CN112833102A - 一种磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承，包括有内环和外环，所述外环呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的端盖组合成；所述内环上设有凸极，凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环凹槽两侧设有第一永磁体，第一永磁体的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极上设有第二永磁体，所述第二永磁体的磁极面与第一永磁体的磁极面平行相对，与第一永磁体之间产生斜向的磁斥力。本发明根据流体在U型管中静压平衡的原理提供了一种具有低摩擦系数且适合高转速的密封磁悬浮轴承。

Description

一种磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于机械工程轴承领域，尤其涉及一种具有低摩擦系数且适合高转速的密封磁悬浮轴承。

技术背景

为了提高旋转活动部件之间的能量传递效率，降低摩擦损耗，减低活动部件的摩擦系数一直是工程机械研究的重点，且在有些工作环境中，又需要在活动部件之间进行密封处理，旋转部件之间如何在保证密封性的同时又具有极低的摩擦系数的问题急需突破。

磁力轴承具有低级的摩擦系数而被广泛应用在高端产品中，但是磁力轴承的密封性不足，而与磁体有密切关系的磁流体作为一种特殊的功能材料，在机械密封当中发挥着巨大的作用，其原理是利用磁场来约束磁流体，使其充满密封空间形成“液体O型密封圈”，而合适的载液又能良好地浸润密封面，达到非常好的密封效果，且当载液的饱和蒸汽压足够低时，即使在高真空环境下也很难挥发，以至于可以应用于真空密封，如何结合磁力轴承与磁流体密封成为当下研究的问题，且现有磁流体动密封结构包括静止磁极及旋转磁极，磁流体受到两磁极的轴向磁拉力被约束在静止磁极与旋转磁极形成的磁路间隙当中，形成密封，在运转过程中，磁流体因为旋转而在旋转面上产生径向朝外的离心力，运转过程中的磁流体会因为离心力的作用挣脱磁力的束缚的影响而发生凹陷，导致磁流体“O型密封圈”的有效密封厚度明显减小，密封性能变差，当处在高速运转过程中，甚至会导致密封失效，如何克服磁流体密封高速失效的问题也亟需解决。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合了流体在U型管中静压平衡的原理，并利用流体旋转产生的离心力，提供了一种具有低摩擦系数且适合高转速的密封磁悬浮轴承。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种磁悬浮轴承，包括有内环和外环，所述外环呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的端盖组合成；所述内环上设有凸极，凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环凹槽两侧设有第一永磁体，第一永磁体的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极上设有第二永磁体，所述第二永磁体的磁极面与第一永磁体的磁极面平行相对，与第一永磁体之间产生斜向的磁斥力；其有益效果在于：第一永磁体与第二永磁体利用磁体的性质，在斜方向上形成对称的磁斥力，使得外环在径向和轴向上同时对内环产生力的作用，平衡内环的重力或旋转力矩，将内环悬浮在凹槽中，形成非接触型轴承，具有低摩擦系数；外套及固定在外套两侧的端盖可采用导磁材料制作，用以形成磁通道，减小磁漏，增强间隙中的磁场强度，优化磁场分布。

优选地，所述间隙底部的外环或内环两侧设有第三永磁体；底部两侧的间隙中均填充有磁流体，所述磁流体在第三永磁体磁极的作用，各自形成磁流体密封带；在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体；过渡流体与磁流体共同组合成一个“V”型液态密封带；其有益效果在于：所述外环及内环的结构形式共同营造了一个截面呈“U”型的间隙，磁流体被填充在两侧的间隙中；第三永磁体侧边的磁极近距离地对磁流体提供一个磁场，而磁极作为永磁体中磁力最强的部位，使得磁流体被聚集在磁极周围，在两侧的间隙中各自形成磁流体密封带，在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体，一般磁流体的密度在1.2×10³Kg/m³～1.35×10³Kg/m³之间,过渡流体可选择饱和盐水、甘油等难容于磁流体的液体；过渡流体与磁流体在凹槽底部共同组合成一个“V”型的、连续的液态密封带；静密封状态下，两侧的磁流体密封带在起到密封作用的同时又将过渡流体封存在磁流体密封带之间，共同组成液态密封带，实现流体在U型管中的静压平衡，当液态密封带两端存在压力差的情况下，磁流体与过渡流体组成的液态密封带会整体偏移达到新的平衡，密封面不会被破坏，密封效果不受影响；动密封状态下，当处于旋转状态下的外环或内环带动磁流体和过渡流体旋转时，会使磁流体和过渡流体同时产生离心力，由于过渡流体的密度不小于磁流体，因此，过渡流体始终处于磁流体的底部，再根据流体在U型管中静压平衡的原理，密封两端压差为零时，两端液面高度差为零，当压差不为零时，磁流体与过渡流体组成的液态密封带在间隙中会整体发生偏移使两端形成液面高度差，以此平衡压差，转速越高，离心力越大，极小的液面高度差就能抵抗极强地外部压差，既能保证极好的动密封效果，还不用担心高速状态下，磁流体因离心力的影响而导致密封厚度拉伸变薄被击穿而导致密封失效的问题，特别是转速越高时，离心力越大，抵抗外部压差的能力越强，适合外界压差随转速增加而增大的工况，自我调节能力强；根据压力、压强及面积之间的物理关系，为进一步增加磁流体在磁力影响下抵御外部压差的能力，“U”型间隙处的流通面积越到底部越小。

优选地，所述外环或内环上设有绕线圈的励磁体；其有益效果在于：所述励磁体固定在静止部件上，绕有线圈的励磁体通电后产生磁场，通过改变电流的大小就可控制励磁体产生磁场的强度变化，使得密封强度实现可控，适合有特殊要求的工作场合。

优选地，所述外环与内环之间设有限位部；其有益效果在于：锁定外环与内环之间的位置关系，防止外环与内环发生相对位移，保证密封效果；所述限位部优选为滚动体，如滚珠、滚针等，滚动体由保持架定位，与轴承的结构原理相同。

进一步地，所述永磁体呈环状结构，采用轴向充磁；其有益效果在于：轴向充磁的永磁体环的磁极位于永磁体的两侧，众所周知，磁极是磁体中磁力最强的部位，磁感线分布最为密集；对于大直径的环状永磁体加工并不是很容易，可采用组合的方式降低加工难度。

优选地，所述外套上开设有至少一个注入口；其有益效果在于：可方便在间隙中填充磁流体及过渡流体，填充完成后，注入口进行密封处理。

优选地，所述永磁体侧边设有极靴；其有益效果在于：极靴可获得更好的磁场线性分布，可在间隙中建立多级磁流体密封带，从而达到密封效果，每级磁流体密封带一般可承受一定的压差，总承压为各级压差之和，总体耐压随着磁流体密封带的级数增加而增加。

优选地，所述间隙中设有用于增大与磁流体接触面积的载液条；其有益效果在于：所述载液条固定在旋转的外环或内环上，作为外环或内环的延申部，所述载液条间接地增大了外环或内环与磁流体及过渡流体的表面接触面积，增强了外环或内环带动磁流体及过渡流体一起旋转的能力，使得磁流体及过渡流体获得更多的能量旋转，产生更大的离心力；所述载液条可由呈海绵结构的材料制作而成，如高密海绵，主要特征为柔性、多孔，流体可以自由穿梭在其孔隙中而不影响自身的流动性，进而不影响流体的密封效果，更加重要的是其海绵结构纵横交错，大大增大了旋转部件带动磁流体旋转的能力；在一般情况下，若为节约成本，所述载液条可用絮状纤维或者羽绒代替。

优选地，所述第三永磁体与第一永磁体或第二永磁体为一体化设计；其有益效果在于：减少零部件的个数，便于安装，降低制作成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、根据磁体的性质，利用斜向对称的磁斥力，将内环悬浮在凹槽中，形成了非接触型的轴承，具有极低的摩擦系数；2、利用流体在U型管中静压平衡的原理，促使磁流体与过渡流体组合形成“U”型液态密封带，该液态密封带既保证了磁流体低摩擦副的特性，还消除了磁流体因离心力的作用而导致密封失效的风险；3、将离心力从有害面转变为有利面，转速越高，离心力越大，密封效果越强，特别适合在水下推进器中应用，自调节性强；4、涉及的零部件结构简单，制作成本底；5、兼具磁流体密封无磨损、寿命长、功耗低。

附图说明

图1为实施例一中所述磁悬浮轴承的示意图；

图2为实施例二中所述磁悬浮轴承的示意图；

图3为实施例三中所述磁悬浮轴承的示意图；

图4为实施例四中所述磁悬浮轴承的示意图；

图中：1、外环；1-1、外套；1-2、左端盖；1-3、右端盖；1-4、注入口；2、内环；2-1、凸极；2-2、内套；3、第一永磁体；4、第二永磁体；5、第三永磁体；6、磁流体；7、过渡流体；8、隔板；9、极靴；10、限位部；11、励磁体；11-1、线圈；12、载液条。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种磁悬浮轴承，包括有外环1和内环2，所述外环1呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套1-1、左端盖1-2、右端盖1-3组合而成，左端盖1-2及右端盖1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2由内套2-2组合而成，可用螺栓紧固，内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环1凹槽两侧设有第一永磁体3，第一永磁体3的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极2-1上设有第二永磁体4，所述第二永磁体4的磁极面与第一永磁体3的磁极面平行相对，与第一永磁体3之间产生斜向的磁斥力；所述间隙底部的外环1两侧设有第三永磁体5；由注入口1-4向底部两侧的间隙中均填充有磁流体6，两侧的磁流体6在第三永磁体5的作用下各自形成磁流体密封带；由注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体7后，注入口1-4做密封处理；过渡流体7与磁流体6共同组合成一个“V”型液态密封带；第一永磁体3与第三永磁体5之间设有隔板8，拉大两者之间的距离，降低相互之间的磁影响。

根据流体在U型管中静压平衡的原理，磁流体与过渡流体组成的液态密封带处在静密封状态时，液态密封带磁极的作用下保持平衡；若磁流体6两端无压差，两端液面高度差基本h3为零，若一端压力变大，液态密封带将会整体向压力低的一侧偏移，直至达到新的平衡状态，此时会形成液面高度差h3,处于此高度差带中的磁流体6在h1段磁力及h2段磁力的共同作用下平衡外界压差；液态密封带在动密封状态时，旋转状态下的液态密封带不仅会受到了磁力作用，还会受到离心力的作用，两者相互叠加，共同提供力场实现流体在U型管中的静压平衡，若一端压力变大，液态密封带将会整体向压力低的一侧偏移，直至达到新的平衡状态，此时会形成液面高度差h3，处于此高度差带中的磁流体4不仅受到h1段磁力及h2段磁力的作用，还会受到h3段离心力的作用，若过渡流体7的密度大于磁流体6，亦会受到h4段的离心力的作用，多重作用力的叠加以外界平衡压差，转速越高，离心力越大，动密封效果越好，不用担心磁流体6厚度变薄被击穿而导致密封失效地问题。

需要说明的是，为增强旋转部件带动磁流体6及过渡流体7的能力，在旋转部件上可设载液条12，如外环1固定在静止部件上，内环2固定在旋转部件上，凸极2-1置于凹槽的部位可设有载液条12，以增强动密封能力。

实施例二

如图2所示，一种磁悬浮轴承，包括有外环1和内环，所述外环1呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套1-1、左端盖1-2、右端盖1-3组合而成，左端盖1-2及右端盖1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环1凹槽两侧设有第一永磁体3，第一永磁体3的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极2-1上设有第二永磁体4，所述第二永磁体4的磁极面与第一永磁体3的磁极面平行相对，与第一永磁体3之间产生斜向的磁斥力；所述间隙底部的外环1两侧设有第三永磁体5，第三永磁体5的内侧面设有极靴9；底部两侧的间隙中均填充有磁流体6，两侧的磁流体6在第三永磁体5的作用下各自形成磁流体密封带；由注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体7后，注入口1-4做密封处理；过渡流体7与磁流体6共同组合成一个“V”型液态密封带；第一永磁体3与第三永磁体5之间设有隔板8，拉大两者之间的距离，降低相互之间的磁影响。

极靴9能获得更好的磁场线性分布，可在间隙中建立多级磁流体密封带，每级磁流体密封带均可承受一定的压差，而总承压为各级压差之和，总体耐压随着磁流体密封带的级数增加而增加，进而增强静密封能力。

为稳定外环1与内环2之间的位置关系，防止外环1与内环2发生相对位移，保证密封效果，所述外环1与内环2之间设有限位部10，所述限位部10为滚珠，滚珠由保持架定位，与轴承的结构原理相同。

实施例三

如图3所示，一种磁悬浮轴承，包括有外环1和内环，所述外环1呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套1-1、左端盖1-2、右端盖1-3组合而成，左端盖1-2及右端盖1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环1凹槽两侧设有第一永磁体3，第一永磁体3的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极2-1上设有第二永磁体4，所述第二永磁体4的磁极面与第一永磁体3的磁极面平行相对，与第一永磁体3之间产生斜向的磁斥力；所述间隙底部的外环1两侧设有第三永磁体5；底部两侧的间隙中均填充有磁流体6，两侧的磁流体6在第三永磁体5的作用下各自形成磁流体密封带；由注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体7后，注入口1-4做密封处理；过渡流体7与磁流体6共同组合成一个“V”型液态密封带；第一永磁体3与第三永磁体5之间设有隔板8，拉大两者之间的距离，降低相互之间的磁影响；为使得密封强度实现可控，若外环1固定在静止部件上，内环2固定在旋转部件上，则外环1上安装有绕有线圈9-1的励磁体9；所述励磁体9呈环状结构，固定在外环1上，与左端盖1-2、右端盖1-3及凸极2-1组成磁通道，绕有线圈的励磁体通电后产生磁场，通过改变电流的大小就可控制励磁体产生磁场的强度，适合有特殊要求的工作场合，若内环2固定在静止部件上，外环1固定在旋转部件上，也可采用相似的方法。

实施例四

如图4所示，一种磁悬浮轴承，包括有外环1和内环，所述外环1呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套1-1、左端盖1-2、右端盖1-3组合而成，左端盖1-2及右端盖1-3可用螺栓紧固在外套1-1的两侧，外套1-1上设有注入口1-4；所述内环2上设有凸极2-1，凸极2-1顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环1凹槽两侧设有第一永磁体3，第一永磁体3的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极2-1上设有第二永磁体4，所述第二永磁体4的磁极面与第一永磁体3的磁极面平行相对，与第一永磁体3之间产生斜向的磁斥力；底部两侧的间隙中均填充有磁流体6，两侧的磁流体6在第一永磁体3的作用下各自形成磁流体密封带；由注入口1-4向被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体7后，注入口1-4做密封处理；过渡流体7与磁流体6共同组合成一个“V”型液态密封带；第一永磁体3与上述实施例中的第三永磁体5一体化设计。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种磁悬浮轴承，其特征在于：包括有内环和外环，所述外环呈环状结构，内侧设有“V”型凹槽，由外套及固定在外套两侧的端盖组合成；所述内环上设有凸极，凸极顶部置于凹槽内，与凹槽之间形成“V”型间隙；所述外环凹槽两侧设有第一永磁体，第一永磁体的磁极面与凹槽的斜面平行；凸极上设有第二永磁体，所述第二永磁体的磁极面与第一永磁体的磁极面平行相对，与第一永磁体之间产生斜向的磁斥力。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述间隙底部的外环或内环两侧设有第三永磁体；底部两侧的间隙中均填充有磁流体，所述磁流体在第三永磁体磁极的作用，各自形成磁流体密封带；在被两侧磁流体密封带所封闭的底部间隙中填充有密度不小于磁流体的过渡流体；过渡流体与磁流体共同组合成一个“V”型液态密封带。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述外环或内环上设有绕线圈的励磁体。

4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述外环与内环之间设有限位部。

5.根据权利要求2所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述外套上开设有至少一个注入口。

6.根据权利要求2所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述永磁体侧边设有极靴。

7.根据权利要求2所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述间隙中设有用于增大旋转部件与磁流体及过渡流体接触面积的载液条。

8.根据权利要求2所述的一种磁悬浮轴承，其特征在于：所述第三永磁体与第一永磁体或第二永磁体为一体化设计。

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