[发明专利]磁悬浮轴承及被悬浮起来的主轴

说明书

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中轴，该系统是利用一个两端有 内侧凹陷(外侧凹陷)形固定环(该环也可以由多块梯形台阶的磁块拼接而成)， 对两个浮动的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轴向 悬浮，附带径向悬浮。再用磁瓦(或磁块)对两个浮动环的外侧边缘进行对称挤 压，实现主径向悬浮，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，成为磁悬浮中轴 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，所以转轴悬浮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：一个两端有凹陷的磁环(该 磁环还可以用多块梯形台阶的磁块组拼接而成)固定在轴承套的中间，一根主 轴穿过固定磁环，将两个悬浮环挤压悬浮在固定磁环的两侧，凹陷磁环的凹陷 边缘挤压两个悬浮磁环的近中心端同极部分，使磁环受到轴向悬浮力。同时利 用固定在轴承套两端的磁瓦组(或磁块组)对两个悬浮磁环的远中心端边缘进 行均衡径向挤压，实现对轴承的径向悬浮。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。

其中悬浮磁环和磁块组都可以根据需要进行对称、对应变形。对悬浮环远 中心端进行挤压的磁瓦(或磁块)的长度和挤压间距不限，磁块与悬浮环之间 可以存在夹角，其角度不限。

经过试验，我们知道普通轴向充磁磁环N极端面和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，我们称为近端同极现象。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瓦或磁块对旋转磁环同 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，径向偏心力也越大，这 样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。

根据试验，发现钕铁硼永磁体有许多独特的物理特性，其中有一点就是如 果将钕铁硼永磁体进行变形，其中突出部位的磁场强度最大。其余部位的磁场 强度明显较弱。我们称其为突出效应。这就是为什么两个锥形磁环形成的磁悬 浮轴承径向承载力不够的原因。如果使悬浮环的径向挤压部位突出，可以提高 轴承的径向载荷。另外钕铁硼永磁体还有其他多种独特的物理特性，我们根据 近端同极现象、反推现象、突出效应和边缘聚集效应等物理特性设计了这种磁 悬浮轴承。根据钕铁硼永磁体上述的物理现象，可以对轴承中的磁块和悬浮磁 环进行合理变形，都可以实现转轴的全悬浮。其中用于实现径向悬浮的磁瓦的 长度最好在挤压部分长度的一倍以上。

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。