專利名稱：永磁磁浮軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁磁浮軸承系統(tǒng)，特別涉及軸向永磁磁浮軸承和機(jī)械軸承組相組合 的磁懸浮軸承系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于磁懸浮軸承沒有機(jī)械接觸，免維護(hù)，能運(yùn)行于高速，不需要潤滑，沒有磨損，壽 命長，因此在許多場合受到歡迎，并得到廣泛應(yīng)用。而永磁磁浮軸承由于是被動(dòng)式的，結(jié)構(gòu) 簡單，不需要復(fù)雜而昂貴且耗電的控制系統(tǒng)，因此更受到歡迎。然而，歐肖定理(Earnshawtheorem_1842 年被 Samuel Earnshaw 所證明)指出， 單獨(dú)依靠永磁體產(chǎn)生的磁力不可能使有六個(gè)自由度的磁性剛體(比如一個(gè)與懸浮磁體相 連的帶軸的飛輪，有六個(gè)自由度，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和三個(gè)平動(dòng)自由度)在重力場中產(chǎn)生三 維懸浮，所以永磁磁浮軸承不能單獨(dú)運(yùn)用，必須與其他懸浮或支撐方式相結(jié)合。這一點(diǎn)被許 多發(fā)明人所忽視，以致提出一些不能實(shí)施的專利。現(xiàn)有的永磁磁浮軸承的另一個(gè)缺點(diǎn)是其懸浮力和懸浮剛度小。這是其不能獲得廣 泛應(yīng)用的原因之一。目前，有關(guān)永磁磁浮軸承的國內(nèi)專利幾乎都是根據(jù)磁極同性相斥的原理來構(gòu)成 的，其浮力和剛度很小。其適用范圍局限于懸浮輕小的轉(zhuǎn)子，如電度表的轉(zhuǎn)子等。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上的缺點(diǎn)，本發(fā)明人結(jié)合本人先前的專利(專利號(hào)03114974. X，專利 名稱為“磁懸浮列車及其懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)系統(tǒng)”)，在此提供一種磁懸浮和機(jī)械軸承相結(jié) 合，而懸浮力和懸浮剛度都大得多，結(jié)構(gòu)簡單，不需要控制系統(tǒng)，而能量損耗很低和造價(jià)低 廉的永磁磁浮軸承系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下這是一種永磁磁浮和機(jī)械軸承相結(jié)合的磁浮軸承系統(tǒng)， 由磁環(huán)，間隔環(huán)，導(dǎo)磁環(huán)，飛輪或其他負(fù)載，主轉(zhuǎn)軸和多個(gè)機(jī)械軸承組所組成，其特征在于 整個(gè)系統(tǒng)包括起軸向懸浮作用的磁浮軸承和起徑向限位作用的機(jī)械軸承組。磁浮軸承包含固定于基座上的靜止磁陣列和固定于下安裝板上的轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列；靜 止磁陣列由若干個(gè)固定于基座上的同軸的靜止環(huán)形磁列所組成，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列由若干個(gè)固定 于下安裝板上的同軸的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列所組成；每一靜止環(huán)形磁列和每一轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列都由 若干個(gè)磁環(huán)和若干個(gè)間隔環(huán)沿軸向交替疊合而成；所有磁環(huán)的充磁方向是輻向向內(nèi)或輻向 向外，同一個(gè)磁列中相鄰磁環(huán)的充磁方向相反，處于同一水平面上的磁環(huán)的充磁方向相同； 為增加氣隙中的磁通密度和減少磁通泄漏，在最外面的磁列的外側(cè)和最里面的磁列的內(nèi)側(cè) 緊貼有導(dǎo)磁環(huán)。靜止環(huán)形磁列和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列同軸地交替排布，相鄰的靜止環(huán)形磁列和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形 磁列之間留有氣隙，使各轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列可以在靜止環(huán)形磁列之間無碰擦地自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
兩個(gè)機(jī)械軸承組分別安裝在主軸的上下兩端，每一機(jī)械軸承組包括三個(gè)或三個(gè)以上的機(jī)械軸承，機(jī)械軸承的轉(zhuǎn)軸與主轉(zhuǎn)軸平行，并沿主轉(zhuǎn)軸的外圓均布，主轉(zhuǎn)軸和機(jī)械軸承 的外表面接觸，機(jī)械軸承的軸是固定不轉(zhuǎn)的，主轉(zhuǎn)軸在機(jī)械軸承的外表面的包絡(luò)面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。磁浮軸承的磁作用力在軸向產(chǎn)生懸浮力，機(jī)械軸承組則限制主轉(zhuǎn)軸的徑向平移和垂直于轉(zhuǎn)軸方向的傾覆，使其形成一個(gè)穩(wěn)定而阻力很小的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。這可用于飛輪儲(chǔ)能。這 稱為(A)型磁浮軸承系統(tǒng)。前述之(A)型磁浮軸承系統(tǒng)，可形成另一變形，其特征是主轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，成為立 柱，并垂直固定于基座上；下機(jī)械軸承組和轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列安裝在下轉(zhuǎn)動(dòng)板上，下機(jī)械軸承組的 軸承繞立柱均布，機(jī)械軸承的外緣和立柱接觸，機(jī)械軸承組繞立柱旋轉(zhuǎn)，上機(jī)械軸承組以相 同的方式安裝在上轉(zhuǎn)動(dòng)板上，上下轉(zhuǎn)動(dòng)板之間用結(jié)構(gòu)件或風(fēng)葉連接；其靜止磁陣列和轉(zhuǎn)動(dòng) 磁陣列與上述的(A)型磁浮軸承相同。靜止磁陣列安裝在基座上，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列安裝在下安 裝板上；整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由磁浮軸承抵消其重力，并通過上下機(jī)械軸承組可繞立柱旋轉(zhuǎn)，這種 結(jié)構(gòu)適合于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。這稱為(B)型磁浮軸承系統(tǒng)。前述之(A)型磁浮軸承系統(tǒng)中的機(jī)械軸承組可脫離磁浮軸承獨(dú)立使用，其特征 是以軸向止推裝置替代磁浮軸承，與機(jī)械軸承組配合使用，其機(jī)械軸承的直徑大于主轉(zhuǎn)軸 的直徑，主轉(zhuǎn)軸可以垂直、水平或其他角度；主轉(zhuǎn)軸在機(jī)械軸承組的機(jī)械軸承的外圓的包絡(luò) 面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。在此情況下，機(jī)械軸承的轉(zhuǎn)速小于主軸的轉(zhuǎn)速，因此可使用低速機(jī)械軸承為主轉(zhuǎn) 軸提供高速或超高速轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)前述之(B)型磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是以機(jī)械止推裝置代替磁浮軸承，結(jié)合 上述之機(jī)械軸承組，且其機(jī)械軸承的尺寸小于立柱的尺寸，因此，可以用小的機(jī)械軸承來轉(zhuǎn) 動(dòng)質(zhì)量和尺寸都巨大的系統(tǒng)。根據(jù)前述之(A)型磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是其主轉(zhuǎn)軸是垂直的，傾斜的或水平 的。根據(jù)前述之(B)型磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是其立柱是垂直的或傾斜的或水平的。根據(jù)前述之(A)型或(B)型磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)中的磁浮軸承可以是多 個(gè)，以增加浮力。本發(fā)明的軸承系統(tǒng)有以下的有益效果(1)，如上述的(A)型磁浮軸承系統(tǒng)，其懸浮力和剛度都遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的磁浮軸承。 舉例說，一個(gè)直徑200毫米，厚50毫米的小型磁浮軸承其浮力大于6000牛(600千克力)， 其剛度大于500牛/毫米；一個(gè)直徑2米，厚0. 1米的磁浮軸承，其浮力足以托起全重100 噸以上的飛輪。設(shè)鋼質(zhì)飛輪直徑為4米，厚度為1. 1米，重100噸，在60000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速 下，可儲(chǔ)存4X IO12焦耳的巨大能量，這能量在該系統(tǒng)中的儲(chǔ)存時(shí)間以年計(jì)。由于磁浮軸承 在運(yùn)轉(zhuǎn)中幾乎無能量損耗，而整個(gè)磁浮系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，因此各機(jī)械軸承的受力 幾乎為零，因此在運(yùn)行過程中能耗很低，磨損很小，系統(tǒng)的壽命很長。(2)，如前述之(B)型磁浮軸承系統(tǒng)，可適用于從百瓦級(jí)的小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 到兆瓦級(jí)的大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。與第一條同樣的道理，其阻力很小，故微風(fēng)即能啟動(dòng)； 磁浮軸承部分無磨損，機(jī)械軸承部分因負(fù)載接近零，其磨損很小，所需維護(hù)很少，且維護(hù)容 易。故總體壽命長，可以滿足運(yùn)行20年以上的要求。(3)綜合以上(1)和(2)的有益效果，將風(fēng)力發(fā)電和飛輪儲(chǔ)能相結(jié)合，將風(fēng)電儲(chǔ)存 在飛輪中，在電網(wǎng)需電時(shí)輸出。解決風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)需電在時(shí)間上的失配問題。
(4)，只要加上軸向止推機(jī)構(gòu)，例如主軸兩端加頂尖(見圖17)，或機(jī)械軸承的外圈 為凸弧形，而主轉(zhuǎn)軸與機(jī)械軸承相接觸處為相應(yīng)的凹形(比如輪胎形，見實(shí)施例5)，本發(fā)明 中機(jī)械軸承組可在無磁浮軸承配合的情況下單獨(dú)使用。這在機(jī)械行業(yè)比較適用。設(shè)機(jī)械軸 承的半徑為R，主轉(zhuǎn)軸的半徑為r，如果該機(jī)械軸承的最高使用轉(zhuǎn)速為20000轉(zhuǎn)/分，R/r = 6，則主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)120000轉(zhuǎn)/分。所以本發(fā)明的技術(shù)可以用低轉(zhuǎn)速的機(jī)械軸承而 使主轉(zhuǎn)軸獲得高轉(zhuǎn)速或超高轉(zhuǎn)速。


圖1輻向充磁的磁環(huán)(箭頭表示充磁方向)。圖2間隔環(huán)(非導(dǎo)磁材料)。圖3導(dǎo)磁環(huán)。圖4固定磁陣列的磁列(箭頭代表充磁方向)。圖5轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列的磁列(箭頭代表充磁方向)。圖6固定磁陣列。圖7轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列。圖8實(shí)施例1，主轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)型磁浮軸承系統(tǒng)，適合于飛輪儲(chǔ)能。圖9實(shí)施例2，主轉(zhuǎn)軸固定型磁浮軸承系統(tǒng)(固定的主轉(zhuǎn)軸稱立柱)，適合于垂直 軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。圖10實(shí)施例3，磁浮軸承和機(jī)械軸承的簡易組合。圖11實(shí)施例4，另一種磁浮軸承和機(jī)械軸承的簡易組合。圖12實(shí)施例5，一般低速機(jī)械軸承使主轉(zhuǎn)軸運(yùn)行于高轉(zhuǎn)速的圖示。(a)為主視圖。(b)為機(jī)械軸承21，22，23和主轉(zhuǎn)軸1的配置的左視圖。R為機(jī)械軸承的半徑，r為
主轉(zhuǎn)軸的半徑。圖13說明機(jī)械軸承組中各軸承在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)速比有極限的圖示。圖14機(jī)械軸承組中各軸承不在同一平面內(nèi)無轉(zhuǎn)速比限制的圖示。(a)為主視圖，機(jī)械軸承21，22，23不在同一平面內(nèi)。(b)為機(jī)械軸承21，22，23和主轉(zhuǎn)軸1的頂視圖。圖15實(shí)施例5的示意圖。圖16實(shí)施例6的軸剖面圖。圖17實(shí)施例7的軸剖面圖。圖標(biāo)說明1系統(tǒng)主轉(zhuǎn)軸，2基座，3下機(jī)械軸承組安裝臺(tái)(板)，4上機(jī)械軸承組安裝板，5下 機(jī)械軸承組(至少三個(gè)機(jī)械軸承)，6上機(jī)械軸承組(至少三個(gè)機(jī)械軸承)，7下安裝板(轉(zhuǎn) 動(dòng)磁陣列安裝于該板上)，8磁浮軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列，8-1轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列的環(huán)形磁列，8-2轉(zhuǎn)動(dòng) 磁陣列的環(huán)形磁列，9磁浮軸承的靜止環(huán)形磁陣列，9-1靜止磁陣列的環(huán)形磁列，9-2靜止磁 陣列的環(huán)形磁列，9-3靜止磁陣列的環(huán)形磁列，10轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列的環(huán)形磁體，11靜止磁陣列的 環(huán)形磁體，12內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)，13外導(dǎo)磁環(huán)，14間隔環(huán)，15上機(jī)械軸承組安裝板(固定不轉(zhuǎn))和基 座之間的連接件，16立柱(固定軸)，17上機(jī)械軸承組安裝板，18氣隙，19上下機(jī)械軸承組安裝板(轉(zhuǎn)動(dòng))之間的連接件或垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉，21-26機(jī)械軸承，27飛輪，28-29 止推軸承，30磁浮軸承集成，31-32無內(nèi)圈的機(jī)械軸承，33-34與主轉(zhuǎn)軸滑動(dòng)配合的普通機(jī) 械軸承，35-36輪胎形機(jī)械軸承組(每組也包含至少三個(gè)輪胎形機(jī)械軸承)，37-輪胎形機(jī) 械軸承的軸)，38-39機(jī)械軸承組，40-機(jī)械軸承的軸，41-42鋼珠或其他硬質(zhì)珠，43-44止推 桿，45-46機(jī)械軸承組，47-48頂尖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1該實(shí)施例如圖8所示，由兩部分組成。第一部分是軸向磁浮系統(tǒng)，它使整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部 分克服重力懸浮起來；第二部分是上下兩個(gè)機(jī)械軸承組5和6，其作用是限制主轉(zhuǎn)軸1的水 平平移和傾覆。磁浮軸承由轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8和固定磁陣列9組成。固定磁陣列9由若干個(gè)環(huán)形磁列9-1，9-2和9-3 (這里是三個(gè)，圖4表示的是一個(gè) 靜止環(huán)形磁列)組成。每一固定磁列由環(huán)形磁體(簡稱磁環(huán))11和間隔環(huán)14 (非磁性材料) 交替疊合而成。磁環(huán)11被向外或向內(nèi)輻向充磁(圖8左下方的小長方塊表示充磁方向)。 同一環(huán)狀磁列內(nèi)軸向相鄰的磁環(huán)的極性相反。為使磁路更好的閉合和增加氣隙18中的磁 通密度，最外的靜止磁列9-1的外側(cè)緊貼有外導(dǎo)磁環(huán)13，最里邊的靜止磁列9-3的內(nèi)側(cè)緊貼 有內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)12。固定磁陣列9中所有的環(huán)狀磁列是同軸排列的，磁列之間留有空間，以便自 由的插入轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8。轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8也由若干個(gè)環(huán)狀磁列8-1，和8-2 (這里是2個(gè)，圖5是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形 磁列)組成。每一轉(zhuǎn)動(dòng)磁列也由環(huán)狀磁體(磁環(huán))10和間隔環(huán)14交替疊合而成，磁環(huán)10被 向內(nèi)或向外輻向充磁，同一環(huán)狀磁列中軸向相鄰的磁環(huán)的極性相反。轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8同軸地 等間隔地插入上述的固定磁陣列9的空間中。轉(zhuǎn)動(dòng)磁列8和固定磁列9之間留有氣隙18， 以便轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列可以在固定磁陣列之間無碰擦地自由轉(zhuǎn)動(dòng)。墊環(huán)20是為了使轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列 有足夠的懸浮高度。固定磁環(huán)11和轉(zhuǎn)動(dòng)磁環(huán)10的充磁方向配置如圖8所示。靜止磁陣列9和內(nèi)、外導(dǎo)磁環(huán)都安裝在基座2上，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8安裝在下轉(zhuǎn)動(dòng)板7 的下表面。如前所述，一個(gè)磁性剛體是不能在靜磁場中穩(wěn)定懸浮的。為此在本發(fā)明中，靜磁場 只負(fù)擔(dān)軸向懸浮，其他四個(gè)自由度(兩個(gè)垂直于轉(zhuǎn)軸的平動(dòng)自由度，兩個(gè)垂直于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)自由度)由兩組機(jī)械軸承組5和6來限制，只有主轉(zhuǎn)軸1的繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是自由的，形成一 個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明中限制主轉(zhuǎn)軸的機(jī)械軸承有兩組，上機(jī)械軸承組6和下機(jī)械軸承組5。每 組至少有三個(gè)機(jī)械軸承，這三個(gè)機(jī)械軸承沿主轉(zhuǎn)軸外緣均布，機(jī)械軸承的軸和主轉(zhuǎn)軸平行。 機(jī)械軸承的外圈外表面輕靠主轉(zhuǎn)軸，主轉(zhuǎn)軸在兩組機(jī)械軸承組(每組三個(gè))5和6之間轉(zhuǎn)動(dòng) (參見圖12)。下機(jī)械軸承組安裝在下機(jī)械軸承組安裝臺(tái)3上，下機(jī)械軸承組安裝臺(tái)3緊固 在基座2上。上機(jī)械軸承組6安裝在上機(jī)械軸承組安裝板4上。結(jié)構(gòu)件15將上機(jī)械軸承 組安裝板4和基座2連成一個(gè)整體。調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)械軸承的位置，使轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列和固定 磁陣列同軸，也就是使轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列處于磁力的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，這時(shí)主轉(zhuǎn)軸對(duì)機(jī)械軸承的壓力幾 乎為零，系統(tǒng)處于最佳懸浮狀態(tài)。因?yàn)榇鸥≥S承在軸向有彈性，故本系統(tǒng)允許主轉(zhuǎn)軸在軸向 有少量竄動(dòng)。當(dāng)機(jī)械軸承的外圈直徑大于主轉(zhuǎn)軸的直徑時(shí)，主轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速大于機(jī)械軸承的轉(zhuǎn) 速。兩者的直徑差得越大，轉(zhuǎn)速差也越大。故本發(fā)明可用低速軸承來支持主轉(zhuǎn)軸的高速旋 轉(zhuǎn)。其原理的討論見實(shí)施例2后面的敘述。由于這種設(shè)計(jì)使磁浮軸承的轉(zhuǎn)子處于磁力的不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，故當(dāng)系統(tǒng)的安裝接 近理論位置時(shí)，主轉(zhuǎn)軸施與機(jī)械軸承上的力幾乎為零。因此，本系統(tǒng)的摩擦損耗很小。該系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是懸浮力大。一個(gè)直徑2米，高0. 1米的磁浮軸承可以浮起100 噸以上的重物，再加上前述的本機(jī)械軸承組能運(yùn)行于高速，且摩擦損耗小，而磁浮軸承幾乎 無能量損耗，因此適合于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖8就是一個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。飛輪27裝在主轉(zhuǎn)軸 1上，主轉(zhuǎn)軸在機(jī)械軸承組5和6中轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中有斜剖面線的部件是不動(dòng)的。實(shí)施例2實(shí)施例2如圖9所示。它的磁浮軸承部分和實(shí)施例1類似，區(qū)別在于其主轉(zhuǎn)軸是固 定的，從而稱其為立柱16。在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8，下機(jī)械軸承組5都安裝在下安裝 板7上，靜止磁陣列9及內(nèi)、外導(dǎo)磁環(huán)12、13固定于基座2上，上機(jī)械軸承組6安裝在上轉(zhuǎn) 動(dòng)板17上。由風(fēng)機(jī)風(fēng)葉(例如達(dá)里厄風(fēng)葉)19將裝有轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列8和下機(jī)械軸承組5的 下安裝板7和上機(jī)械軸承組安裝板17連成一體，它們都圍繞著立柱16旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例中 磁浮軸承部分的其他部件的意義和作用與實(shí)施例1相同8_1和8-2是轉(zhuǎn)動(dòng)磁列，9-1，9-2 和9-3為靜止磁列，10為轉(zhuǎn)動(dòng)磁列的磁環(huán)，11為靜止磁列的磁環(huán)，14為間隔環(huán)，18為氣隙。 圖9中，劃斜線部分是靜止不轉(zhuǎn)的。本實(shí)施例適合于各種規(guī)模的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于 磁浮軸承的浮力很大，因此可以浮起100多噸重的兆瓦級(jí)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部 分。本發(fā)明提出的機(jī)械軸承組方案在本實(shí)施例中也表現(xiàn)出其優(yōu)點(diǎn)因?yàn)樵诖笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī) 中，中央立柱的直徑達(dá)數(shù)米，若用普通的單個(gè)軸承，則其尺寸大得難以制造，價(jià)格貴得難以 接受，而用本發(fā)明中用的是軸承組，可以用較小的機(jī)械軸承就能使質(zhì)量和尺寸很大的風(fēng)葉 和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞著巨大的立柱轉(zhuǎn)，大大降低了制造難度和造價(jià)。下面結(jié)合實(shí)施例討論轉(zhuǎn)速比與主轉(zhuǎn)軸半徑r和機(jī)械軸承半徑R之間的關(guān)系。如圖12所示。圖12(a)為垂直于主轉(zhuǎn)軸的主視圖，(b)為表示軸承組中的三個(gè)機(jī) 械軸承21，22和23與主轉(zhuǎn)軸1關(guān)系的頂視圖。這種機(jī)械軸承組既可與磁浮軸承聯(lián)合使用， 也可作為純機(jī)械軸承系統(tǒng)使用。在圖12中止推軸承28，29可以是機(jī)械止推軸承，也可以 是前述的磁浮軸承。另一組機(jī)械軸承24，25和26的作用與21，22，23相同。R為機(jī)械軸承 半徑，r為主轉(zhuǎn)軸半徑。這種結(jié)構(gòu)有兩方面的好處。第一，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，用大直徑的機(jī)械 軸承，小直徑的主轉(zhuǎn)軸，它可以使低速的機(jī)械軸承提供主轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)。第二，在主轉(zhuǎn)軸 (如前述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的立柱，直徑達(dá)幾米)很大時(shí)，可以用三個(gè)小半徑的軸承來代替一個(gè) 大軸承，大大降低了制造難度和造價(jià)。下面將轉(zhuǎn)速比及相關(guān)問題進(jìn)分析于下設(shè)主轉(zhuǎn)軸半徑為r，主轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為f轉(zhuǎn)/秒，機(jī)械軸承半徑為R，機(jī)械軸承轉(zhuǎn)速為F 轉(zhuǎn)/秒。由于機(jī)械軸承的外表面和主轉(zhuǎn)軸相切，兩者線速度相同，故2 π fr = 2 π FR,即F/ f = r/R。若R > 1~，則f > F，即主軸轉(zhuǎn)速比機(jī)械軸承的轉(zhuǎn)速高，這是用低速機(jī)械軸承提供主轉(zhuǎn)軸高速的情況，和實(shí)施例1向?qū)?yīng)；若R < r，則F > f，這是大主轉(zhuǎn)軸小機(jī)械軸承的情況，和實(shí)施例2相對(duì)應(yīng)。下面討論轉(zhuǎn)速比的受限制的情況當(dāng)R<r時(shí)，f<F，原則上f/F沒有限制。當(dāng)R > r時(shí)，則f/F的情況如下(1)當(dāng)三個(gè)機(jī)械軸承21，22和23在同一平面內(nèi)時(shí)，R/r的最大值是三個(gè)機(jī)械軸承 21,22,23的外圈相切碰，如圖13所示。由幾何關(guān)系可以推得最大的轉(zhuǎn)速比是f/F = R/r =6.4641。(2)當(dāng)三個(gè)機(jī)械軸承在三個(gè)不同平面內(nèi)，如圖14那樣，則f/F = R/r可以任意大， 沒有限制。圖14中(a)為垂直于主轉(zhuǎn)軸的視圖。三角形30代表磁浮軸承或其他止推裝置， 21，22和23為上機(jī)械軸承組的軸承，25，26和27為下機(jī)械軸承組的軸承，1為主轉(zhuǎn)軸，27為 飛輪。圖14中(b)為機(jī)械軸承21，22，23和主轉(zhuǎn)軸1的頂視圖。(3)當(dāng)每組用4個(gè)機(jī)械軸承時(shí)，則當(dāng)它們共面時(shí)，f/F的最大值為2. 414。當(dāng)每組用4個(gè)機(jī)械軸承，則可以將相差180度(相對(duì)的)的兩個(gè)軸承共面。這時(shí) 只要將四個(gè)機(jī)械軸承裝在兩個(gè)平面上，就可以獲得無限制的轉(zhuǎn)速比，比三個(gè)軸承時(shí)要用三 個(gè)平面來得性能好和省空間。其他更多個(gè)機(jī)械軸承為一組的情況與上述類似。實(shí)施例3本實(shí)施例如圖10所示。其磁浮軸承部分與實(shí)施例1相同，圖中用三角形30代表 磁浮軸承，1為主轉(zhuǎn)軸，27為飛輪。而機(jī)械軸承組用單個(gè)無內(nèi)圈的軸承31和32替代，即主 轉(zhuǎn)軸本身就起軸承內(nèi)圈的作用。在這種結(jié)構(gòu)中，主轉(zhuǎn)軸1的軸向移動(dòng)十分順暢。為了減小 滾珠和主轉(zhuǎn)軸之間的壓強(qiáng)，可以用幾個(gè)無內(nèi)圈軸承沿軸向并排使用，也可以用滾柱軸承代 替滾珠軸承。對(duì)于小型的要求不高的情況可以采用本方案，它有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施例4本實(shí)施例如圖11所示。其磁浮軸承部分和實(shí)施例1相同，圖中用三角形30代表 磁浮軸承。1代表主轉(zhuǎn)軸，27代表飛輪。該實(shí)施例是直接將普通機(jī)械軸承33和34套在主 軸1上，主軸和機(jī)械軸承內(nèi)圈之間滑動(dòng)配合。實(shí)施例5實(shí)施例5如圖15所示。這是用輪胎形機(jī)械軸承35，36與帶有凹槽的主轉(zhuǎn)軸1配 合形成軸向止推結(jié)構(gòu)以代替磁浮軸承，在R/r >> 1時(shí)，可以使主轉(zhuǎn)軸獲得比機(jī)械軸承高得 多的轉(zhuǎn)速。圖中37是機(jī)械軸承的軸，27是飛輪。這種結(jié)構(gòu)很簡單。實(shí)施例6實(shí)施例6如圖16所示。該系統(tǒng)用鋼球或其他硬質(zhì)球41和42加止推桿43和44 替代磁浮軸承。本實(shí)施例中38，39為機(jī)械軸承，40為機(jī)械軸承的軸(固定)，1為主轉(zhuǎn)軸，27 為飛輪。這是另一種用低速軸承實(shí)現(xiàn)主轉(zhuǎn)軸高速的方案。實(shí)施例7本實(shí)施例如圖17所示。用兩個(gè)頂尖47，48來替代磁浮軸承。45和46代表機(jī)械軸 承，1為主轉(zhuǎn)軸，27為飛輪。
權(quán)利要求
一種永磁磁浮和機(jī)械軸承相結(jié)合的磁浮軸承系統(tǒng)，由磁環(huán)，間隔環(huán)，導(dǎo)磁環(huán)，飛輪或其他負(fù)載，主轉(zhuǎn)軸和多個(gè)機(jī)械軸承組所組成，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)包括起軸向懸浮作用的磁浮軸承和起徑向限位作用的機(jī)械軸承組；磁浮軸承包含固定于基座上的靜止磁陣列和固定于下安裝板上的轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列；靜止磁陣列由若干個(gè)固定于基座上的同軸的靜止環(huán)形磁列所組成，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列由若干個(gè)固定于下安裝板上的同軸的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列所組成；每一靜止環(huán)形磁列和每一轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列都由若干個(gè)磁環(huán)和若干個(gè)間隔環(huán)沿軸向交替疊合而成；所有磁環(huán)的充磁方向是輻向向內(nèi)或輻向向外，同一個(gè)磁列中相鄰磁環(huán)的充磁方向相反，處于同一水平面上的磁環(huán)的充磁方向相同；最外面的磁列的外側(cè)和最里面的磁列的內(nèi)側(cè)緊貼有導(dǎo)磁環(huán)；靜止環(huán)形磁列和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列同軸地交替排布，相鄰的靜止環(huán)形磁列和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列之間留有氣隙，使各轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形磁列可以在靜止環(huán)形磁列之間無碰擦地自由轉(zhuǎn)動(dòng)；兩個(gè)機(jī)械軸承組分別安裝在主轉(zhuǎn)軸的上下兩端，每一機(jī)械軸承組包括三個(gè)或三個(gè)以上的機(jī)械軸承，它們的轉(zhuǎn)軸與主轉(zhuǎn)軸平行，并沿主轉(zhuǎn)軸的外圓均布，主轉(zhuǎn)軸和機(jī)械軸承的外表面接觸，機(jī)械軸承的軸是固定不轉(zhuǎn)的，主轉(zhuǎn)軸在機(jī)械軸承的外表面的包絡(luò)面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；磁浮軸承的磁作用力在軸向產(chǎn)生懸浮力，機(jī)械軸承組則限制主轉(zhuǎn)軸的徑向平移和垂直于轉(zhuǎn)軸方向的傾覆，使其形成一個(gè)穩(wěn)定而阻力很小的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可用于飛輪儲(chǔ)能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是這是權(quán)利要求1的變形，主轉(zhuǎn)軸不 轉(zhuǎn)動(dòng)，成為立柱，并固定于基座上；下機(jī)械軸承組和轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列安裝在下轉(zhuǎn)動(dòng)板上，下機(jī)械 軸承組的軸承繞立柱均布，機(jī)械軸承的外緣和立柱接觸，機(jī)械軸承組繞立柱旋轉(zhuǎn)，上機(jī)械軸 承組以相同的方式安裝在上轉(zhuǎn)動(dòng)板上，上下轉(zhuǎn)動(dòng)板之間用結(jié)構(gòu)件或風(fēng)葉連接；其靜止磁陣 列和轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列的結(jié)構(gòu)與權(quán)利要求1相同；靜止磁陣列安裝在基座上，轉(zhuǎn)動(dòng)磁陣列安裝在 下安裝板上；整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由磁浮軸承抵消其重力，并通過上下機(jī)械軸承組可繞立柱旋轉(zhuǎn)， 這種結(jié)構(gòu)適合于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是以軸向止推裝置替代磁浮軸承，與 機(jī)械軸承組配合使用，其機(jī)械軸承的直徑大于主轉(zhuǎn)軸的直徑，主轉(zhuǎn)軸可以垂直、水平或其他 角度；主轉(zhuǎn)軸在機(jī)械軸承組的機(jī)械軸承的外圓的包絡(luò)面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械軸承的轉(zhuǎn)速小于主軸 的轉(zhuǎn)速，因此可使用低速軸承使主轉(zhuǎn)軸運(yùn)行于高速或超高速。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是以機(jī)械止推裝置替代磁浮軸承，結(jié) 合上述之機(jī)械軸承組，其機(jī)械軸承的尺寸小于立柱的尺寸，因此，可以用小的機(jī)械軸承來轉(zhuǎn) 動(dòng)質(zhì)量和尺寸都巨大的系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是其主轉(zhuǎn)軸是垂直的，傾斜的或水平的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是其立柱是垂直的或傾斜的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之磁浮軸承系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)中的磁浮軸承可以是多個(gè)。
全文摘要
發(fā)明名稱永磁磁浮軸承一種永磁磁浮軸承，由機(jī)械軸承和永磁磁浮軸承組成的復(fù)合軸承系統(tǒng)。包含環(huán)形靜止永磁磁陣列和環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)永磁磁陣列組成的磁浮軸承及多個(gè)機(jī)械軸承組。磁浮軸承擔(dān)負(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)體的軸向懸浮，機(jī)械軸承組限制轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的其余四個(gè)自由度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，磁懸浮軸承的浮力大(可以浮起幾百噸重的重轉(zhuǎn)子)，造價(jià)低廉；機(jī)械軸承只起到使轉(zhuǎn)軸保持在平衡點(diǎn)附近的作用，故其負(fù)載很小(因此機(jī)械磨損和能量損耗很小)。本發(fā)明適合于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和各種規(guī)模的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。本發(fā)明中的機(jī)械軸承系統(tǒng)也可以單獨(dú)使用，其特點(diǎn)是大大提高了機(jī)械軸承的極限轉(zhuǎn)速，使一般的極限轉(zhuǎn)速為每分鐘幾萬轉(zhuǎn)的高速軸承能用于十萬轉(zhuǎn)以上的超高速。
文檔編號(hào)F16C32/04GK101832334SQ20101018052
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者魏樂漢 申請(qǐng)人:魏樂漢