CN111884417A - 航空器或航海器动力系统中的磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明是以磁体的趋中效应原理开发的新方法和新装置，本磁悬浮轴承是一种广谱的新结构无接触轴承，包含有主动型、被动型、全磁悬浮型，在磁体结构上可分为永磁型和励磁型，在结构布置上可分为磁体沿轴向布置和磁体沿径向布置的不同形式，可用以取代多种传统机械轴承，尤其适合用以替代航行器中的推力轴承，将轴向力由刚性机械接触改变为无接触式弹性传递，从根本上消除了摩擦力和磨损，提高轴系的机械传动效率，更能降低航行器动力噪声。

Description

航空器或航海器动力系统中的磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于机械动力技术领域，具体地说，涉及航空器或航海器通用动力系统中的轴承装置及其安装方法。

背景技术

在航空器、航海器领域的各种航行器驱动推进器中，动力装置产生的转动能量，在将流体向后推动的过程中，航行器转轴会受到流体的反作用力，但是这个原始反作用推进力往往产生于推进轴上，必须通过推力轴承才可能将推进力传递到航行器本体，而成为航行器的真正推进动力。而在推进力传递过程中，由于转子轴处于转动状态，就会在推力轴承中产生摩擦力。这种摩擦力会带来多种不利影响，例如，摩擦力会造成能量损耗、降低机械传动效率；摩擦所产生的热能将恶化轴承的工作环境条件，增加散热的额外开销和难度；摩擦会造成机械磨损，降低轴承的工作寿命；摩擦会引起机械故障，增加维修保养成本；摩擦产生的振动和噪声，影响环境、降低航行器的隐蔽性，等等的缺陷，很难从根本上加以克服。

能否将航行器转轴上的推进力不经推力轴承，直接通过弹性方式转移到航行器本体，从而大幅消除甚至全部消除摩擦力和磨损，其意义非常巨大，但其难度也是不言而喻的。

发明内容

在研讨电机，特别是研究永磁电机的磁场结构时，发现了一种特别的磁场力，这种磁场力是由电机磁场的“趋中效应”所产生的。

所谓“趋中效应”是这样一种现象，在一段转轴上的两端设置滑动轴承，在这段轴上设置转子体，在转子体外围对应的位置设置定子体，定子体固定在机体上，定子体和转子体间没有任何机械接触，定子体和转子体上分别布置磁铁和导磁体。则不论转速是正转还是反转，也不论转速高低如何，磁铁和导磁体间都会产生稳定的磁性吸力，这个磁性吸力就能够利用于构成为定子体和转子体间力传递的媒介。如果使转轴在任何一个轴方向受到一定的轴向外力，则轴向外力都可能使转轴发生与外力方向相同的或多或少的轴向位移，但是移动后的转轴将产生一个针对所述轴向外力的磁性回复力，而且这个磁性回复力与所述轴向外力大小相同、方向相反。也就是说，在轴向可以自由移动的转轴能自动回返到其原始中心的平衡位置，且发现外力方向和大小与位移呈正相关，这种现象称为转轴的趋中效应，趋中效应是定子体和转子体间力传递的物理基础。

这一效应是首先在永磁电机中发现的，本发明的目的，就是利用磁场的趋中效应这一物理基础，来构筑一种与电机无关的新的轴承结构方法和装置，以取代传统的推力轴承，克服传统推力轴承的既有缺陷。

本发明的构成磁悬浮轴承装置和方法，目的是利用在一段转轴上设置的、类似于永磁电机的定子体和转子体的磁场结构，利用定子体和转子体间所产生的、使转轴自动回复到其原始中心平衡位置的趋中效应，可以将转轴上的受力从转轴无接触地传递到定子体，从而取代被替代推力轴承的力传递功能，消除原有传统轴承中的摩擦力及磨损，同时提高轴系的机械传动效率。

本发明的磁悬浮轴承装置，其特征为，装置由转子体(2)和定子体(3)两部分组成，转子体(2)设置在转轴(1)上，转轴能沿轴向自由移动；定子体则固定在机体上，定子体内无接触地包围着转子体；转子体和定子体相对应的表面分别布置有成双数的磁体和对应的导磁体，磁体的极性交替布置，即一种极性磁体的相邻磁体为另一极性；装置利用转子体和定子体间的轴向位移，将转轴上的轴向力无接触地转移到定子体上；转轴的两端分别设置滑动轴承，承担由转轴重力形成的径向力。

本发明的构成无接触磁悬浮轴承的方法，是利用在一段转轴上设置的、类似于永磁电机的定子体和转子体的磁路结构，利用定子体和转子体间所产生的、使转轴自动回复到其原始中心平衡位置的趋中效应，用以将转轴上的轴向力无接触地传递到定子体，从而取代推力轴承的力传递功能，消除推力轴承所带来的不可避免的摩擦力及磨损，同时提高轴系的机械传动效率。

目前在几乎所有航行器中，由旋桨对流体作用所产生的推力，均须由推力轴承将转轴上的力传递到航行器上，因此推力轴承中的摩擦力和磨损都是无可避免的。通过本发明的方法和装置，既替代取消了推力轴承，那么推力轴承产生摩擦力的根源也一并消失，与之相关的许多缺陷都将一一被消除，这将带来多方面的技术经济利益。

附图说明

图1、传统主动磁悬浮空气压缩机结构原理示意图

图2、传统被动磁悬浮垂直轴风力发电机结构示意图

图3、本发明的磁悬浮轴承基本结构图

图中标注的含义为：

1：转轴，

2：转子体，

3：定子体。

图4、本发明的磁悬浮轴承受推进力F作用下的原理示意图

图5、本发明的被动型磁悬浮轴承原理图

图中标注的含义为：

31：定子体轴向滑移系统，

311：定子体位移器，

312：定子座。

图6、本发明的全磁悬浮轴承原理图

图中标注的含义为：

10：与磁悬浮轴承相邻的普通轴承。

图7、本发明中不同磁场磁体布置的磁悬浮轴承结构图

图8、带定子齿槽的径向磁场磁悬浮轴承示意图

图中标注的含义为：

21：磁悬浮轴承定子体上的齿槽

图9、径向磁场结构磁悬浮轴承磁路中的磁力线流径图

图10、本发明的带减振减噪阻尼器的磁悬浮轴承系统图

图中标注的含义为：

32：转子上起阻尼作用的金属环

具体实施方式

机械系统中所称磁悬浮轴承，在本发明之前也时有提及，但那些磁悬浮轴承，往往与特定的功能装置相结合，是为这些特定功能的机电装置降低摩擦损耗而设，例如磁悬浮电机、磁悬浮空压机、磁悬浮油泵、磁悬浮空调压缩机等等。但是，本发明所提出的磁悬浮轴承，除了同样具有降摩作用外，还作为轴系力传递的媒介，作为大动力系统轴系中替代推力轴承的一项独立装置，适合于更多更广领域使用。

为更好地理解本发明的磁悬浮轴承与以往磁悬浮设施的区别，先介绍典型传统磁悬浮空压机主动磁悬浮结构，如下。

图1为传统主动磁悬浮空气压缩机结构原理示意图。磁悬浮电机除了受径向外力作用，需要在电机轴两端各配置一个由磁悬浮控制器控制的径向磁悬浮轴承外。转轴还会受到轴向外力作用，因此，在电机电枢上部的转轴上还有一组轴向磁悬浮轴承，轴向磁轴承轴承中含有上下两组电磁铁，同样由磁悬浮轴承控制器控制轴向电磁铁中的电流，同样需要传感器检测轴向位置，以保持磁轴承的空间定位。这样，电机转轴就将通过合适的磁力被控制在预定的相对空间位置，转子悬浮在空中，不再与定子相接触，就不需要其他机械轴承，不存在任何摩擦力，可见主动磁悬浮是靠外电源经控制器和电磁铁所产生的电磁力，保持转轴处于设定的、无接触的空间位置。很明显，主动磁悬浮还必须配置外电源，以提供足够大的控制电流，加上磁悬浮轴承控制器和众多传感器、电磁铁，其机组总耗费远高于原有电机本身的成本。所以，这就大大提高了磁悬浮空压机的成本、降低了性价比，使市场难以接受，故磁悬浮技术难以进入传统机电产品领域。

更先进的主动磁悬浮则将交流电机的电枢绕组视作电磁铁，在向绕组中输入交流驱动电流的同时，注入可变的磁悬浮控制电流使转轴悬浮在空中无接触转动，省略了额外的电磁铁，但传感器和专用的更先进的励磁控制器还是不能或缺的。

与主动磁悬浮结构相对应的另一大类结构为被动磁悬浮。

以图2的被动磁悬浮垂直轴风力发电机为例，被动磁悬浮靠磁铁间的同性斥力产生磁悬浮效果，而不需要一堆复杂的控制电磁铁，只需要一对同性相斥的磁铁即可产生所需的磁悬浮力，用来克服转子重力。因为只有同性相斥的斥力才能产生稳定的磁悬浮力。理论上，当转子在三维空间有三对磁铁即可产生全磁悬浮力而去除轴承，但实际上却做不到，所以只能提供一至二个维度的磁悬浮力，其余维度仍保留机械约束，所以只能降低某些有限维度上的摩擦力，故图示发电机为半磁悬浮结构。

图2的结构仅能克服向下的单向重力的影响，如果要克服双向轴向力的影响，必须在电机上部轴的位置再增加一对磁铁，或者至少在转轴下部磁铁的上部再增加一块磁铁。

根据以上分析，由于性价比等原因，目前已有的主动磁悬浮技术和被动磁悬浮技术都难以进入通用机械技术的轴承领域，特别是如果需要在航行器大功率动力系统中，以磁悬浮轴承替代推力轴承去除摩擦力，就不得不重新回到基本机械结构轴承中，重新寻找新的技术突破口。

图3为本发明的磁悬浮轴承基本结构图。

在一段自由转轴的两端各有一个滑动轴承支承，在转轴上有一段称为转子体的结构，结构上安装有平行于轴中心线的多条瓦形磁铁，在转子体外围，则无接触地放置一个铁质环的定子体，该结构类似于一台没有绕组、不需要通电的永磁电机，这一简简单单的结构就孕育了本发明的装置。

图4为本发明的磁悬浮轴承受推力F作用下的原理示意图。

图4中的结构特征为，转轴(1)的两端分别设置滑动轴承；转轴上有转子体(2)，转子体外壁包围着定子体(3)；转子体和定子体对应的表面分别布置有磁体和导磁体，磁体的极性交替设置，即一种极性磁体的两相邻磁体为另一极性；如果磁体安装在转子体外壁，则导磁体安装在定子体的内壁，反之亦然。由于定子通常由钢铁导磁体构成，有一定的导磁能力，但比较正规的导磁体通常是由电工钢冲片叠合成的一个个圆环，镶嵌在定子体内壁，定子体与转子体磁体间无机械接触。

当图4结构的转轴出现一个轴向推力F，如图左向右的箭头所示，则由于轴两端可以自由滑动，那么轴一定会向右偏移一定距离，引起转子体偏离其原始中心位置，定子体与转子体间的位移产生一个回复磁力，这时结构中的“趋中效应”起作用，定子体对转子体产生一个方向相反、大小相等的力，使转轴达到力平衡。根据反作用力的规律，定子体则受到转子体施加的向右的力F，也就是说，转轴上的力F被无接触地转移到定子体上。这就是本发明磁悬浮轴承的物理原理。

基于上述原理的磁悬浮轴承可以取代推力轴承达到无接触的力传递功能，从而可以消除传统推力轴承所带来的不可避免的摩擦力及磨损，同时提高轴系的机械传动效率。

以上阐述的装置和方法在本发明中称为主动型磁悬浮。

主动型磁悬浮推力轴承的前提条件是允许转轴在轴向自由移动，这就会影响到动力机的工作，为此需在转轴中增加活动联轴器或弹性联轴节。

为阐明磁悬浮轴承的作用，本文先从将要被取代的推力轴承谈起。

推力轴承是航行器动力装置与推进器间轴系中的重要组成部件，用于将推进器转动过程中所产生的推进力传递到航行器本体。

推力轴承有滚动式推方轴承和滑动式推力轴承两大类。

滚动式推力轴承的优点是摩擦损失小，重量轻，体积小等，但其安装困难。为了安装滚动轴承，轴的一端必须是可拆联轴节，因此整段法兰重量大、造价高。对于低转速、大推力负荷的滚动轴承，由于尺寸大，在制造工艺上很难保证精度，而对于剖分式的滚动轴承，在制造上难度更大。

滑动式推力轴承，具有承载能力大、结构简单、制造安装和维护方便、工作可靠等优点，其润滑是流体动力润滑，摩擦面间形成油膜又具有吸振性等。对于小型舰船一般采用滚动式推力轴承，而对于大、中型舰船目前均采用滑动式推力轴承。航空器中的推力轴承体积重量远小于舰船，但轴转速高，所以单位体积中的摩擦力更大。

作为传动系统中的重要环节，推力轴承是不可或缺的。正因为转轴上的力是通过推力轴承传递到航行器本体的，在轴转动的过程中，轴承中的摩擦力也是不可避免的。

由于摩擦力的存在，许多问题就此而产生。例如：

1、摩擦力使推力轴承在承受推进力从转轴转移到航行器的过程中，产生能量损耗，从而增加耗能、降低系统的能源传动效率；

2、摩擦力使推力轴承发热，因此必须增加推力轴承的散热功能和设备，避免轴承过热而损坏，同时增加了推力轴承的故障率和维护保养成本；

3、摩擦力使推力轴承产生磨损，直接缩短轴承的工作寿命；

4、不均衡的推进力使推力轴承产生振动和噪音，在造成环境污染的同时，降低了航行器的隐蔽性，这一点对军用航行器影响更甚。

那么，一个新的问题产生了，转轴的右移在将推进力传递到船体的同时，也将转轴的位移传递到船舶或飞机中，在某些场合可能是不允许的。为防止这一不利情况的产生，必须对上述磁悬浮轴承结构作更深入的创新扩展，这就产生了被动型磁悬浮轴承的新结构和方法。

图5即为本发明的被动型磁悬浮轴承原理图。

被动型磁悬浮轴承的基本原理，就是将主动型磁悬浮轴承中，转子体移动而定子体不动的模式改变为定子体移动而转子体不动的模式。

图5中，在磁悬浮轴承定子体与传递力最终落实体(船体或机体)之间增加了一个称为定子体轴向滑移系统(31)的轴向移动结构。

从图3中可以看出，如果在轴向外力作用下转轴就会产生轴向位移，这一轴向位移，实质上是产生磁悬浮力的原动力，如果没有这一轴向位移，也就不存在所述的磁悬浮力。

那么，从图3中可以得到启示，如果在外力F作用下，转子轴位置保持不变，而将定子体向反外力方向作同样的位移量S，其同样能产生一个平衡的轴向力，用以平衡外力F的作用。

在图5中，正是贯彻了这一思路，由轴上的磁悬浮轴承转子体移动变换为定子体移动。

下面是根据这一思路设计的具体实施方法和系统架构。

在传统的磁悬浮技术领域，采用电磁铁产生的磁性吸力，通过控制系统控制该磁力保持轴空间位置的磁悬浮结构称为主动磁悬浮，而利用磁铁的同性相斥，不需要控制器的磁悬浮结构称为被动磁悬浮。

而在本发明中，允许转轴在轴向自由移动后产生的磁悬浮力，自动平衡外力的结构称为主动磁悬浮，主动磁悬浮无需控制，是自发、主动产生的。而根据外力的方向和大小，通过控制器使定子体位移所产生的磁悬浮力，被动平衡外力的结构称为被动磁悬浮结构，而被动磁悬浮结构是依靠控制器驱动定子体轴向滑移系统(31)实现的。

下面阐述本发明的定子体轴向滑移系统的具体构造原理。

众所周知，转轴是刚体，因此轴受到轴向力后在轴体内会产生应力，所以通过测量转轴内轴向应力的大小和方向，就可以获知轴内轴向力的情况。首先在转轴上设置应力传感器，由应力传感器所测出的轴内应力信号输入轴向力控制器，经轴向力控制器处理判断轴向力的大小和方向，然后驱动可动定子体位移器(311)向某一轴向移动，以产生一个恰如其分的、平衡轴向力的磁悬浮力。从某种意义上说，被动型磁悬浮轴承的主体实际上就是一具定子体轴向滑移系统。

一种磁悬浮轴承系统的磁悬浮轴承装置，其特征为，装置结构为被动型，主要由定子体轴向滑移系统(31)构成，定子体轴向滑移系统中设置定子体位移器(311)，定子位移器则可在定子座(312)上沿轴向移动，定子体由导磁定子磁路构成；转子体表面有磁体，转轴(1)上还设置应力传感器；转轴受力后不再能移动，而代之以定子体的移动来获得磁悬浮力。

一种利用定子体轴向伸缩装置实现被动磁悬浮轴承的方法，转轴(1)固定设置，受力后不再能自由移动，而代之以定子体的移动替代转子体的移动，产生相应的磁悬浮力；所述方法的控制过程为，由轴应力传感器测量轴应变而感知轴应力的大小和方向，轴应力信号输入轴向力控制器，由轴向力控制器的输出驱动定子体位移器；定子体产生轴向位移，位移产生的磁悬浮力自动平衡轴向力，并使传感器输出信号为零；系统工作于负反馈模式。

传感器必须安装在转轴的适当位置，如果转轴受力源在磁悬浮轴承的左侧，那么传感器应该设置在磁悬浮轴承的右侧，反之亦然。

上述所介绍的本发明的主动型和被动型两种磁悬浮轴承都可以用于替代轴系中的推力轴承，原推力轴承中的摩擦力就不再存在。但是转轴本身的重力，即作为径向力，仍然存在于磁悬浮轴承相邻的其他轴承中，仍然会产生摩擦力。能否通过本发明已有的磁悬浮轴承去除或减轻相邻转轴的这一摩擦力，也是本发明所要解决的一个技术课题。

图6为本发明的全磁悬浮轴承原理图。

本发明的全磁悬浮轴承产生径向磁悬浮力的原理是，如果将磁悬浮轴承的定子体座做成能微量向下移动的结构，那么当定子体座向下移动一段距离，平行但偏离其中轴线时，使定子体上端与转子体的距离小于定子体下端与转子体的距离，那么，转轴上下所受磁力不平衡，上大下小，转轴将受到一个附加的向上的磁悬浮力M，这个力能将部分或全部转轴重力转移到本发明的定子体上，从而成为一种全磁悬浮轴承。有利于减轻转轴重力对与磁悬浮轴承相邻的两个普通轴承(10)中的压力，从而降低这些普通轴承中的摩擦力与摩擦损耗。如果磁悬浮力M足够大，则可考虑省略转轴两端的普通轴承(10)。

全磁悬浮轴承的特征为，装置结构为全磁悬浮型，定子体座做成能微量向下移动的结构，并使定子体座向下移动一段距离，使定子体上端与转子体的距离小于定子体下端与转子体的距离，致使转轴在产生轴向磁悬浮力的同时获得一个附加的向上的径向磁悬浮力M，以克服转轴重力的影响。

全磁悬浮轴承结构适合于本发明的主动磁悬浮或被动磁悬浮。

为方便制造本发明的全磁悬浮轴承，磁悬浮轴承的定子也可以设计成椭圆形、蛋形、倒U形(马蹄形)等其他形状，设计安装时磁悬浮轴承转轴的转子体接近定子体的上端，即使定子体的底座不作上下可调的结构，也可生成一个固定的向上磁悬浮力，减轻相邻固定轴承中的重力负担和摩擦力。

按图3至图6所设计的多款磁悬浮轴承同时运作，既可以在获得所需轴向推进力的前提下缩短轴位移的距离，或者定子体移动的距离，又可以使更多的固定轴承中的摩擦力有所降低。、

在本发明的磁悬浮轴承中，永磁体可以安装在定子体上，也可以安装在转子体上，但由于转子在转动过程中存在离心力，所以比安装在定子体上相应需要更大的固定力。但是，通常分析，磁体与所附着面的距离总是比隔着空间与导磁体的距离近得多，所以其磁力也大，所以附着力仍是有保证的。

以上介绍的多种永磁型磁悬浮轴承方案，磁悬浮轴承中需要大量磁性材料，都必须采用永磁铁，其中的钕铁硼超级磁铁的成本比较高。为此，在合适的场合，可用电磁铁代替永磁材料，这就是本发明所要提出的励磁型磁悬浮轴承。

励磁形磁悬浮轴承设计的一个原则是尽量将电磁铁布置在定子体或转子体中固定不动的一侧，那么首选方案是将电磁铁布置在定子体端。

如果采用定子体轴向滑移系统的结构方案，则电磁铁布置在定子体端还是转子体端需要根据实际情况选择在技术上比较合适、经济的方案，因为励磁电流要传输到采用平行移动定子体，还是采用滑环电刷将电流传输到转动的转子体，需要根据实际情况来决定方案的优劣和可行性。

除经济性优秀外，励磁型磁悬浮轴承的另一些优点也是不容忽视的，例如，控制励磁电流就能控制磁悬浮力，或者反向思维也相当于控制轴向移动，这就多了一条控制路径，此外，励磁型磁悬浮轴承的维修更换也比永磁型磁悬浮轴承方便简单得多。

本发明磁悬浮轴承装置结构可由永磁型改变为励磁型，其特征为，在定子体或转子体之一设置励磁绕组，与对应的另一个体之上的导磁体，二者构成本磁悬浮轴承装置的基础结构；励磁电流则由滑环电刷或软连线输送到转子体或定子体。

图7为本发明中采用不同磁场布置的磁悬浮轴承。永磁体可以沿轴向布置，也可以沿径向布置。

在本发明的磁悬浮轴承中，磁场布置可有不同的形式，主要区别的两种磁场布置形式分为轴向布置和径向布置。

所谓轴向布置就是磁条平行于轴线，并在轴向延伸，这一布置结构与传统的电机磁场布置相仿，磁力线沿径向进入定子后在定子磁轭的圆周方向流动，见图7a)。另一种布置是径向布置，所谓径向布置就是同一环状磁条垂直于轴线布置，同一磁体可以拼接成一个圆环布置在转子的圆周向，磁力线沿径向进入定子后在定子磁轭的平行于转轴轴线的方向流动，这一布置结构与传统的电机磁场相垂直，见图7b)。

图8为带定子齿槽的径向磁场磁悬浮轴承示意图。

在图7a)及其以前的图中，定子体内表面是一个光滑的圆筒体。而在电机定子磁轭上总有一个个隆起的齿槽(21)，以便在槽内镶嵌绕组。众所周知，电机齿槽必然会产生齿槽效应而阻碍转子的旋转。因此，在本发明前面介绍的定子体，都是一个光滑的圆筒体，不采用类似于电机的齿槽结构。

但是如果在图7b)的径向布置磁场结构中，在定子体内壁增加垂直于转轴轴线的一个个环形齿槽，会产生怎样的运行效果呢？

经分析，图7b)这样的环形齿槽非但不会阻碍转轴的旋转，反而可以利用这些齿槽的“齿槽效应”增加磁悬浮力。其原理与齿槽效应使永磁电机的起动力矩增加的原理是类似的，在电机中，因为磁极与齿相互吸引，必须有非常大的力才能使转轴转动。可是，在本发明的径向布置磁场结构中，新的齿槽效应对轴向移动产生很大的抗拒力，但这样布置的齿槽并不会阻碍转轴的转动。相反，从另一角度看，径向布置带齿槽的磁悬浮轴承结构意味着转轴轴向一个小小的位移，就可以传递一个很大的轴向力，或者说，不需要太大的轴向位移，就可以得到一个相当大的磁悬浮力。这势必将对本发明磁悬浮轴承的设计应用带来很多方便。

本发明的带环形齿槽的磁悬浮轴承，其特征为，磁体采用成对的、沿径向布置的形式，且定子导磁体上有与转子磁体相对应的环形齿槽，齿槽垂直于转轴，形成类似于电机的齿槽结构，该齿槽结构对轴转动无影响，但对轴向移动阻力特别大。利用磁场的齿槽效应可有效增强磁悬浮效果。

例如，图8中采用4个磁环，即4极结构。实际上，磁环数降到2个，即2极结构，其磁悬浮力也许就可以超过图5的8极结构。

图9为径向磁场结构磁悬浮轴承磁路中的磁力线流径图。

在径向磁场结构磁悬浮轴承中，从转子体磁极N中发出的磁力线经过转子体与定子体间的气隙和定子体上的齿进入定子，然后从相邻的定子齿和气隙回到转子上的异性磁极S，磁力线也可能进入转轴。在工程上，转轴通常由锻钢制成，锻钢既是导磁体又是导电体。当磁悬浮轴承工作时，螺旋桨和动力装置间轴向力的波动会随时影响到转子磁极与定子齿之间的轴向位置，轴向位移造成磁力线的波动，波动的磁力线产生一定的感应电动势便在转轴中产生感应电流。根据法拉第定律，这个感应电流具有抑制轴系中的轴向位移、轴向力变化的作用，也就是说对轴向力所引起的振动具有阻尼效果，并能降低因振动而产生的噪声，这一点对舰船的隐身特别有利。

图10为带减振减噪阻尼器的磁悬浮轴承系统图。

由于锻钢虽然是导磁体又是导电体，但更确切地说，锻钢既不是良导磁体又不是良导电体。在工程上良导磁体为电工钢，而良导电体工程上通常采用金属铜或金属铝。

为了很好地发挥径向磁悬浮轴承结构防止轴系传导振动的阻尼作用，可以在图10转子磁体与转轴间衬以导磁性良好的电工钢，然后在电工钢上嵌套铜环或铝环。图10中的(32)即为这种起阻尼作用的金属环。这些金属环尤如感应电机中的鼠笼圈一样，每当磁悬浮轴承中轴向力有什么变化引起定转子体位置的波动时，流过磁体的磁力线也发生相应变化，这种变化就会在阻尼绕组中产生感应电流以抑制定转子位置的振动，产生波动的能量被消耗在轴承中，振动和噪声就被消减了。

本发明的带阻尼金属环的磁悬浮轴承装置，其特征为，转子体上的若干环形磁体采用沿径向布置的形式，转子体磁轭上套有金属阻尼环；定子体导磁体上有环形齿槽；金属阻尼环也可以从转子体改由设置在定子体上；装置可以减缓或消除转轴的机械振动，降低轴系产生或传导的噪声。

为了降低轴系传导振动和噪声，轴动力采用弹性传动代替刚性接触传动是舰船技术发展的方向。本发明的带阻尼金属环的径向磁悬浮轴承结构本身属于无接触弹性传动机制，对克服舰船振动和噪声，具有一定的技术优势。

采用本发明的各种不同型式和结构的磁悬浮轴承，将带来如下所列的、不可估量的技术进步和经济利益：

1、从大的方面说，许多航海舰船和航空飞行器，其机体驱动力大多依靠(螺旋桨)旋翼转轴而产生，将流体往后推送，流体作用在转轴上的反作用力，这个力必须通过推力轴承传递到航行器本体，才能成为航行器的真正推进力。由于转轴本身处于转动状态，所以推力轴承在传递推进力的过程中，不可避免的摩擦力会产生能量损耗。采用本发明的磁悬浮轴承替代传统的推力轴承后，力传递过程是借助于无机械接触的磁悬浮力，就从根本上消除了摩擦力和摩擦损耗产生的根源，从而降低航行器耗能、提高系统的能源效率。

2、从设备成本方面分析比较，本发明的主动式磁悬浮仅增加一组磁体就可以构成一个磁悬浮轴承，特别是带齿槽导磁体的径向磁场布置的磁悬浮轴承，其成本比昂贵的推力轴承低得多，另外，采用励磁型的磁体，设备成本更低。采用本发明的被动型磁悬浮轴承，成本可能与推力轴承本体相当，但被动型虽然成本比较高，但其中的测力装置还可兼用，作为诊断轴系工作状况和动力系统故障的预测记录器，这一新增功能的技术、经济利益更难能可贵。

3、为尽量降低传统推力轴承中的摩擦力影响，必须采用先进的润滑剂和润滑措施，投入必要的维保人力物力，此外，为了散发掉轴承中因摩擦产生的热量，传统推力轴承还必须添加散热设备，增加了航行器设备的成本。采用本发明的磁悬浮轴承替代传统的推力轴承后，应该只有很小的额外维保人力物力消耗，无需散热设备，有利于降低航行器建造成本和运维成本。

4、摩擦力使推力轴承产生磨损，直接缩短轴承的工作寿命。采用本发明的磁悬浮轴承替代传统的推力轴承后，没有了机械接触，也就不存在磨损，轴承的工作寿命大大延长。

5、不均衡的推进力极易使推力轴承传递振动和噪音，在造成环境污染的同时，减少了航行器的隐蔽性。采用本发明的磁悬浮轴承替代传统的推力轴承后，轴系以无接触的弹性力传递代替了刚性接触的力传递，加上合适的阻尼器，航行器的振动和噪音被遏制消减，这一点对军用航行器的隐蔽性非常有利。

综上所述，本发明的磁悬浮轴承，在结构大类上包含有主动型、被动型、全磁悬浮型。在磁体结构上可分为永磁型和励磁型。在设计安装上可以将磁体安装在转子体上、导磁体安装在定子体上，也可以将磁体安装在定子体上、导磁体安装在转子体上。在磁场布置上可分为磁体沿轴向布置和磁体沿径向布置的不同形式，这其中通过排列组合可形成不同种类的多个同属技术产品，所有这些装置和方法，可以用于航行器，也可以用在任何其他的机械设备场合，这些航行器和机械装置动力系统的磁悬浮轴承，都在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.磁悬浮推力轴承装置，其特征为，装置由转子体(2)和定子体(3)两部分组成，转子体(2)设置在转轴(1)上，转轴能沿轴向自由移动；定子体则固定在机体上，定子体内无接触地包围着转子体；转子体和定子体相对应的表面分别布置有成双数的磁体和对应的导磁体，磁体的极性交替布置，即一种极性磁体的相邻磁体为另一极性；装置利用转子体和定子体间的轴向位移，将转轴上的轴向力无接触地转移到定子体上；转轴的两端分别设置滑动轴承，承担由转轴重力形成的径向力。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，装置结构为主动型，转轴(1)受轴向力后可以向轴的两个方向自由移动，转轴移动引起转子体和定子体间的位移，轴系配置活动联轴器或弹性联轴节；在转子体和定子体间主动产生的磁悬浮力，将转轴上的受力无接触转移到定子体。

3.一种构成无接触磁悬浮推力轴承的方法，其特征为，利用在一段转轴上设置的定子体和转子体结构，利用定子体和转子体间所产生的位移、使转轴自动回复到其原始中心平衡位置的趋中效应，用以将转轴上的轴向力无接触地传递到定子体，从而取代推力轴承的力传递功能，消除推力轴承所带来的不可避免的摩擦力及磨损，同时提高轴系的机械传动效率。

4.根据权利要求3所述的构成磁悬浮推力轴承的方法，其特征为，转轴(1)固定设置，受力后不再能自由移动，而相反地，以定子体的移动代替转子体的移动而产生相应的磁悬浮力；所述方法的控制过程为，由轴应力传感器测量轴应变而感知轴应力的大小和方向，轴应力信号输入轴向力控制器，由轴向力控制器的输出驱动定子体位移器；定子体产生轴向位移，位移产生的磁悬浮力自动平衡轴向力，并使传感器输出信号为零；系统工作于负反馈模式。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，装置结构为被动型，主要由定子体轴向滑移系统(31)构成，定子体轴向滑移系统中设置定子体位移器(311)，定子位移器则可在定子座(312)上沿轴向移动，定子体由导磁定子磁路构成；转子体表面有磁体，转轴(1)上还设置应力传感器；转轴受力后不再能移动，而代之以定子体的移动。

6.根据权利要求1、权利要求2或权利要求5所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，装置结构为全磁悬浮型，定子体座做成能微量向下移动的结构，并使定子体座向下移动一段距离，使定子体上端与转子体的距离小于定子体下端与转子体的距离，致使转轴在产生轴向磁悬浮力的同时获得一个附加的向上的径向磁悬浮力M，以克服转轴重力的影响；全磁悬浮轴承结构适合于本发明的主动磁悬浮或被动磁悬浮；磁悬浮轴承的定子设计成圆形、椭圆形、蛋形、倒U形或马蹄形的形状。

7.根据权利要求1、权利要求2或权利要求5所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，装置结构为励磁型，在定子体或转子体之一设置励磁绕组，与对应的另一个体之上的导磁体，二者构成本发明磁悬浮装置的基础结构；励磁电流则由滑环电刷或软连线输送到转子体或定子体。

8.根据权利要求1、权利要求2或权利要求5所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，定子体或转子体之一设置磁体，对应的体之二上有导磁体；磁体采用沿轴向布置或者沿径向布置的磁场结构。

9.根据权利要求1、权利要求2或权利要求5所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，磁体采用成对的、沿径向布置的形式，且定子导磁体上有与转子磁体相对应的环形齿槽，齿槽垂直于转轴，形成类似于电机的齿槽结构，所述齿槽结构对轴转动无影响，但利用磁场的齿槽效应可获得更强的磁悬浮力。

10.根据权利要求9所述的磁悬浮推力轴承装置，其特征为，转子体上的若干环形磁体采用沿径向布置的形式，转子体磁轭上套有金属阻尼环；定子体导磁体上有对应的环形齿槽；金属阻尼环也可以从转子体改由设置在定子体上；装置可以减缓或消除转轴的机械振动，降低轴系产生或传导的噪声。

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