專利名稱：五自由度永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，不采用任何電磁或機(jī)械裝置 作為輔助措施就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的完全懸浮。本發(fā)明可以減輕機(jī)械裝置的整體重量，且無需 傳感器和外置控制器，除了具有傳統(tǒng)電磁軸承的諸多優(yōu)點(diǎn)外，還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不需要提 供能源等特點(diǎn)，適用于為一般或特殊要求的轉(zhuǎn)子提供支撐。
背景技術(shù)：
在工程實(shí)踐中，由于轉(zhuǎn)子可繞軸向任意轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言共有五個(gè)自 由度。當(dāng)這五個(gè)自由度都得到控制時(shí)，則稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為五自由度全控制。在本發(fā)明所述的五 自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，兩個(gè)軸向永磁軸承控制系統(tǒng)一個(gè)軸向移動(dòng)的自由度， 兩個(gè)徑向永磁軸承分別控制系統(tǒng)沿徑向移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。 本發(fā)明涉及之技術(shù)領(lǐng)域目前為非磁性材料環(huán)境，并對(duì)周圍的物件可能產(chǎn)生磁化影 響，因此應(yīng)用中有必要進(jìn)行磁屏蔽。 目前，磁懸浮軸承作為世界上公認(rèn)的高性能支撐部件，已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。這 種具有傳統(tǒng)機(jī)械支撐技術(shù)所無法比擬的支撐部件具有各類傳統(tǒng)軸承無法達(dá)到的技術(shù)指標(biāo) 和性能特點(diǎn)。國(guó)際上研究磁懸浮軸承的理論與技術(shù)可以追溯到上個(gè)世紀(jì)之初，我國(guó)研究主 動(dòng)磁懸浮軸承(active magnetic bearing,簡(jiǎn)稱AMB)的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)八十年 代。 目前，磁懸浮軸承的基本理論和技術(shù)問題大部分得到了解決，目前主要面對(duì)的是 工業(yè)應(yīng)用問題，而其中相關(guān)的工藝要求和技術(shù)指標(biāo)等方面的問題不盡相同，已成為這一技 術(shù)發(fā)展的瓶頸之處。因而有專家提出了智能磁力軸承(intelligent magnetic bearing,簡(jiǎn) 稱MB)的概念，以求克服設(shè)計(jì)中的繁瑣過程。但由于技術(shù)等客觀條件的限制，這個(gè)概念也 沒有得到實(shí)現(xiàn)。故而到目前為止，磁懸浮支承這一新技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用方面仍是空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有主動(dòng)磁懸浮軸承(AMB)技術(shù)存在的性能、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 方面的不足，提供了一種5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。它的特點(diǎn)在于非同于其他依 賴于任何輔助支承的永磁軸承系統(tǒng)，在擺脫了一切附屬裝置后真正實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的5個(gè)自由 度完全懸浮。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是 本發(fā)明是提出了一種基于使得轉(zhuǎn)子在其5個(gè)自由度上實(shí)現(xiàn)完全懸浮的全永磁懸 浮系統(tǒng)(Entire Permanent Magnet Levitation System,簡(jiǎn)稱EPMLS)，這是僅僅依靠永久 磁鐵即可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，其機(jī)理是利用了永久磁鐵的動(dòng)態(tài)力平衡技術(shù)，使得系統(tǒng)中 的所有永磁體產(chǎn)生的磁力既相互依賴，又相互約束，或稱之為"以線代面"、"線面結(jié)合"技 術(shù)，從而達(dá)到系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子)在一種動(dòng)態(tài)下的自穩(wěn)定。 本發(fā)明之全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)其技術(shù)難點(diǎn)是全永磁軸承的充磁與系統(tǒng)的安裝?？梢哉J(rèn)為，本發(fā)明之全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)將依據(jù)充磁與安裝技術(shù)的性 能與難度而定，并正比于這些技術(shù)指標(biāo)與難度。 本發(fā)明涉及之全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于特種工業(yè)領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)是除 了具有AMB的所有特征外，無需提供任何的能源，是一種既節(jié)能又環(huán)保的新支承部件。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 —種5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，包括一個(gè)外殼，一個(gè)轉(zhuǎn)子，2個(gè)軸向軸承 和2個(gè)徑向軸承。 所述四個(gè)全永磁懸浮軸承的磁化方向?yàn)檩S向軸承軸向磁化，徑向軸承徑向磁化。
所述四個(gè)全永磁懸浮軸承有四個(gè)小環(huán)2個(gè)軸向軸承動(dòng)磁環(huán)和2個(gè)徑向軸承動(dòng)磁 環(huán)，還有4個(gè)大環(huán)2個(gè)軸向軸承靜磁環(huán)和2個(gè)徑向軸承靜磁環(huán)。軸向軸承動(dòng)磁環(huán)和徑向軸 承動(dòng)磁環(huán)分別安裝于轉(zhuǎn)子的兩端外側(cè)和內(nèi)側(cè)位置處，與轉(zhuǎn)子固定連接，軸向軸承靜磁環(huán)和 徑向軸承靜磁環(huán)則與外殼固定連接。 所述軸向軸承動(dòng)磁環(huán)的外圍與與軸向軸承靜磁環(huán)內(nèi)圈存在設(shè)定的傾斜度，提供一 個(gè)軸向向心力，并提高轉(zhuǎn)子的定位精度，以及提供由徑向軸承引起的軸向靜平衡力，這一傾 斜度最小為零。 所述兩個(gè)徑向全永磁懸浮軸承動(dòng)磁環(huán)與靜磁環(huán)之間的軸向偏移距離Z。徑向全永 磁懸浮軸承動(dòng)磁環(huán)與靜磁環(huán)之間的工作氣隙X為必需。在工作中，徑向全永磁懸浮軸承之 間的軸向偏移距離Z可以按照需要進(jìn)行調(diào)整，但徑向全永磁懸浮軸承之間的工作氣隙一般 不可人為改變。 為了克服徑向全永磁懸浮軸承對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，在軸向全永磁懸浮軸承內(nèi) 環(huán)表面采用斜度處理是可行的。其軸向全永磁懸浮軸承動(dòng)磁環(huán)與靜磁環(huán)之間的斜度可以產(chǎn) 生克服自身引發(fā)的軸向力并使轉(zhuǎn)子趨于平衡，其磁平衡力的大小與其斜度大小有關(guān)，可以 根據(jù)實(shí)際工況在加工前予以設(shè)計(jì)。但其斜度一旦設(shè)計(jì)完成，在實(shí)際工作中將無法調(diào)整。理 論上說，這一傾斜度也允許為零。 本發(fā)明涉及之全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可應(yīng)用于特種工況，但其實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)行
磁場(chǎng)的屏蔽設(shè)計(jì)，其實(shí)際使用中對(duì)環(huán)境的影響將視屏蔽技術(shù)及效果而定。 本發(fā)明所述之全永磁懸浮軸承的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)將與全永磁懸浮軸承的充磁、安
裝技術(shù)的精度與難度成正比。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本 發(fā)明的支承轉(zhuǎn)子的軸承全部采用全永磁懸浮軸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度完全懸浮，不依賴其 他任何輔助支承，擺脫一切附屬裝置，易于在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明五自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1中軸向軸承結(jié)構(gòu)示意圖(其中圖(a)為剖面圖，圖(b)為局部剖開等
軸測(cè)圖)。 圖3是圖1中徑向軸承結(jié)構(gòu)示意圖(其中圖(a)為剖面圖，圖(b)為局部剖開等 軸測(cè)圖)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例以結(jié)合附圖詳述如下參見圖1、圖2、圖3，本五自由度 全永磁軸承懸浮系統(tǒng)，包括一個(gè)外殼l，一個(gè)轉(zhuǎn)子4，兩個(gè)軸向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)2和靜磁環(huán) 5組成一對(duì)軸向永磁軸承，和兩個(gè)徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)3和靜磁環(huán)6組成一對(duì)徑向永磁軸 承。依靠永磁軸承產(chǎn)生的反向?qū)ΨQ磁力使得轉(zhuǎn)子趨向平衡穩(wěn)定，達(dá)到利用全永磁實(shí)現(xiàn)懸浮 的目的。 參見圖1，上述懸浮系統(tǒng)中的徑向永磁軸承是由動(dòng)靜兩個(gè)磁環(huán)組成，動(dòng)磁環(huán)2、動(dòng) 磁環(huán)3與轉(zhuǎn)子4固接，靜磁環(huán)5、靜磁環(huán)6與外殼1固接。按照實(shí)際計(jì)算結(jié)果，動(dòng)靜環(huán)間的軸 向間隙Z大小可調(diào)節(jié)。參見圖l，上述懸浮系統(tǒng)中的軸向永磁軸承同樣由動(dòng)靜兩個(gè)磁環(huán)組 成，動(dòng)磁環(huán)2與轉(zhuǎn)子4固接，靜磁環(huán)5與外殼1固接。按照實(shí)際計(jì)算結(jié)果，動(dòng)靜磁環(huán)相對(duì)面 的傾斜度可以改變，也可以為零。使得轉(zhuǎn)子快速趨于穩(wěn)定和平衡。
權(quán)利要求
一種5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，包括一個(gè)外殼(1)、一個(gè)轉(zhuǎn)子(4)、2個(gè)軸向軸承和2個(gè)徑向軸承，其特征在于所述2個(gè)徑向軸承和2個(gè)軸向軸承都是全永磁懸浮軸承，安裝位置為軸向?qū)ΨQ。可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的5自由度完全懸浮。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1描述的五自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)其特征在于所述四個(gè)全 永磁懸浮軸承的磁化方向?yàn)檩S向軸承軸向磁化，徑向軸承徑向磁化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其特征在于所述的四個(gè) 全永磁懸浮軸承有4個(gè)小環(huán)2個(gè)軸向軸承動(dòng)磁環(huán)(2)和2個(gè)徑向軸承動(dòng)磁環(huán)(3)，還有4 個(gè)大環(huán)2個(gè)軸向軸承靜磁環(huán)(5)和2個(gè)徑向軸承靜磁環(huán)(6)。軸向軸承動(dòng)磁環(huán)(2)和徑向 軸承動(dòng)磁環(huán)(3)分別安裝于轉(zhuǎn)子(4)的兩端外側(cè)和內(nèi)側(cè)位置處，與轉(zhuǎn)子固定連接，軸向軸承 靜磁環(huán)(5)和徑向軸承靜磁環(huán)(6)則與外殼(1)固定連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其特征在于所述軸向軸 承動(dòng)磁環(huán)(2)與軸向軸承靜磁環(huán)(5)存在設(shè)定的傾斜度，提供一個(gè)軸向向心力，并提高轉(zhuǎn)子 的定位精度，以及提供由徑向軸承引起的軸向靜平衡力，這一傾斜度最小為零。
5 根據(jù)權(quán)利要求1所述的5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其特征在于2個(gè)徑向全 永磁軸承對(duì)稱分布于轉(zhuǎn)子上，徑向軸承動(dòng)磁環(huán)(3)與徑向軸承靜磁環(huán)(6)之間存在軸向偏 移距離Z。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的5自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其特征在于徑向全永磁 懸浮軸承中存在一個(gè)工作氣隙X，該工作氣隙X是按照實(shí)際工況的要求設(shè)計(jì)確定，使用中一 般不可改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種五自由度全永磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，它包括一個(gè)外殼，一個(gè)轉(zhuǎn)子，2個(gè)徑向軸承和2個(gè)軸向軸承，該四個(gè)軸承都是全永磁懸浮軸承，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的五自由度完全懸浮。本發(fā)明易于在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)F16C32/04GK101709746SQ20091020054
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者張可喜, 朱禮進(jìn), 汪希平, 田豐, 錢婧 申請(qǐng)人:上海大學(xué)