CN103291748A - 一种磁悬浮轴承结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮轴承结构,包括转子和定子组件,定子组件包括磁极单元,磁极单元的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置;转子包括片状硅钢圈以及中空圆柱状硅钢柱,片状硅钢圈为多个且沿其轴向层叠压合布置以分别构成转子的前、后段,中空圆柱状硅钢柱为多个且彼此同轴布置,各硅钢柱内外壁构成彼此的配合面且沿其径向彼此层叠压合构成转子的中段,所述硅钢柱端部分别与硅钢圈的临近端面间构成紧密抵压式固接配合。上述结构可避免传统N、S极安置方式上的各极性相异的磁极单元沿定子周向布置所导致的转子频繁被动磁化现象。
Description
技术领域
本发明属于机械磁悬浮领域,具体涉及一种磁悬浮轴承结构。
背景技术
磁悬浮轴承结构(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的一种装置结构。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,磁轴承不存在机械接触,转子可以运行到很高的转速,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。由于目前的磁悬浮轴承结构的转子仍都为扁平圈状硅钢片沿其轴向层叠而成圆柱体状,而其定子则至今都仍然沿用如图1所示,也即其内壁处沿其周向均布多根绕制有线圈的衔铁结构,从而依靠多组环绕转子设置的N、S极沿转子径向布置的结构方式,来实现对于转子的电磁吸附悬浮作用,上述结构固然具备了基于转子的磁悬浮功能,但其存在的缺陷仍不可小视,主要在于:一方面,每当转子旋转一圈时,每当转子的各区域均必然会多次频繁的经过如图1所示的各组N、S极(图1中虚线部分为其磁力线流动路径示意图),其上相应感应区域也就会对应加以磁极转化,也即不断进行充放电操作,方才能保证各对N、S极对于转子的吸附作用,然而,转子在工作时必然是不断转动的,上述转子各区域再不断经过各组N、S极而不断发生频繁的充放电现象,进而不可避免使其产生涡流损耗并引发电发热效应,最终导致转子产生过热现象,轻则影响其正常使用效果,重则产生设备的过热损坏现象;另一方面,N、S极的形成都为依靠衔铁和线圈共同组成,传统结构的衔铁或为整体与定子一体形成,线圈整体绕制,且一旦轴承加工完成就无法进行更改,如需遇到需增大悬浮力等特殊场合时,只能通过更换轴承的方式进行,更换繁琐且成本高,又或为先期制作衔铁并绕制线圈后再行固接于转子内壁上,该方式不但因各种安装误差等而致使各衔铁顶端无法形成准确圆周面,也即出现转子外壁与定子内壁的不同心现象,从而导致两者根本无法正常适配极工作。磁悬浮轴承的上述结构,不能不说是困扰本领域研发人员烦扰已久的难题。后来固然也有某些厂家试图通过磁极的其他布置方式来对轴承结构进行技术改良,然而,由于其转子的硅钢片的特殊布局,如何保证磁力线能够平行沿各硅钢片内穿过而不产生在彼此间的传播干涉性,以避免磁力线直接横穿硅钢片的板面而出现的涡流发热现象,又为本领域的研发人员带来极大困扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单的磁悬浮轴承结构,不但可有效减少转子工作时的磁极转化次数,又可有效保证其低涡流损耗性以及低发热性,工作效率高。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种磁悬浮轴承结构,包括转子以及与之适配的定子组件,两者间构成悬浮配合关系,所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元,所述磁极单元的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置;所述转子外形呈分段式的圆柱状结构,包括对应磁极单元N、S极布置的片状硅钢圈以及布置于两者间的中空圆柱状硅钢柱,所述片状硅钢圈为多个且沿其轴向层叠压合布置以分别构成转子的前、后段,所述中空圆柱状硅钢柱为多个且彼此同轴布置,各硅钢柱内外壁构成彼此的配合面且沿其径向彼此层叠压合构成转子的中段,所述硅钢柱端部分别与硅钢圈的临近端面间构成紧密抵压式固接配合。
本发明的主要优点在于:一方面,通过摒弃了将磁极单元的N、S极沿定子径向布置的传统安置方式,而突破反常的采用其N、S极与定子组件轴长方向同向设置的布置结构,从而巧妙的起到了避免转子工作时频繁转化磁极的独特效果;实际操作时,由于磁极单元的存在,依靠其磁力作用,也就实现了传统结构所都能实现的对于转子的磁悬浮效果,另一方面,由于本发明的上述独特N、S极布置方式,无论转子如何在外来动力下实现转动操作,在转动一圈时,其上各区域在周向动作时都只会存在单个极性的变化过程,也即如果转子的某部分区域处于磁极单元的N极磁化范围内,此时该区域如何周向转动,由于N极的影响范围为沿定子组件周向方向的影响,此时转子的该区域也就始终处于单极性的磁化状态,也就避免了传统N、S极安置方式上的各极性相异的磁极单元沿定子周向布置所导致的转子频繁被动磁化现象;另一方面,通过合理化布局转子结构,从而将转子设计呈分段式构造,依靠转子上的直接临近磁极单元N、S极的前、后段处按照往常设置布置呈层叠设置的硅钢圈结构,与此同时,其连接前、后段之间的中段部分则通过同心圆式排列的硅钢柱彼此嵌合构成,也即构成中段为彼此同心卷叠而前、后段彼此轴向层叠的压合结构,当磁极单元上的磁力线经其N极流进转子并回流至其S极时,磁力线基本完全经硅钢柱或硅钢圈的延伸方向所构成的引导路线加以行进而彼此间不会产生直接贯穿硅钢圈板体或硅钢柱柱体的现象,从而在确保有效减少转子工作时的磁极转化次数的同时还极大的减少了转子工作时的涡流损耗量及发热量,工作效率可得到极大提高。
附图说明
图1为传统磁悬浮轴承结构的工作原理图;
图2为本发明的定子组件立体结构示意图;
图3为图2的爆炸分解图;
图4-5为本发明的工作原理图。
具体实施方式
一种磁悬浮轴承结构,包括转子以及与之适配的定子组件,两者间构成悬浮配合关系,所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元10,所述磁极单元10的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置;所述转子外形呈分段式的圆柱状结构,包括对应磁极单元10N、S极布置的片状硅钢圈以及布置于两者间的中空圆柱状硅钢柱,所述片状硅钢圈为多个且沿其轴向层叠压合布置以分别构成转子的前、后段21、22,所述中空圆柱状硅钢柱为多个且彼此同轴布置,各硅钢柱内外壁构成彼此的配合面且沿其径向彼此层叠压合构成转子的中段23,所述硅钢柱端部分别与硅钢圈的临近端面间构成紧密抵压式固接配合。
实际使用时,如图2-5所示,一方面,本发明通过摒弃了将磁极单元的N、S极沿定子径向布置的传统安置方式,而突破反常的采用其N、S极与定子组件轴长方向同向设置的布置结构,从而巧妙的起到了避免转子工作时频繁转化磁极的独特效果;由于磁极单元的存在,依靠其磁力作用,也就实现了传统结构所都能实现的对于转子的磁悬浮效果,另一方面,由于本发明的上述独特N、S极布置方式,无论转子如何在外来动力下实现转动操作,在转动一圈时,其上各区域在周向动作时都只会存在单个极性的变化过程,也即如果转子的某部分区域处于磁极单元的N极磁化范围内,此时该区域如何周向转动,由于N极的影响范围为沿定子组件周向方向的影响,此时转子的该区域也就始终处于单极性的磁化状态,也就避免了传统N、S极安置方式上的各极性相异的磁极单元沿定子周向布置所导致的转子频繁被动磁化现象;另一方面,通过合理化布局转子结构,从而将转子设计呈分段式构造,依靠转子上的直接临近磁极单元N、S极的前、后段21、22处按照平常的设置方式布置,也即采用层叠设置的硅钢圈结构,与此同时,其连接前、后段21、22之间的中段23部分则通过同心圆式排列的中空硅钢柱彼此嵌合构成,也即构成如图4-5所示的中段23为彼此同心卷叠而前、后段21、22彼此轴向层叠的压合结构,当磁极单元10上的磁力线经其N极流进转子并回流至其S极时,磁力线基本完全经硅钢柱或硅钢圈的延伸方向所构成的引导路线加以行进而彼此间不会产生直接贯穿硅钢圈板体或硅钢柱柱体的现象,从而在确保有效减少转子工作时的磁极转化次数的同时还极大的减少了转子工作时的涡流损耗量及发热量,工作效率可得到极大提高。
作为本发明的进一步优选方案,所述转子前段、后段21、22的轴向厚度与转子中段23径向壁厚均等于构成所述磁极单元10的衔铁13的径向厚度。其中的径向及轴向的说法,均针对于转子或定子组件的轴线而言的;而之所以这样布置,则是通过将转子各段设置为与衔铁等厚,从而起到最大化实现衔铁13本身作为“水渠”的磁力疏通的功能,为本发明的高效可靠运行提供准确保证。
进一步的,所述定子组件外形呈半圆状甚至为半圆状对称结构,至少包括两个板面彼此平行的半圆形压板11以及布置于两压板11板面间的电磁铁部12,所述电磁铁部12的N、S极布置方向垂直压板11板面布置;所述压板11板厚与衔铁13厚度等同设置;所述电磁铁部12为四个且布置于压板11的上半圆区域内设置,各电磁铁部12沿压板11板体弧线方向均布;所述每两个彼此配合的压板11及位于其间的电磁铁部12构成一组所述磁极单元10;所述磁极单元10为三组且沿定子组件轴向依次布置,各磁极单元10上的两配合压板11间面贴合且该两压板11极性同极设置;转子上的每一组前、中、后段21、22、23构成一组转子单元,所述转子单元的数目对应磁极单元10上的N、S极分别设置的三组,各转子单元彼此沿其轴向方向压合固接设置。
上述电磁铁部12与压板间的紧密配合结构,实际上也即将电磁铁部12上的衔铁与压板11的板体间整体形成了用于供磁力线通过的渠道,由于转子位于压板11内壁处,而各相邻磁极单元10间的两临近压板11为贴合布置;“压板11板厚与衔铁13厚度等同设置”,也即通过压板11、衔铁13乃至转子整体形成如图所示的磁力流通渠道,从而实现其顺畅磁力流通目的;以本发明图2-5所示的三组磁极单元10为例,此时各压板11的各内壁面也即沿其轴向方向依次形成N极——S极——S极——N极——N极——S极的极性构造,以最终保证其工作有效性;另一方面,由于磁极单元10上的衔铁13本身构成的即为方便磁力线流过的通道,也即可以视作供水流动的“水渠”而存在,而多大的“水渠”可以流经多少的水,多厚的衔铁13自然可以产生相应大的作用力,但是,传统电磁铁往往通过单组单个的电磁铁单元就想达到极大的磁力吸附效果,这显然是错误的,一旦实际使用,不但会因衔铁13厚度的无谓增厚而导致定子过厚的状况,同时由于转子与定子的适配性,也就导致转子本身厚度的过厚现象;本发明通过采用分散式设计,也即多排布置多组磁极单元10,从而通过将定子组件沿其轴向方向不断延伸并填置满足指定要求的若干组磁极单元10,从而通过降低衔铁厚度而增加磁极单元10个数的方式来同样达到对于转子的高磁力吸附作用,如想产生多大的磁力,则可相应填设多少组磁极单元10,使用方便而快捷,成效也极为明显;这在如图5中可显然看出转子的厚度变化,最终为转子的转动稳定性和能耗性提供极大保证。同时,每组磁极单元10上的多个电磁铁部12的布置方式,则是考虑到如果直接每组外形呈半圆形状的磁极单元10上仅布置一个电磁铁部12,而该电磁铁部12的衔铁所指方向也即其N、S极方向又满足与定子组件轴线同向设置等一系列要求,那么该电磁铁部12的线圈绕制也就必然是难以甚至说是无法实现的;本发明通过多方实验,采用以多个电磁铁线包以直代曲的方式,换句话说,通过一根曲线理论上由无限的直线构成这一理论,通过布置呈正常绕制的多个电磁铁部12来构成呈半圆形状的定子组件,从而减小加工难度;同时,通过其与压板11的压合配合结构,实际使用时压板11可以直接外界整体加工完,且线包独立绕制后,再另行模块化组装即可,其结构简单而极为适用,市场前景广阔。由于本身磁极单元10的组数可根据实际情况加以变化,或为三组,或为更多,而磁极单元10组数的变化必然导致转子上各段结构的相应变化,因此,本发明通过将转子每一组彼此可单独配合的前、中、后段21、22、23设置为一组转子单元,如图所示,从而在实际使用时根据磁极单元10数目的变化而相应压合若干组数的转子单元以构成转子,最终实现其转子的对应悬浮及正常旋转目的。
本发明实际使用时,采用各组磁极单元10上的最上部的两个电磁铁部12来实现转子的稳定悬浮,这两组电磁铁部12产生的竖直方向的合力用于抵消转子的重力,而位于其两侧对称布置的两个电磁铁部12彼此产生的侧向分力相互平衡,确保转子的侧向稳定性。其整个机构相对于传统轴承机构而言,具有无摩擦、低噪声、转速快等优点,极其适用于高速、真空、超净等特殊环境中。
Claims (5)
1.一种磁悬浮轴承结构,包括转子以及与之适配的定子组件,两者间构成悬浮配合关系,所述定子组件包括位于其上的用于形成转子悬浮动力的磁极单元(10),其特征在于:所述磁极单元(10)的N、S极布置方向与定子组件轴长方向同向设置;所述转子外形呈分段式的圆柱状结构,包括对应磁极单元(10)N、S极布置的片状硅钢圈以及布置于两者间的中空圆柱状硅钢柱,所述片状硅钢圈为多个且沿其轴向层叠压合布置以分别构成转子的前、后段(21、22),所述中空圆柱状硅钢柱为多个且彼此同轴布置,各硅钢柱内外壁构成彼此的配合面且沿其径向彼此层叠压合构成转子的中段(23),所述硅钢柱端部分别与硅钢圈的临近端面间构成紧密抵压式固接配合。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承结构,其特征在于:所述转子前段、后段(21、22)的轴向厚度与转子中段(23)径向壁厚均等于构成所述磁极单元(10)的衔铁(13)的径向厚度。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承结构,其特征在于:所述定子组件外形呈半圆状,至少包括两个板面彼此平行的半圆形压板(11)以及布置于两压板(11)板面间的电磁铁部(12),所述电磁铁部(12)的N、S极布置方向垂直压板(11)板面布置;所述压板(11)板厚与衔铁(13)厚度等同设置。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承结构,其特征在于:定子组件呈半圆状对称结构;所述电磁铁部(12)为四个且布置于压板(11)的上半圆区域内设置,各电磁铁部(12)沿压板(11)板体弧线方向均布。
5.根据权利要求3或4所述的磁悬浮轴承结构,其特征在于:所述每两个彼此配合的压板(11)及位于其间的电磁铁部(12)构成一组所述磁极单元(10);所述磁极单元(10)为三组且沿定子组件轴向依次布置,各磁极单元(10)上的两配合压板(11)间面贴合且该两压板(11)极性同极设置;转子上的每一组前、中、后段(21、22、23)构成一组转子单元,所述转子单元的数目对应磁极单元(10)上的N、S极分别设置的三组,各转子单元彼此沿其轴向方向压合固接设置。
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