CN113217539A - 一种永磁推力轴承及船用传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁推力轴承及船用传动系统。包括用于相对于承载体固定的静子，其包括静端筒和间隔设在静端筒上的至少两层静磁环组，静磁环组包括多个并列的静磁环，相邻两静磁环的磁极相反，静磁环由多片弧形的静磁片拼接而成；转子相对于主轴固定，包括动端筒和间隔设置在动端筒上的至少两层动磁环组，每层动磁环组包括多个并列设置的动磁环，任意相邻两个动磁环的磁极相反，每个动磁环由多片弧形的动磁片拼接而成；各层静磁环组和各层动磁环组分别一一交错设置，任意相邻的一层动磁环组与一层静磁环组之间具有间隙；任意相邻的一个静磁环与一个动磁环的相互靠近的磁极相反。体积小、重量轻、推力大、轴向位移小、磁场利用率高。

Description

一种永磁推力轴承及船用传动系统

技术领域

本发明涉及一种永磁推力轴承及船用传动系统。

背景技术

在船舶领域中，如图1所示，船舶的行进是依靠主驱动电机通过主轴带动水中的螺旋桨旋转，从而产生反推力驱动船体行进，对于大型船舶，螺旋桨的推动力很大，其通过主轴传递回来时需要通过推力轴承将推力直接作用于船体或甲板，如图1所示，采用的是永磁推力轴承，主轴可在永磁推力轴承内旋转，并可将推力通过永磁推力轴承传递至甲板上。如图2、3所示分别为现有永磁推力轴承的原理图，该永磁推力轴承包括相互套设的外层磁环81和内层磁环82，每层磁环均由多个磁环构成，相邻两个磁环的磁极方向相反，使用时，内层磁环82相对于主轴2固定，外层磁环81相对于甲板5固定，来自主轴2的推力依次通过内层磁环82-磁场-外层磁环81传递给甲板，内层磁环82则随主轴2还能够旋转。但是，这种磁环存在以下问题：由于两层结构仅一个作用面，磁力十分有限，导致其承受的最大推力仅为20吨，而其轴向位于却高达10mm，无法满足大型轮船的需求(要求推力达到100吨，轴向位移不大于5mm，)而且现有的双层磁环结构的结构不成熟、故障率较高、难找正、易摩擦损坏、重量大、占用空间大、占用载荷和空间资源较多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不过多增加重量、体积，且故障率较低的前提下，能够实现更大推力和更小轴向位移量的永磁推力轴承，通过解决多层结构会切割磁感线而发热的问题从而实现了多层嵌套的结构，使磁体数量与工作面比值更接近与1:1，大大提高磁场利用率、降低体积、减少重量；本发明的目的还在于提供一种使用上述永磁推力轴承的船用传动系统。

本发明的永磁推力轴承的技术方案如下：

一种永磁推力轴承，包括：

静子，用于相对于承载体固定，包括静端筒和间隔设置在静端筒上的至少两层静磁环组，每层静磁环组包括多个并列设置的静磁环，任意相邻两个静磁环的磁极相反，每个静磁环由多片弧形的静磁片拼接而成；

转子，用于相对于主轴固定，包括动端筒和间隔设置在动端筒上的至少两层动磁环组，每层动磁环组包括多个并列设置的动磁环，任意相邻两个动磁环的磁极相反，每个动磁环由多片弧形的动磁片拼接而成；

所述各层静磁环组和各层动磁环组分别一一交错设置，任意相邻的一层动磁环组与一层静磁环组之间具有间隙；

任意相邻的一个静磁环与一个动磁环的相互靠近的磁极相反。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，静磁片和动磁片的两端均具有弧形槽，任意相邻拼接的两个动磁片和任意相邻拼接的两个静磁片的弧形槽围成圆孔，圆孔内穿装有紧固螺栓，通过紧固螺栓将静磁片压装在对应的静端筒上、将动磁片压装在对应的动端筒上。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，动磁环组和静磁环组的外端分别设置有端环，端环上对应于各所述圆孔设置有螺栓孔，通过螺栓将端环压紧在动磁环组上。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述动端筒的迎向推力来向的一侧的内表面固定有内表面为锥面的锥套，永磁推力轴承还包括涨套，涨套的外表面为外锥面，涨套沿推力方向依靠其外锥面挤压锥套的内锥面以将动端筒相对于主轴固定。采用该结构可以松配合安装，安装方便快捷。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，动端筒的靠近静端筒的一端的内表面固定有外环，静端筒的内表面固定有内环，内环与外环之间设置有保持架和滚针以构成位于静端筒和动端筒之间的滚针轴承。外环的设置可方便最内侧磁环的对齐安装，滚针轴承的设置可进行支撑以提高对中性。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，永磁推力轴承还包括罩设在动端环外的外壳，外壳选用软磁材料。软磁材料可进行良好的隔磁封磁作用，减少磁泄漏的危害或被其他磁场干扰。

本发明的船用传动系统的技术方案如下：

一种船用传动系统，包括依次传动连接的驱动电机、主轴和螺旋桨，主轴上安装有至少一个永磁推力轴承，永磁推力轴承包括：

静子，用于相对于承载体固定，包括静端筒和间隔设置在静端筒上的至少两层静磁环组，每层静磁环组包括多个并列设置的静磁环，任意相邻两个静磁环的磁极相反，每个静磁环由多片弧形的静磁片拼接而成；

转子，用于相对于主轴固定，包括动端筒和间隔设置在动端筒上的至少两层动磁环组，每层动磁环组包括多个并列设置的动磁环，任意相邻两个动磁环的磁极相反，每个动磁环由多片弧形的动磁片拼接而成；

所述各层静磁环组和各层动磁环组分别一一交错设置，任意相邻的一层动磁环组与一层静磁环组之间具有间隙；

任意相邻的一个静磁环与一个动磁环的相互靠近的磁极相反。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，静磁片和动磁片的两端均具有弧形槽，任意相邻拼接的两个动磁片和任意相邻拼接的两个静磁片的弧形槽围成圆孔，圆孔内穿装有紧固螺栓，通过紧固螺栓将静磁片压装在对应的静端筒上、将动磁片压装在对应的动端筒上。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，动磁环组和静磁环组的外端分别设置有端环，端环上对应于各所述圆孔设置有螺栓孔，通过螺栓将端环压紧在动磁环组上。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述动端筒的迎向推力来向的一侧的内表面固定有内表面为锥面的锥套，永磁推力轴承还包括涨套，涨套的外表面为外锥面，涨套沿推力方向依靠其外锥面挤压锥套的内锥面以将动端筒相对于主轴固定。采用该结构可以松配合安装，安装方便快捷。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，动端筒的靠近静端筒的一端的内表面固定有外环，静端筒的内表面固定有内环，内环与外环之间设置有保持架和滚针以构成位于静端筒和动端筒之间的滚针轴承。外环的设置可方便最内侧磁环的对齐安装，滚针轴承的设置可进行支撑以提高对中性。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，永磁推力轴承还包括罩设在动端环外的外壳，外壳选用软磁材料。软磁材料可进行良好的隔磁封磁作用，减少磁泄漏的危害或被其他磁场干扰。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述主轴选用不锈钢材料以提高电阻、降低磁导。

本发明的有益效果：本发明的永磁推力轴承在使用时，根据推力需要，将至少一个永磁推力轴承套在主轴上，使得转子相对于主轴固定，静子相对于甲板等承载体固定即可，当驱动电机带动主轴旋转进而带动螺旋桨旋转时，主轴旋转时带动与其固定的转子旋转，产生的反推力通过主轴传递至转子上，转子的动磁环组与静子的静磁环组分别是交错设置的，彼此之间若想发生位移，就需要克服同极磁极的斥力和异极磁极的吸力，斥力和吸力都会阻碍转子和静子之间的相对移动，由于转子和静子为多层嵌套结构，基本上每层磁极的两面均为工作面，所以在有限的空间内可以极大利用磁场力，使得整体体积小巧、重量较轻，但是由于磁场比较集中，加上磁场的叠加作用，所形成的磁力非常大，从而使得该永磁推力轴承可以承受更大的推力，而且由于推力较大，转子和静子之间相对位移比较困难，所以轴向位移量也大大降低，另一方面，静子和转子是非接触的，也就不会存在摩擦，更不会发出任何噪音；更重要的，相对于传统的双层结构的永磁推力轴承，传统双层结构由于不涉及切割磁感线，所以不存在大量发热问题，但是若超过了两层，例如本发明的多层嵌套结构，由于在运动过程中会切割磁感线，所以会存在很大的发热问题，而本申请创造性的通过将每个磁环设计为分体拼接结构，形成非闭环结构，从而有效的降低了发热量，使得多层嵌套结构成为可能。

进一步地，由于该永磁推力轴承的涨套结构的设计，使得同一主轴上可以非常方便的同时安装多个永磁推力轴承，大大提高了所能承受的推力范围。

附图说明

图1为现有技术中双层嵌套结构的永磁推力轴承在船用传动系统中的使用状态示意图；

图2为图1中的永磁推力轴承的主视图；

图3为图2中的永磁推力轴承的工作原理示意图；

图4为本发明的永磁推力轴承的静子、转子的主视图；

图5为本发明的永磁推力轴承的主视图；

图6为图5中A-A处的剖视图；

图7为图6中B处的局部放大图；

图8为本发明永磁推力轴承的结构原理示意图；

图9为图5的侧视图；

图10为本发明的多个永磁推力轴承在同一主轴上的使用状态剖视图；

图中：1-螺旋桨，2-主轴，3-径向轴承，4-驱动电机，5-甲板，6-船体，7-减震器，8-永磁推力轴承；81-外圈磁环，82-内圈磁环，83-间隙与工作面，84-静子，841-静端筒，842-静磁环，85-转子，851-动端筒，852-动磁环，86-磁片，861-弧形槽，871-涨套，872-锥套，88-端环，89-滚针轴承，891-外环，892-内环，893-滚针，894-保持架，9-螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的一种船用传动系统的具体实施方式：

一种船用传动系统包括依次传动连接的驱动电机4、主轴2和螺旋桨1，如图10所示，主轴2上安装有至少一个永磁推力轴承8，本实施例中安装有四个，如图3-9所示，永磁推力轴承8包括静子84、转子85、外壳、支架、锥套872、涨套871和滚针轴承89等。

静子84用于相对于承载体固定，包括静端筒841和间隔设置在静端筒841上的至少两层静磁环组，每层静磁环组包括多个并列设置的静磁环842，任意相邻两个静磁环842的磁极相反，每个静磁环842由多片弧形的静磁片86拼接而成。

转子85用于相对于主轴2固定，包括动端筒851和间隔设置在动端筒851上的至少两层动磁环组，每层动磁环组包括多个并列设置的动磁环852，任意相邻两个动磁环852的磁极相反，每个动磁环852由多片弧形的动磁片86拼接而成。

各层静磁环组和各层动磁环组分别一一交错设置，任意相邻的一层动磁环组与一层静磁环组之间具有间隙83。

任意相邻的一个静磁环842与一个动磁环852的相互靠近的磁极相反。

静磁片86和动磁片86的两端均具有弧形槽861，任意相邻拼接的两个动磁片86和任意相邻拼接的两个静磁片86的弧形槽861围成圆孔，圆孔内穿装有紧固螺栓，通过紧固螺栓将静磁片86压装在对应的静端筒841上、将动磁片86压装在对应的动端筒851上。

动磁环组和静磁环组的外端分别设置有端环88，端环88上对应于各所述圆孔设置有螺栓孔，通过螺栓将端环88压紧在动磁环组上。

动端筒851的迎向推力来向的一侧的内表面固定有内表面为锥面的锥套872，永磁推力轴承8还包括涨套871，涨套871的外表面为外锥面，涨套871沿推力方向依靠其外锥面挤压锥套872的内锥面以将动端筒851相对于主轴2固定。采用该结构可以松配合安装，安装方便快捷。

动端筒851的靠近静端筒841的一端的内表面固定有外环891，静端筒841的内表面固定有内环892，内环892与外环891之间设置有保持架894和滚针893以构成位于静端筒841和动端筒851之间的滚针轴承89。外环891的设置可方便最内侧磁环的对齐安装，滚针轴承89的设置可进行支撑以提高对中性。

永磁推力轴承8还包括罩设在动端环88外的外壳，外壳选用软磁材料。软磁材料可进行良好的隔磁封磁作用，减少磁泄漏的危害或被其他磁场干扰。

主轴2选用不锈钢材料以提高电阻、降低磁导。

本发明的永磁推力轴承8在使用时，根据推力需要，将至少一个永磁推力轴承8套在主轴2上，使得转子85相对于主轴2固定，静子84相对于甲板5等承载体固定即可，当驱动电机4带动主轴2旋转进而带动螺旋桨1旋转时，主轴2旋转时带动与其固定的转子85旋转，产生的反推力通过主轴2传递至转子85上，转子85的动磁环组与静子84的静磁环组分别是交错设置的，彼此之间若想发生位移，就需要克服同极磁极的斥力和异极磁极的吸力，斥力和吸力都会阻碍转子85和静子84之间的相对移动，由于转子85和静子84为多层嵌套结构，基本上每层磁极的两面均为工作面，所以在有限的空间内可以极大利用磁场力，使得整体体积小巧、重量较轻，但是由于磁场比较集中，加上磁场的叠加作用，所形成的磁力非常大，从而使得该永磁推力轴承8可以承受更大的推力，而且由于推力较大，转子85和静子84之间相对位移比较困难，所以轴向位移量也大大降低，另一方面，静子84和转子85是非接触的，也就不会存在摩擦，更不会发出任何噪音；更重要的，相对于传统的双层结构的永磁推力轴承8，传统双层结构由于不涉及切割磁感线，所以不存在大量发热问题，但是若超过了两层，例如本发明的多层嵌套结构，由于在运动过程中会切割磁感线，所以会存在很大的发热问题，而本申请创造性的通过将每个磁环设计为分体拼接结构，形成非闭环结构，从而有效的降低了发热量，使得多层嵌套结构成为可能。

由于该永磁推力轴承8的涨套871结构的设计，使得同一主轴2上可以非常方便的同时安装多个永磁推力轴承8，大大提高了所能承受的推力范围。

本实施例中，该永磁推力轴承可以达到以下参数：

1)推力需求：100吨力～＝1000KN

2)产生1000KN移动位移小于等于5mm

3)设备直径不得大于1200mm

4)设备总长小于1500mm

5)主轴转速小于200RPM

对比传统双层结构的缺点：

1)20吨推力，行进位移需要大概10mm,非常不适用。

2)结构不成熟，故障率非常高，难找正，易摩擦损坏。

3)整体重量大，轮廓空间大，占用载荷和空间资源较多。

传统型仅仅使用单片磁通，磁体数量和工作面比为2：1；多层嵌套结构磁体数量和工作面比为<2：1,理论上可以无限接近1：1。这样不仅可以提高磁场利用率，也可以降低体积，减少重量。

经过多轮的计算探索我们选了8层嵌套，五极交叉堆叠的结构。在COMSOLMultiphysics软件中进行建模仿真，进行磁场分布分析，利用数值计算方法进行理论计算，得到永磁轴承轴向推力、轴向刚度、轴向位移计算结果，为永磁轴承结构设计进行优化，得到最终的8层嵌套，五极交叉堆叠的永磁轴承设计结构。

由于理论计算时剩磁强度数值取值Br＝1T,作为单元计算，和安全系数考量，可推测实际设计中如取Br＝1.25T，

在3毫米处理论值～＝(1.25*1.25)*155＝242KN

在5毫米处理论值～＝(1.25*1.25)*235＝367KN。

考虑实际设计时的安全系数，磁损因素，可以用以上参数做1/4组合模块结构设计依据。

如图10所示，由于为满足空间设计要求，该结构设计的推力参数在5mm位移处介于1/4～1/3的总推力(1000KN),实际使用中可模块化四组合。

本发明的永磁推力轴承的具体实施方式与上述船用传动系统的各实施例中的永磁推力轴承的结构相同，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种永磁推力轴承，其特征在于，包括：

静子，用于相对于承载体固定，包括静端筒和间隔设置在静端筒上的至少两层静磁环组，每层静磁环组包括多个并列设置的静磁环，任意相邻两个静磁环的磁极相反，每个静磁环由多片弧形的静磁片拼接而成；

转子，用于相对于主轴固定，包括动端筒和间隔设置在动端筒上的至少两层动磁环组，每层动磁环组包括多个并列设置的动磁环，任意相邻两个动磁环的磁极相反，每个动磁环由多片弧形的动磁片拼接而成；

所述各层静磁环组和各层动磁环组分别一一交错设置，任意相邻的一层动磁环组与一层静磁环组之间具有间隙；

任意相邻的一个静磁环与一个动磁环的相互靠近的磁极相反。

2.根据权利要求1所述的一种永磁推力轴承，其特征在于，静磁片和动磁片的两端均具有弧形槽，任意相邻拼接的两个动磁片和任意相邻拼接的两个静磁片的弧形槽围成圆孔，圆孔内穿装有紧固螺栓，通过紧固螺栓将静磁片压装在对应的静端筒上、将动磁片压装在对应的动端筒上。

3.根据权利要求2所述的一种永磁推力轴承，其特征在于，动磁环组和静磁环组的外端分别设置有端环，端环上对应于各所述圆孔设置有螺栓孔，通过螺栓将端环压紧在动磁环组上。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种永磁推力轴承，其特征在于，所述动端筒的迎向推力来向的一侧的内表面固定有内表面为锥面的锥套，永磁推力轴承还包括涨套，涨套的外表面为外锥面，涨套沿推力方向依靠其外锥面挤压锥套的内锥面以将动端筒相对于主轴固定。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种永磁推力轴承，其特征在于，动端筒的靠近静端筒的一端的内表面固定有外环，静端筒的内表面固定有内环，内环与外环之间设置有保持架和滚针以构成位于静端筒和动端筒之间的滚针轴承。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种永磁推力轴承，其特征在于，永磁推力轴承还包括罩设在动端环外的外壳，外壳选用软磁材料。

7.一种船用传动系统，包括依次传动连接的驱动电机、主轴和螺旋桨，其特征在于，主轴上安装有至少一个如权利要求1-6任意一项所述的永磁推力轴承。

8.根据权利要求7所述的一种永磁推力轴承一种船用传动系统，其特征在于，所述主轴选用不锈钢材料以提高电阻、降低磁导。

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