CN115573997B - 一种可控永磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控永磁悬浮轴承，其包括：轴承转子，轴承转子包括转子轴、转子架和转子磁钢，转子磁钢固定在转子架上；与转子轴平行的方向为X向；竖直方向为Y向，与XY平面垂直的方向为Z向；轴承定子，轴承定子包括定子壳体和定子磁钢；定子磁钢安装在定子壳体内部；定子磁钢和转子磁钢相互作用产生对轴承转子的轴向力和径向力；定子驱动装置，定子驱动装置安装在底板上，并且连接轴承定子的定子壳体，定子驱动装置驱动轴承定子进行X向、Y向、Z向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。可控永磁悬浮轴承可实现轴承转子全悬浮，具有低噪音、无损耗、无污染、高转速、高精度、长寿命、免维护、可靠性高等特点。

Description

一种可控永磁悬浮轴承

技术领域

本发明属于永磁悬浮轴承技术领域，特别是涉及一种可控永磁悬浮轴承。

背景技术

磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将轴承转子悬浮于空中，使轴承转子与轴承定子之间没有机械接触。一种磁悬浮轴承为主动电磁悬浮轴承，其利用电磁铁线圈中的电流产生不接触的可控电磁力来使轴承转子运转于空间稳定悬浮状态的一种装置。常用的主动式电磁悬浮轴承系统由径向磁轴承、轴向磁轴承、传感器、轴承转子、控制器和驱动装置组成。工作原理为：通过位置传感器检测轴承转子轴的偏差信号，控制器接收到信号后，计算输出控制信号，通过功率放大器控制线圈电流，调节电磁力的大小，从而将轴承转子稳定悬浮于工作位置。

上述主动磁悬浮轴承目前已能够应用于风机、风扇等对高转速有需要的小尺寸设备。但是，对于大型设备而言，由于驱动装置为电磁铁，需要较大的电流才能驱动其工作，轴承自身运行需要消耗大量能量，运行时持续耗能的主动式磁悬浮轴承不符合绿色生产和绿色制造的工业发展方向，能源浪费严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控永磁悬浮轴承。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可控永磁悬浮轴承，其包括：轴承转子，所述轴承转子包括转子轴、转子架和转子磁钢和定子驱动装置，所述转子磁钢固定在转子架上；与所述转子轴平行的方向为X向；竖直方向为Y向，与XY平面垂直的方向为Z向；轴承定子，所述轴承定子包括定子壳体和定子磁钢；所述定子磁钢安装在定子壳体内部；定子磁钢和转子磁钢相互作用产生对轴承转子的轴向力和径向力；支座，支座包括底板和转子支架，所述转子支架下部固定在底板上；所述轴承转子安装在所述转子支架上；

所述定子驱动装置，所述定子驱动装置安装在所述底板上，并且连接所述轴承定子的定子壳体，定子驱动装置驱动所述轴承定子进行X向、Y向、 Z向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述定子驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置和第二驱动装置一端连接底座，另一端连接定子壳体，第一驱动装置和第二驱动装置驱动轴承定子进行Z向直线动作、Y向旋转动作。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述第一驱动装置和第二驱动装置均包括液压缸和球铰，所述球铰分别连接在液压缸的两端，。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述定子驱动装置还包括第三驱动装置，所述第三驱动装置一端与底座连接，另一端连接定子壳体，第三驱动装置驱动轴承定子进行X向直线动作、Z向旋转动作。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述第三驱动装置包括依次连接的液压缸固定座、第一液压缸、第一球铰、连接板、第二球铰和转接座，液压缸固定座连接底座，转接座连接轴承定子。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述定子驱动装置还包括第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置一端与底座连接，另一端连接定子壳体，第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Y向直线动作、X向旋转动作；第三驱动装置、第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Z向旋转动作。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置分别包括依次连接的第三球铰、第二液压缸和第四球铰，所述第三球铰连接底座，所述第四球铰连接轴承定子。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述第四驱动装置安装在轴承转子转子轴的一侧，第五驱动装置和第六驱动装置安装在轴承转子转子轴的另一侧，第五驱动装置和第六驱动装置间隔设置。

本发明如上所述的可控永磁悬浮轴承，进一步，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置还包括力传感器，所述力传感器安装在第二液压缸与球铰之间。

可控永磁悬浮轴承可实现轴承转子全悬浮，轴承具有低噪音、无损耗、无污染、高转速、高精度、长寿命、免维护、可靠性高等特点，在某些特定工况下具有传统推力轴承无法比拟的优势(如应用于水下舰艇实现静音和长寿命)。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明一种实施例的可控永磁悬浮轴承示意图；

图2为本发明一种实施例的支座和驱动装置示意图；

图3为本发明一种实施例的轴承转子与轴承定子剖面示意图；

图4为转子磁钢和定子磁钢位于第一位置示意图；

图5为转子磁钢和定子磁钢位于第二位置示意图；

图6为轴承转子轴向位移与轴向力关系曲线；

图7为本发明另一种实施例的轴承转子与轴承定子示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、轴承转子，11、转子轴，12、转子架，13、转子磁钢，14、气隙， 20、轴承定子，21、定子壳体，22、径向磁钢安装架，23、定子磁钢，24、定子径向磁钢，30、驱动装置，31、第一驱动装置，32、第二驱动装置，33、第三驱动装置，331、液压缸固定座，332、第一液压缸，333、第一球铰，334、连接板，335、第二球铰，336、转接座，34、第四驱动装置，35、第五驱动装置，351、第三球铰，352、第二液压缸，353、力传感器，354、第四球铰， 36、第六驱动装置，40、支座，41、底板，42、转子支架，50、距离传感器。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的可控永磁悬浮轴承的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

图7示出本发明一种实施例的可控永磁悬浮轴承，其包括：

轴承转子10，轴承转子10包括转子轴11、转子架12和转子磁钢13，转子磁钢13固定在转子架12上；与转子轴11平行的方向为X向；竖直方向为Y向，与XY平面垂直的方向为Z向；

轴承定子20，轴承定子20包括定子壳体21和定子磁钢23；定子磁钢 23安装在定子壳体21内部；

定子磁钢23和转子磁钢13相互作用产生对轴承转子10的轴向力和径向力；

支座40，支座40包括底板41和转子支架42，转子支架42下部固定在底板41上；轴承转子10安装在转子支架42上；

定子驱动装置30，定子驱动装置30安装在底板41上，并且连接轴承定子20的定子壳体21，定子驱动装置30驱动轴承定子20进行X向、Y向、Z 向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。

本发明上述实施例中，结合图4和图7，定子磁钢与转子磁钢之间存在隙14，定子磁钢与转子磁钢之间的作用力由于气隙的不同而发生变化，例如如果需要平衡转子轴或转子自身在Y向的重力(以及与轴承连接的整个轴系在Y向所收到的力)，定子驱动装置驱动定子做X向的向上移动，由于位于上部位置的定子磁钢与转子磁钢之间气隙减小，因而二者之间的磁吸作用力增大，该作用力能够抵消重力对整个轴系的影响，可以减轻轴系中其他支撑轴承的受力，增加轴承寿命。

X向调节轴承定子的位置时，结合图4所示，轴承定子和轴承转子的轴向位置均为初始位置，定子磁钢与转子磁钢之间的磁力在轴向平衡，对转子轴的轴向作用力为零。图5所示，当轴承转子受到轴向力推动时，轴承转子会发生轴向位移，定子磁钢与转子磁钢产生磁作用力，该磁作用力在轴向方向与轴承转子发生轴向位移的方向相反，并且轴向位移越大该轴向磁作用力也越大(结合图6)。

将上述可控永磁悬浮轴承应用于船舶或舰艇设备，在设备的动力输出端和螺旋桨轴之间的传动位置安装上述实施例的永磁悬浮轴承，能够减少在潜艇行进过程中产生的噪音，提高潜艇的隐身性能和作战能力。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，定子驱动装置30包括第一驱动装置31和第二驱动装置32，第一驱动装置31和第二驱动装置32一端连接底座，另一端连接定子壳体21，第一驱动装置31和第二驱动装置32驱动轴承定子20进行Z向直线动作、Y向旋转动作。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，第一驱动装置31和第二驱动装置32均包括液压缸和球铰，球铰分别连接在液压缸的两端。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，定子驱动装置30还包括第三驱动装置33，第三驱动装置33一端与底座连接，另一端连接定子壳体21，第三驱动装置33驱动轴承定子20进行X向直线动作、Z 向旋转动作。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，第三驱动装置33包括依次连接的液压缸固定座331、第一液压缸332、第一球铰333、连接板334、第二球铰335和转接座336，液压缸固定座331连接底座，转接座336连接轴承定子20。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，定子驱动装置30还包括第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36，第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36一端与底座连接，另一端连接定子壳体21，第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36 驱动轴承定子20进行Y向直线动作、X向旋转动作；第三驱动装置33、第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36驱动轴承定子20进行 Z向旋转动作。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36分别包括依次连接的第三球铰351、第二液压缸352和第四球铰354，第三球铰351连接底座，第四球铰354连接轴承定子20。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，第四驱动装置34安装在轴承转子10转子轴11的一侧，第五驱动装置35和第六驱动装置36安装在轴承转子10转子轴11的另一侧，第五驱动装置35和第六驱动装置36间隔设置。

本发明上述实施例的可控永磁悬浮轴承，还能进行如下改进，第四驱动装置34、第五驱动装置35和第六驱动装置36还包括力传感器353，力传感器353安装在第二液压缸352与球铰之间。

定子驱动装置30驱动轴承定子20进行X向、Y向、Z向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。

定子驱动装置30实现驱动调节功能的方式如下：

轴承定子进行X向直线动作，第三驱动装置驱动轴承定子进行X向直线动作，其余驱动装置从动作。

轴承定子进行Y向直线动作，第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Y向直线动作，其余驱动装置从动作。

轴承定子进行Z向直线动作，第一驱动装置和第二驱动装置驱动轴承定子进行Z向直线动作，其余驱动装置从动作。

轴承定子进行绕X向的旋转动作，第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行X向的旋转动作，其余驱动装置从动作。

轴承定子进行绕Y向的旋转动作，第一驱动装置和第二驱动装置驱动轴承定子进行Y向的旋转动作，其余驱动装置从动作。

轴承定子进行绕Z向的旋转动作，第三驱动装置、第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Z向旋转动作，其余驱动装置从动作。

可控永磁悬浮轴承具有摩擦和磨损小、通过六自由度定子驱动装置，当轴承转子10旋转推进产生径向载荷，调节定子径向磁钢24和轴承转子之间气隙，可使径向载荷趋近全悬浮；例如当轴承连接船舶舰艇的推进桨叶时，轴承转子10旋转产生轴向载荷，调节轴承定子20实时轴向位移，定子磁钢 23与转子磁钢13产生轴向相对位移，该位移使定子磁钢23与转子磁钢13 之间产生与轴向载荷相反的推力，而平衡轴承转子10旋转产生的轴向载荷，可使轴承转子10趋近轴向零位移而全悬浮。上述可控永磁悬浮轴承可实现轴承转子全悬浮，轴承具有低噪音、无损耗、无污染、高转速、高精度、长寿命、免维护、可靠性高等特点，在某些特定工况下具有传统推力轴承无法比拟的优势(如应用于水下舰艇实现静音和长寿命)。

图4、图5和图6，示出通过轴承磁推力平衡轴向载荷的原理。图4和图5中示出了定子磁钢与转子磁钢之间的气隙14。对于船舶等水下设备的主轴轴承，螺旋桨旋转时，轴承转子10旋转产生轴向载荷，调节轴承定子 20实时轴向位移，定子磁钢23与转子磁钢13产生轴向相对位移，该位移使定子磁钢23与转子磁钢13之间产生与轴向载荷相反的推力，而平衡轴承转子10旋转产生的轴向载荷。结合图4所示，轴承定子和轴承转子的轴向位置均为初始位置，定子磁钢与转子磁钢之间的磁力在轴向平衡，对转子轴的轴向作用力为零。图5所示，当轴承转子受到轴向力推动时，轴承转子会发生轴向位移，定子磁钢与转子磁钢产生磁作用力，该磁作用力在轴向方向与轴承转子发生轴向位移的方向相反，并且轴向位移越大该轴向磁作用力也越大(结合图6)。在一种实施例中，提供一种船舶或舰艇设备，在设备的动力输出端和螺旋桨轴之间的传动位置安装上述实施例的永磁悬浮轴承。上述永磁悬浮轴承尤为适用于水下潜艇的使用，用于减少在潜艇行进过程中产生的噪音，提高潜艇的隐身性能和作战能力。

在一种实施例中，在支座的底板上还安装距离传感器50，用于检测轴承定子在X向的位移和位置状态，距离传感器连接控制系统，便于控制系统对轴承定子的位置进行调节控制。

图1-图3示出本发明另一种实施例的可控永磁悬浮轴承，其包括：

轴承转子10，轴承转子10包括转子轴11、转子架12和转子磁钢13，转子磁钢13固定在转子架12上；与转子轴11平行的方向为X向；竖直方向为Y向，与XY平面垂直的方向为Z向；

轴承定子20，轴承定子20包括定子壳体21、径向磁钢安装架22、定子磁钢23和定子径向磁钢24；定子磁钢23安装在定子壳体21内部；径向磁钢安装架22连接在定子壳体21内，定子径向磁钢24固定在径向磁钢安装架22上；

定子磁钢23和转子磁钢13相互作用产生对轴承转子10的轴向力；定子径向磁钢24与轴承转子10作用产生对轴承转子10的径向力；

支座40，支座40包括底板41和转子支架42，转子支架42下部固定在底板41上；轴承转子10安装在转子支架42上；

定子驱动装置30，定子驱动装置30安装在底板41上，并且连接轴承定子20的定子壳体21，定子驱动装置30驱动轴承定子20进行X向、Y向、Z 向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。

在本实施例中，设置了径向磁钢安装架22和定子径向磁钢24，转子轴和/或转子架由铁磁材料制成，定子径向磁钢与铁磁材料之间产生磁吸力，通过调节轴承定子的位置，进而调节定子径向磁钢与转子轴和/或转子架的距离，实现对磁力大小的调节。本实施例中，定子径向磁钢为扇形结构，定子径向磁钢布置在轴承定子的上部位置。同时，定子磁钢与转子磁钢之间的作用力由于气隙的不同而发生变化，例如如果需要平衡转子轴或转子自身在Y向的重力(以及与轴承连接的整个轴系在Y向所受到的力)，定子驱动装置驱动定子做X向的向上移动，由于位于上部位置的定子磁钢与转子磁钢之间气隙减小，因而二者之间的磁吸作用力增大，该作用力能够抵消重力对整个轴系的影响，可以减轻轴系中其他支撑轴承的受力，增加轴承寿命。本实施例中，Y向的磁作用力通过定子径向磁钢、定子磁钢与转子磁钢共同产生，具有更大的作用力，能够抵消更为沉重轴系的重量，具有更大的使用领域。

上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (9)

1.一种可控永磁悬浮轴承，其特征在于，包括：轴承转子、轴承定子和支座，所述轴承转子包括转子轴、转子架和转子磁钢和定子驱动装置，所述转子磁钢固定在转子架上；与所述转子轴平行的方向为X向；竖直方向为Y向，与XY平面垂直的方向为Z向；所述轴承定子包括定子壳体和定子磁钢；所述定子磁钢安装在定子壳体内部；定子磁钢和转子磁钢相互作用产生对轴承转子的轴向力和径向力；支座包括底板和转子支架，所述转子支架下部固定在底板上；所述轴承转子安装在所述转子支架上；所述定子驱动装置，所述定子驱动装置安装在所述底板上，并且连接所述轴承定子的定子壳体，定子驱动装置驱动所述轴承定子进行X向、Y向、Z向的直线动作，以及绕X向、Y向、Z向的旋转动作。

2.根据权利要求1所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置和第二驱动装置一端连接底座，另一端连接定子壳体，第一驱动装置和第二驱动装置驱动轴承定子进行Z向直线动作、Y向旋转动作。

3.根据权利要求2所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一驱动装置和第二驱动装置均包括液压缸和球铰，所述球铰分别连接在液压缸的两端。

4.根据权利要求2所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子驱动装置还包括第三驱动装置，所述第三驱动装置一端与底座连接，另一端连接定子壳体，第三驱动装置驱动轴承定子进行X向直线动作。

5.根据权利要求4所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述第三驱动装置包括依次连接的液压缸固定座、第一液压缸、第一球铰、连接板、第二球铰和转接座，液压缸固定座连接底座，转接座连接轴承定子。

6.根据权利要求4所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子驱动装置还包括第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置一端与底座连接，另一端连接定子壳体，第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Y向直线动作、X向旋转动作；第三驱动装置、第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置驱动轴承定子进行Z向旋转动作。

7.根据权利要求6所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置分别包括依次连接的第三球铰、第二液压缸和第四球铰，所述第三球铰连接底座，所述第四球铰连接轴承定子。

8.根据权利要求6所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述第四驱动装置安装在轴承转子转子轴的一侧，第五驱动装置和第六驱动装置安装在轴承转子转子轴的另一侧，第五驱动装置和第六驱动装置间隔设置。

9.根据权利要求6-8任一项所述的可控永磁悬浮轴承，其特征在于，所述第四驱动装置、第五驱动装置和第六驱动装置还包括力传感器，所述力传感器安装在第二液压缸与球铰之间。

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