磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴.pdf

本发明是一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，该轴承利用轴向充磁磁环端面和内外两侧都具有与端面相同磁场的特性，利用磁块对浮动旋转磁环的轴向和径向进行有效悬浮，使转轴完全悬浮起来，成为磁悬浮轴承。同时还具有较好的抗震性。本磁悬浮轴承悬浮起来的转轴还可以带动其他设备的旋转部分悬浮起来，成为磁悬浮轴承一体机。

1.  一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：径向悬浮磁块和轴向悬浮磁块粘接在一起(轴向悬浮磁块的磁场方向也为径向)，磁块的底边比挤压边长，整个磁块就有一个向内凸出的斜面，使磁块呈梯形结构。将多个粘接磁块同极性全部向内安装在轴承套内，下面就形成一个内小外大的喇叭口，固定挤压面就成为有台阶的环套。环套的径向悬浮磁块对两个浮动旋转磁环外侧的同极部分进行挤压，实现对磁环的径向悬浮；环套上的径向充磁的轴向悬浮磁块对两个浮动旋转磁环产生轴向悬浮力。转轴穿过轴套中心与两个浮动旋转磁环相互连接固定，这样就组成了磁悬浮轴承。转轴上还固定有机械轴承，与轴承套上的限位套一起组成抗震结构。

2.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：用于径向轴向悬浮的粘接磁块可以是整体磁块。也可以完全分离成为径向悬浮磁块和轴向悬浮磁块。然后安装在轴承套内组成环形对称磁场对浮动旋转磁环实施悬浮。轴向悬浮磁块可以由磁环替代。径向悬浮磁块也可以由磁环取代。

3.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：卧式状态下，浮动旋转磁环下部可以增加径向悬浮磁块，抵消较大的转轴径向重量。磁块可以安装在浮动旋转磁环下部两侧，具体位置不限。

4.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：对浮动旋转磁环进行径向轴向悬浮的磁块可以部分或全部由电磁铁取代。同时可以在轴承上安装传感器，控制轴承转子的位置。

5.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：悬浮起来的转轴可以带动电机、鼓风机、压缩机、泵、涡轮机、汽轮机、风扇、光盘、电脑硬盘、旋转门、水表及电表等设备的旋转部分悬浮起来，成为磁悬浮轴承一体机。

6.  根据权利要求2所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：轴向悬浮磁块(或磁环)与浮动旋转磁环之间的挤压面可以是锥形斜面，斜面角度不限。浮动旋转磁环受到的轴向悬浮力可以是全部向上，用于承载较大的轴向重量。

7.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：径向悬浮磁块可以安装在浮动旋转磁环的内侧，实现对轴承的径向悬浮。

8.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：可以用两组径向轴向悬浮磁块挤压一个磁环，使轴承体积缩小，带动小型风扇转子悬浮起来。

9.  根据权利要求1所述的磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，其特征是：使用多个径向悬浮轴承抵消转子径向重量，可以把风力发电机旋转部分全部悬浮起来。

10.  根据上述权利要求，不同的轴承结构可以任意组合搭配，成为适应不同需要的磁悬浮轴承或磁悬浮转轴一体机。

磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴
所属技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承及被悬浮起来的转轴，该系统是利用大小不等的瓷块粘接之后形成的梯形台阶，对普通磁环边缘进行轴向径向挤压，实现轴承定子对轴承转子的径向轴向悬浮，成为永磁磁悬浮轴承。为了提高轴承悬浮力的刚性，还可以把部分永磁块替换成电磁铁，成为电磁永磁混合磁悬浮轴承。被悬浮起来轴承转轴上可以附载电机、鼓风机、压缩机、涡轮机、泵、水轮机、风扇、旋转门、光盘、电脑硬盘、水表及电表等需要旋转传动设备的旋转部分，成为磁悬浮转轴一体机。属于磁悬浮技术领域。
背景技术
目前，传统的磁悬浮轴承大多数不能实现全磁悬浮运转。普通轴承由于需要对滚珠进行摩擦，所以转速严重受限。轴承已成为许多技术发展的瓶颈。为了提高轴承的转速，就必须使轴承旋转部分与固定部分完全分离，使轴承旋转部分彻底悬浮起来。我们经过长时间技术攻关，最终使轴承的旋转部分找到了有力径向轴向悬浮支撑，实现了真正意义上的转子磁悬浮。由于是利用永磁材料进行磁悬浮，所以转轴吸附起来之后与定子永远不会接触。另外还可以增加电磁铁或用电磁铁替代部分永磁块，以提高轴承的悬浮刚性。
发明内容
为了克服普通滚动轴承不能适应高转速要求和现有的磁悬浮轴承不能实现全悬浮高刚性的问题，本发明提供一种可将轴承旋转部分完全悬浮起来的磁悬浮轴承，可以实现上下磁力不对称抗偏心和强磁力抗偏心磁悬浮。该设备在整体翻转时仍然可以保证转子在全磁悬浮状态下运转，是一种适应动态设备如飞机上的磁悬浮轴承。
本发明原理解决的问题所采用的技术方案是：将两个大小不等的瓷块粘接在一起，使其与磁环边缘的挤压端成为梯形直角面(也可以不是直角)，小磁块的底边比挤压边长，使其整个磁块形成一个向内凸出的斜面，磁块充磁方向相同且为径向充磁。将多个磁块极性全部向内安装在一个轴承套内，下面就形成一个内小外大的喇叭口，固定挤压面就成为一个有台阶的环套。两个悬浮磁环固定在转轴上，被挤压在有台阶的环套中间，两边多个磁块与两个磁环轴向面相对的部分实现对两个悬浮磁环轴向悬浮；两边多个磁块与悬浮磁环外侧的同极部分相互挤压，实现悬浮磁环径向稳定。这样悬浮磁环就能够获得均衡的轴向径向悬浮力，带动转轴完全悬浮起来，成为全磁悬浮轴承。
经过试验，我们知道普通轴向充磁磁环N极和S极端面的环外侧和环内侧的近端部分都呈现与端面相同的极性，而且呈环形连续状态，每一个极环形磁场的高度约为磁环高度的二分之一。这样我们就获得了一个径向封闭环形磁场，用方向为径向排列的磁块对旋转磁环同极部分进行环形对称径向挤压，旋转磁环就可以获得一个连续的径向悬浮力；再配合一个对的旋转磁环轴向悬浮力，两个对称旋转磁环就获得强有力的径向轴向悬浮支持。由于磁环内侧和外侧都有相同的情况，所以固定悬浮磁块也可以安装在磁环的内侧面，以适应外旋转转子的要求。
同时我们还发现，永磁体产生的磁场随时会在一定范围进行变化，而且几乎没有规律。两个极性相对的磁场之间产生这种变化，就会导致轴向悬浮时磁力必然会偏向一边。这种偏心力会加大一边的径向张力。由于其存在不确定性，这种张力方向是随机任意方向。在此时轴向张力越大，轴承径向的可承载力越小。所以该磁悬浮轴承存在轴向载荷与径向载荷成反比的现象。根据此现象建立数学模型，将对大规模工业化生产运用磁悬浮轴承具有重大意义。
其中上述粘接磁块也可以由整体磁块构成。磁块的梯形径向轴向挤压面可以与磁环边缘的挤压面平行，也可以存在夹角。梯形磁块向内凸出斜面与转轴平行线之间存在夹角，该夹角不限。另外该磁块还可以改变成径向悬浮磁块和轴向悬浮磁块彻底分离的两部分，轴向悬浮磁块固定在轴承套内与旋转磁环极性相对，实现轴向悬浮。也可以由磁环替代轴向悬浮磁块固定在轴承套内，实现对旋转磁环的轴向悬浮。
为了提高轴承的刚性和稳定性，我们还可以用电磁铁部分或全部取代固定部分的永磁块，使其成为电磁永磁混合磁悬浮轴承。
旋转磁环在被悬浮之后可以带动转轴悬浮起来，转轴可以带动电机、鼓风机、压缩机、涡轮机、泵、水轮机、风扇、旋转门、光盘、电脑硬盘、水表及电表等设备的旋转部分悬浮起来，成为具有磁悬浮功能的一体机。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的径向粘接梯形磁块磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图2是本发明的径向粘接梯形磁块磁悬浮轴承的轴向构造图。
图3是本发明的分体轴向径向悬浮磁块磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图4是本发明的具有轴向斜面挤压结构磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图5是本发明的抗径向偏心磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图6是本发明的径向抗偏心磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图7是本发明的电磁永磁混合磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图8是本发明的磁悬浮轴承转轴一体机的径向剖面构造图。
图9是本发明的立式高轴向载荷磁悬浮轴承转轴一体机的径向剖面构造图。
图10是本发明的轴向磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图11是本发明的简化磁悬浮轴承转轴风扇一体机的径向剖面构造图。
图12是本发明的磁悬浮轴承转轴风力发电机一体机的径向剖面构造图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1中，转轴1，浮动旋转磁环2，径向悬浮磁块3，轴向悬浮磁块4，机械轴承5，机械限位套6，轴承套7。径向悬浮磁块3和轴向悬浮磁块4粘接在一起(轴向悬浮磁块4的磁场方向也为径向)，磁块4的底边比挤压边长，整个磁块形成一个向内凸出的斜面，使磁块呈梯形结构。将多个粘接磁块3和4极性全部向内安装在轴承套7内，下面就形成一个内小外大的喇叭口，固定挤压面就成为有台阶的环套。环套的径向悬浮磁块3对两个浮动旋转磁环2外侧的同极部分进行挤压，实现对磁环的径向悬浮；环套上的径向充磁的轴向悬浮磁块4对两个浮动旋转磁环2产生轴向悬浮力。转轴1穿过轴套中心与两个浮动旋转磁环2相互连接固定，这样就组成了磁悬浮轴承。转轴1上还固定有机械轴承，与轴承套上的限位套一起组成抗震结构。
图2是本发明的径向粘接梯形磁块磁悬浮轴承的轴向构造图。其中径向挤压磁块3和轴向挤压磁块4均匀的排列在轴承套内，固定着两个浮动旋转磁环2的转轴1悬浮在中间。
图3是本发明的分体轴向径向悬浮磁块磁悬浮轴承。其中两边多个对称径向悬浮磁块3对两个浮动旋转磁环2外侧的同极部分进行挤压，实现对磁环的径向悬浮；多个对称排列的轴向悬浮磁块4固定在轴承套内，与两个浮动旋转磁环2进行轴向挤压，实现轴向悬浮。此时轴向悬浮磁块4还可以由整体磁环取代。其余结构与图1相同。这样就实现了轴向径向磁悬浮。
图4是本发明的具有轴向斜面挤压结构磁悬浮轴承。其中两个轴向挤压磁环4与两个浮动旋转磁环2的轴向挤压面为斜面，其他结构与图3相同。
图5是本发明的抗径向偏心磁悬浮轴承。其中轴承为卧式放置，多个径向充磁的整体磁块3对两个浮动旋转磁环2产生轴向径向悬浮力。在两个浮动旋转磁环2外侧下部还安装有对同极部分实施径向悬浮磁块7，抵消过多转轴重量，实现径向抗偏心。两个浮动旋转磁环2固定在转轴1上。
图6是本发明的另一种径向抗偏心磁悬浮轴承。其中轴承为卧式放置，多个径向充磁的整体磁块3对两个浮动旋转磁环2产生轴向径向悬浮力。在径向充磁的整体磁块3的同侧下部安装有多个对两个浮动旋转磁环2产生向上悬浮力径向充磁悬浮磁块5，抵消转轴的径向重量。两个浮动旋转磁环2固定在转轴1上。
图7是本发明的电磁永磁混合磁悬浮轴承。其中多个径向充磁的整体磁块3对两个浮动旋转磁环2产生轴向径向悬浮力。在两个浮动旋转磁环2的轴向另外一侧，多个径向悬浮电磁铁7对两个浮动旋转磁环2外侧的同极部分进行径向磁悬浮，多个轴向悬浮电磁铁8两个浮动旋转磁环2进行轴向磁悬浮，两个浮动旋转磁环2固定在转轴1上。电磁铁7和8还可以安装在整体磁块3的同侧，或替代部分整体磁块3。
图8是本发明的磁悬浮轴承转轴一体机。其中多个径向充磁的整体磁块3对两个浮动旋转磁环2产生轴向径向悬浮力。两个浮动旋转磁环2固定在转轴1上，转轴1带动转轴附件5悬浮起来，该附件5可以是电机、鼓风机、压缩机、泵、涡轮机、汽轮机、风扇、光盘、电脑硬盘、水表及电表等需要旋转传动设备的旋转部分，使旋转部分与固定结构完全脱离接触，成为具有磁悬浮功能的一体机。
图9是本发明的立式高轴向载荷磁悬浮轴承转轴一体机。其中上下多个径向充磁的整体磁块3对两个浮动旋转磁环2轴向悬浮力全部向上，以抵消转轴1上附件较大轴向重量。该附件可以是水轮机、旋转门、大型立式涡轮机、汽轮机等有立式要求大型设备的旋转部分。成为水轮机、旋转门、涡轮机、电机、鼓风机、汽轮机等设备的旋转部分悬浮起来，成为具有磁悬浮功能的一体机。
图10是本发明的轴向磁悬浮轴承的径向剖面构造图。其中多个径向充磁的整体磁块3对一个浮动旋转磁环2产生轴向径向悬浮力。轴承下部由限位机械轴承固定，在无轴向载荷时不能悬浮。在有轴向载荷之后开始轴向悬浮。多个串接之后可以实现全悬浮。
图11是本发明的简化磁悬浮轴承转轴风扇一体机。其中左右两组径向轴向悬浮磁块3对浮动旋转磁环4产生径向轴向悬浮力，电机转子部分和风扇叶片分别安装在轴承两侧。这样就成为磁悬浮轴承转轴风扇一体机。
图12是本发明的磁悬浮轴承转轴风力发电机一体机。其中两组径向轴向悬浮磁块4和浮动旋转磁环5组成主支撑悬浮轴承，两组径向轴向悬浮磁块6与两个浮动旋转磁环7组成发电机转子悬浮轴承，机械抗震结构安装在发电机的两端。叶片安装在转轴上。主支撑悬浮轴承可以选用抗偏心结构。这样就形成磁悬浮轴承转轴风力发电机一体机。
在以上多项实施例中，不同的实施例可以与其他实施例任意组合搭配，成为适应不同要求的磁悬浮轴承。
除以上实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换、等效变形形成的技术方案，均落在本发明的保护范围内。