CN1963244A - 一种自适应转子重量的永磁推力轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的自适应转子重量的永磁推力轴承，包括定子、转子以及辅助向心轴承，定转子之间具有气隙，其中定子由n对叠装的交替充磁方向的永磁环以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环构成；转子由m对叠装的交替充磁方向的永磁环以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环构成，n、m均为自然数。该永磁推力轴承利用定、转子永磁环承受轴向转子重力，辅助向心轴承承受径向分力的方法来实现各个自由度上的平衡，具有轴向推力大、结构简单、安装方便、自适应转子重量、不易失磁，不需要润滑和冷却等优点，尤其适合应用于需要大型推力轴承的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁推力轴承，尤其是一种自适应转子重量特点的永磁推力轴承，适用于水轮机转子、飞轮系统等需要大型推力轴承支撑的应用场合。
背景技术
目前工业上广泛运用的机械式推力圆柱滚子轴承、推力球轴承等，具有单位面积推力有限、易磨损、需润滑、价格昂贵等局限。而永磁材料所具有的矫顽力大、剩磁强、磁能积大、退磁曲线近似线性等特点使得永磁轴承有可能代替传统机械轴承。同时随着高性能稀土永磁材料的快速商业化，以及相应加工技术的发展，永磁轴承所具有的体积小、结构简单、无能量消耗等特点使之能够在航空、仪表、化工、电气等诸多领域有其独特的应用场合。目前人们主要关注永磁径向轴承的应用与实现，而永磁推力轴承的研究很少。少量涉及永磁推力轴承的相关专利，如中国专利CN2632381公开的永磁全磁浮推力轴承，直接利用极性相同的中央永磁块之间的斥力进行轴向悬浮，利用极性相反的外围永磁块之间的吸力保持径向稳定，实际上是一种理想情况下的悬浮，未能很好的考虑到加工难度、磁力线短路现象、失磁、刚度、稳定性等实际问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种易于加工，运行稳定，适用于大型旋转机械的自适应转子重量的永磁推力轴承。
本发明的自适应转子重量的永磁推力轴承，包括定子、转子以及辅助向心轴承，定转子之间具有气隙，其中定子由n对叠装的交替充磁方向的永磁环以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环构成；转子由m对叠装的交替充磁方向的永磁环以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环构成，n、m均为自然数。
上述定子永磁环的充磁方向可以为轴向充磁或者径向充磁。转子永磁环的充磁方向也可以为轴向充磁或者径向充磁。定、转子永磁环的充磁方向可以有以下四种组合：定子永磁环为径向充磁，转子永磁环为轴向充磁；定子永磁环为轴向充磁，转子永磁环为径向充磁；定子永磁环为径向充磁，转子永磁环为径向充磁；定子永磁环为轴向充磁，转子永磁环为轴向充磁。
本发明中所说的定子永磁环的对数n和转子永磁环的对数m可以相等，也可以不等。
所说的定、转子的非导磁环可以为铜环或铝环。非导磁环的设置起到了减缓相邻永磁环之间磁力线短路现象的作用，同时对转子轴向位移、转子径向安装偏差以及加工等问题所产生的磁场不均匀现象起到一定的阻尼作用。为方便安装，通常使定子非导磁环与定子永磁环的环形面形状相同，转子非导磁环与转子永磁环的环形面形状相同。
使用时，将本发明的永磁推力轴承的转子与转轴紧固，辅助向心轴承安装在转轴的一端或者两端，限制转子的径向偏移，转子可以通过联轴器与原动机相连；定子固定在相应的机座上，如水轮机的底座、飞轮系统的机架等。定转子轴向方向(重力方向)上允许有一定的位移。
根据英国物理学家EarnShaw的证明，在只有受力与距离平方成反比关系的恒定磁场中，一个物体无法处于稳态。所以对于永磁轴承来说，仅使用永磁块，无法实现所有自由度上的稳定平衡。本发明利用定、转子永磁环承受轴向转子重力，辅助向心轴承承受径向分力的方法来实现各个自由度上的平衡。
本发明的自适应转子重量的永磁推力轴承具有轴向推力大、结构简单、安装方便、自适应转子重量、不易失磁，不需要润滑和冷却等优点，尤其适合应用于需要大型推力轴承的场合。
附图说明
图1是本发明的自适应转子重量的永磁推力轴承的结构示意图；
图2的为图1的A-A剖视图；
图3～图6为本发明的定、转子永磁环的四种充磁方向示意图，以4环结构为例；
图7为本发明的永磁推力轴承的应用总装示意图；
图8为永磁推力轴承的自稳定工作区域示意图。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明的自适应转子重量的永磁推力轴承，包括定子1、转子2以及辅助向心轴承5，定转子之间具有气隙3，定子1由n对叠装的交替充磁方向的永磁环1-1以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环1-2构成；转子2由m对叠装的交替充磁方向的永磁环2-1以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环2-2构成，n、m均为自然数，图1中定子永磁环的对数与转子永磁环的对数相等，图中4为转轴。
定、转子永磁环充磁方向可以有如图3～图6所示的四种组合：定子永磁环为径向充磁，转子永磁环为轴向充磁；定子永磁环为轴向充磁，转子永磁环为径向充磁；定子永磁环为径向充磁，转子永磁环为径向充磁；定子永磁环为轴向充磁，转子永磁环为轴向充磁。对每一种组合，当定、转子充磁方向与对应图示中箭头方向相反时，其效果保持一致，均能产生所需要的永磁推力。考虑到实际旋转时转子永磁环需要承受旋转时的应力，不适合分块组装，且径向充磁存在加工难度，所以转子永磁环的充磁方向应当优先选择轴向充磁。
以定子永磁环径向充磁、转子永磁环轴向充磁为例说明本发明永磁推力轴承的原理。如图1所示的结构，径向充磁的定子永磁环在轴向充磁的转子永磁环表面形成一个合成磁场，该磁场可以分解为径向磁场和轴向磁场。轴向充磁的转子永磁环在该径向磁场的作用下产生向上的推力，而在轴向磁场的作用下产生径向的拉力。当定、转子永磁环为正对位置时(即图1所示的定、转子永磁环无轴向位移时的临界平衡状态)，转子永磁环受到最大的轴向推力，而在径向上所受合力为零，表现为临界稳定状态。当定、转子永磁环为非正对位置时，转子永磁环仍然受到轴向推力，此时轴向推力随着轴向偏移的增加而下降。
对于图3、图4所示的定、转子永磁环充磁方向为径向-轴向或者轴向-径向的结构，其磁力学原理与特性与图1类似。对于图5、图6所示的定、转子永磁环充磁方向为径向-径向或者轴向-轴向的结构，其磁力学原理与图1类似，不同点在于其达到最大轴向推力的位置不在定、转子永磁环的正对位置，相应的最大轴向推力位置分别如图5、图6所示。
定、转子永磁环的对数可以根据实际需要进行调整，图3～图6给出的是4环结构。永磁环数的增加可以显著提高轴向推力和轴向刚度，实际设计确定永磁环数时则需要综合考虑轴承轴向长度、永磁材料经济性、最大推力等因素。
结合图7的总装示意图具体说明本发明的安装方式。永磁推力轴承的定子1通过紧固件与机座6相连，转子2通过键9与主轴4相连，图中：3为气隙，11、12分别为转子的上压板和下压板，10为压紧螺母，主轴的一端安装辅助向心轴承5，以保证径向偏差在允许范围内，图例中采用的是机械式轴承，或者也可以用主动式电磁轴承。辅助向心轴承5通过轴承座7与机座脚架8相连，另一端可以通过联轴器与原动机相连。
本发明的永磁推力轴承允许定转子之间存在一定的轴向位移，试验表明，该永磁推力轴承具有自适应转子重量的特点。对于图1所示的结构，其轴向推力与转子轴向位移的关系如图8所示。对于A区域内的转子轴向位移，本发明的永磁推力轴承具有正的轴向刚度，所以可以达到轴向推力方向的自稳定。
Claims (10)
1.一种自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于包括定子(1)、转子(2)以及辅助向心轴承(5)，定转子之间具有气隙(3)，其中定子(1)由n对叠装的交替充磁方向的永磁环(1-1)以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环(1-2)构成；转子(2)由m对叠装的交替充磁方向的永磁环(2-1)以及夹置在相邻永磁环之间的非导磁环(2-2)构成，n、m均为自然数。
2.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子永磁环(1-1)的充磁方向为轴向充磁或者径向充磁。
3.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于转子永磁环(2-1)的充磁方向为轴向充磁或者径向充磁。
4.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子永磁环(1-1)为径向充磁，转子永磁环(2-1)为轴向充磁。
5.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子永磁环(1-1)为轴向充磁，转子永磁环(2-1)为径向充磁。
6.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子永磁环(1-1)为径向充磁，转子永磁环(2-1)为径向充磁。
7.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子永磁环(1-1)为轴向充磁，转子永磁环(2-1)为轴向充磁。
8.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于夹置在定子相邻永磁环(1-1)之间的非导磁环(1-2)和夹置在转子相邻永磁环(2-1)之间的非导磁环(2-2)为铜环或铝环。
9.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于定子非导磁环(1-2)与定子永磁环(1-1)的环形面形状相同，转子非导磁环(2-2)与转子永磁环(2-1)的环形面形状相同。
10.根据权利要求1所述的自适应转子重量的永磁推力轴承，其特征在于辅助向心轴承(5)是机械式轴承或主动式电磁轴承。
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