一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承的制作方法

本发明涉及全永磁磁悬浮轴承，具体涉及一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承。

背景技术：

1、磁悬浮研究起源于永磁材料的出现，人们发现，永磁斥力或吸力可以实现轴承某几个自由度的定向自主稳定（也称波动稳定），即可以实现自我斥力或吸力径向悬浮，也可以实现推力轴向悬浮（yonner），但其不稳定力大于自我悬浮力，因此，其它自由度必须引入外力约束克服不稳定悬浮力。换而言之，该磁体组合无法将径向和轴向两种悬浮轴承设计组合成稳定的磁悬浮轴承。根据earnshow理论和tanks证明；仅由永久磁铁构成的磁悬浮轴承不可能实现稳定悬浮，至少在一个自由度上是不稳定的。当然，业内也曾经出现过个别微弱的不同声音，认为全永磁磁悬浮轴承是有可能实现的，例如《全永磁悬浮轴承的单元结构分析与设计基础》（https://wenku.baidu.com/view/63b82f2ebb4ae45c3b3567ec102de2bd9605dea0.html），但通读其文，其永磁体径向轴向悬浮结构仍未脱离已经证明不可能实现的业内常规结构，因此，他也是一种不可能实现的推测。但实验研究证明；至少存在一种永磁体组合悬浮重构，在初始区段其自我回复力刚度大于不稳定力刚度，earshaw大理论和tanks证明不适用此永磁体组合重构。

2、为解决现代工程出现的高速储能装置飞轮，高精度工程旋转机械及长寿命高可靠性高效旋转机械（如人工心脏）的轴承摩擦能量损耗，磁悬浮轴承技术获得了长足发展。在各类无摩擦悬浮轴承技术中，人们主要发展电磁控制电磁吸力磁悬浮轴承（amb）。在技术方案上，amb磁悬浮磁技术方案由于磁路闭合较磁路开路的永磁被动斥力型磁悬浮方案具有更大的承载能力和控制特征优势而被业内广泛采用。amb最大的优点是与斥力型永磁悬浮相比，可以实现轴承较大载荷下较强的运动稳定性，但它本身为不稳定系统，耗能，控制复杂，且需要一套造价不菲的电子电器控制系统，影响了其应用的范围和广度。

3、因此降低能耗，降低成本，提高可靠性是磁悬浮轴承业内的主流方向。为降低损耗，降低成本，amb轴承一般采用混合轴承方案，如永磁混合轴承，宝石混合轴承。

4、随着永磁材料性能的突破，一方面人们利用永磁体构造永磁电磁复合轴承，另一方面，人们没有放弃突破永磁轴承技术存在的固有缺陷的努力，出现了众多永磁悬浮技术方案，但可以看到；受习惯性思维的影响，众多解决问题的技术路径或思路本质上没有跳出原有永磁斥力或吸力方案无法设计组合成全永磁稳定磁悬浮轴承的设计框框；即不稳定力大于自我回复力，即斥力方案；磁场增加，目标方向自主回复力增加，侧向不稳定力同步增加，吸力方案；磁场增加，目标方向自主回复力增加，侧向不稳定力同步增加。因此无法用永磁径向轴承和永磁轴向轴承设计构成稳定的全永磁磁悬浮轴承，这也成为了业内的一条公理。此外，斥力方案；磁路开路，磁路损耗大，永磁体性能打折，磁轴承承载能力打折。吸力方案；侧向不稳定力大于自主回复力。有些磁浮轴承采用斥力加辅助吸力方案，其实质是设置磁悬浮偏置力，永磁体性能还是打折，不是全永磁负反馈自稳定磁悬浮轴承。

5、此外，哈里根的磁悬浮陀螺出乎主流科学界的预料，是一种全新的磁悬浮思路，但只是一种旋转动态磁浮。随着抗磁体和超导技术的进步，人们也曾将目光投向抗磁体和超导体，利用抗磁体和超导体有可能实现完全无控制式悬浮，但其设备昂贵，同时应用场合受限。

6、英国数学家earnshaw关于轴对称永磁体之间相互作用的《恩绍大定理》成为了永磁磁悬浮轴承领域稳定的紧箍咒；全永磁磁悬浮轴承退出，主流磁悬浮轴承研究转向主动或混合磁悬浮。恩绍大定理是一条物理定律，无法改变，但恩绍大定理推导的数学模型是两对称静单极磁体之间或引力相互作用，或斥力相互作用，在这种单极磁体结构下，不平衡刚度大于恢复刚度。参考文献（科学院沈阳自动化所）拉普拉斯方程推导，用作全永磁磁悬浮轴承时，必须引入外力克服不平衡力，才能保证悬浮方向的悬浮稳定。这种结构的径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承是不可能构成稳定的全永磁磁悬浮轴承。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的问题，提出一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，包括设置在同一旋转轴上的第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承，其中第一轴向磁浮轴承实现径向充磁轴向悬浮稳定，第二径向磁浮轴承实现轴向充磁径向悬浮稳定；

2、第一轴向磁浮轴承与第二径向磁浮轴承均包括由磁环组成的定子和转子与转子轴套，转子由转子轴套固定在旋转轴上，磁环之间设有短路环。

3、进一步地，旋转轴上至少设置一个第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承一个。

4、进一步地，旋转轴上设置的第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承的个数根据实际需求选择。

5、进一步地，第一轴向磁浮轴承包括第一轴承转子和第一轴承定子；第一轴承转子由数个小磁环互相贴合组成，磁环内设置短路环，第一轴承转子通过转子轴套连接于旋转轴上；第一轴承定子由数个大磁环互相贴合组成，磁环外设置短路环；第一轴承转子放置于第一轴承定子内，存在径向间隙。

6、进一步地，第一轴承转子和第一轴承定子中，互相贴合的磁环之间极性相反，第一轴承转子和第一轴承定子上位置对称的大小磁环极性相反。

7、进一步地，第二径向磁浮轴承包括第二磁浮转子和第二磁浮定子；第二磁浮转子由内磁环嵌套于外磁环组成；2组内外磁环镜像对称布置，中间设置短路环；第二磁浮转子通过转子轴套连接于旋转轴上；第二磁浮定子由内磁环嵌套于外磁环，2组内外磁环分设径向转子两侧并呈镜像对称布置；第二磁浮定子的远离第二磁浮转子一侧设置短路环，存在轴向间隙。

8、进一步地，第二磁浮转子和第二磁浮定子中，嵌套的内外磁环互相极性相反，径向转子和径向定子上位置对称的内外磁环极性相反。

9、进一步地，旋转轴上加设锥形滚柱轴承保护。

10、本发明达到的有益效果为：

11、（1）使永磁磁悬浮轴承实用化、产业化，广泛进入绿色节能、机械制造、航空航天、静音运动载体等领域，适用场景广。

12、（2）降低能耗，降低成本，提高可靠性。

13、（3）实现完全无控制式的全永磁磁悬浮轴承的自主静态和动态自主悬浮稳定，填补行业技术空白。

技术特征：

1.一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：旋转轴上至少设置一个第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承一个。

3.根据权利要求2所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：旋转轴上设置的第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承的个数根据实际需求选择。

4.根据权利要求1所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：第一轴向磁浮轴承包括第一轴承转子和第一轴承定子；第一轴承转子由数个小磁环互相贴合组成，磁环内设置短路环，第一轴承转子通过转子轴套连接于旋转轴上；第一轴承定子由数个大磁环互相贴合组成，磁环外设置短路环；第一轴承转子放置于第一轴承定子内，存在径向间隙。

5.根据权利要求4所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：第一轴承转子和第一轴承定子中，互相贴合的磁环之间极性相反，第一轴承转子和第一轴承定子上位置对称的大小磁环极性相反。

6.根据权利要求1所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：第二径向磁浮轴承包括第二磁浮转子和第二磁浮定子；第二磁浮转子由内磁环嵌套于外磁环组成；2组内外磁环镜像对称布置，中间设置短路环；第二磁浮转子通过转子轴套连接于旋转轴上；第二磁浮定子由内磁环嵌套于外磁环，2组内外磁环分设径向转子两侧并呈镜像对称布置；第二磁浮定子的远离第二磁浮转子一侧设置短路环，存在轴向间隙。

7.根据权利要求6所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：第二磁浮转子和第二磁浮定子中，嵌套的内外磁环互相极性相反，径向转子和径向定子上位置对称的内外磁环极性相反。

8.根据权利要求1所述的一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，其特征在于：旋转轴上加设锥形滚柱轴承保护。

技术总结
一种全永磁组合式自稳定磁浮轴承，包括设置在同一旋转轴上的第一轴向磁浮轴承和第二径向磁浮轴承，其中第一轴向磁浮轴承实现径向充磁轴向悬浮稳定，第二径向磁浮轴承实现轴向充磁径向悬浮稳定；第一轴向磁浮轴承与第二径向磁浮轴承均包括由磁环组成的定子和转子与转子轴套，转子由转子轴套固定在旋转轴上，磁环之间设有短路环。全永磁自稳定磁浮轴承实现轴承的轴向充磁、径向稳定和径向充磁、轴向稳定。本设计使永磁磁悬浮轴承实用化、产业化，广泛进入绿色节能、机械制造、航空航天、静音运动载体等领域，适用场景广；降低能耗，降低成本，提高可靠性；实现完全无控制式的全永磁磁悬浮轴承的自主静态和动态自主悬浮稳定，填补行业技术空白。

技术研发人员：姜宝华
受保护的技术使用者：苏州科沁微视医疗器械有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13