CN202612391U - 一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统。它包括2个径向永磁轴承，2个轴向永磁轴承，以及转子、外壳及保护轴承等组成。本实用新型可以使转子在等于或者高于设计工作转速下，实现转子与轴承之间的无机械摩擦的转动。且能达到运转稳定可靠，耗能小，是节能、可靠、高效、环保的支承部件之首选，并易于在相关工业领域中推广应用。

Description

一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统

技术领域

本实用新型涉及一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，在低速转动时需采用辅助轴承来实现转子的完全悬浮。本实用新型可以减轻机械装置的整体重量，且无需传感器和外置控制器，除了具有传统电磁轴承的诸多优点外，还有结构简单紧凑，不需要提供能源等特点，适用于为一般或特殊要求的转子提供支承。

背景技术

在工程实践中，由于转子可绕轴向任意转动，因此对于转子系统而言共有五个自由度。当这五个自由度都得到控制时，则称转子系统为五自由度全控制。在本实用新型所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统中，两个轴向永磁轴承（均由磁环（4）、磁环（8）组成）控制系统一个轴向移动的自由度，在低速时两个保护轴承（10）分别控制系统沿径向移动及转动的自由度，在高速转动时依靠磁场产生的陀螺效应限制径向自由度及转动自由度。

本实用新型涉及之技术领域目前为非磁性材料环境，并对周围的物件可能产生磁化影响，因此应用中有必要进行磁屏蔽。

Earnshaw理论揭示了对于任何物质如果它所受到的作用力是与距离的平方成反比时，这些物质都无法稳定的悬浮，它可用于说明当带电粒子或磁性粒子处于只有散度而无旋度场组合作用的自由空间时，该粒子无法稳定的悬浮，因此无论静电场、静磁场和重力场怎样组合都无法在自由空间中构造出稳定悬浮所需的三维势能阱。 Earnshaw 理论论述的静磁场问题，可以以磁矩为的磁偶极子                                                处在磁感应强度为

的磁场的况来说明，该偶极子的势能为Umag为： 

 如果

为常数，势能就取决于磁感应强度

，而对于静磁场有

，从而可以推出

，因不存在势能局部最小点。由该理论可推得磁力刚度 Kx + Ky + Kz= 0。因而对于永磁体、直流线圈组合的悬浮系统，至少需要对一个自由度进行限制，才能使悬浮体稳定悬浮。 

    然而Earn shaw 理论分析中忽略了转子如果一开始就是转动的情况下，即对转子的运动状态未做约束，经过研究表明，在转子一开始就是转动的情况下，是有可能实现转子的稳定的，因为在动能的共同作用下就可能存在一个势能最小点。举一个简单的例子，如levitron，它实现了动态的永磁悬浮，其原理是陀螺效应和磁力的组合。

目前，磁悬浮轴承作为世界上公认的高性能支承部件，已经得到了广泛的认可。这种具有传统机械支承技术所无法比拟的支承部件具有各类传统轴承无法达到的技术指标和性能特点。国际上研究磁悬浮轴承的理论与技术可以追溯到上个世纪之初，我国研究主动磁悬浮轴承（active magnetic bearing, 简称AMB）的历史可以追溯到上个世纪八十年代。

目前，磁悬浮轴承的基本理论和技术问题大部分得到了解决，目前主要面对的是工业应用问题，而其中相关的工艺要求和技术指标等方面的问题不尽相同，已成为这一技术发展的瓶颈之处。故而到目前为止，磁悬浮支承这一新技术在我国的应用方面仍是空白。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有主动磁悬浮轴承（AMB）技术存在的性能、设计与应用方面的不足，提供了一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统。它的特点在于在低速时依靠辅助轴承来助稳，在高速时不需要任何辅助装置，从而实现了转子的5个自由度完全悬浮。

本实用新型涉及之全永磁悬浮轴承转子系统可广泛应用于特种工业领域。其优点是除了具有AMB的所有特征外，无需提供任何的能源，是一种既节能又环保的新支承部件。

根据上述构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，主要包括一个磁屏蔽外壳，一个转子，2个径向轴承（每个径向轴承均由第一静磁环、第一动磁环组成），2个轴向轴承（每个轴向轴承均由第二静磁环、第二动磁环组成）和两个机械保护轴承。

所述两个全永磁悬浮轴向轴承和两个径向轴承的磁化方向为：轴向磁化。

所述两个全永磁悬浮轴承有两个小环：2个轴向轴承动磁环。轴向轴承动磁环和分别安装于转子的两端外侧和内侧位置处，与转子固定连接，轴向轴承静磁环和径向轴承静磁环则与外壳固定连接。

所述两个径向全永磁悬浮轴承（均由第一动磁环与第一静磁环组成）之间的轴向偏移距离Y，径向全永磁悬浮轴承第一动磁环与第一静磁环之间的工作气隙X也为必需。在应用时，径向全永磁悬浮轴承之间的轴向偏移距离Y可以按照需要进行调整，但径向全永磁悬浮轴承之间的工作气隙X一般不可人为改变。

所述两个轴向全永磁悬浮轴承（均由第二动磁环与第二静磁环组成）之间的轴向偏移距离Z。在应用时，轴向全永磁悬浮轴承的轴向偏移距离不可人为改变。

所述两个机械保护轴承的内孔半径比转子的半径大W，以保证转子在达到设计转速时，不与机械保护轴承发生碰摩。

工作原理：当系统未启动时，转子受两个轴向轴承（均由磁环第二动磁环、第二静磁环组成）相反的斥力而限制其在轴向方向上的任意移动；转子受到两个径向轴承（均由第一静磁环、第一动磁环组成）的径向斥力而限制其在径向方向上的任意移动。但是此时转子是不稳定的，或者说转子处于准平衡状态。当转子启动后，起初转子因为受力不平衡会绕中心轴以一定角度转动，此时转子两端会依靠两个机械轴承临时提供支撑，当转子转速达到设计值（该值由转子直径、长度以及每个磁环的尺寸和磁场强度决定）时，转子会由于陀螺效应定心，绕中心轴的转动角度会随着转子角速度的增大越来越小，最终达到工业应用的要求。

本实用新型涉及之全永磁悬浮轴承转子系统可应用于特种工况，但其实现还需要进行磁场的屏蔽设计，其实际使用中对环境的影响将视屏蔽技术及效果而定。

本实用新型所述之全永磁悬浮轴承的技术可实现指标将与全永磁悬浮轴承的充磁、安装技术的精度与难度成正比。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本实用新型的转子系统在转速达到设计转速时，即可实现转子的五自由度完全悬浮，阻力小，能耗低，易于在相关工业领域中推广应用。

附图说明

图1是本实用新型五自由度全永磁悬浮轴承转子系统结构示意图。

图2是图1中径向轴承结构示意图。

图3是图1中轴向轴承结构示意图。

图4是图1中转子锥度结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例以结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，包括:转子（6），其特征在于所述转子（6）中间位置对称安装两个径向永磁轴承，每个径向永磁轴承由第一静磁环（5）、第一动磁环（7）组成，且这些磁环（5、7）的磁化方向均为轴向磁化；第一静磁环（5）与外壳（2）固定，第一静磁环（5）与第一动磁环（7）同极相对，第一动磁环（7）在轴向方向利用套筒（3）定位，第一静磁环（5）与第一动磁环（7）在轴向方向有相对偏移Y，在径向方向上有气隙X；在转子（6）左右段中部对称安装两个轴向永磁轴承；每个轴向永磁轴承由第二静磁环（8）和第二动磁环（4）组成，第二动磁环（4）与第二静磁环（8）磁化方向均为轴向，两磁环同极相对，第二动磁环（4）在轴向方向利用套筒（3）定位，第二静磁环（8）与外壳（2）固定，第二动磁环（4）与第二静磁环（8）之间有气隙Z；

还有两个机械保护轴承（10）：与外壳（2）固定，放在转子（6）的两端，且与转子（6）之间有间隙W。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图1，图2，图3，图4，所述第二动磁环（4）与第二静磁环（8）之间的气隙Z为1-50mm。第二动磁环（4）与轴固定在一起，第二静磁环（8）的内孔直径比安装处的转轴直径大3-10mm。所述第一静磁环（5）与第一动磁环（7）之间的轴向气隙Y为1-15mm，径向气隙X为0.5-5mm。所述两个机械保护轴承（10）的内孔直径比安装机械轴承处的转轴直径大0.2-5mm。所述转子（6）的两端是锥形的。所述机械保护轴承（10）与转子（6）的摩擦系数不高于0.3，耐温能力不低于500℃，机械保护轴承（10）与转子（6）的间隙W为0.5mm-20mm。在每对磁环之间设有绝磁垫（9），绝磁垫的厚度为0.1-5mm。

实施例三

参见图1，本自由度全永磁轴承悬浮系统，包括一个外壳（2），一个转子（6），两个径向永磁轴承（均由第一动磁环（7）和第一静磁环（5）组成）、两个轴向永磁轴承（均由第二动磁环（4）和第二静磁环（8）组成）。

参见图2，上述五自由度全永磁轴承悬浮系统中径向永磁轴承是由动静两个磁环组成，第一动磁环（7）与转子（6）固接，第一静磁环（5）与外壳（2）固接。按照实际计算结果，动静环间的轴向间隙Y大小可调节。

参见图3，上述五自由度全永磁轴承悬浮系统中轴向永磁轴承是由动静两个磁环组成，第二动磁环（4）与转子（6）固接，第二静磁环（8）与外壳（2）固接。按照实际计算结果，动静磁环的轴向间隙Z大小可调节。

参见图4，上述五自由度全永磁轴承悬浮系统中转子的端部是锥形的，其锥度和锥度部分的长度要根据转子（6）的长度和直径，做成不同的角度和大小，便于转子（6）在达到设计转速更快实现稳定悬浮。

Claims (8)

1.一种五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，包括转子（6），其特征在于所述

转子（6）中间位置对称安装两个径向永磁轴承，每个径向永磁轴承由第一静磁环（5）、第一动磁环（7）组成，且这些磁环（5、7）的磁化方向均为轴向磁化；第一静磁环（5）与外壳（2）固定，第一静磁环（5）与第一动磁环（7）同极相对，第一动磁环（7）在轴向方向利用套筒（3）定位，第一静磁环（5）与第一动磁环（7）在轴向方向有相对偏移Y，在径向方向上有气隙X；在转子（6）左右段中部对称安装两个轴向永磁轴承；每个轴向永磁轴承由第二静磁环（8）和第二动磁环（4）组成，第二动磁环（4）与第二静磁环（8）磁化方向均为轴向，两磁环同极相对，第二动磁环（4）在轴向方向利用套筒（3）定位，第二静磁环（8）与外壳（2）固定，第二动磁环（4）与第二静磁环（8）之间有气隙Z；

还有两个机械保护轴承（10）：与外壳（2）固定，放在转子（6）的两端，且与转子（6）之间有间隙W。

2.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述第二动磁环（4）与第二静磁环（8）之间的气隙Z为1-50mm。

3.根据权利要求2所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于，第二动磁环（4）与轴固定在一起，第二静磁环（8）的内孔直径比安装处的转轴直径大3-10mm。

4.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述第一静磁环（5）与第一动磁环（7）之间的轴向气隙Y为1-15mm，径向气隙X为0.5-5mm。

5.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述两个机械保护轴承（10）的内孔直径比安装机械轴承处的转轴直径大0.2-5mm。

6.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述转子（6）的两端是锥形的。

7.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于所述机械保护轴承（10）与转子（6）的摩擦系数不高于0.3，耐温能力不低于500℃，机械保护轴承（10）与转子（6）的间隙W为0.5mm-20mm。

8.根据权利要求1所述的五自由度全永磁悬浮轴承转子系统，其特征在于，在每对磁环之间设有绝磁垫（9），绝磁垫的厚度为0.1-5mm。

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