WO2012094837A1 - 一种永磁悬浮轴承及其安装结构 - Google Patents

一种永磁悬浮轴承及其安装结构 Download PDF

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WO2012094837A1
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radial
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张平
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关家树
张思维
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet suspension bearing and a mounting structure thereof. Background technique
  • the magnetic suspension bearing uses magnetic force to suspend the rotor in the air, so that there is no mechanical contact between the rotor and the stator.
  • the rotor can run to a high speed, with low mechanical wear, low energy consumption, low noise, long life, no lubrication, no Oil pollution and other advantages, especially suitable for high-speed, vacuum, ultra-clean and other special environments.
  • the journal In operation, the journal is mounted in the inner ring, and the pressure of the shaft against the inner ring overcomes the suction of the radial permanent magnet to the inner ring, thereby causing the inner ring to be in suspension.
  • the permanent magnet suspension bearing has the advantages of simple structure and strong practicability, and the permanent magnet suspension bearing is suitable for the working situation in which the inner ring is the rotor and the outer ring is the stator. However, for some applications where the outer ring is a rotor and the inner ring is a stator, such as the driven wheels of various vehicles, the above-mentioned permanent magnet suspension bearings are not suitable.
  • a magnetic attraction force between the first radial permanent magnet and the permanent magnet ring in a radial direction enables the permanent magnet ring to be The inner ring or the first radial permanent magnet is in contact; when the outer ring is in a loaded state, the outer ring can be suspended outside the inner ring for free rotation.
  • each of said axial permanent magnets is located at an intermediate position of the two permanent magnet rings adjacent to the axial permanent magnet in the axial direction.
  • the central angle ⁇ of the first arc is 60 degrees to 100 degrees
  • the central angle ⁇ of the second arc is 120 degrees to 200 degrees.
  • a permanent magnet suspension bearing according to the present invention utilizes an outer ring and an axial direction provided with a permanent magnet ring body
  • the magnetic force of the permanent magnet and the radial permanent magnet realizes the axial position control and radial position control of the outer ring, and is more suitable for the working environment in which the outer ring is the rotor and the inner ring is the stator.
  • FIG. 1 is an axial cross-sectional view of a permanent magnet suspension bearing according to an embodiment of the present invention, showing a distribution of respective magnetic poles in an embodiment of a permanent magnet suspension bearing assembly;
  • Figure 4 is a front elevational view of the first radial permanent magnet of Figure 3;
  • Figure 5 is a cross-sectional view taken along line A-A of the permanent magnet suspension bearing of Figure 1;
  • Fig. 6 is an embodiment of a mounting structure of a permanent magnet suspension bearing according to the present invention. detailed description
  • the present invention provides a permanent magnet suspension bearing, which comprises: an inner ring 1;
  • each of the first radial permanent magnets 3 is magnetically attracted to the corresponding permanent magnet ring body 21 in a radial direction; at least one axial permanent magnet 4, the at least one axial permanent magnet 4 Fixed on the inner ring 1 and protruding from the outer circumferential surface of the inner ring 1, and the at least one axial permanent magnet 4 is located between the permanent magnet ring bodies 21, so that the outer ring 2 is along In the axial direction, it is in a state of force balance.
  • the inner ring 1 may be made of a magnetically permeable material or a non-magnetically permeable material
  • the permanent magnet ring 21 is fixed on the inner circumferential surface of the outer ring 2
  • the inner ring 1 is sleeved in the outer ring 2
  • the permanent magnet ring body The inner diameter of 21 is larger than the outer diameter of the inner ring 1. Since the permanent magnet ring 21 is fixed to the inner circumferential surface of the outer ring 2, the permanent magnet ring 21 and the outer ring 2 can be regarded as a single body when the permanent magnet suspension bearing is in the loaded state. The force acting on the outer ring 2 also acts on the permanent magnet ring 21.
  • the first radial permanent magnet 3 can be fixedly mounted to the inner ring 1 in a plurality of ways, for example, a notch can be machined in the inner ring 1, and the first radial permanent magnet 3 can be embedded in the notch, and then bonded The agent or filler securely fixes the first radial permanent magnet 3.
  • the first radial permanent magnet 3 is not limited to the above-described mounting manner.
  • the inner ring 1 is made of a magnetic conductive material
  • the first radial permanent magnet 3 may also be fixedly disposed on the outer circumference of the inner ring 1. On the surface. Therefore, the fixed mounting manner of the first radial permanent magnet 3 and the inner ring 1 can be selected depending on the specific application, which will be described in more detail below.
  • the axial permanent magnet 4 can be fixed in place on the inner ring 1 in a variety of ways. E.g, The axial permanent magnet 4 can be fixed to the outer circumferential surface of the inner ring 1. In addition, the axial permanent magnet 4 can also be embedded in the inner ring 1, similar to the first radial permanent magnet 3, in order to facilitate the installation of the permanent magnet suspension bearing, after the axial permanent magnet 4 is fixed on the inner ring 1.
  • the outer surface height should be lower than the inner circumferential surface of the permanent magnet ring body 21, so that after the permanent magnet ring bodies 21 are fixed one by one on the inner circumferential surface of the outer ring 2, the inner ring 1 of at least one axial permanent magnet 4 is fixed. The inside of the outer ring 2 is loaded.
  • the suspension state of the outer ring can be realized by the technical solution of the present invention, and the outer ring can be rotated with almost no friction under the load state.
  • each of the permanent magnet ring bodies 21 in the axial direction is not greater than the thickness of the first radial permanent magnets 3 corresponding to the permanent magnet ring bodies 21 in the axial direction of the inner ring 1. Further preferably, the thickness of the permanent magnet ring body 21 in the axial direction is equal to the thickness of the first radial permanent magnet 3 in the axial direction of the inner ring 1.
  • the first radial permanent magnet 3 of the fan ring body is fitted into the inner ring 1, usually in two configurations.
  • the first way is the fan ring body shown in FIGS. 3 and 4, wherein the two end faces 9, 10 of the first radial permanent magnet 3 of the fan ring body (the two end faces are also parallel to each other) and The central axes of the circles 1 are parallel.
  • the central angle corresponding to the circular arc in the circumferential direction of the inner circumferential surface of the fan ring body is different from the central angle corresponding to the circular arc in the circumferential direction of the outer circumferential surface.
  • the permanent magnet ring 21 Since the permanent magnet ring 21 is fixed to the inner circumferential surface of the outer ring 2, the permanent magnet ring 21 and the outer ring 2 can be regarded as a single body.
  • the magnetic force of the first radial permanent magnet 3 and the axial permanent magnet 4 to the permanent magnet ring 21 can be regarded as being also on the outer ring 2 at the same time.

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Description

一种永磁悬浮轴承及其安装结构
技术领域
本发明涉及一种永磁悬浮轴承及其安装结构。 背景技术
磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有 机械接触， 转子可以运行到很高的转速， 具有机械磨损小、能耗低、噪声小、 寿命长、 无需润滑、 无油污染等优点， 特别适用于高速、 真空、 超净等特殊 环境中。
本申请的发明人在中国专利 CN 201531526U中公开了一种永磁悬浮轴 承， 这种永磁悬浮轴承主要包括内圈和外圈， 其中内圈为永磁体， 外圈由导 磁材料或非导磁材料制成。在该永磁悬浮轴承外圈的两端分别固定有轴向永 磁体， 且外圈上固定设置有径向永磁体， 该径向永磁体与内圈相吸。 内圈套 装在外圈内部， 在非承载状态下， 内圈与外圈处于贴合状态。 工作时， 将轴 颈安装在内圈中， 轴对内圈的压力能克服径向永磁体对内圈的吸力， 从而使 内圈处于悬浮状态。 这种永磁悬浮轴承结构简单， 实用性强， 这种永磁悬浮 轴承适用于内圈为转子、 外圈为定子的工作场合。 但对于一些外圈为转子、 内圈为定子的工作场合， 如各种车辆的从动轮中， 上述永磁悬浮轴承并不适 用。
因此， 需要提供一种适用于外圈为转子、 内圈为定子的工作场合的永磁 悬浮轴承。 发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的永磁悬浮轴承及其安装结构， 该 永磁悬浮轴承及其安装结构更适用于内圈为定子、 外圈为转子的工作场合。 为了达到上述目的， 作为本发明的一个方面， 提供一种永磁悬浮轴承， 该永磁悬浮轴承包括： 内圈； 外圈， 所述外圈的内圆周面上固定有多个永磁 环体， 所述内圈套在所述外圈中， 每个所述永磁环体的内径均大于所述内圈 外径， 且相邻的永磁环体沿轴向方向彼此间隔开； 多个第一径向永磁体， 该 多个第一径向永磁体固定在所述内圈上并分别与固定在所述外圈上的多个 永磁环体相对应， 且所述多个第一径向永磁体分别与所述多个永磁环体沿径 向方向上磁力相吸； 至少一个轴向永磁体， 该至少一个轴向永磁体固定在所 述内圈上并突出于所述内圈的外圆周面， 且所述至少一个轴向永磁体分别位 于相邻两个所述永磁环体之间，从而使所述外圈在沿轴向方向上处于力平衡 状态。
优选地， 在所述外圈处于非承载状态下， 所述第一径向永磁体与所述永 磁环体之间沿径向方向的磁性吸引力能够使所述永磁环体与所述内圈或所 述第一径向永磁体接触； 在所述外圈处于承载状态下， 所述外圈能够在所述 内圈外悬浮起来， 以进行自由转动。
优选地， 所述轴向永磁体为多个， 每两个相邻的所述永磁环体之间均设 置有一个所述轴向永磁体。
优选地， 每个所述轴向永磁体均位于与该轴向永磁体相邻的两个所述永 磁环体在轴向方向的中间位置。
优选地， 每个所述永磁环体沿轴向方向的厚度均不大于与该永磁环体对 应的所述第一径向永磁体沿所述内圈轴向方向的厚度。
优选地， 所述内圈的上具有槽， 所述第一径向永磁体安装在所述槽内。 优选地， 所述第一径向永磁体为与所述内圈同轴的扇环体， 该扇环体的 中心轴线与所述内圈的中心轴线相同，且所述第一径向永磁体的外圆周面与 所述内圈的外圆周面对齐。 优选地， 所述轴向永磁体为与所述内圈同轴的扇环体。
优选地，所述轴向永磁体和所述第一径向永磁体均为与所述内圈同轴的 扇环体； 在沿一个所述永磁环体的该永磁悬浮轴承的径向方向的剖面图中， 与该永磁环体相吸的所述第一径向永磁体的内圆周面的投影为第一弧形， 与 该永磁环体相邻的所述轴向永磁体的内圆周面的投影为第二弧形， 该第一弧 形和第二弧形均相对于所述第一弧形的中点与第二弧形的中点之间的连线 对称， 且所述第一弧形和第二弧形的开口彼此相对。
优选地， 所述第一弧形的中心角 α为 60度至 100度， 所述第二弧形的 中心角 β为 120度至 200度。
优选地， 该永磁悬浮轴承还包括第多个二径向永磁体， 该多个第二径向 永磁体与所述多个第一径向永磁体相对于所述内圈的中心轴线对称设置， 且 所述每个第二径向永磁体与该第二径向永磁体所对称设置的第一径向永磁 体磁极方向相反。
优选地， 所述多个永磁环体、 所述多个第一径向永磁体与所述至少一个 轴向永磁体的磁极方向均为沿轴向方向。
作为本发明的另外一个方面， 提供一种永磁悬浮轴承的安装结构， 该安 装结构包括：永磁悬浮轴承，该永磁悬浮轴承为本发明所述的永磁悬浮轴承； 辅助轴承， 该辅助轴承与所述永磁悬浮轴承的内圈共轴； 固定轴， 所述永磁 悬浮轴承的所述内圈和所述辅助轴承的内圈固定安装在所述固定轴的外圆 周面上； 和中空的旋转轴， 所述永磁悬浮轴承的所述外圈和所述辅助轴承的 外圈固定安装在该旋转轴的内圆周面上。
优选地， 安装完成后， 所述永磁悬浮轴承的所述第一径向永磁体与所述 永磁悬浮轴承的所述永磁环体之间的磁性吸引力与作用在所述旋转轴上的 载荷方向相反。
按照本发明所提供的永磁悬浮轴承， 利用设置有永磁环体的外圈与轴向 永磁体和径向永磁体的磁力作用， 实现对外圈的轴向位置控制和径向位置控 制， 更适用于外圈为转子、 内圈为定子的工作环境。 附图说明
图 1为根据本发明一种实施方式的永磁悬浮轴承的轴向截面图， 示永磁 悬浮轴承组件的一种实施方式中各个磁极的分布；
图 2为图 1中所示永磁悬浮轴承的内圈的轴向截面图；
图 3为图 1中第一径向永磁体立体图；
图 4为图 3中第一径向永磁体的主视图；
图 5为图 1中永磁悬浮轴承的 A-A剖视图； 和
图 6为本发明所述的永磁悬浮轴承的安装结构的一种实施方式。 具体实施方式
下面参考附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
如图 1所示， 本发明提供一种永磁悬浮轴承， 该永磁悬浮轴承包括： 内圈 1 ;
外圈 2， 所述外圈 2的内圆周面上固定有多个永磁环体 21， 所述内圈 1 套在所述外圈 2中， 每个所述永磁环体 21的内径均大于所述内圈 1外径， 且相邻的永磁环体 21沿轴向方向彼此间隔开；
多个第一径向永磁体 3， 该多个第一径向永磁体 3固定在所述内圈 1上 并分别与固定在所述外圈 2上的所述多个永磁环体 21相对应， 且所述每个 第一径向永磁体 3分别与对应的所述永磁环体 21沿径向方向上磁力相吸； 至少一个轴向永磁体 4， 该至少一个轴向永磁体 4固定在所述内圈 1上 并突出于该内圈 1的外圆周面，且所述至少一个轴向永磁体 4位于所述永磁 环体 21之间， 从而使所述外圈 2在沿轴向方向上处于力平衡状态。 上述永磁悬浮轴承工作时， 例如外圈 2安装在轮毂中， 内圈 1的内部安 装不做旋转运动的轴， 轮毂外部的零件随所述外圈 2—起转动， 即外圈 2为 转子。 关于永磁悬浮轴承的设置安装将在下文中进行详细描述。
内圈 1 可以由导磁材料制成， 也可以由非导磁材料制成， 永磁环体 21 固定在外圈 2的内圆周面上， 内圈 1套在外圈 2中， 且永磁环体 21的内径 大于内圈 1的外径。 由于永磁环体 21固定在外圈 2的内圆周面上， 因此当 永磁悬浮轴承处于承载状态时， 可将永磁环体 21与外圈 2看做一个整体。 负载对外圈 2的作用力也作用在永磁环体 21上。 由于内圈 1上还固定安装 有第一径向永磁体 3， 该第一径向永磁体 3与永磁环体 21磁力相吸。 因此， 在外圈 2处于非承载状态时的第一径向永磁体 3对永磁环体 21的吸引力能 平衡负载对外圈 2的一部分或全部作用力。
第一径向永磁体 3可以通过多种方式固定安装到内圈 1上，例如可以在 内圈 1中机加工有缺口， 并将第一径向永磁体 3嵌入该缺口中， 然后利用粘 合剂或填料将第一径向永磁体 3牢固固定。 当然， 第一径向永磁体 3并不限 于上述这种安装方式， 在内圈 1为导磁性材料制成的情况下， 第一径向永磁 体 3也可以固定设置在内圈 1的外圆周面上。 因此， 第一径向永磁体 3与内 圈 1的固定安装方式可以根据具体的应用场合而加以选择， 这将在下文中进 行更为详细地描述。
由于内圈 1与外圈 2之间并没有固定连接方式，永磁悬浮轴承处于负载 状态时， 永磁环体 21连同外圈 2在内圈 1外面悬浮， 外圈 2容易沿轴向方 向移动， 在内圈 1的外圆周面位于永磁环体 21 中间的部分上固定安装至少 一个轴向永磁体 4能够使永磁环体 21在沿轴向方向上处于力平衡状态， 确 保永磁环体 21连同外圈 2停留在合适的位置并能防止所述外圈 2沿轴向方 向窜动。
轴向永磁体 4可以通过多种方式固定在内圈 1上的合适的位置。 例如， 轴向永磁体 4可以固定到内圈 1的外圆周面上。 另夕卜， 轴向永磁体 4还可以 嵌入内圈 1中， 与第一径向永磁体 3类似， 为了便于所述永磁悬浮轴承的安 装， 轴向永磁体 4固定在内圈 1上之后的外表面高度应当比永磁环体 21的 内圆周面低， 这样， 将永磁环体 21逐个固定在外圈 2的内圆周面上之后， 将固定有至少一个轴向永磁体 4的内圈 1装入所述外圈 2的内部。
优选地， 在轴向永磁体 4为多个的情况下， 固定在内圈 1上的多个轴向 永磁体 4形状相同， 这样能更好维持外圈 2在轴向方向上的力平衡状态。
下面对上述永磁悬浮轴承的原理进行更为详细地描述。
在轴向方向上， 轴向永磁体 4对永磁环体 21的磁性力可以为斥力或引 力， 但在优选情况下， 轴向永磁体 4对永磁环体 21 的磁性力为斥力， 从而 能够确保永磁环体 21保持与轴向永磁体 4之间具有合适的距离。 由于在轴 向方向上， 永磁环体 21处于平衡状态， 因此一旦永磁环体 21偏向内圈 1的 的某一端， 设置在相邻两个永磁环体 21之间的轴向永磁体 4对靠近该轴向 永磁体 4的永磁环体 21的斥力增大， 且对远离该轴向永磁体 4的永磁环体 21的斥力减小， 从而在轴向方向上推动永磁环体 21又恢复到平衡状态。
优选地， 第一径向永磁体 3与永磁环体 21之间的吸引力应该足够大， 在外圈 2处于非承载状态下， 第一径向永磁体 3与永磁环体 21之间沿径向 方向的磁性吸引力能够使永磁环体 21与内圈 1或第一径向永磁体 3接触， 如图 1和图 5所示； 且在外圈 2处于承载状态下， 永磁环体 21能够在第一 径向永磁体 3以及负载的共同作用下实现在径向方向上的受力平衡， 并能在 所述内圈 1外悬浮起来，进一步带动外圈 2在内圈 1外悬浮起来以进行自由 转动。
因而，在承载状态下，利用本发明的技术方案能够实现外圈的悬浮状态， 可以由外圈在负载状态下做几乎没有摩擦的转动。
外圈 2内安装有多个永磁环体 21，同时在内圈 1上设置有分别与永磁环 体 21对应的多个第一径向永磁体 3， 从而对永磁环体 21产生径向方向的磁 性吸引力。 另外， 利用位于相邻的两个永磁环体 21之间的轴向永磁体 4来 实现外圈 2在轴向方向的力平衡状态。
在图 1所示的永磁悬浮轴承中， 由于可以形成轴向方向相对较长的延伸 长度， 因此， 该种永磁悬浮轴承具有相对较大的承载能力。 而且， 在轴向方 向上也具有相对较好的稳定性。虽然在图 1中仅表示了两个永磁环体 21、两 个第一径向永磁体 3和一个轴向永磁体 4， 但本发明并不限于此， 还可以设 置有更多个。
优选地， 在外圈 2处于非承载状态下， 多个第一径向永磁体 3与多个永 磁环体 21之间沿径向方向的磁性吸引力能够使永磁环体 21与内圈 1或第一 径向永磁体 3接触； 在外圈 2处于承载状态下， 永磁环体 21能够在内圈 1 外悬浮起来， 以进行自由转动。
在上述永磁悬浮轴承结构中， 可以使用粘结剂将永磁环体 21粘结固定 在外圈 2的内圆周面上。
当轴向永磁体 4为一个时，该轴向永磁体 4设置在相邻一对永磁环体 21 之间。 此时， 永磁环体 21的数量优选为两个。
当轴向永磁体 4为多个时， 优选地， 可在每两个相邻的永磁环体 21之 间各设置一个轴向永磁体 4。有利于保持永磁环体 21以及外圈 2沿轴向方向 上的受力处于平衡状态。
轴向永磁体 4在内圈 1上的安装位置以能对外圈 2起到轴向稳定作用即 可， 没有特殊要求。 优选地， 轴向永磁体 4位于与该轴向永磁体 4相邻的两 个永磁环体 21的中间位置。
优选地， 每个永磁环体 21沿轴向方向的厚度均不大于与该永磁环体 21 对应的第一径向永磁体 3沿内圈 1轴向方向的厚度。 进一步优选地， 永磁环 体 21沿轴向方向的厚度等于第一径向永磁体 3沿内圈 1轴向方向的厚度。 通过使第一径向永磁体 3沿内圈 1轴向方向的厚度与永磁环体 21沿轴向方 向的厚度相等， 能够使永磁环体 21获得稳定的磁性吸引力， 从而有利于确 保外圈 2在径向方向和 /或轴向方向处于稳定状态。
通常， 为了安装第一径向永磁体 3， 可以在内圈 1中预先设置有缺口或 槽 13， 如图 2所示， 然后在装配过程中将第一径向永磁体 3装入该槽 13内 固定即可。
上述每个第一径向永磁体 3和各个轴向永磁体 4的形状并无特别要求， 以能够通过磁性作用力来实现对外圈 2的位置控制即可。 例如， 上述磁体可 以为长方体形、 条形、 环形等。
为了便于所述第一径向永磁体 3的安装， 优选地， 第一径向永磁体 3为 扇环体， 在内圈 1的轴向方向上， 扇环体的第一径向永磁体 3沿轴向方向厚 度 d3， 沿径向方向具有宽度 w3， 如图 3和图 4所示。 优选地， 该扇环体的 中心轴线与内圈 1的中心轴线相同，这样永磁环体 21受到第一径向永磁体 3 的磁性吸力分布较为均匀。
优选地， 第一径向永磁体 3的外圆周面与内圈 1的外圆周面对齐； 进一 步优选地， 第一径向永磁体 3的外圆周面与内圈 1的外圆周面也对齐。在该 结构中， 在非承载状态下， 永磁环体 21能够被吸到第一径向永磁体 3的外 圆周面上， 如图 1和图 5所示。 该结构能够使永磁环体 21获得稳定的磁性 吸引力， 从而有利于确保外圈 2在径向方向和 /或轴向方向处于稳定状态。
将扇环体的第一径向永磁体 3装入内圈 1中， 通常采用两种结构方式。 第一种方式如图 3和图 4中所示的扇环体， 其中， 该扇环体的第一径向 永磁体 3的两个端面 9、 10 (该两个端面也彼此平行） 与内圈 1的中心轴线 相平行。 在该结构中， 扇环体的内圆周面的圆周方向的圆弧所对应的中心角 与外圆周面的圆周方向的圆弧所对应的中心角是不同的。
另一种方式如图 5所示， 内圈 1的中心轴线位于扇环体的第一径向永磁 体 3的两个端面 9、 10所在的平面内， 也就是说， 内圈 1的中心轴线为第一 径向永磁体 3的两个端面 9和 10所在平面的交线。 在该结构中， 第一径向 永磁体 3的扇环体的内圆周面的圆周方向的圆弧所对应的中心角与外圆周面 的圆周方向的圆弧所对应的中心角是相同的。
为了使第一径向永磁体 3对永磁环体 21产生合适的足够的磁性吸引力， 优选地， 所述第一径向永磁体 3的扇环体的内圆周面的圆周方向的圆弧（如 图 4所示的弧 AB )所对应的中心角（如图 5所示的中心角 α)为 60度至 100 度。
进一步优选地，第一径向永磁体 3的扇环体的内圆周面的圆周方向的圆 弧所对应的中心角为 90度。
以上对本发明的永磁悬浮轴承的第一径向永磁体 3的设置及其作用进行 了详细地描述。 下面对轴向永磁体 4进行详细地描述。
轴向永磁体 4对与该轴向永磁体 4相邻的两个永磁环体 21的磁力均为 斥力 （或引力）， 该斥力 （或引力） 在轴向方向上的分力 （如果有的话） 大 小相等、方向相反， 因而在轴向方向上合力为零， 从而能够确保永磁环体 21 在轴向方向上的稳定。 轴向永磁体 4的几何形状并没有特殊要求， 只要能够 实现对永磁环体 21的轴向稳定即可。
优选地， 轴向永磁体 4为扇环体， 该扇环体的中心轴线 （即该扇环体的 内或外圆周面所在的圆柱面的中心轴线） 与内圈 1的中心轴线相同。 因而， 轴向永磁体 4的内圆周面、外圆周面以及内圈 1的内圆周面和外圆周面具有 共同的中心轴线， 从而使永磁环体 21 以及外圈 2的设置不会影响到外圈 2 与负载的连接及其旋转运动。 在这里， 轴向永磁体 4的扇环体与上述第一径 向永磁体 3的扇环体结构类似， 因而不再进行详细地描述。
优选地， 如图 5所示， 轴向永磁体 4和第一径向永磁体 3均为与内圈 1 同轴的扇环体。 轴向永磁体 4在内圈 1的位置与第一径向永磁体 3在内圈 1 上的位置的相对关系为： 在沿一个永磁环体 21 的该永磁悬浮轴承的径向方 向的剖面图中， 与该永磁环体 21相吸的第一径向永磁体 3的内圆周面的投 影为第一弧形 11， 与该永磁环体 21相邻的轴向永磁体 4的内圆周面的投影 为第二弧形 12， 该第一弧形 11和第二弧形 12相对于所述第一弧形 11的中 点与第二弧形 12的中点之间的连线在图 5中左右对称， 且所述第一弧形 11 和第二弧形 12的开口彼此相对。
实际上， 这里的第一径向永磁体 3的内圆周面所投影的第一弧形 11即 为上述第一径向永磁体 3的 "扇环体的内圆周面的圆周方向的圆弧"。
优选地， 第一弧形 11的中心角 α为 60度至 100度， 进一步优选地， 为 90度。 按照该结构， 第一径向永磁体 3对永磁环体 21的磁性吸力的方向主 要沿向量 OC方向 （在图 5中向下）， 而轴向永磁体 4对永磁环体 21的斥力 在轴向方向上的合力可以为零， 轴向永磁体 4对永磁环体 21 的斥力在径向 方向上的合力将主要沿向量 DC方向。 也就是说， 位于外圈 2轴向方向两侧 的轴向永磁体 4对永磁环体 21 的斥力在径向方向上的合力的方向与第一径 向永磁体 3对永磁环体 21的磁性吸力的方向相同， 从而在径向方向上起到 辅助第一径向永磁体 3的作用。
由于永磁环体 21固定在外圈 2的内圆周面上， 因此， 可将永磁环体 21 与外圈 2看作一个整体。可将第一径向永磁体 3以及轴向永磁体 4对永磁环 体 21的磁性力看作同时也在外圈 2上。
在该情况下， 如果外圈 2上负有载荷， 该载荷可以利用轴向永磁体 4对 永磁环体 21的斥力在径向方向上的合力以及第一径向永磁体 3对永磁环体 21 的磁性吸力一同来支撑， 同时还能够克服外圈 2 自身重力以及永磁环体 21 自身重力的和，从而使本发明提供的永磁悬浮轴承能够适用于承载状态的 工作条件中。
优选地， 第二弧形 12的中心角 （图 5中所示的中心角 β) 为 120度至 200度。进一步优选地， 第二弧形 12的中心角为 160度至 180度， 从而能够 使外圈 2在轴向方向上获得更为稳定的平衡状态。
为了进一步提高本发明的永磁悬浮轴承的承载能力， 优选地， 所述永磁 悬浮轴承还包括多个第二径向永磁体 （未显示）， 该多个第二径向永磁体固 定安装在所述内圈 1上 （如嵌入所述内圈 1 内）， 且该多个第二径向永磁体 与多个第一径向永磁体 3相对于内圈 1的中心轴线对称设置， 且所述多个第 二径向永磁体与多个第一径向永磁体 3磁极方向相反。
由于多个第二径向永磁体与多个第一径向永磁体 3相对于内圈 1的中心 轴线对称，且该多个第二径向永磁体与多个第一径向永磁体 3磁极方向相反， 因此该多个第二径向永磁体与多个永磁环体 21磁力相斥， 因而， 所述多个 第二径向永磁体对多个永磁环体 21 的磁性斥力的合力方向与多个第一径向 永磁体对多个永磁环体 21 的磁性吸力的合力方向相同， 从而能够允许多个 永磁环体 21外部的外圈 2承载更大的载荷。
优选地， 内圈 1可以由导磁性材料制成。 利用该导磁性材料制成的内圈 1， 能够使外圈 2与径向永磁体 3和轴向永磁体 4之间的磁性作用力更大， 从而使外圈 2在轴向方向上更为稳固， 在径向方向上能够承载更大的载荷。
如上所述， 第一径向永磁体 3与永磁环体 21之间磁性相吸， 永磁环体 21与轴向永磁体 4为相斥 （或相吸）， 以实现外圈 2在承载状态下的悬浮状 态， 这可以通过各个磁体的磁极的设置来实现。
优选地， 多个永磁环体 21、多个第一径向永磁体 3以及至少一个轴向永 磁体 4的磁极方向均沿轴向方向布置。
具体来说， 以图 1中的方位为例进行描述。在轴向方向上， 永磁环体 21 的左端为 N极， 右端为 S极； 第一径向永磁体 3的左端为 S极， 右端为 N 极； 两个永磁环体 21之间的轴向永磁体 4左端为 S极， 右端为 N极。 当然， 将图 1中各个磁体的 N极和 S极反转 （即将图 1中的 N极设为 S极， 将图 1中的 S极设为 N极） 也是完全可行的。
由于所述各个磁体的磁极方向为沿轴向方向， 因此， 一方面能够方便各 个磁体的设置， 另一方面， 更为重要的是， 通过使各个磁极的磁极方向设置 为沿轴向方向， 能够使对应的不同磁体（如磁性相互吸引的磁体）形成闭合 的磁场回路，从而不会出现退磁现象，能够更为长久地使磁场状态保持稳定。
针对不同的应用场合， 可以选择能够产生不同的磁场强度的永磁体、 第 一 （第二） 径向永磁体和轴向永磁体。
此外， 相对于传统的永磁悬浮轴承而言， 本发明所提供的永磁悬浮轴承 中， 轴向永磁体 4与内圈 1固定在一起 （如通过粘合剂粘结在一起）， 第一 径向永磁体 3与内圈 1固定在一起， 永磁环体 21与外圈 2固定在一起。 因 此， 本发明的永磁悬浮轴承为集成式的， 结构非常紧凑， 装配过程也相对较 为简便。
本发明所述的永磁悬浮轴承的安装结构可以包括固定轴、 中空的旋转轴 以及本发明所述的永磁悬浮轴承。
在内圈为定子外圈为转子的工作场合中， 所述固定轴固定不动， 所述中 空的旋转轴绕固定轴的中心轴线旋转。 例如， 所述固定轴为机架、 所述中空 的旋转轴为轮毂。将永磁悬浮轴承的内圈 1固定安装在所述固定轴的外圆周 面上。 永磁悬浮轴承的外圈 2固定安装在所述中空的旋转轴的内圆周面上， 中空的旋转轴旋转时带动外圈 2—同旋转。
由于外圈 2在内圈 1外悬浮， 所以外圈 2与内圈 1之间无摩擦， 从而不 会降低中空的旋转轴的转速， 提高中空的旋转轴的工作效率。
作为本发明的另一方面， 提供一种永磁悬浮轴承的优选安装结构， 如图 6所示， 该安装结构包括： 永磁悬浮轴承， 该永磁悬浮轴承为本发明所提供 的上述永磁悬浮轴承； 辅助轴承 8， 该辅助轴承 8与永磁悬浮轴承的内圈 1 共轴； 固定轴 14，永磁悬浮轴承的内圈 1和辅助轴承 8的内圈固定安装在固 定轴 14的外圆周面上； 和中空的旋转轴 15， 永磁悬浮轴承的外圈 2和辅助 轴承 8的外圈固定安装在该旋转轴 15的内圆周面上。
由于在工作时， 永磁悬浮轴承外圈 2在内圈 1外悬浮， 外圈 2与内圈 1 之间并无支撑连接结构， 因此， 在安装永磁悬浮轴承时， 优选地， 固定轴 14 上套装辅助轴承 8， 该辅助轴承 8与永磁悬浮轴承的内圈 1共轴。
此处的固定轴 14可以是直径处处相等的普通圆轴， 也可以是阶梯轴。 当固定轴 14为直径处处相等的普通圆轴时， 辅助轴承 8的内圈内径与永磁 悬浮轴承的内圈 1的内径相同； 当固定轴 14为阶梯轴时， 辅助轴承 8的内 圈的内径为该内圈安装处的固定轴 14的直径， 而不等于永磁悬浮轴承的内 圈 1的内径。
同样， 中空的旋转轴 15 的内径可以处处相等， 也可以呈阶梯变化， 可 根据中空的旋转轴 15的具体结构选择辅助轴承 8的外圈外径。
在本发明所述的永磁悬浮轴承的安装结构中， 对固定轴 14、 辅助轴承 8 以及中空的旋转轴 15的具体结构没有特殊要求， 只要能实现辅助轴承 8与 永磁悬浮轴承的内圈 1共轴，辅助轴承 8的外圈与永磁悬浮轴承的外圈 2同 时固定在旋转轴 15的内表面上即可。
由于永磁悬浮轴承的内圈 1和外圈 2之间并无支撑或连接， 当该永磁悬 浮轴承处于负载状态时， 外圈 2在内圈 1外部悬浮。 当中空的旋转轴 15旋 转时， 外圈 2随之旋转。 在固定轴 14上安装与内圈 1共轴的辅助轴承 8可 对永磁悬浮轴承的外圈 2起到对心的作用， gp， 在永磁悬浮轴承的外圈 2处 于旋转状态时， 该外圈 2、 永磁悬浮轴承的内圈 1、 辅助轴承 8、 旋转轴 15 以及固定轴 14的中心轴线重合， 从而使得高速旋转状态下的外圈 2更加稳 定。
此外， 在旋转轴 15运转时， 大部分载荷都由永磁悬浮轴承承担， 辅助 轴承 8所承担的载荷很小，从而使得辅助轴承 8内部的摩擦力也很小，因此， 几乎不会对旋转轴 15的旋转产生影响。
优选地， 安装完成后， 永磁悬浮轴承的第一径向永磁体 3与永磁悬浮轴 承的永磁环体 21之间的磁性吸引力与作用在旋转轴 15上的载荷 F的方向相 反。 这样， 在旋转轴 15旋转时， 旋转轴 15对外圈 2的压力以及外圈 2和永 磁环体 21自身的重力与第一径向永磁体 3对永磁环体 21的磁性吸引力相平 衡， 从而使外圈 2能在内圈 1外悬浮， 并做与内圈 1几乎没有摩擦的旋转， 有利于套在永磁悬浮轴承的外圈 2外部的旋转轴 15的旋转， 提高旋转轴 15 的工作效率。
在图 6中所示的永磁悬浮轴承的安装结构中， 只在永磁悬浮轴承的一侧 安装了辅助轴承 8， 然而， 本发明所述的永磁悬浮轴承的安装结构并不限于 此， 还可以在永磁悬浮轴承的两侧分别安装辅助轴承 8。 而辅助轴承 8的形 式也可以是多样的， 例如可以是图 6中所示的滚动轴承， 也可以是其他形式 的轴承， 只要能对永磁悬浮轴承起到对心作用即可。
本发明提供的永磁悬浮轴承外圈为永磁体， 能够在内圈外悬浮， 更加适 用于外圈为转子、 内圈为定子的工作场合， 且本发明提供的永磁悬浮轴承能 够在其轴向方向具有较长的长度， 能够承载更大的载荷。
本发明提供的永磁悬浮轴承的安装结构采用了辅助轴承，在永磁悬浮轴 承的外圈沿径向方向移动时对永磁悬浮轴承起到辅助支撑的作用，更利于永 磁悬浮轴承的稳定运转。
以上对本发明所提供的永磁悬浮轴承进行了详细地描述。虽然本发明已 通过上述实施例所公开， 然而上述实施例并非用以限定本发明， 任何本发明 所属技术领域中的技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 应当可作各 种更动与修改。因此本发明的保护范围应当以所附权利要求书所界定的范围 为准。

Claims

权利要求
1、 一种永磁悬浮轴承， 其特征在于， 该永磁悬浮轴承包括：
内圈 （1);
外圈 （2)， 所述外圈 （2) 的内圆周面上固定有多个永磁环体 （21)， 所 述内圈 （1) 套在所述外圈 （2) 中， 每个所述永磁环体 （21) 的内径均大于 所述内圈 （1) 外径， 且相邻的永磁环体 （21) 沿轴向方向彼此间隔开； 多个第一径向永磁体 （3)， 该多个第一径向永磁体 （3) 固定在所述内 圈 （1) 上并分别与固定在所述外圈 （2) 上的所述多个永磁环体 （21)相对 应， 且所述每个第一径向永磁体 （3) 分别与该第一径向永磁体 （3)所对应 的所述永磁环体 （21) 沿径向方向上磁力相吸；
至少一个轴向永磁体 （4)， 该至少一个轴向永磁体 （4) 固定在所述内 圈（1)上并突出于该内圈（1)的外圆周面， 且所述至少一个轴向永磁体（4) 位于所述永磁环体 （21) 之间， 从而使所述外圈 （2) 在沿轴向方向上处于 力平衡状态。
2、根据权利要求 1所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 在所述外圈（2) 处于非承载状态下， 所述第一径向永磁体 （3) 与所述永磁环体 （21) 之间 沿径向方向的磁性吸引力使所述永磁环体 （21) 与所述内圈 （1) 或所述第 一径向永磁体 （3) 接触；
在所述外圈 （2) 处于承载状态下， 所述外圈 （2) 在所述内圈 （1) 外 悬浮起来， 以进行自由转动。
3、 根据权利要求 1所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述轴向永磁 体 （4) 为多个， 每两个相邻的所述永磁环体 （21) 之间均设置有一个所述 轴向永磁体 （4)。
4、 根据权利要求 3所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 每个所述轴向 永磁体 （4) 均位于与该轴向永磁体 （4) 相邻的两个所述永磁环体 （21)在 轴向方向上的中间位置。
5、 根据权利要求 1或 2所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 每个所述 永磁环体 （21)沿轴向方向的厚度均不大于与该永磁环体（21)对应的所述 第一径向永磁体 （3) 沿所述内圈 （1) 轴向方向的厚度。
6、 根据权利要求 1所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述内圈 （1) 具有槽 （13)， 所述第一径向永磁体 （3) 固定安装在所述槽 （13) 内。
7、 根据权利要求 1、 2或 6所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述第 一径向永磁体 （3) 为与所述内圈 （1) 同轴的扇环体， 且所述第一径向永磁 体 （3) 的外圆周面与所述内圈 （1) 的外圆周面对齐。
8、 根据权利要求 1、 3或 4所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述轴 向永磁体 （4) 为与所述内圈 （1) 同轴的扇环体。
9、 根据权利要求 1-4 中任意一项所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述轴向永磁体 （4) 和所述第一径向永磁体 （3) 均为与所述内圈 （1) 同 轴的扇环体； 在沿一个所述永磁环体（21) 的该永磁悬浮轴承的径向方向的 剖面图中， 与该永磁环体 （21) 相吸的所述第一径向永磁体 （3) 的内圆周 面的投影为第一弧形（11)， 与该永磁环体（21)相邻的所述轴向永磁体（4) 的内圆周面的投影为第二弧形 （12)， 该第一弧形 （11) 和第二弧形 （12) 均相对于所述第一弧形 （11) 的中点与第二弧形 （12) 的中点之间的连线对 称， 且所述第一弧形 （11) 和第二弧形 （12) 的开口彼此相对。
10、 根据权利要求 9所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述第一弧形 (11) 的中心角 α为 60度至 100度， 所述第二弧形（12)的中心角 β为 120 度至 200度。
11、 根据权利要求 1所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 该永磁悬浮轴 承还包括多个第二径向永磁体， 该多个第二径向永磁体与所述多个第一径向 永磁体 （3)相对于所述内圈 （1) 的中心轴线对称设置， 且所述每个第二径 向永磁体与该第二径向永磁体所对称设置的第一径向永磁体 （3) 磁极方向 相反。
12、 根据权利要求 1或 2所述的永磁悬浮轴承， 其特征在于， 所述多个 永磁环体 （21)、 所述多个第一径向永磁体 （3) 与所述至少一个轴向永磁体 (4) 的磁极方向均为沿轴向方向。
13、 一种永磁悬浮轴承的安装结构， 其特征在于， 该安装结构包括： 永磁悬浮轴承， 该永磁悬浮轴承为权利要求 1-12 中任意一项所述的永 磁悬浮轴承；
辅助轴承（8)， 该辅助轴承（8)与所述永磁悬浮轴承的内圈 （1)共轴； 固定轴 （14)， 所述永磁悬浮轴承的所述内圈 （1) 和所述辅助轴承 （8) 的内圈固定安装在所述固定轴 （14) 的外圆周面上； 和
中空的旋转轴 （15)， 所述永磁悬浮轴承的所述外圈 （2)和所述辅助轴 承 （8) 的外圈固定安装在该旋转轴 （15) 的内圆周面上。
14、 根据权利要求 13所述的永磁悬浮轴承的安装结构， 其特征在于， 安装完成后， 所述永磁悬浮轴承的所述第一径向永磁体 （3) 与所述永磁悬 浮轴承的所述永磁环体 （21) 之间的磁性吸引力与作用在所述旋转轴 （15) 上的载荷方向相反。
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