專利名稱：一種自適應轉子重量的永磁推力軸承的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種永磁推力軸承，尤其是一種自適應轉子重量特點的永磁推力軸承，適用于水輪機轉子、飛輪系統(tǒng)等需要大型推力軸承支撐的應用場合。
背景技術：
目前工業(yè)上廣泛運用的機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、需潤滑、價格昂貴等局限。而永磁材料所具有的矯頑力大、剩磁強、磁能積大、退磁曲線近似線性等特點使得永磁軸承有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械軸承。同時隨著高性能稀土永磁材料的快速商業(yè)化，以及相應加工技術的發(fā)展，永磁軸承所具有的體積小、結構簡單、無能量消耗等特點使之能夠在航空、儀表、化工、電氣等諸多領域有其獨特的應用場合。目前人們主要關注永磁徑向軸承的應用與實現(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專利，如中國專利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)定性等實際問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種易于加工，運行穩(wěn)定，適用于大型旋轉機械的自適應轉子重量的永磁推力軸承。
本發(fā)明的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉子以及輔助向心軸承，定轉子之間具有氣隙，其中定子由n對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)之間的非導磁環(huán)構成；轉子由m對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)之間的非導磁環(huán)構成，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，轉子永磁環(huán)為軸向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉子永磁環(huán)為軸向充磁。
本發(fā)明中所說的定子永磁環(huán)的對數(shù)n和轉子永磁環(huán)的對數(shù)m可以相等，也可以不等。
所說的定、轉子的非導磁環(huán)可以為銅環(huán)或鋁環(huán)。非導磁環(huán)的設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，同時對轉子軸向位移、轉子徑向安裝偏差以及加工等問題所產生的磁場不均勻現(xiàn)象起到一定的阻尼作用。為方便安裝，通常使定子非導磁環(huán)與定子永磁環(huán)的環(huán)形面形狀相同，轉子非導磁環(huán)與轉子永磁環(huán)的環(huán)形面形狀相同。
使用時，將本發(fā)明的永磁推力軸承的轉子與轉軸緊固，輔助向心軸承安裝在轉軸的一端或者兩端，限制轉子的徑向偏移，轉子可以通過聯(lián)軸器與原動機相連；定子固定在相應的機座上，如水輪機的底座、飛輪系統(tǒng)的機架等。定轉子軸向方向(重力方向)上允許有一定的位移。
根據(jù)英國物理學家EarnShaw的證明，在只有受力與距離平方成反比關系的恒定磁場中，一個物體無法處于穩(wěn)態(tài)。所以對于永磁軸承來說，僅使用永磁塊，無法實現(xiàn)所有自由度上的穩(wěn)定平衡。本發(fā)明利用定、轉子永磁環(huán)承受軸向轉子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實現(xiàn)各個自由度上的平衡。
本發(fā)明的自適應轉子重量的永磁推力軸承具有軸向推力大、結構簡單、安裝方便、自適應轉子重量、不易失磁，不需要潤滑和冷卻等優(yōu)點，尤其適合應用于需要大型推力軸承的場合。


圖1是本發(fā)明的自適應轉子重量的永磁推力軸承的結構示意圖；圖2的為圖1的A-A剖視圖；圖3～圖6為本發(fā)明的定、轉子永磁環(huán)的四種充磁方向示意圖，以4環(huán)結構為例；圖7為本發(fā)明的永磁推力軸承的應用總裝示意圖；圖8為永磁推力軸承的自穩(wěn)定工作區(qū)域示意圖。
具體實施例方式
參照圖1、圖2，本發(fā)明的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子1、轉子2以及輔助向心軸承5，定轉子之間具有氣隙3，定子1由n對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)之間的非導磁環(huán)1-2構成；轉子2由m對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)之間的非導磁環(huán)2-2構成，n、m均為自然數(shù)，圖1中定子永磁環(huán)的對數(shù)與轉子永磁環(huán)的對數(shù)相等，圖中4為轉軸。
定、轉子永磁環(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，轉子永磁環(huán)為軸向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為徑向充磁，轉子永磁環(huán)為徑向充磁；定子永磁環(huán)為軸向充磁，轉子永磁環(huán)為軸向充磁。對每一種組合，當定、轉子充磁方向與對應圖示中箭頭方向相反時，其效果保持一致，均能產生所需要的永磁推力?？紤]到實際旋轉時轉子永磁環(huán)需要承受旋轉時的應力，不適合分塊組裝，且徑向充磁存在加工難度，所以轉子永磁環(huán)的充磁方向應當優(yōu)先選擇軸向充磁。
以定子永磁環(huán)徑向充磁、轉子永磁環(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所示的結構，徑向充磁的定子永磁環(huán)在軸向充磁的轉子永磁環(huán)表面形成一個合成磁場，該磁場可以分解為徑向磁場和軸向磁場。軸向充磁的轉子永磁環(huán)在該徑向磁場的作用下產生向上的推力，而在軸向磁場的作用下產生徑向的拉力。當定、轉子永磁環(huán)為正對位置時(即圖1所示的定、轉子永磁環(huán)無軸向位移時的臨界平衡狀態(tài))，轉子永磁環(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)。當定、轉子永磁環(huán)為非正對位置時，轉子永磁環(huán)仍然受到軸向推力，此時軸向推力隨著軸向偏移的增加而下降。
對于圖3、圖4所示的定、轉子永磁環(huán)充磁方向為徑向-軸向或者軸向-徑向的結構，其磁力學原理與特性與圖1類似。對于圖5、圖6所示的定、轉子永磁環(huán)充磁方向為徑向-徑向或者軸向-軸向的結構，其磁力學原理與圖1類似，不同點在于其達到最大軸向推力的位置不在定、轉子永磁環(huán)的正對位置，相應的最大軸向推力位置分別如圖5、圖6所示。
定、轉子永磁環(huán)的對數(shù)可以根據(jù)實際需要進行調整，圖3～圖6給出的是4環(huán)結構。永磁環(huán)數(shù)的增加可以顯著提高軸向推力和軸向剛度，實際設計確定永磁環(huán)數(shù)時則需要綜合考慮軸承軸向長度、永磁材料經(jīng)濟性、最大推力等因素。
結合圖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通過緊固件與機座6相連，轉子2通過鍵9與主軸4相連，圖中3為氣隙，11、12分別為轉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，圖例中采用的是機械式軸承，或者也可以用主動式電磁軸承。輔助向心軸承5通過軸承座7與機座腳架8相連，另一端可以通過聯(lián)軸器與原動機相連。
本發(fā)明的永磁推力軸承允許定轉子之間存在一定的軸向位移，試驗表明，該永磁推力軸承具有自適應轉子重量的特點。對于圖1所示的結構，其軸向推力與轉子軸向位移的關系如圖8所示。對于A區(qū)域內的轉子軸向位移，本發(fā)明的永磁推力軸承具有正的軸向剛度，所以可以達到軸向推力方向的自穩(wěn)定。
權利要求
1.一種自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特征在于包括定子(1)、轉子(2)以及輔助向心軸承(5)，定轉子之間具有氣隙(3)，其中定子(1)由n對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)之間的非導磁環(huán)(1-2)構成；轉子(2)由m對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)之間的非導磁環(huán)(2-2)構成，n、m均為自然數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子永磁環(huán)(1-1)的充磁方向為軸向充磁或者徑向充磁。
3.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特征在于轉子永磁環(huán)(2-1)的充磁方向為軸向充磁或者徑向充磁。
4.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉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，轉子永磁環(huán)(2-1)為軸向充磁。
5.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉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，轉子永磁環(huán)(2-1)為徑向充磁。
6.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉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，轉子永磁環(huán)(2-1)為徑向充磁。
7.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉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，轉子永磁環(huán)(2-1)為軸向充磁。
8.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉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)之間的非導磁環(huán)(1-2)和夾置在轉子相鄰永磁環(huán)(2-1)之間的非導磁環(huán)(2-2)為銅環(huán)或鋁環(huán)。
9.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特征在于定子非導磁環(huán)(1-2)與定子永磁環(huán)(1-1)的環(huán)形面形狀相同，轉子非導磁環(huán)(2-2)與轉子永磁環(huán)(2-1)的環(huán)形面形狀相同。
10.根據(jù)權利要求1所述的自適應轉子重量的永磁推力軸承，其特征在于輔助向心軸承(5)是機械式軸承或主動式電磁軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開的自適應轉子重量的永磁推力軸承，包括定子、轉子以及輔助向心軸承，定轉子之間具有氣隙，其中定子由n對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)之間的非導磁環(huán)構成；轉子由m對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)之間的非導磁環(huán)構成，n、m均為自然數(shù)。該永磁推力軸承利用定、轉子永磁環(huán)承受軸向轉子重力，輔助向心軸承承受徑向分力的方法來實現(xiàn)各個自由度上的平衡，具有軸向推力大、結構簡單、安裝方便、自適應轉子重量、不易失磁，不需要潤滑和冷卻等優(yōu)點，尤其適合應用于需要大型推力軸承的場合。
文檔編號F16C32/04GK1963244SQ20061015473
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權日2006年11月21日
發(fā)明者楊歡, 趙榮祥, 汪槱生 申請人:浙江大學