磁悬浮轴承

磁悬浮轴承

摘要

一种低能耗永磁偏置悬浮轴承系统，属磁悬浮轴承。包括定子支架1、外磁环2、内磁环5、轴套6、青铜瓦8、青铜瓦19，调整螺杆9、软铁10、轴承室11、端盖22，这种永磁偏置轴承结构简单，承载能力强，刚度大，悬浮力可调，安全可靠，对外磁干扰小，在旋转机械领域拥有广泛的应用前景。

权利要求书

1.一种径向支撑的永磁悬浮轴承装置，用于支撑转子轴7，其特征在于,

主要包括四自由度永磁偏置装置，单自由度磁阻轴承装置，永磁悬浮力调节装置，轴承保护装置以及磁屏蔽装置。包括定子支架1、外磁环2、内磁环5、轴套6、耐磨套8、耐磨套19、调整螺杆9、软铁10、轴承室11、端盖22。其中定子支架1嵌套于轴承室内，用于安装外磁环2以及可滑动软铁10，轴套6固定在转子轴7上，内磁环5安装于轴套6的滑道中，耐磨套19和耐磨套8分别套在轴套6的前后端,端盖22装在轴承室11的前端。

2.按权利要求1所述的四自由度永磁偏置装置，包括外磁环2、内磁环

5、定子支架1，其主要特征为：两磁环沿圆周的方向同心放置，外磁

环2与内磁环5充磁方向相反，即两磁环之间为斥力作用。

3.按权利要求2所述的外磁环2，其特征为：由若干块瓦片型磁铁组成，

磁铁固定在外支架上，不能移动，充磁方向为瓦片厚度方向，磁环下方产生的总磁场强度大于上方产生的总磁场强度。

4.按权利要求2所述的内磁环5，其特征为：由径向充磁的环形磁铁或

由大小形状完全相同的瓦片型磁铁拼合而成的圆环组成，如为瓦片型磁铁拼合而成，充磁方向为瓦片厚度方向，磁环产生的磁密在圆周上均匀分布。

5.按权利要求2所述的定子支架1，其特征为：材料为导磁性材料，结

构与异步电机定子铁心类似，为齿槽结构，支架上半部分齿长，与外磁环2厚度相同，下半部分齿短，依靠上齿对转子磁环的磁吸力来增大轴承系统的悬浮力。

6.按权利要求1所述的单自由度磁阻轴承装置，由内磁环5、定子支架

1、轴套6、轴承室11、端盖22组成，其特征为：除内磁环5以外，

所述部件均为导磁材料(如Q235)，利用“磁阻最小原理”实现转子在轴向上的稳定悬浮。

7.按权利要求1所述的永磁悬浮力调节装置，由调整螺杆9、软铁10、

内磁环5、轴承室11、定子支架1组成，其特征为：利用磁铁与软铁之间的吸力，通过调节软铁与内磁环的气隙面积，从而达到调节悬浮力的目的。

8.按权利要求7 所述的软铁10，其特征为，软铁通过机械、电动、液

压等方式沿轴向前后移动。

9.按权利8所述软铁10，其特征为：沿轴向中心开一螺纹通孔，与调整

螺杆9相配套，能够在由定子支架1槽和轴承室11通孔组成的滑道中前后滑动。

10.按权利要求7所述的磁悬浮轴承，其特征为：由定子支架1槽和轴承

室11通孔组成的软铁滑道，其沿径向的张角必须大于一定角度，避免产生机械自锁，阻碍软铁的滑动。

11.按权利要求1所述的轴承保护装置，由轴承室11、耐磨套8、耐磨套

19、端盖22组成。其特征为：利用耐磨套与轴承室或端盖内壁相配

合，配合面之间的间隙小于内外磁环之间的间隙，用以保护定转子磁环。

12.按权利要求11所述的耐磨套8、耐磨套19，其特征为：材料为硬度

大、高耐磨性、低摩擦系数的金属或半金属材料（如青铜），形状可以为圆柱形或锥形，如为锥形，其与轴承室11或端盖22相配合的锥面必须锥度一致。

13.按权利要求7或11所述的端盖22，其特征为：与调整螺杆9相配合

的地方开有通孔，端盖内壁与耐磨套19相配合的地方可以开注油孔，用以注油。

14.按权利要求7或11所述的轴承室11，其特征为：其与软铁10相配合

的位置开有通孔，软铁10能在通孔和定子支架1槽内来回滑动，轴承室内壁与耐磨套8相配合的地方可以开注油孔，用以注油。

15.按权利要求1所述的磁屏蔽装置，由轴承室11、端盖22和轴套6组

成，其特征为：3者之间的最大配合间隙必须很小，以形成一个磁屏蔽罩，将内部磁场与外界隔离。

16.按权利要求中1所述的磁悬浮轴承装置，其特征在于，除之前所述为

导磁材料或永磁材料的零件以外，其余所有零件如紧固件均用非导磁材料。

说明书

一．技术领域

本发明涉及到一种低能耗永磁偏置悬浮轴承系统，包括永磁偏置悬浮支撑结构，永磁体与软磁材料之间组成的吸力磁阻结构，以及涉及如何利用磁阻效应调节悬浮力的方法。

二．背景技术

磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而实现承载的非接触支承装置，与传统的滚动和滑动轴承相比，磁力轴承明显特点在于没有机械接触，不需要传力介质，而且支承可控，因而具有传统轴承无法比拟的优越性能。

磁力轴承可以分为主动磁力轴承（也称电磁轴承）、被动磁力轴承和混合磁力轴承三种，到目前为止人们主要的研究对象是主动磁力轴承，这是由主动磁力轴承本身的高可控性和体积相对较小的优点决定的。然而，与传统的机械轴承和液压轴承相比，电磁磁力轴承结构复杂而且成本昂贵，还需要外部力源和主动控制系统。而被动磁力轴承可以避免主动磁力轴承所带来的问题，被动磁力轴承不需要外部力源，且性能可靠、寿命长。今年来，随着永磁材料性能的飞快提高，性能价格比越来越好，这都为被动磁力轴承的应用提供了非常优良的物质基础。

但是被动磁悬浮也有其难以解决的技术难题，1842年英国物理学家恩肖指出：一个相互作用力服从距离平方反比规律的体系不可能实现三维空间的稳定平衡。这一结论被十九世纪的伟大物理学家麦克斯韦

（Maxwell）做过引述和论证，随后布朗，白劳恩比斯克等进行了推论，历经三个世纪，发展成为恩肖定理：全永磁悬浮不可能。因此想要得到稳定的平衡体系，至少要在一个方向上引入外力（如电磁力、机械力）进行补偿。除此之外，永磁轴承另外一个缺点是磁力难以调节，一旦磁铁选定，气隙值确定之后，由于永磁铁剩磁无法改变，调节磁铁之间的磁力大小变得非常困难，这也在很大程度上抑制了永磁轴承的推广和应用。

三．发明内容

本发明的目的就在于提出一种永磁偏置磁悬浮系统，利用永磁铁之间的斥力作用以及永磁体与软磁材料之间的磁阻效应相结合，以解决全永磁悬浮轴承系统不稳定以及磁力不可调的问题，实现5自由度悬浮的磁轴承系统。根据本发明设计的磁悬浮轴承系统结构包括五大部分：（1）四自由度永磁偏置装置。它由定子外磁环、转子内磁环、定子支架组成。转子内磁环通过粘接或机械方式（如轴套）直接或间接与轴相连，由径向充磁的环形磁铁或由大小形状完全相同的瓦片型磁铁拼合而成的圆环组成，定子外磁环安装于定子支架上，由大小形状完全相同的瓦片型磁铁组成，充磁方向与转子内磁环相反，定子磁环下方产生的总磁场强度大于上方产生的总磁场强度，转子磁环产生的磁密在圆周上均匀分布，从而使定转子磁环之间的气隙磁场总是下方强于上方，以形成磁场力的向上偏置，将转轴悬浮起来，而定子支架为导磁材料，结构为与异步电机定子铁心类似的齿槽结构，且上方齿长，下方齿短，依靠上齿对转子磁环的磁吸力来增大轴承系统的悬浮力。当转子处于平衡状态时，气隙平均分布，如果转子受到一个径向外扰力，使转子偏心，