專利名稱：一種自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁推力軸承，尤其是一種自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量特點(diǎn)的永磁推力軸承，適用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)子、飛輪系統(tǒng)等需要大型推力軸承支撐的應(yīng)用場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
目前工業(yè)上廣泛運(yùn)用的機(jī)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(rùn)滑、價(jià)格昂貴等局限。而永磁材料所具有的矯頑力大、剩磁強(qiáng)、磁能積大、退磁曲線近似線性等特點(diǎn)使得永磁軸承有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械軸承。同時(shí)隨著高性能稀土永磁材料的快速商業(yè)化，以及相應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，永磁軸承所具有的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無能量消耗等特點(diǎn)使之能夠在航空、儀表、化工、電氣等諸多領(lǐng)域有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)合。目前人們主要關(guān)注永磁徑向軸承的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，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(guān)專利，如中國(guó)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(jìn)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(wěn)定，實(shí)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(xiàn)象、失磁、剛度、穩(wěn)定性等實(shí)際問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種易于加工，運(yùn)行穩(wěn)定，適用于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承。
本發(fā)明的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉(zhuǎn)子以及輔助向心軸承，定轉(zhuǎn)子之間具有氣隙，其中定子由n對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成；轉(zhuǎn)子由m對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成，n、m均為自然數(shù)。
上述定子永磁環(huán)的充磁方向可以為軸向充磁或者徑向充磁。轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的充磁方向也可以為軸向充磁或者徑向充磁。定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的充磁方向可以有以下四種組合定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為軸向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為軸向充磁。
本發(fā)明中所說的定子永磁環(huán)的對(duì)數(shù)n和轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的對(duì)數(shù)m可以相等，也可以不等。
所說的定、轉(zhuǎn)子的非導(dǎo)磁環(huán)可以為銅環(huán)或鋁環(huán)。非導(dǎo)磁環(huán)的設(shè)置起到了減緩相鄰永磁環(huán)之間磁力線短路現(xiàn)象的作用，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子軸向位移、轉(zhuǎn)子徑向安裝偏差以及加工等問題所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不均勻現(xiàn)象起到一定的阻尼作用。為方便安裝，通常使定子非導(dǎo)磁環(huán)與定子永磁環(huán)的環(huán)形面形狀相同，轉(zhuǎn)子非導(dǎo)磁環(huán)與轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的環(huán)形面形狀相同。
使用時(shí)，將本發(fā)明的永磁推力軸承的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸緊固，輔助向心軸承安裝在轉(zhuǎn)軸的一端或者兩端，限制轉(zhuǎn)子的徑向偏移，轉(zhuǎn)子可以通過聯(lián)軸器與原動(dòng)機(jī)相連；定子固定在相應(yīng)的機(jī)座上，如水輪機(jī)的底座、飛輪系統(tǒng)的機(jī)架等。定轉(zhuǎn)子軸向方向(重力方向)上允許有一定的位移。
根據(jù)英國(guó)物理學(xué)家EarnShaw的證明，在只有受力與距離平方成反比關(guān)系的恒定磁場(chǎng)中，一個(gè)物體無法處于穩(wěn)態(tài)。所以對(duì)于永磁軸承來說，僅使用永磁塊，無法實(shí)現(xiàn)所有自由度上的穩(wěn)定平衡。本發(fā)明利用定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)承受軸向轉(zhuǎn)子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度上的平衡。
本發(fā)明的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承具有軸向推力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量、不易失磁，不需要潤(rùn)滑和冷卻等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合應(yīng)用于需要大型推力軸承的場(chǎng)合。


圖1是本發(fā)明的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2的為圖1的A-A剖視圖；圖3～圖6為本發(fā)明的定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的四種充磁方向示意圖，以4環(huán)結(jié)構(gòu)為例；圖7為本發(fā)明的永磁推力軸承的應(yīng)用總裝示意圖；圖8為永磁推力軸承的自穩(wěn)定工作區(qū)域示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1、圖2，本發(fā)明的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，包括定子1、轉(zhuǎn)子2以及輔助向心軸承5，定轉(zhuǎn)子之間具有氣隙3，定子1由n對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)1-1以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)1-2構(gòu)成；轉(zhuǎn)子2由m對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)2-1以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)2-2構(gòu)成，n、m均為自然數(shù)，圖1中定子永磁環(huán)的對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的對(duì)數(shù)相等，圖中4為轉(zhuǎn)軸。
定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)充磁方向可以有如圖3～圖6所示的四種組合定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為軸向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為軸向充磁。對(duì)每一種組合，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子充磁方向與對(duì)應(yīng)圖示中箭頭方向相反時(shí)，其效果保持一致，均能產(chǎn)生所需要的永磁推力?？紤]到實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子永磁環(huán)需要承受旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力，不適合分塊組裝，且徑向充磁存在加工難度，所以轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的充磁方向應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇軸向充磁。
以定子永磁環(huán)徑向充磁、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)軸向充磁為例說明本發(fā)明永磁推力軸承的原理。如圖1所示的結(jié)構(gòu)，徑向充磁的定子永磁環(huán)在軸向充磁的轉(zhuǎn)子永磁環(huán)表面形成一個(gè)合成磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以分解為徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)。軸向充磁的轉(zhuǎn)子永磁環(huán)在該徑向磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生向上的推力，而在軸向磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生徑向的拉力。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為正對(duì)位置時(shí)(即圖1所示的定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)無軸向位移時(shí)的臨界平衡狀態(tài))，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)受到最大的軸向推力，而在徑向上所受合力為零，表現(xiàn)為臨界穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)為非正對(duì)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)仍然受到軸向推力，此時(shí)軸向推力隨著軸向偏移的增加而下降。
對(duì)于圖3、圖4所示的定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)充磁方向?yàn)閺较?軸向或者軸向-徑向的結(jié)構(gòu)，其磁力學(xué)原理與特性與圖1類似。對(duì)于圖5、圖6所示的定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)充磁方向?yàn)閺较?徑向或者軸向-軸向的結(jié)構(gòu)，其磁力學(xué)原理與圖1類似，不同點(diǎn)在于其達(dá)到最大軸向推力的位置不在定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的正對(duì)位置，相應(yīng)的最大軸向推力位置分別如圖5、圖6所示。
定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)的對(duì)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，圖3～圖6給出的是4環(huán)結(jié)構(gòu)。永磁環(huán)數(shù)的增加可以顯著提高軸向推力和軸向剛度，實(shí)際設(shè)計(jì)確定永磁環(huán)數(shù)時(shí)則需要綜合考慮軸承軸向長(zhǎng)度、永磁材料經(jīng)濟(jì)性、最大推力等因素。
結(jié)合圖7的總裝示意圖具體說明本發(fā)明的安裝方式。永磁推力軸承的定子1通過緊固件與機(jī)座6相連，轉(zhuǎn)子2通過鍵9與主軸4相連，圖中3為氣隙，11、12分別為轉(zhuǎn)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范圍內(nèi)，圖例中采用的是機(jī)械式軸承，或者也可以用主動(dòng)式電磁軸承。輔助向心軸承5通過軸承座7與機(jī)座腳架8相連，另一端可以通過聯(lián)軸器與原動(dòng)機(jī)相連。
本發(fā)明的永磁推力軸承允許定轉(zhuǎn)子之間存在一定的軸向位移，試驗(yàn)表明，該永磁推力軸承具有自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的特點(diǎn)。對(duì)于圖1所示的結(jié)構(gòu)，其軸向推力與轉(zhuǎn)子軸向位移的關(guān)系如圖8所示。對(duì)于A區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)子軸向位移，本發(fā)明的永磁推力軸承具有正的軸向剛度，所以可以達(dá)到軸向推力方向的自穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于包括定子(1)、轉(zhuǎn)子(2)以及輔助向心軸承(5)，定轉(zhuǎn)子之間具有氣隙(3)，其中定子(1)由n對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)(1-1)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)(1-2)構(gòu)成；轉(zhuǎn)子(2)由m對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)(2-1)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)(2-2)構(gòu)成，n、m均為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)的充磁方向?yàn)檩S向充磁或者徑向充磁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)的充磁方向?yàn)檩S向充磁或者徑向充磁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)為軸向充磁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)為徑向充磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)為徑向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)為徑向充磁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)為軸向充磁，轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)為軸向充磁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于夾置在定子相鄰永磁環(huán)(1-1)之間的非導(dǎo)磁環(huán)(1-2)和夾置在轉(zhuǎn)子相鄰永磁環(huán)(2-1)之間的非導(dǎo)磁環(huán)(2-2)為銅環(huán)或鋁環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子非導(dǎo)磁環(huán)(1-2)與定子永磁環(huán)(1-1)的環(huán)形面形狀相同，轉(zhuǎn)子非導(dǎo)磁環(huán)(2-2)與轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(2-1)的環(huán)形面形狀相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，其特征在于輔助向心軸承(5)是機(jī)械式軸承或主動(dòng)式電磁軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開的自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉(zhuǎn)子以及輔助向心軸承，定轉(zhuǎn)子之間具有氣隙，其中定子由n對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成；轉(zhuǎn)子由m對(duì)疊裝的交替充磁方向的永磁環(huán)以及夾置在相鄰永磁環(huán)之間的非導(dǎo)磁環(huán)構(gòu)成，n、m均為自然數(shù)。該永磁推力軸承利用定、轉(zhuǎn)子永磁環(huán)承受軸向轉(zhuǎn)子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度上的平衡，具有軸向推力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、自適應(yīng)轉(zhuǎn)子重量、不易失磁，不需要潤(rùn)滑和冷卻等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合應(yīng)用于需要大型推力軸承的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)F16C32/04GK1963244SQ20061015473
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者楊歡, 趙榮祥, 汪槱生 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)