CN1157545C - 磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明解决现有技术中磁悬浮轴承结构复杂、成本高、应用领域受限的技术缺陷。本发明由与轴直接或间接固连的可随所述轴转动的一个或一个以上磁体，及在一定的空间范围内设置的与所述一个或一个以上磁体的磁极极性和磁力大小相匹配、使能态最低，可使所述轴实现全磁悬浮转动的匹配磁体组合而成，所述磁体和所述匹配磁体都为永磁体。本发明结构简单，可实现大功率磁悬浮，且承载力大、刚度大、用途广泛。

Description

磁悬浮轴承

技术领域：

本发明涉及一种轴承，特别是采用磁力支撑的磁悬浮轴承。

背景技术：

现有的磁悬浮轴承可分为有源轴承和无源轴承两种，有源轴承包括全电磁轴承、电磁和永磁体结合的磁力轴承，无源轴承包括带机械等约束的永磁轴承、永磁体和高温超导结合的磁力轴承。有源轴承即电磁磁力轴承利用电磁力产生的磁场力使轴与轴承相对悬浮转动，无摩擦阻力，运转精度高，但其结构复杂，需要一整套电子控制系统、辅助支承及其他辅助措施来维持稳定的全悬浮，设备成本高，特别是对于承载力大的轴承，全套设备更是既复杂又昂贵。无源轴承中带约束支点的永磁轴承实际上是永磁准悬浮，虽然结构简单、成本低，但承载力均不大，主要在电表等仪器中应用，且均是单极或两极永磁准悬浮，即在轴承上仍有微小的支点，而非全永磁悬浮；同时其作为磁悬浮的刚度很小，即dH/dz(间隙变化时，承载力的变化)很小，无法达到在众多领域的应用。无源的稳定的永磁全悬浮需要引入抗磁性物质才有可能实现，永磁高温超导轴承即能实现磁悬浮，就是将永磁体和高温超导体形成联合作用的系统来实现，但成本非常高，应用也受到很大限制。无源磁悬浮轴承的其他实现方式如CN86100495A所叙述的实现方式同样需要昂贵的成本。

发明内容：

本发明解决现有技术中磁悬浮轴承结构复杂、成本高、应用领域受限等技术缺陷，设计一种结构简单、成本低、稳定性好、刚度大、承载力大的全永磁全悬浮轴承，其应用领域非常广泛。

本发明的目的是这样实现的：它由与轴直接或间接固连的可随所述轴转动的一个或一个以上磁体，及在一定的空间范围内设置的与所述一个或一个以上磁体的磁极极性和磁力大小相匹配的可使所述轴实现全磁悬浮转动的匹配磁体组合而成，所述磁体和所述匹配磁体都为永磁体。

所述磁体和匹配磁体组成至少两组径向稳定磁环和所述的径向稳定磁环之间设置的至少一组轴向稳定磁环，所述的径向稳定磁环由一与轴承座固定相连的由所述匹配磁体构成的径向静磁环和一并列设置的与沿径向延伸的轴套固定相连的由所述磁体构成的径向动磁环组成，所述的径向静磁环和径向动磁环均由沿径向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，所述的径向静磁环和径向动磁环沿径向对应的磁极磁力大小相同，极性相反；所述的轴向稳定磁环由一与轴承座固定连接的由所述匹配磁体构成的轴向静磁环和一并排设置的与沿轴向延伸的轴套固定相连的由所述磁体构成的轴向动磁环组成，所述的轴向静磁环和轴向动磁环均由沿轴向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，所述的轴向静磁环和轴向动磁环沿轴向对应的磁极磁力大小相同，极性相反。

上述紧密相连的交叉磁极由单块环形永磁体拼凑而成；

上述紧密相连的交叉磁极由两块及两块以上磁块粘成的环形永磁体拼凑而成；

上述紧密相连的交叉磁极由多极充磁方法充成；

上述紧密相连的交叉磁极有四个磁极。

上述磁体为一直接或间接固定在轴上的近轴环形永磁体，所述匹配磁体为三个，分别为与所述近轴环形永磁体极性相同，磁力大小相同的固定在一环形导磁体上的远轴环形永磁体、设置在所述远轴环形永磁体的左右两端且分别固定在所述导磁体上的与所述远轴环形永磁体极性相同的左侧环形永磁体和右侧环形永磁体。

上述磁体为两个分别设置在盆心相对的两圆盆形导磁体的盆心中央的两个极性相同，磁力大小相等的圆柱磁体，而匹配磁体为所述两个导磁体上相对的盆沿上分别固定的构成两个中空圆柱状多极磁体的弧形磁体，所述两个中空圆柱状多极磁体的对应磁极分别大小相等，方向相反。

本发明由于在轴上直接或间接同连一个或一个以上永磁磁体，在一定的空间范围内设置与所述一个或一个以上磁体的磁极极性和磁力大小相匹配同样为永磁体的匹配磁体，这种空间上的有机匹配可以使固连有永磁体的转动轴实现没有其他种类支撑力或排斥力而仅有磁场力条件下的全永磁全悬浮转动，即仅仅靠永磁体的有机组合，而不需要复杂的电子控制系统、辅助支承及其他辅助措施，也不需要增加超导这样的辅助支撑就可实现完全的磁悬浮。因此本发明具有结构简单、成本低、稳定性好、刚度大、承载力大等优点，应用领域非常广泛。

本发明的每组径向稳定磁环的由多个紧密相连的交叉磁极组成的径向静磁环和径向动磁环对应的磁极是磁力大小相同、极性相反的，同样，每组轴向稳定磁环的由多个紧密相连的交叉磁极组成的轴向静磁环和轴向动磁环对应的磁极也是磁力大小相同、极性相反的，这样在径向和轴向均形成了拉推磁路，也就是说每组径向稳定磁环和轴向稳定磁环在处于磁极耦合态时能态最低因而偏离耦合时就有回复力。对于轴向稳定磁环，在轴向就形成轴向的稳定力，使轴不会产生轴向移动，但轴向稳定磁环在径向是不稳定的，对于径向稳定磁环，由于轴的自重使径向动磁环有向下移的倾向，在耦合力的作用下径向静磁环拉动径向动磁环上移，形成向上的支撑力，即径向稳定磁环使轴具有径向的稳定性，但径向稳定磁环在轴向是不稳定的，当轴向稳定磁环和径向稳定磁环相间配合使用，从设计上加上重力等因素，就能使轴实现整体悬浮并达到稳定性和刚度的要求。故直接采用本发明的磁悬浮结构，就能达到结构简单、成本低、稳定性好、刚度大的效果，由于有几个磁极刚度就增加至几倍，根据刚度要求取级数多少，可实现大刚度的磁悬浮，故本发明有极其广泛的应用领域。所述磁体在上述叙述中即为轴向稳定磁环中构成轴向动磁环中交叉磁极的每一单块环形永磁体，以及径向稳定磁环中构成径向动磁环中交叉磁极的每一单块环形永磁体，在此磁体是通过轴套与轴间接固定连接。所述匹配磁体在上述叙述中即为轴向稳定磁环中构成轴向静磁环中交叉磁极的每一单块环形永磁体，以及径向稳定磁环中构成径向静磁环中交叉磁极的每一单块环形永磁体。

附图说明：

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例4的结构示意图；

图4是本发明实施例5的结构示意图；

图5是图4的中央磁极的横截面示意图；

图6是图4的B-B截面极性分布示意图。

具体实施方式：

实施例1：见图1，图中1为被支撑的轴，轴1上设置的径向稳定磁环2为两组，两组径向稳定磁环2之间设置有一组轴向稳定磁环3；径向稳定磁环2由并列设置的径向静磁环4和径向动磁环5组成，径向静磁环4固定在轴承座6上，径向动磁环5固定在沿径向延伸的轴套7上，轴套7与轴1连为一体，径向静磁环4上相间设置有四个紧密相连的交叉磁极，从轴沿径向分别为S极、N极、S极、N极，对应地径向动磁环5上相间也设置有四个紧密相连的交叉磁极，从轴沿径向分别为N极、S极、N极、S极，上述紧密相连的交叉磁极可由单块环形永磁体拼凑而成，也可由多极充磁方法充成多极磁铁，对于大型磁悬浮做大块磁环较难，可采用多块粘为一体。当轴1旋转时，轴套7带动固定在其上的径向动磁环5旋转，而由于轴承座6固定不动，与轴承座6固连的径向静磁环4也固定不动。由于径向静磁环4与径向动磁环5对应的多极磁极的极性相反、大小相等，当两者处于耦合态时，能态最低，轴的重力使轴1及径向动磁环5向下偏离耦合态时，由于多极磁力耦合力的作用，径向静磁环拉动轴1及径向动磁环5回到耦合力最小的位置，使能态降到最低，即径向具有稳定性。

轴向稳定磁环3由并排设置的轴向静磁环8和轴向动磁环9组成，轴向静磁环8固定在轴向轴承座10上，轴承座6及轴向轴承座10均固定连接在一基座上。轴向动磁环9固定在沿轴向延伸的轴向轴套11上，轴向轴套11与轴1连为一体，轴向静磁环8上相间设置有四个紧密相连的交叉磁极，从轴1沿轴向从右至左分别为N极、S极、N极、S极，对应地轴向动磁环5上相间也设置有四个紧密相连的交叉磁极，沿轴向从右至左分别为S极、N极、S极、N极，上述紧密相连的交叉磁极可由单块环形永磁体拼凑而成，也可由多极充磁方法充成多极磁铁，对于大型磁悬浮做大块磁环较难，可采用多块粘为一体。当轴1旋转时，轴向轴套11带动固定在其上的轴向动磁环9旋转，而由于轴向轴承座10固定不动，与轴向轴承座10固连的轴向静磁环8也固定不动。由于轴向静磁环8与轴向动磁环9对应的多极磁极的极性相反、大小相等，当两者处于耦合态时，能态最低，故轴向具有稳定性。

故本实施例的磁悬浮结构能实现轴向和径向的稳定性，达到本发明的目的。

通过对需承重的部件进行计算，本实施例两组径向稳定磁环2及其其间设置的一组轴向稳定磁环3可以承重的范围为：轴重50公斤，刚度500公斤/毫米。

实施例2：实施例2设置有四组径向稳定磁环2和两组轴向稳定磁环3，其设置方式见图2，两组轴向稳定磁环3分别设置于两组径向稳定磁环2之间，中间两组径向稳定磁环2的径向静稳定磁环4固定在同一径向轴承座的两面。本实施例的磁极仍然为四个交叉磁极。本实施例比实施例1能承受更大的转动轴，具有更大的承载力和刚度。

实施例3：在实施例1的径向稳定磁环和轴向稳定磁环的数目上将各磁环的磁极数由4个增加到六个，可实现更大功率的磁悬浮。

实施例4：见图3。在图3中的磁体为一个，即间接固定在轴1上的近轴环形永磁体11，而匹配磁体为三个，即与近轴环形永磁体11极性相同，磁力大小相同的固定在环形导磁体13上的第一个远轴环形永磁体12，环形导磁体13与轴1同心但直径大于轴1，与轴1形成一环形空间。由于导磁体13的导入，虽然近轴环形永磁体11和远轴环形永磁体12极性相同，互相排斥，但最多只能排斥到两者相距d1的程度，此时能态最低，因而径向是稳定的，但轴向可移动，于是在导磁体13上还在远轴环形永磁体12的左右分别相距d2的位置固定有极性相同的左侧环形永磁体14和右侧环形永磁体15，计算好d1和d2的距离及磁体磁力的大小，就能使有轴向移动倾向的近轴环形永磁体11达到稳定。即本实施例内外磁路均为园环形，中间磁体与匹配磁体互为斥力，轴向不稳定，而径向稳定，两边分别的两个匹配磁体与中间的匹配磁体形成两个斥力磁路，当轴向右产生一位移，右边磁体产生斥推力，这个斥推力即为向左的推力和向下的斥力，向下的斥力使轴径向稳定，推力将轴向左推，达到轴向稳定，实现全磁悬浮。

实施例5：见图4、图5和图6。图4为平面型全永磁全悬浮轴承。在此，磁体为两个分别设置在盆心相对的两圆盆形导磁体13的盆心中央的两个极性相同，磁力大小相等的圆柱磁体16、17，见图5，圆柱磁体16、17形成小跨度强磁场，获得悬浮力(斥力)，而匹配磁体为在两个导磁体13的相对的盆沿上分别固定的构成两个中空圆柱状多极磁体18、19的弧形磁体，两个中空圆柱状多极磁体18、19的对应磁极分别大小相等，方向相反，见图6，且磁极均是大跨度、低磁场，形成引力，从而使整个磁路保持轴向、径向稳定，形成平面型永磁全悬浮轴承。本实施例的轴1固定在两圆盆形导磁体13的盆底中央。

Claims (8)

1.一种磁悬浮轴承，其特征在于它由与轴直接或间接固连的可随所述轴转动的一个或一个以上磁体，及在一定的空间范围内设置的与所述一个或一个以上磁体的磁极极性和磁力大小相匹配、使能态保持最低，可使所述轴实现全磁悬浮转动的匹配磁体组合而成，所述磁体和所述匹配磁体都为永磁体。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于所述磁体和匹配磁体组成至少两组径向稳定磁环和所述的径向稳定磁环之间设置的至少一组轴向稳定磁环，所述的径向稳定磁环由一与轴承座固定相连的由所述匹配磁体构成的径向静磁环和一并列设置的与沿径向延伸的轴套固定相连的由所述磁体构成的径向动磁环组成，所述的径向静磁环和径向动磁环均由沿径向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，所述的径向静磁环和径向动磁环沿径向对应的磁极磁力大小相同，极性相反；所述的轴向稳定磁环由一与轴承座固定连接的由所述匹配磁体构成的轴向静磁环和一并排设置的与沿轴向延伸的轴套固定相连的由所述磁体构成的轴向动磁环组成，所述的轴向静磁环和轴向动磁环均由沿轴向的两极以上紧密相连的交叉磁极组成，所述的轴向静磁环和轴向动磁环沿轴向对应的磁极磁力大小相同，极性相反。

3.根据权利要求2所述磁悬浮轴承，其特征在于所述紧密相连的交叉磁极由单块环形永磁体拼凑而成。

4.根据权利要求2所述磁悬浮轴承，其特征在于所述紧密相连的交叉磁极由两块及两块以上磁块粘成的环形永磁体拼凑而成。

5.根据权利要求2所述磁悬浮轴承，其特征在于所述紧密相连的交叉磁极由多极充磁方法充成；

6.根据权利要求2所述磁悬浮轴承，其特征在于所述紧密相连的交叉磁极有四个磁极。

7.根据权利要求1所述磁悬浮轴承，其特征在于所述磁体为一固定在轴上的近轴环形永磁体，所述匹配磁体为三个，分别为与所述近轴环形永磁体极性相同，磁力大小相同的固定在一环形导磁体上的远轴环形永磁体，设置在所述远轴环形永磁体的左右两端且分别固定在所述导磁体上的与所述远轴环形永磁体极性相同的左侧环形永磁体和右侧环形永磁体。

8.根据权利要求1所述磁悬浮轴承，其特征在于所述磁体为两个分别设置在盆心相对的两圆盆形导磁体的盆心中央的两个极性相同，磁力大小相等的圆柱磁体，而匹配磁体为所述两个导磁体上相对的盆沿上分别固定的构成两个中空圆柱状多极磁体的弧形磁体，所述两个中空圆柱状多极磁体的对应磁极分别大小相等，方向相反。

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