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CN102537046A - 一种磁悬浮轴承及磁悬浮电机 - Google Patents

一种磁悬浮轴承及磁悬浮电机 Download PDF

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CN102537046A CN2011104560460A CN201110456046A CN102537046A CN 102537046 A CN102537046 A CN 102537046A CN 2011104560460 A CN2011104560460 A CN 2011104560460A CN 201110456046 A CN201110456046 A CN 201110456046A CN 102537046 A CN102537046 A CN 102537046A
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张冰青
杨帆
杜轶群
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
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    • F16C32/0423—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
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Abstract

本发明提供一种磁悬浮电机，包括电机壳体，固定在所述电机壳体两端的两个径向对称的磁悬浮轴承，穿过所述磁悬浮轴承的转动轴，所述转动轴上设有轴向磁通永磁体盘，所述电机壳体内固定有与所述轴向磁通永磁体盘相对的轴向磁通驱动绕组盘；所述磁悬浮轴承包括轴承室，固定在所述轴承室中同轴的永磁内环和永磁外环，所述永磁内环与所述永磁外环的同极相对，所述永磁内环具有对称外曲面，所述永磁外环具有对称内曲面，所述对称外曲面与所述对称内曲面之间留有气隙。由于永磁内环和永磁外环对应的面为曲面，能同时产生轴向和径向磁力。径向磁力使转动轴悬浮和防止转动轴的径向，减小摩擦；轴向磁力防止转动轴轴向窜动，精确定位。

Description

一种磁悬浮轴承及磁悬浮电机
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承及磁悬浮电机。
背景技术
现有电机的轴承按其功能分为推力轴承和径向轴承，按其内部结构分为滑动和滚动轴承。在各类轴承中，存在以下问题，首先，由于机械摩擦造成能量损耗；其次是温度升高造成轴承损坏；第三是因摩擦磨损使得检修、更换频繁。
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，磁力轴承没有机械接触，不需要传力介质，避免了由于摩擦而产生的能量损耗。但是现有的磁悬浮轴承一般为径向的磁悬浮轴承，保证了转动轴的径向悬浮。但是在轴向上对转动轴没有限制，转动轴在转动时，容易发生轴向窜动，影响传动性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同时在轴向和径向上控制转动轴的磁悬浮轴承和电机。
本发明的技术方案提供一种磁悬浮轴承，包括轴承室，固定在所述轴承室中同轴的永磁内环和永磁外环，所述永磁内环与所述永磁外环的同极相对，所述永磁内环具有对称外曲面，所述永磁外环具有对称内曲面，所述对称外曲面与所述对称内曲面之间留有气隙。
优选地，所述对称内曲面和所述对称外曲面为半球面，或圆锥面，或圆弧面。
优选地，所述对称内曲面和所述对称外曲面的两端分别沿轴向延伸形成内水平部和外水平部，所述内水平部和所述外水平部之间留有气隙。
优选地，所述对称外曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称内曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称外曲面和外水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称内曲面和内水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述抗磁性层为石墨，或铋，或铜，或锌，或石墨烯。
本发明的另一技术方案提供一种磁悬浮电机，包括电机壳体，固定在所述电机壳体两端的两个径向对称的磁悬浮轴承，穿过所述磁悬浮轴承的转动轴，所述转动轴上设有轴向磁通永磁体盘，所述电机壳体内固定有与所述轴向磁通永磁体盘相对的轴向磁通驱动绕组盘；所述磁悬浮轴承包括轴承室，固定在所述轴承室中同轴的永磁内环和永磁外环，所述永磁内环与所述永磁外环的同极相对，所述永磁内环具有对称外曲面，所述永磁外环具有对称内曲面，所述对称外曲面与所述对称内曲面之间留有气隙。
优选地，所述对称内曲面和所述对称外曲面为半球面，或圆锥面，或圆弧面。
优选地，所述对称内曲面和所述对称外曲面的两端分别沿轴向延伸形成内水平部和外水平部，所述内水平部和所述外水平部之间留有气隙。
优选地，所述对称外曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称内曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称外曲面和外水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述对称内曲面和内水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
优选地，所述抗磁性层为石墨，或铋，或铜，或锌，或石墨烯。
优选地，所述轴向磁通永磁体盘上设有多个永磁体，相邻所述永磁体的极性相反；所述轴向磁通驱动绕组盘上设有多个与所述永磁体个数对应的无铁芯线圈绕组。
优选地，所述磁悬浮电机中设有多组轴向磁通永磁体盘和所述轴向磁通驱动绕组盘。
采用上述技术方案后，具有如下有益效果：由于永磁内环和永磁外环对应的面为曲面，能同时产生轴向和径向磁力。径向磁力使转动轴悬浮和防止转动轴的径向，减小摩擦；轴向磁力防止转动轴轴向窜动，精确定位。
附图说明
图1是本发明磁悬浮电机的实施例一的结构示意图；
图2是图1中A-A的截面图；
图3是图1中B-B的截面图；
图4是本发明磁悬浮电机的实施例二的结构示意图。
附图标记对准表：
1--电机壳体       2--磁悬浮轴承        3--转动轴
21--轴承室        22--永磁内环         23--永磁外环
24--气隙          25--抗磁性层         221--对称外曲面
222--外水平部     231--对称内曲面      232--内水平部
31--轴向磁通永磁体盘                   32--轴向磁通驱动绕组盘
311--永磁体                            321--线圈绕组
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3所示，为本发明磁悬浮电机的实施例一的结构示意图。磁悬浮电机包括电机壳体1，固定在电机壳体1两端的两个径向对称的磁悬浮轴承2，穿过磁悬浮轴承2的转动轴3，转动轴3上设有轴向磁通永磁体盘31，电机壳体1内固定有与轴向磁通永磁体盘31相对的轴向磁通驱动绕组盘32；磁悬浮轴承2包括轴承室21，固定在轴承室21中同轴的永磁内环22和永磁外环23，永磁内环22与永磁外环23的同极相对，永磁内环22具有对称外曲面221，永磁外环23具有对称内曲面231，对称外曲面221与对称内曲面231之间留有气隙24。
工作时，轴向磁通驱动绕组盘32通电，轴向磁通驱动绕组盘32产生的磁场与轴向磁通永磁体盘31的产生的磁场共同作用，使转动轴3绕自身的轴线转动。转动轴3在转动的过程中会产生径向甩动和轴向窜动。由于永磁内环22具有对称外曲面221，永磁外环23具有对称内曲面231，永磁内环22和永磁外环23采用轴向充磁方式，使永磁内环22和永磁外环23周围产生满足设计要求的空间分布磁场，其空间分布磁场相互作用，并由此产生轴向和径向磁力，其轴向和径向磁通的大小及方向和转动轴3上径向甩动力、自身重力和轴向窜动力密切相关，当转动轴3正常工作时，空间分布磁场产生的径向力恰好与转动轴3上的径向甩动力和重力的合力大小相等、方向相反，轴向力与转动轴3上的轴向窜动力大小相等、方向相反，从而保证了转动轴3平稳的转动。
当主轴停止工作或处于静止状态时，由于空间分布磁场产生的径向和轴向磁通变小或消失，随着主轴上机械力的变化，自动调节空间分布磁场磁通的大小和方向，达到相对平衡，以实现磁悬浮轴承的正常运行，实现设计的基本要求。
较佳地，对称内曲面231和对称外曲面221为半球面，或圆锥面，或圆弧面。本发明不限于上述形状，只要截面形状为非直线形，能同时在径向和轴向上产生磁力的都属于本发明的保护范围。
本实施例中，对称外曲面221上完全包覆有一层抗磁性层。两块永久磁铁之间可以产生吸力和斥力，然而不能独立实现稳定磁悬浮。但如果在永磁悬浮中引入抗磁性物质，则就能够使永磁转子在常温下实现稳定悬浮，且不需要外加机械辅助。抗磁性物质的磁化率是负值，在外界磁场的作用下，会产生轻微的抵制外磁场的作用。把抗磁物质用到永磁悬浮结构中，对于悬浮的磁体有抗磁稳定的作用，当悬浮磁体有偏离平衡位置的上下偏移的趋势时，抗磁物质的抗磁性就会抵制这种趋势，使之重新平衡。
较佳地，抗磁性层25为石墨，或铋，或铜，或锌，或石墨烯。本实施例中，使用石墨烯作为抗磁性层的材料，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯的磁化率可以达到-3.5×10-5emu/g，其抗磁性大于石墨、铋、铜及锌，接近超导体。但是由于超导体在磁悬浮当中的应用条件复杂，需要的环境温度低。而石墨烯在常温下就具有很好的抗磁性，满足磁悬浮稳定的要求。
较佳地，也可以仅在对称内曲面231上完全包覆有一层石墨烯材料。
本实施例中，如图2-3所示，轴向磁通永磁体盘31上设有多个永磁体311，相邻永磁体311的极性相反；轴向磁通驱动绕组盘32上设有多个与永磁体311个数对应的无铁芯线圈绕组321。
本实施例中，如图1所示，磁悬浮电机中设有多组轴向磁通永磁体盘31和轴向磁通驱动绕组盘32。
如图4所示，为本发明磁悬浮电机的实施例二的结构示意图。实施例二与实施例一的区别在于，对称内曲面231和对称外曲面221的两端分别沿轴向延伸形成内水平部232和外水平部222，内水平部232和外水平部222之间留有气隙24。内水平部232与外水平部222之间只形成径向磁力，增强了径向磁力的强度，使转动轴3在径向上更加稳定。
本实施例中，对称外曲面221和外水平部222上完全包覆有一层抗磁性层25。
较佳地，也可以仅在对称内曲面231和内水平部232上完全包覆有一层抗磁性层25。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种磁悬浮轴承，包括轴承室，固定在所述轴承室中同轴的永磁内环和永磁外环，所述永磁内环与所述永磁外环的同极相对，其特征在于，所述永磁内环具有对称外曲面，所述永磁外环具有对称内曲面，所述对称外曲面与所述对称内曲面之间留有气隙。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称内曲面和所述对称外曲面为半球面，或圆锥面，或圆弧面。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称内曲面和所述对称外曲面的两端分别沿轴向延伸形成内水平部和外水平部，所述内水平部和所述外水平部之间留有气隙。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称外曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称内曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
6.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称外曲面和外水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
7.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述对称内曲面和内水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
8.根据权利要求4-7任意一项所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述抗磁性层为石墨，或铋，或铜，或锌，或石墨烯。
9.一种磁悬浮电机，包括电机壳体，固定在所述电机壳体两端的两个径向对称的磁悬浮轴承，穿过所述磁悬浮轴承的转动轴，所述转动轴上设有轴向磁通永磁体盘，所述电机壳体内固定有与所述轴向磁通永磁体盘相对的轴向磁通驱动绕组盘；所述磁悬浮轴承包括轴承室，固定在所述轴承室中同轴的永磁内环和永磁外环，所述永磁内环与所述永磁外环的同极相对，其特征在于，所述永磁内环具有对称外曲面，所述永磁外环具有对称内曲面，所述对称外曲面与所述对称内曲面之间留有气隙。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称内曲面和所述对称外曲面为半球面，或圆锥面，或圆弧面。
11.根据权利要求9所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称内曲面和所述对称外曲面的两端分别沿轴向延伸形成内水平部和外水平部，所述内水平部和所述外水平部之间留有气隙。
12.根据权利要求9所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称外曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
13.根据权利要求9所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称内曲面上完全包覆有一层抗磁性层。
14.根据权利要求11所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称外曲面和外水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
15.根据权利要求11所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述对称内曲面和内水平部上完全包覆有一层抗磁性层。
16.根据权利要求12-15任意一项所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述抗磁性层为石墨，或铋，或铜，或锌，或石墨烯。
17.根据权利要求9所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述轴向磁通永磁体盘上设有多个永磁体，相邻所述永磁体的极性相反；所述轴向磁通驱动绕组盘上设有多个与所述永磁体个数对应的无铁芯线圈绕组。
18.根据权利要求17所述的磁悬浮电机，其特征在于，所述磁悬浮电机中设有多组轴向磁通永磁体盘和所述轴向磁通驱动绕组盘。
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