专利名称：推力径向双向磁悬浮轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁路理论和轴承技术，具体讲是提供一种推力径向双向磁悬浮轴承。
背景技术：
现有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，均无法回避由于机械摩擦而产生的各类问题，首先是能量的损耗浪费，其次是由于温度的升高而损坏轴承，第三是由于摩擦摩损而需要经常检修和更换轴承。为了解决这些问题，多年来，人们为此而进行了不懈的努力，采用减少摩擦面、采用润滑油润滑、水冷却降温等措施，这些众多措施虽也收到了一定的成效，但并不能从根本上解决问题，原因在于人们采用的这些措施均是以轴承机械接触摩擦为依托。近年来已有人认识到应改变过去的研究思路，采用非机械接触方式设计制造轴承，即磁悬浮轴承，这种新的实践尝试的设计思路虽然应该肯定，但是，目前的设计技术依然存在着一些问题，主要表现在有的设计没有考虑到轴承所必须具备的承载力及承载力变化的随机性、刚度、稳定性和阻尼等技术指标，使其没有使用价值，有的设计虽然考虑了以上技术指标，但附属部件较多，一般需在轴承上加有支点或加有电磁控设备，由此也带来一些新的问题，其实用性同样受到了质疑。
本发明的目的是针对现有机械轴承和磁悬浮轴承在技术上存在的上述缺陷，提供一种即不需要机械摩擦、增设附属部件，又能满足轴承各种性能要求的推力径向双向磁悬浮轴承。
本发明是这样实现的在一个装置内，设置有上下两个转子，一个定子。上转子是一个水平放置的半圆球形旋转体，下转子是一个水平放置的椭圆形旋转体。定子是一个与上、下转子相互协调配套的固定不动的长方体。上、下转子均和旋转主轴固定连接在一起，通过在上、下转子和定子上镶嵌永磁性物体，使上、下转子及定子周围均产生多个满足设计要求的空间分布磁场，这些空间分布磁场相互作用，并由此可以产生轴向和径向磁力，其轴向和径向磁力的大小及方向和旋转主轴上所受到的机械外力密切相关，当旋转主轴正常工作时，由空间分布磁场产生的轴向和径向磁力正好和旋转主轴上的机械轴向力及径向力大小相等，方向相反，当旋转主轴停止工作处于静止状态时，旋转主轴的机械径向力和轴向力变小或消失。随着旋转主轴上各种机械力的变化，自动调整各种悬浮磁力与之相对抗平衡是实现磁悬浮轴承正常稳定运行的基本要求。
该发明具有一定的新颖性，具体体现在在申请日以前没有同样的发明或者实用新型，在国内外出版物上公开发表过，在国内外公开使用过或者以其它方式为公众所知，也没有同样的发明或实用新型由他人向专利局提出过申请并且记载在申请日以后公布的专利申请文件中。
该发明也具有一定的创造性，具体体现在在申请日以前，国内外应用中的轴承基本是以机械摩擦技术为依托的轴承，其能量的损耗浪费问题，摩擦摩损而需要经常检修和更换轴承的问题始终是不能回避的现实问题，国内外研究设计中的磁悬浮轴承由于没有考虑到轴承所必须具备的承载力及承载力变化的随机性、刚度、稳定性和阻尼等技术指标，使其没有使用价值，有的设计虽然考虑了以上技术指标，但附属部件较多，一般需在轴承上加有支点或加有电磁控设备，由此也带来一些新的问题，其实用性同样受到了质疑。该发明提供一种即不需要机械摩擦、增设附属部件，又能满足轴承各种性能要求的推力径向双向磁悬浮轴，该发明从根本上改变了传统机械轴承的核心技术，也对国内外研究设计中的磁悬浮轴承进行了实质性改进，和目前国内外各类轴承技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
该发明也具有一定的实用性，具体体现在该发明能够制造或者使用，并且能够产生以下积极有益的效果(1)该发明由于使轴承的转动部分和固定部分之间处于磁悬浮状态，无机械摩擦和磨损，从根本上消除了传统机械轴承由于机械摩擦和磨损而带来的各种问题。
(2)该发明可使轴承功率消耗大幅下降，不需润滑、冷却等维护。
(3)该发明具有推力和径向双向磁悬浮功能，解决了传统机械轴承功能单一问题。
(4)该发明结构简单，制造容易，维修方便。
(5)该发明不仅比传统机械轴承具有更高的安全可靠性，而且可使轴承的使用寿命大幅度提提高。
(6)该发明不需要附属部件、不需要电磁控制设备，具有很强的运行稳定性和磁力自动调整性。
(7)该发明可用于各种机械中，尤其是适用于轴向力较大的立式水泵、立式水轮机、立式汽轮机和立式发电机等机械中。
图1是本发明的一实施例正面剖视图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的A-A剖视图。
图中，1.上转子基体 2.上转子永磁性半球面磁体 3.旋转主轴4.卡环 5.卡箍 6.螺钉 7.直键 8.定子基体 9.定子上永磁性半球面磁体 10.下转子基体 11.下转子永磁性椭圆球面磁体 12.定子下永磁性椭圆球面磁体 13.机架 14.螺钉 15.耳柄 16.螺栓孔具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在图1、图2、图3中，上转子基体(1)是由导磁材料制作而成，为半球体形状，上转子永磁性半球面体(2)是由永磁性材料制作而成，为半圆球面体，上面为N极，下面为S极，它通过粘连方法和上转子基体(1)连接固定在一起，二者形成为一个可旋转整体部件。在本发明中将此可旋转的整体部件命名为上转子，上转子首先具有推力轴承推力头的作用，它通过卡环(4)与旋转主轴(3)连接在一起，并通过直键(7)进行扭矩传递，使上转子和旋转主轴(3)一起旋转；上转子第二个作用是增加旋转主轴(3)的转动惯量，使其旋转具有一定的稳定性；上转子第三个作用是形成一个空间分布的永久磁场，并和定子一起形成悬浮磁力。旋转主轴(3)是机械设备的旋转主轴，该规格尺寸已标准化，本发明的规格尺寸应和旋转主轴(3)的标准规格相匹配。卡环(4)是由钢板切割制作而成，为圆环形状，把它装在旋转主轴(3)的平行环键槽内，其作用就是使上转子和旋转主轴(3)在轴向进行连接固定。卡箍(5)是由钢板切割制作而成，为圆环形状，它套在卡环(4)的外面，通过螺钉(6)和上转子固定在一起，其作用是防止卡环(4)退出。螺钉(6)是标准件，其作用是将卡箍(5)和上转子连接固定在一起。直键(7)是由钢板制作而成，为长方体，把它放在旋转主轴(3)轴向条形键槽内，其作用是将旋转主轴(3)的转矩传递给上转子，使上转子随旋转主轴(3)一起旋转。定子基体(8)是由导磁性材料制作而成，外形为圆柱体形状，为轴承固定不动部分，为了便于检修和安装，分为前后两部分，它通过螺钉(14)和机架(15)连接固定在一起，该定子基体(8)的水平及轴向放置固定位置可以通过螺钉(14)的松紧进行调整。定子基体(8)的作用是一方面为定子永磁性磁体提供支撑、提供空间磁路；另一方面通过上、下转子接受旋转主轴(3)的轴向力和径向力，并将轴向力和径向力传递到机架(13)上。定子上永磁性半球面磁体(9)是由永磁性材料制作而成，为半圆球面体，上面为S极，下面为N极，该半球面磁体分为两部分，以方便检修安装，它通过粘连方法和定子基体(8)连接固定在一起，它的作用是形成一个空间分布的永久磁场，并和上转子一起产生悬浮磁力。下转子基体(10)是由导磁性材料制作而成，为椭圆球体，中心有一圆孔，将旋转主轴(3)穿进该圆孔，并用环氧树脂粘合牢固，使主轴和下转子基体成为一体。下转子永磁性椭圆球面磁体(11)是由永久磁性材料制作而成，为椭圆球面体，它的里面为N极，外面为S极，它通过粘连方法和下转子基体(10)连接在一起，二者形成一个可旋转的整体部件，该整体部件称为下转子。下转子具有两个方面的作用，第一方面是进一步增加旋转主轴(3)的转动惯量，进一步增强旋转主轴(3)的运行稳定性；第二方面是形成一个空间分布的永久磁场，并和定子一起产生悬浮磁力。定子下永磁性椭圆球面磁体(12)是由永久磁性材料制作而成，为椭圆球面体，里面为S极，外面为N极，为了便于检修和安装，将该椭圆球面体分为两部分，它通过粘连的方法和定子基体(8)连接固定在一起，该椭圆球面磁体的作用就是形成一个空间分布的永久磁场，并和下转子一起产生悬浮磁力。机架(13)是由钢板切割制作而成，为矩形形状，它和机器设备焊接固定在一起，它的作用是承受轴承上的各种机械力，并传递到机器设备的基础上。螺钉(14)为标准件，其作用是将定子基体(8)连接固定在机架(13)上，并通过其松紧调整定子基体(8)的水平及轴向的放置固定位置。耳柄(15)是由钢板切割加工而成，为一矩形条，它和定子基体(8)焊接在一起，其作用是通过螺栓将定子基体(8)的前后两部分连接固定在一起。螺栓孔(16)是一螺栓孔，它通过螺栓的紧固使定子基体(8)的前后两部分连接固定在一起。
该发明的工作原理是这样的图1所示为立式机械设备正常工作状态，也是额定工况，这时沿旋转主轴(3)有一个向下的设计轴向机械力P机N，径向力是随机产生的。对于一般的正常运行立式机械设备来说，该轴向机械力P机也是变化的，当负荷增大时，向下轴向机械力P机＞P机N，当负荷减小时，向下轴向机械力P机＜P机N。使该发明随着轴向机械力P机的变化而变化轴向悬浮磁力，随着径向机械力的随机产生而产生径向悬浮磁力，并平衡或消除轴向机械力和径向机械力，是保证机械设备正常工作运行的基本要求。该发明的上转子和定子所产生的悬浮磁力主要是用来平衡或消除旋转主轴(3)上的向下轴向机械力P机，其次是用来平衡或消除旋转主轴(3)上的随机径向力，以保证旋转主轴(3)的轴向径向稳定；下转子和定子所产生的悬浮磁力主要用来平衡或消除旋转主轴(3)上的随机径向力，其次是平衡或消除向下向上轴向力，以进一步保证旋转主轴(3)的轴向径向稳定。上、下转子和定子所产生的分布悬浮磁力p1、p2，不仅和永久磁体的磁强有关，而且还和转子和定子两永久磁体之间的间隙有关，在该发明中由于采用各处等磁强的永久磁体，所以上、下转子和定子所产生的分布的悬浮磁力p1、p2，只随转子和定子两永久磁体之间的间隙而变化，间隙增大，p1、p2随之减小，间隙减小，p1、p2随之增大。当机械设备在额定状态下运行时，即图1中所示状态，对于上转子和定子来说，两永久磁体之间的间隙均相等，由于两永久磁体为半圆球面形状，沿永久磁体的半圆球分布的p1均相等，由于该永久磁体的对称性，由所有的p1所形成的悬浮磁力合力在轴向上的分力为p1磁，在径向上的分力为零，而这时p1磁＝P机N。对于下转子和定子来说，两永久磁体之间的间隙也均相等，由于分布的悬浮磁力p2均相等，并且考虑到在沿永久磁体的椭圆球面分布上的对称性，由p2所形成的悬浮磁力合力在轴向、径向上的分力均为零。由此可见，这时的轴向总的悬浮磁力和轴向机械力、径向总的悬浮磁力和径向机械力均是相等平衡的。当机械设备的向下轴向力P机＞P机N时，旋转主轴会向下进行微小移动，这时的上转子和定子之间下部间隙减小，就是由于下部间隙减小，作用在上转子上的分布悬浮磁力p1在沿永久磁体的半圆球下部会大幅增加，其悬浮磁力合力在轴向上的分力p1磁也要大幅增加，在径向上的分力依然为零。在同时，下转子和定子之间的下部间隙减小，上部间隙增加，这样，由于下部分分布的悬浮磁力p2增大，上部分分布的悬浮磁力p2减小，致使作用在下转子上的悬浮磁力合力在轴向上的分力p2磁大幅度增大。因此，旋转主轴(3)在轴向机械力的作用下，向下的微小移动，即可使该发明轴向悬浮磁力迅速大幅增大，以消除或平衡旋转主轴(3)的轴向机械力，这时P机＝P1磁+P2磁。同样道理，主轴向上的微小移动，即可使该发明轴向悬浮磁力迅速减小，以保持轴向悬浮磁力和轴向机械力的平衡。由此可见，不管作用在旋转主轴(3)上的轴向机械力P机如何变化，该发明均能在机械设备工作运行时，所允许其主轴轴向上下移动的范围内，使轴向悬浮磁力和轴向机械力达到平衡，该发明在该方面具备良好的自动平衡性能。该发明不仅在轴向方向有着很强的自平衡稳定性，而且在径向方向同样有着很强的自平衡稳定性。当旋转主轴(3)在受到某种径向机械力作用时，主轴向某一径向方向偏移，这时由于上、下转子和定子间偏移侧间隙减小，另一侧间隙增大，而在上、下转子上迅速产生两个径向悬浮磁力和前述径向机械力相平衡，以保持旋转主轴(3)径向的稳定性。
权利要求
1.一种推力径向双向磁悬浮轴承，其特征在于在一个装置里，设置有上转子、下转子和定子部件，上转子和下转子均和旋转主轴连接固定并随其旋转，定子为固定不动部件，同时和上转子、下转子相匹配。
2.根据权利要求1所述推力径向双向磁悬浮轴承，其特征在于上转子由上转子基体和上转子永磁性半球面磁体所组成。
3.根据权利要求1所述推力径向双向磁悬浮轴承，其特征在于下转子由下转子基体和下转子永磁性椭圆球面磁体所组成。
4.根据权利要求1所述推力径向双向磁悬浮轴承，其特征在于定子是由定子基体和定子上永磁性半球面磁体、定子下永磁性椭圆球面磁体所组成，定子水平径向放置固定位置可以通过和机架连接的螺钉进行调整。
5.根据权利要求2所述上转子基体和上转子永磁性半圆球面磁体，其特征在于上转子基体是半圆球形导磁体，上转子永磁性半球面磁体是半圆球面形永磁体。
6.根据权利要求3所述下转子基体和下转子永磁性椭圆球面磁体，其特征在于下转子基体是椭圆球形导磁体，下转子永磁性椭圆球面磁体是椭圆球面形永磁体。
7.根据权利要求4所述定子基体和定子上永磁性半球面磁体、定子下永磁性椭圆球面磁体，其特征在于定子基体是长方体形导磁体，定子上永磁性半球面磁体是半圆球面形永磁体，定子下永磁性椭圆球面磁体是椭圆球面形永磁体。
全文摘要
本发明是针对现有机械轴承和磁悬浮轴承在技术上存在的缺陷，提供一种既不需要机械摩擦、增设附属部件，又能满足轴承各种性能要求的推力径向双向磁悬浮轴承。该发明可用于各种机械中，尤其是适用于轴向力较大的立式水泵、立式水轮机、立式汽轮机和立式发电机等机械中。
文档编号F03B11/00GK1760560SQ20051009887
公开日2006年4月19日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者路金喜, 路新利, 杜贵荣, 董淑惠, 陈建起 申请人:河北农业大学