专利名称：一种磁悬浮转子支撑系统与磁悬浮轴承及偏磁减重装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮领域的单自由度磁悬浮转子支撑系统。尤其是涉及一种采用吸
引型轴向磁悬浮轴承和吸引型径向磁悬浮轴承组合而成的单自由度磁悬浮转子支撑系统。本发明还涉及更具体的吸引型轴向磁悬浮轴承和吸引型径向磁悬浮轴承。本发明还涉及减少旋转体重力作用的偏磁减重装置以及针对径、轴向磁悬浮轴承气隙的限位保护装置。
背景技术：
为适应超高速电机和真空洁净技术、高精度机械加工技术与太空技术的发展需要，一种无机械接触的磁悬浮转子支撑系统，引起了人们的广泛关注，它是继油润滑和气润滑轴承之后，在行业内的又一次技术革命。这种新兴的支撑方式，通过轴向磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承的协同作用而得以实现。其具有"无机械摩擦、能耗少，噪音小，寿命长，不需要润滑介质与密封、并允许转子有极高的转速和适应在高低温、真空环境下工作"等传统技术无法替代的突出优点，而成为国内外许多企业和科研单位的热门课题之一。近年来，有关磁悬浮轴承的科研论文与专利成果大量涌现。但就现有技术来说，实用磁悬浮轴承的关键技术仍未突破。在各种技术方案中，都带有不同程度的技术缺陷。如在永磁型磁悬浮轴承当中，采用"同性相斥"的悬浮机制，会导致不确定轴向力或径向力的产生。在电磁型磁悬浮轴承当中，则采用多个向心型设置的电磁铁和复杂的反馈控制技术，但最终不能保证在360度的任意方向上，实现转子的自动调心以及现有技术在磁路设计方面还存在着大量的非工作气隙，造成现有技术的实用性降低。
发明内容
本发明就是要提供一种全部由吸引型轴向磁悬浮轴承和吸引型径向磁悬浮轴承
组合而成，并消除了电磁线圈或永磁体存在非工作气隙技术缺陷，同时，还可以使转子在
360度的任意方向上获得自动调心功能的单自由度磁悬浮转子支撑系统。
为了实现上述发明的目的，本发明采用如下的技术方案就是将至少一个吸引型
轴向磁悬浮轴承与至少两个吸引型径向磁悬浮轴承设置在同一运动机构当中，并使它们之
间的分布规律具有对称性。每个磁悬浮轴承的动子部和定子部，分别固定在系统当中的旋
转体和旋转体的承托部上，并通过气隙构成非机械接触的可转动连接。具有径向气隙的轴
向磁悬浮轴承，用来约束旋转体的轴向移动。具有轴向气隙的径向磁悬浮轴承，用来约束旋
转体的径向错位移动，为了避免产生单边拉力，径向磁悬浮轴承在系统内均以双边型结构
的形式出现。在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，具有径向气隙的电动机或发
电机，可视为吸引型轴向磁悬浮轴承，它们包含了电工领域中所有的交直流电动机或交直
流发电机。具有轴向气隙的电动机或发电机，可视为吸引型径向磁悬浮轴承。但基于同样
的理由，被视为吸引型径向磁悬浮轴承的电动机或发电机，也只允许以双边型结构出现在
系统之内。在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，无论何种类型的磁悬浮轴承，只
要功能相同，就可以根据设计空间的需要，进行相互间的替代和置换。
在本发明中，禁止使用平面配合的相斥型永磁磁悬浮轴承，但具有锥面配合的预 应力磁悬浮轴承也可以叠加在系统之内，但它属于不必要的技术特征。 在本发明中，吸引型轴向磁悬浮轴承，包含电磁型、永磁型和具有永磁与电磁两 种特征的混合型轴向磁悬浮轴承。下面将分别述及 (1)电磁型轴向磁悬浮轴承，为具有径向气隙的轴向磁悬浮轴承。它是由设置在旋 转体承托部上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和在 环形凹槽内设置的电磁线圈所构成具有环形凸极的初级铁心，它与设置在旋转体上并具有 径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛所构成具有浅槽型环形凸 极的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有浅槽型环形凸极的次级铁心通过气 隙相互对正，并使气隙两侧相互对应着的磁軛极面的宽度相等。 (2)永磁型轴向磁悬浮轴承，为具有径向气隙的轴向磁悬浮轴承。它是由设置在旋 转体承托部上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和设 置在环形凹槽之内，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成的具有环形凸极的定子部 和位于旋转体上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和 设置在环形凹槽之内，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的动子部 所组成。具有环形凸极的定子部与具有环形凸极的动子部通过气隙相互对正，并使两者相 对应的前后环形磁軛的极面宽度相等以及使两者所带环形永磁体保持相互吸引的状态。动 子部也可以采用与定子部环形凸极同宽的平面型环形凸极所替代。 (3)永磁型轴向磁悬浮轴承，为具有径向气隙的全永磁轴向磁悬浮轴承。它是由分 别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。 永磁动子部和永磁定子部，又是分别由两个或三个相同内外径规格，并经过轮辐式径向充 磁的环形永磁体轴向叠加而成，并使各紧密接触的环形永磁体之间的磁场极性互为相反。 永磁动子部和永磁定子部通过径向气隙相互对正，以及使两者的气隙磁场成为相互吸引的 状态。为了避免漏磁场的产生，而在永磁动子部和永磁定子部的非工作气隙一端，由软铁磁 轭覆盖。 (4)主被动混合型轴向磁悬浮轴承，为具有径向气隙的主被动混合型轴向磁悬浮 轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并带有径向口环形凹槽的环形永磁体及其设置在环 形永磁体凹槽当中的电磁线圈所构成的定子部和设置在旋转体上，具有径向口环形凹槽的 环形永磁体或平面型软铁环形凸极或与定子部极面相同的浅槽型软铁环形凸极所构成的 动子部所组成。位于环形永磁体凹槽当中的电磁线圈所产生的磁通方向与具有径向口环形 永磁体所固有的磁通方向保持一致。 在本发明中，吸引型径向磁悬浮轴承，包含电磁型、永磁型和具有永磁与电磁两 种特征的混合型径向磁悬浮轴承。下面仍将分别述及 (1)电磁型径向磁悬浮轴承，为具有轴向气隙的径向磁悬浮轴承。它是由设置在旋 转体承托部上，并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和在 环形凹槽内设置的电磁线圈所构成具有环形凸极的初级铁心与设置在旋转体上并具有轴 向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛所构成具有浅槽型环形凸极 的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有浅槽型环形凸极的次级铁心通过气隙 相互对正，并使气隙两侧相互对应着的磁軛极面的宽度相等。次级铁心也可以采用与初级
6铁心宽度相等的平面型软铁环形凸极所替代。如果需要将电磁型径向磁悬浮轴承设置在旋转体的轴端与旋转体承托部之间时，则是在旋转体轴端所对应的旋转体承托部上，设置一个由中心主磁极和外围环形副磁极以及设置在主副磁极之间的电磁线圈所构成的初级定子部和具有与初级定子部环形副磁极直径相等的旋转体心轴端面所组成。两者通过气隙对正并使其具有相互对称的齿槽极面。 (2)永磁型径向磁悬浮轴承，为具有轴向气隙的径向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，且具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和设置内外环形磁軛之间，并经过轴向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的定子部和位于旋转体上，且具有与环形凸极定子部结构相同的动子部所组成。动子部也可以采用与环形
凸极定子部内外环形磁軛极槽宽度相等的平面型软铁环形凸极所所替代。如果需要将永磁型径向磁悬浮轴承设置在旋转体的轴端与旋转体承托部之间时，则是在旋转体轴端所对应的旋转体承托部上，设置一个带有外围环形磁軛的永磁定子部和通过气隙与永磁定子部环形副磁极直径相等的旋转体心轴端面所组成。也可以使两者具有相同结构的磁极面并使两者所带永磁体保持吸引状态。 (3)永磁型径向磁悬浮轴承，为具有轴向气隙的全永磁径向磁悬浮轴承。它是由分别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。永磁动子部和永磁定子部，又是分别由两个或三个不同内径并经过轴向充磁的环形永磁体紧密套装而成。并使紧密接触的内外环形永磁体的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过轴向气隙相互对正，以及使两者的气隙磁场保持在相互吸引状态。为了避免漏磁场的产生，而在永磁动子部和永磁定子部的非工作气隙一端，由软铁磁轭覆盖。
(4)主被动混合型径向磁悬浮轴承，为具有轴向气隙的主被动混合型径向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并带有轴向口环形凹槽的环形永磁体及其设置在环形永磁体凹槽当中的电磁线圈所构成的定子部和设置在旋转体上，具有轴向口环形凹槽的环形永磁体或平面型软铁环形凸极或与定子部极面相同的浅槽型软铁环形凸极所构成的动子部所组成。位于环形永磁体凹槽当中的电磁线圈所产生的磁通方向与具有轴向口环形永磁体所固有的磁通方向保持一致。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所采用的吸引型轴向磁悬浮轴承和吸引型径向磁悬浮轴承的定子部和动子部，可以是单一的整体，也可以是组合构件。可以是独立安装固定在旋转体和旋转体的承托部上，也可以采用与旋转体和旋转体承托部进行同种材料之间的整体复合形式 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，功能相同的磁悬浮轴承，除了可以相互间的替代和置换外，还可以并列或叠加使用。如在永磁型径向磁悬浮轴承的外围，再并列电磁型径向磁悬浮轴承，或是在电磁型轴向磁悬浮轴承的两边，再并列永磁型轴向磁悬浮轴承。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，并不排除在采用磁悬浮轴承的同时，使用机械接触轴承。因为这些附加的机械接触轴承经过运行磨合，会自动转变为磁悬浮转子支撑系统的机械保护轴承。从而可以避免在意外的系统失效或制动沉降时，引发机械摩擦焊接的隐患。所以，这种结构仍然属于是磁悬浮的支撑方式。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，为了减少垂直使用的旋转体或水
7平使用的旋转体对吸引型轴向磁悬浮轴承或吸引型径向磁悬浮轴承产生的重力负载。还可 以在系统内设置单边型的偏磁减重装置。分述如下 (1)当确定了旋转体为水平状态使用时，即在旋转体两侧所对应旋转体承托部向 下一面的部位上，设置具有径向开口的环形磁轭和位于环形磁轭之内，经过轮辐式径向充 磁的半圆环永久磁铁所构成的定子部与设置在旋转体上并具有径向开口的圆环形磁轭及 设置在圆环形磁轭当中，并经过轮辐式径向充磁的圆环形永久磁铁所构成的动子部所组 成。动子部和定子部通过气隙相互对正并使其形成相互吸引的状态。动子部也可以采用与 定子部圆环形磁轭轴向宽度相等的软铁圆环形平面凸极所替代。在本发明当中，如果旋转 体是外转子时，则位于定子部上的环形磁轭的开口为外向型以及位于环形磁轭当中的半圆 环永久磁铁的开口向上安装。如果旋转体是内转子时，则位于定子部上的环形磁轭的开口 为内向型以及位于环形磁轭当中的半圆环永久磁铁的开口向下安装。 (2)当确定了旋转体为垂直状态使用时，即在旋转体所对应旋转体承托部向下一 面的部位上，设置具有轴向开口向下的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛 和设置内外环形磁軛之间，并经过轴向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的定子部， 同时，还在环形凸极定子部所对应的旋转体上，设置具有与环形凸极定子部结构相同的动 子部。动子部和定子部通过气隙相互对正并形成相互吸引。动子部也可以采用与环形凸极 定子部内外环形磁軛极槽宽度相等的平面型软铁环形凸极所所替代。定子部也可以是由不 带有外围导磁軛的环形永磁体所替代。如果在系统内使用的是双边型永磁径向磁悬浮轴承 的话，也可以采用增大旋转体被向上吸引的一个径向磁悬浮轴承的磁场力，来达到减少或 抵消旋转体重力的目的。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，为了增强吸引型轴向磁悬浮轴承 和吸引型径向磁悬浮轴承的气隙磁通密度，还可以在它们各自动定子部的磁极面上，按照 原来的走向平行地细分成多条，并保证细分后的磁极面在气隙两侧相互对称。也可以是对 原动定子磁极面的统一縮窄。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所采用的永磁体材料，泛指一切 可磁化为永磁体的材料，并不局限于已知永磁体材料，还包含未来新发现的硬磁和矩磁材 料。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，为了防止吸引型轴向磁悬浮轴承
和吸引型径向磁悬浮轴承及单边型偏磁减重装置的动定子部，在安装或运行过程当中，遭
受意外时发生吸合"粘死"的现象，还可以在旋转体和旋转体的承托部之间，设置径轴向磁
悬浮轴承或偏磁减重装置的气隙限位保护装置。该径轴向磁悬浮轴承或偏磁减重装置的气
隙限位保护装置的动子部和定子部，分别设置在构成系统的旋转体和旋转体的承托部上，
并通过小于所保护磁悬浮轴承或偏磁减重装置设计的定动子参考气隙相间隔。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，严格禁止采用平面配合的相斥型
磁力轴承，只要是吸引型磁悬浮轴承设计的磁能裕量或电流刚度足够，就不需要有任何位
置传感器和控制器的参与而实现系统的稳定运行。 在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，并不排除使用位置传感器的反馈 控制方式，但它所使用的传感器数量，最多不会超过两个， 一个是径向位置传感器， 一个是 轴向位置传感器。它们的结构与电磁型径向磁悬浮轴承或轴向磁悬浮轴承的结构完全相
8同。如径向位置传感器，是由设置在旋转体承托部上并具有轴向开口的环形凹槽及被该环
形凹槽所界定出的内外环形磁軛和在环形凹槽内设置的电感线圈所构成具有环形凸极的
初级铁心与设置在旋转体上并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外
环形磁軛所构成具有浅槽型环形凸极的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有
浅槽型环形凸极的次级铁心通过气隙相互对正，并使气隙两侧相互对应着的磁軛极面的宽
度相等。次级铁心也可以采用与初级铁心宽度相等的平面型软铁环形凸极所替代。如果需
要将磁阻型电感位置传感器设置在旋转体的轴端与旋转体承托部之间时，则是在旋转体轴
端所对应的旋转体承托部上，设置一个由中心主磁极和外围环形副磁极以及设置在主副磁
极之间的电感线圈所构成的初级定子部和具有与初级定子部环形副磁极直径相等的旋转
体心轴端面所组成。两者通过气隙对正并使其具有相互对称的齿槽极面。而轴向位置传感
器，则是由设置在旋转体承托部上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出
的前后环形磁軛和在环形凹槽内设置的电感线圈所构成具有环形凸极的初级铁心，它与设
置在旋转体上并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛所构
成具有浅槽型环形凸极的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有浅槽型环形凸
极的次级铁心通过气隙相互对正，并使气隙两侧相互对应着的磁軛极面的宽度相等。
在本发明中，径轴向位置传感器也可以采用与径轴向磁悬浮轴承的复合形式，艮卩
在径向磁悬浮轴承或轴向磁悬浮轴承初级铁心上的环形凹槽当中再增加一个电感线圈来
实现。工作时，位置传感器依靠径向磁悬浮轴承或轴向磁悬浮轴承动定子磁极面之间的错
位移动，所产生的电感变化向外输出信号，并通过控制器及时增大可控电磁轴承的电流来
保证系统的稳定运行。这是一种没有方向概念和具有径向或轴向磁悬浮轴承特征的变磁阻 差动传感器。也可以通过差动变压方式，实现对系统的有效控制。 综上所述，本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统，相对于现有技术来说。具有如 下的有益效果 (1)在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，严格禁止使用平面配合的相
斥型永磁磁悬浮轴承，消除和避免了径轴向磁悬浮轴承本身潜在的不稳定因素。
(2)在磁悬浮轴承当中的永久磁铁或电磁线圈的非工作气隙侧，全部由软铁磁轭
所包围，有效地避免了不必要的磁路损失和提高了磁能利用的效率。 (3)在磁悬浮轴承当中，通过气隙相对而设的动、定子磁极面之间，保持着高度的 对称性，由于齿槽效应的存在，使两者之间任何方向的错位移动都会诱发出自动恢复的力 矩。所以，只要永磁型磁悬浮轴承的磁力裕量足够或电磁型磁悬浮轴承的电流刚度足够，就 可以不用任何形式的传感器反馈控制技术，而使系统保持稳定运行。 (4)由于单边型永磁偏磁减重装置的使用，有效地减少了旋转体对径、轴向磁悬浮 轴承的重力负载。从而使系统的能耗降低。 (5)由于气隙限位保护装置的使用，有效地避免了径、轴向磁悬浮轴承及单边型永 磁偏磁减重装置当中的动定子产生意外吸合"粘死"的现象。从而增加了系统的可靠性。
本文件所提供的附图只表示结构特征与对应关系，而不代表产品结构的比例大 小。附图中的电动机也只表示初次极铁心的所在位置。
图1是一种由两个单边型外转子盘式(1、2)电动机复合而成的双边型外转子盘式
电动机与一个电磁型轴向磁悬浮轴承(3)和两个机械保护轴承(4、5)及双边型外转子盘式
电动机的空心静轴(未标)所构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图2是一种由两个单边型内转子盘式电动机(6、7)与两个永磁轴向磁悬浮轴承
(8、9)和两个具有径向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(10、11)及径轴向磁悬浮轴承的气
隙限位保护装置(12、 13)所构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图3是一种由内转子柱式电动机(16)和电磁型径向磁悬浮轴承(14、 15)与机械
保护轴承(17、 18)所构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图4是一种由外转子柱式电动机(19)和永磁型径向磁悬浮轴承(20、21)与具有 径向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(22、23)及径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置 (56、57)所构成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图5是一种由内转子柱式电动机(24)和永磁型径向磁悬浮轴承(25、26)及具有 径向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(27、28)及径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置 (29、30)所构成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图6是一种由外转子柱式电动机(31)和永磁型径向磁悬浮轴承(32、33)及具有
轴向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(34)及径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置(35、
36)和机械保护轴承(37)所构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图7是一种由外转子柱式电动机(38)和并列使用的永磁型轴向磁悬浮轴承(39、
40)及永磁型径向磁悬浮轴承(41、42)和具有轴向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(43)与
径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置(44、45)所构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的
剖视图。 图8是一种由多个外转子单边型盘式电动机(46、47、48、49)和永磁型轴向磁悬浮 轴承(50、51)及具有轴向气隙的永磁单边型偏磁减重装置(52)与径轴向磁悬浮轴承的气 隙限位保护装置(53、54)和外转子单边型盘式电动机的定子空心静轴(55)所构成单自由 度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。 图9是一种由具有径向气隙的内转子柱式电动机(58)和两个单边型永磁径向磁 悬浮轴承(59、60)所构成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的半剖图。其中，为了减少旋转 体对轴向磁悬浮轴承的重力负载，采用增大位于旋转体向上一面以及位于旋转体承托部向 下一面之间的永磁型径向磁悬浮轴承(60)的磁能材料的体积，使系统产生一个向上吸引 旋转体的单边拉力。因而，不再单独设置单边型偏磁减重装置。 图10是一种由具有径向气隙的外转子柱式电动机(61)和两个单边型永磁径向磁 悬浮轴承(62、63)所构成的立式单自由度磁悬浮转子支撑系统的半剖图。其中，为了减少 旋转体对轴向磁悬浮轴承的重力负载，采用增大位于旋转体向上一面以及位于旋转体承托 部向下一面之间的永磁型径向磁悬浮轴承(62)的磁能材料的体积，使系统产生一个向上 吸引旋转体的单边拉力。因而，不再单独设置单边型偏磁减重装置。 图11是一种是由两个全永磁轴向磁悬浮轴承(66、67)和两个全永磁径向磁悬浮
轴承(68、69)所构成的卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，。其中，作为轴向磁悬浮轴承并
列使用的内转子电动机及具有径向气隙的单边型偏磁减重装置在图中未示。 图12是一种由两个全永磁轴向磁悬浮轴承(72、73)和两个全永磁径向磁悬浮轴承(75、75)所构成的卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统的半剖图。其中，作为轴向磁悬浮 轴承并列使用的外转子电动机及具有径向气隙的单边型偏磁减重装置在图中未示。
具体实施例方式
下面结合
，用具体实施方式
对本发明单自由度磁悬浮转子支撑系统作进 一步的描述。 按照图l所示，本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将两个具有轴向气隙 的外转子单边型盘式磁阻电动机1和2的定子部，背靠背的复合在一起使其成为双变型结 构。然后，在双边型盘式磁阻电动机定子部外侧的中间部位上，设置电磁型轴向磁悬浮轴 承3的初级铁心和在初级铁心所对应的电机外壳上设置电磁型轴向磁悬浮轴承3的次级铁 心。在次级铁心上带有内向型径向开口的浅槽并通过气隙与初级铁心上的外向型环形凹槽 相互对正并使两者的磁极面宽度相等。同时，还在外转子单边型盘式磁阻电动机的两个动 子端盖与外转子单边型盘式磁阻电动机的定子静轴之间，设置了机械保护轴承4和5，外转 子单边型盘式磁阻电动机和电磁型轴向磁悬浮轴承的绕组导线通过外转子单边型盘式磁 阻电动机的空心静轴向外引出。 按照图2所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将两个具有轴向气 隙的单边型内转子盘式磁阻电动机5和6复合为双边性后，设置在旋转体及旋转体承托部 的中间部位上，同时，在盘式磁阻电动机的轴杆及其轴杆的外围承托部之间，对称的设置两 个具有径向气隙的永磁型轴向磁悬浮轴承8和9与径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置 12和13及具有径向气隙的永磁单边型偏磁减重装置10和11。 按照图3所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的内转子柱式电动机16设置在旋转体及旋转体承托部的中间部位上，同时，在柱式电动 机转子两端与电动机端盖的部位上，设置了具有轴向气隙的电磁型径向磁悬浮轴承14和 15，在电动机转子轴杆与电机端盖之间设置机械保护轴承17和18，在电机转子与电机端盖 之间还设有径向磁悬浮轴承的气隙保护装置(图中未示)。本实施例为了减小旋转体的重 量，还采用了中空转子。 按照图4所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的外转子柱式电动机19设置在旋转体和旋转体的中间部位上，并在旋转体旋转体承托 部之间对称的设有永磁型径向磁悬浮轴承20和21以及具有径向气隙的永磁单边型偏磁减 重装置22和23和径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置56和57。电机的绕组导线穿过 支撑体后，从电机的中空静轴向外引出。 按照图5所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的内转子柱式电动机24和两个单边型永磁型径向磁悬浮轴承25和26共用一个圆柱形 永磁体构成的自平衡双边型永磁型径向磁悬浮轴承。同时，还在电动机轴杆与端盖之间设 置具有径向气隙的永磁单边型偏磁减重装置27和28及径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护 装置29和30。 按照图6所示，本发明立式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的外转子柱式发电机31设置在旋转体及旋转体承托部的中间位置上，然后将两个单边 型永磁型径向磁悬浮轴承32和33合并后构成的自平衡双边型永磁型径向磁悬浮轴承设置在柱式发电机31的内侧。同时，还在外转子旋转体的上部，设有将外转子旋转体向上吸引 的永磁单边型偏磁减重装置34以及在旋转体和旋转体承托部之间设置径轴向磁悬浮轴承 的气隙限位保护装置35和36。另外，还在外转子旋转体的下部设有机械保护轴承37。电 机的绕组导线在穿过支撑体后，从电机的中空静轴向外引出。 按照图7所示，本发明立式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的外转子柱式发电机38与两个具有径向气隙的永磁型轴向磁悬浮轴承39和40并列地 设置在旋转体和旋转体的承托部之间。同时，还在外转子旋转体的上部，设有将外转子旋转 体向上吸引的永磁单边型偏磁减重装置43，另外，还在系统内设有径轴向磁悬浮轴承的气 隙限位保护装置44和45。电机的绕组导线在穿过支撑体后，从电机的中空静轴向外引出。
按照图8所示，本发明立式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将多个具有轴向气 隙的外转子单边型盘式发电机46、47、48、49与具有径向气隙的永磁型轴向磁悬浮轴承50 和51并列地设置在旋转体和旋转体的承托部之间。同时，还在旋转体的上部，设有将旋转 体向上吸引的永磁单边型偏磁减重装置52，另外，还在系统内设有径轴向磁悬浮轴承的气 隙限位保护装置53和54。电机的绕组导线通过旋转体承托部上的中空静轴向外引出。
按照图9所示，本发明立式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的内转子柱式电动机58和两个单边型永磁径向磁悬浮轴承59和60所组成。其中，为了 减少旋转体对轴向磁悬浮轴承的重力负载，采用增大位于旋转体向上一面以及位于旋转体 承托部向下一面之间的永磁型径向磁悬浮轴承60的磁能材料的体积，使系统产生一个向 上吸引旋转体的单边拉力。因而，不再单独设置单边型偏磁减重装置。
按照图IO所示，本发明立式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是将一个具有径向气 隙的外转子柱式电动机61和两个单边型永磁径向磁悬浮轴承62和63所组成。其中，为了 减少旋转体对轴向磁悬浮轴承61的重力负载，采用增大位于旋转体向上一面以及位于旋 转体承托部向下一面之间的永磁型径向磁悬浮轴承62的磁能材料的体积，使系统产生一 个向上吸引旋转体的单边拉力。因而，不再单独设置单边型偏磁减重装置。外转子柱式电 动机61的绕组导线从中空的旋转体静轴中向外引出。 按照图ll所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是由两个全永磁轴向 磁悬浮轴承66和67和两个全永磁径向磁悬浮轴承68与69所组成。全永磁轴向磁悬浮轴 承66和67的永磁动子部和永磁定子部，由分别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相 同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。永磁动子部和永磁定子部，又是分别由三个相 同内外径规格，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体轴向叠加而成，并使各紧密相邻的环 形永磁体之间的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过径向气隙相互对正，以 及使两者的气隙磁场成为相互吸引的状态。全永磁径向磁悬浮轴承68与69的永磁动子部 和永磁定子部，分别由三个不同内径并经过轴向充磁的环形永磁体紧密套装而成。并使紧 密接触的内外环形永磁体的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过轴向气隙相 互对正，以及使两者的气隙磁场保持在相互吸引状态。为了避免全永磁径向磁悬浮轴承68 与69和全永磁轴向磁悬浮轴承66和67产生非工作气隙的磁路损耗，在它们的非工作气隙 端部，全部被软铁材料所覆盖。70和71为全永磁径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置。
按照图12所示，本发明卧式单自由度磁悬浮转子支撑系统，是由两个全永磁轴向 磁悬浮轴承72与73和两个全永磁径向磁悬浮轴承74与75所组成。全永磁轴向磁悬浮轴
12承72和73的永磁动子部和永磁定子部，由分别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相 同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。永磁动子部和永磁定子部，又是分别由两个相 同内外径规格，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体轴向叠加而成，并使各紧密相邻的环 形永磁体之间的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过径向气隙相互对正，以 及使两者的气隙磁场成为相互吸引的状态。全永磁径向磁悬浮轴承74与75的永磁动子部 和永磁定子部，分别由两个不同内径并经过轴向充磁的环形永磁体紧密套装而成。并使紧 密接触的内外环形永磁体的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过轴向气隙相 互对正，以及使两者的气隙磁场保持在相互吸引状态。为了避免全永磁径向磁悬浮轴承74 与75和全永磁轴向磁悬浮轴承72和73产生非工作气隙的漏磁损耗，在它们的非工作气隙 的端部，全部被软铁材料所覆盖。76和77为全永磁径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装 置。
权利要求
一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，由设置在同一运动机构当中，至少一个吸引型轴向磁悬浮轴承与至少两个吸引型径向磁悬浮轴承所组成。每个磁悬浮轴承的动子部和定子部，分别固定于组成系统的旋转体和旋转体的承托部上，并通过气隙构成非机械接触的可转动连接。吸引型轴向磁悬浮轴承和吸引型径向磁悬浮轴承，包含电磁型、永磁型和具有永磁与电磁两种特征的混合型磁悬浮轴承。在单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，具有径向气隙的电动机或发电机，可视为吸引型轴向磁悬浮轴承，它们包含了电工领域中所有的交直流电动机或交直流发电机。具有轴向气隙的电动机或发电机，可视为吸引型径向磁悬浮轴承。为了避免单边拉力的产生，这种被视为吸引型径向磁悬浮轴承的电动机或发电机，与其它类型的吸引型径向磁悬浮轴承一样，均以双边型的结构出现在系统之内。无论何种类型的磁悬浮轴承，只要它们功能相同，就可以根据设计空间的需要，进行相互间的替代和置换。其特征是所述吸引型轴向磁悬浮轴承(3)，为电磁型轴向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和在环形凹槽内设置的电磁线圈所构成具有环形凸极的初级铁心与设置在旋转体上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛所构成具有浅槽型环形凸极的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有浅槽型环形凸极的次级铁心，通过气隙相互对正并使两者前后环形磁軛的极面宽度相同。
2. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述吸引型轴向磁悬浮轴承(8、9或39、40或50、51)，为永磁型轴向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和设置在环形凹槽内，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的定子部和位于旋转体上，并具有径向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的前后环形磁軛和设置在环形凹槽内，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的动子部所组成。具有环形凸极的定子部与具有环形凸极的动子部通过气隙相互对正，并使两者相对应的前后环形磁軛的极面宽度相等以及使两者所带环形永磁体之间，保持相互吸引的状态。
3. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述吸引型轴向磁悬浮轴承(66、67或72、73)为全永磁轴向磁悬浮轴承。它是由分别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。永磁动子部和永磁定子部，又是分别由两个或三个相同内外径规格，并经过轮辐式径向充磁的环形永磁体轴向叠加而成，并使各紧密相邻的环形永磁体之间的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过径向气隙相互对正，以及使两者的气隙磁场成为相互吸引的状态。为了避免漏磁场的产生，而在永磁动子部和永磁定子部的非工作气隙一端，由软铁磁轭覆盖。
4. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述径向磁悬浮轴承(14、15)，为电磁型径向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和在环形凹槽内设置的电磁线圈所构成具有环形凸极的初级铁心与设置在旋转体上，并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的浅槽型环形磁軛所构成具有环形凸极的次级铁心所组成。具有环形凸极的初级铁心与具有浅槽型环形凸极的次级铁心通过气隙相互对正，并使两者相对应的内外环形磁軛的极面宽度相等。如果需要将电磁型径向磁悬浮轴承设置在旋转体的轴端与旋转体承托部之间时，则是在旋转体轴端所对应的旋转体承托部上，设置一个由中心主磁极和外围环形副磁极以及设置在主副磁极之间的电磁线圈所构成的初级定子部和具有与初级定子部主、副磁极直径相等的旋转体心轴端面所组成。两者通过气隙对正和具有相互对称的齿槽界面。
5. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述吸引型径向磁悬浮轴承(20、21或25、26或32、33或41、42)，为永磁型径向磁悬浮轴承。它是由设置在旋转体承托部上，并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和设置在环形凹槽内，并经过轴向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的定子部和位于旋转体上并具有轴向开口的环形凹槽及被该环形凹槽所界定出的内外环形磁軛和设置在环形凹槽内，并经过轴向充磁的环形永磁体所构成具有环形凸极的动子部所组成。具有环形凸极的定子部与具有环形凸极的动子部通过气隙相互对正，并使两者相对应的内外环形磁軛的极面宽度相等以及两者所带环形永磁体之间，保持相互吸引的状态。如果需要将永磁型径向磁悬浮轴承设置在旋转体的轴端和旋转体承托部之间时，则是在旋转体轴端所对应的旋转体承托部上，设置一个带有外磁軛的实心圆柱体永磁定子部和通过气隙与实心圆柱体永磁定子部直径相等的旋转体心轴端面所组成。也可以使两者具有相同结构的齿槽界面并使两者所带永磁体保持吸引的状态。
6. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述吸引型径向磁悬浮轴承(68、69或74、75)，为全永磁径向磁悬浮轴承。它是由分别设置在旋转体和旋转体承托部上，并具有相同结构的永磁动子部和永磁定子部所组成。永磁动子部和永磁定子部，又是分别由两个或三个不同内径并经过轴向充磁的环形永磁体紧密套装而成。并使紧密接触的内外环形永磁体的磁场极性互为相反。永磁动子部和永磁定子部通过轴向气隙相互对正，以及使两者的气隙磁场保持相互吸引的状态。为了避免漏磁场的产生，而在永磁动子部和永磁定子部的非工作气隙一端，由软铁磁轭覆盖。
7. 按照权利要求1、2、3、4、5、6所述的任何一种单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是在所述的吸引型轴向磁悬浮轴承(3或8、9或39、40或50、51)和吸引型径向磁悬浮轴承(14、15或20、21或25、26或32、33或41、42)当中，具有浅槽型环形凸极的次级铁心或具有环形凸极的动子部，均可采用与环形凸极的初级铁心或环形凸极定子部齿槽界面宽度相等的环形平面凸极部所替代。
8. 按照权利要求1、2、3、4、5、6所述的任何一种单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是在位于磁悬浮轴承气隙两侧的动定子软铁磁极面上，按照原来的走向细分为多条。并保证气隙两侧被细分磁极面上的齿槽相互对称。也可以是对原动、定子磁极面的统一縮窄。
9. 按照权利要求l所述的单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是所述吸引型轴向磁悬浮轴承，是柱式电动机。所述径向磁悬浮轴承，是由两个单边型盘式电动机复合而成的双边型盘式电动机。柱式电动机的转子部和动子部，分别设置在旋转体和旋转体承托部的中间位置上。两个单边型盘式电动机位于单自由度磁悬浮转子支撑系统的两端部位上。并使柱式电动机和单边型盘式电动机具有相同的转速。
10. 按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、所述的任何一种单自由度磁悬浮转子支撑系统。其特征是在旋转体和旋转体的承托部之间还设有机械接触轴承(4、5或17、 18或37)。该机械接触轴承在磨合失效后，直接转变为单自由度磁悬浮转子支撑系统的机械保护轴承。
11. 按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的任何一种单自由度磁悬浮转子支撑系 统。其特征是在旋转体和旋转体承托部之间，还设有径轴向磁悬浮轴承的气隙限位装置 (12、13或56、57或29、30或35、36或44、45或53、54)。该径轴向磁悬浮轴承的气隙限位 装置，由分别设置在旋转体和旋转体承托部上的动子部和定子部档体所组成，并使动定子 部档体设定的间隙小于径轴向磁悬浮轴承设计的参考气隙。
12. 按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的任何一种单自由度磁悬浮转子支撑系 统。其特征是无论是水平使用还是垂直使用的单自由度磁悬浮转子支撑系统，在旋转体及 其旋转体所对应的旋转体承托部向下一面的部位上，设置永磁单边型偏磁减重装置。该永 磁单边型偏磁减重装置，由设置在旋转体承托部上，并带有外围磁軛的环形凸极永磁定子 部与设置在旋转体上，并带有外围磁軛的环形凸极永磁动子部或不带有永磁体的平面环形 凸极的动子部所组成。也可以是由不带外围磁軛的永磁定子部和不带有永磁体的平面环形 凸极的动子部所组成。单边型偏磁减重装置依靠动、定子部之间的恒定磁场对旋转体形成 一个向上吸引的单边拉力，来减少或抵消旋转体对径轴向磁悬浮轴承的重力负载。对于立 式使用的单自由度磁悬浮转子支撑系统，如果在系统内使用的是双边型永磁径向磁悬浮轴 承的话，也可以采用增大位于旋转体向上一面相对旋转体向下一面之间的永磁径向磁悬浮 轴承的磁吸力，来达到减少或抵消旋转体重力的目的。
全文摘要
本发明公开了一种单自由度磁悬浮转子支撑系统与磁悬浮轴承及偏磁减重装置。它是由设置在同一运动机构当中的吸引型轴向磁悬浮轴承(24)和吸引型径向磁悬浮轴承(25、26)及偏磁减重装置(27、28)和径轴向磁悬浮轴承的气隙限位保护装置(29、30)所组成。所用径轴向磁悬浮轴承的动子部和定子部，又都是由不产生非工作气隙漏磁损耗的恒磁场或可控磁装置所构成。只要磁场力的设计裕量足够，本系统就可以不采用任何形式的传感器反馈控制技术而实现稳定运行。
文档编号H02K7/09GK101771308SQ200910138020
公开日2010年7月7日 申请日期2009年4月26日 优先权日2009年4月26日
发明者张玉宝 申请人:张玉宝