CN1094797A

CN1094797A - 磁力轴承系统和方法

Info

Publication number: CN1094797A
Application number: CN93117292A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·F·平克顿
Original assignee: Magnetic Bearing Technologies Inc
Current assignee: Magnetic Bearing Technologies Inc
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-25
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2013-09-25
Also published as: CN1044274C; AU5136993A; EP0662262B1; WO1994008384A1; EP0662262A1; US5302874A; DE69317572D1; EP0662262A4; JPH08505278A

Abstract

一种磁力轴承系统，利用与磁铁相互作用的导电线圈悬浮转子，并将转子定中在旋转轴线上，转子带有闭合线圈，转子的运动使线圈产生磁场，每个线圈暴露在两个磁铁同时发出的磁场中，当线圈横向偏离其预定路径时，线圈内部受各磁场的作用不等，这样，在线圈中产生大小不等方向相反的电动势，从而产生的电流，又由于磁场的存在对线圈施加一个作用力，趋于使其朝预定路径横向移动。

Description

本发明涉及一种自动悬浮和自动定心的磁力轴承。

磁力轴承不用润滑剂而是用磁场支撑轴和其它移动物体。静止和移动部件之间无实体接触，因而无摩擦、无磨损，也不需润滑。这样，减少了动力损耗，这种轴承具有永久性寿命。

现有的磁力轴承技术需要复杂的电力系统以悬浮和定位转轴。且还采用了能量储存系统。这些部件需要一个浪费空间的外部装置，且轴承装置的费用非常高。

由于这种磁力轴承既复杂又昂贵，所述它的应用受到限制。仅能用于少数几个专门领域，如空间卫星和半导体制造中所使用的涡轮分子真空泵中。

在铁路工业中，已经提出利用相互作用的静止和移动磁力线圈来支撑轨道车辆。这方面有代表性的专利如下：

小波瓦尔等人的 3，470，828

商顿等人的 3，768，417

富士哇等人的 4，779，538

福杰等人的 4，913，059

可靠又便宜的磁力轴承的一种重要潜在应用是支撑储能飞轮，这种飞轮可以代替或者用作对电池的补充，通过磁力轴承的增强，这种飞轮用于车辆的重复制动，电动卡车和台式计算机电源。

本发明的目的是提供一种简单、有效、可靠又便宜的磁力轴承装置。

根据本发明，这种磁铁装置包括一组由磁性材料（即磁化的或能够被磁化的材料）组成的磁极。每个磁极具有发出磁场的磁极表面。有一物体，它包括一组由具有有限电感系数和有限导电系数（即非超导体）的导电材料构成的闭合线圈。该物体和磁铁装置可绕一旋转轴线相对旋转，使得线圈沿着一预定的环形路径相对于沿该预定路径分布的磁场运动并穿过该磁场。

磁场是这样分布的，使线圈内部受磁力线作用，这样，当线圈处在其预定的环形路径上时，在线圈中产生大小相等方向相反的电动势，这样，线圈中无电流流过。磁铁装置的位置还应当是这样的，当线圈偏移其预定的路径时，磁铁装置能够使线圈内部受磁力线作用在线圈中产生大小不等而方向相反的电动势，这样，在线圈中产生电流。电流的方向是这样的，在有一个或多个磁场的情况下，该磁场对线圈作用一个力，趋于使线圈朝着预定的环形路径横向（轴向和/或径向）移动。

在一个实施例中，每个磁铁装置设置在线圈的路径上形成一个磁场的位置，线圈有两瓣，以8字形关系电连接在一起，并沿相反方向偏置在预定路径两侧。

根据本发明的第一实施例，磁铁装置产生第一和第二磁场，线圈设置在能同时暴露在这两个磁场中的位置。第一和第二磁场有方向相反的磁力线，这些磁场位于距旋转轴线不同距离的位置或相对于旋转轴线不同的轴向位置处。

磁铁装置最好包括具有面向该路径的N极和S极的第一磁铁，和相对于第一磁铁而设置在线圈路径另一侧的第二磁铁。第二磁铁的N极面对第一磁铁的S极，第二磁铁的S极面对第一磁铁的N极。第一磁铁的N极和S极位于距旋转轴线不同距离的位置处。在其它实施例中，第一磁铁的N极和S极位于相对于旋转轴线不同的轴向位置处。

相邻磁极最好间隔开一个O至2D的距离，沿平行于线圈的运动路径方向测得的磁极的尺寸约为0.5D-2D，其中“D”为沿平行于预定路径方向测得的线圈长度。磁铁装置最好是静止的，而携带线圈的物体最好是可运动的。L/R值近似于D/2V，其中R是线圈电阻，D是沿平行于该路径方向测得的线圈长度，L是线圈的自感系数，V是线圈的相对速度。

线圈中的电流是可逆的，因此它也可沿第二反方向流动，又由于有磁场存在，它将趋于使线圈沿横向而背离预定路径的方向运动。然而，线圈在磁场中时，电流沿第一方向流动的时间要比第二方向流动的时间长。

电流沿第一方向流动时，该线圈位于磁场中的纵向部分的长度大于沿第二方向流动时位于磁场中的纵向部分的长度，由此，第一方向电流所产生的作用于线圈的平均作用力大于第二方向电流所产生的平均作用力。

在一种理想的形状中，每个线圈上具有一前边和一后边，两者连接在一起形成所述的线圈。线圈的相对运动穿过一磁场，包括：（ⅰ）第一相位，当线圈的前边进入磁场而后边还未进入磁场时，该第一相位开始;（ⅱ）第二相位，当至少一部分线圈的内部处在磁场中，并且线圈的前、后边暴露其中的磁场强度基本相等时，该第二相位开始，该磁场强度范围为从零到一个限定值之间;（ⅲ）第三相位，当前边退出磁场而后边还处在磁场中时开始;（ⅳ）第四相位，在前、后边都退出磁场时开始。由于线圈的自感系数，在线圈中沿第一方向产生了自感电流，同时线圈内部至少一部分在磁场中，以影响线圈的横向位置，在整个线圈内部移出磁场之后，自感系数还可引起在线圈中沿相反方向流动的第二自感电流。而第二自感电流不在磁场中，因此，对线圈的横向位置不产生影响。根据线圈和磁铁的相对长度，在第二相位期间，线圈的前、后边可以都在磁场中，也可以都不在磁场中。

线圈可以由多根并联、扭在一起和互相绝缘的导线组成。

本发明的第一特征是，沿该路径布置的相邻磁铁装置具有不同的极性，以使线圈顺序暴露在不同极性的磁场中。沿该路径相邻磁铁装置是反向取向的，这样，沿该路径圆周方向相邻磁铁装置的磁场方向相反。第一和第二磁铁设置在线圈路径的相对的两侧并且互相面对面朝向该路径。这些反向磁铁中的第一磁铁的N极面对着第二磁铁的S极，第一磁铁的S极面对着第二磁铁的N极。

本发明的其它特征涉及用来改变轴承系统刚性和/或相对磁铁移动物体位置的调节装置。具有这些特征的轴承称之为“半活动”轴承，这是由于他们同时包括具有恒定磁场的被动磁铁和活动线圈或磁铁，它们可改变线圈暴露其中的磁场强度。调节装置包括分离的电磁铁或装置以改变绕在轴承系统的永磁铁上的电磁线圈中的电流。通过均匀改变磁场强度，可以获得刚性调节，通过不均匀改变磁场强度，可以获得物体移动调节，因此在所有磁铁上的磁场强度是不等的。

图1是本发明原理透视图;

图2是装运行过程中其中一个线圈经过所碰到的磁场时运动简图;

图3是径向发生偏移的线圈穿过两个相邻磁场时，线圈中电压变化曲线图;

图4是径向发生偏移的线圈穿过两个相邻磁场时，线圈电流曲线图;

图5是本发明一个最佳实施例的截面图，其中，旋转物体不论径向还是轴向都是对中的;

图6是沿图5中6-6线的截面图，示出了径向轴承旋转盘的一个面;

图7是沿图5中7-7线的截面图，示出了径向轴承磁铁的位置;

图8是沿图5中8-8线的截面图，示出了轴向轴承中的磁铁;

图9是图5的局部放大图，示出了位于磁铁和运动线圈之间的静止磁通量压缩环;

图10A是图5的一种替换细部结构，示出一种改型的磁通量压缩元件;

图10B是移动线圈中有铁芯的本发明一个实施例;

图11、12和13是本发明的各种实施例，其中马蹄形磁铁气隙中设有静止线圈;

图14是本发明的一个实施例，其中移动线圈与圆周间隔开的磁铁同时作用。

图15是一个实施例，其中移动线圈仅与一个静止磁铁的磁场发生作用，产生定心力;

图16和17是允许轴承刚性和/或旋转轴位置可调的本发明一个实施例的示意图。图16是轴承系统的正视图。图17是该装置的下部磁铁组件的顶视图;

图18和19是旋转轴可以倾斜的一种实施例的简图。图19是该装置的仰视图。图18是沿图19中18-18线的截面示意图;

图20是具有永久磁铁和单独的可控电磁铁的半活动轴承截面图;

图21和22是沿图20中21-21和22-22线所取的实施例示意图。

本发明的原理通过图1所示的非常简单的说明可以更清楚地理解。从图中可以看出，转子2绕竖直轴线A旋转，三个静止的永久磁铁4以相同的夹角绕着该轴线A布置，并取向成使它们的N、S极面向下对着转子2的上部表面。

该转子携带三个由导电材料制成的大体成矩形的线圈6。转子2最好由合成树脂加强的纤维制成，该线圈最好由“李兹线”制成，这方面在下方将详述。每个线圈都是封闭的（即无头的），并嵌入转子的复合材料中。提供了支承转子的支撑，通常，用例如齿轮、皮带轮或直接驱动的电机一类的装置将产生旋转运动的力传递给转子或从转子传出。

非常明显，图1所示的简单结构能够对转子中心与旋转轴线A之间所产生的任何偏心进行校正，使转子2保持在中心位置。这种特性可从图2所示的原理中得到理解，在该图中，线圈6设置在一个物体（未示）上，该物体设计成能够沿规定的环形路径P运行。

沿路径P设置了多个磁铁装置，每个磁铁装置产生两个磁场F₁和F₂，其磁力线的方向相反。一个如4那样的简单的马蹄形磁铁便可实现这一目的，其N极产生磁场F₁，S极产生磁场F₂，如图2所示。

从图2可以看出，在线圈6顺时针运动期间，如果线圈6相对路径P能保持在中心位置，那么线圈6将相等地暴露在两个磁场F₁和F₂中，这样，不会产生归属于两个磁场中任何一个的净磁通量差值。但是，如果线圈纵向中心线横向偏离路径P，这时，线圈将更多地暴露在其中一个磁场中。这种状况可用图2中虚线所表示的线圈6进行说明，在该图中，线圈6′更多地暴露在磁场F₂中而暴露于磁场F₁中的部分则较少。这样，穿过线圈内部的净磁通不等于零，将会产生绕线圈流动的电流。箭头8表示出该例中的电流方向。该电流产生一个磁场，根据电磁基本原理，磁场的方向是趋于使线圈径向向外移动到线圈的纵向线中心线与预定的路径P的中心相重合的位置。

很明显，如果线圈横向偏移，更多地暴露于磁场F₁中，那么电流方向将与箭头8所指方向相反，相应的校正力的方向将径向向内。

为了更清楚起见，当线圈6的前边通过半径r₁，并进入磁铁的两极磁场F₁和F₂时，图2所示线圈移动的第一相位发生在t₁处。如果线圈的纵向中心线径向偏离预定轨道P的中心，前边将会受到有效电压的作用，这样，产生线圈电流，该电流产生作用于线圈和固定线圈的物体上的定心力。线圈在磁场中的圆周长度随着线圈电流达到最大值时为最大，其平均作用力也最大，因为该力是线圈长度、线圈电流和两极磁场强度的乘积。这个力大于线圈离开两极磁场时所产生的平均力，这将在下文详述。

在第Ⅱ相位期间，线圈6的前、后边都处在图示的磁场中，在该位置，磁场F₁和F₂的纵向尺寸大于线圈的纵向尺寸。该相位开始于时间t₂，这时线圈前边经过半径r₂、后边经过半径r₁。由于从相位Ⅰ开始线圈储蓄磁能，因此，经过相位Ⅱ后电流仍沿箭头8指向流动，这样，在线圈和携带线圈的物体上产生一个定心力。偏心的调整不需立即完成，因为在调整完成之前，线圈通常须穿过许多磁场。

相位Ⅲ开始在t₃时刻，这时线圈前边经过r₃时，前边在磁场的外边，后边在磁场的里面。这样所产生的电流将会与两极磁场相互使用而产生作用于线圈上的偏心力;但是，由于从第Ⅰ相位开始储存的磁能由于线圈的自感作用仍然存在，因此从第Ⅲ相位开始的电流流动仍能对偏离轨道的位移进行校正。由于处在两极磁场中的线圈圆周长度在此时此刻仍比较大，所以电流所产生的平均力仍很大。

经过相位Ⅲ中途时，线圈6中的电流降至零以下，这标志着从相位Ⅰ开始进行的储存磁能的终止。线圈电流反向并产生一个不稳定的作用于转子上的力，但该不稳定的力与第Ⅰ相位期间所产生的平均校正力相比小得多，这是因为相位Ⅲ的反向电流出现时两极磁场中的线圈长度平均说来小于相位Ⅰ期间的线圈长度。

相位Ⅳ开始时，线圈6的后边仍处在磁场F₁和F₂中。在所示的实施例中，磁铁长度是线圈长度的两倍。该相位在t₄时刻发生。这时前边正通过半径r₄。在相位Ⅳ期间，相位Ⅲ期间所储存磁能产生电流，但该电流不与外部磁场相互作用，这样不会产生任何径向力。从相位Ⅲ开始储存的磁能在该相位的终点F降至大约其最大值的一半。

线圈6继续运动，进入如图2所示的另一两极磁铁的磁场F₃和F₄，该磁场的极性最好与前述磁场F₁和F₂的极性相反。产生磁场F₃和F₄的下游磁铁横向相对于产生磁场F₁和F₂的磁铁反向取向，因此，预定轨道P的每一侧，后一磁铁的磁场方向正好相反。这样，前一相位的剩余电流与新的两极磁场相互使用，对线圈产生一个校正力。

所有四个相位的径向力的积分表明一个有效校正力作用于线圈上。校正作用在相位Ⅰ、相位Ⅱ、和相位Ⅲ的初始期间产生。而不稳定的力在相位Ⅲ的后期产生。相位Ⅳ不产生校正力。

各元件之间的几何关系可以与图2所示显著不同。线圈6可以是任何形状，磁铁的纵向/周向尺寸和它们各自的磁场可以在线圈长度D的一半至两倍范围之间变化。而磁场与磁场的圆周间隔可以在零至两倍线圈长度D范围之间变化。

在磁场的纵向尺寸等于线圈6的纵向尺寸的情况下，第二相位的持续时间基本是瞬时的。当线圈长度大于磁场长度时，在前边离开磁场时其第二相位开始，当后边进入磁场时，该相位终止。在图2所示的实施例中，磁场长度是线圈长度的两倍，第二相位开始时，后边进入磁场F₁和F₂，该相位终止时前边还处于磁场中。

为了优化其性能，线圈的感应系数与电阻之比，即感应时间常数可以选择为与在最大线圈速度情况下完成一个相位所需最少时间的一半相匹配，并用数学公式L/R-D/2V来表示，其中，L是线圈的自感系数，R是线圈的电阻，D是线圈相对轨迹P的纵向尺寸，V是线圈的最大运动速度。

从前述公式可以看出，希望减少线圈的自感系数特别是在线圈速度增加时更是如此。可以用各种技术手段来完成这一目的，包括：（1）形成具有单圈绕线的线圈;（2）提供导电磁通压缩元件，该元件具有面对线圈而设置的表面，以“压缩”线圈的磁力线和/或（3）提供沿轨迹的静止线圈，该线圈中感生电流产生相反的磁通。

更完整的组件包括如图5-8所示的轴向和径向轴承。它具有一带圆柱体12的壳体和环形端壁14，环形端壁由非磁性材料，如铝制成。

旋转轴16与两个携带线圈的盘18和一个携带线圈的缸20刚性连接并对它们形成支撑。这些元件18和20由非磁性材料如纤维加强的聚酯或环氧树脂制成，每个元件携带多个沿轨迹运行的电导线圈22、24，装置运行时轨迹与旋转轴线A1同心。如图5所示，缸20由一个内圆筒件和一外圆筒件形成，线圈24嵌入内圆筒件上，外圆筒件用来加强缸20的强度和尺寸稳定性。

与线圈作用的磁铁26、28和29由扇形支撑件30、32支撑在壳体内部，扇形支撑件由非磁性材料如铝制成。每个磁铁包括一铁磁基34、35、36和两个粘结其上的稀土磁铁件38、40、42、44，这样，形成具有N、S极的马蹄形磁铁，N、S极位于作用线圈22、24的预定圆形轨迹的同一圆周位置。这些磁极在横向相对的扇形线圈同时分别暴露于方向相反的第一和第二磁场中的各位置都面向上述轨迹。

对径向轴承来说，每个磁铁26包括一个基体34、一外部磁件38和一内部磁件40。对轴向轴承来说，设置有外磁铁28和内磁铁29，每个外磁铁28由基体35和磁体42组成，每个内磁铁29由基体36和磁件44组成。

盘18和磁铁26起径向轴承作用，对轴心线A1进行径向校正，使其与所希望的旋转轴线相同心，从而使线圈22在径向上向着它们的既定轨道移动。

轴16的轴向定位由圆筒形件20中的线圈24和相应的磁铁28和29实现。这些磁铁的排列如图8所示，为清楚起见，图中轴和携带线圈的圆筒被省略。其操作原理与图1所示线圈的径向定位的原理相同，只是这些线圈24处在轴向平面中，而不是处在径向平面中，趋于使轴16沿轴向运动，这样，线圈将追随它们的轴向预定轨迹。

图6示出携带着径向校正线圈22的盘18的表面。图中虚线重叠在图上以说明静止磁铁38和40的磁极面和磁场的位置。每个线圈22可以是由实心导电材料制成的单独元件，但最好由多条电导线组成，这些导线互相绝缘并以并联方式连接在一起。每根导线如通常所称的李兹线，可以由多股单独的薄膜绝缘线构成，以均匀的图案捆或编织在一起。这种形状减少了实心导线的集肤效应造成的功率损失，或减少了无线电频率电流集中在导线表面的倾向性。适当结构的李兹线所具有的单件48附近产生：（a）在移动线圈中产生了图4所示型式的电流变化;（b）线圈22的磁场和磁通量压缩元件48之间的运动。发生偏移的线圈22的运动磁场对与之靠近的磁通量压缩元件48产生排斥力，该排斥力比较远的磁通量压缩元件产生的排斥力大。有效排斥力作用于运动线圈22，使其沿轴向返向排斥力相等的规定轨道位置。在规定轨道位置处没有电流或推力，除非有偏移，这样，显著地减少了阻力。

对于轴向轴承来说，也希望有磁通量压缩装置。两个圆筒形磁通量压缩元件可以设置在两个圆筒形气隙中。这些磁通量压缩元件可以是（a）整体圆筒体，（b）圆周间隔开的圆筒扇形件，这些扇形件与相应的磁铁28对正。在两种情况下，磁通量压缩元件依靠产生一个与单个线圈中流动的电流所产生的磁场相反的磁场来减少线圈的自感系数。

在图9所示的实施例中，线圈22上的排斥力对转子的径向定位没有任何影响。磁通量压缩元件48是扁平的。这样所有的排斥力都是轴向方向的，而无径向方向的排斥力。类似的，单纯以圆筒形或圆周方向隔开的扇形圆筒磁通量压缩元件与线圈24和磁铁28配合形成径向排斥力，而不形成轴向排斥力。

图10A所示的改型的磁通量压缩元件具有利于转子径向定位的形状，并由三个同轴环50a、50b和50c形成，这三个同轴环分别位于磁铁件38和40的外侧、中间和内侧。这些环可以是圆周分割的或圆周上为整体的，并且朝着线圈轨迹方向轴向延伸到磁铁极表面的外面，以形成径向相对的表面和轴向相对的表面。来源于这些表面的排斥力具有推斥线圈的径向分量，这样，有助于线圈22和磁铁26的相互使用，以对旋转轴线和线圈轨道在径向方向上定位。在轴向轴承中，转子的轴向定位可以由磁通量压缩元件加强，该磁通量压缩元件由三个直径相同的、轴向隔开的、设置在磁铁极38和40轴向之间和轴向外侧的环形成。

图10B示出的铁芯件44和46设置在每个线圈22的内侧，每个铁芯件分别与两磁极38和40中的一极及线圈同时暴露其中的磁场相连系。铁芯件由通常用于变压器和其它感应装置中的那种类型的平行重叠圆周取向的铁芯片组成。这些铁芯件由填满非磁性盘状材料的空间隔开。可以相信，提供这种铁芯件45和46，可以提高装置的效率，这是由于每个单位电流的校正力大于没有铁芯件时的校正力。同时，利用铁芯件使小气隙的使用成为可能，以减少永久磁铁件的尺寸和成本。

另一种对图5所示结构的增强涉及附图11和12所示类型电流放大线圈。两个静止线圈52设置在两磁极磁铁26′的极件38′和40′之间的空气空间中。当运动线圈22′偏离它的规定轨道时，磁铁将在运动线圈中感应一有效电动势。在线圈22′中将有电流通过，该电流与静止磁铁的磁场相互作用，趋于使线圈朝着其规定轨道的方向横向移动，这已在如前而作过叙述。

当运动线圈22′中有电流流过时，它可以产生相独的线股，每股在给定的导线长度范围内从其中心到外面和背面都是按均匀图案穿行就位的。

图5所示的装置包括磁通量压缩元件，它们具有面对线圈的表面。这些组件如图9所示。由于变化的线圈电流在任何接近线圈的导电材料中感应出反向的“镜象”电流，因而。这些组件会压缩磁通量。这两个相反方向的电流的磁场几乎相互抵消，由此，减小了线圈中单位电流的磁通量。

磁通量压缩元件在图9中用序号48表示。它们设置在盘18和磁铁件38和40的磁极之间的气隙中。磁通压缩元件由铜或其它合适的导电非磁性材料制成。每个压缩元件具有邻近线圈22的表面，这样，线圈中流动的电流所产生的磁力线就会穿过该表面上。这样，在磁通量压缩元件48中产生涡流，这些涡流产生与线圈22中电流所产生的磁力线方向相反的磁力线，由此减少了线圈的自感系数，提高了装置的效率。

磁通量压缩元件48是静止的。每个元件可以是一个完整的环状体，或者其圆周是不连续的，由多个扇形件构成，每个扇形件位于该环形区域中，但与相邻的同样的扇形磁通量压缩元件圆周方向间隔开。在这种结构中，每个扇形磁通量压缩件最好随同相应的磁铁沿圆周方向延伸。

当线圈22偏离它的预定环形路径时，磁铁26在运动经圈22中产生感应电流，事实上，使线圈变成一个运动磁铁。大涡流电流由于下述原因在磁通量压缩元件对于静止线圈的空间随着线圈移动的磁场。移动线圈的磁场在静止线圈52中产生感应电流，该电流的方向与移动线圈22′中的电流方向相反。在静止线圈中的电流本身也产生磁场，该磁场使移动线圈中的电流增加，以提高轴承装置的总效率。

移动线圈和静止线圈的磁通量部分相互抵消，这样，产生了磁通量压缩效应，从而进一步增加了电流强度。关于这方面，线圈52的表面邻近于移动线圈，这样，移动线圈中流动的电流所产生的磁力线就会穿过绕组52。

固有的磁通量压缩效应在静止线圈52和动线圈22′之间产生排斥力。该排斥力与电流成比例。从图2可以看出，该排斥力趋于使运动线圈横向朝着它的规定轨迹方向移动。

在移动线圈22′开始运动并经过静止线圈之后，会对静止线圈52产生有害的影响。电动势反向，最终电流变成不利方向电流，除非采取了防范措施。减小这种因素的一个方法是设计导线构成的静止线圈52，使其自感系数略低于移动线圈的自感系数，例如，将移动线圈设计成具有两圈串联在一起的导线;而静止线圈则绕成单圈导线。

另一种方案是提供中断静止线圈52中的电源的装置，当移动线圈22′开始离开永久磁铁26′的磁场时，或者更确切地说，当静绕组中电流下降到预定值，最好为零，并在该电流改变方向之前，中断电流。利用电子开关或换向器可以实现这一目的。

电子换向器回路如图13所示。它包括触发电路54，该触发电路54具有并联在静止线圈52两端的传感导线56和58，以及连接到两个反向可控硅整流器（“SCRs”）64和66的输出线60和62，如图所示。触发电路还包括一个鉴别器或其它阈装置，当导线56和58两端的电压达到阈值时，该鉴别器或其它装置根据极性有选择地触发其中一个可控硅整流器SCRs。

当移动线圈处在其规定轨道的中心位置时，导线56和58两端的电压为零并且两个可控硅整流器处于非导通状态。可是当移动线圈相对于其规定轨道横向偏离一个足够的距离时，在静止线圈52中产生感应电动势，该电动势超过触发电路54的阈值，这时触发电路将触发可控硅整流器64或66中的一个，从而使具有静止线圈52的封闭回路关断。电动势的极性决定哪个可控硅整流器处于导通状态。导通的可控硅整流器将保持连续导通直到电流下降为零为止，此时，可控硅整流器将自动恢复到非导通状态。

在一些情况下，需要调整磁力轴承的刚性。在图11至13所示的实施例中，轴承刚性通过控制每一个静止线圈52的电流来调整。可变电阻67或其它合适的电流控制装置串联到线圈52上，增加电阻67的电阻值会使线圈52中的电流减少，这样也减少了由该电流所产生的二次磁场强度，可以理解，由此也减少了轴承的刚性。

考虑本发明各种实施例采用的原理可以得出某些一般性观察结果。在所有实施例中，在转子偏移过程中，由于外部磁铁的有效磁通进入移动线圈内部，在移动线圈中产生感生电压。当加上一个圆周方向连续的磁通压缩元件时，由于该磁通压缩元件的电流，从而移动线圈附近的磁场及时改变，使偏移线圈中感生第二电压。最后，如果磁通压缩元件是静止线圈（图11和12）或圆周不连续的扇形件时，在转子偏移过程中移动线圈中感生第三电压。该电压是由移动线圈穿过固定线圈或扇形件的磁场的相对运动产生的，该磁场是由移动线圈本身通过电磁相互作用产生的。这第三过程反映了自激励发电机工作过程，其中由于线圈和绕组（或扇形件）相对转动它们的互感的变化，使两者中的电流放大。

通过前段的分析可以看出，圆周不连续的磁通压缩孔件48和静止绕组52起产生二次磁场的装置的作用，相应的线圈22和22′穿过该磁场而运动。静止元件48和52位于线圈轨道附近，这样，由线圈22或22′中电流所产生的磁场将相对于相应的元件48或52移动，从而在元件48或52中感生电流以产生二次磁场。

关于磁通压缩和电流放大原理在下述文献中作了更详细的说明：如威尔登等人的US4，200，831号专利，及在奥斯汀的得克萨斯大学（university of Texas at Austin）电机学中心和巴尔克恩斯研究中心（Balcones Research conter）的出版物PR-74，巴尔克恩斯研究中心的地址是：EME1.100，Building 133，Austin，Texas78 758-4497。这两篇文献作为参考已包括在本说明书中。后者是由斯潘等人发表的题为“德克萨斯大学强制器研究展望（Compulsator Research at The University of Texas-an Overview）”的论文，该论文发表在电磁发射技术论文集1988年4月12-14日第4期（the 4th Symposium on electromagnetic Lannch Technology，April 12-14，1988）。

图14所示的实施例包括带有线圈的转子，线圈是这样设置的，使单个线圈的一部分设置在转子径向相对的两侧。这里，第一线圈68有径向相对的68a部分和68b部分，这两部分由大体沿径向方向延伸的导线连接在一起。第二线圈70与第一线圈的结构相类似，并设置在和第一线圈相差90°的位置。在这种典型结构中，磁铁是这样布置的，使每个线圈的两个相对的扇形部分同时暴露在两个磁力线方向相反的磁场中。在另一种替换的实施例中（未示），径向相对布置的磁铁具有相同的极性，而径向相对的线圈部分作电并联，这样，转子的偏心将使线圈电流沿着一个方向流动。

在图15所示的结构中，单个线圈与单个磁场起反应，以在转子上形成定心力。在这种情况下，每个磁场F5是矩形的，每个线圈由两瓣组成，该两瓣部分沿相反方向分别偏置在规定轨道两侧，并以8字形状电连接在一起，外瓣72由元件72a、72b、72c和72d形成，内瓣74由元件74a、74b、74c和74d形成。如果线圈朝内部方向偏离规定的轨道，外瓣72暴露在磁场F₅中的部分将大于内瓣74暴露在磁场中的部分，而产生沿箭头76所示方向流动的电流。该电流产生对磁场F₅起作用的运动磁场，对线圈及其载体形成偏压，使它们朝着所希望的环形轨道运动。

调整磁轴承刚性的一个方案已结合图13描述过，其中对静止线圈52中的电流进行了调节。另一个调整轴承刚性的方法是，改变磁铁强度，这种改变最好由给每个磁铁提供电磁线圈来实现，当线圈激磁后，将会增大或抵消该磁铁的永久磁场。

图16和17示意地示出了一种径向轴承，在一种工作方式中，轴承80采用了辅助电磁线圈来控制其刚性。为了便于理解，图16省略了这些线圈。在该实施例中，位置调整用改变径向相邻的轴向相对的磁极的相对强度来实现。这样的一对磁极是磁铁95的S极和磁铁91的N极，该两极的磁力线在轴向方向上的方向相反，而来自N极的磁力线将指向纸的外面，并朝着图17的观察者，而进入S极的磁力线背离该观察者并指向纸的里面。

轴承80具有位于下部磁铁组件84和上部磁铁组件86之间的水平转子82。在图示实施例中，每个磁铁组件仅有8个磁铁，但也可用16个或更多的磁铁。

图17包括下部磁铁组件84向下看的示意图，图中虚线表示转子圆周88和转子82上8个线圈中的一个线圈90轴向投影的位置。每个磁铁组件有四个内磁铁91、92、93和94以及四个外磁铁95、96、97和98。从图16可以清楚地看出，每个磁铁有两个预磁化的磁铁件如97n和97s，该两磁铁件97n和97s粘接在背铁97b上。一个磁铁件97n有面对着转子82的N极表面，另一个磁铁件97s有面对着转子82的S极表面。如图17所示，每个磁铁是这样取向的，使其相反的极沿圆周相互间隔地布置，与图1所示，磁极的径向隔开的方式相反。图17所示磁铁应这样排列，使通过旋转轴线的径向线Ao与极性相反的两个径向隔开的极表面相交。每个内磁铁91-94有自其本身N极顺时针转过一个位置布置的S极;每个外磁铁95-98有自其S极顺时针转过的一个位置布置的N极。

如图17所示，电磁线圈如绝缘的导线100绕在相应的磁铁上。这些线圈由导线102连接到电源104上。每组线圈沿着一个方向缠绕，使得当线圈由沿其一条导线上的箭头所示方向流动的电流激磁时，其相应的磁铁的磁场强度将会增加。这样，为了提高轴承装置的刚性，电源应增强沿箭头方向流动的电流。相反，减少电流强度将降低轴承的刚性。负电压，即沿图中箭头所指的相反方向流动的电流，将进一步减少磁场强度，从而进一步降低轴承刚性。假定每组线圈有相同的匝数，那么，电流的均匀改变将会对刚性进行调整，而并不会引起旋转轴线位置的任何偏移。

除刚性调整外，或代替刚性调整，图17所示轴承装置还可通过操作来控制转子旋转轴线的位置，使其相对于磁铁组件的中心线A，产生偏心。这种位置调整可以依靠不均匀地改变每个磁铁组件中磁铁的磁场强度来实现。如，旋转轴线Ao向图17所示的偏心位置Ae的移动可以通过下述方法来实现：（1）减少磁铁95的磁场强度;（2）增加磁铁91的磁场强度;（3）减少磁铁93的磁场强度;（4）增加磁铁97的磁场强度;或（5）其中两个、三个或四个都进行调整。在每种情况下，都必然存在与两个径向隔开的磁极相连系的磁场强度的不均匀变化，两个径向隔开的磁极产生轴向反向的磁力线。

在另一种工作方式中，磁铁91-98线圈中的电流受来自静止就地设置的传感器106和108的自动控制信号的控制，该传感器面对转子82的周边88。当X轴传感器106检测到转子已经朝着该传感器方向偏移时，传感器就向电源发出一个信号。响应该信号，磁铁91、92、97和98的线圈中的电流将增加，而磁铁93、94、95和96的线圈中电流将减少。这将增强磁铁91、92、97和98的磁场，同时削弱磁铁93、94、95和96的磁场。这种变化趋于使转子82的轴线朝着规定位置Ao移动。当转子背离X轴传感器而偏移时，将会产生相反的作用，同样，会使转子朝着规定位置Ao移动。

响应于Y轴传感器108的控制亦有类似的作用，它们提供的信号用来补充被动的偏心转子在Y轴方向上的对中作用。当转子移动到距传感器108非常近的位置时，磁铁92、93、95和98的磁场将增强和/或磁铁91、94、96和97的磁场将削弱。当转子移动到距传感器108过远时，磁铁92、93、95和98的磁场削弱，而磁铁91、94、96和97的磁场将增加。

自动控制方式的特殊优点是，能够增强轴承的刚性，使其超过单独使用永久磁铁时的刚性。

电源104的控制板可以多种方式排列。在图示实施例中，有一四位形式的选择开关112，该开关可选择下述方式中的任一种：

方式Ⅰ：均匀调整磁场强度，用以控制刚性;

方式Ⅱ：非均匀调整磁场强度，用以控制轴线的位置;

方式Ⅲ：对单个磁铁的磁场强度进行控制，用以控制刚性和/或轴线位置;或

方式Ⅳ：自动增强轴线位置的控制（响应于传感器106和108）。

当选择方式Ⅰ时，可以使用信号按钮114进行操作，使所有磁铁91-98的线圈中的电流均匀改变。在方式Ⅱ中，操作者可以操作X轴按钮116和/或Y轴按钮118，改变电流和磁场强度，使旋转轴线偏移。在方式Ⅲ中，操作者可用按钮91′、92′、93′、94′、95′、96′、97′和98′进行操作，对一个接一个的磁铁的电流/磁场强度逐个进行调节，从而获得所希望的刚性和/或轴线位置的平衡。当选择方式Ⅳ时，带传感器106和108的增强型定位/刚性增强系统投入运行。当选择自动方式Ⅳ后，方式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的设定应保持在它们的调整后的位置。

本发明的另一个实施例，如图18和19所示，是一种带有可倾斜的旋转轴线的轴承系统。在图18中，正常的垂直旋转轴线用Av来表示，倾斜的旋转轴线用At来表示。在该实施例中，转子122是非磁性半球形体，它携带有闭合的导电线圈。这些线圈当中上面一组124成环列排列，下面一组126也成环列排列。每个线圈124位于与轴线Av成α角相交的平面中，α角取值范围为45°至90°。每个线圈126位于平行于Av轴线的平面中，这样，轴线Av和线圈126的平面之间的夹角β为零。β角可以在0°至45°范围内变化。为了增加飞轮的惯性距，在转子上安装有环形块128。

转子122由两套磁铁悬浮并定位。每套磁铁有4环列磁铁，用位于半球形转子腔内的两个并排的磁铁环列，和位于半球形转子腔外的两个并排的磁铁环列排列而成。每个磁铁具有N、S极，沿圆周方向彼此偏离。两个相邻环列中的磁铁是这样排列的，使转子上一个线圈的横向相对的两部分同时暴露在两个相反的磁场中。

转子122的轴向悬浮和径向定位由上面一套磁铁130、132、134和136完成，这些磁铁排列在各自的环列中;而下面一套包括由磁铁138、140、142和144构成的环列，这些磁铁对转子进行轴向定位。

所有线圈124和126距旋转轴线Av上的给定点146的距离相等，每个线圈基本垂直于一条从点146延伸到各自线圈的中心的直线，例如直线148和150。

从图18可以看出，转子轴线Av从其正常方位朝倾斜方位At的任何移动都会使线圈124和126偏移其规定的轨道。由于结合图1-10所描述的原理，这将会在上述线圈中产生感应电流，由于有永久磁铁磁场存在，将对线圈和转子施加一个恢复力，趋于使线圈朝它们规定轨道的方向移动，并趋于使转子向它的规定竖直方位Av移动。

在图18和19所示的实施例中，线圈暴露其中的磁场的强度是变化的。这种变化允许调整一对轴向间隔开的磁极的相对强度。这样一对磁极是磁铁138的N极和磁铁140相邻的S极。这些磁极产生的磁力线在径向上方向相反，因为从磁铁138N极出来的磁力线指向旋转轴线Av，通向磁铁140S极的磁力线指向朝着背离轴线Av的方向。

对永久磁铁138、140、142和144设置辅助的电磁线圈145，可以改变磁铁磁场强度，电磁线圈145连接到电源和与结合图17描述过的装置104相类似的控制装置147上。线圈145可以被激磁，以增强或削弱磁铁磁场。如果所有磁铁138和140的磁场强度得到均匀的改变，那么，轴承在轴向方向的刚性将会改变。磁铁138和140的一对轴向间隔开的磁极的磁场强度的任何非均匀地变化，都会改变线圈126规定轨道的位置，从而引起转子轴向偏移。

一种半活动轴向轴承如图20、21和22所示。如图16和17所示的实施例那样，该轴承是半活动的，是指存在使轴承按照被动方式运转的有恒定磁通量的磁铁，和存在改变线圈内部暴露其中的磁通量强度的装置。

在图20-22所示的实施例中，沿圆周设置的电磁铁166和168用于补充永久磁铁162和164的磁场。这些补充电磁铁是可控的，以便改变线圈暴露其中的磁通量的强度。电磁线圈缠绕在单独的铁芯上，而不直接缠绕在永久磁铁上，如图16和17所示的情况那样。

转子150包括毂152，凸缘154和筒体156，筒体156携带着导电线圈158。

定子包括永久磁铁和电磁铁，线圈暴露在所有这些磁铁产生的磁场中。每个永久磁铁162、164有一对轴向间隔的磁极，如图20所示。每个内磁铁162和与之配合的外磁铁164构成一对极性相反的磁极彼此面向排列的磁铁，这样形成两个磁场，这两个磁场的磁力线径向上方向相反。

图20-22所示的半活动轴承具有内、外电磁铁166和168，内、外电磁铁166和168具有缠绕在其径向舌部的矩形线圈，径向舌部由叠层钢片制成。内、外电磁铁166和168共有8个内舌部170和8个外舌部172。舌部170从整个内环171径向向外伸出，舌部172从整个外环173径向向内延伸。（为了简单起见，环171和173在图20中被省略）每个内电磁铁包括绕在舌部170的线圈174;每个外电磁铁包括绕在舌部172上的线圈176。

在图20、21和22所示的装置中，各电磁铁由一个电路单独控制，例如图17所示的那样。轴承刚性和/或转子的位置通过改变各电磁铁发出的磁场强度来调整，从而改变了线圈暴露其中的整个磁场磁通的大小，当所有磁铁166和/或所有磁铁168的磁场强度改变时，不管是均匀或非均匀地改变，轴承的刚性都将变化。当所有磁铁166和/或所有磁铁168的磁场强度均匀变化时，刚性将会改变，但线圈的规定轨道并未发生偏移。

可以理解，本发明可用不同的术语来描述。作为一种装置，其中的一个封闭线圈可相对的移出和移入磁场，沿着该线圈的有效磁通为零。线圈可相对环形运动轨道横向偏移到一个移动后的位置，在该位置穿过该线圈内部区域的有效磁通不等于零。这样，当线圈移进磁场时，在线圈中将感生电流，该电流的方向是这样的，由于有磁场存在，在磁铁装置和线圈之间产生横向运动，趋于使线圈恢复到规定的轨道。

作为一种方法，本发明包括下述步骤：提供相对运动，使一个自感、由导电材料制成的闭合自感线圈，沿预定的轨道相对多个磁铁装置的磁场运动，并顺序通过各磁场。当线圈处在其规定轨道上时，线圈内部受到来自每个磁铁装置磁场的等量磁通作用，这样，线圈内的有效磁通为零，线圈中没有电流产生。当线圈偏离规定的轨道时，线圈内部将受到来自每个磁铁装置磁场的不等量的磁通作用。这将在线圈中感生沿第一方向流动的电流，又由于有磁场存在，该电流便产生一个施加于线圈上的作用力，趋于使线圈朝着预定轨道的横向移动。

对于本专业熟悉的普通技术人员来说，可以理解，本发明的目的可以通过多种结构来实现，而不仅限于上述公开的最佳实施例。例如，线圈可以具有各种不同的形状。系统可以设置静止线圈，这些线圈与安装在运动物体上的磁铁相互作用。沿轨道P方向测量的部件长度可以有不同的比例。也可以是相邻磁铁间沿轨道方向没有间隔，在这种情况下，从一磁铁到另一磁铁极性以相反方向排列。考虑到这些和许多其它可能性，在此强调，本发明并不限于所公开的实施例，它包括落入权利要求精神和范围的许多其它结构。

Claims

1、一种磁力轴承系统，包括：

一个物体，包括多个由具有有限电感系数和有限导电系数的导电材料制成的闭合线圈；

磁铁装置，包括多个由磁性材料形成的磁极，每个磁极有一个磁极表面，从该磁极表面发出磁场；

所述物体和所述磁铁装置可绕一旋转轴线相对转动，使每个线圈沿一条闭合的预定的环形路径相对于所述磁铁装置的所述磁场运动，并通过所述磁场；

所述磁铁装置沿所述预定的环形路径设置，并排列成使所述磁极表面面对线圈的所述预定的环形路径，使沿着所述预定路径运动的线圈受磁通作用，该磁通在沿预定路径运行的不同位置处，是不同的；

所述磁极是这样定位的，(a)当所述线圈处在其预定的环形路径上时，每个所述线圈内部受磁通作用，

在所述线圈中产生相等和方向相反的电动势，这样，在线圈中无明显的电流流动，以及(b)当所述线圈偏离其预定的环形路径时，每个所述线圈内部受磁通作用，在线圈中产生大小不等和方向相反的电动势，这样，在线圈中，将产生明显的电流；该电流有第一方向，由于所述磁场的存在，该电流将产生一个施加在线圈上的作用力，趋于使线圈朝预定的环形路径移动。

2、根据权利要求1所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的磁铁装置设置在这样的位置，在所述线圈的预定环形路径上，仅形成一个磁场。

3、根据权利要求2所述的磁力轴承系统，其特征是，每个所述线圈有两个瓣，它们从预定路径沿相反方向对置排列，并以8字形关系电连接在一起。

4、根据权利要求1所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的磁铁装置产生第一和第二所述磁场，所述线圈的位置设置成得以同时暴露在第一和第二磁场中。

5、根据权利要求4所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一和第二磁场与所述旋转轴线的距离不同。

6、根据权利要求4或5所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一和第二磁场的磁力线方向相反。

7、根据权利要求4至6中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的第一和第二磁场沿圆周相互隔开，所述的每个线圈包括第一和第二瓣，它们在这样的位置沿圆周相互隔开，即使所述的瓣同时经过它们各自的所述磁场。

8、根据权利要求4至7中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的磁铁装置包括具有N极和S极的第一磁铁，其N极和S极面对所述的路径。

9、根据权利要求8所述的磁力轴承系统，其特征是，具有第二磁铁，它相对于第一磁铁而处在所述路径的另一侧，并且也面对所述路径，所述第二磁铁的N极面对第一磁铁的S极，所述第二磁铁的S极面对第一磁铁的N极。

10、根据权利要求8或9所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一磁铁本身的N极和S极，位于距所述旋转轴线不同的距离处。

11、根据权利要求8或9所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一磁铁的N极和S极位于相对所述旋转轴线不同的轴向位置。

12、根据权利要求4至11中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一和第二磁场位于预定的环形路径的同一圆周部分上，并且其位置是这样安排的，使所述线圈的横向相对的两个扇形部分同时暴露在所述第一和第二磁场中。

13、根据权利要求4至11中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述第一和第二磁场位于沿预定的环形路径的圆周不同的位置处，使所述线圈不同的扇形部分同时暴露在所述第一和第二磁场中。

14、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，磁铁装置是静止的，物体是运动的。

15、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，包括副磁铁装置，用以产生一个或更多的副磁场，所述线圈穿过该磁场而运动，所述副磁铁装置中的每个包括位于所述路径附近的静止导电副件，这样，由所述线圈中的电流产生的磁场将相对所述副件运动，从而在所述副件中产生电流，以产生一个副磁场。

16、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，L/R近似于D/2V，其中所述线圈具有电阻R，沿平行于所述路径方向测量的线圈长度D，自感系数L，和相对运动速度V。

17、根据权利要求1所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的线圈由多条相互平行和绝缘的导线形成。

18、根据权利要求17所述的磁力轴承系统，其特征是，至少一些所述的导线是扭在一起的。

19、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的线圈具有一前边和一后边，连接在一起形成所述线圈，并且所述线圈在规定路径上的相对运动包括下述相位：

（ⅰ）、第一相位，当线圈前边进入所述的磁场而后边还未进入所述的磁场，该第一相位开始，

（ⅱ）、第二相位，当至少一部分线圈内部处在磁场中时并且线圈的前、后边暴露其中的磁场强度相等时，该第二相位开始，该磁场强度在零至一个规定值范围之间，

（ⅲ）、第三相位，当线圈前边退出磁场而后边还处在磁场中时，该第三相位开始，

（ⅳ）第四相位，当线圈前、后边都退出磁场时，该相位开始;

所述的线圈有一自感系数，在线圈中产生沿第一方向流动的第一自感电流，同时线圈内部至少一部分处在磁场中，从而影响线圈的横向位置，而在线圈内部全部移出所述的磁场后，所述的自感系数还可在线圈中产生沿相反的第二方向流动的第二自感电流。

20、根据权利要求4至19中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述磁铁装置包括多个磁铁，每个磁铁产生两个磁力线方向相反的磁场，相邻磁铁沿所述路径是反向取向的，使得预定路径的每一侧，圆周相邻磁铁的磁场方向相反。

21、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，在所述线圈中设有铁芯。

22、根据上述任一权利要求所述的磁力轴承系统，其特征是，还包括用以改变所述线圈暴露其中的磁通强度的调整装置。

23、根据权利要求22所述的磁力轴承系统，其特征是，该调整装置包括辅助的磁铁装置，用以产生所述线圈暴露其中的磁场。

24、根据权利要求23所述的磁力轴承系统，其特征是，辅助磁铁装置是一组沿圆周排列的电磁铁。

25、根据权利要求24所述的磁力轴承系统，其特征是，电磁铁有径向面对面布置的磁极。

26、根据权利要求22至25中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述调整装置非均匀地改变线圈暴露其中的磁通强度，以改变轴承刚性。

27、根据权利要求22-26中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的调整装置非均匀地改变线圈暴露其中的磁通强度，从而改变预定路径的位置。

28、根据权利要求22-25中任一个所述的磁力轴承系统，其特征是，所述的调整装置均匀地改变线圈暴露其中的磁通强度，以改变轴承系统的刚性。