CN108317171A - 磁悬浮章动球轴承及其工作方法 - Google Patents

磁悬浮章动球轴承及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁悬浮章动球轴承及其工作方法，磁悬浮章动球轴承包括轴承盖和位于轴承盖内的章动球，所述轴承盖包括轴承上盖、轴承下盖，轴承上盖和轴承下盖内均设置多个凹槽，凹槽内设永磁体二；章动球包括章动球体，章动球体固连多个章动输入轴，章动球体上设置多个凹槽，章动球体的凹槽内设永磁体一；轴承上盖和轴承下盖上的凹槽个数一致且位置相对，章动球体上的凹槽与轴承盖内的凹槽位置相对；永磁体一和永磁体二均径向充磁，永磁体一和永磁体二的相对面磁性相同。本发明球轴承采用永磁悬浮，具有无摩擦、无需润滑、噪音小、发热少及能效比高等优点，可实现章动传动，彻底解决了机械磨损的问题，极大程度上提高了球轴承的性能和寿命。

Description

磁悬浮章动球轴承及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮章动球轴承及其工作方法。
背景技术
球轴承在医疗器械、机器人关节、航天机械、万向轮、泵等多自由度机械装置中具有广泛的应用，传统球轴承存在直接的机械接触，导致严重的摩擦磨损，球轴承寿命受到限制，在一些特定环境并不适用。磁悬浮球轴承具有不接触、无摩擦、高效率等优点，具有更广泛的应用前景，但是目前磁悬浮球轴承基本都是采用电磁悬浮或者电磁永磁结合的磁悬浮方式，其结构复杂、运用空间范围小、响应迟缓、动态性能差，导致控制精度下降，系统的稳定性不高。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种磁悬浮章动球轴承及其工作方法，采用永磁悬浮，具有无摩擦、无需润滑、噪音小、发热少及能效比高等优点，可实现章动传动，彻底解决了机械磨损的问题，极大程度上提高了球轴承的性能和寿命。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：磁悬浮章动球轴承包括轴承盖和位于轴承盖内的章动球，所述轴承盖包括轴承上盖、轴承下盖，轴承上盖和轴承下盖内均设置多个凹槽，凹槽内设永磁体二；章动球包括章动球体，章动球体固连多个章动输入轴，章动球体上设置多个凹槽，章动球体的凹槽内设永磁体一；轴承上盖和轴承下盖上的凹槽个数一致且位置相对，章动球体上的凹槽与轴承盖内的凹槽位置相对；永磁体一和永磁体二均径向充磁，永磁体一和永磁体二的相对面磁性相同。
进一步地，轴承盖为固定部件，轴承盖内永磁体为静磁体；章动球为运动部件，章动球体上的永磁体为动磁体。
进一步地，章动输入轴位于轴承上盖和轴承下盖之间，轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面均设置凹槽容纳章动输入轴，章动输入轴伸出轴承盖。
进一步地，轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽呈半圆形，该凹槽直径大于该凹槽内容纳的章动输入轴的直径。
进一步地，章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽均对称设置且均匀分布。
进一步地，章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、永磁体一和永磁体二均呈圆弧状。
进一步地，轴承上盖和轴承下盖上的凹槽均为4个且呈1/4圆形，章动球体上的凹槽为4个且呈半圆形，章动输入轴为4个，永磁体一和永磁体二均为8个且呈1/4圆形，章动球体上的一个凹槽内设两个永磁体一。
进一步地，相对设置的永磁体一和永磁体二之间的径向洛仑磁力F12计算公式为，
其中，F12为相对设置的永磁体二和永磁体一之间的径向洛仑磁力，σ1为永磁体一的磁荷面密度，σ2为永磁体二的磁荷面密度，μ0为真空磁导率，θ1-θ2为永磁体一的弧度，θ3-θ4为永磁体二的弧度，θj-θi为从i到j点的弧度，z2 - z1为永磁体一的轴向长度，h为永磁体二的轴向长度，rin1为永磁体一内表面半径，rin2为永磁体二内表面半径，rout1为永磁体一外表面半径，rout2为永磁体二外表面半径，r1为永磁体一半径，r2为永磁体二半径。
磁悬浮章动球轴承的工作方法如下，轴承盖内永磁体二与章动球上永磁体一相对配置，互相形成排斥作用，章动球在重力和永磁悬浮力的作用下实现悬浮；所述多个章动输入轴依次顺序向上或向下摆动，完成一个摆动周期，同时章动球完成一个周期的无自转的章动运动；章动球上永磁体一与轴承盖内永磁体二始终相对配置，在轴承运动过程静永磁体与动永磁体间会存在倾斜状态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该球轴承采用永磁悬浮，轴承运动体与轴承上下盖分别对称布置永磁体，实现完全的轴向与径向的被动悬浮；轴承在结构设计上通过输入轴的依次上下摆动，实现了轴承球副的章动运动；可广泛应用于章动传动或其他机械装置；具有无摩擦、无需润滑、噪音小、发热少及能效比高等优点，可实现章动传动，彻底解决了机械磨损的问题，极大程度上提高了球轴承的性能和寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的整体组合结构示意图；
图2为本发明实施例的整体分解结构示意图；
图3为本发明实施例的俯向剖视示意图；
图4为本发明实施例的相对设置的永磁体二和永磁体一的位置标示及磁化方向示意图。
图中：1-轴承上盖，2-章动输入轴，3-轴承下盖，4-章动球体，5-永磁体一，6-永磁体二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
磁悬浮章动球轴承包括轴承盖和位于轴承盖内的章动球，所述轴承盖包括轴承上盖、轴承下盖，轴承上盖和轴承下盖内均设置多个凹槽，凹槽内设永磁体二；章动球包括章动球体，章动球体固连多个章动输入轴，章动球体上设置多个凹槽，章动球体的凹槽内设永磁体一；轴承上盖和轴承下盖上的凹槽个数一致且位置相对，章动球体上的凹槽与轴承盖内的凹槽位置相对；永磁体一和永磁体二均径向充磁，永磁体一和永磁体二的相对面磁性相同。
进一步地，轴承盖为固定部件，轴承盖内永磁体为静磁体；章动球为运动部件，章动球体上的永磁体为动磁体。
进一步地，章动输入轴位于轴承上盖和轴承下盖之间，轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面均设置凹槽容纳章动输入轴，章动输入轴伸出轴承盖。
进一步地，轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽呈半圆形，该凹槽直径大于该凹槽内容纳的章动输入轴的直径。
进一步地，章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽均对称设置且均匀分布。
进一步地，章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、永磁体一和永磁体二均呈圆弧状。
进一步地，轴承上盖和轴承下盖上的凹槽均为4个且呈1/4圆形，章动球体上的凹槽为4个且呈半圆形，章动输入轴为4个，永磁体一和永磁体二均为8个且呈1/4圆形，章动球体上的一个凹槽内设两个永磁体一。
如图所示，从结构上，该磁悬浮章动球轴承可分为轴承盖和章动球两个部分。轴承盖包括轴承上盖、轴承下盖和永磁体二，轴承上盖和轴承下盖内分别对称布置有四个凹槽，每个凹槽安装有一个永磁体二，永磁体二径向充磁，轴承盖为固定体，轴承盖内的永磁体二为静磁体。章动球包括章动输入轴、章动球体和永磁体一，章动球体上对称布置有四个凹槽，四个凹槽内安装有四个永磁体一，永磁体一径向充磁，磁化方向与轴承盖内静磁体相反，章动球为运动部件，章动球体上的永磁体一为动磁体，章动输入轴自球体和轴承盖伸出，与章动球体固联为一体，四根输入轴被驱动，顺时针依次向下摆动，实现章动球在上下盖内做章动运动。轴承盖内永磁体二与章动球上永磁体一对应布置，且都为径向磁化，轴承盖内永磁体二外表面磁性与章动球上永磁体一外表面磁性相同，形成八对互相排斥的磁体，使章动球与轴承盖不接触，实现章动球在轴承盖内的悬浮状态。
轴承上盖1内开有1/4圆形凹槽，四个1/4圆形凹槽对称设置，凹槽内安装有永磁体二6，永磁体二6的磁化方向沿径向，章动球体4上设置有四个对称半圆形凹槽，凹槽内安装永磁体一5，磁体二5的永磁体方向沿径向，轴承下盖3内开有1/4圆形凹槽，四个1/4圆形凹槽对称设置，凹槽内安装有磁体一6，轴承上、下盖内的永磁体二与章动球上永磁体一对应，磁化方向均沿径向，共形成八对互相排斥的磁体。
磁悬浮章动球轴承的工作方法如下，轴承盖内永磁体二与章动球上永磁体一相对配置，互相形成排斥作用，章动球在重力和永磁悬浮力的作用下实现悬浮；所述多个章动输入轴依次顺序向上或向下摆动，完成一个摆动周期，同时章动球完成一个周期的无自转的章动运动；章动球上永磁体一与轴承盖内永磁体二始终相对配置，在轴承运动过程静永磁体与动永磁体间会存在倾斜状态。
具体工作过程如下：如图3所示，轴承上、下盖内永磁体6分别与章动球4上永磁体5成对配置，互相形成排斥作用，章动球在重力和永磁悬浮力的作用下实现悬浮。章动球上有输入轴2、7、8及9，分别与章动球固联，输入轴通过外界作用依次实现上、下摆动，如第一时刻轴2向下摆动，其他三根轴7、8、9在轴2的作动下均会产生相应运动，下一时刻轴7向下摆动，按顺时针次序轴8、轴9依次向下摆动，即完成一个摆动周期，与之同时轴承球副即完成一个周期的无自转的章动运动。章动球只作章动运动，无自转，章动球上永磁体5与轴承上、下盖永磁体6始终成对配置，在轴承运动过程静永磁体与动永磁体5间会存在倾斜状态。
磁悬浮章动球受力情况与永磁体间磁力计算：磁悬浮章动轴承中所有磁体的磁化方向均为径向磁化，如图4。章动球上八个磁体分别与轴承上、下盖中八个磁体形成八对排斥力，受上盖中磁体的四对洛仑磁力方向向下，向下的总洛仑磁力记为F1，受下盖中磁体的四对洛仑磁力方向向上，向上的总洛伦磁力记为F2，章动球的重力记为G1，章动球上磁体重力记为G2。该轴承章动球在悬浮状态的平衡方程为，
F1+G1+G2=F2
当轴承中章动球在没有发生章动运动时，轴承盖中磁体与章动球上磁体处于同轴状态；当轴承中章动球发生章动运动时，轴承盖中磁体与章动球上磁体处于相互倾斜状态。轴承盖中磁体始终与章动球上磁体互相排斥，每对磁体的径向洛仑磁力计算公式为，
其中，σ1为永磁体一的磁荷面密度，σ2为永磁体二的磁荷面密度，μ0为真空磁导率，θ1-θ2为永磁体一的弧度，θ3-θ4为永磁体二的弧度，θj-θi为从i到j点的弧度，z2 - z1为永磁体一的轴向长度，h为永磁体二的轴向长度，rin1为永磁体一内表面半径，rin2为永磁体二内表面半径，rout1为永磁体一外表面半径，rout2为永磁体二外表面半径，r1为永磁体一半径，r2为永磁体二半径。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种磁悬浮章动球轴承，其特征在于：包括轴承盖和位于轴承盖内的章动球，所述轴承盖包括轴承上盖、轴承下盖，轴承上盖和轴承下盖内均设置多个凹槽，凹槽内设永磁体二；章动球包括章动球体，章动球体固连多个章动输入轴，章动球体上设置多个凹槽，章动球体的凹槽内设永磁体一；轴承上盖和轴承下盖上的凹槽个数一致且位置相对，章动球体上的凹槽与轴承盖内的凹槽位置相对；永磁体一和永磁体二均径向充磁，永磁体一和永磁体二的相对面磁性相同。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：轴承盖为固定部件，轴承盖内永磁体为静磁体；章动球为运动部件，章动球体上的永磁体为动磁体。
3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：章动输入轴位于轴承上盖和轴承下盖之间，轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面均设置凹槽容纳章动输入轴，章动输入轴伸出轴承盖。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽呈半圆形，该凹槽直径大于该凹槽内容纳的章动输入轴的直径。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、轴承上盖的底面和轴承下盖的顶面的凹槽均对称设置且均匀分布。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：章动球体上的凹槽、轴承盖内的凹槽、永磁体一和永磁体二均呈圆弧状。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：轴承上盖和轴承下盖上的凹槽均为4个且呈1/4圆形，章动球体上的凹槽为4个且呈半圆形，章动输入轴为4个，永磁体一和永磁体二均为8个且呈1/4圆形，章动球体上的一个凹槽内设两个永磁体一。
8.根据权利要求1或2或4或5或7所述的磁悬浮章动球轴承，其特征在于：相对设置的永磁体一和永磁体二之间的径向洛仑磁力F12计算公式为，
其中，F12为相对设置的永磁体二和永磁体一之间的径向洛仑磁力，σ1为永磁体一的磁荷面密度，σ2为永磁体二的磁荷面密度，μ0为真空磁导率，θ1-θ2为永磁体一的弧度，θ3-θ4为永磁体二的弧度，θj-θi为从i到j点的弧度，z2 - z1为永磁体一的轴向长度，h为永磁体二的轴向长度，rin1为永磁体一内表面半径，rin2为永磁体二内表面半径，rout1为永磁体一外表面半径，rout2为永磁体二外表面半径，r1为永磁体一半径，r2为永磁体二半径。
9.根据权利要求1-8之一所述的磁悬浮章动球轴承的工作方法，其特征在于：轴承盖内永磁体二与章动球上永磁体一相对配置，互相形成排斥作用，章动球在重力和永磁悬浮力的作用下实现悬浮；所述多个章动输入轴依次顺序向上或向下摆动，完成一个摆动周期，同时章动球完成一个周期的无自转的章动运动；章动球上永磁体一与轴承盖内永磁体二始终相对配置，在轴承运动过程静永磁体与动永磁体间会存在倾斜状态。
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