CN1786498A - 一种机械—永磁悬浮复合轴 - Google Patents

Abstract

一种机械－永磁悬浮复合轴，其中复合轴为铁磁性金属制成的主轴，分别设有锥形机械离合轴，在两个锥形机械离合轴的外侧不同极性地设有两个环形永磁悬浮轴；复合轴承为两个独立且相同的结构，分别套设在复合轴的远端和近端处，复合轴承具有一轴承支座，支座内对应复合轴上的锥形机械离合轴以及环形永磁悬浮轴的位置分别固定地设有锥形机械离合轴承及两个环形永磁悬浮轴承；气隙传感电磁控制部分，由气隙传感器、计算机、电磁铁构成，其中电磁铁安装在金属骨架内，该金属骨架一端与复合轴近端处的轴承支座相连接，使电磁铁与复合轴近端的铁磁性离合帽相对应，两者之间设有0.3－25mm气隙，该金属骨架的另一端连接一用于安装计算机的隔热舱。

Description

一种机械-永磁悬浮复合轴

技术领域

本发明涉及一种采用“机械轴与轴承”、“永磁悬浮轴与轴承”复合在一起的并由“气隙传感器-计算机-电磁铁”控制下在机械支承与永磁悬浮支承状态之间离合的“轴与支承”技术系统。简要地说，就是机械-永磁悬浮复合轴与轴承及其自动控制技术系统。

背景技术

磁悬浮轴与轴承之间有一定的气隙，在工作过程中它们不接触。因此，工作时无摩擦、不发热、转速高、能耗低、使用寿命长，是公认的换代技术，“绿色机电产品”。各国在这一技术领域竞相开发，而中国在这一领域也达到了世界先进水平。如上海大学研发的160xDS50M主动磁悬浮轴承技术，最高转速50000r/min；功率为4.5-22kw。该技术是上海大学2004年在上海国际工业博览会上的展出项目，专利申请号为200310107945.5。

采用主动电磁悬浮支承技术的主要缺点是，磁悬浮轴承的六个自由度都由气隙传感电磁控制，因此造成了能耗高、可靠性差、体积大、成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁悬浮轴和机械轴固定在一根主轴上的机械-永磁悬浮复合轴。该复合轴中的主轴上的永磁悬浮轴和机械轴相对应的永磁悬浮轴承和机械轴承分别固定在两个支座上，其中一个支座的一端设有电磁铁和与其相连的气隙传感器和计算机，它们构成了自动控制系统，使该“轴”与“轴承”能够在机械状态与悬浮状态两种条件下独立工作的技术系统。本发明体积小、重量轻、控制简捷安全可靠、制造成本低，节能，在各种机床、车辆、电机、磁悬浮列车中用途广泛。

本发明提出的机械-永磁悬浮复合轴与轴承及其自动控制技术系统由复合轴、复合铀承、气隙传感器电磁自动控制系统三部分构成，其中：

复合轴部分，由铁磁性金属制成主轴，在主轴的中部设有两个锥形机械离合轴，在锥形机械离合轴的外侧，对称设置有两个永磁悬浮轴，每个永磁悬浮轴都由两条环形永磁极构成，其中的一环为N极，另一环为S极，在主轴的一端设有铁磁性离合帽，另一端和中部是安装传动轮和工作轮的位置。

复合轴承部分，由两个独立单元组成，每个独立单元的复合轴承都由锥形机械离合轴承和永磁悬浮轴承构成。其空间位置分别与主轴上的锥形机械离合轴与永磁悬浮轴相对应，并固定在支座上。锥形机械离合轴承的内孔锥度与锥形机械离合轴的锥度严格一致，且表面光亮，确保“离可分开”、“合而无缝”。永磁悬浮轴承由两条环形永磁极构成，一环为N极，另一环为S极，分别与主轴上的永磁悬浮轴的N极和S极对应，两者之间设有1-30mm的气隙，同极相对形成斥悬浮力。

气隙传感电磁自动控制系统部分，由气隙传感器、计算机、电磁铁构成，该系统安装在复合轴承支座的一端，其中电磁铁与主轴上的铁磁性离合帽相对应，电磁铁与离合帽之间的气隙为0.3-25mm。计算机安装在支座最外端的隔热舱内，气隙传感器安装在电磁铁的中央对应离合帽的中心位置。当电磁铁在非工作状态下，永磁悬浮轴与永磁悬浮轴承之间的纵向磁场力将锥形机械离合轴推进并压实在锥形机械离合轴承之内，机械轴承处于工作状态。当传感器、计算机、电磁铁的电源接通后，也就是电磁铁处于工作状态下，传感器将测得的电磁铁与离合帽之间的气隙距离信号传给计算机，计算机将其与标准气隙距离进行比较：如两者之间的距离大于标准气隙时，则计算机按程序增大电磁铁中的电流，使电磁吸引力克服磁悬浮轴与轴承之间的纵向磁场力，拉动主轴的离合帽向靠近电磁铁方向移动，到达标准气隙，此时锥形机械离合轴与锥形机械离合轴承脱离接触，永磁悬浮轴与永磁悬浮轴承之间开始工作；若两者之间的距离小于标准气隙距离时，则计算机按程序减小电磁铁中的电流，使电磁吸引力小于永磁悬浮轴与永磁悬浮轴承之间的纵向磁场力，在后者的作用下，主轴上的离合帽与电磁铁之间的气隙增大，恢复标准气隙。由此可知，永磁悬浮轴与轴承的悬浮工作过程也是电磁引力与其纵向磁斥力的平衡过柞，但这种振动位移是极其微小的，可控制的。

附图说明

图1为本发明总体结构剖面示意图。

图2为本发明复合轴剖面示意图。

图3为本发明复合轴承剖面示意图。

图4为本发明复合轴承及其气隙传感自动电磁控制系统的安装接口剖面示意图。

图5为本发明气隙传感电磁自动控制系统剖面示意图。

具体实施方式

以下所述内容是结合附图对本发明作的详细说明，而不应被理解为是对本发明的限定。

请参阅图1，是本发明总体结构剖视示意图，从图中可以看出，复合轴1套设在两个复合轴承2、3中，并且复合轴1的一端设有离合帽8，在复合轴承3的一侧还设有电磁铁19、气隙传感器27以及计算机24。

结合图2描述复合轴1的结构。为便于描述，将复合轴1分为三段，其中连接有离合帽8的一端称为近端，其另一端称为远段，其中间称为中端。复合轴1具有一主轴5，由铁磁性钢料制成，在主轴5的中端设有两个锥形机械离合轴6和6’，在两个锥形机械离合轴6的外侧，即锥形机械离合轴6与近端之间以及锥形机械离合轴6’与远端之间各设两条环形永磁悬浮轴7，该两条环形永磁悬浮轴7为不同极性，也就是其中一环为S极，另一环则为N极。在主轴5的近端用螺丝固定有一铁磁性材料制成的离合帽8。主轴5的中端和远端是轮轴9，该轮轴9上设有固定键槽10，是用于安装传动轮或工作轮的位置。轮轴9是与主轴5一体加工而成。锥形机械离合轴6由金属合金制成，永磁悬浮轴7由高磁能级永磁材料比如但不限于NdFeB(钕铁硼)制成，它们都用螺栓与主轴5固定。

结合图3描述复合轴承2的结构。支座11是复合轴承2、3的骨架。支座11的两侧设有固定板12，该固定板12是支座11的组成部分，两者一体制成。固定板12上设有两个固定孔13，用于将本发明的复合轴承固定在列车的车体上。锥形机械离合轴承14安装在支座11内的一侧，两条环形永磁悬浮轴承17安装在支座11内的中、右部，这两条环形永磁悬浮轴承17设置为不同极性。当复合轴1套设在复合轴承2内时，这两条环形永磁悬浮轴承17分别与复合轴1上相对应的环形永磁悬浮轴7磁极同极相对，且相互之间的气隙范围为1-30mm，两者形成斥悬浮力。支座11的两侧由密封盖15螺丝拧紧压实，密封盖15中央设有主轴孔16。支座11和密封盖15所用材料没有严格限定，只要材料的牢固程度达到使用要求均可，比如金属或非金属材料：铁、铜、铝合金或工程塑料等；永磁悬浮轴承17由高磁能级材料比如但不限于NdFeB制成。

请参阅图4，是本发明复合轴承3的剖面示意图，但与图3所示的复合轴承2的区别是，复合轴承3中的轴承支座11靠复合轴1近端处设有连接后述气隙传感电磁控制部分的接口18；该轴承支座靠中端处螺丝连接一密封盖15。图4中的密封盖15和图3所示的密封盖15同轴地开设有主轴孔16。

请参阅图5，为本发明气隙传感器电磁制动控制系统4的剖面示意图。气隙传感控制部分，由气隙传感器27、计算机24、电磁铁19构成，其中电磁铁19安装在金属骨架20内，该金属骨架20的一端为螺纹21，与复合轴承3的接口18密封螺纹连接，使电磁铁19与复合轴1上的铁磁性离合帽8相对应，该电磁铁19与离合帽8之间的气隙为0.3-25mm；气隙传感器27为常见的光电传感器，安装在电磁铁上并对应离合帽8的中心位置。该金属骨架20的侧面开有散热窗22，以便电磁铁19散热，金属骨架20的另一端用螺丝连接一隔热舱23，计算机24安装在隔热舱23的舱体25内，舱体25与金属骨架20用螺纹口26连接。隔热计算机舱23与电磁铁19及气隙传感27之间设有导线孔28连通，并由隔热层29与电磁铁隔开。

通过上述描述，便可理解本发明机械-永磁悬浮复合轴与轴承及其自动控制技术系统的工作原理：当气隙传感电磁自动控制系统关闭时，永磁悬浮轴7与轴承17之间的纵向磁场力将锥形机械离合轴6推进并压实在锥形机械离合轴承14内，使机械轴与轴承处于工作状态。当气隙传感电磁自动控制系统开通时，气隙传感器27将测得的电磁铁19与离合帽8之间的气隙距离转送给计算机24，计算机24将其与预先设定的标准气隙(设定的具体值须是0.3-25mm范围内的任一值)进行比较：若两者之间的距离大于标准气隙时，则计算机24按程序增大电磁铁19中的电流，使电磁吸引力能够克服磁悬浮轴7与磁悬浮轴承17之间的纵向磁场力，拉动离合帽8(即复合轴)向靠近电磁铁19方向移动，使两者之间达到标准气隙，此时锥形机械离合轴6与锥形机械离合轴承14脱离接触，永磁悬浮轴7与永磁悬浮轴承17之间开始工作；若两者之间的距离小于标准气隙时，则计算机24按程序减小电磁铁19中的电流，使电磁吸引力小于永磁悬浮轴7与永磁悬浮轴承17之间的纵向磁场力，在后者的作用下离合帽8(即复合轴)与电磁铁19之间的气隙增大恢复标准气隙。由此可知，永磁悬浮轴7与轴承17的工作过程，也是电磁引力与其纵向磁场斥力的动态平衡过程，但这种动态平衡的振动位移是极其微小的，可控的。

本发明机械-永磁悬浮复合轴与轴承及其自动控制技术系统有如下优点：

1、体积小、重量轻，相当于主动电磁悬浮技术的50％；

2、节能效果显著，达40-60％；

3、造价低，可降低成本40％以上；

4、在机械与磁悬浮两种状态下切换工作，控制简捷安全可靠，运行稳定。

Claims (10)

1.一种机械-永磁悬浮复合轴，主要由复合轴、复合铀承、气隙传感电磁自动控制系统三部分构成，其中：

复合轴，为铁磁性金属制成的一主轴，该主轴的中端及远端为用于安装车轮的轮轴，在中端轮轴的两侧分别各设有一锥形机械离合轴，在两个锥形机械离合轴的外侧分别不同极性地设有两个环形永磁悬浮轴；

复合轴承，为两个独立且相同的结构，分别套设在复合轴的远端和近端处，每个复合轴承均具有一轴承支座，其中套设在复合轴远端的轴承支座其两端各结合一密封盖，另一个轴承支座靠复合轴近端处设有连接后述气隙传感电磁控制部分的接口，该轴承支座靠中端处结合一密封盖，上述密封盖同轴地开设有主轴孔，以安放上述复合轴；支座内对应复合轴上的锥形机械离合轴以及环形永磁悬浮轴的位置分别固定地设有一锥形机械离合轴承以及两个环形永磁悬浮轴承；

复合轴与复合轴承安装后，复合轴上的各锥形机械离合轴分别与各锥形机械离合轴承套合，各环形永磁悬浮轴分别与各环形永磁悬浮轴承同极性套合，且各环形永磁悬浮轴与其相对应的各环形永磁悬浮轴承之间具有1-30mm间隙，使各环形永磁悬浮轴与相对应的环形永磁悬浮轴承两者之间同极相对形成斥悬浮力；

气隙传感电磁控制部分，由气隙传感器、计算机、电磁铁构成，其中电磁铁安装在金属骨架内，该金属骨架的一端与复合轴近端处的轴承支座相连接，使电磁铁与复合轴近端的铁磁性离合帽相对应，两者之间设有0.3-25mm的气隙，该金属骨架的另一端连接一用于安装计算机的隔热舱；气隙传感器安装在电磁铁上，并对应离合帽的中心位置；

由上述装置组成的机械-永磁悬浮复合轴，在断电处于非工作状态下时，永磁悬浮轴与永磁悬浮轴承之间的纵向磁场力将锥形机械离合轴推进并压实在锥形机械离合轴承之内，机械轴承处于工作状态；在电源接通处于工作状态下，电磁铁吸引复合轴上的电磁性离合帽，使锥形机械离合轴与其轴承分离；气隙传感器将测得的电磁铁与离合帽之间的气隙距离信号传给计算机，计算机将其与标准气隙距离进行比较：如两者之间的距离大于标准气隙时，计算机增大电磁铁中的电流，使电磁吸引力克服永磁悬浮轴与轴承之间的纵向磁场力，拉动主轴的离合帽向靠近电磁铁方向移动，到达标准气隙；若两者之间的距离小于标准气隙距离时，则计算机减小电磁铁中的电流，使电磁吸引力小于永磁悬浮轴与永磁悬浮轴承之间的纵向磁场力，在后者的作用下，主轴上的离合帽与电磁铁之间的气隙增大，恢复标准气隙。

2.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，复合轴上的环形永磁悬浮轴与复合轴承支座内的环形永磁悬浮复合轴承为钕铁硼磁性材料制成。

3.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，复合轴上的环形永磁悬浮轴用螺栓固定在主轴上。

4.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，安装车轮的轮轴上设有固定键槽。

5.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，复合轴承两端的密封盖与支座之间的为螺纹连接。

6.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，气隙传感电磁控制部分的金属骨架与轴承支座之间为螺纹连接。

7.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，气隙传感电磁控制部分的金属骨架与安装计算机隔热舱之间为螺纹连接。

8.权利要求1或7的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，电磁铁金属骨架侧面开设有散热窗。

9.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，气隙传感器为光电传感器。

10.权利要求1的机械-永磁悬浮复合轴，其特征在于，复合轴承的支座和密封盖用金属或非金属材料制成。

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