CN1229307A

CN1229307A - 支承结构

Info

Publication number: CN1229307A
Application number: CN 99103665
Authority: CN
Inventors: 石束嘉忠
Original assignee: Copal Electronics Co Ltd
Current assignee: Copal Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 1999-09-22
Also published as: GB9904382D0; FR2776037A1; GB2335242A; DE19910872A1

Abstract

一种支承结构,它包括一套或两套磁悬浮轴承3、4以及枢轴5a,其中,磁悬浮轴承靠磁力以非接触方式对旋转装置转子1在两个支承点上起径向支承作用,该轴承3、4被布置成推力在轴向上沿相反方向作用的形式,此外,设在转子1轴线上的枢轴5a在使转子1的一轴端在一点上获得支承的同时还允许该轴端相对于一中立位置沿轴向移位,在这一中立位置状态下,作用在转子1上的所有力达到平衡。

Description

支承结构

本发明涉及一种用于电机等旋转装置的支承结构，该结构可以以低成本在从低转速到超高转速的工作范围内获得低噪声、长寿命的性能，本发明尤其涉及高速鼓风机电机、扫描电机等小型装置所用的支承结构，这类装置需要具备低噪声、长寿命以及高可靠性等性能。

作为支承高速转轴的非接触型轴承，气体动压轴承和磁悬浮轴承现已进入实用。前者通过存在于转轴与轴承套之间的气体动压力而实现径向支承，但它在低转速条件下具有与接触型轴承相同的工作方式，因而存在每次起停时发生磨损的问题。而对于磁悬浮轴承来说，其结构因利用了磁铁的吸引力或排斥力而可以在径向或轴向上实现支承。

然而，对于利用磁铁排斥力产生向心力的径向磁悬浮轴承来说，其结构在工作的同时也会产生轴向偏心力，而对于利用磁铁吸引力或排斥力支承轴向载荷的轴向磁悬浮轴承来说，其结构在工作的同时又会产生径向偏心力。因此，仅仅用永磁体的组合来同时实现径向与轴向两个方向的支承是相当困难的，这样就有必要利用电磁体在径向和轴向两个方向上做激磁控制，从而带来结构复杂和成本高昂的问题。

本发明的目的是提供这样一种支承结构，它使相应的轴承具有较低的成本，并且即使在高转速下也具备低噪声、长寿命和高可靠的性能。

为解决上述问题并达到上述目的，该支承结构用一套或两套径向磁悬浮轴承支承转子上的径向载荷，逐个抵消各磁悬浮轴承在轴向上产生的力，或者抵消包括从外部沿轴向施加的一类力。

如本发明所述的支承结构包括一套或两套磁悬浮轴承以及枢轴，其中，磁悬浮轴承靠磁力以非接触方式对旋转装置转子在两个支承点上起径向支承作用，该轴承被布置成推力在轴向上沿相反方向作用的形式，而设在转子轴线上的枢轴在使转子的一轴端在一点上获得支承的同时还允许该轴端相对于一中立位置沿轴向移位，在这一中立位置状态下，作用在转子上的所有力达到平衡。

如本发明所述的支承结构具有如下作用。

该支承结构包括磁悬浮轴承和枢轴，前者的配置方式可以使推力作用在轴向上的相反的方向上，后者可以相对于一中立位置移位并由此支承转子的轴端，这样，推力将会按照相对于中立位置的位移而作用在枢轴上，从而在中立位置的附近形成准非接触状态的支承，进而使转子在其整个转速范围内可以在低摩擦和低噪声的支承状态下旋转。因此，轴尖支承将受到很小的摩擦力并充分地维持超高转速而不产生噪声。

此外，旋转运动是在径向上的准非接触状态下实现的，从而获得了有效的自对准作用，其显著的优点在于自动矫正动态平衡的偏差，由此避免振动。而且，该支承结构的制作非常简单，因而使轴承实现了质优价廉。

对于与转子所受推力方向相同的转子轴向位移来说，使用止动装置可以将该位移限制在一定的范围内，这样，转子即使在沿轴向移动的情况下也可以获得稳定的推力支承。

转子的至少一个支承点采用了吸引型磁悬浮轴承，这样可以获得很高的径向支承刚度，轴承的结构尺寸也因此而得以小型化，该吸引型磁悬浮轴承包括固定侧磁铁和可动侧磁铁，二者均以同轴形式被布置成彼此相隔的两个环状磁铁，并且以彼此相反的磁化方向在轴向上被磁化，这样，彼此相对的这两个磁铁将可以沿轴向互相吸引，形成无磁通泄漏的封闭磁路，从而因高磁通密度得到很高的径向刚度。

转子的至少一个支承点采用了排斥型磁悬浮轴承，这样可以保证其在结构中的自由度，转子将可以通过从轴承侧面沿轴向插入而方便地装配。此外，该排斥型磁悬浮轴承包括固定侧磁铁和可动侧磁铁，二者均以线型方式被布置成彼此相隔的多个环状磁铁，并且以相同的磁化方向在轴向上被磁化，这样，彼此相对的这两个磁铁将可以沿径向互相排斥，因此，对于保证强支承力所需的所有磁铁可以简单地只通过单一工序进行整批极化处理。

下文将结合附图更清楚地介绍本发明的其它情况及优点，并通过范例叙述本发明的原理。

通过参阅以下对现有优选实施例和附图所做的描述，本发明的各方面情况，包括其目的和优点，将会被完整地了解，其中：

图1是表示本发明第一实施例的支承结构的纵剖图；

图2是表示图1所示支承结构另一构型中的基本部分的剖视图；

图3是表示图2所示支承结构又一构型中的基本部分的剖视图；

图4是表示本发明第二实施例的支承结构的纵剖图；

图5是表示图4所示支承结构另一构型中的基本部分的剖视图；

图6是表示图5所示支承结构又一构型中的基本部分的剖视图；

图7是表示本发明第三实施例的支承结构的纵剖图；且

图8是表示该支承结构中处于移位状态时的纵剖图。

图1至3表示本发明的第一实施例，其中的径向磁悬浮轴承为轴向吸引型。图4至6表示本发明的第二实施例，其中的轴向磁悬浮轴承为径向排斥型。此外，附图中略去了本该装在定子和转子上的静止部件、电枢或其负载(风扇，多棱镜之类)。以下介绍本发明的特定范例。

图1是表示本发明第一实施例的支承结构的纵剖图。

作为范例，该支承结构使用轴向吸引型径向磁悬浮轴承，其中转子1在两处由磁悬浮轴承3、4支承，由此可以相对于定子2旋转。一个轴向磁化的柱状可动侧磁铁3a被固接在转子1的一端，一个同样轴向磁化的柱状固定侧磁铁3b被固接在定子2上并且以间隙G1面对可动侧磁铁3a，这样，可动侧磁铁3a和固定侧磁铁3b将相互吸引，从而构成径向磁悬浮轴承3。

同理，径向磁悬浮轴承4由固接在转子1另一端的可动侧磁铁4a和固接在定子2上的固定侧磁铁4b构成，二者的间隙为G2(G2＞G1)，由此使可动侧磁铁与固定侧磁铁相互吸引。一个轴尖支承5由球体5a构成，球体5a被置于凹腔5b和支臼部分5c之间，该凹腔设在转子1的一个端面上并与转轴7同心，支臼部分被设在定子2的一侧。此外，一个由非磁性材料制成且厚度为G3(G3＜G2)的环状衬套6被装在固定侧磁铁4b的一个端面上并处在径向磁悬浮轴承4的间隙G2中。

在以上结构配置中，径向磁悬浮轴承3使转子1在径向上获得向心力并且对转子1施加了附图平面左手方向上的吸引力F1。同样，径向磁悬浮轴承4使转子1在径向上获得向心力并且对转子1施加了附图平面右手方向上的吸引力F2。当然，力Fl和F2依赖于两个径向磁悬浮轴承3和4的尺寸及磁学特性，而且，在二者尺寸及磁学特性相同的情况下，还依赖于各自的间隙G1、G2。在该配置中，间隙G2大于间隙G1，因此，力F1大于力F2，而且力F1与F2相减后的合力作用在轴尖支承5上。如果间隙G2接近于间隙G1，这将意味着，在推力达到平衡的中立位置附近，作用在轴尖支承5上的力将接近于零，从而得以达到准非接触状态。

此外，考虑到转子1在其轴向受到转子自重或某一外加静态力F3-如风机鼓风时产生的反作用力-的作用，可以分别适当地设定磁悬浮轴承3和4的尺寸、磁学特性以及间隙，从而可以有选择地减小力F1、F2和F3的矢量和(F1+F2+F3)。

以下介绍衬套6的作用。在上述准非接触状态的情况下，如果没有衬套6，一个轻微的外加推力将使转子1向右移动，从而形成G2＜G1的关系，其结果是，可动侧磁铁4a与固定侧磁铁4b将通过吸引而彼此粘合，这样，即使外力消失，转子1也将无法回复到其初始位置。对于该问题来说，如果衬套6被设置成一个止动装置，而且预设(G1+G2)＜2G3的关系，那么，即使受到一个临时性的外力，而且这一外力随后消失，转子1也将回到其初始位置。

此外，对于薄型风机之类所用的电机来说，保证两点支承的做法可以是将上述配置中的两个可动侧磁铁3a、4a做成一体并使三个磁铁构成为一套装置，从而使整体式可动侧磁铁的两端都能产生各自的支承力，这一做法显然可以产生同样的效果。在此对其不加赘述。

图2是表示图1所示支承结构另一构形中的基本部分的剖视图。对于与上述构形中相同的部分，下文将用同样的标识符来表示。在此对其不加赘述。

在以上介绍中，单个的径向磁悬浮轴承包括一个单个的可动侧磁铁和一个单个的固定侧磁铁，二者彼此相向，图2所示支承结构也包括可动侧磁铁和固定侧磁铁，但二者各自包括多个柱状磁铁以增加径向刚度。

两个可动侧磁铁3a、3aa被同轴布置在逆向磁轭31上，二者的磁化方向彼此相向，同样，两个固定侧磁铁3b、3bb被同轴布置在逆向磁轭32上，二者的磁化方向也彼此相向。如图中箭头所示，磁铁产生的磁力线构成一个无磁漏的环路，从而在间隙中形成高的磁通密度，这样，径向刚度将高于根据多个磁铁规定指标所得到的估计值。

图3是表示图2所示支承结构又一构形中的基本部分的剖视图。

该支承结构包括可动侧磁铁3a和固定侧磁铁3b，二者沿径向磁化以构成轴向吸引型的径向磁悬浮轴承。采用这种配置，本发明可以达到上述构型所能达到的同样目的，后者的径向磁悬浮轴承包括沿轴向磁化的磁铁。

图4是表示本发明第二实施例的支承结构的纵剖图。

该支承结构的构造如下：沿轴向磁化的柱状可动侧磁铁3a被固接在转子1的一端，而同样沿轴向磁化的柱状定子侧磁铁3b以一定的间隙被同轴地固接在定子2上，这样，可动侧磁铁3a与固定侧磁铁3b将沿径向相互排斥，由此构成径向磁悬浮轴承3。同样，径向磁悬浮轴承4包括固接在转子1另一端的可动侧磁铁4a和固接在定子2上的固定侧磁铁4b。

此外，可动侧磁铁3a被布置在相对于固定侧磁铁3b向左手方向偏移一定移位距离L1的位置，而可动侧磁铁4a则被布置在相对于固定侧磁铁4b向右手方向偏移一定移位距离L2(L2＜L1)的位置。另外，轴尖支承5包括枢轴5a和支臼部分5c，其中，枢轴5a设在转子1的一端面并与转轴7同轴，支臼部分5c则设在定子2的一侧。而且，设在转子1另一端的止推面8与设在定子2上的止推面9之间留有一定的间隙L3。当然，移位距离L1、L2的数值取在预定的范围之内，以保证有效地获得径向支承力。

对于采用这类径向排斥型径向磁悬浮轴承的结构配置来说，径向磁悬浮轴承3在使转子1获得径向向心力的同时也对该转子施加了沿附图平面左手方向的排斥力F1。同样，径向磁悬浮轴承4在使转子1获得径向向心力的同时也对该转子施加了沿附图平面右手方向的排斥力F2。当然，力F1和F2依赖于两个径向磁悬浮轴承的尺寸及磁学特性，而且，在二者尺寸及磁学特性相同的情况下，还依赖于轴向上的移位距离L1、L2。在该配置中，L1＜L2，因此，力F1大于力F2，而且力F1与F2相减后的合力作用在轴尖支承5上。如果移位距离L2接近于移位距离L1，这将意味着，在推力达到平衡的中立位置附近，作用在轴尖支承5上的力将接近于零，从而得以达到准非接触状态。

此外，考虑到转子1在其轴向受到转子自重或某一外加静态力F3-如风机鼓风时产生的反作用力-的作用，可以适当地设定可动侧磁铁和固定侧磁铁的尺寸、磁学特性以及相互位置关系，从而可以有选择地减小力F1、F2和F3的矢量和(F1+F2+F3)。

以下介绍止推面8与9之间间隙L3的作用。尽管止推面8、9可以起到防止转子1脱离定子2的作用，但在上述准非接触状态的情况下，一个轻微的外加推力将使转子1向右移动，从而形成L2＜L1的关系，其结果将是止推面8、9彼此接触，这样，即使外力消失，转子1也将无法回复到其初始位置。对于该问题来说，如果将L3预设成满足(L1-L2)＜2L3的关系，那么，即使受到一个临时性的外力，而且这一外力随后消失，转子1也将回到其初始位置。

图5是表示图4所示支承结构另一构形中的基本部分的剖视图。

该支承结构包括两个柱状可动侧磁铁3a、3aa，二者沿轴向磁化并且以一定间距被设在转子1上，该支承结构同样包括两个设在定子上的柱状固定侧磁铁3b、3bb。这样，同上述径向磁悬浮轴承中单个可动侧磁铁与单个固定侧磁铁同轴配置的情形相比，这一分别由多个柱状磁铁构成的支承结构由于从简单的单一磁化处理工序获得较大的磁力而使径向刚度得到增强。

图6是表示图5所示支承结构又一构形中的基本部分的剖视图。

该支承结构包括可动侧磁铁3a和固定侧磁铁3b，二者沿径向磁化以构成径向排斥型的径向磁悬浮轴承。对于采用这种径向磁化磁铁的结构配置来说，本发明可以达到上述构型所能达到的同样目的，后者的径向磁悬浮轴承包括沿轴向磁化的磁铁。

此外，只要使定子侧面内径尺寸大于转子的最大直径，转子将可以通过从定子侧面插入而方便地装配，从而保证了上述径向排斥型磁悬浮轴承在上述结构配置中的自由度。

图7是表示本发明第三实施例的支承结构的纵剖图，图8是表示该支承结构中处于移位状态的纵剖图。

与图1所示支承结构中的衬套不同，该支承结构包括设在转子1轴向两端的轴尖支承5、5，它们支承着旋转镜11之类的装置，以此限定间隙在转子1轴向上所具有的长度L。

对于长度为L所表示的间隙来说，其尺寸大小被设计成可以容纳装配各个组件时以及发生热膨胀时所形成的尺寸变化，而且，使两处磁悬浮轴承3和4所产生推力彼此达到平衡的中立位置基本上位于间隙的中部。

以上配置使作用在轴尖支承5、5上的力均可达到无限小，从而可以实现准非接触状态，并可保证该结构在转子1轴向上的精度。

以上所介绍的两套径向轴承是相同种类的，但事实上并非必须如此，不言而喻，各种可选种类的组合也是可行的。

如本发明所述的支承结构具有如下作用。

该支承结构包括磁悬浮轴承和枢轴，前者的配置方式可以使推力作用在轴向上的相反两个方向，后者可以相对于一中立位置移位并由此支承转子的轴端，这样，推力将会按照相对于中立位置的位移而作用在枢轴上，从而在中立位置的附近形成准非接触状态的支承，进而使转子在其整个转速范围内可以在低摩擦和低噪声的支承状态下旋转。因此，轴尖支承将受到很小的摩擦力并充分地维持超高转速而不产生噪声。

转子的至少一个支承点采用了吸引型磁悬浮轴承，这样可以获得很高的径向支承刚度，轴承的结构尺寸也因此而得以小型化，该吸引型磁悬浮轴承包括固定侧磁铁和可动侧磁铁，二者均以同心形式被布置成彼此相隔的两个环状磁铁，并且以彼此相反的磁化方向在轴向上被磁化，这样，彼此相对的这两个磁铁将可以沿轴向互相吸引，形成无磁通泄漏的封闭磁路，从而因高磁通密度得到很高的径向刚度。

显然，对于本领域专业人士来说，本发明在其基本思路及范围条件下还可以由其他许多的特定形式来实现。因此，所介绍的范例和实施例应被看作是用于说明而非限定性的，而且，本发明并不仅限于本说明书所给定的细节，而是可以在所附权利要求的范围及等效条件下有所改进。

Claims

1.一种支承结构，它包括一套或两套磁悬浮轴承以及枢轴，其中，磁悬浮轴承靠磁力以非接触方式对旋转装置转子在两个支承点上起径向支承作用，该轴承被布置成推力在轴向上沿相反方向作用的形式，设在转子轴线上的枢轴在使转子的一轴端在一点上获得支承的同时还允许该轴端相对于一中立位置沿轴向移位，在这一中立位置状态下，作用在转子上的所有力达到平衡。

2.如权利要求1所述的支承结构还包括将与转子所受推力方向相同的转子轴向位移限制在一定的范围内的止动装置。

3.如权利要求1所述的支承结构，其特征在于转子的至少一个上述支承点起着吸引型磁悬浮轴承的作用。

4.如权利要求3所述的支承结构，其特征在于，上述吸引型磁悬浮轴承包括固定侧磁铁和可动侧磁铁，二者均以同轴形式被布置成彼此相隔的两个环状磁铁，并且以彼此相反的磁化方向在轴向上被磁化，从而使彼此相对的这两个磁铁将可以沿轴向互相吸引。

5.如权利要求1所述的支承结构，其特征在于转子的至少一个上述支承点起着排斥型磁悬浮轴承的作用。

6.如权利要求5所述的支承结构，其特征在于，上述排斥型磁悬浮轴承包括固定侧磁铁和可动侧磁铁，二者均以线型方式被布置成彼此相隔的多个环状磁铁，并且以相同的磁化方向在轴向上被磁化，从而使彼此相对的这两个磁铁将可以沿径向互相排斥。

7.如权利要求1所述的支承结构还包括设在上述转子两端的枢轴，并且使所有推力达到平衡的中立位置基本上位于上述转子轴向上的一间隙的中部。