CN104295603A - 永磁推力轴承及立式磁悬浮电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁推力轴承及立式磁悬浮电动机，具体地说是一种基于具有轴向磁悬浮力特殊基础结构的无源磁轴承及采用该种轴承的电动机。所述永磁推力轴承由中轴、环形外罩、以及内圈和外圈永磁环、导磁环等组成，还可增设阻磁环；其特征在于：上述各组成部分的圆心处于同一轴线上，中轴、内圈永磁环、内圈导磁环、内圈阻磁环相对固定，环形外罩、外圈永磁环、外圈导磁环、外圈阻磁环相对固定，中轴等跟环形外罩等可以发生绕轴线的相对旋转。上述永磁推力轴承应用于立式电动机可提供轴向磁悬浮力，从而甩掉了大功率电机所需的轴承箱，缩小了电机系统的整体体积与重量，节能降耗的效果十分明显。

Description

永磁推力轴承及立式磁悬浮电动机

技术领域

本发明涉及一种永磁推力轴承及立式磁悬浮电动机，具体地说是一种基于具有轴向磁悬浮力特殊基础结构的无源磁轴承及采用该种轴承的电动机。

背景技术

利用磁力制造无机械摩擦的轴承的设想早已有之，然而要制造出具有实用意义的磁轴承并不容易，以致对于该项技术的研究可谓“百花齐放”，却至今尚没有可供普及应用的成熟产品。早在1842年Earnshow已经证明：单靠永久磁铁本身不能使一个铁磁体在空间所有6个自由度上都保持自由、稳定的悬浮状态。因为在受力与距离平方成反比的恒定力场中，一个物体是找不到稳定的平衡位置的；所以在磁悬浮轴承中，如果一个转子完全处于由永久磁铁或恒定直流电磁铁所形成的静态磁力场中，是不能实现稳定悬浮的。为了使铁磁体实现稳定的磁悬浮，有人想到利用可控电磁铁不断地调节磁场力的大小，对被悬浮转子的至少一个自由度进行主动控制。这一设想由Kemper在1937年申请了第一个关于磁悬浮的专利，并构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。但是这种具有可控电磁铁的主动磁轴承(又称有源磁轴承)结构复杂、体积庞大，适用范围受到很多的制约，因此不采用电磁铁的永磁轴承(又称被动或无源磁轴承)始终没有离开人们的视野。依照前述Earnshaw对磁静力学基本原理的研究结论，仅用永磁体设计不出同时承受轴向位移和径向载荷的向心推力轴承，而只受径向载荷的向心轴承或只受轴向载荷的止推轴承在使用时，其轴向位移或径向位移必须通过其它方法来限制。

永磁轴承往往是由若干环形永磁铁按一定的极性布置而成的。1985年，J.P.Yonnet在Journal de Physique杂志上发表的文章A Non-conventional Type of PermanentMagnet Bearing中列举了10种可能的结构型式，它们是按环形磁铁的磁化方向及布置方式的不同来区分的(参见附图1)。本专利申请发明人自2007年以来对永磁轴承开始进行比较系统的研究，做了上万次实验。试验结果表明：即使辅之以其它非磁轴承对转子的若干自由度加以限制，照搬上述罗列的10种结构所造出的轴承，不是悬浮力低下、就是磁体的磁力容易消退，仍然制造不出旋转稳定的电机。轴承

普通的大功率电动机一般需要配置轴承箱，否则就不能正常运行。例如较大的风机或泵的轴承都要装在一个箱体中，箱体内注有润滑油，起到润滑和冷却轴承的作用，同时轴在旋转工作时所产生的轴向和径向力也会传递到轴承箱上，由轴承箱承载。轴承箱不仅重量和体积庞大，还增加了电机的额外载荷，降低了电机的效率。

因此找到能增加轴承的磁力强度、提高悬浮效率和防止退磁的办法是永磁轴承能否实用化的关键所在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，找到防止退磁和增加磁力强度、提高悬浮效率的方法，并设法甩掉大型风机和泵的轴承箱。

本发明采用的技术方案是基于在无数次的试验中已予证实的下列现象而形成的。

现象1：当在两个同极端面相对的永磁体01中间放置导磁体(如铁块)02，并用外力使它们联接一起时，导磁体两侧面会存在一定强度的磁场(参见图2a)，若改变铁块的大小或放置的位置，还可对磁场的强度和方向进行调整。当导磁体的一侧面凸出于永磁体的侧面，导磁体凸出一侧的磁场强度大于不凸出的一侧(参见图2b)；当导磁体的一侧面凹入于永磁体的侧面，导磁体凹入一侧的磁场强度小于不凹入的一侧(参见图2c)；为了使侧磁场更明显地引向一边，可使导磁体一侧凸出永磁体的侧面，而另一侧凹入于永磁体的侧面(参见图2d)。此外，由于加入了导磁体，永磁体也不再容易退磁了。

现象2：通常，整条永磁体中段侧旁的磁场强度接近于零(参见图3a)；但倘若把永磁体切成若干段，再使各段按原位相吸在一起时，其各段剖开处的侧旁会产生磁力(参见图3b)，其磁场强度远大于零(经用场强计实测达1000Gs～3000Gs)。此时若将一个移动磁块放置于剖开处附近，当移动磁块的侧面与剖开磁块的侧面极性相反时，移动磁块会吸在剖开磁块的侧面；当移动磁块的侧面与剖开磁块的侧面极性相同时，移动磁块会从剖开磁块的侧面被推开。当导体或反极性磁体在其中部分段交界处侧旁发生平行于磁力线方向的位移，运动物体会受到跟运动方向或趋势相反的阻力f，(参见图3c)。

本专利申请发明人根据上述现象创造了跟图1所示10种结构型式均不相同的永磁轴承的基础结构(参见图2和图3)，并组合上述基础结构设计了具有轴向磁悬浮力的永磁轴承(参见图4、图5、图6)；并利用该基本结构设计制造了大功率的立式磁悬浮电动机(参见图7)。

本发明所述永磁轴承的组成包含：由永磁材料制成的内、外圈永磁环(至少各2个)，由铁磁性材料制成的内、外圈导磁环(数量跟永磁环的个数相适应)，中轴和环形外罩；上述各内圈永磁环与内圈导磁环的内径和外径分别相等，其内径可以穿入中轴，其外径小于外圈的内径；上述各外圈永磁环与外圈导磁环的内径和外径分别相等，其内径大于内圈的外径，其外径可以放入环形外罩的内径，上述内圈永磁环与内圈导磁环分层相间排列，外圈永磁环与外圈导磁环相间排列，上述永磁环均为轴向充磁，内圈相邻永磁环与外圈相邻永磁环的磁极性分别相反，并且处于同一水平层的内圈永磁环与外圈永磁环的磁极性也相反；上述中轴与环形外罩同心放置，两者可以发生相对旋转；上述内圈永磁环与导磁环的内径直接或间接与中轴的外径固结，可以随中轴运动，上述外圈永磁环与导磁环的外径直接或间接与环形外罩的内径固结，可以随环形外罩运动。

为了增强磁力，上述同圈的永磁环与导磁环的内、外径也可以不相等，造成前面现象1中所述的导磁体的凸出或凹入形状，同时在导磁环没有盖住永磁环的地方可以设置由非导磁体(如铜、铁等非铁磁性金属或尼龙等非金属材料)制成的阻磁环。

本发明所述立式磁悬浮电动机的主要构成包含：上述永磁轴承、机械轴承A和B，电机定子线圈和转子线圈，以及轴承和电机的外壳；上述电机转子与上述永磁轴承同用一中轴，上述电机定子与电机外壳直接或间接固结，上述电机外壳与轴承外壳装配连成一体，上述中轴的上下部位分别装有机械轴承A和B，且分别跟轴承外壳与电机外壳装配在一起。

本发明的有益效果是，所述永磁轴承有效防止退磁和增加磁力强度、实现了悬浮效率的提高；采用此永磁轴承的立式磁悬浮电动机，其轴向磁悬浮力克服了电机中轴由于机械轴承的游隙而产生的轴向窜动，同时大大减少了机械摩擦、降低了温升，节约了能源消耗、提高了效率，因而可以不用轴承箱，缩小了电机系统的整体体积与重量。

附图说明

图1是现有公知技术中，永磁轴承的10种结构型式。

图2是表明现象1的示意图；其中：图2a的导磁体的左右侧面与永磁体平齐，图2b的导磁体的一侧凸出永磁体的侧面，图2c的导磁体的一侧凹于永磁体的侧面，图2d的导磁体则为一侧凸出永磁体的侧面，另一侧凹于永磁体的侧面。

图3是表明现象2的示意图；其中：图3a为整条永磁体，其中段的侧旁的磁场强度接近零；图3b为中间分割后再连在一起的永磁体，其中部分段交界处侧旁的磁场强度远大于零；图3c表示当与分割永磁体反极性磁体在其中部分段交界处侧旁发生位移时，反极性磁体会受到跟运动方向或趋势相反的阻力f。

图4是根据现象1(图2a)设计的磁轴承示意图；其中：图4a为正视剖面构造示意图，图4b为俯视剖面构造示意图。

图5是根据现象1(图2d)设计的磁轴承正视剖面构造示意图。

图6是根据现象1(图2d)和现象2(图3b)设计的磁轴承正视剖面构造示意图。

图7是采用图6结构的磁轴承制造的立式电动机正视剖面构造示意图。

图8是多体组合式磁悬浮轴承的实施例正视剖面构造示意图。

图中标记含义为：01-永磁体、02-导磁体、101-外圈永磁环、102-外圈导磁环、103-外圈阻磁环，201-内圈永磁环、202-内圈导磁环、203-内圈阻磁环，301-环形外罩、302-中轴、303-轴承外壳、304-外壳套、305-电机外壳，401-电机定子、402-电机转子，501-机械轴承A、502-机械轴承B，d-内圈外径跟外圈内径之间隙，Gs-场强计。

以上附图只是为了便于诠释本发明优选实施例时所需，毋庸赘言，在实施本发明之方案时的实际设计图样在细节上当然并不同这些示意图是一模一样的。

具体实施方式

下面参照附图进一步对本发明的优选实施例做具体说明。

如图4所示的永磁推力轴承实施例，其基本组成包含：中轴302、内圈永磁环201、内圈导磁环202、外圈永磁环101、外圈导磁环102、环形外罩301；上述各组成部分的圆心处于同一轴线上，所述内圈永磁环201至少有2层(图中显示为4层)、内圈导磁环202的片数跟永磁环的数量相适应(图中显示为5片)、内圈永磁环201同内圈导磁环202交替叠放，所述外圈永磁环101至少有2层(图中显示为4层)、外圈导磁环102的片数跟永磁环的数量相适应(图中显示为5片)、外圈永磁环101同外圈导磁环102分层交替叠放，所述永磁环201和101的磁极指向沿轴向分布，处于同一导磁环101或202上下两面的两片永磁环101或201的磁极性相反，而处于同一水平位置层面的内圈永磁环201跟外圈永磁环101的磁极性也相反，比如外圈按照102-N101S-102-S101N-102-N101S-102-S101N-102的次序排列，则内圈按照202-S201N-202-N201S-202-S201N-202-N201S-202的次序排列；所述内圈永磁环201与内圈导磁环202套在中轴302的外周上，并与之直接或间接固结，所述外圈永磁环101与外圈导磁环102的内周套在内圈永磁环201与内圈导磁环202的外周之外，所述外圈永磁环101与外圈导磁环102的外周位于环形外罩301的内周之中，两者的内外周直接或间接固结，所述外圈永磁环101与外圈导磁环102的内周跟内圈永磁环201与内圈导磁环202的外周之间存在间隙d，中轴302、内圈永磁环201、内圈导磁环202三者可以一齐跟环形外罩301、外圈永磁环101、外圈导磁环102三者发生绕轴线的相对旋转。本实施例中，永磁环、导磁环、阻磁环的厚度厚度都小于20毫米，阻磁环凸出和凹入的尺寸小于10毫米。

如图5所示的永磁轴承的实施例跟图4的主要区别在于：在图4中，内圈导磁环202与内圈永磁环201的内、外径分别相等，外圈导磁环102与外圈永磁环101的内、外径也分别相等，而在图5中永磁环与导磁环的内、外径并不相等。图5显示外圈导磁环102的内、外径分别小于外圈永磁环101的内、外径，内圈导磁环101的内、外径分别大于外圈永磁环201的内、外径，相对于内圈外周跟外圈内周之间的间隙而言，形成永磁环凹陷、导磁环凸出的形状，从而能增强该间隙之间的磁悬浮作用力；在外圈导磁环102的外周未覆盖到外圈永磁环101的部分，增加一个由非铁磁性材料制成的阻磁环103，外圈阻磁环103的外径不大于外圈永磁环101的外径，外圈阻磁环103的内径不小于外圈导磁环102的外径；在内圈导磁环202的内周未覆盖到内圈永磁环201的部分，增加一个由非铁磁性材料制成的阻磁环203，内圈阻磁环203的外径不大于内圈导磁环202的内径，内圈阻磁环203的内径不小于内圈永磁环202的内径。

如图6所示的永磁轴承的实施例跟图5的主要区别在于：每一层的外圈永磁环101和内圈永磁环201被剖切成磁极性方向相同的2片或更多片，从而进一步增强磁悬浮作用力。

图7所示的是立式磁悬浮电动机一个优选实施例，主要构成包含：如图6所示的永磁推力轴承，以及机械轴承A501和机械轴承B502，电机定子401和电机转子402，以及轴承外壳303(相当于图4、5、6的环形外罩301)和电机的外壳305；上述电机转子与上述永磁推力轴承同用一根中轴302，上述电机定子的铁芯与电机外壳直接或间接固结，上述电机外壳304与轴承外壳303装配连成一体，上述中轴的上下部位分别装有机械轴承A和B，且分别跟轴承外壳与电机外壳装配在一起。机械轴承501和502可以采用向心滚珠或滚柱轴承，以限制转子运行时可能发生的径向位移并承载该位移产生的负荷；而永磁推力轴承则用来承载转子运行时发生轴向位移时产生的负荷。上述所用向心滚珠或滚柱轴承的径向游隙一般不大于上述内外圈之间的间隙d。至于详细的机械轴承与电动机的结构和装配细节并非本发明专利的关键，其一般结构与工艺在本领域也是众所周知的，因此进一步的描述就没有必要了。

以22kW立式电机为例，通常必须配置用人力搬动十分困难的大轴承箱，否则通电运行不久就会有烧毁之虞；而在采用了本发明申请所述永磁推力轴承之后，便能实现无轴承箱长时间正常运行，节能降耗的效果十分明显。

当磁悬浮轴承的整体载重较大(譬如超过10吨)时，其内部磁环101和201以及内部导磁环102和202都可能产生变形，导致内部损坏。为了降低单个内部磁环101和201以及内部导磁环102和202承受的压力，而且又能满足所需大载重的要求，可以采用由多个如图4、5、6所述的永磁推力轴承单体组合而成的结构。图8是双体组合式磁悬浮轴承的实施例，主要结构包括：如图6所示的两个永磁推力轴承单体，以及机械轴承A501，两个轴承外壳303(相当于图4、5、6的环形外罩301)和外壳套304；上述两个永磁推力轴承共同用一根中轴302；上述两个轴承外壳303通过外壳套304装配在一起，连成一体。

上面已经对本发明作了清晰的描述，足以使得本技术领域的普通技术人员都能领会和实施。当然，以上仅描述了个别实施例，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本技术领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化，只要其永磁轴承是采用了本说明书所述基础结构的原理，均应认定其未超出本发明的技术方案，仍落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁推力轴承，其主要组成包含：中轴(302)、内圈永磁环(201)、内圈导磁环(202)、外圈永磁环(101)、外圈导磁环(102)、环形外罩(301)；其特征在于：上述各组成部分的圆心处于同一轴线上，所述内圈永磁环(201)至少有2层、内圈导磁环(202)的片数跟永磁环的层数相适应、内圈永磁环(201)同内圈导磁环(202)交替叠放，所述外圈永磁环(101)至少有2层、外圈导磁环(102)的片数跟永磁环的层数相适应、外圈永磁环(101)同外圈导磁环(102)交替叠放，所述内圈永磁环(201)和外圈永磁环(101)的磁极指向沿轴向分布，处于同一导磁环(101或202)上下两面的两片永磁环(101或201)的磁极性相反，而处于同一水平位置层面的内圈永磁环(201)跟外圈永磁环(101)的磁极性也相反，所述内圈永磁环(201)与内圈导磁环(202)套在中轴(302)的外周上，并与之直接或间接固结，所述外圈永磁环(101)与外圈导磁环(102)的内周套在内圈永磁环(201)与内圈导磁环(202)的外周之外，所述外圈永磁环(101)与外圈导磁环(102)的外周位于环形外罩(301)的内周之中，两者的内外周直接或间接固结，所述外圈永磁环(101)与外圈导磁环(102)的内周跟内圈永磁环(201)与内圈导磁环(202)的外周之间存在间隙(d)，中轴(302)、内圈永磁环(201)、内圈导磁环(202)三者可以一齐跟环形外罩(301)、外圈永磁环(101)、外圈导磁环(102)三者发生绕轴线的相对旋转。

2.根据权利要求1所述的永磁轴承，其特征在于：所述外圈导磁环(102)的内径等于或小于所述外圈永磁环(101)的内径，外圈导磁环(102)的外径等于或小于所述外圈永磁环(101)的外径，所述内圈导磁环(202)的内径等于或大于内圈永磁环(201)的内径，内圈导磁环(202)的外径等于或大于内圈永磁环(201)的外径。

3.根据权利要求2所述的永磁轴承，其特征在于：当所述外圈导磁环(102)的外径小于所述外圈永磁环(101)的外径时，所述外圈导磁环(102)的外周之外再增加个数与导磁环一致的、由非铁磁性材料制成的外圈阻磁环(103)，其内径不小于外圈导磁环(102)的外径，外径不大于外圈永磁环(101)的外径；当所述内圈导磁环(202)的内径大于所述内圈永磁环(201)的内径时，所述内圈导磁环(202)的内周之中再增加与导磁环个数一致的、由非铁磁性材料制成的内圈阻磁环(203)，其内径不小于内圈永磁环(201)的内径，外径不大于内圈导磁环(202)的内径。

4.根据权利要求2所述的永磁轴承，其特征在于：在每两片所述导磁环(102和/或202)层间的单片永磁环(101和/或201)置换成至少2片，且各片永磁环的磁极性跟未置换前的同层单片永磁环的磁极性保持一致方向。

5.根据权利要求2、或权利要求3、或权利要求4所述的永磁轴承，其特征在于：其结构由至少2个上述永磁推力轴承单体组合而成，各轴承单体共同用一根中轴(302)，且它们的轴承外壳(303)均装配在同一外壳套(304)之中，连成一体。

6.一种立式磁悬浮电动机，其主要构成包含：如权利要求1～4所述的永磁轴承，以及机械轴承A(501)和机械轴承B(502)，电机定子(401)和电机转子(402)，轴承外壳(303)和电机外壳(304)；其特征在于：所述电机转子(402)与上述永磁轴承共用一中轴(302)，所述电机定子(401)与电机外壳(304)直接或间接固结，所述电机外壳(304)与轴承外壳(303)装配连成一体，所述中轴的上下部位分别装入机械轴承(501、502)的内孔，机械轴承A(501)的外周跟轴承外壳(303)的内周配合固连，机械轴承B(502)的外周跟电机外壳(305)的内周配合固连。

7.根据权利要求6所述的立式磁悬浮电动机，其特征在于：所述机械轴承(501、502)为向心滚珠或滚柱轴承，所述间隙(d)不小于所用向心滚珠或滚柱轴承的径向游隙。