CN108649840A - 旋转机械可调磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械可调磁悬浮装置，包括转轴、筒状的外壳以及外壳两端的端盖，转轴与端盖之间通过转子轴承连接，转轴外套设有磁环，在外壳内同轴固定设有导轨座，在对应磁环的径向位置上、与导轨座连接设有导轨、侧齿滑块和磁块，在磁环下方的磁块与所述磁环相斥，平衡转轴所受的负荷力，磁块与侧齿滑块连接在环形导轨上移动，以调节转轴所受磁力的大小。使用永久磁体，结构得到简化，发热低、控制成本低。本发明可应用于电机、电动车、电站风机、高铁等旋转设备上，达到节能降耗，延长设备寿命之目的。

Description

旋转机械可调磁悬浮装置

技术领域

本发明涉及旋转机械，具体说是一种旋转机械的磁悬浮装置。

背景技术

旋转机械大量应用于现代生活和工程设备中，如转轮装置、电动装置、发电设备，承担动力、传力等作用，因此旋转机械的质量和使用寿命不仅仅明显起到节能降耗的作用，而且极大地影响着现代经济和技术的发展。旋转机械易于损坏的关键部件是其中的运动部件，核心是转子轴承，长时间的带负荷摩擦运动导致旋转机械转子轴承的发热、变形，致使旋转阻力增大、耗能增加、设备报废。提高轴承的耐耗性能是一个方面，但是减轻轴承的负荷和摩擦是更加根本的解决问题方式。使用磁悬浮技术是可以明显减轻轴承负荷的最有效方法。

现有技术中的磁悬浮技术使用电磁铁，可以实现较大的磁力，但是由此带来电磁铁体积增大、结构复杂、故障率高、发热严重，较大负荷的电磁铁需要另外设置降温系统或超导系统。当旋转机械的负荷不稳定时，例如传动装置的振动、车辆的车轮受到路面不平带来频繁的负荷冲击，磁悬浮装置的磁力难以实时适应，并减轻由此给轴承带来的冲击。尤其是，小的体积和不发热/低发热这二者更难以同时满足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决上述问题，提供一种旋转机械可调磁悬浮装置，以小的体积实现能够对负荷变化自动进行调整。

所述的旋转机械可调磁悬浮装置，包括转轴、筒状的外壳以及外壳两端的端盖，外壳与端盖紧固连接，转轴与端盖之间通过转子轴承连接，其特征在于：

在两侧端盖之间的转轴外套设有磁环，在外壳内同轴设有导轨座，导轨座与外壳或端盖固定，在对应磁环的径向位置上、与导轨座间接连接设有磁块，在磁环下方的磁块与所述磁环相斥，平衡转子转轴所受的负荷力。

所述磁环为永久磁体。

所述磁块为永久磁体。

在对应磁环的径向位置、与所述导轨座固定设有环形或扇环形的导轨，在所述导轨上套设有可与导轨相对滑动的侧齿滑块，所述磁块与所述侧齿滑块固定连接，侧齿滑块通过传动机构由电机驱动。

进一步地，在每一个磁环的径向位置设有一对与磁环同轴的环状且垂直于转轴轴心的导轨，每一导轨嵌套设有一个侧齿滑块，一对导轨外相对设置的两侧齿滑块之间设有圆柱状的齿轮，齿轮与一对侧齿滑块均相互啮合，齿轮由电机驱动转动，带动该对侧齿滑块向相反方向转动；

所述磁块成对设置，一对磁块中的一块磁块与一对侧齿滑块中的一侧侧齿滑块固定连接，另一块磁块与一对侧齿滑块中的另一侧侧齿滑块固定连接；

一对导轨与该对导轨所在位置对应的齿轮、侧齿滑块、磁环以及侧齿滑块所连接的磁块一起构成一组磁悬浮装置。如果一对磁块与磁环的斥力在垂直方向的分力之和不足以平衡转子轴承所受的负荷力，可在轴向设置多组磁悬浮装置，也可在转轴上方设置与磁环相吸的磁块，增加磁悬浮力，扩大磁悬浮力平衡转子轴承所受负荷力的调节范围。

转轴下方的一对所述磁块相对于通过轴线的对称轴对称设置，典型地，转轴下方的磁块对称轴为垂线。

在导轨座上设有多组磁悬浮装置，在一组磁悬浮装置的上方和/或下方设有电机，在电机所在一侧与轴心线平行设有传动装置，传动装置将电机的动力传动到其他组磁悬浮装置的齿轮，使各组磁悬浮装置的磁块同步转动，其他组磁悬浮装置的从动齿轮分别通过齿圈轴承与外壳连接。

作为实施例，一组磁悬浮装置中，在转轴的上方垂直方向设置有一块与磁环相吸的磁块，或成对设置有与磁环相吸的磁块，转轴上方和下方的磁块固定安装在磁块套内，转轴下方的一对磁块套与一对侧齿滑块分别固定连接，转轴上方的磁块套与侧齿滑块固定连接。

一种侧齿滑块的方案为，所述侧齿滑块由两段或多段扇环依次连接为一个整体圆环状；转轴上方的所述磁块设有对称设置的一对，转轴上方的一对磁块的对称轴为通过转轴中心的径向线，典型地，转轴上方的一对磁块的对称轴为垂线。

另一种侧齿滑块的方案为，一对所述导轨外设有两对扇环状侧齿滑块，转轴上方和转轴下方的扇环状侧齿滑块分别通过独立的传动装置与对应侧的电机连接，以独立控制下方的磁块和上方的磁块移动。

转子轴承与端盖之间嵌设有压力传感器，压力传感器输出引线和电机控制线与控制器接口连接，所述电机为步进电机；磁环通过磁环套与转轴固定连接；在转子轴承的外侧设有与端盖固定的防尘盖，齿圈轴承的外侧设有与外壳固定的侧盖板。

本发明对旋转机械的磁悬浮装置所述磁环使用永久磁体，下部支撑转子的磁块也使用永久磁铁，磁块与磁环相斥，上部的磁块也使用永久磁铁，磁块与磁环相吸，以扩大磁力对转子轴承负荷力的调节范围。可以使小的旋转机械也实现磁悬浮带来的低损耗、长寿命优势。同时，通过调整磁块与垂直方向的夹角进行竖向悬浮力的自动调整，实现磁力对负荷变化的自动平衡。

由于避免了使用电磁铁，因此该装置结构得到简化，永久磁体的使用避免了电磁铁线圈带来的故障率、供电问题和发热问题，控制系统成本大幅降低。

使用环形导轨和滑块，以调节磁块与磁环的作用力方向来调节磁力合力在垂直方向的分力大小，平衡转子轴承所受的负荷力，可以保证磁力调节的稳定变化，并且驱动结构相对简单。滑块成对设置正好满足磁块成对设置且运动方向不一致的特点，且用一个齿轮即可带动一对滑块同步相向或相对运动。

磁环下方设有一对磁块，磁块与磁环的斥力，在水平方向的分力大小相同，方向相反，确保了转轴旋转在水平方向所受的合力为零，磁块与磁环的斥力，在垂直方向的分力大小相等，方向相同，其在垂直方向的分力合力与转子轴承所受的负荷力平衡。

使用永久磁铁，避免了电磁铁始终消耗电能的缺点，在电动车上使用，可以节省电池的续航能力。

附图说明

图1是本发明实施例一轴向剖视示意图，

图2是图1中A-A向视图，

图3是图1中B-B向视图，

图4是本发明实施例二轴向剖视示意图，

图5是图4中C-C向视图，

图6是图4中D-D向视图，

图7是磁悬浮受力原理示意图。

图中：1-外壳，2-电机，3-端盖，4-螺钉，5-转子轴承，6-转轴，7- 磁环，8-磁环套，9-磁块，10-磁块套，11-导轨座，12-侧盖板，13-齿圈轴承，14-传动装置，15-齿轮，16-导轨，17-侧齿滑块，18-导轨支撑，19- 齿轮轴，20-防尘盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：如图1～6中所示旋转机械可调磁悬浮装置，可以用于绝大多数带负载旋转结构，例如车轮、电机等设备。以平衡转子轴承负荷力，进而大幅度降低转子轴承磨损和发热，提高转子轴承动能效率，延长其使用寿命。

该装置为转动核心部件，如图1、4，包括转轴6、筒状的外壳1以及外壳两端的端盖3，外壳与端盖紧固连接，转轴与端盖之间通过转子轴承 5连接。如图1所示，端盖同时起到给内部部件限位和端部密封的作用，图1、4中是利用端盖的侧面与转子轴承5的外圈连接。在转子轴承5的外侧设有与端盖固定的防尘盖20，防尘盖20的设置有利于转子轴承5的安装和防尘。

在转轴6上套设有磁环7，磁环7成对设置，为了便于磁环7与转轴的固定连接，将磁环7通过磁环套8与转轴固定连接。

在外壳1内与转轴6同轴设有筒状的导轨座11，导轨座11与端盖或外壳固定，在对应磁环7的径向，与导轨座连接设有磁块9，磁块9通过磁块套10与导轨座间接连接，对称设置的磁块与对应的磁环之间的间隙设置一致，从后面的描述可知，可将磁块套固定连接在侧齿滑块上，侧齿滑块17可在导轨上滑动，导轨固定在导轨座上。在磁环下方的磁块9与所述磁环7相斥，平衡转子轴承轴所受的负荷力，例如可按照整体设备的自重或最大负荷力设计总的磁力，因此也减小了转子轴承的摩擦阻力和发热。

所述磁环7和磁块9为永久磁体。通常使用强磁体，例如钕铁硼磁体，永久磁体的体积可以远远小于电磁铁，也避免了电磁铁线圈带来的故障率、供电问题和发热问题。磁环和磁块可以根据需要设置多对。

为了使磁块与磁环相互作用力可以根据负荷进行调整，为了尽可能优化磁悬浮的效能，将磁块设置为可相对磁环作周向移动。如果直接调整磁块与磁环的相对间距，对制造安装的精度要求非常高，而且，磁块与磁环的间隙调节结构也相对复杂得多，因此，成本也高。本技术方案中提出较为稳定的磁块周向调节方式，可以大幅降低控制系统的复杂程度，降低加工和运行成本。

对应磁环7的径向位置、与所述导轨座11固定设有环形或扇环形的导轨16，在所述导轨上套设有可与导轨相对滑动的侧齿滑块17，所述磁块9与所述侧齿滑块固定连接，或将磁块安装在磁块套10中，磁块套与侧齿滑块17固定连接，侧齿滑块通过传动机构由电机2驱动。如图1、4 中可见，侧齿滑块可以通过与电机2连接的齿轮15驱动，也可以通过被与电机连接的齿轮带动的传动装置14驱动侧齿滑块17后运动。传动装置的实施例可使用传动链条。

作为实施例，在每一个磁环7的径向位置设有一对平行且对称设置的导轨16，一对导轨形状一致而对称布置，导轨外侧面相对设置，对称面为垂直于转轴且通过对应磁环中心的竖向平面，导轨可以是环形或扇环形，如果侧齿滑块为扇环形，在磁环下方，每一导轨16嵌套设有一个侧齿滑块17，在磁环上方，还可套设一个侧齿滑块；如果侧齿滑块为环形，则导轨外套设有一个整体的侧齿滑块。一对导轨外套设的侧齿滑块17相对设置。为了调节灵活、方便，侧齿滑块与导轨之间设有滚珠。在两导轨外相对套设的两侧齿滑块之间设有圆柱状的齿轮15，齿轮与相对设置的一对侧齿滑块17相互啮合，齿轮15由电机2驱动转动，因此电机可以带动侧齿滑块沿环形的导轨周向移动。

在很多应用中，所述磁块9成对设置，成对设置的磁块形状、大小和材料一致。磁环下方的磁块相对于经过转轴轴线的垂直平面对称布置，磁环下方的磁块均与磁环相斥，斥力大小相等。在磁环上方设置的磁块也相对上述经过转轴轴线的垂直平面对称布置，磁环上方的磁块均与磁环相吸，且吸力大小相等。

一对磁块9中的两个分别与一对侧齿滑块17中的各一侧侧齿滑块17 固定连接，如图1、4所示，一对磁块9的布置使一对磁块的中心在同一个与转轴中心垂直的平面内，并在此平面内相对于经过磁环中心的垂线对称。但是，由于一对磁块中的两个磁块分别与相对两侧的侧齿滑块固定连接，即一对磁块中的一个与一侧的侧齿滑块固定连接，另一个磁块与另一侧的侧齿滑块固定连接。一对侧齿滑块17与位于该对侧齿滑块之间的同一个齿轮啮合，该齿轮被电机驱动，可带动该对侧齿滑块同步进行相反方向转动。

一对导轨16与对应同一个导轨范围内联动的齿轮15、侧齿滑块17、所连接的磁块9以及磁环7构成一组磁悬浮装置。

如果最大磁悬浮力不足以平衡转子轴承所受的负荷力，则可在导轨座 11上和转轴对应位置设有多组磁悬浮装置。多组磁悬浮装置的导轨平面均与转轴垂直。在一组磁悬浮装置的上方和/或下方设有电机2，其中图1 实施例仅在转轴上方设有一个电机，这种情况下，侧齿滑块为整体的圆环状；图4实施例中在转轴的上方和下方各设有一个电机这种情况下，侧齿滑块为扇环状，磁环上方和下方的侧齿滑块分别被上部和下部的电机驱动。图1实施例中的所有侧齿滑块均由一个电机带动，从动的磁悬浮装置被传动装置14通过齿轮带动。此外，也可以每一组磁悬浮装置均设有一个电机来驱动。

传动装置装置14与轴心线平行设置，传动装置将电机的动力传动到其他组齿轮，使各组磁块9同步滑动，从动的齿轮通过齿圈轴承13与外壳1连接。

作为实施例，在转轴的上方成对、对称设有与磁环7相吸的磁块9，磁块固定安装在磁块套10内，一对磁块套与竖向对称设置的一对侧齿滑块分别固定连接。虽然一对磁块套与侧齿滑块的连接点不在对称平面内，但是如图2、3所示，一对磁块套是对称的，图2中的磁块套与图3中的磁块套相对于经过转轴中心的垂线对称，其中转轴下方与磁环相斥的一对磁块9相互对称，转轴上方与磁环相吸的一对磁块9相互对称。为了方便了解结构，图2、3中仅画出了连接侧的磁块9和磁块套10。

一种侧齿滑块的方案为，如图1、2、3，在一组磁悬浮装置内，所述侧齿滑块17由两段或多段扇环依次连接为一个整体圆环状。此时，一个侧齿滑块上下连接两段或多段磁块，下磁块与磁环相斥，上磁块与磁环相吸，从横截面上看，如图2、3，下磁块成对位于垂直线两侧，上磁块也成对位于垂直线两侧，磁块固定在磁块套内，磁块套固定侧齿滑块上，侧齿滑块与导轨连接，并在导轨上滑动，导轨固定在导轨座上。如图1，磁悬浮装置成对对称于经过转轴轴向中心的垂面分布，各组磁悬浮装置联动，仅需由一个电机带动一对环状的侧齿滑块移动。

另一种侧齿滑块的方案为，如图4、5、6，在一组磁悬浮装置内，所述侧齿滑块17独立设有两段或多段扇环，各扇环内径相同，各扇环外径相同。转轴上方和转轴下方的扇环各自通过独立的传动装置与各自对应侧的电机连接，以独立控制下方的磁块和上方的磁块做周向移动。各组的磁悬浮装置之间，转轴下方的磁块由一条转动装置14统一带动，转轴上方的磁块由另一条传动装置14统一带动，转轴下方的磁块和上方的磁块分别驱动。为了方便了解结构，图5、6中仅画出了连接侧的磁块9和磁块套10。

如图7为磁悬浮受力原理，转轴下方的一对磁块对磁环产生的斥力合力垂直方向向上，平衡转轴所受到的负载力，当转轴下方的一对磁块不足以支撑转子轴承所受到的负荷力时，可以在转轴上方安装一对磁块，转轴上方的一对磁块对磁环的吸力同样产生一个竖直向上的力。当磁块自身的中心线与垂直方向的夹角变大时，磁力垂直方向分力变小；当磁块自身的中心线与垂直方向的夹角变小时，磁力垂直方向分力变大。由此可以调节磁力在垂直方向的分力大小，平衡转子轴承所受到的负载力，并因此大为减轻转子轴承的径向载荷，减小轴承内部的摩擦阻力和由此带来的摩擦发热量，大幅度延长轴承使用寿命和维护周期，降低对轴承的性能要求，能量消耗也因此而减小。

在转子轴承5与端盖3之间嵌设有压力传感器，压力传感器用来实时测量转轴所受到的压力大小，压力传感器输出引线和电机控制线与控制器接口连接，根据所受到的压力，调节磁块与垂直方向的夹角，以平衡转子轴承所受的负荷力。

优选地，所述电机使用步进电机，步进电机对位置的控制更加精确。

该装置的应用可以与电动机结合，将电机转轴悬浮起来，避免电机转子轴承因其自重导致的摩擦，使得轴承发热。

以上实施例作为应用举例，各实施例可以交叉实施。实际应用中不止于上述陈述，例如在有些应用中，可能将磁块不与垂线对称设置。

该装置可以应用于电动汽车上，与轮毂电机技术结合，以平衡汽车转子轴承所受的汽车重量和载重力，使得汽车转子轴承所受力为零，既减少了汽车轴承的机械摩擦力，同时，又不像电磁铁消耗电动汽车有限的电池电能。如果采用发动机驱动发电机发电，补充电池消耗的电能，或采用其他新能源发电，扩大电池的续航能力，电动汽车的续航能力就大为扩展。而且，电动汽车还省去了变速箱等一系列机械零部件，扩大了其有效使用空间。

该装置也可以应用于电动自行车，与电动自行车的轮毂技术相结合，以平衡电动自行车转轴所受的载重力，可以减少摩擦力，同时，又不像电磁铁消耗电动自行车有限的电池电能。

该装置的应用还可以与高铁、轻轨等轨道交通工具结合，以平衡高铁、轻轨等轨道交通工具的转轴轴承所承受的载荷力，延长轴承的使用寿命。

该装置也可以应用于电站风机或泵，以平衡风机转轴轴承所承受的叶轮重力、转子重力、及其所受的载荷力，减少摩擦力，避免轴承发热，限制负荷提高，达到节能并延长设备使用寿命之目的。

Claims (10)

1.一种旋转机械可调磁悬浮装置，包括转轴(6)、筒状的外壳(1)以及外壳两端的端盖(3)，外壳与端盖紧固连接，转轴与端盖之间通过转子轴承(5)连接，其特征在于：

在两侧端盖(3)之间的转轴(6)外套设有磁环(7)，在外壳(1)内同轴设有导轨座(11)，导轨座(11)与外壳或端盖固定，在对应磁环(7)的径向位置上、与导轨座间接连接设有磁块(9)，在磁环下方的磁块(9)与所述磁环(7)相斥，平衡转子轴承所受的负荷力。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于：所述磁环(7)为永久磁体，所述磁块(9)为永久磁体。

3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮装置，其特征在于：在对应磁环(7)的径向位置、与所述导轨座(11)固定设有环形或扇环形的导轨(16)，在所述导轨上套设有可与导轨相对滑动的侧齿滑块(17)，所述磁块(9)与所述侧齿滑块固定连接，侧齿滑块通过传动机构由电机(2)驱动。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮装置，其特征在于：在每一个磁环(7)的径向位置设有一对与磁环同轴心且垂直于转轴轴心的导轨(16)，每一导轨嵌套设有侧齿滑块(17)，一对导轨外相对设置的两侧齿滑块之间设有圆柱状的齿轮(15)，齿轮与一对侧齿滑块均相互啮合，齿轮(15)由电机(2)驱动转动，带动该对侧齿滑块(17)向相反方向转动；

所述磁块(9)成对设置，一对磁块中的一块磁块与一对侧齿滑块中的一侧侧齿滑块固定连接，另一块磁块与一对侧齿滑块中的另一侧侧齿滑块固定连接；

一对导轨(16)与该一对导轨所在位置对应的齿轮(15)、侧齿滑块(17)、磁环(7)以及侧齿滑块所连接的磁块(9)一起构成一组磁悬浮装置。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征在于：转轴下方的一对所述磁块(9)相对于通过轴线的对称轴对称设置，典型地，转轴下方的磁块对称轴为垂线。

6.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征在于：在导轨座(11)上设有多组磁悬浮装置，在一组磁悬浮装置的上方和/或下方设有电机(2)，在电机所在一侧与轴心线平行设有传动装置(14)，传动装置将电机的动力传动到其他组磁悬浮装置的齿轮，使各组磁悬浮装置的磁块(9)同步转动，其他组磁悬浮装置的从动齿轮分别通过齿圈轴承(13)与外壳(1)连接。

7.根据权利要求4、5、6之一所述的磁悬浮装置，其特征在于：一组磁悬浮装置中，在转轴的上方垂直方向设置有一块与磁环(7)相吸的磁块(9)，或成对设置有与磁环相吸的磁块，转轴上方和下方的磁块固定安装在磁块套(10)内，转轴下方的一对磁块套与一对侧齿滑块分别固定连接，转轴上方的磁块套与侧齿滑块固定连接。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮装置，其特征在于：所述侧齿滑块(17)由两段或多段扇环依次连接为一个整体圆环状；转轴上方的所述磁块(9)设有对称设置的一对，转轴上方的一对磁块(9)的对称轴为通过转轴中心的径向线，典型地，转轴上方的一对磁块(9)的对称轴为垂线。

9.根据权利要求7所述的磁悬浮装置，其特征在于：所述一对导轨外设有两对扇环状侧齿滑块(17)，转轴上方和转轴下方的扇环状侧齿滑块(17)分别通过独立的传动装置与对应侧的电机连接，以独立控制下方的磁块和上方的磁块移动。

10.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于：转子轴承(5)与端盖(3)之间嵌设有压力传感器，压力传感器输出引线和电机控制线与控制器接口连接，所述电机为步进电机；磁环(7)通过磁环套(8)与转轴固定连接；在转子轴承(5)的外侧设有与端盖固定的防尘盖(20)，齿圈轴承(13)的外侧设有与外壳固定的侧盖板(12)。