專利名稱：一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)及磁力軸承與減重方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，尤其是涉及到一種可以不采用反
饋控制技術(shù)的自穩(wěn)定單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及組成單自由度磁懸浮轉(zhuǎn) 子支撐系統(tǒng)的磁懸浮軸承裝置，包括全永磁徑向磁懸浮軸承、全永磁預應力磁懸浮軸和主 被動混合型磁懸浮軸承以及電動機和發(fā)電機的設置方法。本發(fā)明還涉及減少旋轉(zhuǎn)體對磁懸 浮軸承重力危害的減重偏磁裝置及設置方法。本發(fā)明還涉及單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng) 當中，磁懸浮軸承的徑軸向氣隙限位保護裝置。本發(fā)明還涉及對氣隙兩側(cè)體積與磁吸力大 小不同永磁體之間的配置方法及多個環(huán)形永磁體動定子的組合方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)的磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所用的磁懸浮軸承可分為電磁和永磁兩 個基本類型。電磁型磁懸浮軸承，由轉(zhuǎn)子軸桿通過氣隙與轉(zhuǎn)子軸桿外圍的多個向心型設置 的電磁鐵所組成。這種電磁型磁懸浮軸承，必須有位置檢測器的參與和通過一套復雜的電 子控制系統(tǒng)才能維持轉(zhuǎn)子的懸浮運行。其存在結(jié)構(gòu)復雜和穩(wěn)定性較差的缺陷。這是因為無 論在轉(zhuǎn)子軸桿的外圍增加多少個向心型電磁鐵，也不能夠使轉(zhuǎn)子軸桿獲得在任意方向上的 自動調(diào)心功能，同時，在反饋控制系統(tǒng)當中的信號輸入與輸出及執(zhí)行調(diào)整過程中存在的"實 時性"和"準確性"之間的矛盾更無法解決。直接導致現(xiàn)有技術(shù)電磁型磁懸浮軸承的"實用 性"降低。永磁型磁懸浮軸承，雖然，不需要復雜的控制系統(tǒng)就可以實現(xiàn)自我懸浮，但其有效 承載能力卻十分有限。這是因為永磁型磁懸浮軸承的磁力不能隨機調(diào)節(jié)和其應有的懸浮 承載力大部分要被旋轉(zhuǎn)體本身重力相抵消的結(jié)果。另外，現(xiàn)有技術(shù)當中的永磁體在非工作 氣隙側(cè)存在著大量的漏磁場，也降低了永磁體磁能的有效利用。同時，在現(xiàn)有技術(shù)的永磁磁 懸浮軸承當中，對動定部之間采用永磁體體積平均分配的方式，也不利于提高永磁磁懸浮 軸承的有效承載。如果，在減輕轉(zhuǎn)子重量和消除了永磁體非工作氣隙漏磁場的同時，能有一 種方法可以解決旋轉(zhuǎn)體本身對磁懸浮軸承的重力危害，必將使磁懸浮軸承的有效承載力和 穩(wěn)定性大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是要提供一種結(jié)構(gòu)簡單且不需要位置檢測器和反饋控制技術(shù)就能夠使 旋轉(zhuǎn)體獲得穩(wěn)定懸浮運行的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)以及組成該系統(tǒng)的全永磁徑向 磁懸浮軸承或主被動混合型磁懸浮軸承或全永磁預應力磁懸浮軸和消除旋轉(zhuǎn)體重力影響 的減重偏磁裝置與徑軸向氣隙限位保護裝置與最大限度地減輕磁懸浮軸承動子部重量的 設置方法。 作為實現(xiàn)本發(fā)明的基本構(gòu)思是單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)由電動機或發(fā)電機 與設置在電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子上下部或左右兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子部保持良 好同軸度的全永磁徑向磁懸浮軸承或主被動混合型磁懸浮軸承或全永磁預應力磁懸浮軸 所組成。利用電動機或發(fā)電機所具有的軸向穩(wěn)定力和徑向磁懸浮軸承所具有的徑向穩(wěn)定力，使本系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種只能作切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度懸浮狀態(tài)。在本系統(tǒng)當中所稱的旋轉(zhuǎn)部是指電動機或發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部和設置在轉(zhuǎn)子部上的徑向磁懸浮軸承當中的永磁體及外圍磁軛與減重偏磁裝置的動子部和徑軸向氣隙保護裝置當中的動子部。所述旋轉(zhuǎn)體的承托部是指電動機或發(fā)電機的定子部和設置在定子部上的徑向磁懸浮軸承當中的永磁體及外圍磁軛與減重偏磁裝置的定子部和徑軸向氣隙保護裝置當中的靜子部以及外圍固定連接裝置的機殼、機座或安裝支撐體等。在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，旋轉(zhuǎn)部對磁懸浮軸承所產(chǎn)生的重力危害，可根據(jù)電動機或發(fā)電機垂直使用或水平使用方式的不同，選擇相應的減重偏磁裝置和最大限度的減少旋轉(zhuǎn)體的重量來改善。即當確定了旋轉(zhuǎn)體為水平狀態(tài)使用時，即在旋轉(zhuǎn)體兩側(cè)沿鉛垂線上方的旋轉(zhuǎn)體承托部上，設置具有徑向開口的一段弧形磁軛或一段具有弧形極面的矩形磁軛(以下通稱為弧形極面磁軛)和在弧形極面磁軛當中設置經(jīng)過輪輻式徑向充磁的弧形永磁體或經(jīng)過徑向平行充磁且具有弧形極面的矩形永磁體(以下通稱為弧形極面永磁體)所構(gòu)成的永磁定子部與設置在旋轉(zhuǎn)體上并具有徑向開口的圓環(huán)形磁軛及設置在圓環(huán)形磁軛當中并經(jīng)過輪輻式徑向充磁的圓環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁動子部。該永磁動子部和永磁定子部通過徑向氣隙相互對應在同一個寬度和旋轉(zhuǎn)運行的圓周軌道上以及使兩者之間的永磁體形成相互吸引的狀態(tài)。在該減重偏磁裝置當中，如果采用的電動機或發(fā)電機是外轉(zhuǎn)子時，位于永磁定子部上的弧形極面磁軛為外向型開口以及使位于外向型弧形極面磁軛當中的弧形極面永磁體的形狀與弧形極面磁軛的極槽相適應。在該減重偏磁裝置當中，如果采用的電動機或發(fā)電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子時，不僅可以采用使位于永磁定子部上的弧形極面磁軛為內(nèi)向型開口以及使位于內(nèi)向型弧形極面磁軛當中的弧形極面永磁體的形狀與弧形極面磁軛的極槽相適應并固定于機殼內(nèi)部的設置方式。還可以采用將具有弧形極面的矩形磁軛從機殼外部插入固定的方式。在該減重偏磁裝置當中的永磁動子部也可以采用與氣隙對側(cè)的永磁定子部的弧形極面磁軛軸向?qū)挾认嗟鹊膱A環(huán)形軟鐵凸極所替代。在該減重偏磁裝置當中的永磁動子部和永磁定子部也都可以采用不帶外圍磁軛的環(huán)形永磁體獨立擔任。在該減重偏磁裝置當中的永磁定子部也可以采用與永磁動子部圓環(huán)形磁軛的軸向?qū)挾认嗟鹊囊欢吻揖哂谢⌒螛O面的軟鐵凸極所替代。永磁動子部也可以與鐵磁材料的旋轉(zhuǎn)體直接形成氣隙配合。在上述的減重偏磁裝置當中，由具有弧形極面的矩形磁軛段和在矩形磁軛段當中經(jīng)過徑向平行充磁且具有弧形極面的矩形永磁體段所組成的永磁定子部，也可以由經(jīng)過徑向平行充磁且具有平面磁極的矩形永磁體段及其相適應的外圍磁軛組成的永磁定子部所替代，從而使永磁定子部和永磁動子部之間形成以點對面的不均勻氣隙配合。當采用以點對面的配合方式時，還可以在永磁動子部的鉛垂線下方增設一段與永磁動子部軸向結(jié)構(gòu)相同的弧形永磁定子部，但下方弧形永磁定子部與永磁動子部要形成磁力的相斥狀態(tài)以及使上下永磁定子部對旋轉(zhuǎn)體的抬升力小于或等于旋轉(zhuǎn)體的自重。在本發(fā)明的減重偏磁裝置當中的動子部和定子部，還可以采用均不帶左右兩側(cè)導磁軛的多個弧形段永磁體和多個環(huán)形永磁體所構(gòu)成。即在動子部上設有兩個或三個經(jīng)過輪輻式徑向充磁的環(huán)形永磁體和以軸向并列的方式緊密靠裝在一起并在遠離氣隙一側(cè)的兩個徑向磁極面之間由導磁軛一并覆蓋后組成的多磁體永磁動子部，該多磁體永磁動子部當中各相鄰的環(huán)形永磁體之間的磁場極性互為相反，當多磁體永磁動子部的環(huán)形永磁體有兩個時，兩個環(huán)形永磁體具有相等的徑向磁極極面。當多磁體永磁動子部的環(huán)形永磁體為三個時，位于兩側(cè)的環(huán)形永磁體的徑向磁極極面各占中間環(huán)形永磁體徑向磁極極面的二分之一。同時，在多磁體永磁動子部通過徑向氣隙所對應的旋轉(zhuǎn)體承托部上設置均不帶外圍磁軛的弧形段多磁體組成的多磁體永磁定子部，在弧形段多磁體永磁定子部當中的永磁體數(shù)量與徑向氣隙對側(cè)的圓環(huán)形多磁體永磁動子部當中的數(shù)量相等，其磁通回路與軸向排列方式亦相同。不同的是當在弧形段多磁體永磁定子部當中使用具有弧形極面的矩形永磁體時。矩形永磁體的內(nèi)部磁通是以徑向平行穿越的充磁方法而得到。對于多磁體永磁動子部和多磁體永磁定子部之間的配合方式，還可以采用使徑向氣隙對側(cè)的多磁體永磁定子部或多磁體永磁動子部成為氣隙兩側(cè)具有相同軸向?qū)挾鹊沫h(huán)形軟鐵凸極或弧形段軟鐵凸極的配合方式。當確定了旋轉(zhuǎn)體為垂直狀態(tài)使用時，即在旋轉(zhuǎn)體承托部的一個向下面部位上，設置具有軸向開口的環(huán)形磁軛以及在該環(huán)形磁軛當中設置經(jīng)過軸向充磁的環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁定子部，然后，在該永磁定子部所對應旋轉(zhuǎn)體的一個向上面部位上，設置與永磁定子部結(jié)構(gòu)相同的永磁動子部，并使永磁動子部和永磁定子部兩者之間通過軸向氣隙相互對正和形成相互吸引的狀態(tài)，從而使旋轉(zhuǎn)體獲得被單邊型偏磁裝置向上吸引的趨勢。在本裝置當中，永磁動子部或永磁定子部，都可以采用不帶外圍磁軛的圓環(huán)形永磁體與軸向氣隙對側(cè)具有相同直徑和寬度的圓環(huán)形軟磁平面凸極相配合。在本裝置當中，永磁動子部或永磁定子部的任何一方，也都可以由不帶外圍磁軛的環(huán)形永磁體與氣隙對側(cè)大于的環(huán)形永磁體直徑與寬度的軟鐵平面體或與環(huán)形永磁體直徑與寬度相等的圓環(huán)型平面軟鐵凸極所替代。本減重偏磁裝置的功能，也可以通過增大雙邊型徑向磁懸浮軸承在單自由磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中可以使旋轉(zhuǎn)體被向上吸引的一個徑向磁懸浮軸承的磁場力來實現(xiàn)。本發(fā)明所稱的徑軸向氣隙限位保護裝置是指在電動機或發(fā)電機端蓋的內(nèi)側(cè)或外側(cè)與電動機或發(fā)電機的外轉(zhuǎn)子空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子動軸之間設置的機械軸承，該機械軸承的外徑與電機端蓋之間采用緊密配合，而內(nèi)徑則與外轉(zhuǎn)子電機的空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的實心動軸形成氣隙配合。該氣隙配合的間隙以小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計的徑向氣隙為標準。同時，還在該機械軸承與外轉(zhuǎn)子電機空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機實心動軸上的軸肩擋塊之間留有間隙。該間隙的大小以小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計的軸向氣隙為標準。在本裝置當中的機械軸承，也可以采用將機械軸承的內(nèi)徑與外轉(zhuǎn)子電機的空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機實心動軸之間采用緊密配合，而在外徑和電機端蓋之間采用氣隙配合以及在機械軸承兩側(cè)的電機端蓋上設置間距大于機械軸承厚度的擋圈。使該機械軸承在徑軸向的自由面上得到的間隙均小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計徑軸向氣隙，從而起到對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的徑軸向氣隙限位保護功能。在本裝置當中的機械軸承，還可以按照常規(guī)安裝，依靠自然磨合后獲得對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)徑軸向氣隙的最佳限位保護功能。在單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的同一個磁懸浮軸承當中，采用在動子部上設置體積較小永磁體，而在定子部上設置體積較大的永磁體，并使它們之間的相對磁極面保持相等和形成相互的吸引的狀態(tài)。從而在滿足氣隙磁通密度不變的前提下，達到減少旋轉(zhuǎn)體重量的目的。 綜上所述，本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，通過電動機或發(fā)電機對旋轉(zhuǎn)體具有軸向約束力和磁力懸浮軸承對旋轉(zhuǎn)體形成的徑向穩(wěn)定力，使旋轉(zhuǎn)體獲得徑軸向自穩(wěn)定的懸浮能力。通過減重偏磁裝置的使用，有效地減少了旋轉(zhuǎn)體對磁懸浮軸承產(chǎn)生的重力危害，從而使磁懸浮軸承的懸浮承載力大幅提高。通過使用徑軸向氣隙限位保護裝置，避免了在產(chǎn)品裝配過程中或系統(tǒng)遭受意外時，使磁懸浮軸承的永磁體之間出現(xiàn)吸合"粘死"
9現(xiàn)象，提高了單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的工作可靠性。通過對氣隙兩側(cè)體積和磁吸力
大小不等永磁體的合理分配，實現(xiàn)以減少旋轉(zhuǎn)體重量來提高磁懸浮軸承有效承載能力的目
的。因為本發(fā)明當中的磁懸浮軸承，在氣隙兩側(cè)相對的磁極極面和磁軛極面之間，均保持著
高度的對稱性，依靠齒槽效應使兩者之間任何方向上的徑向錯位移動都會誘發(fā)出自動恢復
的力矩。所以，只要永磁型磁懸浮軸承設計的磁場力裕量足夠，就可以使本發(fā)明的單自由度
磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)不用任何形式的傳感器和信號反饋控制技術(shù)而進行穩(wěn)定的懸浮運行。
本發(fā)明的全永磁徑向磁懸浮軸承還可以和水平用減重偏磁裝置單獨使用。
下面將對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)及所用裝置的特征給予分別描述 1、一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，由電動機或發(fā)電機與設置在電動機或發(fā)電
機上下部或左右兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部保持著良好同軸度的全永磁徑向磁
懸浮軸承所組成。依靠電動機或發(fā)電機在定轉(zhuǎn)子之間所具備的軸向穩(wěn)定力與徑向磁懸浮軸
承所具有的徑向穩(wěn)定力協(xié)同作用，使構(gòu)成磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種
只能做切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度懸浮狀態(tài)。所述位于電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)
的全永磁徑向磁懸浮軸承，是具有軸向氣隙的吸引型徑向磁懸浮軸承。它是將經(jīng)過軸向充
磁并具有磁極極面相等而體積和磁吸力大小不同的兩個環(huán)形永磁體，分別設置在電動機或
發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部上，并通過氣隙使兩個體積和磁吸力大小不等環(huán)形永磁體的磁極面相互
對正而成。分別位于氣隙兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子固定連接的環(huán)形永磁體，可以是
單一型的整體，也可以是由多個弧形塊永磁體所構(gòu)成具有軸向磁通的組合環(huán)形永磁體。在
本發(fā)明當中，每個環(huán)形永磁體的非工作氣隙側(cè)均由軟鐵磁軛所包圍和位于氣隙兩側(cè)的永磁
體磁極面及軟鐵磁軛磁極面之間都具有高度對稱的關(guān)系。在本發(fā)明當中，體積較大的環(huán)形
永磁體和體積較小的環(huán)形永磁體，分別位于電動機或發(fā)電機的定子部和轉(zhuǎn)子部上，并以此
來減少旋轉(zhuǎn)體的重量，在本發(fā)明當中，位于氣隙兩側(cè)的環(huán)形永磁體數(shù)量，可以是由兩個環(huán)形
永磁體以徑向并列的方式緊密套裝而成，也可以是由三個環(huán)形永磁體以徑向并列的方式緊
密套裝組成，但在兩種形式當中，都必須使相鄰環(huán)形永磁體之間的磁場極性互為相反。當
徑向并列和緊密套裝的環(huán)形永磁體為兩個時，其內(nèi)外兩個環(huán)形永磁體的磁極面大小相等。
因此不會有漏磁場的產(chǎn)生。當徑向并列和緊密套裝的環(huán)形永磁體為三個時，其內(nèi)外側(cè)兩個
環(huán)形永磁體的磁極面各占中間環(huán)形永磁體磁極極面的二分之一，因此也不會有漏磁場的產(chǎn)
生。在本發(fā)明當中，對于氣隙兩側(cè)相互對應的磁極面相等而體積和磁力大小不同的環(huán)形永
磁體，總是將體積較小和磁力較弱的環(huán)形永磁體設置在電機的轉(zhuǎn)子部一側(cè)。而體積較大和
磁力較強的環(huán)形永磁體設置在電機的定子部一側(cè)。以此來減少旋轉(zhuǎn)體的重量。但此種分配
方式在磁懸浮儲能飛輪當中可以例外。 2、一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，由電動機或發(fā)電機與設置在電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部保持著良好同軸度的主被動混合型磁懸浮軸承所組成。依靠電動機或發(fā)電機在定轉(zhuǎn)子之間所具備的軸向穩(wěn)定力與徑向磁懸浮軸承所具有的徑向穩(wěn)定力協(xié)同作用，使構(gòu)成磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種只能做切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度懸浮狀態(tài)。所述位于電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)的主被動混合型磁懸浮軸承，是由設置在電動機或發(fā)電機定子部上，由兩個在端部帶有錐
斜極面的軟磁或永磁環(huán)形體軸向靠接在一起后。形成在徑向磁極面上具有"v"形型環(huán)形凹槽的環(huán)形主磁極或者是采用在端部帶有"V"形型凸極的環(huán)形主磁極。然后，與具有"V"形型環(huán)形凹槽的環(huán)形主磁極或者是在端部帶有"V"形型凸極的環(huán)形主磁極的兩側(cè)分別設置的兩個電流極性相反的電磁線圈以及在兩個電磁線圈的非工作氣隙側(cè)統(tǒng)一設置的軟鐵磁軛一起構(gòu)成混合型定子部。同時，還在混合型定子部當中的環(huán)形主磁極所對應的電機轉(zhuǎn)子部上，設置與環(huán)形主磁極的"V"形型環(huán)形凹槽或是"V"形型凸極磁極面相適應的配套環(huán)形永磁體。該配套環(huán)形永磁體與環(huán)形主磁極的"V"形型環(huán)形凹槽或"V"形型凸極通過氣隙相互對應。在本裝置當中，位于混合型定子部當中的兩個電磁線圈所產(chǎn)生的磁場極性與氣隙對側(cè)的配套環(huán)形永磁體所固有的磁場極性相互排斥。假如混合型定子部當中的環(huán)形主磁極為永磁體的話，還要滿足使兩個電磁線圈產(chǎn)生的內(nèi)部磁通方向與環(huán)形主磁極所固有的內(nèi)部磁通方向相一致的要求。 3、一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，由電動機或發(fā)電機與設置在電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部保持著良好同軸度的全永磁預應力磁懸浮軸所組成。依靠電動機或發(fā)電機在定轉(zhuǎn)子之間所具備的軸向穩(wěn)定力與徑向磁懸浮軸承所具有的徑向穩(wěn)定力協(xié)同作用，使構(gòu)成磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種只能做切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度懸浮狀態(tài)。所述全永磁預應力磁懸浮軸承，是由分別設置在電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子上下部的每組相互對應并各自帶有錐臺斜面并經(jīng)過軸向充磁的環(huán)形永磁體通過斜面氣隙構(gòu)成的相斥型磁力軸承和與每個相斥型磁力軸承徑向并列設置的軸向吸引型徑向磁懸浮軸承所組成。在本發(fā)明當中，無論是相斥型磁力軸承還是軸向吸引型徑向磁懸浮軸承，所用的每個環(huán)形永磁體，除了指向工作氣隙的一個磁極面外，其余部分均被軟鐵磁軛所包圍。需要注意的是兩個全永磁預應力磁懸浮軸承在單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的設置方法是"一個設置在電動機或發(fā)電機端蓋的內(nèi)部，為封閉式結(jié)構(gòu)。而另一個則設置在電動機或發(fā)電機端蓋的外側(cè)與旋轉(zhuǎn)體的承托部之間，屬于開放型結(jié)構(gòu)"從而使它們形成了對旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生單方向的承載力，所以，由全永磁預應力磁懸浮軸承和電動機或發(fā)電機組成的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，一般采用垂直使用方式。另需說明的是全永磁預應力磁懸浮軸承，本身已具備徑軸向自穩(wěn)定懸浮能力，在沒有電動機或發(fā)電機參與的情況下，就可以直接作為一種磁懸浮平臺使用。在本發(fā)明當中，所述位于電機上下部同一直徑上的相斥型磁力軸承，還可以和另一直徑圓周上的具有軸向氣隙的吸引型徑向磁懸浮軸承進行交叉設置。如在電機上下部指定直徑的圓周上上，上部為相斥型磁力軸承，下部為吸引型徑向磁懸浮軸承，在另一直徑的圓周上則采用上部為吸引型徑向磁懸浮軸承，下部為相斥型磁力軸承。在本發(fā)明當中，所述兩個全永磁預應力磁懸浮軸承中間位置上的電機為外轉(zhuǎn)子時，還可以在其所用空心靜軸的頂端端面上設置經(jīng)過軸向充磁的圓柱形永磁體和在圓柱形永磁體通過氣隙在所對應上部旋轉(zhuǎn)體的中心部位上設置錐形凸塊并使該錐形凸塊的頂尖通過氣隙正對圓柱形永磁體的中心部位所組成的磁力定心裝置。增加了磁力定心裝置的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，具有更強的徑向穩(wěn)定力。 4、在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所述電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子且無需軸輸出時，還可以是將兩個經(jīng)過軸向充磁的圓柱形永磁體分別設置在旋轉(zhuǎn)部外殼兩端蓋內(nèi)側(cè)的中心部位上，并與電機動軸兩端部的設置的鐵磁錐形凸極通過軸向氣隙重合于同一軸線，構(gòu)成磁力定心裝置。 5、在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所述電機為滾筒式外轉(zhuǎn)子電機時，還可以在滾筒壁上設置帶有徑向扭斜度的散熱孔和在空心靜軸上設置進風孔。
6、在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所述電動機或發(fā)電機采用的是 一種以定轉(zhuǎn)子單側(cè)氣隙驅(qū)動的磁阻電動機或磁阻發(fā)電機，它是在所述的外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)壁上 設置齒圈，在齒圈的圓周上至少有三個行星輪分布，每個行星輪上的隨動軸桿通過兩端的 軸承與單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)體承托部形成可轉(zhuǎn)動連接，行星輪隨動軸 桿與定轉(zhuǎn)子單側(cè)氣隙磁阻電動機或單側(cè)氣隙磁阻發(fā)電機的轉(zhuǎn)子同軸，在單側(cè)氣隙磁阻電動 機或單側(cè)氣隙磁阻發(fā)電機的轉(zhuǎn)子圓周上，排列有極性互為相反的永磁體所組成的多極性永 磁轉(zhuǎn)子或采用整體圓環(huán)形可充磁材料經(jīng)徑向充磁的多極性永磁轉(zhuǎn)子，多極性永磁轉(zhuǎn)子通過 一側(cè)氣隙與一個或多個帶有電磁線圈并與多極性永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成向心型設置關(guān)系凸極鐵心 相對應。定轉(zhuǎn)子單側(cè)氣隙磁阻電動機或單側(cè)氣隙磁阻發(fā)電機對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系 統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部具有軸向穩(wěn)定作用。在本發(fā)明當中，內(nèi)齒圈與行星輪的齒合傳動，也可以由在所 述的外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)壁上沿圓周方向設置極性互為相反的永磁體和在外圓上帶有極性互為 的永磁體構(gòu)成的磁性行星輪組成的非機械接觸的磁力傳動方式所替代。這種通過磁里傳動 的方式更有利于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的軸向穩(wěn)定。 7、在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所述發(fā)電機可以是一臺，也可 以是多臺相同型號的發(fā)電機軸向并列而成。當采用多臺發(fā)電機軸向并列使用時，應使各相 鄰發(fā)電機的定子或轉(zhuǎn)子磁極之間依次錯開相同的角度和在所有發(fā)電機的同相繞組之間采 用并聯(lián)電路。采用多臺發(fā)電機軸向并列使用，更有利于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的軸 向穩(wěn)定。 8、在本發(fā)明的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中，所述電動機可以是一臺，也可 以是由多臺同類型的磁阻電動機軸向并列而成。每臺磁阻電動機的定轉(zhuǎn)子磁極數(shù)相等以及 使各相鄰磁阻電動機的轉(zhuǎn)子磁極或定子磁極之間依次錯開電動機總相數(shù)分之一的磁極夾 角，以便是這種軸向布相的組合式磁阻電動機在循環(huán)通電一周后，電機轉(zhuǎn)子正好轉(zhuǎn)過一個 磁極的等分角度。


以下附圖只表示結(jié)構(gòu)而不代表體積比例。電動機或發(fā)電機的類型與定轉(zhuǎn)子位置， 均以文字描述為準。 圖1、圖2、圖3、圖4是采用全永磁徑向磁懸浮軸承和電動機或發(fā)電機所組成的單 自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的剖視圖。 圖5、圖6、圖7是采用主被動混合型磁懸浮軸承和電動機或發(fā)電機所組成的單自 由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的剖視圖。 圖8、圖9、圖10是采用全永磁預應力磁懸浮軸承和電動機或發(fā)電機所組成的單自 由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的剖視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合

用具體的實施方式對本發(fā)明單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)及 其裝置作進一步的詳細描述。 按照圖1所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是由滾筒式外殼1 和端蓋2、3及空心靜軸4組成系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部和旋轉(zhuǎn)體承托部的基礎構(gòu)架。然后將外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機5的轉(zhuǎn)子部設置在滾筒式外殼1上，定子部設置在空心靜軸4上，然后，再將兩個全 永磁徑向磁懸浮軸承6和7對稱地設置在外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機5的左右兩側(cè)而成。全永磁徑 向磁懸浮軸承當中的動子部設置在端蓋2和3上，全永磁徑向磁懸浮軸承當中的定子部設 置在空心靜軸4上，動子部和定子部通過軸向氣隙相互對正。全永磁徑向磁懸浮軸承的動 子部和定子部均由經(jīng)過軸向充磁，且體積和磁吸力大小不等的環(huán)形永磁體及環(huán)形永磁體外 圍的磁軛構(gòu)成。滾筒式外殼1和端蓋2、3及外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機5的轉(zhuǎn)子部與全永磁徑向磁 懸浮軸承的動子部共同構(gòu)成單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部。全永磁徑向磁懸浮軸 承6和7的定子部和外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機5的定子部及空心靜軸4 一起構(gòu)成單自由度磁懸浮 轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)體承托部。滾筒式外殼1和空心靜軸4均由鋁合金制作，空心靜軸4 有鋼材制成。另外，還在空心靜軸4與空心靜軸4之間設有單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng) 徑軸向氣隙限位保護裝置的機械接觸軸承(未示)和在空心靜軸4與端蓋2、3的外側(cè)面之 間設有旋轉(zhuǎn)體水平使用的減重偏磁裝置(未示)。 按照圖2所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是由鋁合金外殼8 及在內(nèi)側(cè)帶有外擋圈的端蓋9和IO與鋼制空心靜軸ll組成基礎構(gòu)架。然后，將外轉(zhuǎn)子永磁 發(fā)電機12的轉(zhuǎn)子部設置在外殼8上，定子部設置在空心靜軸11上，然后，再將全永磁徑向 磁懸浮軸承13、 14的動子部分別設置在端蓋9和10上，定子部設置在外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機定 子部左右兩側(cè)的空心靜軸11的外圍。在全永磁徑向磁懸浮軸承當中，位于氣隙兩側(cè)的動子 部和定子部均由經(jīng)過軸向充磁的兩個環(huán)形永磁體緊密套裝而成，并使內(nèi)外環(huán)形永磁體的餓 的軸向磁極面相等和磁場極性互為相反，位于全永磁徑向磁懸浮軸承當中氣隙兩側(cè)的動子 部和定子部結(jié)構(gòu)完全相同而體積而體積和磁吸力大小不等。在動子部和定子部的非工作氣 隙軸向一側(cè)均被軟鐵磁軛所覆蓋。另外，還在動子部和定子部環(huán)形永磁體的近軸一側(cè)設有 非磁性材料的圓柱形內(nèi)套(未標)以及在端蓋與空心靜軸之間設有徑軸向氣隙限位保護裝 置的機械接觸軸承(未示)和在空心靜軸與端蓋9、10的外側(cè)之間設有減重偏磁裝置(未 示)。 按照圖3所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是有鋁合金外殼 15及在內(nèi)側(cè)帶有內(nèi)外擋圈的鋁合金端蓋16、17與鋼制空心靜軸18組成基礎構(gòu)架。然后， 將外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機19的轉(zhuǎn)子部設置在外殼15上，定子部設置在空心靜軸18上，然后，再 將全永磁徑向磁懸浮軸承20和21的動子部分別設置在端蓋16和17的內(nèi)外擋圈之間，定 子部通過內(nèi)側(cè)的非磁性材料套體設置在外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機定子部左右兩側(cè)的空心靜軸18 上。全永磁徑向磁懸浮軸承20和21的動子部和定子部分別由三個經(jīng)過軸向充磁的環(huán)形永 磁體緊密套裝而成。并通過軸向氣隙對正和保持相互吸引。在由三個環(huán)形永磁體組成的動 定子部當中，位于兩側(cè)的環(huán)形永磁體的軸向磁極極面各占中間環(huán)形永磁體軸向磁極極面的 二分之一面積。并使各相鄰環(huán)形永磁體之間的磁場極性互為相反。在動子部和定子部的非 工作氣隙軸向一側(cè)被軟鐵磁軛所覆蓋。位于氣隙兩側(cè)的動子部和定子部結(jié)構(gòu)完全相同而體 積和磁吸力大小不等。另外，還在定子部環(huán)形永磁體的近軸一側(cè)設有非磁性材料的圓柱形 內(nèi)套(未標)以及在端蓋16、17與空心靜軸之間設有單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)徑軸向 氣隙限位保護裝置的機械接觸軸承(未示)和在空心靜軸18與端蓋的外側(cè)之間設有減重 偏磁裝置(未示)。 按照圖4所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是由鋁合金筒形外殼22和在內(nèi)側(cè)帶有外檔圈的鋁合金端蓋23、24及非磁性材料的空心靜軸25組成基礎構(gòu) 架。將全永磁徑向磁懸浮軸承29、30當中，帶有外圍導磁軛的永磁動子部分別設置在端蓋 23、24的外擋圈之內(nèi)以及將帶有外圍導磁軛的永磁定子部設置在空心靜軸25上，并使它們 通過軸向氣隙相互對正和保持相互吸引。然后，再將外轉(zhuǎn)子磁阻發(fā)電機26、27、28的永磁轉(zhuǎn) 子部軸向并列地設置在鋁合金筒形外殼22上，將定子部設置在全永磁徑向磁懸浮軸承的 定子部外圍。當空心靜軸25為垂直設置使用時，位于下部的全永磁徑向磁懸浮軸承30的 總體磁吸力大于上部的全永磁徑向磁懸浮軸承29的總體磁吸力，因此，對旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生向上 吸浮的減重效果，而不再單獨設置減重偏磁裝置。對于全永磁徑向磁懸浮軸承30當中永磁 動定子部，仍然是將體積較小的永磁動子部設置在系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部上，而將體積較大的永磁 定子部設置在系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)體承托部上。另外，還在空心靜軸25和端蓋23、24之間設有單自 由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)徑軸向氣隙限位保護裝置的機械壓力軸承(未示)。
按照圖5所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是將外轉(zhuǎn)子磁阻 電動機31的轉(zhuǎn)子部設置在鋼制外殼32上，定子部設置在空心靜軸33上，然后，在外轉(zhuǎn)子磁 阻電動機31的左右兩側(cè)分別設有如圖34所示的主被動混合型磁懸浮軸承。主被動混合型 磁懸浮軸承由設置在鋼制外殼32上帶有外圍磁軛且在徑向磁極端面上帶有"V"凸極以及 被輪輻式徑向充磁的環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁動子部和位于空心靜軸33上，并由中間帶 有"V"形型凹槽的環(huán)形永磁體與兩側(cè)的電磁線圈及電磁線圈外圍的磁軛構(gòu)成的永磁與電磁 混合型定子部所組成。永磁動子部和混合型定子部通過徑向氣隙相互對應和磁場間相互排 斥。在永磁與電磁混合型定子部當中，兩個電磁線圈所產(chǎn)生的磁通與中間環(huán)形永磁體所固 有的內(nèi)部磁通方向保持一致。另外，還在空心靜軸33與外殼32兩側(cè)的端蓋之間設有單自 由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)徑軸向氣隙限位保護裝置的機械接觸軸承(未示)和在兩個端蓋 的外側(cè)與空心靜軸33之間設有水平用減重偏磁裝置(未示)。 按照圖6所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是將內(nèi)轉(zhuǎn)子磁阻 電動機35的定子部設置在鋼制外殼36上，轉(zhuǎn)子部設置在空心靜軸37上，然后，在內(nèi)轉(zhuǎn)子磁 阻電動機35的左右兩側(cè)分別設有如圖38所示的主被動混合型磁懸浮軸承。該主被動混合 型磁懸浮軸承由設置在空心靜軸37上帶有外圍磁軛且被輪輻式徑向充磁和縱軸向剖切面 顯示為矩形的環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁動子部和位于內(nèi)轉(zhuǎn)子磁阻電動機35左右兩側(cè)鋼制 外殼32上的混合型定子部所組成。主被動混合型磁懸浮軸承當中的混合型定子部，由帶有 外圍磁軛且被輪輻式徑向充磁的環(huán)形永磁體與環(huán)形永磁體兩側(cè)的電磁線圈及電磁線圈外 圍磁軛所構(gòu)成。永磁動子部和混合型定子部通過徑向氣隙相互對應和磁場間相互排斥。在 混合型定子部當中，兩個電磁線圈所產(chǎn)生的磁通與中間環(huán)形永磁體所固有的內(nèi)部磁通方向 保持一致。另外，還在空心靜軸37與外殼36兩側(cè)的端蓋之間設有單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支 撐系統(tǒng)徑軸向氣隙限位保護裝置的機械接觸軸承(未示)和在外殼36兩側(cè)的兩個軟鐵端 蓋的外側(cè)與空心靜軸37之間設有水平用減重偏磁裝置(未示)。 按照圖7所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是將外轉(zhuǎn)子電動 機39的轉(zhuǎn)子部設置在鋼制筒形外殼上，定子部設置在空心靜軸40上，然后，在外轉(zhuǎn)子電動 機39的左右兩側(cè)的筒形外殼和空心靜軸40之間，分別設置如圖41所示的主被動混合型磁 懸浮軸承。該主被動混合型磁懸浮軸承由設置在鋼制筒形外殼32上帶有外圍隔磁套體且 在徑向磁極端面上帶有"V"凸極以及被輪輻式徑向充磁的環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁動子部和位于空心靜軸40上并由中間帶有"V"形型凹槽的環(huán)形永磁體與兩側(cè)的電磁線圈及其外 圍磁軛構(gòu)成的永磁與電磁混合型定子部所組成。永磁動子部和混合型定子部通過徑向氣隙 相互對應和磁場間相互排斥。在永磁與電磁混合型定子部當中，兩個電磁線圈所產(chǎn)生的磁 通與中間環(huán)形永磁體所固有的內(nèi)部磁通方向保持一致并可以使電磁線圈兩側(cè)的導磁軛高 度大于電磁線的最大直徑后通過軸向凸極向于永磁動子部的氣隙側(cè)接近(未示)。另外，還 在空心靜軸33與外殼32兩側(cè)的端蓋之間設有單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)徑軸向氣隙限 位保護裝置的機械接觸軸承(未示)和在兩個端蓋的外側(cè)與空心靜軸33之間設有水平用 減重偏磁裝置(未示)。 按照圖8所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是由垂直設置的 外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機42及其上下部的兩個全永磁預應力磁懸浮軸承43、44以及鋼制空心靜 軸45和與全永磁預應力磁懸浮軸承43、44動子部之間設置的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系 統(tǒng)徑軸向氣隙限位保護裝置的機械壓力軸承(未示)所組成。每個全永磁預應力磁懸浮軸 承都是由一個構(gòu)成斜面氣隙配合的相斥型永磁磁力軸承(未標)和一個徑向并列設置的吸 引型徑向磁懸浮軸承所組成。兩個全永磁預應力磁懸浮軸承43、44動子部通過外殼46連 接。并在鋼制空心靜軸45和外殼46分別設置進風孔47和散熱孔48。對于兩個全永磁預 應力磁懸浮軸承43、44的設置方法是一個是封閉型結(jié)構(gòu)，一個為開放性結(jié)構(gòu)。以滿足其受 到正向或反向的軸向力時，氣隙之間的磁通密度即表現(xiàn)出同增或同減的趨勢。外轉(zhuǎn)子永磁 發(fā)電機42的轉(zhuǎn)子部與外殼46固連，定子部與固連在鋼制空心靜軸45上的環(huán)形體(未標) 固連。 按照圖9所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。它是由垂直設置的 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機49及其上下部的兩個全永磁預應力磁懸浮軸承50、51以及鋼制空心動 軸52和與全永磁預應力磁懸浮軸承50、51的定子部之間設置的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐 系統(tǒng)徑軸向氣隙限位保護裝置的機械壓力軸承(未示)所組成。每個全永磁預應力磁懸浮 軸承都是由一個構(gòu)成斜面氣隙配合的相斥型永磁磁力軸承(未標)和一個徑向并列設置的 吸引型徑向磁懸浮軸承所組成。兩個全永磁預應力磁懸浮軸承50、51的定子部通過外殼53 連為一體。動子部則與鋼制空心動軸52固定連接。對于兩個全永磁預應力磁懸浮軸承50 和51的設置方法是一個是封閉型結(jié)構(gòu)，一個為開放性結(jié)構(gòu)。以滿足其受到正向或反向的 軸向力時，氣隙之間的磁通密度即表現(xiàn)出同增或同減的趨勢。對于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機42的 轉(zhuǎn)子部則是與固連在鋼制空心動軸52上的環(huán)形體(未標)固連。本裝置在沒有外轉(zhuǎn)子永 磁發(fā)電機存在時，同樣具有徑軸向自穩(wěn)定懸浮能力，可供靈敏度極高的地磁儀等使用。
按照圖IO所示，本發(fā)明的一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，它是在垂直設置的 外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(未示)的上下部分別設置有兩個全永磁預應力磁懸浮軸承54、55和位 于兩個全永磁預應力磁懸浮軸承內(nèi)側(cè)的空心靜軸56及空心靜軸56頂端并經(jīng)軸向充磁的圓 柱形永磁體以及圓柱形永磁體通過軸向氣隙對應在全永磁預應力磁懸浮軸承54動子部中 心部位上的鐵磁體錐形凸極所構(gòu)成的磁力定心裝置57所組成。兩個全永磁預應力磁懸浮 軸承的動子部通過外殼58連為一體。外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(未示)的轉(zhuǎn)子部設置在外殼58 上，定子部設置在空心靜軸56上，兩者通過徑向氣隙相互對正。本裝置在沒有外轉(zhuǎn)子永磁 發(fā)電機存在時，同樣具有徑軸向自穩(wěn)定懸浮能力，可供靈敏度極高的地磁儀等使用。
權(quán)利要求
一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，由電動機或發(fā)電機與設置在電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部保持著良好同軸度的全永磁徑向磁懸浮軸承或主被動混合型磁懸浮軸承或全永磁預應力磁懸浮軸所組成。依靠電動機或發(fā)電機在定轉(zhuǎn)子之間所具備的軸向穩(wěn)定力與徑向磁懸浮軸承所具有的徑向穩(wěn)定力協(xié)同作用，使構(gòu)成磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種只能做切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度懸浮狀態(tài)。本發(fā)明所稱的旋轉(zhuǎn)部是指構(gòu)成單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的電機轉(zhuǎn)子部和可隨電機的轉(zhuǎn)子部一起旋轉(zhuǎn)的磁懸浮軸承當中的永磁體及其磁軛與減重偏磁裝置的永磁動子部和徑軸向氣隙限位保護裝置當中的動子部。本發(fā)明所稱旋轉(zhuǎn)體的承托部是指構(gòu)成自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的電機定子部和和與定子部固連的磁懸浮軸承當中的永磁體及其磁軛以及減重偏磁裝置的定子部和徑軸向氣隙限位保護裝置當中的定子部與磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)外圍的固定連接裝置。本發(fā)明所稱的減重偏磁裝置，是一種用來減少或避免旋轉(zhuǎn)部對磁懸浮軸承所產(chǎn)生重力危害的裝置。在實際應用當中，可根據(jù)電動機或發(fā)電機垂直使用或水平使用方式的不同，通過相應的減重偏磁裝置和最大限度的減少旋轉(zhuǎn)部的重量來實現(xiàn)其減重力效果。本發(fā)明所稱的徑軸向氣隙限位保護裝置是指在電動機或發(fā)電機端蓋的內(nèi)側(cè)或外側(cè)與電動機或發(fā)電機的外轉(zhuǎn)子空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子動軸之間設置的機械軸承，該機械軸承的外徑與電機端蓋之間采用緊密配合，而內(nèi)徑則與外轉(zhuǎn)子電機的空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的動軸形成氣隙配合。該氣隙配合的間隙以小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計的徑向氣隙為標準。同時，還在該機械軸承與外轉(zhuǎn)子電機空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機動軸上的軸肩擋塊之間留有間隙。該間隙的大小以小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計的軸向氣隙為標準。在本裝置當中的機械軸承，也可以采用將機械軸承的內(nèi)徑與外轉(zhuǎn)子電機的空心靜軸或內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的動軸之間采用緊密配合，而在外徑和電機端蓋之間采用氣隙配合以及在機械軸承兩側(cè)的電機端蓋上設置間距大于機械軸承厚度的擋圈。使該機械軸承在徑軸向的自由面上得到的間隙均小于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)所設計徑軸向氣隙，從而起到對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的徑軸向氣隙限位保護功能。在本裝置當中的機械軸承，還可以按照常規(guī)安裝，依靠自然磨合后獲得對單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的徑軸向氣隙的最佳限位保護功能。其特征是所述位于電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)的全永磁徑向磁懸浮軸承(6、7或29、30)是具有軸向氣隙的吸引型徑向磁懸浮軸承。它是將經(jīng)過軸向充磁并具有磁極極面相等而體積和磁吸力大小不同的兩個環(huán)形永磁體，分別設置在電動機或發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部上，并通過氣隙使兩個體積和磁吸力大小不等環(huán)形永磁體的磁極面相互對正而成。分別位于氣隙兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子部固定連接的環(huán)形永磁體，可以是單一型的整體，也可以是由多個弧形塊永磁體所構(gòu)成具有軸向磁通的組合環(huán)形永磁體(未示)。在本裝置當中，每個環(huán)形永磁體的非工作氣隙側(cè)均由軟鐵磁軛所包圍和位于氣隙兩側(cè)的永磁體磁極面及軟鐵磁軛磁極面之間都具有高度對稱的關(guān)系。在本裝置當中，體積較大的環(huán)形永磁體和體積較小的環(huán)形永磁體，分別位于電動機或發(fā)電機的定子部和轉(zhuǎn)子部上，并以此來減少旋轉(zhuǎn)體的重量，但此種分配方式在磁懸浮儲能飛輪當中可以例外。
2. 按照權(quán)利要求l所述的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是所述減重偏磁裝置的設置方法是當確定了旋轉(zhuǎn)體為水平狀態(tài)使用時，即在旋轉(zhuǎn)體兩側(cè)沿鉛垂線上方的旋轉(zhuǎn)體承托部上，設置具有徑向開口的弧形磁軛段或具有弧形極面的矩形磁軛段(以下通稱為弧形極面磁軛)和在弧形極面磁軛當中設置經(jīng)過輪輻式徑向充磁的弧形永磁體或經(jīng)過 徑向平行充磁且具有弧形極面的矩形永磁體(以下通稱為弧形極面永磁體)所構(gòu)成的永磁 定子部與設置在旋轉(zhuǎn)體上并具有徑向開口的圓環(huán)形磁軛及設置在圓環(huán)形磁軛當中并經(jīng)過 輪輻式徑向充磁的圓環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁動子部。該永磁動子部和永磁定子部通過徑 向氣隙相互對應在同一個寬度和旋轉(zhuǎn)運行的圓周軌道上以及使兩者之間的永磁體形成相 互吸引的狀態(tài)。在該減重偏磁裝置當中，如果采用的電動機或發(fā)電機是外轉(zhuǎn)子時，位于永磁 定子部上的弧形極面磁軛為外向型開口以及使位于外向型弧形極面磁軛當中的弧形極面 永磁體的形狀與弧形極面磁軛的極槽相適應。在該減重偏磁裝置當中，如果采用的電動機 或發(fā)電機是內(nèi)轉(zhuǎn)子時，不僅可以采用使位于永磁定子部上的弧形極面磁軛為內(nèi)向型開口以 及使位于內(nèi)向型弧形極面磁軛當中的弧形極面永磁體的形狀與弧形極面磁軛的極槽相適 應并固定于機殼內(nèi)部的設置方式。還可以采用將具有弧形極面的矩形磁軛從機殼外部插入 固定的方式。在該減重偏磁裝置當中的永磁動子部也可以采用與氣隙對側(cè)的永磁定子部的 弧形極面磁軛軸向?qū)挾认嗟鹊膱A環(huán)形軟鐵凸極所替代。在該減重偏磁裝置當中的永磁動子 部和永磁定子部也都可以采用不帶外圍磁軛的環(huán)形永磁體獨立擔任。在該減重偏磁裝置當 中的永磁定子部也可以采用與永磁動子部圓環(huán)形磁軛的軸向?qū)挾认嗟鹊囊欢尉哂谢⌒螛O 面的軟鐵凸極所替代。永磁動子部也可以與鐵磁材料的旋轉(zhuǎn)體直接形成氣隙配合。在上述 的減重偏磁裝置當中，由具有弧形極面的矩形磁軛段和在矩形磁軛段當中經(jīng)過徑向平行充 磁且具有弧形極面的矩形永磁體段所組成的永磁定子部，也可以由經(jīng)過徑向平行充磁且具 有平面磁極的矩形永磁體段及其相適應的外圍磁軛組成的永磁定子部所替代，從而使永磁 定子部和永磁定子部之間形成以點對面的配合方式。當采用以點對面的配合方式時，還可 以在永磁動子部的鉛垂線下方增設一段與永磁動子部同樣結(jié)構(gòu)且不大于180度的弧形永 磁定子部，但下方弧形永磁定子部與永磁動子部要形成磁力的相斥狀態(tài)以及使上下永磁定 子部對旋轉(zhuǎn)體的抬升力小于或等于旋轉(zhuǎn)體的自重。在本發(fā)明減重偏磁裝置當中的動子部和定子部，還可以是由多個弧形段永磁體和多個環(huán)形永磁體所構(gòu)成。即在動子部上設有兩 個或三個經(jīng)過輪輻式徑向充磁的環(huán)形永磁體和以軸向并列的方式緊密靠裝在一起以及在 遠離氣隙一側(cè)的徑向磁極面之間由導磁軛一并覆蓋后組成的多磁體永磁動子部以及使多 磁體永磁動子部當中各相鄰的環(huán)形永磁體之間的磁場極性互為相反，當多磁體永磁動子部 的環(huán)形永磁體有兩個時，兩個環(huán)形永磁體具有相等的徑向磁極極面。當多磁體永磁動子部 的環(huán)形永磁體為三個時，位于兩側(cè)的環(huán)形永磁體的徑向磁極極面各占中間環(huán)形永磁體徑向 磁極極面的二分之一面積。同時，在多磁體永磁動子部通過徑向氣隙所對應的旋轉(zhuǎn)體承托 部上設置均不帶兩側(cè)導磁軛的弧形段多磁體組成的多磁體永磁定子部，在弧形段多磁體永 磁定子部當中的永磁體數(shù)量與徑向氣隙對側(cè)的圓環(huán)形多磁體永磁動子部當中的數(shù)量相等， 其磁通回路與軸向排列方式亦相同。不同的是當在弧形段多磁體永磁定子部當中使用具 有弧形極面的矩形永磁體時。矩形永磁體的內(nèi)部磁通是以徑向平行穿越的充磁方法而得 到。對于多磁體永磁動子部和多磁體永磁定子部之間的配合方式，還可以采用使徑向氣隙 一側(cè)的多磁體永磁定子部或多磁體永磁動子部成為與氣隙對側(cè)具有相同軸向?qū)挾鹊沫h(huán)形 軟鐵凸極或弧形段軟鐵凸極的配合方式。當確定了旋轉(zhuǎn)體為垂直狀態(tài)使用時，即在旋轉(zhuǎn)體 承托部的一個向下面部位上，設置具有軸向開口的環(huán)形磁軛以及在該環(huán)形磁軛當中設置經(jīng) 過軸向充磁的環(huán)形永磁體所構(gòu)成的永磁定子部，然后，在該永磁定子部所對應旋轉(zhuǎn)體的一個向上面部位上，設置與永磁定子部結(jié)構(gòu)相同的永磁動子部，并使永磁動子部和永磁定子部之間通過軸向氣隙相互對正和保持相互吸引的狀態(tài)，其相互吸引的力不大于旋轉(zhuǎn)體的自重力。從而使旋轉(zhuǎn)體獲得被單邊型偏磁裝置向上吸引的趨勢。在本裝置當中，永磁動子部或永磁定子部，都可以采用不帶外圍磁軛的圓環(huán)形永磁體與軸向氣隙對側(cè)具有相同直徑和寬度的圓環(huán)形軟磁平面凸極相配合。在本裝置當中，永磁動子部或永磁定子部的任何一方，也都可以由不帶外圍磁軛的環(huán)形永磁體與氣隙對側(cè)大于環(huán)形永磁體直徑與寬度的軟鐵平面體或與環(huán)形永磁體直徑與寬度相等的圓環(huán)型平面軟鐵凸極所替代。本減重偏磁裝置的功能，也可以通過增大雙邊型徑向磁懸浮軸承在單自由磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中可以使旋轉(zhuǎn)體被向上吸引的一個徑向磁懸浮軸承的磁場力來實現(xiàn)。
3. 按照權(quán)利要求l所述的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是在所述位于電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)的全永磁徑向磁懸浮軸承(13、14和20、21)當中，分別位于氣隙兩側(cè)并與電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子部固定連接的環(huán)形永磁體，可以是單一型的整體，也可以是由多個弧形塊永磁體構(gòu)成的具有軸向氣隙的環(huán)形永磁體(未示)。位于氣隙兩側(cè)的環(huán)形永磁體數(shù)量，可以是由兩個環(huán)形永磁體以徑向并列的方式緊密套裝而成(13U4)，也可以是由三個環(huán)形永磁體以徑向并列的方式緊密套裝而成(20、21)，但兩種形式都必須使相鄰環(huán)形永磁體之間的磁場極性互為相反。當徑向并列和緊密套裝的環(huán)形永磁體為兩個時，其內(nèi)外兩個環(huán)形永磁體的軸向磁極面大小相等。因此不會有漏磁場的產(chǎn)生。當徑向并列和緊密套裝的環(huán)形永磁體為三個時，位于內(nèi)外側(cè)的兩個環(huán)形永磁體的軸向磁極面各占中間環(huán)形永磁體軸向磁極極面的二分之一面積，因此也不會有漏磁場的產(chǎn)生。在本裝置當中，對于軸向氣隙兩側(cè)相互對應的磁極面相等而體積和磁力大小不同的環(huán)形永磁體，總是將體積較小和磁力較弱的環(huán)形永磁體設置在電機的轉(zhuǎn)子部一側(cè)。而體積較大和磁力較強的環(huán)形永磁體則設置在電機的定子部一側(cè)。以此來減少旋轉(zhuǎn)體的重量。但此種分配方式在磁懸浮儲能飛輪當中可以例外。
4. 按照權(quán)利要求l所述的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是所述位于電動機或發(fā)電機上下部或左右兩側(cè)的主被動混合型磁懸浮軸承(34、38、41)，是由設置在電動機或發(fā)電機定子部上的兩個在端部帶有錐斜極面的軟磁或永磁環(huán)形體軸向靠裝在一起后。形成在徑向磁極面上具有"V"形型環(huán)形凹槽的環(huán)形主磁極或是采用在端部帶有"V"形型環(huán)形凸極的環(huán)形主磁極。然后，與具有"V"形型環(huán)形凹槽的環(huán)形主磁極或者是在端部帶有"V"形型環(huán)形凸極的環(huán)形主磁極的兩側(cè)分別設置兩個電流極性相反的電磁線圈以及在兩個電磁線圈的非工作氣隙側(cè)統(tǒng)一設置軟鐵磁軛后一起構(gòu)成混合型定子部。同時，還在混合型定子部當中的環(huán)形主磁極所對應的電機轉(zhuǎn)子部上，設置與環(huán)形主磁極的"V"形型環(huán)形凹槽或是"V"形型凸極磁極面相適應的配套環(huán)形永磁體。該配套環(huán)形永磁體與"V"形型環(huán)形凸極或"V"形型環(huán)形凹槽或通過氣隙相互對應，構(gòu)成主被動混合型磁懸浮軸承，在主被動混合型磁懸浮軸承當中，位于混合型定子部當中的兩個電磁線圈所產(chǎn)生的磁場極性與氣隙對側(cè)的配套環(huán)形永磁體所固有的磁場極性相互排斥。假如混合型定子部當中的環(huán)形主磁極為永磁體的話，還要滿足使兩個電磁線圈產(chǎn)生的內(nèi)部磁通方向與環(huán)形主磁極所固有的內(nèi)部磁通方向相一致的要求。
5. 按照權(quán)利要求l所述的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是所述全永磁預應力磁懸浮軸承(43、44和50、51和54、55)，是由分別設置在電動機或發(fā)電機定轉(zhuǎn)子上下部的每組相互對應并各自帶有錐臺斜面和經(jīng)過軸向充磁的環(huán)形永磁體通過斜面氣隙構(gòu)成的 相斥型磁力軸承和與每個相斥型磁力軸承徑向并列設置的軸向吸引型徑向磁懸浮軸承所 組成。在全永磁預應力磁懸浮軸承當中，無論是相斥型磁力軸承還是軸向吸引型徑向磁懸 浮軸承，所用的每個環(huán)形永磁體，除了指向工作氣隙的一個磁極面外，其余部分均被軟鐵磁 軛所包圍。需要注意的是兩個全永磁預應力磁懸浮軸承在單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的設置方法是"一個設置在電動機或發(fā)電機端蓋的內(nèi)部(43、51、54)，而另一個則設置 在電動機或發(fā)電機端蓋的外側(cè)與旋轉(zhuǎn)體的承托部之間(44、50、55)"從而使它們形成了對旋 轉(zhuǎn)體產(chǎn)生單向承載力，所以，由全永磁預應力磁懸浮軸承和電動機或發(fā)電機組成的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，一般采用垂直使用方式。另需說明的是全永磁預應力磁懸浮軸 承，本身已具備徑軸向自穩(wěn)定懸浮能力，在沒有電動機或發(fā)電機參與的情況下，就可以直接 作為一種磁懸浮平臺使用。
6. 按照權(quán)利要求5所述的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是在所述電機上下 部同一直徑圓周上的相斥型磁力軸承，還可以和另一直徑圓周上的具有軸向氣隙的吸引型徑向磁懸浮軸承進行交叉設置(未示)。如在電機上下部同一直徑的圓周上，上部為相斥型磁力軸承，下部為吸引型徑向磁懸浮軸承，在另一直徑的圓周上則采用上部為吸引型徑 向磁懸浮軸承，下部為相斥型磁力軸承。
7. 按照權(quán)利要求5或6所述的任何一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是在所述兩個全永磁預應力磁懸浮軸承中間位置上的電機(未示)為外轉(zhuǎn)子時，還可以在其所 用空心靜軸的頂端端面上設置經(jīng)過軸向充磁的圓柱形永磁體和在圓柱形永磁體通過氣隙 在所對應上部旋轉(zhuǎn)體的中心部位上設置錐形凸塊并使該錐形凸塊的頂尖通過氣隙正對圓柱形永磁體的中心部位所組成的定心磁力裝置(57)。增加了定心磁力裝置(57)的單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，具有更強的徑向穩(wěn)定力。同樣需要說明的是本裝置具備徑軸向自穩(wěn)定懸浮能力，在系統(tǒng)不設置電動機或發(fā)電機的情況下，就可以直接作為一種磁懸浮平臺 使用。
8. 按照權(quán)利要求1、3、4、5、6、7所述的任何一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是所述電機為滾筒式外轉(zhuǎn)子電機時，還可以在滾筒壁上設置帶有徑向扭斜度的散熱孔(48、59、60)和在空心靜軸上設置進風孔(47)。
9. 按照權(quán)利要求1、3、4、5、6、7所述的任何一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征 是所述電動機或發(fā)電機采用的是一種定轉(zhuǎn)子單側(cè)氣隙磁阻電動機或磁阻發(fā)電機(未示)， 它是在所述的外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)壁上設置齒圈，在齒圈的圓周上至少有三個行星輪分布，每個 行星輪上的隨動軸桿通過兩端的軸承與單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)體承托 部形成可轉(zhuǎn)動連接，行星輪隨動軸桿與定轉(zhuǎn)子單側(cè)氣隙磁阻電動機或單側(cè)氣隙磁阻發(fā)電機 的轉(zhuǎn)子同軸，在單側(cè)氣隙磁阻電動機或單側(cè)氣隙磁阻發(fā)電機的轉(zhuǎn)子圓周上，排列有極性互 為相反的永磁體所組成的多極性永磁轉(zhuǎn)子或采用整體圓環(huán)形可充磁材料經(jīng)徑向充磁的多 極性永磁轉(zhuǎn)子，多極性永磁轉(zhuǎn)子通過一側(cè)氣隙與一個或多個帶有電磁線圈并與多極性永磁 轉(zhuǎn)子構(gòu)成向心型設置關(guān)系凸極鐵心相對應。在本裝置當中，內(nèi)齒圈與行星輪的齒合傳動，也 可以由在所述的外轉(zhuǎn)子滾筒內(nèi)壁上沿圓周方向設置極性互為相反的永磁體和在外圓上帶 有極性互為的永磁體構(gòu)成的磁性行星輪組成的磁傳動方式所替代。這種磁傳動方式更有利 于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的軸向穩(wěn)定。
10.按照權(quán)利要求1、3、4、5、6、7所述的任何一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。其特征是所述發(fā)電機可以是一臺，也可以是多臺相同型號的發(fā)電機軸向并列而成(26、27、28)。當采用多臺發(fā)電機軸向并列使用時，應使各相鄰發(fā)電機的定子或轉(zhuǎn)子磁極之間依次錯開相同的角度和在所有發(fā)電機的同相繞組之間采用并聯(lián)電路。采用多臺發(fā)電機軸向并列使用更有利于單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的軸向穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)及磁力軸承與減重方法。它是由電動機(5)左右兩側(cè)并與電動機定轉(zhuǎn)子部保持良好同軸度的全永磁徑向磁懸浮軸承或主被動混合型磁懸浮軸承或全永磁預應力磁懸浮軸及減重偏磁裝置和徑軸向氣隙限位保護裝置所組成。利用電動機所具有的軸向穩(wěn)定力和磁力軸承具有的徑向穩(wěn)定力協(xié)同作用，使系統(tǒng)當中的旋轉(zhuǎn)部被約束在一種只能作切向定軸旋轉(zhuǎn)的單自由度磁力懸浮狀態(tài)。所述全永磁徑向磁懸浮軸承(6、7)是將經(jīng)過軸向充磁并具有磁極極面相等而體積和磁吸力大小不同并各自帶有外部導磁軛的兩個環(huán)形永磁體分別設置在電動機(5)的定轉(zhuǎn)子部上和通過軸向氣隙保持兩側(cè)界面的高度對稱與相互吸引而成。
文檔編號H02K7/09GK101769334SQ20091016018
公開日2010年7月7日 申請日期2009年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月25日
發(fā)明者張玉寶 申請人:張玉寶