一種自適應轉子重量的永磁推力軸承的製作方法
2023-04-25 09:55:16 1
專利名稱：一種自適應轉子重量的永磁推力軸承的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種永磁推力軸承，尤其是一種自適應轉子重量特點的永磁推力軸承，適用於水輪機轉子、飛輪系統等需要大型推力軸承支撐的應用場合。
背景技術：
目前工業上廣泛運用的機械式推力圓柱滾子軸承、推力球軸承等，具有單位面積推力有限、易磨損、需潤滑、價格昂貴等局限。而永磁材料所具有的矯頑力大、剩磁強、磁能積大、退磁曲線近似線性等特點使得永磁軸承有可能代替傳統機械軸承。同時隨著高性能稀土永磁材料的快速商業化，以及相應加工技術的發展，永磁軸承所具有的體積小、結構簡單、無能量消耗等特點使之能夠在航空、儀表、化工、電氣等諸多領域有其獨特的應用場合。目前人們主要關注永磁徑向軸承的應用與實現，而永磁推力軸承的研究很少。少量涉及永磁推力軸承的相關專利，如中國專利CN2632381公開的永磁全磁浮推力軸承，直接利用極性相同的中央永磁塊之間的斥力進行軸向懸浮，利用極性相反的外圍永磁塊之間的吸力保持徑向穩定，實際上是一種理想情況下的懸浮，未能很好的考慮到加工難度、磁力線短路現象、失磁、剛度、穩定性等實際問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種易於加工，運行穩定，適用於大型旋轉機械的自適應轉子重量的永磁推力軸承。
本發明的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉子以及輔助向心軸承，定轉子之間具有氣隙，其中定子由n對疊裝的交替充磁方向的永磁環以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環構成；轉子由m對疊裝的交替充磁方向的永磁環以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環構成，n、m均為自然數。
上述定子永磁環的充磁方向可以為軸向充磁或者徑向充磁。轉子永磁環的充磁方向也可以為軸向充磁或者徑向充磁。定、轉子永磁環的充磁方向可以有以下四種組合定子永磁環為徑向充磁，轉子永磁環為軸向充磁；定子永磁環為軸向充磁，轉子永磁環為徑向充磁；定子永磁環為徑向充磁，轉子永磁環為徑向充磁；定子永磁環為軸向充磁，轉子永磁環為軸向充磁。
本發明中所說的定子永磁環的對數n和轉子永磁環的對數m可以相等，也可以不等。
所說的定、轉子的非導磁環可以為銅環或鋁環。非導磁環的設置起到了減緩相鄰永磁環之間磁力線短路現象的作用，同時對轉子軸向位移、轉子徑向安裝偏差以及加工等問題所產生的磁場不均勻現象起到一定的阻尼作用。為方便安裝，通常使定子非導磁環與定子永磁環的環形面形狀相同，轉子非導磁環與轉子永磁環的環形面形狀相同。
使用時，將本發明的永磁推力軸承的轉子與轉軸緊固，輔助向心軸承安裝在轉軸的一端或者兩端，限制轉子的徑向偏移，轉子可以通過聯軸器與原動機相連；定子固定在相應的機座上，如水輪機的底座、飛輪系統的機架等。定轉子軸向方向(重力方向)上允許有一定的位移。
根據英國物理學家EarnShaw的證明，在只有受力與距離平方成反比關係的恆定磁場中，一個物體無法處於穩態。所以對於永磁軸承來說，僅使用永磁塊，無法實現所有自由度上的穩定平衡。本發明利用定、轉子永磁環承受軸向轉子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實現各個自由度上的平衡。
本發明的自適應轉子重量的永磁推力軸承具有軸向推力大、結構簡單、安裝方便、自適應轉子重量、不易失磁，不需要潤滑和冷卻等優點，尤其適合應用於需要大型推力軸承的場合。
圖1是本發明的自適應轉子重量的永磁推力軸承的結構示意圖；圖2的為圖1的A-A剖視圖；圖3～圖6為本發明的定、轉子永磁環的四種充磁方向示意圖，以4環結構為例；圖7為本發明的永磁推力軸承的應用總裝示意圖；圖8為永磁推力軸承的自穩定工作區域示意圖。
具體實施例方式
參照圖1、圖2，本發明的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子1、轉子2以及輔助向心軸承5，定轉子之間具有氣隙3，定子1由n對疊裝的交替充磁方向的永磁環1-1以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環1-2構成；轉子2由m對疊裝的交替充磁方向的永磁環2-1以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環2-2構成，n、m均為自然數，圖1中定子永磁環的對數與轉子永磁環的對數相等，圖中4為轉軸。
定、轉子永磁環充磁方向可以有如圖3～圖6所示的四種組合定子永磁環為徑向充磁，轉子永磁環為軸向充磁；定子永磁環為軸向充磁，轉子永磁環為徑向充磁；定子永磁環為徑向充磁，轉子永磁環為徑向充磁；定子永磁環為軸向充磁，轉子永磁環為軸向充磁。對每一種組合，當定、轉子充磁方向與對應圖示中箭頭方向相反時，其效果保持一致，均能產生所需要的永磁推力。考慮到實際旋轉時轉子永磁環需要承受旋轉時的應力，不適合分塊組裝，且徑向充磁存在加工難度，所以轉子永磁環的充磁方向應當優先選擇軸向充磁。
以定子永磁環徑向充磁、轉子永磁環軸向充磁為例說明本發明永磁推力軸承的原理。如圖1所示的結構，徑向充磁的定子永磁環在軸向充磁的轉子永磁環表面形成一個合成磁場，該磁場可以分解為徑向磁場和軸向磁場。軸向充磁的轉子永磁環在該徑向磁場的作用下產生向上的推力，而在軸向磁場的作用下產生徑向的拉力。當定、轉子永磁環為正對位置時(即圖1所示的定、轉子永磁環無軸向位移時的臨界平衡狀態)，轉子永磁環受到最大的軸向推力，而在徑向上所受合力為零，表現為臨界穩定狀態。當定、轉子永磁環為非正對位置時，轉子永磁環仍然受到軸向推力，此時軸向推力隨著軸向偏移的增加而下降。
對於圖3、圖4所示的定、轉子永磁環充磁方向為徑向-軸向或者軸向-徑向的結構，其磁力學原理與特性與圖1類似。對於圖5、圖6所示的定、轉子永磁環充磁方向為徑向-徑向或者軸向-軸向的結構，其磁力學原理與圖1類似，不同點在於其達到最大軸向推力的位置不在定、轉子永磁環的正對位置，相應的最大軸向推力位置分別如圖5、圖6所示。
定、轉子永磁環的對數可以根據實際需要進行調整，圖3～圖6給出的是4環結構。永磁環數的增加可以顯著提高軸向推力和軸向剛度，實際設計確定永磁環數時則需要綜合考慮軸承軸向長度、永磁材料經濟性、最大推力等因素。
結合圖7的總裝示意圖具體說明本發明的安裝方式。永磁推力軸承的定子1通過緊固件與機座6相連，轉子2通過鍵9與主軸4相連，圖中3為氣隙，11、12分別為轉子的上壓板和下壓板，10為壓緊螺母，主軸的一端安裝輔助向心軸承5，以保證徑向偏差在允許範圍內，圖例中採用的是機械式軸承，或者也可以用主動式電磁軸承。輔助向心軸承5通過軸承座7與機座腳架8相連，另一端可以通過聯軸器與原動機相連。
本發明的永磁推力軸承允許定轉子之間存在一定的軸向位移，試驗表明，該永磁推力軸承具有自適應轉子重量的特點。對於圖1所示的結構，其軸向推力與轉子軸向位移的關係如圖8所示。對於A區域內的轉子軸向位移，本發明的永磁推力軸承具有正的軸向剛度，所以可以達到軸向推力方向的自穩定。
權利要求
1.一種自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於包括定子(1)、轉子(2)以及輔助向心軸承(5)，定轉子之間具有氣隙(3)，其中定子(1)由n對疊裝的交替充磁方向的永磁環(1-1)以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環(1-2)構成；轉子(2)由m對疊裝的交替充磁方向的永磁環(2-1)以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環(2-2)構成，n、m均為自然數。
2.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子永磁環(1-1)的充磁方向為軸向充磁或者徑向充磁。
3.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於轉子永磁環(2-1)的充磁方向為軸向充磁或者徑向充磁。
4.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子永磁環(1-1)為徑向充磁，轉子永磁環(2-1)為軸向充磁。
5.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子永磁環(1-1)為軸向充磁，轉子永磁環(2-1)為徑向充磁。
6.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子永磁環(1-1)為徑向充磁，轉子永磁環(2-1)為徑向充磁。
7.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子永磁環(1-1)為軸向充磁，轉子永磁環(2-1)為軸向充磁。
8.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於夾置在定子相鄰永磁環(1-1)之間的非導磁環(1-2)和夾置在轉子相鄰永磁環(2-1)之間的非導磁環(2-2)為銅環或鋁環。
9.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於定子非導磁環(1-2)與定子永磁環(1-1)的環形面形狀相同，轉子非導磁環(2-2)與轉子永磁環(2-1)的環形面形狀相同。
10.根據權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特徵在於輔助向心軸承(5)是機械式軸承或主動式電磁軸承。
全文摘要
本發明公開的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉子以及輔助向心軸承，定轉子之間具有氣隙，其中定子由n對疊裝的交替充磁方向的永磁環以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環構成；轉子由m對疊裝的交替充磁方向的永磁環以及夾置在相鄰永磁環之間的非導磁環構成，n、m均為自然數。該永磁推力軸承利用定、轉子永磁環承受軸向轉子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實現各個自由度上的平衡，具有軸向推力大、結構簡單、安裝方便、自適應轉子重量、不易失磁，不需要潤滑和冷卻等優點，尤其適合應用於需要大型推力軸承的場合。
文檔編號F16C32/04GK1963244SQ20061015473
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月21日 優先權日2006年11月21日
發明者楊歡, 趙榮祥, 汪槱生 申請人:浙江大學