基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的制作方法

本实用新型涉及机械零件技术领域，具体涉及一种轴承，更具体的涉及一种基于陀螺效应的永磁悬浮轴承。

背景技术：

目前，永磁悬浮轴承有径向和轴向两种，其结构是：径向悬浮轴承由大小不同的两个环形磁环组成，小磁环套在大磁环内，两环长短一样，均轴向充磁，方向相同，两环之间的斥力产生径向力，达到径向悬浮的效果；轴向悬浮轴承由大小相同的磁环组成，左右或上下同轴同心排列，均轴向充磁且方向相反，两环之间的斥力产生轴向力，起到轴向悬浮的作用。

1839年，英国科学家Samuel Earnshaw从理论上证明了在仅由永磁体构成的静磁场中磁体不可能在所有自由度上实现稳定平衡。因此，目前的永磁轴承若要实现稳定悬浮必须至少在一个自由度上依靠电磁轴承或超导磁悬浮轴承或抗磁性悬浮，否则无法完全悬浮。Earnshaw定理认为静态永磁悬浮不可能达到稳定平衡，而利用陀螺效应的磁悬浮陀螺，则证明当转速超过临界值，旋转体能够实现稳定的永磁悬浮。可见，陀螺效应与Earnshaw定理是可共存的。

有鉴于此，特提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的目的在于提出一种基于陀螺效应的永磁悬浮轴承。具体技术方案如下：

一种基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，包括转轴、对称安装在所述转轴两端的两组磁体组；所述磁体组包括固定在定子侧的第一环形磁铁、第二环形磁铁，以及固定在转子侧的第三环形磁铁；所述第一环形磁铁与所述第二环形磁铁上下间隔设置，所述第二环形磁铁与所述第三环形磁铁同轴同心设置，所述第二环形磁铁内径尺寸大于所述第三环形磁铁外径尺寸，所述第一环形磁铁与所述第三环形磁铁轴向排斥，所述第二环形磁铁与所述第三环形磁径向排斥。

根据本实用新型提供的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，其利用转子高速旋转时产生的陀螺力矩承受全永磁轴承系统的微量不平衡力矩和外力矩，使其在轴向和径向均具有一定承载力，旋转体转速高于临界转速时，可不依靠外部场提供能量，利用陀螺效应实现超低功耗的永磁悬浮。而且转子中磁铁少于定子中磁铁质量，使转子相对密度降低，可相对的提高装置的能量密度，且增加了单位磁铁所能提供的负载能力。

另外，根据本实用新型上述实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本实用新型的一个示例，还包括在定子与转子相接触时对装置进行保护的保护轴承，所述保护轴承安装在永磁悬浮轴承上和/或安装在定子与转子之间。

根据本实用新型的一个示例，所述保护轴承包括径向保护轴承和轴向保护轴承，所述径向保护轴承安装在所述第一环形磁铁的内圈，所述轴向保护轴承安装在定子侧和/或转子侧。

根据本实用新型的一个示例，所述第一环形磁铁与所述第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元的位置可互换。

根据本实用新型的一个示例，所述磁体组包括多个第一环形磁铁和第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元，所述第一环形磁铁和所述第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元交错间隔布设。

根据本实用新型的一个示例，所述磁体组包括一个第一环形磁铁和两组第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元，所述第一环形磁铁置于所述两组第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元之间。

根据本实用新型的一个示例，所述磁体组包括两个第一环形磁铁和一组第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元，所述第二环形磁铁、第三环形磁铁组成的单元置于所述两个第一环形磁铁之间。

根据本实用新型的一个示例，所述磁体组的材质包括永磁铁。

根据本实用新型的一个示例，所述永磁铁为合金永磁铁。

根据本实用新型的一个示例，所述第二环形磁铁与所述第三环形磁铁间隙配合。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构示意图；

图2为本实用新型另一种实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构示意图；

图3为本实用新型再一种实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构示意图；

图4为本实用新型再一种实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构示意图；

图5为本实用新型再一种实施例的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图来详细描述根据本实用新型的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承。

结合附图1-5所示，本实用新型提供了一种基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，其基本机构为转轴6、对称安装在转轴两端的两组磁体组，两组磁体组的结构相同，且关于转轴6的中心对称。

本实施例的磁体组的基础形式可以如图1和2所示，其包括固定在定子(图中未示出)侧的第一环形磁铁1、第二环形磁铁2，以及固定在转子(图中未示出)侧的第三环形磁铁3；第一环形磁铁1与第二环形磁铁2上下间隔设置，即第一环形磁铁1与第二环形磁铁2之间预留一定安装距离，第二环形磁铁2和第三环形磁铁3同轴同心设置，可以看成是将第二环形磁铁2套设在所述第三环形磁铁3外，第二环形磁铁2的内圈和第三环形磁铁3的外圈为间隙配合。

本实施例的第一环形磁铁1与第二环形磁铁2的相对位置可以如图1所示，第一环形磁铁1在第二环形磁铁2的外侧，也可以如图2所示，第一环形磁铁1在第二环形磁铁2的内侧，这里的“内、外”指的是距离转轴中心的近、远。也就是说第一环形磁铁1与第二环形磁铁2、第三环形磁铁3组成的单元的位置可互换。

本实施例的磁极分布和方向如图1和2所示(图中箭头为磁化方向)，第一环形磁铁1与第三环形磁铁3均轴向充磁且充磁方向相反，提供轴向排斥力，第二环形磁铁2与第三环形磁铁3均轴向充磁且充磁方向相同，提供径向排斥力。

本实施例基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，利用转子高速转动时产生的陀螺力矩来承受全永磁轴承系统的微量不平衡力矩和外力矩，转子超过最低临界转速后可以实现动态稳定悬浮，更适合于高速旋转机械支撑，在轴向和径向均具有一定承载力，可不依靠外部场提供能量实现稳定悬浮，在使用过程中减少了转子磁铁的疲劳损耗；提高了转子整体的容许拉伸强度与密度比，(磁铁密度比复合材料大，转子中磁铁少了，转子相对密度降低)；增加了单位磁铁所能提供的负载能力。

具体的，在本实施例中，还包括在定子与转子相接触时对装置进行保护的保护轴承，保护轴承安装在永磁悬浮轴承上和/或安装在定子与转子之间。保护轴承主要起在静止或启动时转子的支撑，或在高速运转时避免转子与定子意外相碰而造成的毁灭性破坏。转子旋转于临界转速以下时，径向保护轴承与轴接触。转子旋转至临界转速以上时，转子可通过陀螺效应实现悬浮，此时转子与保护轴承不接触，转子与定子间只存在空气阻力。在保证真空度的情况下，则转子旋转时几乎没有轴承带来的能量损耗。

具体的，在本实施例中，如图1所示，保护轴承包括径向保护轴承4和轴向保护轴承5，径向保护轴承4安装在第一环形磁铁1的内圈，轴向保护轴承5安装在定子侧和/或转子侧，当然保护轴承在图示中的位置仅仅是一个示例，只要保护轴承的安装位置能够起到上述的作用，其可以安装在任意位置，这里不过多赘述。

具体的，在本实施例中，基于陀螺效应的永磁悬浮轴承的结构形式不唯一，除了图1和图2的两种结构外，还可以如图3，磁体组包括一个第一环形磁铁1和两组第二环形磁铁2、第三环形磁铁3组成的单元，第一环形磁铁1置于两组第二环形磁铁2、第三环形磁铁3组成的单元之间。再例如，如图4所示，磁体组还可以包括两个第一环形磁铁1和一组第二环形磁铁2、第三环形磁铁3组成的单元，第二环形磁铁2、第三环形磁铁3组成的单元置于两个第一环形磁铁1之间，本实施例的永磁悬浮轴承的结构形式根据负载情况的不同可以做出多种结构上的调整，如图5所示，可以在转轴上端设置一组磁体组，在转轴下端设置两组磁体组，当然，磁体组的形式不唯一，这里不一一列举。

具体的，在本实施例中，磁体组的材质包括永磁铁，即第一环形磁铁、第二环形磁铁、第三环形磁铁的材质均为永磁铁，有利的为合金永磁铁。更有利的，永磁铁是钕铁硼磁铁，其具有储存最大的磁能及稳定的磁性等优点。

综上所述，根据本实用新型提供的基于陀螺效应的永磁悬浮轴承，其利用转子高速旋转时产生的陀螺力矩承受全永磁轴承系统的微量不平衡力矩和外力矩，使其在轴向和径向均具有一定承载力，不依靠外部场提供能量，利用陀螺效应实现超低功耗的永磁悬浮轴承结构，而且转子中磁铁少于定子中磁铁质量，使转子相对密度降低，可提高了装置的能量密度，增加了单位磁铁所能提供的负载能力。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，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触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。