专利名称：永磁磁浮轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及永磁磁浮轴承系统，特别涉及轴向永磁磁浮轴承和机械轴承组相组合 的磁悬浮轴承系统。
背景技术：
由于磁悬浮轴承没有机械接触，免维护，能运行于高速，不需要润滑，没有磨损，寿 命长，因此在许多场合受到欢迎，并得到广泛应用。而永磁磁浮轴承由于是被动式的，结构 简单，不需要复杂而昂贵且耗电的控制系统，因此更受到欢迎。然而，欧肖定理(Earnshawtheorem_1842 年被 Samuel Earnshaw 所证明)指出， 单独依靠永磁体产生的磁力不可能使有六个自由度的磁性刚体(比如一个与悬浮磁体相 连的带轴的飞轮，有六个自由度，三个转动自由度和三个平动自由度)在重力场中产生三 维悬浮，所以永磁磁浮轴承不能单独运用，必须与其他悬浮或支撑方式相结合。这一点被许 多发明人所忽视，以致提出一些不能实施的专利。现有的永磁磁浮轴承的另一个缺点是其悬浮力和悬浮刚度小。这是其不能获得广 泛应用的原因之一。目前，有关永磁磁浮轴承的国内专利几乎都是根据磁极同性相斥的原理来构成 的，其浮力和刚度很小。其适用范围局限于悬浮轻小的转子，如电度表的转子等。
发明内容
为了克服以上的缺点，本发明人结合本人先前的专利(专利号03114974. X，专利 名称为“磁悬浮列车及其悬浮、导向和推进系统”)，在此提供一种磁悬浮和机械轴承相结 合，而悬浮力和悬浮刚度都大得多，结构简单，不需要控制系统，而能量损耗很低和造价低 廉的永磁磁浮轴承系统。本发明的技术方案如下这是一种永磁磁浮和机械轴承相结合的磁浮轴承系统， 由磁环，间隔环，导磁环，飞轮或其他负载，主转轴和多个机械轴承组所组成，其特征在于 整个系统包括起轴向悬浮作用的磁浮轴承和起径向限位作用的机械轴承组。磁浮轴承包含固定于基座上的静止磁阵列和固定于下安装板上的转动磁阵列；静 止磁阵列由若干个固定于基座上的同轴的静止环形磁列所组成，转动磁阵列由若干个固定 于下安装板上的同轴的转动环形磁列所组成；每一静止环形磁列和每一转动环形磁列都由 若干个磁环和若干个间隔环沿轴向交替叠合而成；所有磁环的充磁方向是辐向向内或辐向 向外，同一个磁列中相邻磁环的充磁方向相反，处于同一水平面上的磁环的充磁方向相同； 为增加气隙中的磁通密度和减少磁通泄漏，在最外面的磁列的外侧和最里面的磁列的内侧 紧贴有导磁环。静止环形磁列和转动环形磁列同轴地交替排布，相邻的静止环形磁列和转动环形 磁列之间留有气隙，使各转动环形磁列可以在静止环形磁列之间无碰擦地自由转动。
两个机械轴承组分别安装在主轴的上下两端，每一机械轴承组包括三个或三个以上的机械轴承，机械轴承的转轴与主转轴平行，并沿主转轴的外圆均布，主转轴和机械轴承 的外表面接触，机械轴承的轴是固定不转的，主转轴在机械轴承的外表面的包络面内转动。磁浮轴承的磁作用力在轴向产生悬浮力，机械轴承组则限制主转轴的径向平移和垂直于转轴方向的倾覆，使其形成一个稳定而阻力很小的旋转系统。这可用于飞轮储能。这 称为(A)型磁浮轴承系统。前述之(A)型磁浮轴承系统，可形成另一变形，其特征是主转轴不转动，成为立 柱，并垂直固定于基座上；下机械轴承组和转动磁阵列安装在下转动板上，下机械轴承组的 轴承绕立柱均布，机械轴承的外缘和立柱接触，机械轴承组绕立柱旋转，上机械轴承组以相 同的方式安装在上转动板上，上下转动板之间用结构件或风叶连接；其静止磁阵列和转动 磁阵列与上述的(A)型磁浮轴承相同。静止磁阵列安装在基座上，转动磁阵列安装在下安 装板上；整个转动系统由磁浮轴承抵消其重力，并通过上下机械轴承组可绕立柱旋转，这种 结构适合于垂直轴风力发电机系统。这称为(B)型磁浮轴承系统。前述之(A)型磁浮轴承系统中的机械轴承组可脱离磁浮轴承独立使用，其特征 是以轴向止推装置替代磁浮轴承，与机械轴承组配合使用，其机械轴承的直径大于主转轴 的直径，主转轴可以垂直、水平或其他角度；主转轴在机械轴承组的机械轴承的外圆的包络 面内转动。在此情况下，机械轴承的转速小于主轴的转速，因此可使用低速机械轴承为主转 轴提供高速或超高速转动。根据前述之(B)型磁浮轴承系统，其特征是以机械止推装置代替磁浮轴承，结合 上述之机械轴承组，且其机械轴承的尺寸小于立柱的尺寸，因此，可以用小的机械轴承来转 动质量和尺寸都巨大的系统。根据前述之(A)型磁浮轴承系统，其特征是其主转轴是垂直的，倾斜的或水平 的。根据前述之(B)型磁浮轴承系统，其特征是其立柱是垂直的或倾斜的或水平的。根据前述之(A)型或(B)型磁浮轴承系统，其特征是系统中的磁浮轴承可以是多 个，以增加浮力。本发明的轴承系统有以下的有益效果(1)，如上述的(A)型磁浮轴承系统，其悬浮力和刚度都远大于现有的磁浮轴承。 举例说，一个直径200毫米，厚50毫米的小型磁浮轴承其浮力大于6000牛(600千克力)， 其刚度大于500牛/毫米；一个直径2米，厚0. 1米的磁浮轴承，其浮力足以托起全重100 吨以上的飞轮。设钢质飞轮直径为4米，厚度为1. 1米，重100吨，在60000转/分的转速 下，可储存4X IO12焦耳的巨大能量，这能量在该系统中的储存时间以年计。由于磁浮轴承 在运转中几乎无能量损耗，而整个磁浮系统处于不稳定的平衡点，因此各机械轴承的受力 几乎为零，因此在运行过程中能耗很低，磨损很小，系统的寿命很长。(2)，如前述之(B)型磁浮轴承系统，可适用于从百瓦级的小型垂直轴风力发电机 到兆瓦级的大型垂直轴风力发电机。与第一条同样的道理，其阻力很小，故微风即能启动； 磁浮轴承部分无磨损，机械轴承部分因负载接近零，其磨损很小，所需维护很少，且维护容 易。故总体寿命长，可以满足运行20年以上的要求。(3)综合以上(1)和(2)的有益效果，将风力发电和飞轮储能相结合，将风电储存 在飞轮中，在电网需电时输出。解决风力发电和电网需电在时间上的失配问题。
(4)，只要加上轴向止推机构，例如主轴两端加顶尖(见图17)，或机械轴承的外圈 为凸弧形，而主转轴与机械轴承相接触处为相应的凹形(比如轮胎形，见实施例5)，本发明 中机械轴承组可在无磁浮轴承配合的情况下单独使用。这在机械行业比较适用。设机械轴 承的半径为R，主转轴的半径为r，如果该机械轴承的最高使用转速为20000转/分，R/r = 6，则主轴的最高转速可达120000转/分。所以本发明的技术可以用低转速的机械轴承而 使主转轴获得高转速或超高转速。
图1辐向充磁的磁环(箭头表示充磁方向)。图2间隔环(非导磁材料)。图3导磁环。图4固定磁阵列的磁列(箭头代表充磁方向)。图5转动磁阵列的磁列(箭头代表充磁方向)。图6固定磁阵列。图7转动磁阵列。图8实施例1，主转轴转动型磁浮轴承系统，适合于飞轮储能。图9实施例2，主转轴固定型磁浮轴承系统(固定的主转轴称立柱)，适合于垂直 轴风力发电机。图10实施例3，磁浮轴承和机械轴承的简易组合。图11实施例4，另一种磁浮轴承和机械轴承的简易组合。图12实施例5，一般低速机械轴承使主转轴运行于高转速的图示。(a)为主视图。(b)为机械轴承21，22，23和主转轴1的配置的左视图。R为机械轴承的半径，r为
主转轴的半径。图13说明机械轴承组中各轴承在同一平面内转速比有极限的图示。图14机械轴承组中各轴承不在同一平面内无转速比限制的图示。(a)为主视图，机械轴承21，22，23不在同一平面内。(b)为机械轴承21，22，23和主转轴1的顶视图。图15实施例5的示意图。图16实施例6的轴剖面图。图17实施例7的轴剖面图。图标说明1系统主转轴，2基座，3下机械轴承组安装台(板)，4上机械轴承组安装板，5下 机械轴承组(至少三个机械轴承)，6上机械轴承组(至少三个机械轴承)，7下安装板(转 动磁阵列安装于该板上)，8磁浮轴承的转动磁阵列，8-1转动磁阵列的环形磁列，8-2转动 磁阵列的环形磁列，9磁浮轴承的静止环形磁阵列，9-1静止磁阵列的环形磁列，9-2静止磁 阵列的环形磁列，9-3静止磁阵列的环形磁列，10转动磁阵列的环形磁体，11静止磁阵列的 环形磁体，12内导磁环，13外导磁环，14间隔环，15上机械轴承组安装板(固定不转)和基 座之间的连接件，16立柱(固定轴)，17上机械轴承组安装板，18气隙，19上下机械轴承组安装板(转动)之间的连接件或垂直轴风力发电机的风叶，21-26机械轴承，27飞轮，28-29 止推轴承，30磁浮轴承集成，31-32无内圈的机械轴承，33-34与主转轴滑动配合的普通机 械轴承，35-36轮胎形机械轴承组(每组也包含至少三个轮胎形机械轴承)，37-轮胎形机 械轴承的轴)，38-39机械轴承组，40-机械轴承的轴，41-42钢珠或其他硬质珠，43-44止推 杆，45-46机械轴承组，47-48顶尖。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的描述。实施例1该实施例如图8所示，由两部分组成。第一部分是轴向磁浮系统，它使整个转动部 分克服重力悬浮起来；第二部分是上下两个机械轴承组5和6，其作用是限制主转轴1的水 平平移和倾覆。磁浮轴承由转动磁阵列8和固定磁阵列9组成。固定磁阵列9由若干个环形磁列9-1，9-2和9-3 (这里是三个，图4表示的是一个 静止环形磁列)组成。每一固定磁列由环形磁体(简称磁环)11和间隔环14 (非磁性材料) 交替叠合而成。磁环11被向外或向内辐向充磁(图8左下方的小长方块表示充磁方向)。 同一环状磁列内轴向相邻的磁环的极性相反。为使磁路更好的闭合和增加气隙18中的磁 通密度，最外的静止磁列9-1的外侧紧贴有外导磁环13，最里边的静止磁列9-3的内侧紧贴 有内导磁环12。固定磁阵列9中所有的环状磁列是同轴排列的，磁列之间留有空间，以便自 由的插入转动磁阵列8。转动磁阵列8也由若干个环状磁列8-1，和8-2 (这里是2个，图5是一个转动环形 磁列)组成。每一转动磁列也由环状磁体(磁环)10和间隔环14交替叠合而成，磁环10被 向内或向外辐向充磁，同一环状磁列中轴向相邻的磁环的极性相反。转动磁阵列8同轴地 等间隔地插入上述的固定磁阵列9的空间中。转动磁列8和固定磁列9之间留有气隙18， 以便转动磁阵列可以在固定磁阵列之间无碰擦地自由转动。垫环20是为了使转动磁阵列 有足够的悬浮高度。固定磁环11和转动磁环10的充磁方向配置如图8所示。静止磁阵列9和内、外导磁环都安装在基座2上，转动磁阵列8安装在下转动板7 的下表面。如前所述，一个磁性刚体是不能在静磁场中稳定悬浮的。为此在本发明中，静磁场 只负担轴向悬浮，其他四个自由度(两个垂直于转轴的平动自由度，两个垂直于转轴的转 动自由度)由两组机械轴承组5和6来限制，只有主转轴1的绕轴的转动是自由的，形成一 个稳定的转动系统。本发明中限制主转轴的机械轴承有两组，上机械轴承组6和下机械轴承组5。每 组至少有三个机械轴承，这三个机械轴承沿主转轴外缘均布，机械轴承的轴和主转轴平行。 机械轴承的外圈外表面轻靠主转轴，主转轴在两组机械轴承组(每组三个)5和6之间转动 (参见图12)。下机械轴承组安装在下机械轴承组安装台3上，下机械轴承组安装台3紧固 在基座2上。上机械轴承组6安装在上机械轴承组安装板4上。结构件15将上机械轴承 组安装板4和基座2连成一个整体。调节各个机械轴承的位置，使转动磁阵列和固定 磁阵列同轴，也就是使转动磁阵列处于磁力的不稳定平衡点，这时主转轴对机械轴承的压力几 乎为零，系统处于最佳悬浮状态。因为磁浮轴承在轴向有弹性，故本系统允许主转轴在轴向 有少量窜动。当机械轴承的外圈直径大于主转轴的直径时，主转轴的转速大于机械轴承的转 速。两者的直径差得越大，转速差也越大。故本发明可用低速轴承来支持主转轴的高速旋 转。其原理的讨论见实施例2后面的叙述。由于这种设计使磁浮轴承的转子处于磁力的不稳定的平衡点，故当系统的安装接 近理论位置时，主转轴施与机械轴承上的力几乎为零。因此，本系统的摩擦损耗很小。该系统的另一特点是悬浮力大。一个直径2米，高0. 1米的磁浮轴承可以浮起100 吨以上的重物，再加上前述的本机械轴承组能运行于高速，且摩擦损耗小，而磁浮轴承几乎 无能量损耗，因此适合于飞轮储能系统。图8就是一个飞轮储能系统。飞轮27装在主转轴 1上，主转轴在机械轴承组5和6中转动。图中有斜剖面线的部件是不动的。实施例2实施例2如图9所示。它的磁浮轴承部分和实施例1类似，区别在于其主转轴是固 定的，从而称其为立柱16。在本实施例中，转动磁阵列8，下机械轴承组5都安装在下安装 板7上，静止磁阵列9及内、外导磁环12、13固定于基座2上，上机械轴承组6安装在上转 动板17上。由风机风叶(例如达里厄风叶)19将装有转动磁阵列8和下机械轴承组5的 下安装板7和上机械轴承组安装板17连成一体，它们都围绕着立柱16旋转。本实施例中 磁浮轴承部分的其他部件的意义和作用与实施例1相同8_1和8-2是转动磁列，9-1，9-2 和9-3为静止磁列，10为转动磁列的磁环，11为静止磁列的磁环，14为间隔环，18为气隙。 图9中，划斜线部分是静止不转的。本实施例适合于各种规模的垂直轴风力发电机。由于 磁浮轴承的浮力很大，因此可以浮起100多吨重的兆瓦级的大型风力发电机的整个转动部 分。本发明提出的机械轴承组方案在本实施例中也表现出其优点因为在大型风力发电机 中，中央立柱的直径达数米，若用普通的单个轴承，则其尺寸大得难以制造，价格贵得难以 接受，而用本发明中用的是轴承组，可以用较小的机械轴承就能使质量和尺寸很大的风叶 和发电机转子绕着巨大的立柱转，大大降低了制造难度和造价。下面结合实施例讨论转速比与主转轴半径r和机械轴承半径R之间的关系。如图12所示。图12(a)为垂直于主转轴的主视图，(b)为表示轴承组中的三个机 械轴承21，22和23与主转轴1关系的顶视图。这种机械轴承组既可与磁浮轴承联合使用， 也可作为纯机械轴承系统使用。在图12中止推轴承28，29可以是机械止推轴承，也可以 是前述的磁浮轴承。另一组机械轴承24，25和26的作用与21，22，23相同。R为机械轴承 半径，r为主转轴半径。这种结构有两方面的好处。第一，在储能系统中，用大直径的机械 轴承，小直径的主转轴，它可以使低速的机械轴承提供主转轴的高速旋转。第二，在主转轴 (如前述的风力发电机的立柱，直径达几米)很大时，可以用三个小半径的轴承来代替一个 大轴承，大大降低了制造难度和造价。下面将转速比及相关问题进分析于下设主转轴半径为r，主转轴转速为f转/秒，机械轴承半径为R，机械轴承转速为F 转/秒。由于机械轴承的外表面和主转轴相切，两者线速度相同，故2 π fr = 2 π FR,即F/ f = r/R。若R > 1~，则f > F，即主轴转速比机械轴承的转速高，这是用低速机械轴承提供主转轴高速的情况，和实施例1向对应；若R < r，则F > f，这是大主转轴小机械轴承的情况，和实施例2相对应。下面讨论转速比的受限制的情况当R<r时，f<F，原则上f/F没有限制。当R > r时，则f/F的情况如下(1)当三个机械轴承21，22和23在同一平面内时，R/r的最大值是三个机械轴承 21,22,23的外圈相切碰，如图13所示。由几何关系可以推得最大的转速比是f/F = R/r =6.4641。(2)当三个机械轴承在三个不同平面内，如图14那样，则f/F = R/r可以任意大， 没有限制。图14中(a)为垂直于主转轴的视图。三角形30代表磁浮轴承或其他止推装置， 21，22和23为上机械轴承组的轴承，25，26和27为下机械轴承组的轴承，1为主转轴，27为 飞轮。图14中(b)为机械轴承21，22，23和主转轴1的顶视图。(3)当每组用4个机械轴承时，则当它们共面时，f/F的最大值为2. 414。当每组用4个机械轴承，则可以将相差180度(相对的)的两个轴承共面。这时 只要将四个机械轴承装在两个平面上，就可以获得无限制的转速比，比三个轴承时要用三 个平面来得性能好和省空间。其他更多个机械轴承为一组的情况与上述类似。实施例3本实施例如图10所示。其磁浮轴承部分与实施例1相同，图中用三角形30代表 磁浮轴承，1为主转轴，27为飞轮。而机械轴承组用单个无内圈的轴承31和32替代，即主 转轴本身就起轴承内圈的作用。在这种结构中，主转轴1的轴向移动十分顺畅。为了减小 滚珠和主转轴之间的压强，可以用几个无内圈轴承沿轴向并排使用，也可以用滚柱轴承代 替滚珠轴承。对于小型的要求不高的情况可以采用本方案，它有结构简单的优点。实施例4本实施例如图11所示。其磁浮轴承部分和实施例1相同，图中用三角形30代表 磁浮轴承。1代表主转轴，27代表飞轮。该实施例是直接将普通机械轴承33和34套在主 轴1上，主轴和机械轴承内圈之间滑动配合。实施例5实施例5如图15所示。这是用轮胎形机械轴承35，36与带有凹槽的主转轴1配 合形成轴向止推结构以代替磁浮轴承，在R/r >> 1时，可以使主转轴获得比机械轴承高得 多的转速。图中37是机械轴承的轴，27是飞轮。这种结构很简单。实施例6实施例6如图16所示。该系统用钢球或其他硬质球41和42加止推杆43和44 替代磁浮轴承。本实施例中38，39为机械轴承，40为机械轴承的轴(固定)，1为主转轴，27 为飞轮。这是另一种用低速轴承实现主转轴高速的方案。实施例7本实施例如图17所示。用两个顶尖47，48来替代磁浮轴承。45和46代表机械轴 承，1为主转轴，27为飞轮。
权利要求
一种永磁磁浮和机械轴承相结合的磁浮轴承系统，由磁环，间隔环，导磁环，飞轮或其他负载，主转轴和多个机械轴承组所组成，其特征在于整个系统包括起轴向悬浮作用的磁浮轴承和起径向限位作用的机械轴承组；磁浮轴承包含固定于基座上的静止磁阵列和固定于下安装板上的转动磁阵列；静止磁阵列由若干个固定于基座上的同轴的静止环形磁列所组成，转动磁阵列由若干个固定于下安装板上的同轴的转动环形磁列所组成；每一静止环形磁列和每一转动环形磁列都由若干个磁环和若干个间隔环沿轴向交替叠合而成；所有磁环的充磁方向是辐向向内或辐向向外，同一个磁列中相邻磁环的充磁方向相反，处于同一水平面上的磁环的充磁方向相同；最外面的磁列的外侧和最里面的磁列的内侧紧贴有导磁环；静止环形磁列和转动环形磁列同轴地交替排布，相邻的静止环形磁列和转动环形磁列之间留有气隙，使各转动环形磁列可以在静止环形磁列之间无碰擦地自由转动；两个机械轴承组分别安装在主转轴的上下两端，每一机械轴承组包括三个或三个以上的机械轴承，它们的转轴与主转轴平行，并沿主转轴的外圆均布，主转轴和机械轴承的外表面接触，机械轴承的轴是固定不转的，主转轴在机械轴承的外表面的包络面内转动；磁浮轴承的磁作用力在轴向产生悬浮力，机械轴承组则限制主转轴的径向平移和垂直于转轴方向的倾覆，使其形成一个稳定而阻力很小的旋转系统，可用于飞轮储能。
2.根据权利要求1所述之磁浮轴承系统，其特征是这是权利要求1的变形，主转轴不 转动，成为立柱，并固定于基座上；下机械轴承组和转动磁阵列安装在下转动板上，下机械 轴承组的轴承绕立柱均布，机械轴承的外缘和立柱接触，机械轴承组绕立柱旋转，上机械轴 承组以相同的方式安装在上转动板上，上下转动板之间用结构件或风叶连接；其静止磁阵 列和转动磁阵列的结构与权利要求1相同；静止磁阵列安装在基座上，转动磁阵列安装在 下安装板上；整个转动系统由磁浮轴承抵消其重力，并通过上下机械轴承组可绕立柱旋转， 这种结构适合于垂直轴风力发电机系统。
3.根据权利要求1所述之磁浮轴承系统，其特征是以轴向止推装置替代磁浮轴承，与 机械轴承组配合使用，其机械轴承的直径大于主转轴的直径，主转轴可以垂直、水平或其他 角度；主转轴在机械轴承组的机械轴承的外圆的包络面内转动，机械轴承的转速小于主轴 的转速，因此可使用低速轴承使主转轴运行于高速或超高速。
4.根据权利要求2所述之磁浮轴承系统，其特征是以机械止推装置替代磁浮轴承，结 合上述之机械轴承组，其机械轴承的尺寸小于立柱的尺寸，因此，可以用小的机械轴承来转 动质量和尺寸都巨大的系统。
5.根据权利要求1所述之磁浮轴承系统，其特征是其主转轴是垂直的，倾斜的或水平的。
6.根据权利要求2所述之磁浮轴承系统，其特征是其立柱是垂直的或倾斜的。
7.根据权利要求1或2所述之磁浮轴承系统，其特征是系统中的磁浮轴承可以是多个。
全文摘要
发明名称永磁磁浮轴承一种永磁磁浮轴承，由机械轴承和永磁磁浮轴承组成的复合轴承系统。包含环形静止永磁磁阵列和环形转动永磁磁阵列组成的磁浮轴承及多个机械轴承组。磁浮轴承担负转动体的轴向悬浮，机械轴承组限制转动系统的其余四个自由度。本发明结构简单，运行稳定，磁悬浮轴承的浮力大(可以浮起几百吨重的重转子)，造价低廉；机械轴承只起到使转轴保持在平衡点附近的作用，故其负载很小(因此机械磨损和能量损耗很小)。本发明适合于飞轮储能系统和各种规模的垂直轴风力发电机等。本发明中的机械轴承系统也可以单独使用，其特点是大大提高了机械轴承的极限转速，使一般的极限转速为每分钟几万转的高速轴承能用于十万转以上的超高速。
文档编号F16C32/04GK101832334SQ20101018052
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者魏乐汉 申请人:魏乐汉