本實用新型涉及機械零件技術領域，具體涉及一種軸承，更具體的涉及一種基于陀螺效應的永磁懸浮軸承。

背景技術：

目前，永磁懸浮軸承有徑向和軸向兩種，其結構是：徑向懸浮軸承由大小不同的兩個環(huán)形磁環(huán)組成，小磁環(huán)套在大磁環(huán)內(nèi)，兩環(huán)長短一樣，均軸向充磁，方向相同，兩環(huán)之間的斥力產(chǎn)生徑向力，達到徑向懸浮的效果；軸向懸浮軸承由大小相同的磁環(huán)組成，左右或上下同軸同心排列，均軸向充磁且方向相反，兩環(huán)之間的斥力產(chǎn)生軸向力，起到軸向懸浮的作用。

1839年，英國科學家Samuel Earnshaw從理論上證明了在僅由永磁體構成的靜磁場中磁體不可能在所有自由度上實現(xiàn)穩(wěn)定平衡。因此，目前的永磁軸承若要實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮必須至少在一個自由度上依靠電磁軸承或超導磁懸浮軸承或抗磁性懸浮，否則無法完全懸浮。Earnshaw定理認為靜態(tài)永磁懸浮不可能達到穩(wěn)定平衡，而利用陀螺效應的磁懸浮陀螺，則證明當轉速超過臨界值，旋轉體能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的永磁懸浮?？梢姡勇菪cEarnshaw定理是可共存的。

有鑒于此，特提出本實用新型。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本實用新型的目的在于提出一種基于陀螺效應的永磁懸浮軸承。具體技術方案如下：

一種基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，包括轉軸、對稱安裝在所述轉軸兩端的兩組磁體組；所述磁體組包括固定在定子側的第一環(huán)形磁鐵、第二環(huán)形磁鐵，以及固定在轉子側的第三環(huán)形磁鐵；所述第一環(huán)形磁鐵與所述第二環(huán)形磁鐵上下間隔設置，所述第二環(huán)形磁鐵與所述第三環(huán)形磁鐵同軸同心設置，所述第二環(huán)形磁鐵內(nèi)徑尺寸大于所述第三環(huán)形磁鐵外徑尺寸，所述第一環(huán)形磁鐵與所述第三環(huán)形磁鐵軸向排斥，所述第二環(huán)形磁鐵與所述第三環(huán)形磁徑向排斥。

根據(jù)本實用新型提供的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，其利用轉子高速旋轉時產(chǎn)生的陀螺力矩承受全永磁軸承系統(tǒng)的微量不平衡力矩和外力矩，使其在軸向和徑向均具有一定承載力，旋轉體轉速高于臨界轉速時，可不依靠外部場提供能量，利用陀螺效應實現(xiàn)超低功耗的永磁懸浮。而且轉子中磁鐵少于定子中磁鐵質(zhì)量，使轉子相對密度降低，可相對的提高裝置的能量密度，且增加了單位磁鐵所能提供的負載能力。

另外，根據(jù)本實用新型上述實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，還可以具有如下附加的技術特征：

根據(jù)本實用新型的一個示例，還包括在定子與轉子相接觸時對裝置進行保護的保護軸承，所述保護軸承安裝在永磁懸浮軸承上和/或安裝在定子與轉子之間。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述保護軸承包括徑向保護軸承和軸向保護軸承，所述徑向保護軸承安裝在所述第一環(huán)形磁鐵的內(nèi)圈，所述軸向保護軸承安裝在定子側和/或轉子側。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述第一環(huán)形磁鐵與所述第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元的位置可互換。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述磁體組包括多個第一環(huán)形磁鐵和第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元，所述第一環(huán)形磁鐵和所述第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元交錯間隔布設。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述磁體組包括一個第一環(huán)形磁鐵和兩組第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元，所述第一環(huán)形磁鐵置于所述兩組第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元之間。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述磁體組包括兩個第一環(huán)形磁鐵和一組第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元，所述第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵組成的單元置于所述兩個第一環(huán)形磁鐵之間。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述磁體組的材質(zhì)包括永磁鐵。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述永磁鐵為合金永磁鐵。

根據(jù)本實用新型的一個示例，所述第二環(huán)形磁鐵與所述第三環(huán)形磁鐵間隙配合。

本實用新型的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

圖1為本實用新型一種實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構示意圖；

圖2為本實用新型另一種實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構示意圖；

圖3為本實用新型再一種實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構示意圖；

圖4為本實用新型再一種實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構示意圖；

圖5為本實用新型再一種實施例的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

下面參考附圖來詳細描述根據(jù)本實用新型的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承。

結合附圖1-5所示，本實用新型提供了一種基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，其基本機構為轉軸6、對稱安裝在轉軸兩端的兩組磁體組，兩組磁體組的結構相同，且關于轉軸6的中心對稱。

本實施例的磁體組的基礎形式可以如圖1和2所示，其包括固定在定子(圖中未示出)側的第一環(huán)形磁鐵1、第二環(huán)形磁鐵2，以及固定在轉子(圖中未示出)側的第三環(huán)形磁鐵3；第一環(huán)形磁鐵1與第二環(huán)形磁鐵2上下間隔設置，即第一環(huán)形磁鐵1與第二環(huán)形磁鐵2之間預留一定安裝距離，第二環(huán)形磁鐵2和第三環(huán)形磁鐵3同軸同心設置，可以看成是將第二環(huán)形磁鐵2套設在所述第三環(huán)形磁鐵3外，第二環(huán)形磁鐵2的內(nèi)圈和第三環(huán)形磁鐵3的外圈為間隙配合。

本實施例的第一環(huán)形磁鐵1與第二環(huán)形磁鐵2的相對位置可以如圖1所示，第一環(huán)形磁鐵1在第二環(huán)形磁鐵2的外側，也可以如圖2所示，第一環(huán)形磁鐵1在第二環(huán)形磁鐵2的內(nèi)側，這里的“內(nèi)、外”指的是距離轉軸中心的近、遠。也就是說第一環(huán)形磁鐵1與第二環(huán)形磁鐵2、第三環(huán)形磁鐵3組成的單元的位置可互換。

本實施例的磁極分布和方向如圖1和2所示(圖中箭頭為磁化方向)，第一環(huán)形磁鐵1與第三環(huán)形磁鐵3均軸向充磁且充磁方向相反，提供軸向排斥力，第二環(huán)形磁鐵2與第三環(huán)形磁鐵3均軸向充磁且充磁方向相同，提供徑向排斥力。

本實施例基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，利用轉子高速轉動時產(chǎn)生的陀螺力矩來承受全永磁軸承系統(tǒng)的微量不平衡力矩和外力矩，轉子超過最低臨界轉速后可以實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定懸浮，更適合于高速旋轉機械支撐，在軸向和徑向均具有一定承載力，可不依靠外部場提供能量實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，在使用過程中減少了轉子磁鐵的疲勞損耗；提高了轉子整體的容許拉伸強度與密度比，(磁鐵密度比復合材料大，轉子中磁鐵少了，轉子相對密度降低)；增加了單位磁鐵所能提供的負載能力。

具體的，在本實施例中，還包括在定子與轉子相接觸時對裝置進行保護的保護軸承，保護軸承安裝在永磁懸浮軸承上和/或安裝在定子與轉子之間。保護軸承主要起在靜止或啟動時轉子的支撐，或在高速運轉時避免轉子與定子意外相碰而造成的毀滅性破壞。轉子旋轉于臨界轉速以下時，徑向保護軸承與軸接觸。轉子旋轉至臨界轉速以上時，轉子可通過陀螺效應實現(xiàn)懸浮，此時轉子與保護軸承不接觸，轉子與定子間只存在空氣阻力。在保證真空度的情況下，則轉子旋轉時幾乎沒有軸承帶來的能量損耗。

具體的，在本實施例中，如圖1所示，保護軸承包括徑向保護軸承4和軸向保護軸承5，徑向保護軸承4安裝在第一環(huán)形磁鐵1的內(nèi)圈，軸向保護軸承5安裝在定子側和/或轉子側，當然保護軸承在圖示中的位置僅僅是一個示例，只要保護軸承的安裝位置能夠起到上述的作用，其可以安裝在任意位置，這里不過多贅述。

具體的，在本實施例中，基于陀螺效應的永磁懸浮軸承的結構形式不唯一，除了圖1和圖2的兩種結構外，還可以如圖3，磁體組包括一個第一環(huán)形磁鐵1和兩組第二環(huán)形磁鐵2、第三環(huán)形磁鐵3組成的單元，第一環(huán)形磁鐵1置于兩組第二環(huán)形磁鐵2、第三環(huán)形磁鐵3組成的單元之間。再例如，如圖4所示，磁體組還可以包括兩個第一環(huán)形磁鐵1和一組第二環(huán)形磁鐵2、第三環(huán)形磁鐵3組成的單元，第二環(huán)形磁鐵2、第三環(huán)形磁鐵3組成的單元置于兩個第一環(huán)形磁鐵1之間，本實施例的永磁懸浮軸承的結構形式根據(jù)負載情況的不同可以做出多種結構上的調(diào)整，如圖5所示，可以在轉軸上端設置一組磁體組，在轉軸下端設置兩組磁體組，當然，磁體組的形式不唯一，這里不一一列舉。

具體的，在本實施例中，磁體組的材質(zhì)包括永磁鐵，即第一環(huán)形磁鐵、第二環(huán)形磁鐵、第三環(huán)形磁鐵的材質(zhì)均為永磁鐵，有利的為合金永磁鐵。更有利的，永磁鐵是釹鐵硼磁鐵，其具有儲存最大的磁能及穩(wěn)定的磁性等優(yōu)點。

綜上所述，根據(jù)本實用新型提供的基于陀螺效應的永磁懸浮軸承，其利用轉子高速旋轉時產(chǎn)生的陀螺力矩承受全永磁軸承系統(tǒng)的微量不平衡力矩和外力矩，使其在軸向和徑向均具有一定承載力，不依靠外部場提供能量，利用陀螺效應實現(xiàn)超低功耗的永磁懸浮軸承結構，而且轉子中磁鐵少于定子中磁鐵質(zhì)量，使轉子相對密度降低，可提高了裝置的能量密度，增加了單位磁鐵所能提供的負載能力。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。