CN116667583A - 通用型罩极式磁力轴承及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明是以U形罩极全磁悬浮原理构成的无接触轴承，首先将传统轴承中所受的摩擦力转移到U形罩极中，这样就消减了整个轴系的摩擦力，根据机械动力机不同的结构需要来消除轴承中的轴向摩擦力和径向摩擦力，包含有主动型、被动型、全磁悬浮型，在磁体结构上可分为永磁型和励磁型，可用以取代多种传统轴承，从根本上消除了风电主轴中的摩擦力和磨损，提高轴系的机械传动效率。

Description

通用型罩极式磁力轴承及其实施方法

技术领域

本发明属于机电动力技术领域，具体地说，涉及机电动力系统中的一种通用轴承装置及其实施方法。

背景技术

在机电动力机组中，动力装置有电机、柴油机、汽油机、蒸汽机、透平机等等不同种类，而工作机械如车床、钻床、旋床、鼓风机、空气压缩机、真空压缩机、空调压缩机、水泵、液压泵、液流泵、泥浆泵等就有更多种类，机电动力机组就是由动力装置和工作机械构成的机电工作机组。上述机组中有由轴承组成的轴系，轴承承受着由转动轴产生的摩擦力。轴承的摩擦力是由轴上的径向力和轴向力所产生的，这些力都会叠加作用在轴承上。因此，当机组运转时，外力在轴承中产生摩擦力在所难免。摩擦力会增加机械损耗、降低装置效率，所产生的热能会影响轴承的正常工作，摩擦力产生的机械磨损更会缩短轴承寿命。这一摩擦状况在高速高温环境中更显突出和严重，所以轴承始终是这些转动机组中的一个重要关键部件。

为克服摩擦力，各种商品磁悬浮结构或磁悬浮轴承应运而生，但是这些磁悬浮轴承都采用传统的主动磁悬浮或被动磁悬浮两大类型中的某些磁悬浮结构。例如，主动磁悬浮即采用经控制的电磁铁所产生的磁吸力，被动磁悬浮则采用永磁体同性磁极的磁斥力来克服外力影响，达到磁悬浮的目的。但是，这些磁悬浮技术制造难度较高，部件的成本更高，难以在广泛的机电设施中获得推广应用。

中国发明专利CN 102122872B，《带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机》，提出的一种轴向磁悬浮轴承新结构，区别于传统的主动磁悬浮或被动磁悬浮，非常简单而实用。

上述专利谈到，在研讨电机，特别是研究永磁电机的磁场结构时，发现了一种特别的磁场力，这种磁场力是由电机磁场的“趋中效应”所产生的、这是一种不需要控制也不需要增添部件就能与轴向外力自动平衡的磁悬浮结构。

但是，上述文件中的趋中原理磁悬浮结构，仅能消除轴承中的轴向摩擦力，是一种半磁悬浮结构，对径向摩擦力不起作用。不能消除水平轴机组轴承中由重力引起的摩擦力。

发明内容

就拿科学家提倡的主动磁悬浮技术为例，主动磁悬浮的思路是去掉轴承，使转子悬浮在空中无接触运转，以无接触形式彻底消除摩擦力。

但这一简洁思路的实施却并不简单，首先需要通过传感器不断检测转子的空间位置和位移趋向，传感器信号进入控制器作测算，通过放大后的功率电流驱动电磁铁产生的铁磁吸力，用这些铁磁吸力来跟踪、抵消外力的影响。在上述多种附件配合作用下，才能使转子在各种内外力扰动下稳定地在空中运转。所以，这样一种磁悬浮原理的思路，必定产生制造难度大、成本高，难以普及推广的弊端。

既然以去除有接触轴承来消除摩擦力的方法需要增加这么多附加部件，又这么难做，那还得寻找更便捷的新方法来消除摩擦力。所以，与传统观点相反，本发明的创新点，是保留传统轴承，但使轴承只起定位限位功能而不再作为力传递媒介，使外力不再进入传统轴承。岂不同样能在轴承中减少摩擦力，所以同样能达到磁悬浮的目标。但除了正常的一点点小改动外，几乎不需要增加其他复杂部件，且实施难度却非常低。也就是说，采用成本极低的趋中效应是实现平价磁悬浮的首选，这种磁悬浮结构在外形上并不表现出悬浮状态，称为罩极式磁力轴承，非常适合作为各种机电动力机组轴系中通用的轴承。

本发明的机电动力机组轴系实现磁力轴承的方法，其特征是，保留传统轴承，让传统轴承仅作为转子的限位器或定位器；通过增加的罩极磁力结构，使轴系中的内外力不经过上述传统轴承，直接从转子通过罩极磁力结构传导到底座，原有传统轴承中的轴向摩擦力和径向摩擦力被大幅消减；而罩极磁力轴承属于无接触结构，本身就不存在摩擦力，至此，轴系中的所有摩擦力被全部消减。

根据上述方法，本发明所述的机电动力机组轴系的罩极磁力轴承装置是这样实现的，其特征是，以罩极为定子支架、罩极内弧形或直线部分无接触对称覆盖转轴圆环，磁体和导磁体分处定子体、转子体上，利用磁体和导磁体间的磁性吸力形成罩极磁力结构；将原有机组中的传统轴承改变为转动和轴向位移的双自由度轴承，则罩极磁力结构既能借助趋中效应产生轴向磁力，又能生成径向磁力，将传统轴承中的外力转移到罩极磁力轴承结构中。在两种磁力的双重作用下，大幅减轻机电动力机组轴系的摩擦力，甚至达到在理论上摩擦力接近于零的水平。

本发明的机电动力机组轴系中的罩极磁力轴承可以成为轴系中的一个或多个承力装置，是一种轴系通用的全磁力轴承结构，其特征为，轴承的基本结构由罩极磁体和导磁转子圆环成对构成，罩极磁体和导磁圆环为无接触结构，其间留有可调空气间隙；罩极内上部的内表面布置或镶嵌有磁体，罩极的垂线部分或斜撑为支撑体，通过支撑体或加设的附加器件安装在机组底座上；导磁圆环在转轴上，是罩极内转轴部分的突出环状体，为转轴的一部分或固定在转轴上的受力件，圆环外表层覆盖有一层导磁体，罩极和导磁圆环二者水平对称布置；导磁圆环与罩极磁体间允许沿轴向移动以产生轴向磁力。

传统主动磁悬浮需要增添传感器、控制器、放大器、电磁铁、外电源等诸多结构，技术复杂，成本高昂。采用本发明的趋中效应罩极磁力结构，所增加的仅是简单的导磁圆环和嵌贴磁铁的罩极，从而能有效将装置原有轴承中的轴向力和径向力，通过所增加的罩极磁悬浮结构而不是原有轴承，由转轴转移到固定的机座中，从而降低或消除了原有轴承中的摩擦力和磨损，而新增的罩极磁力轴承是无接触结构，本身不存在摩擦力，所以，通过本发明的装置，轴系中所有摩擦力被消减，轴承发热将大幅降低，机械效率得到有效提升，轴承工作寿命明显延长。

附图说明

图1、相关的磁悬浮趋中效应的原理示意图

图中标注的含义为：

2’：定子体，

4：转子体，

9：转轴。

图2、本发明的转子磁体U形罩极基本磁悬浮轴承轴向视图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

2：U形罩极，

3：磁体，

11：底座，

20：罩极支撑体，

31：罩极导磁体。

图3、本发明的定子磁体门形(直线形)罩极基本磁悬浮轴承轴向视图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

3：磁体，

4：导磁体，

20：罩极支撑体。

图4、本发明的罩极磁力轴承作为电驱动的轴流鼓风机轴承的示意图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

2：U形罩极，

3：磁体，

4：导磁体，

5：电机，

6：电机定子，

7：定子绕组，

8：电机转子，

9：转轴，

10：动力机，

11：机组底座。

图5、图4轴系的具体结构图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

2：U形罩极，

3：磁体，

4：导磁体，

5：电机，

6：电机定子，

7：定子绕组，

8：电机转子，

9：转轴，

10：鼓风机，

11：机组底座，

41：滑动轴承。

图6、本发明的电机变速动力机组轴系结构框图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

5：(直驱)发电机，

9：转轴，

10：鼓风机，

11：机组底座，

41：滑动轴承，

41’：传统轴承

51：电机，

52：齿轮箱

图7、本发明采用罩极磁力轴承后的特殊齿轮箱原理图

图中标注的含义为：

52’：输入轴可在轴向位移的齿轮箱，

G：与输入轴啮合的齿轮或齿轮组。

图8、本发明采用罩极磁力轴承后增加联轴器的机组原理图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

9：转轴，

10：动力机，

11：机组底座，

41：滑动轴承，

51：双馈发电机，

52：齿轮箱，

91：联轴器。

图9、本发明的不同磁场布置的罩极磁力轴承结构图

图中标注的含义为：

1：罩极磁力轴承，

2：U形罩极，

3：磁体，

4：导磁体，

20：罩极支撑体。

图10、本发明的被动磁性罩极磁悬浮结构原理图

图中标注的含义为：

1’：可移动罩极磁力轴承结构，

2：U形罩极，

3：磁体，

4：导磁体，

5：电机，

6：电机定子，

7：定子绕组，

8：电机转子，

9：转轴，

10：动力机，

11：机组底座

21：可动罩极位移器

具体实施方式

本发明所述的通用型磁力轴承，适用于各种功率等级的水平轴机械动力机组。

图1为相关的磁悬浮趋中效应原理的示意图。

图1结构类似一台去除定子齿槽和绕组的内转子磁场的交流同步发电机，一条条磁铁镶嵌在转子外圆表面，不同极性的条形磁铁沿转子外圆与轴心线平行间隔布置，定子内园隔着气隙与转子对称布置，定子体内表面应该是一个良好的导磁体，(图中未画出绕组)。转轴可以沿轴向自由移动，最简单的方法是以滑动轴承替代滚珠轴承，即轴承给与转轴两个自由度，其一是转动自由度，转轴可以自由转动；其二是移动自由度，转轴可以沿轴向自由移动。

在上述结构中，如果没有轴向外力，那么，由于磁力线的作用，转轴一定会处于定子中心的位置，即趋中位置。但是如果在转轴上施加一个向右的轴向力F，由于该滑动轴承没有限制推力的功能，受F力的作用，转轴一定会向右产生一个位移，这个位移破坏了转子的趋中平衡。也就是说，转轴受外力作用，会产生合适位移，借助位移会自动生成一个向左的力去抵御F力，从而使转轴达到新的平衡。外力越大，转轴的位移越大，产生的平衡力也越大，这个平衡力，就是本发明所称的轴向磁悬浮力。如F力向左，则转轴也相应地向左移动。这意味着，不管什么方向、也不管多大的轴向外力，在一定的外力强度范围内，该结构均能通过轴向移动，产生相应的磁悬浮力与外力达成随遇平衡，而无需任何控制机构。这就是本发明所要阐明的趋中效应，是本发明磁力轴承装置无接触消除轴向推力的物理基础。

基于上述原理的磁悬浮轴承装置可以取代轴系推力轴承达到无接触的力传递功能，从而可以消除传统推力轴承所带来的不可避免的摩擦力及磨损，同时提高轴系的机械传动效率。

从趋中效应的发现发展起来的轴向磁悬浮结构，与传统主动磁悬浮结构和传统被动磁悬浮结构的区别如下：

轴向磁悬浮与主动磁悬浮相同的是，都是利用铁磁吸力消除轴向外力，而轴向磁悬浮不需要任何控制器，不需要外加电能，就可以与外力达到随遇平衡，但主动磁悬浮需要配置传感器、控制器、电磁铁等多种繁杂部件，还需要外加电源辅助供能配合，才可能产生磁悬浮力。

轴向磁悬浮与被动磁悬浮相同的是，都不需要控制器，但被动磁悬浮靠同性磁极的斥力，至少要有一对磁铁，才能产生一个单向的磁悬浮力，要达到双向效果，必须有4块磁铁，而轴向磁悬浮靠的是铁磁吸力，只要一块磁铁而不是一对磁铁，就可以产生双向的磁悬浮力，且吸力比斥力作用范围更大、稳定性更高、更轻巧。

综上所述，轴向磁悬浮在原理性上既区别于传统主动磁悬浮，也不同于传统被动磁悬浮，在结构上，他比传统主动磁悬浮、传统被动磁悬浮更简单实用，成本更低、经济性更高。

轴向磁悬浮是电机中，特别是永磁电机中客观存在的结构，是我国首创的技术，基本上无须增加成本即可获得的一种磁悬浮新结构。

虽然轴向磁悬浮结构有许多优点，但水平轴机电动力机组中的轴承还受到另一个外力的作用，那就是转子体和转轴的重力，包括发电机转子、动力机转子的重力，如果还有变速齿轮箱的话，还包括齿轮重力，均能构成为轴承中的径向力，这些径向力同样也会作用在轴承中。推力和重力这二个力同时作用在轴承中，使轴承在转动中产生摩擦力，摩擦力妨碍机械转动，消耗机械能转变为热能，既降低装置的机械效率，又必须为轴承增加润滑和散热的额外成本负担；摩擦力造成的磨损，更缩短了装置轴系中轴承的工作寿命和增加了其维保成本。

这个消除轴系中轴向摩擦力和径向摩擦力的重任就落在本发明的罩极基本磁力轴承上。

图2为本发明的转子磁体的U形罩极基本磁悬浮轴承轴向视图。

本发明就是利用U形罩极基本磁力结构，用来消除机械动力机组轴承中的所有摩擦力。

图2的基本磁力轴承是这样构成的，其特征是，U形罩极磁悬浮轴承(1) 由罩极(2)和磁体(3)构成，由转轴上的磁体，组成一个大于等于转子直径的圆环，罩极构成定子，无接触地覆盖在转子磁体上端，二者成水平对称布置，罩极半圆形内圆表面有一层导磁体(31)，以降低来自转子磁体磁力线的变化在定子中的损耗，罩极的两边为直线或斜线的支撑体(20)，作为整个罩极的支撑腿固定安装在底座(11)上。

由于转子磁体对于罩极的磁力线大都处于转子上部位置，所以罩极利用铁磁吸力对转子形成一个向上的合力，恰当选择磁力大小和罩极内定转子气隙距离，使该磁性吸力等于该处转子重力，则重力就不再作用在传统轴承中。对轴承来说，相当于转轴悬浮在空中。

实际上，正如图1中谈到的趋中效应一样，图2中的轴向力还会与外力自动平衡，无需控制器进行调节控制，因此，采用本发明的U形罩极全磁悬浮轴承必须在原有轴系中保留具有转动移动两个自由度的传统轴承，所保留的传统轴承首先可以采用传统的滑动轴承，这样的滑动轴承，不具有推力功能，当然，也可以采用多列滚珠轴承。

由于转子轴向力和重力在轴承中形成的径向力，都会分别被U形罩极所产生的径向磁悬浮力和轴向磁悬浮力所抵消，所以本发明的罩极轴承，可以作为传统轴承中的轴向力和径向力的替代承载体。

众所周知，由磁体与导磁体构成的电机磁路结构中，如磁体安置在转子上，则导磁体安置在定子端，反之，也可以将磁体安置在定子而导磁体安置在转子端。

试将图2中的磁体从转轴转移定子罩极端，改变为另一种罩极结构，从转子磁体改变为U形罩极磁体，将罩极导磁体转移成转子圆环导磁体，就成为本发明的另一种基本磁悬浮轴承，其特征为，轴承的基本结构由U形罩极磁体和导磁转子圆环成对构成，罩极磁体和导磁圆环为无接触结构，其间留有可调空气间隙；U形罩极倒置安装，罩极内上部的圆弧或半圆内表面布置或镶嵌有磁体，罩极的斜线或直线部分为支撑体，通过支撑体或加设的附加器件安装在机组底座上；导磁圆环在转轴上，是罩极内转轴部分的突出环状体，为转轴的一部分或固定在转轴上的受力件，圆环外表层覆盖有一层导磁体，U形罩极和导磁圆环二者水平对称布置；导磁圆环与罩极磁体间允许沿轴向移动以产生轴向磁悬浮力。

转子和罩极间允许轴向位移，即既能借助趋中效应产生轴向磁悬浮力，又能生成径向磁悬浮力，在两种磁悬浮力的双重作用下，机电动力机组轴承中的摩擦力就可以大幅减轻，甚至在理论上达到接近于零的水平。

图3为本发明定子磁体的直线罩极磁悬浮基本轴承轴向视图。

在图3中，直线罩极磁悬浮轴承(1)同样由罩极(2)和转子圆环构成，与图2不同的是，罩极上部是直线形而不是半圆形，且磁＝体(3)在罩极上而导磁体(4)在转轴上，导磁体的直径可以高于等于转轴，这样仅需约半个圆弧上的磁体，而图2需要在整个圆柱上安置磁体，因此图3需要的磁体量可降低一半甚至还更少，且磁体布置在定子上比安置在转动的转子上更稳定和牢固。

图3的罩极称为直线罩极或门形罩极，他除了具有向上的径向提升力用于克服转轴上的重力外，还具有克服转轴左右偏离的水平径向力的能力，因为罩极与转子导磁体的齿轮箱主要3集中在中垂线附近，如果转轴偏离中垂线，同样的趋中效应会促使转轴回复到中垂线位置。

转子导磁体组成一个等于或突出于转轴的圆环，带有磁体的罩极无接触地对称覆盖在转子圆环内的上部，转子圆环靠近定子磁体的表面有一层导，磁体(4)，以降低来自定子磁体磁力线的变化在转子圆环中的发热。罩极的两边的直线或斜线支撑体(20)作为罩极的支撑腿固定安装在底座(11)上。

转轴圆环外覆盖导磁体的目的是增加磁力、减少磁阻力，更好地发挥磁力的作用，但是，在增加磁导率的同时，更重要的是，导磁体必须有很小的导电率。因为磁力线在导磁体中流动的同时，如果转轴在运转时，磁力线在导磁体中的位置不停变化，相当于用导磁体去切割磁力线，会在导磁体上部产生微小的感应电压，感应电压在导电的导磁体中产生涡流损耗，消耗能量，并引起导磁体发热。为此，导磁体应采用硅钢片或铁氧体等低导电率的材料。

本发明的第一个应用例，是将本发明的罩极磁力轴承用作涡轮动力发电机的主轴承，涡轮机可以是燃汽轮机或蒸汽轮机。

图4为本发明的罩极磁力轴承作为涡轮动力发电机组主轴承的示意图。涡轮动力机(10)与发电机共用转轴(9)，发电机由电机定子(6)、定子绕组(7)和转子(8)组成。在涡轮机和发电机之间有一个罩极磁力轴承，同样在发电机左端也有一个罩极磁力轴承。涡轮机可能产生轴向推力，但是两个罩极磁力轴承和电机磁场三位一体共同产生足够强的轴向磁悬浮力，只要很小的轴位移，就可以产生较大的轴向磁悬浮力克服涡轮机的轴向力，使轴移不影响涡轮机的正常运行，或者能取消涡轮机原有的推力轴承。如果涡轮机原先设置的推力轴承，那么经过合适设计，本发明的磁悬浮轴承可以将原有轴承中的轴向力部分或大部分转移到本发明的磁力轴承中。而原有轴承中承担的由于转子体重力所产生的径向力，也转移到罩极磁力轴承中，这样，整个机电动力机组轴系由于传统轴承中的外力将全部或大部转移到本发明的罩极磁力轴承，系统摩擦力大幅降低。

图5为图4轴系的具体结构图，二者区别是，图5将发电机两端的原有传统轴承画进去了，所述轴承可以采用滑动轴承，因为滑动轴承的整个轴承接触面都可以用来承受转子体的重力，承载能力强，成本低，且能方便提供转动和移动两个自由度。

在本应用例中，如发电机采用永磁电机，那么，发电机磁场和两个U形罩极磁悬浮轴承结构中都存在趋中效应，U形罩极磁悬浮轴承与发电机磁场结构共同作用而形成的轴向磁力，以抵消涡轮机动力机组运转中的推力，减小转子的轴向位移量；而两个罩极磁力轴承产生的径向磁悬浮力，则将抵消转动部分的重力，使重力不再作用在滑动轴承(41)中。也就是说，滑动轴承中消除了摩擦力，而罩极磁力轴承是无接触结构，也没有摩擦力，所以，整个主轴系统就消除了摩擦力。

由于转轴有一定的位移，所以机组轴封处必须考虑一段密封设计，以防止润滑油(剂)从封口外溢或进入机组。

如果发电机的原动机采用柴油机或汽油机，这些动力机组一般不产生明显的轴向力，但是原动机转动部分的重力和发电机转子重力总是存在的，还是会在这一机组的各轴承中产生摩擦力，采用U形罩极磁力轴承仍能将上述轴承中的径向摩擦力消减到很低的水平，以降低轴承发热和无为的功率损耗，提高机组的能量转换效率。

本发明的第二个应用例，是将本发明的罩极磁力轴承用作流体动力机械的主轴承。流体动力机械，用于对流体的加速或加压，也可理解为改变流体分布或密度的机械装置，流体可以是气体、液体或固体，或他们的混合物。所述的流体动力机械涉及许多种不同的名称，但不限于下述例如鼓风机、空气压缩机、真空压缩机、空调压缩机、水泵、液压泵、液流泵、泥浆泵等机组。

机械系统中所称磁悬浮轴承，在本发明之前也时有提及，例如磁悬浮电机、磁悬浮空压机、磁悬浮油水泵、磁悬浮空调压缩机等等。但是，本发明所提出的磁力轴承结构，除了同样具有降减摩作用外，还作为轴系力传递的工具，作为大动力系统轴系中替代推力轴承的一项独立装置，适合于更多更广领域使用。

本发明的第三个应用例，是将本发明的U形罩极全磁悬浮结构用作变速型流体动力机械装置的轴系轴承。

图6为采用罩极磁力轴承的带变速齿轮箱的机组框架原理图。

图6中，电机(51)输出的机械能，经过罩极磁力轴承(1)到达齿轮箱(52)，齿轮箱的输出轴再次通过另一个罩极磁力轴承到流体动力机械 (10)，驱动流体动力机械转动。左边的罩极磁力轴承承担电机转子和齿轮箱输入轴齿轮的重力，此处可以采用包括滚动轴承、滑动轴承在内的传统轴承(41’)。

在齿轮箱输出轴和流体动力机械间，即在罩极磁力轴承两端则采用滑动轴承(41)。

由于许多流体机电动力机组经常采用高速电机作动力，很可能流体机械的转速与电机转速不匹配，为配合不同转速的流体机械，通常需要采用齿轮箱变速，变速目的大多数是将电机输出的高转速降低到流体动力机械的低转速，但也有个别采用升速齿轮箱的案列，目的是使流体动力机械运行于合适的转速范围内。

在增加变速齿轮箱的本发明中，由于流体动力机械可能产生一定的轴向位移，这一位移必定会传导到右端的罩极磁力轴承和齿轮箱的输入轴。而传统齿轮箱需要齿轮间准确的啮合位置，轴向位移会减小啮合宽度，如何解决这一对矛盾？本发明的结构是，将齿轮箱内的与输出轴上的齿轮相啮合的齿轮G的宽度增加，以便在输出轴带动的低速齿轮在设定的位移范围内，都能与变宽的G齿轮相啮合。

当然，也可以加宽输出轴齿轮的宽度，但选择增加G齿轮宽度更合适，因为齿数越小的齿轮，相对磨损得越快，由于G齿轮的齿数肯定小于输出轴齿轮的齿数，其磨损程度大于输出轴齿轮，所以增加G齿轮的宽度，有利于提高整个齿轮箱的工作寿命。G齿轮也可能是一个齿轮组，例如行星齿轮，那么该组内的齿轮都必须按同一尺度加宽。

本发明机械动力机组的罩极磁力轴承，其特征是，机组中有齿轮箱，齿轮箱的流体动力机可能产生轴向力，在齿轮箱与流体动力机之间设立U形罩极磁力轴承，齿轮箱的输出轴采用滑动轴承，与输出轴齿轮相啮合的G齿轮的宽度大于等于输入出轴可能的最大轴位移长度；利用输出轴位移产生的轴向磁悬浮力自动平衡流体动力机的推力，而U形罩极产生的径向磁力抵消电机转子和流体动力机重力在滑动轴承中的摩擦力。

本应用例，就是允许齿轮箱低速轴随着流体动力机轴一起轴移，只需要将与低速输出轴齿轮相啮合的齿轮G增加相应的宽度到满足轴移就可以维持原有的齿轮啮合效果。按照齿轮箱的磨损规律，小齿数齿轮的寿命总是低于大齿数齿轮，如果增加小齿数齿轮的宽度，在大齿数齿轮有轴移的情况下，反而可以延长小齿数齿轮的寿命，所以大齿数齿轮的位移对齿轮箱来说，有一定的好处，合理使用还可能获得利益。

由于转轴有一定的位移，所以齿轮箱输出轴轴封处必须考虑一段密封口设计，以防止润滑油(剂)从封口外溢。

图7为本发明采用罩极磁力轴承后的特殊齿轮箱原理图。

本发明的第五个应用例，也是用于带齿轮箱的流体动力机等机组的主轴承。众所周知，齿轮箱对轴移是很敏感的，轴移可能改变齿轮间的啮合位置。为防止轴移对齿轮箱的不利影响，也可以在涡轮机轴和传统齿轮箱低速轴之间设置联轴器，这样，尽管流体动力机转轴有轴移，但联轴器会自动消除该轴移，齿轮箱低速轴就没有了轴移，其特征是，流体动力机连接罩极磁力轴承(1)，在罩极磁力轴承后的转轴上增加一个联轴器，然后由联轴器动力输入端接传统齿轮箱(52)；增加联轴器后，流体动力机的轴向位移不再影响齿轮箱的正常工作，或者说，涡轮机的推力最后传递到联轴器输入端，联轴器输出端不再存在涡轮机推力，不再影响齿轮箱的工作。

图8为本发明的采用罩极磁力轴承后增加联轴器的流体动力机机组原理图。

综上所述，在配置齿轮箱的各种流体动力机组中的磁力轴承，其特征为，机组中有动力机，例如电动机或热机，有流体机械，如泵或压缩机，还有齿轮箱；机组轴系中有一台或多台罩极磁力轴承，配以原有齿轮箱和电动机的、或者增设的滚动轴承和/或滑动轴承以构成轴系；U形罩极磁力轴承承担并消除传统轴承中的径向摩擦力；并通过轴移自动消除轴系中的轴向摩擦力，采用增设联轴器或加宽与低速输出轴齿轮相啮合的齿轮G的结构实现轴移。

以鼓风机为例，假如先使一台非磁悬浮水平轴鼓风机电机的传统轴承改变为转动和移动双自由度的轴承，例如滑动轴承，即在保证其转动自由度的前提下，允许其转轴在轴向自由移动，然后在电机转轴的两端连接两个由导磁体组成的导磁圆环(4)，导磁圆环与转轴紧配合，各导磁圆环外围对应着一个罩极结构(2)，罩极的半圆内表面布置有磁体(3)，罩极的支撑部分(20)为支撑体，通过支撑体固定在电机底座上；导磁圆环与磁体间留有空气间隙。

实现这一简单的结构改进，那么，正如图1的趋中效应所指明的，当电机通电工作后，流体动力装置在驱动流体工作过程中所产生的反作用力，会在传统轴承中形成轴向推力，这个推力同样会在轴承中产生摩擦力。但由于本发明结构中的轴承可以在轴向自由移动，轴承不再承受轴向力的影响，而转轴的移动使磁力结构转轴上的导磁圆环与罩极中磁铁的位置发生偏移，偏移产生的趋中效应起作用，产生一个由轴向磁悬浮力的回复力形成的轴向磁力，该磁悬浮回复力刚好与流体机械的推力产生力平衡，这就使轴向磁悬浮力超越轴承，将机组轴向推力通过罩极转移到机座中。

与已有的传统主动磁悬浮结构相比，本发明的结构简单有效，无需传感器、无需控制器，也不需要外供电源，制造难度和成本比已有主动磁悬浮结构流体动力装置低得多。

上述磁悬浮结构中，转轴移动由外力所致，转轴移动主动产生一个磁悬浮力，该磁悬浮力恰好与外力大小相同、方向相反，所以不需要任何控制调节，故称为罩极结构的主动磁悬浮。本发明的主动磁悬浮结构与传统意义上所称的主动磁悬浮结构相比较，两种都属于吸力型，但传统主动磁悬浮没有随动功能，不能自动跟踪外力，必须依靠传感器、控制器和外电源，来追踪、平衡外力。显然，本发明的主动磁悬浮结构简单得多，因此本发明的磁悬浮结构具有很大的优越性，但上面推荐的本发明的基本型新磁悬浮结构也有一些需进一步改进之处，例如：

1、如果在静态时，导磁圆环与罩极间的径向磁悬浮力刚好与转子重力平衡的话，那么在动态过程中，导磁圆环与罩极间的位置偏离将会减弱径向磁悬浮力，也就是说，虽然设计中保证了静态径向磁悬浮力与重力的平衡，但在动态过程中不能完全消除重力所引起的摩擦力的影响。

2、在磁体设计中，如果使导磁圆环与罩极间的磁悬浮力刚好等于重力，与转子重力恰好达到完全平衡的话，那么在受到外力扰动影响，轴承可能一会儿径向磁悬浮力大于重力，使轴承上端受力，一会儿径向磁悬浮力小于重力，轴承下端受力，轴承受到变化力的冲击，很容易产生振动噪声，甚至损坏，因此，在实际应用中，在任何动态工作过程中的设计磁悬浮总吸力，即径向磁悬浮力，不得超过转子该端重力的95％-98％。

3、磁悬浮结构带来的轴向窜动问题，在流体动力装置中，有些装置对轴向窜动不敏感，但是有些装置对轴向窜动有较严格的限制，但在主动磁悬浮结构中，轴向移动意味着明显的轴窜动。

针对轴向窜动问题，本发明的第六个应用实例是，如何改变磁场布置走向，在相同的轴向推力作用下，获得更小的轴向位移。

图9为本发明中采用不同磁场布置的磁悬结构图。

通常，磁铁可以像普通外转子永磁电机中的结构，将一条条瓦形磁铁沿电机的轴线布置在U型罩极内圆面上，称为定子磁场，如图3所示。或者与之对应的是，像普通内转子永磁电机中的结构，将一条条瓦形磁铁布置在转子导磁圆环的圆面上，称为转子磁场，如图2所示。

经过仔细分析磁场放在罩极上还是转轴上，发现后者需要在整个转轴圆面上布满磁体，而前者却只需要在半个甚至不到半个圆面上布置磁体，显然所需要的磁体数量少，材料利用率高、经济效益大。

在本发明中，与磁体布置在定子端还是转子端不同的是，磁体还可以有沿轴向布置，和沿径向布置的两种不同布置形式。

磁体布置更大的改进是将磁体从沿轴向布置改变为沿径向布置，轴向布置是电机的标配结构，而径向布置恰好是本发明罩极磁力轴承的优秀结构。

图9为本发明中，磁体的4种不同布置，即：

图9a)为转子轴向布置磁场，

图9b)为转子径向布置磁场，

图9c)为定子轴向布置磁场，即图3的布置，

图9d)为定子径向布置磁场，仔细观察所标注的磁极N、S与图9c)的不同处。

所谓轴向布置就是磁条平行于轴线，并在轴向延伸，这一布置结构与传统的电机磁场布置相仿，磁力线沿径向进入定子后在定子磁轭的圆周方向流动，见图9a)。另一种布置是径向布置，所谓径向布置就是同一磁条垂直于轴线，同一磁性极布置在圆周向，磁力线沿径向进入定子后在定子磁轭的平行于转轴轴线的方向流动，这一布置结构与传统的电机磁场相垂直，详见图 9b)，电机磁场中不采用这种布置。

在图9c)中，同样为轴向布置，磁体成为条状，同一极性是沿着轴线方 向伸展的，磁体从U型罩极换到转轴上后，就成为图9c)的结构，磁力线从 U型罩极上的N极发出，经气隙进入的进入转轴圆环导磁体，然后沿圆环 弧线流动，并再次穿越气隙回到U型罩极上的S极磁体。如果改变磁体布 置方向，采用径向布置，将两块半环形磁铁贴在U型罩极上，即成为图9d) 的结构，磁力线从N极发出，经气隙进入转轴圆环导磁体，然后沿圆环轴 线流动，并再次穿越气隙回到U型罩极上的S极磁体。可以发现在相同的 轴位移时，图9d)的结构比图9c)的结构磁悬浮力更强，这就可以缩短转轴 轴伸距离，减小轴窜动，也就是减少了轴伸对鼓风机风叶工作位置的影响。

如果仍旧考虑将磁体布置在U型体上，则图9a)成为图9c)，图9b)成为图9d)，磁体的N极与S极在同一图上所画出的位置与图9d)不同，因为图 9d)中两块环形磁体的一个内环面为N极，外侧面为S极，另一块内环面为S 极，外侧面为N极。图9c)为条形磁体，而图9d)为环形磁体。

以上所述称为本发明的主动型磁悬浮结构，它无需控制器，由外力的作用主动产生轴位移，这一位移自然形成一个轴向磁悬浮力，又会自动平衡轴向外力。

为完全消除轴向窜动对流体动力装置的影响，本发明的第七个应用实例是，可以采用被动磁力的罩极结构，所谓被动磁力结构，就是以罩极的受控移动代替转轴的移动，产生相应轴向磁力的另一种结构形式。

下面撰述本发明的罩极体轴向滑移系统的具体构造原理。

图10为本发明的被动型磁力结构原理图。

一种传统的由电机驱动的流体动力机械装置，其特征为，磁力结构为被动型；装置由传统电机和流体机械二大部件组成，仍配置传统的推力轴承，轴承侧座配置有应力传感器，装置增加径向磁力控制器；罩极结构下端为可动罩极位移器(21)，罩极位移器驱动后可在装置底座(11)上沿轴向移动，以代替轴的移动而生成轴向磁力；传感器将推力信号输入轴向力控制器，控制器处理判断轴向力的大小和方向，然后驱动可动罩极位移器朝向与轴向推力相反方向移动，直至应力传感器内应力接近零值的不敏感区。

众所周知，转轴是刚体，因此转轴将轴向力传递到轴承端的应力传感器后产生应力信号，转轴都不再能移动，通过测量转轴内轴向应力的大小和方向，就可以获知轴内轴向力的情况。由应力传感器所测出的轴内应力信号输入轴向力控制器，经轴向力控制器处理判断轴向力的大小和方向，然后驱动可动罩极位移器(21)向某一轴向移动，以产生一个恰如其分的、平衡轴向推力的轴向磁力，力平衡后传感器上的应力消失，罩极停止移动。从某种意义上说，被动型罩极磁力轴承的主体实际上就是一具定子体轴向滑移系统，采用一种稳定的负反馈控制器进行磁力控制。

上述罩极体轴向滑移系统采用负反馈机制实现本发明的被动磁悬浮结构功能。

图10为本发明的被动型磁力轴承结构原理图。图中，右边由流体动力机械产生的推力F，方向向左。如按本文实施例一的主动型罩极磁力轴承，转轴也应该向左移动，但在本实施例中，受推力轴承的作用，转轴无法向左移动，如果以罩极向左移动的方式代替转轴向右移动，那么与实施例一的效果一样，会产生同样的向右轴向磁力。

在被动型磁力轴承实施的设计方案中，可以采用一个罩极移动一个罩极不移动，也可以采用二个罩极都移动的方案，二者各有利弊，视需要而定。

上述披露的各种方案和结构中的磁体，构成磁体的材料有磁钢、铁氧体硬磁、铁镍钴、钕铁硼等各种材料，其中，钕铁硼磁铁称为超级磁铁，磁性强，所产生的磁悬浮力更大。

本发明的第八个应用实施例，就是励磁方案，即以电磁铁器件直接替代磁体，特别是罩极上的电磁铁更方便替代磁体，但是如需要在转轴上布置电磁铁，则必须增加电刷滑环，才能将励磁电流送入电磁铁。电磁铁采用固定不变的或可调的励磁电流。所谓固定励磁电流的方法，比较简单实用，具有造价低，安装方便，特别适合于固定转速的流体动力机械装置。

当然，励磁电流也可以自动调节，此时，必须在每个电机轴承支承端设置一个压力传感器以测量轴承所受到的由重力所产生的应力信号，将该信号输入到重力控制器中，由重力控制器产生相应的励磁电流送入电磁铁，由磁铁与导磁体所产生的磁悬浮力以抵消重力影响，获得更准确的径向磁悬浮效果，那么，由轴向偏移所引起的径向磁悬浮力的变化就可以获得补偿。

在励磁型主动磁悬浮结构中，在补偿径向磁悬浮力的变化过程中，反过来也会对轴向磁悬浮力产生反影响，所以这种影响是双向的，但万变不离其宗，有了轴向磁悬浮力的无控自动平衡和径向磁悬浮力的负反馈调控，装置会很快进入力平衡状态，进入力平衡状态下的励磁电流将固定不变。

本发明的采用电磁铁的磁悬浮结构有以下优点：

1、控制励磁电流以获得最佳的磁悬浮效果，控制性能优于实施例一；

2、磁体的稳定性差，磁力会因时间和环境温度的变化而减少，而电磁铁的磁力决定于励磁电流，只要励磁电流稳定，则磁力的稳定性一定高于磁体；

3、电磁系统的安装维修是在无磁状态下进行操作，比起带磁体的系统相对简单容易，基本上无需专用工具；

4、由于磁体，特别是超级磁铁的价格昂贵，电磁铁的造价相对便宜。

但是，电磁铁结构必须额外增加励磁功率和控制功率的消耗，使装置的能源效率有所降低。

本发明的第九实施例，称为无轴向窜动主动型，是对主动型和被动型的优缺点互补后的产物，即主动型无需控制但有轴向窜动，被动型无轴向窜动但必须要依靠控制。

对于具有固定转速的磁悬浮流体动力机械装置，更简单的结构是在设计和装配过程中预先设定一个恰当的、固定的罩极偏移量，那么当装置运行中达到这一转速时，即使不用控制器，也能使轴承中的摩擦力为零或接近零值，同样获得磁悬浮效果。

综上所述，本发明提供了由电机驱动的流体动力装置的多种罩极磁力轴承结构，从结构类别上涵括主动型磁悬浮、被动型磁悬浮，磁铁布置上有转子型和罩极型、轴向布置和径向布置，磁性来源上有磁铁型和电磁铁型，无轴向窜动主动型，轴向磁悬浮力来源上有转轴移动型和罩极移动型的区别，这其中通过排列组合可形成不同种类的多个同属技术产品，所有这些不同用途装置和结构，不论用在任何不同的机械设备场合，都在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种通用型磁力轴承，其特征为，以罩极为定子支架、罩极内弧形或直线部分无接触对称覆盖转轴圆环而构成的磁力结构，磁体和导磁体分处定子体、转子体上，利用磁体和导磁体间的磁性吸力形成罩极磁力结构，将原有机组中的传统轴承改变为转动和轴向位移的双自由度轴承；则罩极磁力结构既能借助趋中效应产生轴向磁力，又能生成径向磁力，将传统轴承中的受力转移到罩极磁力轴承结构中；在两种磁力的双重作用下，大幅减轻机电动力机组轴系的摩擦力。

2.根据权利要求1所述的通用型磁力轴承，其特征为，轴承的基本结构由U形罩极磁体和导磁转子圆环成对构成，罩极磁体和导磁圆环为无接触结构，其间留有可调空气间隙；U形罩极倒置安装，罩极内上部的圆弧或半圆内表面布置或镶嵌有磁体，罩极的斜线或直线部分为支撑体，通过支撑体或加设的附加器件安装在机组底座上；导磁圆环在转轴上，是罩极内转轴部分的突出环状体，为转轴的一部分或固定在转轴上的受力件，圆环外表层覆盖有一层导磁体，U形罩极和导磁圆环二者水平对称布置；导磁圆环与罩极磁体间允许沿轴向移动以产生轴向磁悬浮力。

3.根据权利要求1、权利要求2所述的通用型磁力轴承，其特征为，机组中有动力机，例如电动机或热机，有流体机械，如泵或压缩机，还有齿轮箱；机组轴系中有一台或多台U形罩极磁悬浮轴承，配以原有齿轮箱和电动机的、或者增设的滚动轴承和/或滑动轴承以构成轴系；U形罩极磁悬浮轴承承担并消除传统轴承中的径向摩擦力；并通过轴移自动消除轴系中的轴向摩擦力，采用增设联轴器或加宽与低速输出轴齿轮相啮合的齿轮G的结构实现轴移。

4.根据权利要求1所述的通用型磁力轴承，其特征为，磁场结构布置有转子轴向布置、转子径向布置、定子轴向布置、定子径向布置四种形式。

5.根据权利要求1所述的通用型磁力轴承，其特征为，磁悬浮结构为被动型；装置由传统电机和流体机械二大部件组成，仍配置传统的推力轴承，轴承侧座配置有应力传感器，装置增加径向磁悬浮力控制器；U形罩极结构下端为可动罩极位移器(21)，罩极位移器驱动后可在装置底座(11)上沿轴向移动，以代替轴的移动而生成轴向磁悬浮力；传感器将推力信号输入轴向力控制器，控制器处理判断轴向力的大小和方向，然后驱动可动罩极位移器朝向与轴向推力相反方向移动，直至应力传感器内应力接近零值的不敏感区。

6.根据权利要求1所述的通用型磁力轴承，其特征为，装置结构为励磁型，磁悬浮结构中的磁铁为电磁铁，电磁铁采用固定不变的或可调的励磁电流。

7.根据权利要求6所述的通用型磁力轴承，其特征为，装置结构为励磁型，励磁电流也可以自动调节；在每个电机轴承支承端设置一个压力传感器，装置还配置一个重力控制器；压力传感器以测量轴承所受到的由重力所产生的应力信号，将该信号输入到重力控制器中，由重力控制器产生相应的励磁电流送入电磁铁。

8.根据权利要求1所述的通用型磁力轴承，其特征为，名称为，无轴向窜动主动型，装置由传统电机和流体驱动器二大部件组成，仍配置传统的推力轴承；装置具有固定转速；磁悬浮结构是在设计和装配过程中预先设定一个恰当的罩极偏移量，以产生一个预置的磁悬浮力，使所述磁悬浮力恰好等于或接近装置在该转速下的实际所需磁悬浮力，降低或消除轴承中的摩擦力。

9.根据权利要求1、权利要求2、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7、或权利要求8所述的通用型磁力轴承，其特征为，称为无轴向窜动主动型，适用于于具有固定转速的装置；磁悬浮结构是在设计和装配过程中预先设定一个恰当的罩极偏移量，以产生一个预置的磁悬浮力，使所述磁悬浮力恰好等于或接近装置在该转速下的实际所需磁悬浮力，以降低或消除轴承中的摩擦力。

10.机电动力机组轴系实现通用型磁力轴承的方法，其特征是，保留传统轴承，让传统轴承仅作为转子的限位器或定位器；通过增加的罩极磁力结构，使轴系中的内外力不经过上述传统轴承，直接从转子通过罩极磁力结构传导到底座，原有传统轴承中的轴向摩擦力和径向摩擦力被大幅消减；而罩极磁力轴承属于无接触结构，本身就不存在摩擦力，至此，轴系中的所有摩擦力被全部消减。