磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸的製作方法
2023-07-09 15:33:51 2
專利名稱：磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁懸浮軸承及被懸浮起來的中軸，該系統是利用一個兩端有 內側凹陷(外側凹陷)形固定環(該環也可以由多塊梯形臺階的磁塊拼接而成)， 對兩個浮動的普通磁環邊緣進行軸向徑向擠壓，實現軸承定子對軸承轉子的軸向 懸浮，附帶徑向懸浮。再用磁瓦(或磁塊)對兩個浮動環的外側邊緣進行對稱擠 壓，實現主徑向懸浮，成為永磁磁懸浮軸承。為了提高軸承懸浮力的剛性，還可 以把部分永磁塊替換成電磁鐵，成為電磁永磁混合磁懸浮軸承。被懸浮起來軸承 轉軸上可以附載電機、鼓風機、壓縮機、渦輪機、泵、水輪機、風扇、旋轉門、 光碟、電腦硬碟、水錶及電錶等需要旋轉傳動設備的旋轉部分，成為磁懸浮中軸 一體機。屬於磁懸浮技術領域。
背景技術：
目前，傳統的磁懸浮軸承大多數不能實現全磁懸浮運轉。普通軸承由於需要 對滾珠進行摩擦，所以轉速嚴重受限。軸承已成為許多技術發展的瓶頸。為了提 高軸承的轉速，就必須使軸承旋轉部分與固定部分完全分離，使軸承旋轉部分徹 底懸浮起來。我們經過長時間技術攻關，最終使軸承的旋轉部分找到了有力徑向 軸向懸浮支撐，實現了真正意義上的轉子磁懸浮。由於是利用永磁材料進行磁懸 浮，所以轉軸懸浮起來之後與定子永遠不會接觸。另外還可以增加電磁鐵或用電 磁鐵替代部分永磁塊，以提高軸承的懸浮剛性。
發明內容
為了克服普通滾動軸承不能適應高轉速要求和現有的磁懸浮軸承不能實現 全懸浮高剛性的問題，本發明提供一種可將軸承旋轉部分完全懸浮起來的磁懸浮 軸承，可以實現上下磁力不對稱抗偏心和強磁力抗偏心磁懸浮。該設備在整體翻 轉時仍然可以保證轉子在全磁懸浮狀態下運轉，是一種適應動態設備如飛機上的 磁懸浮軸承。
本發明原理解決的問題所採用的技術方案是 一個兩端有凹陷的磁環(該 磁環還可以用多塊梯形臺階的磁塊組拼接而成)固定在軸承套的中間， 一根主 軸穿過固定磁環，將兩個懸浮環擠壓懸浮在固定磁環的兩側，凹陷磁環的凹陷 邊緣擠壓兩個懸浮磁環的近中心端同極部分，使磁環受到軸向懸浮力。同時利 用固定在軸承套兩端的磁瓦組(或磁塊組)對兩個懸浮磁環的遠中心端邊緣進 行均衡徑向擠壓，實現對軸承的徑向懸浮。這樣懸浮磁環就能夠獲得均衡的軸 向徑向懸浮力，帶動轉軸完全懸浮起來，成為全磁懸浮軸承。
其中懸浮磁環和磁塊組都可以根據需要進行對稱、對應變形。對懸浮環遠 中心端進行擠壓的磁瓦(或磁塊)的長度和擠壓間距不限，磁塊與懸浮環之間 可以存在夾角，其角度不限。經過試驗，我們知道普通軸向充磁磁環N極端面和S極端面的環外側和環 內側的近端部分都呈現與端面相同的極性，而且呈環形連續狀態，每一個極環 形磁場的高度約為磁環高度的二分之一，我們稱為近端同極現象。這樣我們就 獲得了一個徑向封閉環形磁場，用方向為徑向排列的磁瓦或磁塊對旋轉磁環同 極部分進行環形對稱徑向擠壓，旋轉磁環就可以獲得一個連續的徑向懸浮力； 再配合一個對的旋轉磁環軸向懸浮力，兩個對稱旋轉磁環就獲得強有力的徑向 軸向懸浮支持。由於磁環內側和外側都有相同的情況，所以固定懸浮磁塊也可 以安裝在磁環的內側面，以適應外旋轉轉子的要求。
同時我們還發現，永磁體產生的磁場隨時會在一定範圍進行變化，而且幾 乎沒有規律。兩個極性相對的磁場之間產生這種變化，就會導致軸向懸浮時磁 力必然會偏向一邊。這種偏心力會加大一邊的徑向張力。由於其存在不確定性， 這種張力方向是隨機任意方向。在此時軸向張力越大，徑向偏心力也越大，這 樣軸承徑向的可承載力越小。所以該磁懸浮軸承存在軸向載荷與徑向載荷成反 比的現象。
根據試驗，發現釹鐵硼永磁體有許多獨特的物理特性，其中有一點就是如 果將釹鐵硼永磁體進行變形，其中突出部位的磁場強度最大。其餘部位的磁場 強度明顯較弱。我們稱其為突出效應。這就是為什麼兩個錐形磁環形成的磁懸 浮軸承徑向承載力不夠的原因。如果使懸浮環的徑向擠壓部位突出，可以提高 軸承的徑向載荷。另外釹鐵硼永磁體還有其他多種獨特的物理特性，我們根據 近端同極現象、反推現象、突出效應和邊緣聚集效應等物理特性設計了這種磁 懸浮軸承。根據釹鐵硼永磁體上述的物理現象，可以對軸承中的磁塊和懸浮磁 環進行合理變形，都可以實現轉軸的全懸浮。其中用於實現徑向懸浮的磁瓦的 長度最好在擠壓部分長度的一倍以上。
為了提高軸承的剛性和穩定性，我們還可以用電磁鐵部分或全部取代固定 部分的永磁塊，使其成為電磁永磁混合磁懸浮軸承。
旋轉磁環在被懸浮之後可以帶動主軸懸浮起來，主軸可以帶動電機、鼓風 機、壓縮機、渦輪機、泵、水輪機、風扇、旋轉門、光碟、電腦硬碟、水錶及 電錶等設備的旋轉部分懸浮起來，成為具有磁懸浮功能的一體機。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 圖l是本發明的磁懸浮軸承的徑向剖面構造圖。 圖2是本發明的小體積磁懸浮軸承的徑向剖面構造圖。 圖3是本發明的小體積磁懸浮軸承的軸向構造圖。 圖4是本發明的錐形懸浮環徑向抗偏心磁懸浮軸承的徑向剖面構造圖。 圖5是本發明的徑向抗偏心磁懸浮軸承的徑向懸浮磁瓦的軸向視圖。 圖6是本發明的立式高軸向載荷磁懸浮軸承主軸一體機的徑向剖面構造圖。圖7是本發明的半懸浮磁懸浮軸承的徑向剖面構造圖。
圖8是本發明的軸向懸浮部分變形磁懸浮軸承風扇一體機徑向剖面構造圖。
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1中，圖1中，主軸1，軸承套2，遠中心端徑向懸浮磁塊組(或磁瓦組) 3，浮動旋轉磁環4，中間用於兩邊軸向擠壓的凹形磁環(或磁塊組組成的環形 磁體)5等。主軸1穿過中間用於兩邊軸向擠壓的凹形磁環5，將兩個浮動旋轉 磁環4擠壓懸浮在中間凹形磁環5的兩側，此時磁環5對兩個懸浮環產生軸向 懸浮力，實現對磁環的軸向懸浮；兩組遠中心端徑向懸浮磁塊組3對懸浮磁環 的遠中心端部分側面進行對稱向心擠壓，實現對兩個懸浮磁環的徑向懸浮。遠 中心端徑向懸浮磁塊組(或磁瓦組)3和中間用於兩邊軸向擠壓的凹形磁環(或 磁塊組組成的環形磁體)5全部安裝在軸承套2內，這樣軸承的轉軸就完全懸浮 了起來。
圖2是本發明的小體積磁懸浮軸承，其中，主軸1穿過由多塊變形磁塊4 組成的軸向懸浮結構的中間，將兩個浮動旋轉環3懸浮在磁塊組4的兩側，用 於徑向擠壓的多塊磁瓦5對稱安裝在變形磁塊4之間，對懸浮環3進行徑向懸 浮，多塊變形磁塊4和用於徑向擠壓的多塊磁瓦5全部安裝在軸承套2內。磁 塊體積在一定比例條件下，就可以懸浮起兩個浮動旋轉環3。實現全磁懸浮的目 的。該結構還可以將中間擠壓磁瓦和磁塊均衡分成兩部分，對一個懸浮磁環的 兩邊進行對稱擠壓，實現磁懸浮，同時減小軸承體積。
圖3是本發明的小體積磁懸浮軸承的軸向構造圖。其中用於對磁環4進行軸向 擠壓的多塊變形磁塊4和用於對磁環3進行徑向擠壓的多塊磁瓦5均衡對稱的安裝 在軸承套2內。
圖4是本發明的錐形懸浮環徑向抗偏心磁懸浮軸承的徑向剖面圖。多塊磁 瓦4對兩個懸浮環3進行軸向擠壓，其中上部兩個磁瓦4a小於下部兩個磁瓦4b， 這樣懸浮環3就產生一個向上的浮力，該浮力可以抵消較大的轉子重力，實現 徑向抗偏心。根據釹鐵硼永磁體的突出效應，懸浮磁環遠中心端可以呈錐形， 這樣環的凸出部位磁場強度較強，有利於提高徑向載荷。擠壓懸浮環的磁瓦也 可以根據釹鐵硼永磁體的突出效應進行類似變形，只要符合釹鐵硼永磁體的四 種效應，變形的形狀不限。
圖5是圖4中右邊徑向懸浮磁瓦的軸向視圖。其中上部兩個磁瓦4a的體積 小於下部兩個磁瓦4b的體積。
圖6是本發明的立式高軸向載荷磁懸浮軸承主軸一體機的徑向剖面構造圖。 其中兩個凹形磁環5兩個對懸浮環4進行軸向擠壓的方向全部向上，兩個半磁懸浮 軸承之間用於安裝電機、水輪機等設備，使其成為立式磁懸浮軸承一體機。
圖7是本發明的半懸浮磁懸浮軸承。其只有一個向上的擠壓磁環對一個懸 浮環進行擠壓懸浮，有一組徑向擠壓磁瓦對磁環進行徑向擠壓懸浮。上面下面都可以有限位軸承，底部可以安裝螺絲等固定結構限制磁環上移。這樣雖然有 輕微徑向摩擦，但是軸向摩擦已被磁環全部懸浮起來，大大降低了摩擦阻力。 用於低轉速重軸設備時，節能效果十分明顯。
圖8是本發明的軸向懸浮部分變形磁懸浮軸承風扇一體機。其中用於軸向 擠壓的固定環6擠壓面為內凹的瓦形，對應懸浮磁環5的擠壓懸浮面為外凸錐 形，這樣實現軸承的軸向懸浮。該結構為美國人設計的磁懸浮軸承結構，但是 幾乎懸浮不起來，即使懸浮起來，徑向承載力也非常低，因此人們認為磁環的 加工精度不高，磁塊的密度不均勻，導致磁場不均勻。所以磁懸浮才會失敗。 實際上是因為其變形之後錐形面的磁場降低了，磁場聚集在凸出部位的頂端， 所以其懸浮力不足。只要充分了解釹鐵硼永磁體的物理學特性，再在懸浮磁環 的遠中心端安裝徑向懸浮磁瓦組4，對懸浮磁環5進行徑向懸浮，軸承轉軸l就 能夠完全懸浮起來。同時主軸1上還可以附帶風扇葉輪2和電機轉子7，通過電 機定子8帶動電機定子7轉動，就可以成為磁懸浮軸承風扇一體機。
另外該主軸還可以負載其他需要旋轉傳動設備的轉子部分，成為鼓風機、 壓縮機、渦輪機、泵、水輪機、風扇、旋轉門、光碟、電腦硬碟、水錶及電錶 等磁懸浮軸承主軸一體機
在以上多項實施例中，不同的實施例中的配件可以與其他實施例任意組合 搭配，成為適應不同要求的磁懸浮軸承。
除以上實施例外，本發明還有其他實施方式。凡採用等同替換、等效變形 形成的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是主軸1穿過中間用於兩邊軸向擠壓的凹形磁環5，將兩個浮動旋轉磁環4擠壓懸浮在中間凹形磁環5的兩側，此時磁環5對兩個懸浮環產生軸向懸浮力，實現對磁環的軸向懸浮；兩組遠中心端徑向懸浮磁塊組3對懸浮磁環的遠中心端部分側面進行對稱向心擠壓，實現對兩個懸浮磁環的徑向懸浮。遠中心端徑向懸浮磁塊組(或磁瓦組)3和中間用於兩邊軸向擠壓的凹形磁環(或磁塊組組成的環形磁體)5全部安裝在軸承套2內，這樣軸承的主軸1就完全懸浮了起來。
2. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是浮動旋 轉環可以根據釹鐵硼永磁體具有凸出部位磁場強度最大的特點(凸出效應)進 行變形。固定擠壓磁瓦可以擠壓在其突出部位。
3. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是軸向擠 壓磁塊和徑向擠壓磁塊可以全部安裝在兩個懸浮環的中間，對懸浮環進行對稱 軸向徑向擠壓，實現軸承的磁懸浮。
4. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是在臥式 狀態下，用於兩邊徑向擠壓的磁瓦，其下面磁瓦的體積可以大於上面磁瓦的體 積，使下面磁瓦對懸浮環的擠壓力大於上面磁瓦對懸浮磁環的擠壓力，其力差 可以抵消主軸的重量。
5. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是軸向懸 浮磁塊(或磁環)與浮動旋轉磁環之間的擠壓面可以是錐形斜面，斜面角度不 限。浮動旋轉磁環受到的軸向懸浮力可以是全部向上，用於承載較大的軸向重
6. 根據權利要求1 ^f述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是用於對 浮動環進行擠壓的磁塊可以部分獲全部由電磁鐵取代。
7. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是軸向擠 壓磁塊和徑向擠壓磁瓦均可以對浮動旋轉磁環的內側進行軸向徑向擠壓，實現 對軸承的軸向徑向懸浮。
8. 根據權利要求1所述的磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，其特徵是懸浮起 來的主軸可以帶動電機、鼓風機、壓縮機、泵、渦輪機、汽輪機、風扇、光碟、 電腦硬碟、旋轉門、水錶及電錶等設備的旋轉部分懸浮起來，成為磁懸浮軸承 一體機。
9. 根據上述權利要求，不同的軸承結構中的配件可以任意組合搭配，成為適應 不同需要的磁懸浮軸承或磁懸浮主軸 一體機。
全文摘要
本發明是一種磁懸浮軸承及被懸浮起來的主軸，該軸承利用軸向充磁磁環端面和內外兩側的都具有與端面相同磁場的特性，利用固定在軸承套內的磁塊組或內側有凹陷的變形磁環對浮動旋轉磁環的軸向和徑向進行懸浮，再利用磁瓦或磁塊對兩個懸浮環的另外一端進行徑向懸浮，使轉軸完全懸浮起來，成為磁懸浮軸承。本磁懸浮軸承懸浮起來的主軸還可以帶動其他設備的旋轉部分懸浮起來，成為磁懸浮軸承一體機。
文檔編號F16C35/08GK101586625SQ20081002489
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者卓向東 申請人:卓向東