CN108488231A - 一种四自由度磁悬浮转筒 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四自由度磁悬浮转筒，包括螺纹轴、永磁径向轴承、轴承转接部件、外转筒、平动止推轴承、托盘；螺纹轴通过永磁径向轴承支撑于外转筒内壁，外转筒可相对螺纹轴转动，外转筒下部通过平动止推轴承支撑于托盘上；永磁径向轴承的内磁环通过轴承转接部件可沿螺纹轴上下移动，使内、外磁环的相对位置实现灵活调整；平动止推轴承在承受轴向力同时可实现径向水平位移，且平动范围大于等于永磁径向轴承的内磁环与外磁环的间隙范围，使外转筒可实现稳定悬浮与旋转，不受平动止推轴承径向约束。这种新的磁悬浮转筒安装更方便，降低了加工精度，承载力大，能适应各种转速工况，适用于需要径向无接触、无润滑、高速及无源环境的旋转机械的支撑。

Description

一种四自由度磁悬浮转筒

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮旋转装置,特别是一种四自由度磁悬浮转筒，适用于旋转机械需要径向无接触、无润滑、无源的环境。

背景技术

在旋转机械技术领域，随着技术的发展，对轴承的旋转速度要求越来越高。传统机械轴承在高速运行下发热、磨损快、能量损耗大，不能更好的满足一些超高速运行设备的高转速要求，比如铀的同位素分离中所采用的离心式分离机，为提高单级分离功率，需要转子超临界转速运行。采用磁悬浮轴承代替传统机械轴承支撑高转速的旋转机械，能够实现转子与定子的无接触、无磨损、提高寿命、降低能耗、提高整机功率密度。但由于磁悬浮转子的稳定悬浮需要考虑永磁体磁场的非线性并满足Earnshaw定理，因此加工精度及安装精度要求高，现有的永磁悬浮转筒的内外磁环分别与转子及转筒固定连接，位置不能灵活调节，装配时如果发现内外磁环相对位置稍有不匹配，只能重新制作转子及磁环，这导致加工成本及废品率难以降低，并且因为现有的永磁悬浮转筒的内外磁环位置不能灵活调节，也难以实现转筒四自由度设计、安装和调试。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种四自由度磁悬浮转筒，这种新的磁悬浮转筒可以灵活调节内外磁环位置，尤其是在装配过程中可随时按照需要调节内外磁环位置，使安装更方便，降低了加工精度，同时可实现径向水平位移，并可实现大承载力，且能适应各种转速工况，安全稳定，特别适用于需要径向无接触、无润滑、无源环境的旋转机械的支撑。

一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，包括螺纹轴、永磁径向轴承、轴承转接组件、外转筒、平动止推轴承、托盘；螺纹轴轴向贯穿外转筒，并通过永磁径向轴承支撑于外转筒内壁，外转筒可相对螺纹轴转动，外转筒下部通过平动止推轴承支撑于托盘上。

进一步地，螺纹轴两端设置有外螺纹；轴承转接组件包括上部内磁环转接件、上部外磁环转接件、下部内磁环转接件、下部外磁环转接件；永磁径向轴承包括上部永磁径向轴承和下部永磁径向轴承；上部永磁径向轴承由上部内磁环和上部外磁环组成，上部内磁环通过上部内磁环转接件螺接于螺纹轴上部，上部外磁环通过上部外磁环转接件固定于外转筒内壁上端；下部永磁径向轴承均由下部内磁环和下部外磁环组成，下部内磁环通过下部内磁环转接件螺接于螺纹轴下部，下部外磁环通过下部外磁环转接件固定于外转筒内壁下端。

采用轴承转接件固定永磁径向轴承的内、外磁环，改变了现有技术中内外磁环分别与转子及转筒固定连接的连接模式，通过与螺纹轴螺接的内磁环转接件使内磁环与螺纹轴之间为活动连接，通过旋转内磁环轴承转接件，可使内磁环沿螺纹轴轴向上下移动，以便于灵活调整内、外磁环的相对位置，尤其是在装配过程中可随时按照需要任意轻松调节和锁定永磁径向轴承的内、外磁环轴向位置。

进一步地，上部内磁环与上部外磁环相对设置且之间存在间隙，上部内磁环与上部外磁环的充磁方向相同；下部内磁环与下部外磁环相对设置且之间存在间隙，下部内磁环与下部外磁环的充磁方向相同。

进一步地，内、外磁环之间的间隙在外磁环外直径的5％以内。经过精确的计算及多次实验得到，内、外磁环之间的间隙最好在外磁环外直径的5％以内，此时径向轴承的刚度曲线接近线性，有利于永磁悬浮转筒稳定悬浮与转动。

进一步地，内、外磁环轴向高度相同或外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度。经过精确的磁场分析仿真计算和多次实验得到，为了实现稳定悬浮，内、外磁环轴向高度应相同或外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度，该范围为转筒稳定悬浮范围。由于永磁径向轴承的内、外磁环轴向位置可任意轻松调节与锁定，调节永磁径向轴承的外磁环轴向位置在上述稳定悬浮范围，便能使外转筒所受合力方向竖直向下，由平动止推轴承承载，满足Earnshaw定理，实现转筒稳定悬浮、旋转，通过调节降低永磁径向轴承的内、外磁环轴向相对位置之差，还可以减小平动止推轴承所受的轴向压力。

进一步地，内、外磁环可以是两个轴向充磁的环状永磁体组成的单磁环构型；内、外磁环还可以是两个上下堆叠的环状永磁体组成的双磁环构型，同条件下可以实现两倍于单磁环结构的径向刚度，环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对；内、外磁环还可以是三个上下堆叠的环状永磁体组成的三磁环构型，同条件下可以实现高于双磁环结构的径向刚度，环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对；内、外磁环还可以是三个上下堆叠的环状永磁体组成的Halbach构型，同条件下可以实现高于双磁环结构80％的径向刚度，上下两个环状永磁体轴向充磁，磁极相对，中间的永磁体径向充磁，磁极相对。由于上部永磁径向轴承和下部永磁径向轴承的内外磁环在相同体积下可以是单磁环、双磁环、三磁环等构型或者是Halbach构型，可以应对不同承载力的工况；在Halbach构型的上部永磁径向轴承、下部永磁径向轴承与平动止推轴承的使用下，永磁悬浮转筒可以具有大的径向与轴向承载力，且能适应各种转速工况。

进一步地，轴承转接部件包括第一转接块15、第二转接块17、第三转接块18、第四转接块16、第一环形压板4、第二环形压板6、第三环形压板10、第四环形压板8，其中

上部内磁环转接件包括第二转接块17和第一环形压板4，第二转接块17是下端外侧带有凸沿的套筒结构，套筒设有内螺纹，第二转接块17套设于螺纹轴1上，通过套筒的内螺纹与螺纹轴1螺接，上部内磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔，第一环形压板4套设于第二转接块17的外周面，第二转接块17的凸沿与第一环形压板4上均设置有与上部内磁环通孔相对应的螺孔，上部内磁环套设于第二转接块17的套筒外侧，并位于第一环形压板4与第二转接块17的凸沿之间，第二转接块17与第一环形压板4通过螺栓将上部内磁环压紧固定；

上部外磁环转接件包括第三转接块18和第二环形压板6，第三转接块18是上端内侧带有凸沿的套筒结构，套筒的侧壁设有螺孔，通过螺栓固定于外转筒7内壁上端，上部外磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔，第二环形压板6设置于第三转接块18下端，第三转接块18的凸沿与第二环形压板6上均设置有与上部外磁环通孔相对应的螺孔，上部外磁环固定于第三转接块的套筒内，并位于第三转接块18的凸沿与第二环形压板6之间，第三转接块18与第二环形压板6将上部外磁环压紧固定于第三转接块18的内周面；

下部内磁环转接件包括第四转接块16和第三环形压板10，第四转接块16是上端外侧带有凸沿的套筒结构，套筒设有内螺纹，第四转接块16套设于螺纹轴1上，通过套筒的内螺纹与螺纹轴1螺接，下部内磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔；第三环形压板10套设于第四转接块16的外周面，第四转接块16的凸沿与第三环形压板10上均设置有与下部内磁环通孔相对应的螺孔，下部内磁环套设于第四转接块16的套筒外侧，并位于第四转接块16的凸沿与第三环形压板10之间，第四转接块16与第三环形压板10通过螺栓将下部内磁环压紧固定；

下部外磁环转接件包括第一转接块15和第四环形压板8，第一转接块15是下端内侧带有凸沿的套筒结构，套筒的侧壁设有螺孔，通过螺栓固定于外转筒7内壁下端，下部外磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔；第四环形压板8设置于第一转接块15上端，第一转接块15的凸沿与第四环形压板8上均设置有与下部外磁环通孔相对应的螺孔，下部外磁环固定于第一转接块15的套筒内，并位于第四环形压板8与第一转接块15的凸沿之间，第四环形压板8与第一转接块15将下部外磁环压紧固定于第一转接块15的内周面。

进一步地，锁紧螺母包括第一锁紧螺母2、第二锁紧螺母14、第三锁紧螺母13；上部内磁环转接件上方的螺纹轴上设置有第一锁紧螺母2，上部内磁环转接件和第一锁紧螺母2均通过细螺纹与螺纹轴相连接；下部内磁环转接件下方的螺纹轴上设置有第二锁紧螺母14，下部内磁环转接件和第二锁紧螺母14均通过细螺纹与螺纹轴相连接；托盘通过中心螺纹孔装配于平动止推轴承下方的螺纹轴上，托盘下方设置有第三锁紧螺母13，托盘和第三锁紧螺母13均通过细螺纹与螺纹轴相连接。上部永磁径向轴承的内、外磁环轴向位置可以利用螺纹通过旋转上部内磁环转接件和托盘12进行调节并分别能通过第一锁紧螺母2和第三锁紧螺母13进行轴向定位。下部永磁径向轴承的内、外磁环轴向位置可以利用螺纹通过旋转下部内磁环转接件和托盘12进行调节，并分别能通过第二锁紧螺母14和第三锁紧螺母13进行轴向定位。首先通过螺纹连接将下部内磁环转接块装配于螺纹轴至接触轴肩，并通过第二锁紧螺母将其轴向位置锁定；然后通过螺纹连接将上部内磁环转接块装配于螺纹轴，并调节其轴向位置使上部内磁环与下部内磁环轴向间距等于或略大于上部外磁环与下部外磁环轴向间距，通过第一锁紧螺母将其轴向位置锁定；最后调节托盘的轴向位置，使上下部的外磁环与内磁环高度差置于0％-60％磁环厚度的范围(稳定悬浮范围)，并通过第三锁紧螺母将托盘轴向位置锁定，即可实现外转筒的四自由度稳定悬浮。

进一步地，外转筒的上端还设置有环形盖板，所述环形盖板中心为通孔，孔径略大于螺纹轴的螺纹外径，环形盖板通过第一锁紧螺母2压紧固定；环形盖板的外径大于上部径向磁轴承的外磁环内径、小于外转筒外径，用于防止外转筒在没有安装调试好的情况下向上轴向窜动；环形盖板的下表面有外径小于第一环形压板4外径的凸台，该凸台可将上部永磁径向轴承的内磁环压紧，可以防止上部永磁径向轴承的内、外磁环的轴向窜动，并使环形盖板与外转筒之间存在间隙，在外转筒旋转过程中不产生摩擦。由于环形盖板外径大于外磁环内径，小于外转筒外径，永磁悬浮转筒稳定悬浮及旋转时盖板下方凸起部分与第二转接块17接触，不与第三转接块18接触，环形盖板固定内磁环轴向位置的同时，可以防止外转筒在没有安装调试好的情况下向上轴向窜动造成危险，提高了系统的安全性。

进一步地，下部外磁环转接件下方设置有平动止推轴承；平动止推轴承装配于托盘上，平动止推轴承承受轴向力同时可实现径向位移；所述平动止推轴承是一种可在一定范围内实现水平位移的滚珠轴承，包括上座圈、下座圈、滚珠及保持架，上下两个座圈的滚道沟的宽度大于滚珠直径，是不完全与滚珠贴合的圆边U形槽，滚珠可以在滚道沟转动的同时径向偏移，使平动止推轴承在承受轴向压力的同时上座圈可以相对下座圈的径向平动。平动范围大于等于永磁径向轴承的内磁环与外磁环的间隙范围。平动止推轴承上座圈的内圈与第一转接块15过盈配合，下座圈的外圈与托盘过盈配合。由于平动止推轴承可以承受轴向压力的同时上座圈可以相对下座圈的径向平动。平动范围大于等于永磁径向轴承的内磁环与外磁环的间隙范围，外转筒可实现真正的永磁支承下的四自由度稳定悬浮与旋转，不受平动止推轴承径向约束。

进一步地，所述螺纹轴上下两端为细螺纹，螺纹升角小于当量摩擦角，以满足托盘、第二转接块17、第四转接块16、第一锁紧螺母2、第三锁紧螺母13、第二锁紧螺母14受到任意大的轴向力均能自锁；中间为光轴，光轴直径大于螺纹外径形成轴肩；上端的第二转接块17和第一锁紧螺母2、下端的第四转接块16和第二锁紧螺母14均通过细螺纹与螺纹轴相连接，第二转接块17和第一锁紧螺母2、第四转接块16和第二锁紧螺母14均通过旋转可以调整在螺纹轴的轴向位置，通过相对拧紧可以实现其在螺纹轴上的轴向位置锁定。下部的托盘和第三锁紧螺母13通过细螺纹与螺纹轴相连接，托盘和第三锁紧螺母13通过旋转也可以调整在螺纹轴的轴向位置，通过相对拧紧可以实现在螺纹轴上的轴向位置锁定。为了实现外转筒的稳定悬浮及旋转，外转筒竖直方向合力方向应该竖直向下，从永磁体磁场相互作用影响计算来看，内、外磁环轴向高度应相同或外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度，该范围为转筒稳定悬浮范围，上述设计能够实现上部永磁径向轴承、下部永磁径向轴承的内、外磁环相对于螺纹轴轴向位置的灵活调节与锁定，以及安装后的轻松调整，降低了对加工精度的要求，避免了加工误差带来的影响，降低了成本。

进一步地，所述螺纹杆、第一转接块、第二转接块、第三转接块、第四转接块、第一环形压板、第二环形压板、第三环形压板、第四环形压板、螺栓均为非铁磁性金属材料。

本发明技术方案所提供的永磁悬浮转筒，永磁径向轴承内、外磁环轴向位置可调、安装方便、可实现大承载力、能适应各种转速工况，可以实现安全稳定的四自由度永磁悬浮。由于螺纹轴上下两端为细螺纹，螺纹升角小于当量摩擦角，第二转接块和第一锁紧螺母、第四转接块和第二锁紧螺母、托盘和第三锁紧螺母均能通过旋转精密调整其在螺纹轴的轴向位置，通过相对拧紧可以实现在螺纹轴上的轴向位置锁定。结构设计便于安装，使用时只需通过旋转锁紧螺母、第二转接块、第四转接块和托盘，调节上部永磁径向轴承和下部永磁径向轴承的外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度即可实现转筒稳定悬浮，非常方便。

附图说明

图1是本发明实施例的永磁悬浮转筒的外型示意图。

图2是本发明实施例的永磁悬浮转筒的结构剖视图。

图3是本发明实施例的永磁悬浮转筒上部永磁径向轴承内、外磁环结构分解剖视图。

图4是本发明实施例的永磁悬浮转筒下部永磁径向轴承内、外磁环结构分解剖视图。

图5是本发明实施例的永磁径向轴承的不同构型示意图。

图6是本发明实施例的平动止推轴承的剖视图。

其中：1-螺纹轴，2-第一锁紧螺母，3-盖板，4-第一环形压板，5-上部永磁径向轴承，6-第二环形压板，7-外转筒，8-第四环形压板，9-下部永磁径向轴承，10-第三环形压板，11-平动止推轴承，12-托盘，13-第三锁紧螺母，14-第二锁紧螺母，15-第一转接块，16-第四转接块，17-第二转接块，18-第三转接块，(a)-单磁环构型，(b)-双磁环构型，(c)-三磁环构型，(d)-Halbach构型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1-6所示，本实施例的四自由度磁悬浮转筒包括螺纹轴1、上部永磁径向轴承5、下部永磁径向轴承6、轴承转接部件、外转筒7、平动止推轴承11、托盘12、锁紧螺母、螺栓。

螺纹轴1的上下两端设置有细螺纹，螺纹轴1的螺纹升角小于当量摩擦角，中间为光轴，光轴直径大于螺纹外径形成轴肩。螺纹轴1与外转筒7同轴布置，螺纹轴1轴向贯穿外转筒7，螺纹轴1通过轴承转接件与永磁径向轴承连接，并通过永磁径向轴承支撑于外转筒7内壁，使外转筒7可相对螺纹轴1转动。

永磁径向轴承设置有两个，上部永磁径向轴承5和下部永磁径向轴承9，分别设置于外转筒7内壁上下两端。上部永磁径向轴承5和下部永磁径向轴承9的结构相同，上部永磁径向轴承5由上部内磁环和上部外磁环组成，下部永磁径向轴承9均由下部内磁环和下部外磁环组成，上部内磁环与上部外磁环相对设置且之间存在间隙，上部内磁环与上部外磁环的充磁方向相同；下部内磁环与下部外磁环相对设置且之间存在间隙，下部内磁环与下部外磁环的充磁方向相同，并且相对设置的内、外磁环之间的间隙小于外磁环外直径的5％，经过多次精确仿真计算与实验发现，当间隙在外磁环外直径的5％范围内时径向轴承的刚度曲线接近线性，有利于永磁悬浮转筒平稳支撑。上部内磁环、上部外磁环、下部内磁环、下部外磁环上均沿环周均匀开设有2个或4个或6个或更多的轴向通孔。

轴承转接组件包括上部内磁环转接件、上部外磁环转接件、下部内磁环转接件、下部外磁环转接件。

上部内磁环转接件包括第二转接块17和第一环形压板4，第二转接块17是下端外侧带有凸沿的套筒结构，上部永磁径向轴承5的内磁环与第一环形压板4套设于第二转接块17的外周面，上部永磁径向轴承5的内磁环位于第一环形压板4与第二转接块17的凸沿之间，第一环形压板4与第二转接块17的凸沿上均沿圆周开设有与上部永磁径向轴承5的内磁环的轴向通孔相对应的螺纹孔，第二转接块17与第一环形压板4通过螺栓将上部内磁环压紧固定；第二转接块17的套筒内侧设有与螺纹轴1的细螺纹相配合的内螺纹，第二转接块17螺接于螺纹轴1上端，通过旋转第二转接块17可带动上部永磁径向轴承5的内磁环沿螺纹轴1轴向上下移动，以便于在安装过程中可根据需要随时调整上部永磁径向轴承5内磁环与外磁环的相对位置。

上部外磁环转接件包括第三转接块18和第二环形压板6，第三转接块18是上端内侧带有凸沿的套筒结构，上部永磁径向轴承5的外磁环固定于第三转接块的套筒内，第二环形压板6设置于第三转接块18下端，第三转接块18的凸沿与第二环形压板6上均设置有与上部永磁径向轴承5的外磁环通孔相对应的螺孔，上部永磁径向轴承5的外磁环位于第三转接块18的凸沿与第二环形压板6之间，第三转接块18与第二环形压板6通过螺栓将上部永磁径向轴承5的外磁环压紧固定于第三转接块18的内周面；第三转接块18的侧壁均匀开设有2个以上螺孔，第三转接块18通过螺栓固定于外转筒7内壁上端。

下部内磁环转接件包括第四转接块16和第三环形压板10，第四转接块16是上端外侧带有凸沿的套筒结构，下部永磁径向轴承9的内磁环与第三环形压板10套设于第四转接块16的套筒外侧，下部永磁径向轴承9的内磁环位于第四转接块16的凸沿与第三环形压板10之间，第四转接块16的凸沿与第三环形压板10上均沿圆周开设有与下部永磁径向轴承9内磁环的轴向通孔相对的螺纹孔，第四转接块16和第三环形压板10通过螺栓将下部永磁径向轴承9的内磁环压紧固定。第四转接块16的套筒内侧也设有与螺纹轴1的细螺纹相配合的内螺纹，第四转接块16螺接于螺纹轴1下端，通过旋转第四转接块16可带动下部永磁径向轴承9的内磁环沿螺纹轴1轴向上下移动，以便于在安装过程中可根据需要随时调整下部永磁径向轴承9内磁环与外磁环的相对位置。

下部外磁环转接件包括第一转接块15和第四环形压板8，第一转接块15是下端内侧带有凸沿的套筒结构，第四环形压板8设置于第一转接块15上端，第一转接块15的凸沿与第四环形压板8上均设置有与下部永磁径向轴承9的外磁环通孔相对应的螺孔，下部永磁径向轴承9的外磁环位于第四环形压板8与第一转接块15的凸沿之间，第四环形压板8与第一转接块15通过螺栓将下部永磁径向轴承9的外磁环压紧固定于第一转接块15的内周面。下部永磁径向轴承9的外磁环固定于第一转接块的套筒内。第一转接块15的侧壁均匀开设有2个以上螺孔，第一转接块15通过螺栓固定于外转筒7内壁下端。

为了实现稳定悬浮，上部永磁径向轴承5的内磁环平行或略高于与其相对的上部永磁径向轴承5的外磁环，并将内外磁环高度差控制在0％-60％磁环厚度的转筒稳定悬浮范围内；同时，下部永磁径向轴承9的内磁环也平行或略高于与其相对的下部永磁径向轴承9的外磁环，并将内外磁环高度差控制在0％-60％磁环厚度的转筒稳定悬浮范围内；上部内磁环与下部内磁环的轴向间距等于或略大于上部外磁环与下部外磁环的轴向间距。由于上部永磁径向轴承5及下部永磁径向轴承9的内磁环轴向位置可任意调节与锁定，通过调节使上部永磁径向轴承5及下部永磁径向轴承9的内磁环轴向位置与其相对的外磁环平行或略高于与其相对的外磁环，便能使外转筒所受合力方向竖直向下，由平动止推轴承11承载，满足Earnshaw定理，实现转筒稳定悬浮、旋转，通过调节内、外磁环轴向相对位置的高度差，还可以减小平动止推轴承11所受的轴向压力。

外转筒7的上端还设置有环形盖板3，所述环形盖板3中心为通孔，孔径略大于螺纹轴的螺纹外径，环形盖板3通过第一锁紧螺母2压紧固定；环形盖板3的外径大于上部径向磁轴承5的外磁环内径、小于外转筒7外径，用于防止外转筒7在没有安装调试好的情况下向上轴向窜动；环形盖板3的下表面有外径小于第一环形压板4外径的凸台，该凸台可将上部永磁径向轴承5的内磁环压紧，可以防止上部永磁径向轴承5的内、外磁环的轴向窜动，并使环形盖板3与外转筒7之间存在间隙，在外转筒7旋转过程中不产生摩擦。由于环形盖板3外径大于外磁环内径，小于外转筒外径，永磁悬浮转筒稳定悬浮及旋转时盖板下方凸起部分与第二转接块17接触，不与第三转接块18接触，环形盖板3固定内磁环轴向位置的同时，可以防止外转筒7在没有安装调试好的情况下向上轴向窜动造成危险，提高了系统的安全性。

第一转接块15下端装配有平动止推轴承11。平动止推轴承11由座圈、滚珠、保持架构成，滚道沟的宽度大于滚珠直径，两个座圈上的滚道沟是不完全与滚珠贴合的圆边U型槽，滚珠可以在滚道沟转动的同时径向偏移，使平动止推轴承11在承受轴向压力的同时上座圈可以相对下座圈的径向平动位移，是一种可在一定范围内实现水平位移的滚珠轴承，其平动范围大于等于永磁径向轴承的内磁环与外磁环的间隙范围。第一转接块15的下端面上开设有与平动止推轴承11装配用的槽，平动止推轴承11上座圈的内圈与第一转接块15过盈配合，下座圈的外圈与托盘12过盈配合。外转筒7通过平动止推轴承11支撑于托盘12上，由于平动止推轴承11在承受轴向压力的同时上座圈可以相对下座圈的径向平动，且平动范围大于等于永磁径向轴承5的内磁环与外磁环的间隙范围，因此外转筒7可实现真正的永磁支承下的四自由度稳定悬浮与旋转，不受平动止推轴承11径向约束。

托盘12通过螺纹装配于螺纹轴1上；第四转接块16下方的螺纹轴1上设置有第二锁紧螺母14，下部永磁径向轴承9的内、外磁环轴向位置可以利用螺纹通过旋转第四转接块16、托盘12进行调节并分别能通过第二锁紧螺母14和第三锁紧螺母13进行轴向定位。上端的第二转接块17和第一锁紧螺母2、下端的第四转接块16和第二锁紧螺母14均通过细螺纹与螺纹轴1相连接，第二转接块17和第一锁紧螺母2、第四转接块16和第二锁紧螺母14均通过旋转可以调整其在螺纹轴1的轴向位置，通过相对拧紧可以实现其在螺纹轴1上的轴向位置锁定。下端的托盘12和第三锁紧螺母13通过细螺纹与螺纹轴1相连接，托盘12和第三锁紧螺母13通过旋转可以调整在螺纹轴1的轴向位置，通过相对拧紧可以实现在螺纹轴1上的轴向位置锁定。

装配时，首先通过螺纹连接将下部内磁环转接块装配于螺纹轴1至接触轴肩，并通过第二锁紧螺母14将其轴向位置锁定；然后通过螺纹连接将上部内磁环转接块装配于螺纹轴1，并调节其轴向位置使上部内磁环与下部内磁环轴向间距等于或略大于上部外磁环与下部外磁环轴向间距，通过第一锁紧螺母2将其轴向位置锁定；最后调节托盘12的轴向位置，使上下部的外磁环与相对的内磁环高度差置于0％-60％磁环厚度的范围(稳定悬浮范围)，并通过第三锁紧螺母13将托盘12轴向位置锁定，即可实现外转筒的四自由度稳定悬浮。

为了实现外转筒7的稳定悬浮及旋转，外转筒7竖直方向合力方向应该竖直向下，从永磁体磁场相互作用影响计算来看，内、外磁环轴向高度应相同或外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度，该范围为转筒稳定悬浮范围，上述设计能够实现上部永磁径向轴承5、下部永磁径向轴承9的内、外磁环相对于螺纹轴1轴向位置的灵活调节与锁定，以及安装后的轻松调整，降低了对加工精度的要求，避免了加工误差带来的影响，降低了成本。

在本实施例中，由于上部永磁径向轴承5和下部永磁径向轴承9的内、外磁环在相同体积下可以采用单磁环、双磁环、三磁环构型或者Halbach构型等多种磁环构型，以应对不同承载力的工况。例如，内、外磁环可以是两个轴向充磁的环状永磁体组成的单磁环构型；内、外磁环还可以是两个上下堆叠的环状永磁体组成的双磁环构型，同条件下可以实现两倍于单磁环结构的径向刚度，环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对；内、外磁环还可以是三个上下堆叠的环状永磁体组成的三磁环构型，同条件下可以实现高于双磁环结构的径向刚度，环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对；内、外磁环还可以是三个上下堆叠的环状永磁体组成的Halbach构型，同条件下可以实现高于双磁环结构80％的径向刚度，上下两个环状永磁体轴向充磁，磁极相对，中间的永磁体径向充磁，磁极相对，在Halbach构型的永磁径向轴承与平动止推轴承11的使用下，永磁悬浮转筒可以具有大的径向与轴向承载力，且能适应各种转速工况。

所述螺纹杆1、第一转接块15、第二转接块17、第三转接块18、第四转接块16、第一环形压板4、第二环形压板6、第三环形压板10、第四环形压板8、螺栓13均为非铁磁性金属材料。

永磁悬浮转筒的工作过程如下：

结构设计便于安装，使用时只需通过旋转锁紧螺母、第二转接块17、第四转接块16和托盘12调节上部永磁径向轴承5和下部永磁径向轴承9的外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度即可实现转筒稳定悬浮，非常方便；通过调节降低永磁径向轴承的内、外磁环轴向相对位置之差，还可以减小平动止推轴承11所受的轴向压力。

从以上的实施例可以看出，本发明实施例中四自由度永磁悬浮转筒的显著特点是可以灵活调节永磁径向轴承内外磁环轴向位置、安装方便、可实现大承载力且能适应各种转速工况、安全稳定，适用于旋转机械需要径向无接触、无润滑、无源的场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，包括螺纹轴(1)、永磁径向轴承、轴承转接组件、外转筒(7)、平动止推轴承(11)、托盘(12)；螺纹轴(1)轴向贯穿外转筒(7)，并通过永磁径向轴承支撑于外转筒(7)内壁，外转筒(7)可相对螺纹轴(1)转动，外转筒(7)下部通过平动止推轴承(11)支撑于托盘(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，螺纹轴(1)两端设置有外螺纹；

轴承转接组件包括上部内磁环转接件、上部外磁环转接件、下部内磁环转接件、下部外磁环转接件；

永磁径向轴承包括上部永磁径向轴承(5)和下部永磁径向轴承(9)，

上部永磁径向轴承(5)由上部内磁环和上部外磁环组成，上部内磁环通过上部内磁环转接件螺接于螺纹轴(1)上部，上部外磁环通过上部外磁环转接件固定于外转筒(7)内壁上端；

下部永磁径向轴承(9)均由下部内磁环和下部外磁环组成，下部内磁环通过下部内磁环转接件螺接于螺纹轴(1)下部，下部外磁环通过下部外磁环转接件固定于外转筒(7)内壁下端。

3.根据权利要求1所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，下部外磁环转接件下方设置有平动止推轴承(11)，所述平动止推轴承(11)包括上座圈、下座圈、滚珠及保持架，上下两个座圈的滚道沟的宽度大于滚珠直径，是不完全与滚珠贴合的圆边U形槽，滚珠可以在滚道沟转动的同时径向偏移，使平动止推轴承(11)在承受轴向压力的同时上座圈可以相对下座圈的径向平动。

4.根据权利要求2所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述螺纹轴(1)上下两端为细螺纹，螺纹升角小于当量摩擦角，中间为光轴，光轴直径大于螺纹外径形成轴肩。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，上部内磁环转接件上方的螺纹轴(1)上设置有第一锁紧螺母(2)，上部内磁环转接件和第一锁紧螺母(2)均通过细螺纹与螺纹轴(1)相连接，上部永磁径向轴承(5)的内、外磁环轴向位置可以利用螺纹通过旋转上部内磁环转接件进行调节，并通过第一锁紧螺母(2)轴向定位。

6.根据权利要求5任一权利要求所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，下部内磁环转接件下方的螺纹轴(1)上设置有第二锁紧螺母(14)，下部内磁环转接件和第二锁紧螺母(14)均通过细螺纹与螺纹轴(1)相连接；托盘(12)通过中心螺纹孔装配于平动止推轴承(11)下方的螺纹轴(1)上，托盘(12)下方设置有第三锁紧螺母(13)，托盘(12)和第三锁紧螺母(13)均通过细螺纹与螺纹轴(1)相连接；下部永磁径向轴承(9)的内、外磁环轴向位置可以利用螺纹通过旋转下部内磁环转接件和托盘(12)进行调节并能通过第二锁紧螺母(14)进行轴向定位。

7.根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，外转筒(7)的上端还设置有环形盖板(3)，所述环形盖板(3)中心为通孔，孔径略大于螺纹轴的螺纹外径，环形盖板(3)通过第一锁紧螺母(2)压紧固定；环形盖板(3)的外径大于上部外磁环内径、小于外转筒(7)外径；环形盖板(3)的下表面有外径小于上部内磁环外径的凸台，该凸台可将上部永磁径向轴承(5)的内磁环压紧。

8.根据权利要求2所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，上部内磁环与上部外磁环相对设置且之间存在间隙，上部内磁环与上部外磁环的充磁方向相同；下部内磁环与下部外磁环相对设置且之间存在间隙，下部内磁环与下部外磁环的充磁方向相同。

9.根据权利要求8所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述内、外磁环之间的间隙在外磁环外直径的5％以内。

10.根据权利要求8或9所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，内、外磁环轴向高度相同或外磁环轴向高度低于内磁环，内外磁环高度差范围为0％-60％的磁环厚度。

11.根据权利要求8-10任一权利要求所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，内、外磁环是两个轴向充磁的环状永磁体组成的单磁环构型。

12.根据权利要求8-10所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述内、外磁环是两个上下堆叠的环状永磁体组成的双磁环构型，同条件下可以实现两倍于单磁环结构的径向刚度；环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对。

13.根据权利要求8-10所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述内、外磁环是三个上下堆叠的环状永磁体组成的三磁环构型，同条件下可以实现高于双磁环结构的径向刚度；环状永磁体轴向充磁，上下相邻两个磁环尺寸相同，磁极相对。

14.根据权利要求8-10所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述内、外磁环是三个上下堆叠的环状永磁体组成的Halbach构型，同条件下可以实现高于双磁环结构80％的径向刚度；上下两个环状永磁体轴向充磁，磁极相对；中间的永磁体径向充磁，磁极相对。

15.根据权利要求2所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，上部内磁环转接件包括第二转接块(17)和第一环形压板(4)，第二转接块(17)是下端外侧带有凸沿的套筒结构，套筒设有内螺纹，第二转接块(17)套设于螺纹轴(1)上，通过套筒的内螺纹与螺纹轴(1)螺接，上部内磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔，第一环形压板(4)套设于第二转接块(17)的外周面，第二转接块(17)的凸沿与第一环形压板(4)上均设置有与上部内磁环通孔相对应的螺孔，上部内磁环套设于第二转接块(17)的套筒外侧，并位于第一环形压板(4)与第二转接块(17)的凸沿之间，第二转接块(17)与第一环形压板(4)通过螺栓将上部内磁环压紧固定；

上部外磁环转接件包括第三转接块(18)和第二环形压板(6)，第三转接块(18)是上端内侧带有凸沿的套筒结构，套筒的侧壁设有螺孔，通过螺栓固定于外转筒(7)内壁上端，上部外磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔，第二环形压板(6)设置于第三转接块(18)下端，第三转接块(18)的凸沿与第二环形压板(6)上均设置有与上部外磁环通孔相对应的螺孔，上部外磁环固定于第三转接块的套筒内，并位于第三转接块(18)的凸沿与第二环形压板(6)之间，第三转接块(18)与第二环形压板(6)将上部外磁环压紧固定于第三转接块(18)的内周面；

下部内磁环转接件包括第四转接块(16)和第三环形压板(10)，第四转接块(16)是上端外侧带有凸沿的套筒结构，套筒设有内螺纹，第四转接块(16)套设于螺纹轴(1)上，通过套筒的内螺纹与螺纹轴(1)螺接，下部内磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔；第三环形压板(10)套设于第四转接块(16)的外周面，第四转接块(16)的凸沿与第三环形压板(10)上均设置有与下部内磁环通孔相对应的螺孔，下部内磁环套设于第四转接块(16)的套筒外侧，并位于第四转接块(16)的凸沿与第三环形压板(10)之间，第四转接块(16)与第三环形压板(10)通过螺栓将下部内磁环压紧固定；

下部外磁环转接件包括第一转接块(15)和第四环形压板(8)，第一转接块(15)是下端内侧带有凸沿的套筒结构，套筒的侧壁设有螺孔，通过螺栓固定于外转筒(7)内壁下端，下部外磁环沿环周开设有2个或2个以上的轴向通孔；第四环形压板(8)设置于第一转接块(15)上端，第一转接块(15)的凸沿与第四环形压板(8)上均设置有与下部外磁环通孔相对应的螺孔，下部外磁环固定于第一转接块(15)的套筒内，并位于第四环形压板(8)与第一转接块(15)的凸沿之间，第四环形压板(8)与第一转接块(15)将下部外磁环压紧固定于第一转接块(15)的内周面。

16.根据权利要求15或15任一权利要求所述的一种四自由度磁悬浮转筒，其特征在于，所述螺纹杆(1)、第一转接块(15)、第二转接块(17)、第三转接块(18)、第四转接块(16)、第一环形压板(4)、第二环形压板(6)、第三环形压板(10)、第四环形压板(8)、螺栓均为非铁磁性金属材料。