CN106969034A - 永磁式磁悬浮轴承 - Google Patents

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    • F16C32/0423—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
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Abstract

一种永磁式磁悬浮轴承，包括外磁环和内磁环，所述外磁环和内磁环其中之一与一转动体固定连接以随所述转动体转动，所述外磁环与所述内磁环之间具有间隙以允许两者之间的相对转动，所述外磁环和内磁环构造成使得所述外磁环与内磁环之间同时产生一轴向推力和一径向推力。本发明的磁悬浮轴承由各个不同充磁方向的磁环同轴安装而使得转动体整体悬浮起来，无任何接触，实现无损耗转动。

Description

永磁式磁悬浮轴承
技术领域
本发明涉及一种轴承，特别涉及一种永磁式磁悬浮轴承。
背景技术
目前大部分的轴承存在相对摩擦或者滚动摩擦，无论怎么精密制造还是会存在损耗。
磁悬浮轴承是一种非接触型轴承，所以，该种轴承中的两个相对运动的部件之间不存在磨损或者摩擦阻力很小，使得该种轴承既能支承高速转动的轴，又可降低噪音和运行成本。对于现有的磁悬浮轴承，大多是利用内、外两块环形磁铁相互排斥所产生的径向力迫使其悬浮的。然而，由于轴承是用于支承转动轴的部件，并且该种轴承在轴向没有设置过载保护的轴向排斥力，而转动轴在带动负载一起转动的过程中同时也会产生轴向偏心力，所以，使用该轴承易导致转动轴轴向偏移，而转动轴轴向偏移会影响轴承的正常运转。
因此，如何解决磁悬浮轴承在运转时发生轴向偏移是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种可对磁悬浮轴承进行轴向限位的永磁式磁悬浮轴承。
本发明提供一种永磁式磁悬浮轴承，包括外磁环和内磁环，所述外磁环和内磁环其中之一与一转动体固定连接以随所述转动体转动，所述外磁环与所述内磁环之间具有间隙以允许两者之间的相对转动，所述外磁环和内磁环构造成使得所述外磁环与内磁环之间同时产生一轴向推力和一径向推力。
在一实施例中，所述外磁环和内磁环其中之一朝向所述外磁环和内磁环其中另一的一轴向侧具有一凹陷，所述外磁环和内磁环其中另一朝向所述外磁环和内磁环其中之一延伸出一凸起，所述凸起至少部分容置于所述凹陷内，所述凹陷与所述凸起之间形成所述间隙，所述外磁环和内磁环在轴向上的充磁方向相反，以使得所述外磁环的凹陷的内表面与所述内磁环的凸起的外表面之间磁性相反进而相互排斥。
在一实施例中，所述凹陷的内表面与所述凸起的外表面平行设置。
在一实施例中，所述内表面为圆锥面，所述外表面为圆锥面。
在一实施例中，所述外磁环为第一外磁环，所述内磁环为第一内磁环，所述永磁式磁悬浮轴承还包括第二外磁环和第二内磁环，所述第二外磁环和第二内磁环其中之一与所述转动体固定连接以随所述转动体转动，所述第二外磁环与所述第二内磁环之间具有间隙以允许两者之间的相对转动，所述第一外磁环和第一内磁环设置在所述转动体的第一轴向位置，所述第二外磁环和第二内磁环设置在所述转动体的第二轴向位置，所述第一轴向位置和第二轴向位置间隔一距离。
在一实施例中，所述第一内磁环位于所述第一外磁环靠近所述第二轴向位置的一侧；所述第二轴向位置的磁悬浮轴承设置为，所述第二内磁环位于所述第二外磁环靠近所述第一轴向位置的一侧。
在一实施例中，所述第一外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，或者是所述第一外磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向；所述第二外磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，或者是所述第二外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向。
在一实施例中，所述第一内磁环位于所述第一外磁环远离所述第二轴向位置的一侧；所述第二轴向位置的磁悬浮轴承设置为，所述第二内磁环位于所述第二外磁环远离所述第一轴向位置的一侧。
综上所述，本发明提出一种永磁式磁悬浮轴承。采用两个凹凸形状的磁环，利用磁性的同性相斥的特点，对凹凸两个磁环进行充磁，使得凹磁环对凸磁环同时产生径向和轴向的排斥力。转动体上具有一间隔距离的第一轴向位置和第二轴向位置的磁悬浮轴承的凹磁环分别对凸磁环产生作用力，使得凸磁环或凹磁环达到悬浮的效果同时对转动体进行轴向限位。转动体所需的轴向力和径向力的大小由磁环的磁场大小和磁环的凹凸面倾斜的角度的大小决定。本发明的磁悬浮轴承由各个不同充磁方向的磁环同轴安装而使得转动体整体悬浮起来，无任何接触，实现无损耗转动。具有以下优点：
1.由于转子和定子之间没有机械接触，因此不存在磨损，不需要润滑，运行噪音小，允许转子高速、超高速旋转；
2.磁悬浮轴承对于转子旋转只有很小阻力，利于节能；
3.无需供电供油系统，直接就运行，方便快捷；
4.适用于洁净要求很高的应用场合，实现所谓绿色运行；
5.可在恶劣的环境中使用。
附图说明
图1为本发明的磁悬浮轴承一实施例的剖面结构示意图。
图2为本发明的磁悬浮轴承另一实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。方向性用语，例如“左”、“右”、“上”、“下”等只是参照图示的角度进行说明，并不对本发明进行限制。
本发明的永磁式磁悬浮轴承利用永磁体同极相斥、异极相吸的原理，将中间的转动体悬浮起来，并利用转动体两端对称的轴向排斥力相互限位转动体的轴向移动。
本发明提出一种永磁式磁悬浮轴承，包括外磁环和内磁环，外磁环和内磁环其中之一与一转动体固定连接以随转动体转动。外磁环与内磁环之间具有一间隙以允许两者之间的相对转动，且外磁环和内磁环构造成使得外磁环与内磁环之间同时产生一轴向推力和一径向推力，以使得外磁环和内磁环其中之一悬浮。
在如图1所示的实施例中，所述转动体为一转轴10，所述永磁式磁悬浮轴承包括环绕转轴10安装的、位于转轴10的第一轴向位置的第一外磁环12和第一内磁环14以及位于转轴10的第二轴向位置的第二外磁环16和第二内磁环18，其中转轴10的第一轴向位置和第二轴向位置间隔一距离。
本实施例中，第一内磁环14与转轴10固定连接以随转轴10转动，第一外磁环12利用外物固定，且第一外磁环12与转轴10之间具有一缝隙20，第一外磁环12与第一内磁环14之间具有一间隙22，以允许两者之间相对转动。第一外磁环12和第一内磁环14构造成使得第一外磁环12与第一内磁环14之间同时产生一轴向推力和一径向推力，进而使得与第一内磁环14固定连接的转轴10悬浮起来。
第二内磁环18与转轴10固定连接以随转轴10转动，第二外磁环16利用外物固定，且第二外磁环16与转轴10之间具有一缝隙24，第二外磁环16与第二内磁环18之间具有一间隙26，以允许两者之间相对转动。第二外磁环16和第二内磁环18构造成使得第二外磁环16与第二内磁环18之间同时产生一轴向推力和一径向推力，进而使得与第二内磁环18固定连接的转轴10悬浮起来。
外磁环和内磁环其中之一朝向外磁环和内磁环其中另一的一轴向侧具有一凹陷，外磁环和内磁环其中另一朝向外磁环和内磁环其中之一延伸出一凸起，所述凸起至少部分容置于所述凹陷内。所述凹陷与所述凸起之间形成所述间隙，所述凹陷的内表面与所述凸起的外表面平行设置。所述凹陷的内表面可以为圆锥面，所述凸起的外表面也可以为圆锥面。
在所示的实施例中，第一外磁环12朝向第一内磁环14的轴向侧具有一第一凹陷28，第一内磁环14朝向第一外磁环12延伸出用以与第一凹陷28配合的第一凸起30，第一凸起30的前端部分容置于第一凹陷28内。应当理解的是，在其他实施例中，根据磁悬浮轴承的实际设计需要，也可以将第一凸起30全部容置于第一凹陷28内，本发明不对此限定。为了使得第一外磁环12与第一内磁环14相互之间更好地产生磁性作用，第一凹陷28的内表面设置为圆锥面，第一凸起30的外表面也设置为圆锥面，且第一凹陷28的内表面与第一凸起30的外表面平行设置。
应当注意的是，在上述实施例中，第一凹陷28设置在第一外磁环12上，第一凸起30设置在第一内磁环14上，但本发明不对此限定，在其他实施例中，也可以设置成在第一外磁环12上设置凸起，在第一内磁环14上设置凹陷。
也应当理解的是，上述将第一凹陷28的内表面和第一凸起30的外表面设置为圆锥面并且将所述内表面和外表面平行设置仅为例示性，在其他实施例中，根据具体设计需求，第一凹陷28的内表面和第一凸起30的外表面也可以设计为其他形状，例如弧形表面，同时，第一凹陷28的内表面和第一凸起30的外表面可以设计成具有一定角度，只要满足第一外磁环12与第一内磁环14之间同时产生一轴向推力和一径向推力及其它相关要求即可。
第二外磁环16朝向第二内磁环18的轴向侧具有一第二凹陷32，第二内磁环18朝向第二外磁环16延伸出用以与第二凹陷32配合的第二凸起34，第二凸起34的前端部分容置于第二凹陷32内。应当理解的是，在其他实施例中，根据磁悬浮轴承的实际设计需要，也可以将第二凸起34全部容置于第二凹陷32内，本发明不对此限定。为了使得第二外磁环16与第二内磁环18相互之间更好地产生磁性作用，第二凹陷32的内表面设置为圆锥面，第二凸起34的外表面也设置为圆锥面，且第二凹陷32的内表面与第二凸起34的外表面平行设置。
应当注意的是，在上述实施例中，第二凹陷32设置在第二外磁环16上，第二凸起34设置在第二内磁环18上，但本发明不对此限定，在其他实施例中，也可以设置成在第二外磁环16上设置凸起，在第二内磁环18上设置凹陷。
也应当理解的是，上述将第二凹陷32的内表面和第二凸起34的外表面设置为圆锥面并且将所述内表面和外表面平行设置仅为例示性，在其他实施例中，根据具体设计需求，第二凹陷32的内表面和第二凸起34的外表面也可以设计为其他形状，例如弧形表面，同时，第二凹陷32的内表面和第二凸起34的外表面可以设计成具有一定角度，只要满足第二外磁环16与第二内磁环18之间同时产生一轴向推力和一径向推力及其它相关要求即可。
在所示的实施例中，第一凹陷28的内表面与第一凸起30的外表面平行设置，第二凹陷32的内表面与第二凸起34的外表面平行设置。外磁环和内磁环在轴向上的充磁方向相反，以使得外磁环的凹陷的内表面与内磁环的凸起的外表面之间磁性相反进而相互排斥。具体而言，外磁环和内磁环在轴向上的充磁方向相反，以使得外磁环的凹陷的内表面与内磁环的凸起的外表面之间磁性相反，进而相互排斥。外磁环对内磁环的排斥力的方向为自外磁环的外表面朝向内磁环的内表面并垂直内磁环的外表面的方向，该排斥力可以分解成在轴向上自外磁环朝向内磁环的方向的轴向推力以及朝向转轴的径向向内的推力。其中，朝向转轴的径向向内的推力使得转轴可以悬浮起来。
本实施例中，安装于所述第一轴向位置的磁环设置为，第一内磁环14位于第一外磁环12靠近所述第二轴向位置的一侧；安装于所述第二轴向位置的磁环设置为，第二内磁环18位于第二外磁环16靠近所述第一轴向位置的一侧。
磁环的充磁方向为，第一外磁环12的充磁方向为轴向靠近第二轴向位置的方向，在图中为向右，第一内磁环14的充磁方向为轴向远离第二轴向位置的方向，在图中为向左；第二外磁环16的充磁方向为轴向远离第一轴向位置的方向，在图中为向右，第二内磁环18的充磁方向为轴向靠近第一轴向位置的方向，在图中为向左。应当理解的是，在其他实施例中，磁环的充磁方向也可以为，第一外磁环12的充磁方向为轴向远离第二轴向位置的方向，在图中为向左，第一内磁环14的充磁方向为轴向靠近第二轴向位置的方向，在图中为向右；第二外磁环16的充磁方向为轴向靠近第一轴向位置的方向，在图中为向左，第二内磁环18的充磁方向为轴向远离第一轴向位置的方向，在图中为向右。
应当注意的是，在其他实施例中，第一轴向位置和第二轴向位置的磁环设计方式也可以实施成，安装于所述第一轴向位置的磁环设置为，第一内磁环14位于第一外磁环12远离所述第二轴向位置的一侧；安装于所述第二轴向位置的磁环设置为，第二内磁环18位于第二外磁环16远离所述第一轴向位置的一侧。
实质上，在上述实施例中，位于第一轴向位置的磁环布置及充磁方向与位于第二轴向位置的磁环布置及充磁方向关于转轴10的一垂直线镜像对称。这样设置可以使得第一轴向位置和第二轴向位置上产生的轴向上的推力相对或者相反，从而相互限位转轴10的轴向移动。但这仅为本发明的优选实施方式，在其他实施例中，第一轴向位置和第二轴向位置的磁环结构布置及充磁方向也可以不对称，只要能够使得第一轴向位置和第二轴向位置上产生的轴向上的推力相对或者相反，从而相互限位转轴10的轴向移动，并满足使得转轴10悬浮的要求即可。
凹陷的内表面或者凸起的外表面与转轴10之间形成一倾斜角度，转轴10所需的轴向力和径向力大小由磁环的磁场大小和所述倾斜角度的大小决定的。因此，可以根据转轴10所需的轴向力或者径向力来修改永磁体(外磁环和内磁环)的尺寸形状及所述倾斜角度大小，从而达到调整磁场强度的作用，让转轴10更稳定的运行。
在图2所示的实施例中，所述转动体为一轴套36，所述永磁式磁悬浮轴承包括容置于轴套36内的、位于轴套36的第一轴向位置的第一外磁环38和第一内磁环40以及位于轴套36的第二轴向位置的第二外磁环42和第二内磁环44，其中轴套36的第一轴向位置和第二轴向位置间隔一距离。
与图1所示的实施例不同的是，本实施例中，第一外磁环38与轴套36的内壁固定连接以随轴套36转动，第一内磁环40利用外物固定；第二外磁环42与轴套36的内壁固定连接以随轴套36转动，第二内磁环44利用外物固定。其他例如磁环的排布方式、凹陷、凸起的设计以及磁环的充磁方向与图1所示的实施例类似，在此不再赘述。
综上所述，本发明提出一种永磁式磁悬浮轴承。采用两个凹凸形状的磁环，利用磁性的同性相斥的特点，对凹凸两个磁环进行充磁，使得凹磁环对凸磁环同时产生径向和轴向的排斥力。转动体上具有一间隔距离的第一轴向位置和第二轴向位置的磁悬浮轴承的凹磁环分别对凸磁环产生作用力，使得凸磁环或凹磁环达到悬浮的效果同时对转动体进行轴向限位。转动体所需的轴向力和径向力的大小由磁环的磁场大小和磁环的凹凸面倾斜的角度的大小决定。本发明的磁悬浮轴承由各个不同充磁方向的磁环同轴安装而使得转动体整体悬浮起来，无任何接触，实现无损耗转动。具有以下优点：
1.由于转子和定子之间没有机械接触，因此不存在磨损，不需要润滑，运行噪音小，允许转子高速、超高速旋转；
2.磁悬浮轴承对于转子旋转只有很小阻力，利于节能；
3.无需供电供油系统，直接就运行，方便快捷；
4.适用于洁净要求很高的应用场合，实现所谓绿色运行；
5.可在恶劣的环境中使用。
本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种永磁式磁悬浮轴承，包括外磁环和内磁环，所述外磁环和内磁环其中之一与一转动体固定连接以随所述转动体转动，所述外磁环与所述内磁环之间具有间隙以允许两者之间的相对转动，其特征在于，所述外磁环和内磁环构造成使得所述外磁环与内磁环之间同时产生一轴向推力和一径向推力。
2.如权利要求1所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述外磁环和内磁环其中之一朝向所述外磁环和内磁环其中另一的一轴向侧具有一凹陷，所述外磁环和内磁环其中另一朝向所述外磁环和内磁环其中之一延伸出一凸起，所述凸起至少部分容置于所述凹陷内，所述凹陷与所述凸起之间形成所述间隙，所述外磁环和内磁环在轴向上的充磁方向相反，以使得所述外磁环的凹陷的内表面与所述内磁环的凸起的外表面之间磁性相反进而相互排斥。
3.如权利要求2所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述凹陷的内表面与所述凸起的外表面平行设置。
4.如权利要求3所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述内表面为圆锥面，所述外表面为圆锥面。
5.如权利要求1所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述外磁环为第一外磁环，所述内磁环为第一内磁环，所述永磁式磁悬浮轴承还包括第二外磁环和第二内磁环，所述第二外磁环和第二内磁环其中之一与所述转动体固定连接以随所述转动体转动，所述第二外磁环与所述第二内磁环之间具有间隙以允许两者之间的相对转动，所述第一外磁环和第一内磁环设置在所述转动体的第一轴向位置，所述第二外磁环和第二内磁环设置在所述转动体的第二轴向位置，所述第一轴向位置和第二轴向位置间隔一距离。
6.如权利要求5所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一内磁环位于所述第一外磁环靠近所述第二轴向位置的一侧；所述第二轴向位置的磁悬浮轴承设置为，所述第二内磁环位于所述第二外磁环靠近所述第一轴向位置的一侧。
7.如权利要求6所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，或者是所述第一外磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向；所述第二外磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，或者是所述第二外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向。
8.如权利要求5所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一内磁环位于所述第一外磁环远离所述第二轴向位置的一侧；所述第二轴向位置的磁悬浮轴承设置为，所述第二内磁环位于所述第二外磁环远离所述第一轴向位置的一侧。
9.如权利要求8所述的永磁式磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，或者是所述第一外磁环的充磁方向为轴向远离所述第二轴向位置的方向，所述第一内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第二轴向位置的方向；所述第二外磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，或者是所述第二外磁环的充磁方向为轴向靠近所述第一轴向位置的方向，所述第二内磁环的充磁方向为轴向远离所述第一轴向位置的方向。
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