本发明涉及机械领域中的磁悬浮轴承和直线发电机的制造，具体涉及永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法。
背景技术：
传统的直线发电机自由活塞动子，永磁体与动子是组合构造，在气缸中永磁体自由活塞动子侧面压力导致机械摩擦损耗，而且工作时活塞往复运动造成能耗损失的20%左右，同时产生较大的噪声和振动，造成发电机系统寿命短。
常规的自由活塞采用直线滚珠轴承来减少摩擦，其结构复杂、噪音大；有的采用电磁悬浮，其结构复杂、多点支撑悬浮装备复杂，体积大和重量重，在有限的机体内，空间十分珍贵。
常规的永磁悬浮轴承采用简单的同极相斥和异极相吸方式，浮力小，体积大，难于应用到大型动子结构上，限制了永磁悬浮轴承的应用范围。
因而，需要一种利用相对较为简单的结构就能够实现径向稳定性的永磁halbach阵列悬浮方法。
技术实现要素：
针对上述技术缺陷，本发明利用永磁圆柱壳体自由活塞101的轴向外侧面halbach阵列的磁场呈现单边性，永磁圆环102的halbach阵列的轴向内侧面磁场呈现单边性，永磁圆柱壳体自由活塞101置于二个永磁圆环102内，永磁圆环102内环侧面阵列磁场与永磁圆柱壳体自由活塞101的外侧面阵列磁场相互排斥和相吸状态，迫使永磁圆柱壳体自由活塞101径向悬浮起来，气隙磁通密度呈现正弦分布；其中永磁圆环102阵列磁场的极数与永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间阵列磁场的极数二者相等，永磁圆环102磁通密度大于相对应的永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间磁通密度。
滚珠轴承103不直接支承永磁圆柱壳体自由活塞101，并置于二永磁圆环102外则，当永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮永磁圆环102内产生轴向偏磁时，起到定位支撑作用。
永磁halbach阵列悬浮，具有无摩擦、无损耗、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点结构简单，适合高速直线移动，功率密度大，制造成本低，技术可行性高，瞬间响应快。
永磁圆柱壳体自由活塞动子直线往复运动的频率为0-300hz之内，以便适合频率响应特性。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于永磁圆柱壳体自由活塞101侧向得到长磁路，在该长磁路中，使用配置为halbach永磁阵列的磁路，以使阵列的排列方向上的磁通密度分布均匀与永磁圆环内侧向有halbach永磁阵列产生稳定径向悬浮磁力。
在本说明书中，术语“永磁圆环单元”是指每一单元具有一个磁化方向的永磁圆环；“切向（水平）式充磁”是指磁化方向沿着永磁圆环单元壁厚割截面轴向充磁方向，即径向的90°方向，在永磁圆环单元底面两侧分别形成n极和s极；“径向式充磁”是指磁化方向沿着环的径向呈辐射状，在磁环内外两侧分别形成n极和s极；是对永磁圆环单元辐向取向环进行特殊的脉冲处理，使磁环的内外两侧形成n极和s极的多对极；“离散式任意角度式充磁”是指磁化方向沿着永磁圆环单元壁厚截面切向（水平）0°－180°内任意角度，在永磁圆环单元内外壁两侧成轴向夹角，分别形成n极和s极；“切向（水平）截面”是指沿着永磁圆环单元壁厚度割截面，分别为矩形、等边三角形、梯形、凸形、漏斗形、碗形。
本发明提供了永磁圆柱壳体自由活塞101与永磁圆环102的磁路和悬浮方法及直线发电机组件，旨在提供一种较为实用结构简单的。
本发明还提供以下的解决方案。
一种永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法，包括：永磁圆柱壳体自由活塞101、永磁圆环102、滚珠轴承103、气缸套105和感应线圈106构成直线发电机组件；永磁圆柱壳体自由活塞101的外周侧面halbach阵列的磁场呈现单边性磁路，永磁圆环102的halbach阵列的内周侧面磁场呈现单边性磁路，永磁圆柱壳体自由活塞101置于二个永磁圆环102内，产生稳定径向悬浮磁力，气隙磁通密度呈现正弦分布；滚珠轴承103用于永磁圆柱壳体自由活塞101轴向偏磁时，起到定位支撑作用；气缸套105用于支承一个或多个感应线圈106、永磁圆环102和滚珠轴承103；感应线圈106用于永磁圆柱壳体自由活塞101在轴向移动时，磁感线切割感应线圈106产生感应电流和热量。
在本发明实施方式中，其中永磁圆环102磁路，多个永磁圆环102单元按不同磁化方向有顺序相互迭加在一起，组合成halbach阵列，构成一个闭合磁路，从而使得阵列永磁圆环102内环侧面的磁场显著增强，形成接近完美的正弦磁场；其中永磁圆环102单元充磁方向又分径向式、切向（水平）式和离散式任意角度方向；其永磁圆环102单元切向（水平）截面形状又分矩形、等边三角形、梯形、凸形、漏斗形、碗形正反向交替排列，截面形状相对高度方向对称；其阵列磁体层又分单层、双叠层和多叠层组合；该阵列磁场分布又分内侧面磁场阵列和外侧面磁场阵列。
在本发明实施方式中，其中永磁圆环102，材质为钕铁硼、双相复合永磁和永久磁体，表层涂有陶瓷，以增加抗氧化性、耐磨性和润滑性；其内圆侧面磁场呈现halbach阵列的单边性，二个永磁圆环102固定在气缸套105内，并于气缸相同内径三者同轴，其形状为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸形状一致并同轴布置。
在本发明实施方式中，其中永磁圆柱壳体自由活塞101磁路，由二个圆柱壳体底面为厚度轴向充磁和多个永磁圆环102单元按不同磁化方向有顺序相互迭加在一起，组合成halbach阵列和二个圆柱壳体底面厚度轴向充磁，构成一个闭合磁路，从而使得阵列外侧面的磁场显著增强，轴向磁场呈显n、s极，构成轴径向磁场磁路；相同地由二个圆柱壳体底面为halbach阵列构成磁路。
在本发明实施方式中，其中永磁圆柱壳体自由活塞101为动子，其空心结构，材质为钕铁硼、双相复合永磁和永久磁体，表层涂有陶瓷，以增加抗氧化性、耐磨性和润滑性；在轴向外力、径向永磁悬浮环和轴向偏磁定位滚珠轴承103的相互作用下，往复左右伸缩于气缸，该永磁圆柱壳体自由活塞101形状为圆柱壳体、正柱壳体、长柱壳体和多边壳体与气缸形状一致并同轴布置。
在本发明实施方式中，其中悬浮方法，永磁圆柱壳体自由活塞101的外侧面halbach阵列的磁场呈现单边性，永磁圆环102的halbach阵列的内侧面磁场呈现单边性，永磁圆柱壳体自由活塞101置于二个永磁圆环102内，永磁圆环102内环侧面阵列磁场与永磁圆柱壳体自由活塞101的外侧面阵列磁场相互排斥和相吸状态，迫使永磁圆柱壳体自由活塞101径向悬浮起来，气隙磁通密度呈现正弦分布；其中永磁圆环102阵列磁场的极数与永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间阵列磁场的极数二者相等，永磁圆环102磁通密度大于相对应的永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间磁通密度。
在本发明实施方式中，其中滚珠轴承103，其保持器、内环和外环一体式结构，内置圆球瓶形深沟槽为滚珠槽，滚珠107槽布满滚珠，内环壁开有槽口，滚珠107的一部分露出滚珠槽向开口，外环侧面置有供滚珠107装入滚珠槽的膛孔109，槽销固定膛孔；滚珠轴承103不直接支承永磁圆柱壳体自由活塞101，并置于二永磁圆环102外则，当永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮永磁圆环102内产生轴向偏磁时，起到定位支撑作用，其形状为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸形状一致并同轴布置。
在本发明实施方式中，其中气缸套105，为感应线圈106线盘，圆筒形上下轴向对开结构，通过螺丝固定气缸套105，其材质为树脂和铝镁合金，并用于支承一个或多个感应线圈106、永磁圆环102和滚珠轴承103；二个永磁圆环102固定在气缸套105内，永磁圆环102和气缸套105相同内径并同轴，气缸套105具有接纳永磁圆柱壳体自由活塞101、永磁圆环102、滚珠轴承103的膛孔，其形状一致为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸套105同轴布置。
在本发明实施方式中，其中感应线圈106，绕有导电特征的连续线缆，线缆包在绝缘材料内，用于永磁圆柱壳体自由活塞101在外力作用下轴向往复移动时，磁感线切割感应线圈106产生感应电流和热量，感应电流经整流电路、滤波、稳压后输出；相反之，脉冲式交替导通感应线圈106二端，感应线圈106产生磁场，迫使永磁圆柱壳体自由活塞101作轴向往复移动，该感应线圈106和气缸套105，其形状一致为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸套105同轴布置。
在本发明实施方式中，其中涉及具有径向悬浮轴承、直线电动机和直线发电机的永磁圆柱壳体自由活塞101与永磁圆环102的磁路和悬浮方法。
本发明的有益效果在于：永磁圆柱壳体自由活塞侧面配置为halbach阵列磁路，从而使得阵列外侧面的磁场显著增强，磁通密度分布均匀，气隙磁通密度呈现正弦分布，轴向往复移动时，磁感线切割感应线圈，功率密度大，瞬间响应快，频率为0-300hz；永磁阵列单元磁路自屏蔽作用，能有效地将磁场控制在一定范围内，同时也避免强磁场影响其他电子产品的正常使用；永磁圆柱壳体自由活塞径向悬浮在永磁圆环内，实现无损耗、无摩擦的轴向往复移动，提升直线发电机的功率效果。
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
附图说明
在所绘制的原理图中。
图1是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的halbach阵列磁路视图。
图2是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的切向（水平）截面halbach阵列视图。
图3是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的halbach阵列磁路分布视图。
图4是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的滚珠轴承多视图。
图5是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的径向悬浮组件多视图。
图6是本发明实施方式提供永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法的直线发电机组件爆炸图。
图中标记分别为。
永磁圆柱壳体自由活塞101；永磁圆环102；滚珠轴承103；气缸套105；感应线圈106；滚珠107；滚珠槽膛孔109。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
请参阅图1-图6。
本实施方式提供的永磁圆柱壳体自由活塞与永磁圆环的磁路和悬浮方法。
在一些实施方式中，其中永磁圆柱壳体自由活塞101、永磁圆环102、滚珠轴承103、气缸套105和感应线圈106构成直线发电机组件；永磁圆柱壳体自由活塞101的外周侧面halbach阵列的磁场呈现单边性磁路，永磁圆环102的halbach阵列的内周侧面磁场呈现单边性磁路，永磁圆柱壳体自由活塞101置于二个永磁圆环102内，产生稳定径向悬浮磁力，气隙磁通密度呈现正弦分布；滚珠轴承103用于永磁圆柱壳体自由活塞101轴向偏磁时，起到定位支撑作用；气缸套105用于支承一个或多个感应线圈106、永磁圆环102和滚珠轴承103；感应线圈106用于永磁圆柱壳体自由活塞101在轴向移动时，磁感线切割感应线圈106产生感应电流和热量。
在一些实施方式中，其中永磁圆环102体磁路图1，多个永磁圆环102单元按不同磁化方向有顺序相互迭加在一起，组合成halbach阵列，构成一个闭合磁路，从而使得阵列永磁圆环102内环侧面的磁场显著增强，形成接近完美的正弦磁场。
在一些实施方式中，其中永磁圆环102单元充磁方向图2又分径向式、切向（水平）式和离散式任意角度方向图3；其永磁圆环102单元切向（水平）截面形状又分矩形、等边三角形、梯形、凸形、漏斗形、碗形正反向交替排列，截面形状相对高度方向对称。
永磁圆环102单元阵列磁体层又分单层、双叠层和多叠层组合；该阵列磁场分布又分内侧面磁场阵列和外侧面磁场阵列。
在一些实施方式中，其中永磁圆环102图1(d)(f)，材质为钕铁硼、双相复合永磁和永久磁体，表层涂有陶瓷，以增加抗氧化性、耐磨性和润滑性；其内圆侧面磁场呈现halbach阵列的单边性，二个永磁圆环102固定在气缸套105内，并于气缸相同内径三者同轴，其形状为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸形状一致并同轴布置。
在一些实施方式中，其中永磁圆柱壳体自由活塞101磁路图1(a-i)，由二个圆柱壳体底面为厚度轴向充磁和多个永磁圆环102单元按不同磁化方向有顺序相互迭加在一起，组合成halbach阵列和二个圆柱壳体底面厚度轴向充磁，构成一个闭合磁路，从而使得阵列外侧面的磁场显著增强，轴向磁场呈显n、s极，构成轴径向磁场磁路；相同地由二个圆柱壳体底面为halbach阵列构成磁路。
在一些实施方式中，其中永磁圆柱壳体自由活塞101，为动子图6其空心结构，材质为钕铁硼、双相复合永磁和永久磁体，表层涂有陶瓷，以增加抗氧化性、耐磨性和润滑性；在轴向外力、径向永磁悬浮环和轴向偏磁定位滚珠轴承103的相互作用下，往复左右伸缩于气缸，该永磁圆柱壳体自由活塞101形状为圆柱壳体、正柱壳体、长柱壳体和多边壳体与气缸形状一致并同轴布置。
在一些实施方式中，其中悬浮方法图1(h)（i），永磁圆柱壳体自由活塞101的外侧面halbach阵列的磁场呈现单边性，永磁圆环102的halbach阵列的内侧面磁场呈现单边性，永磁圆柱壳体自由活塞101置于二个永磁圆环102内，永磁圆环102内环侧面阵列磁场与永磁圆柱壳体自由活塞101的外侧面阵列磁场相互排斥和相吸状态，迫使永磁圆柱壳体自由活塞101径向悬浮起来，气隙磁通密度呈现正弦分布；其中永磁圆环102阵列磁场的极数与永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间阵列磁场的极数二者相等，永磁圆环102磁通密度大于相对应的永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮区间磁通密度。
在一些实施方式中，其中滚珠轴承103图4多视图，其保持器、内环和外环一体式结构，内置圆球瓶形深沟槽为滚珠槽，滚珠107槽布满滚珠，内环壁开有槽口，滚珠107的一部分露出滚珠槽向开口，外环侧面置有供滚珠107装入滚珠槽的膛孔109，槽销固定膛孔；滚珠轴承103不直接支承永磁圆柱壳体自由活塞101，并置于二永磁圆环102外则，当永磁圆柱壳体自由活塞101悬浮永磁圆环102内产生轴向偏磁时，起到定位支撑作用，其形状为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸形状一致并同轴布置。
在一些实施方式中，其中气缸套105图6，为感应线圈106线盘，圆筒形上下轴向对开结构，通过螺丝固定气缸套105，其材质为树脂和铝镁合金，并用于支承一个或多个感应线圈106、永磁圆环102和滚珠轴承103；二个永磁圆环102固定在气缸套105内，永磁圆环102和气缸套105相同内径并同轴，气缸套105具有接纳永磁圆柱壳体自由活塞101、永磁圆环102、滚珠轴承103的膛孔，其形状一致为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸套105同轴布置。
在一些实施方式中，其中感应线圈106图6，绕有导电特征的连续线缆，线缆包在绝缘材料内，用于永磁圆柱壳体自由活塞101在外力作用下轴向往复移动时，磁感线切割感应线圈106产生感应电流和热量，感应电流经整流电路、滤波、稳压后输出；相反之，脉冲式交替导通感应线圈106二端，感应线圈106产生磁场，迫使永磁圆柱壳体自由活塞101作轴向往复移动，该感应线圈106和气缸套105，其形状一致为圆环体、正方管体、长方管体和多边管体与气缸套105同轴布置。
以上所仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。