

上述被动式磁悬浮轴承包括串联穿设在上述转轴300上的一个转子组件和一个或多个定子组件。其中，定子组件沿边缘固定在轴承固定板600上，优选通过硅树脂圆环610固定在轴承固定板600上，由此可以起到缓冲、密封和防水的功效；且定子组件与转子组件沿转轴300的轴向交替排布，并在定子组件和转子组件之间留有间隙。

具体而言，定子组件包括圆心通过转轴300的圆盘形定子盘111、112和固定嵌设在定子盘111、112上的多个相同的块状永磁体400，此处所述的相同的永磁体400指的是永磁体400具有相同的形状、形态和磁化强度，误差容限为±2.5％。例如都是长方体或都是圆柱体等等；并且在定子盘111、112上的安放方式也是相同的，例如，都是底面固定在定子盘111、112上或都是侧面固定啊定子盘111、112上。

定子盘111、112在面向转子组件的底面上设有一组或多组同心圆环形定子凹槽120，例如一组、两组或三组，用以安放上述永磁体400，该定子凹槽120的深度小于永磁体400的厚度，优选为永磁体400厚度的五分之一或四分之一。另外，每组定子凹槽120包括四个圆环形定子凹槽120，每组凹槽中永磁体400依据其极性的排列是相同的。具体而言，每组定子凹槽120中沿定子盘111、112的径向列数的第一个和第四个定子凹槽120中全部放置相同极性的永磁体400，第二个和第三个定子凹槽120中全部放置相同极性的永磁体400，第一个和第四个定子凹槽120中放置的永磁体400的极性与第二个和第三个定子凹槽120中放置永磁体400的极性相反。例如，如果第一个和第四个定子凹槽120中放置的是北极的永磁体400，第二个和第三个定子凹槽120中放置的则是南极的永磁体400。这样可以保证在同一片区域中南极和北极的永磁体400数目相等，从而保证磁通量进出平衡稳定。

转子组件包括圆心通过上述转轴300的圆盘形转子盘210和镶嵌在所述转子盘210内的多个相同的块状永磁体400，转子组件中使用的永磁体400与定子组件中使用的永磁体400完全相同，除了极性之外，此处的相同也指的是相同的现状、形态、磁化强度以及安放方式。转子盘210在面向定子组件的底面上设有多组同心圆环形转子凹槽220，用以安放永磁体400，转子凹槽220与上述定子凹槽120一一对应。此处所述的一一对应指的是定子凹槽120与转子凹槽220在形状上镜面对称，因此不再详述描述转子凹槽220。并且永磁体400在转子凹槽220中根据其极性的排布以及数量也是相同的。例如，如以上所述，第一个和第四个定子凹槽120中放置的是北极的永磁体400，第二个和第三个定子凹槽120中放置的是南极的永磁体400；则第一个和第四个转子凹槽220中也放置的是北极的永磁体400，第二个和第三个转子凹槽220中也放置的是南极的永磁体400。与定子凹槽120不同的是，转子凹槽220的深度大于放置的永磁体400的厚度，使得永磁体400是镶嵌在转子凹槽220内部。

为了避免使用中磁场不均匀的情况出现，可在转子盘210上覆盖盖板231、232，从而将永磁体400封闭在盖板231、232和转子盘210围成的腔体内。该盖板231、232由顺磁材料制成，例如钢铁或烙铁等。另外，盖板231、232为薄板，厚度为0.1毫米到2毫米。这样，单个永磁体400产生的磁场将在盖板231、232上均匀分布，从而确保了磁场的均匀性，使得转子组件可以无振动旋转。

具体到图1所示的实施例中，示出的被动式磁悬浮轴承包括两个定子组件和一个转子组件，转子组件设置在两个定子组件之间。其中，两个定子组件分别用作上盖和底座，用作上盖的定子组件的下底面上设有定子凹槽120；用作底座的定子组件的上底面设有定子凹槽120，定子凹槽120内固定安放有极性排布相同的永磁体400。转子组件中的转子盘210的上下底面均设有转子凹槽220，并在两个底面上的凹槽内固定安放与定子凹槽120中极性排布相同的永磁体400。为了均匀磁场，在转子盘210的上下底面上分别覆盖盖板231、232。另外，对于图1中所示的被动式磁悬浮轴承组件，两个非磁性轴承500(滚柱轴承或滚柱轴承)分别设置该被动式磁悬浮轴承的两个定子组件的外侧，即一个非磁性轴承500紧邻被动式磁悬浮轴承的上盖设置，另一个非磁性轴承500紧邻被动式磁悬浮轴承的底座设置。

因为在依据本发明的被动式磁悬浮轴承中，定子组件中的定子凹槽120与转子组件中的转子凹槽220一一对应，满足镜面对称，因此下面将以转子组件中的转子凹槽220为例来说明转子凹槽220与其中永磁体400的排布。假设永磁体400使用长和宽分别为M_l和M_w的长方体永磁体400，那么每个圆环形转子凹槽220中的永磁体400个数n_m和转子凹槽220半径r即可由下面的公式(1)确定：

$r=\frac{M_l}{2\sin \left(\frac{360}{{2n}_m}\right)};---\left(1\right)$

假设r_n和r_n+1分别为转子盘210上沿径向列数的第n个和第n+1个转子凹槽的半径，则任意两个相邻转子凹槽之间的间距满足：

r_n+1＝r_n+2M_w；(2)

另外，相邻两个定子凹槽之间的圆心角ω_offset-D满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-D}=\frac{360}{n_m};---\left(3\right)$

相邻两个转子凹槽之间的圆心角ω_offset-Z满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-Z}=-\frac{360}{n_m}.---\left(4\right)$

其中，圆心角ω_offset-Z或ω_offset-D是两个处在同一圆环凹槽(转子凹槽220或定子凹槽120)上的永磁体400之间形成的圆心夹角。因为一个圆环凹槽上有n_m个永磁体400，所以每两个永磁体400之间的夹角就如公式(3)或(4)所描述的排布。

本发明中根据公式(1)到(4)来设置定子组件和转子组件中永磁体的排布。如果永磁体的排布满足上述公式，永磁体所产生的磁场是均匀的，从而转子组件可以稳定地工作。在水平方向由非磁性轴承固定位置后，本发明中由磁场产生的磁斥力可以支撑轴向方向的力量。相比于非磁性轴承，本发明可以减少旋转过程中的摩擦，从而提高效率。

从以上可以看出，在依据本发明实施例的被动式磁悬浮轴承中，采用多个小型块状永磁体的组合来替代现有的圆环磁体或分段环片磁体，该小型块状永磁体价格低廉，易于获取，而且组装简易，只需要将其固定嵌设在定子盘和转子盘中即可。另外，通过特定的方式设置定子组件和转子组件中永磁体的排布，使得组合后的永磁体产生的磁场是均匀的，同时借助于在转子盘上覆盖顺磁材料制成的盖板可以进一步使得磁场均匀，从而减少被动式磁悬浮轴承在转动过程中失去平衡。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种被动式磁悬浮轴承，包括转轴以及穿设在所述转轴上的一个转子组件和一个或多个定子组件，所述定子组件与所述转子组件之间留有间隙，所述定子组件沿边缘固定在轴承固定板上，其特征在于，

所述定子组件包括圆心通过所述转轴的圆盘形定子盘和嵌设在所述定子盘上的多个相同的块状永磁体；其中所述定子盘面向所述转子组件的底面上设有一组或多组同心圆环形定子凹槽，用以安放所述永磁体；每组所述定子凹槽包括四个圆环形定子凹槽，每组所述定子凹槽中沿所述定子盘的径向列数的第一个和第四个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个定子凹槽中放置相同极性的永磁体，第一个和第四个定子凹槽中放置的永磁体的极性与第二个和第三个定子凹槽中放置的永磁体的极性相反；

所述转子组件包括圆心通过所述转轴的圆盘形转子盘和镶嵌在所述转子盘内的多个相同的块状永磁体；其中所述转子盘面向所述定子组件的底面上设有一组或多组同心圆环形转子凹槽，用以安放所述永磁体，所述转子凹槽与所述定子凹槽一一对应；每组所述转子凹槽包括四个圆环形转子凹槽，每组所述转子凹槽中沿所述转子盘的径向列数的第一个和第四个转子凹槽中放置相同极性的永磁体，第二个和第三个转子凹槽中放置相同极性的永磁体，第一个和第四个转子凹槽中放置的永磁体的极性与第二个和第三个转子凹槽中放置永磁体的极性相反；

所述定子组件中的永磁体与所述转子组件中的永磁体相同。

2.根据权利要求1所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子凹槽的凹陷深度小于所述永磁体的厚度。

3.根据权利要求2所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子凹槽的凹陷深度为所述永磁体厚度的五分之一或四分之一。

4.根据权利要求1所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子凹槽的凹陷深度大于所述永磁体的厚度。

5.根据权利要求1所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述转子盘的底面上覆盖有顺磁材料制成的盖板。

6.根据权利要求5所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述盖板的厚度为0.1毫米到2.0毫米。

7.根据权利要求1所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述永磁铁为长和宽分别为M_l和M_w的长方体磁体，每个所述定子凹槽或转子凹槽的半径r与每个定子凹槽或转子凹槽中相应放置的永磁体的个数n_m满足：

$r=\frac{M_l}{2\sin \left(\frac{360}{{2n}_m}\right)};$

相邻定子凹槽或相邻转子凹槽之间的间距满足：

r_n+1＝r_n+2M_w；

相邻两个定子凹槽之间的圆心角ω_offset-D满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-D}=\frac{360}{n_m};$

相邻两个转子凹槽之间的圆心角ω_offset-Z满足：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{offset}-Z}=-\frac{360}{n_m};$

r_n和r_n+1分别为所述转子盘或所述定子盘上沿径向列数的第n个和第n+1个转子凹槽或定子凹槽的半径。

8.根据权利要求1所述的被动式磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子盘通过硅树脂圆环固定在所述轴承固定板上。

9.一种被动式磁悬浮轴承组件，其特征在于，包括转轴、固定穿设在所述转轴上的两个非磁性轴承、以及固定穿设在所述转轴上且设置在两个所述非磁性轴承之间的如权利要求1-8任一项所述的被动式磁悬浮轴承。

10.根据权利要求9所述的被动式磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述非磁性轴承为滚珠轴承或滚柱轴承。

Images