一种具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承的制作方法

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承，特别是一种具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，可用于电机、机床、磁悬浮平台等机械设备中旋转部件的无接触支承。

背景技术：

相比于主动式磁轴承，被动磁轴承只通过永磁场实现转子悬浮支承，不需要控制系统，易受外界干扰力在轴向上产生位移震荡。因此，被动磁轴承需要较大的刚度以实现对转子悬浮支承，同时需要较大的阻尼抑制外界扰动产生的振动。中国专利200510011689.9提出了具有阻尼作用的被动式轴向磁悬浮轴承，刚度较低，轴向尺寸较大。中国专利201710260008.5提出了具有阻尼作用的halbach永磁被动式轴向磁悬浮轴承，采用halbach永磁阵列提高了支承刚度，但径向尺寸较大。上述两种专利将被动磁轴承和阻尼器融为一体，减小了系统体积重量，但未能充分利用永磁体所产生的磁通，所设计的磁路不形成闭合，漏磁较多，支承刚度和阻尼优势未能得到发挥。中国专利201110276772.4提出了具有被动阻尼作用的永磁被动式轴向磁悬浮轴承，采用转子多凸齿结构和多圈永磁体以增大磁场，同时形成了闭合回路，但用于阻尼的永磁体为内侧单边放置，用于产生支承力的永磁体为外侧单边放置，导致整个回路磁阻较大，削弱了气隙磁场强度，不利于高刚度和大阻尼的实现。

中国专利201810581209.x提出了一种高刚度高阻尼的轴向被动磁轴承和中国专利201810581208.5提出了一种磁路解耦的高刚度高阻尼轴向被动磁轴承，但在其轴向和径向上存在较大的寄生力，是转子产生振动的主要来源之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，设计了halbach聚磁环组件并将其安装在主磁环组件表面，在提高支承刚度和阻尼的同时，有效抑制了寄生力造成的干扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，主要由定子系统和转子系统组成，定子系统主要包括：外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母、固定座、外安装套锁母、内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件、内组件锁母和内安装套锁母；转子系统主要包括：转子、外下阻尼套、转子外中顺磁环、外上阻尼套、转子外上顺磁环、内下阻尼套、转子内中顺磁环、内上阻尼套和转子内上顺磁环；外安装套位于外主磁环组件和外halbach聚磁环组件的径向外侧，外主磁环组件位于外安装套的径向内侧，外halbach聚磁环组件位于外主磁环组件的径向内侧，外主磁环组件和外halbach聚磁环组件通过外组件锁母与外安装套之间的螺纹配合固定安装在外安装套上，外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件和外组件锁母位于固定座环形槽外壁径向内侧，内安装套位于内主磁环组件和内halbach聚磁环组件的径向内侧，内主磁环组件位于内安装套的径向外侧，内halbach聚磁环组件位于内主磁环组件的径向外侧，内主磁环组件和内halbach聚磁环组件通过内组件锁母与内安装套之间的螺纹配合固定安装在内安装套上，内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件位于固定座环形槽内壁径向外侧，并通过内组件锁母和固定座之间的螺纹配合固定安装在固定座上，转子位于外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母和外安装套锁母的径向内侧，外下阻尼套位于转子的径向外侧，转子外中顺磁环位于外下阻尼套的轴向上端，外上阻尼套位于转子外中顺磁环的轴向上端，转子外上顺磁环位于外上阻尼套的轴向上端，并通过与转子之间的螺纹配合固定安装在转子上，内下阻尼套位于转子的径向内侧，转子内中导磁环位于内下阻尼套的轴向上端，内上阻尼套位于转子内中导磁环的轴向上端，转子内上顺磁环位于内上阻尼套的轴向上端，并通过与转子之间的螺纹配合固定安装在转子上。外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母和外安装套锁母的径向内侧与内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件、内组件锁母和内安装套锁母的径向外侧之间形成空气气隙。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，提出了halbach聚磁环组件并将其安装在主磁环组件表面，提高了气隙磁场强度，并抑制了轴向磁密扩散以及轴向磁密波动，结合多凸台转子结构，有效提高了被动磁轴承的支承刚度和阻尼，并抑制了寄生力造成的干扰。此外，实现转子轴向支承和产生阻尼力的磁通处于同一个气隙磁场内，减小了磁轴承的体积质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承的径向x向剖视图；

图2为本发明实施例提供的具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承的径向y向剖视图；

图3为本发明实施例中的定子系统的剖视图；

图4为本发明实施例中的转子系统的剖视图；

图5为本发明实施例中的外主磁环组件剖视图；

图6为本发明实施例中的内主磁环组件剖视图；

图7为本发明实施例中的外halbach聚磁环组件剖视图；

图8为本发明实施例中的内halbach聚磁环组件剖视图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，其较佳的具体实施方式是：

主要由定子系统和转子系统组成，定子系统主要包括：外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母、固定座、外安装套锁母、内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件、内组件锁母和内安装套锁母；转子系统主要包括：转子、外下阻尼套、转子外中顺磁环、外上阻尼套、转子外上顺磁环、内下阻尼套、转子内中顺磁环、内上阻尼套和转子内上顺磁环；外安装套位于外主磁环组件和外halbach聚磁环组件的径向外侧，外主磁环组件位于外安装套的径向内侧，外halbach聚磁环组件位于外主磁环组件的径向内侧，外主磁环组件和外halbach聚磁环组件通过外组件锁母与外安装套之间的螺纹配合固定安装在外安装套上，外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件和外组件锁母位于固定座环形槽外壁径向内侧，内安装套位于内主磁环组件和内halbach聚磁环组件的径向内侧，内主磁环组件位于内安装套的径向外侧，内halbach聚磁环组件位于内主磁环组件的径向外侧，内主磁环组件和内halbach聚磁环组件通过内组件锁母与内安装套之间的螺纹配合固定安装在内安装套上，内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件位于固定座环形槽内壁径向外侧，并通过内组件锁母和固定座之间的螺纹配合固定安装在固定座上，转子位于外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母和外安装套锁母的径向内侧，外下阻尼套位于转子的径向外侧，转子外中顺磁环位于外下阻尼套的轴向上端，外上阻尼套位于转子外中顺磁环的轴向上端，转子外上顺磁环位于外上阻尼套的轴向上端，并通过与转子之间的螺纹配合固定安装在转子上，内下阻尼套位于转子的径向内侧，转子内中导磁环位于内下阻尼套的轴向上端，内上阻尼套位于转子内中导磁环的轴向上端，转子内上顺磁环位于内上阻尼套的轴向上端，并通过与转子之间的螺纹配合固定安装在转子上。外安装套、外主磁环组件、外halbach聚磁环组件、外组件锁母和外安装套锁母的径向内侧与内安装套、内主磁环组件、内halbach聚磁环组件、内组件锁母和内安装套锁母的径向外侧之间形成空气气隙。

所述的外主磁环组件主要包括外导磁环、外上隔磁环、外下隔磁环、外上径向充磁磁钢、外中径向充磁磁钢、外下径向充磁磁钢、外中上隔磁环和外中下隔磁环。外导磁环位于外安装套径向内侧中心位置，外上隔磁环和外下隔磁环分别位于外导磁环的轴向上端和轴向下端位置，外上径向充磁磁钢、外中径向充磁磁钢和外下径向充磁磁钢分别位于外导磁环的径向内侧上端、径向内侧中部和径向内侧下端，中上顺磁环和中下隔磁环分别位于外中径向充磁磁钢的轴向上端和轴向下端。所述的内主磁环组件主要包括内导磁环、内上隔磁环、内下隔磁环、外上径向充磁磁钢、内中径向充磁磁钢、内下径向充磁磁钢、内中上顺磁环和内中下隔磁环。内导磁环位于内安装套径向内侧中心位置，内上隔磁环和内下隔磁环分别位于内导磁环的轴向上端和轴向下端位置，内上径向充磁磁钢、内中径向充磁磁钢和内下径向充磁磁钢分别位于内导磁环的径向内侧上端、径向内侧中部和径向内侧下端，内中上顺磁环和内中下隔磁环分别位于外中径向充磁磁钢的轴向上端和轴向下端。所述的外halbach聚磁环组件主要包括外上halbach磁钢阵列、外中上halbach磁钢阵列、外中下halbach磁钢阵列、外下halbach磁钢阵列、外上顺磁环、外中顺磁环和外下顺磁环。外上halbach磁钢阵列位于外上隔磁环的径向内侧，外中上halbach磁钢阵列位于外中上隔磁环的径向内侧，外中下halbach磁钢阵列位于外中下隔磁环的径向内侧，外下halbach磁钢阵列位于外下隔磁环的径向内侧，外上顺磁环位于外中上halbach磁钢阵列的轴向上端，外中顺磁环位于外中上halbach磁钢阵列的轴向下端，外下顺磁环位于外中下halbach磁钢阵列的轴向下端。所述的内halbach聚磁环组件主要包括内上halbach磁钢阵列、内中上halbach磁钢阵列、内中下halbach磁钢阵列、内下halbach磁钢阵列、内上顺磁环、内中顺磁环和内下顺磁环。内上halbach磁钢阵列位于内上隔磁环的径向内侧，外中上halbach磁钢阵列位于内中上隔磁环的径向内侧，内中下halbach磁钢阵列位于内中下隔磁环的径向内侧，内下halbach磁钢阵列位于内下隔磁环的径向内侧，内上顺磁环位于内中上halbach磁钢阵列的轴向上端，内中顺磁环位于内中上halbach磁钢阵列的轴向下端，内下顺磁环位于内中下halbach磁钢阵列的轴向下端。外上顺磁环、内上顺磁环、转子外上顺磁环和转子内上顺磁环的轴向厚度相等且对齐，外中上halbach磁钢阵列、内中上halbach磁钢阵列、外上阻尼套和内上阻尼套的轴向厚度相等且对齐，外中顺磁环、内中顺磁环、转子外中顺磁环、转子内中顺磁环的轴向厚度相等且对齐，外中下halbach磁钢阵列、内中下halbach磁钢阵列、外下阻尼套和内下阻尼套的轴向厚度相等且对齐，外下顺磁环、内下顺磁环、转子下端凸台的轴向厚度相等且对齐。外导磁环、外上顺磁环、外中顺磁环和外下顺磁环、转子、内导磁环、内上顺磁环、内中顺磁环和内下顺磁环均为导磁性能良好的材料，具体为1j50或1j22材料制成。外下阻尼套、外上阻尼套、内下阻尼套和内上阻尼套采用导电性能良好但导磁性能较差的材料制成，具体为铝或铜。

上述方案的原理是：

具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，主磁环组件产生的磁通经过halbach聚磁环后，与转子凸台产生轴向作用力，当转子受到干扰产生轴向位移后，halbach聚磁环与与转子上的凸齿之间产生与外部干扰力方向相反的轴向力，使得转子系统反方向位移，保持转子系统轴向稳定。当转子系统轴向振动时，阻尼套受到变化的磁通，并产生阻尼电流，阻止转子系统振动，使转子系统恢复到稳定状态。本发明的上辅助磁路为：上辅助磁通从外上halbach磁钢阵列的n极出发，经过外上顺磁环、气隙、转子外上顺磁环、转子、转子内上顺磁环和内上顺磁环到达内上halbach磁钢阵列的s极，从内上halbach磁钢阵列的s极流出，经过内安装套、气隙和外安装套回到外上halbach磁钢阵列的s极；下辅助磁路为：下辅助磁通从外下halbach磁钢阵列的n极出发，经过外下顺磁环、气隙、转子下端凸台和内下顺磁环到达内下halbach磁钢阵列的s极，从内下halbach磁钢阵列的n极流出，经过内组件锁母、气隙、转子和外组件锁母回到外下halbach磁钢阵列的s极；中上主磁路为：中上主磁通从外上径向充磁磁钢的n极出发，经过外上顺磁环、转子、转子内上顺磁环和内上顺磁环到达内上径向充磁磁钢的s极，从内上径向充磁磁钢的n极流出，经过内导磁环到达内中径向充磁磁钢的s极，从内中径向充磁磁钢的n极流出，经过内中顺磁环、气隙、转子内中顺磁环、转子、转子外中顺磁环、外中顺磁环到达外中径向充磁磁钢的s极，从外中径向充磁磁钢的n极流出，经过外导磁环回到外上径向充磁磁钢的s极；中下主磁路为：中下主磁通从外下径向充磁磁钢的n极出发，经过外下顺磁环、气隙、转子下端凸台和内下顺磁环到达内下径向充磁磁钢的s极，从内下径向充磁磁钢的n极流出，经过内导磁环到达内中径向充磁磁钢的s极，从内中径向充磁磁钢的n极流出，经过内中顺磁环、气隙、转子内中顺磁环、转子、转子外中顺磁环、外中顺磁环到达外中径向充磁磁钢的s极，从外中径向充磁磁钢的n极流出，经过外导磁环回到外下径向充磁磁钢的s极。

具体实施例：

如图1、2所示，一种具有halbach聚磁环的高刚度大阻尼轴向被动磁轴承，主要由定子系统和转子系统组成，其特征在于，定子系统主要包括：外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3、外组件锁母4、固定座5、外安装套锁母6、内安装套7、内主磁环组件8、内halbach聚磁环组件9、内组件锁母10和内安装套锁母11；转子系统主要包括：转子12、外下阻尼套13、转子外中顺磁环14、外上阻尼套15、转子外上顺磁环16、内下阻尼套17、转子内中顺磁环18、内上阻尼套19和转子内上顺磁环20；外安装套1位于外主磁环组件2和外halbach聚磁环组件3的径向外侧，外主磁环组件2位于外安装套1的径向内侧，外halbach聚磁环组件3位于外主磁环组件2的径向内侧，外主磁环组件2和外halbach聚磁环组件3通过外组件锁母4与外安装套1之间的螺纹配合固定安装在外安装套1上，外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3和外组件锁母4位于固定座5环形槽外壁径向内侧，内安装套7位于内主磁环组件8和内halbach聚磁环组件9的径向内侧，内主磁环组件8位于内安装套7的径向外侧，内halbach聚磁环组件9位于内主磁环组件8的径向外侧，内主磁环组件8和内halbach聚磁环组件9通过内组件锁母10与内安装套7之间的螺纹配合固定安装在内安装套7上，内安装套7、内主磁环组件8、内halbach聚磁环组件9位于固定座5环形槽内壁径向外侧，并通过内组件锁母10和固定座5之间的螺纹配合固定安装在固定座5上，转子12位于外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3、外组件锁母4和外安装套锁母6的径向内侧，外下阻尼套13位于转子12的径向外侧，转子外中顺磁环14位于外下阻尼套13的轴向上端，外上阻尼套15位于转子外中顺磁环14的轴向上端，转子外上顺磁环16位于外上阻尼套15的轴向上端，并通过与转子12之间的螺纹配合固定安装在转子12上，内下阻尼套17位于转子12的径向内侧，转子内中导磁环18位于内下阻尼套17的轴向上端，内上阻尼套19位于转子内中导磁环18的轴向上端，转子内上顺磁环20位于内上阻尼套19的轴向上端，并通过与转子12之间的螺纹配合固定安装在转子12上。外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3、外组件锁母4和外安装套锁母6的径向内侧与内安装套7、内主磁环组件8、内halbach聚磁环组件9、内组件锁母10和内安装套锁母11的径向外侧之间形成空气气隙。

图3为本发明技术解决方案的定子系统的剖视图，定子系统主要包括：定子系统主要包括：外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3、外组件锁母4、固定座5、外安装套锁母6、内安装套7、内主磁环组件8、内halbach聚磁环组件9、内组件锁母10和内安装套锁母11；转子系统主要包括：转子12、外下阻尼套13、转子外中顺磁环14、外上阻尼套15、转子外上顺磁环16、内下阻尼套17、转子内中顺磁环18、内上阻尼套19和转子内上顺磁环20；外安装套1位于外主磁环组件2和外halbach聚磁环组件3的径向外侧，外主磁环组件2位于外安装套1的径向内侧，外halbach聚磁环组件3位于外主磁环组件2的径向内侧，外主磁环组件2和外halbach聚磁环组件3通过外组件锁母4与外安装套1之间的螺纹配合固定安装在外安装套1上，外安装套1、外主磁环组件2、外halbach聚磁环组件3和外组件锁母4位于固定座5环形槽外壁径向内侧，内安装套7位于内主磁环组件8和内halbach聚磁环组件9的径向内侧，内主磁环组件8位于内安装套7的径向外侧，内halbach聚磁环组件9位于内主磁环组件8的径向外侧，内主磁环组件8和内halbach聚磁环组件9通过内组件锁母10与内安装套7之间的螺纹配合固定安装在内安装套7上，内安装套7、内主磁环组件8、内halbach聚磁环组件9位于固定座5环形槽内壁径向外侧，并通过内组件锁母10和固定座5之间的螺纹配合固定安装在固定座5上。

图4为本发明技术解决方案的转子系统的剖视图，转子系统主要包括：转子12、外下阻尼套13、转子外中顺磁环14、外上阻尼套15、转子外上顺磁环16、内下阻尼套17、转子内中顺磁环18、内上阻尼套19和转子内上顺磁环20。

图5为本发明技术解决方案的外主磁环组件，主要包括：外主磁环组件2主要包括外导磁环201、外上隔磁环202a、外下隔磁环202b、外上径向充磁磁钢203a、外中径向充磁磁钢203b、外下径向充磁磁钢203c、外中上隔磁环204a和外中下隔磁环204b。外导磁环201位于外安装套1径向内侧中心位置，外上隔磁环202a和外下隔磁环202b分别位于外导磁环201的轴向上端和轴向下端位置，外上径向充磁磁钢203a、外中径向充磁磁钢203b和外下径向充磁磁钢203c分别位于外导磁环201的径向内侧上端、径向内侧中部和径向内侧下端，中上顺磁环204a和中下隔磁环204b分别位于外中径向充磁磁钢203b的轴向上端和轴向下端。

图6为本发明技术解决方案的内主磁环组件，主要包括：内导磁环801、内上隔磁环802a、内下隔磁环802b、外上径向充磁磁钢803a、内中径向充磁磁钢803b、内下径向充磁磁钢803c、内中上顺磁环804a和内中下隔磁环804b。内导磁环801位于内安装套7径向内侧中心位置，内上隔磁环802a和内下隔磁环802b分别位于内导磁环801的轴向上端和轴向下端位置，内上径向充磁磁钢803a、内中径向充磁磁钢803b和内下径向充磁磁钢803c分别位于内导磁环801的径向内侧上端、径向内侧中部和径向内侧下端，内中上顺磁环804a和内中下隔磁环804b分别位于外中径向充磁磁钢803b的轴向上端和轴向下端。

图7为本发明技术解决方案的外halbach聚磁环组件，主要包括：外上halbach磁钢阵列301a、外中上halbach磁钢阵列301b、外中下halbach磁钢阵列301c、外下halbach磁钢阵列301d、外上顺磁环302a、外中顺磁环302b和外下顺磁环302c。外上halbach磁钢阵列301a位于外上隔磁环202a的径向内侧，外中上halbach磁钢阵列301b位于外中上隔磁环204a的径向内侧，外中下halbach磁钢阵列301c位于外中下隔磁环204b的径向内侧，外下halbach磁钢阵列301d位于外下隔磁环202b的径向内侧，外上顺磁环302a位于外中上halbach磁钢阵列301b的轴向上端，外中顺磁环302b位于外中上halbach磁钢阵列301b的轴向下端，外下顺磁环302c位于外中下halbach磁钢阵列301c的轴向下端。

图8为本发明技术解决方案的内halbach聚磁环组件，主要包括：内上halbach磁钢阵列901a、内中上halbach磁钢阵列901b、内中下halbach磁钢阵列901c、内下halbach磁钢阵列901d、内上顺磁环902a、内中顺磁环902b和内下顺磁环902c。内上halbach磁钢阵列901a位于内上隔磁环802a的径向内侧，外中上halbach磁钢阵列901b位于内中上隔磁环804a的径向内侧，内中下halbach磁钢阵列301c位于内中下隔磁环804b的径向内侧，内下halbach磁钢阵列901d位于内下隔磁环802b的径向内侧，内上顺磁环902a位于内中上halbach磁钢阵列901b的轴向上端，内中顺磁环902b位于内中上halbach磁钢阵列901b的轴向下端，内下顺磁环902c位于内中下halbach磁钢阵列901c的轴向下端。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。