CN1104730A - 环类磁悬浮轴承 - Google Patents

Abstract

本发明是一系列称之为环类的磁悬浮轴承，属于 非接触式无摩擦轴承技术领域。是利用永磁体磁场 对悬浮环轴向的被动约束、探测其经向偏位量的传感 器控制的调整线圈电流与永磁体叠加磁场对其径向 的主动束约共同实现其三自由度或五自由度约束；并 利用对结构布置对称性限止消除诸如不同安装姿势 下悬浮部分自重的影响，以达到无机械摩擦、无磨损、 高经向约束精度、高调整效率的效果。该类磁悬浮轴 承的主要结构有悬浮环、永磁体、磁轭部件、调整线 圈、偏位传感器、限位轴承、电子控制部件等构成。

Description

本发明涉及非接触式无摩擦轴承领域。

美国国家航空和宇宙航行局（NASA）与美国戈达德空间飞行中心为解决航天器中储能这一技术课题，资助美国马里兰大学展开这方面研究。该大学James A.Kirk博士早在1977年就提出了他的超飞轮储能方案-Flywheel energy storage-Part I，Basic concepts，Int.J.Mech.Sci.19（1977）223-231，这一方案的核心部件便是磁悬浮轴承-Flywheel energy storage-Part II，Magnetically Suspended Superflywheel，Int.J.Mech.Sci.19（1977）233-245，于1988年进行了模型的实验研究-Satellite Power Using a Magnetically Suspended Flywheel Stack，Journal of Power Sources，22（1988）301-311，有关磁悬浮轴承实验结果评述可参阅他1989年的论文-Prototype of a Magnetically Susponded Fly-Wheel Energy Storage System，1989 IEEE 1485-1490。

J.A Kirh博士的磁悬浮轴承为对称三自由度约束四极外环阻磁孔式阻磁环节的磁悬浮轴承（在他的文章中称之为“薄煎饼”式），其结构原理见图1。它是主要由调整线圈连（1）8件（上、下基本上呈对称按装的部件应命以“上XX”与“下XX”部件，但在非必要时不作区分，部件数以一个磁悬浮轴承计算，以下类同）、永磁体（2）4件，调整线圈连轭芯（3）8件、主磁轭（4）2件、副磁轭（5）2件、外环（6）、偏位传感器2件（分别安装于2组相对的永磁体各自的一个外侧与外环之间）、限位轴承（7）、固定栓（17）、阻磁孔式阻磁环节（12）等所组成。

图2表出这种磁悬浮轴承的工作原理。相应部件的命名与图1相同。用带箭头的细实线表示由永磁体（2）、主磁轭（4）、外环（6）构成的悬浮主磁路的主磁力线;用带箭头的虚线表示在调整线圈连电流激励下由调整线圈连铁芯（3）、主磁轭（4）、外环（6）、副磁轭（5）构成的调整副磁路的副磁力线。主、副磁路的导磁材料均工作在非磁和状态。无论外环轴线与主磁轭轴线重合与否，主磁通都存在，并且它对外环在主磁轭的轴向的移动起被动约束作用以及对副磁路的工作起着偏磁作用。当偏位传感器检测到外环轴线与主磁轭轴线重合时，一方面由传感器所控制的电路对调整线圈连不提供电流，即不存在副磁通，另一方面虽有主磁通存在但其强度对外环呈轴对称，故外环受到的经向合磁力为零。当上述的两轴线发生平行或准平行偏移时，传感器会将所测得的偏移量输给控制电路，控制电路根据偏移量的大小、各有关部件的电器或机械特性及所应达到的轴定位指标给调整线圈连输出一个恰当强度和方向的电流以产生副磁通，若以图2中中上部的磁悬浮轴承外环向左偏移的情形为例，这时的副磁力线由图中虚线所示，由于副磁通的变化量超过主磁通的变化量，即外环与主磁轭的左缝隙段主、副磁力线方向相同，则合磁通增加;在右缝隙段主、副磁力线方向相反，则合磁通减少，故左、右会磁通对外环合作用的结果是产生一个消除两轴偏移量的向心力。由图1可看出在Y轴方向同样可产生类似的独立向心力，则在垂直于主磁轭轴的平面上外环的移动便受到二维主动约束，加上它在主磁轭轴向上的被动约束便构成外环式三自由度约束。限位轴承（7）的作用是当外加干扰使外环发生过大偏移时，限位轴承投入工作以消除外环与主磁轭间的直接接触。

尽管该方案大大改善了磁悬浮轴承悬浮体的定位精度、承载能力和使用寿命，但由于它结构上的特点存在着对悬浮体探测的偏位传感器要求严格、安装困难、在应用中常遇到限位轴承线速度过大、不能在悬浮体轴端设置组合式偏位传感器、调整线圈激励的磁通在主磁轭周向分流过大致使轴位调整效率变低的缺点。

本发明的目的在于建立一种磁悬浮轴承类-环类磁悬浮轴承，它是对James A.Kirk博士的薄煎饼式这一特殊子类在六个方面即在约束自由度、环类类别、对称性、极数、偏位传感器按装类型、主磁轭周向阻磁方式，从工作原理与结构上进行了改进。

按照发明提供的三自由度约束的环类磁悬浮轴承，由外环磁轭、上、下主磁轭、永磁体、上、下副磁轭、上、下调整线圈连、上、下调整线圈连轭芯、上、下阻磁环节、偏位传感器、限位轴承、结构件、电子控制部件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、外环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，副磁路由上、下主、副磁轭、上、下调准线圈连轭芯、外环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，外环的一部分内壁为其与主磁轭间简柱形磁隙的外壁，上、下主磁轭共轴线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相临两阻磁轭环节的定位面构成的称之为极的楔形空间中有一个主磁路和一对上、下调准线圈连及其轭芯，其特征在于：所述极的个数为大于等于3的奇数时各个极中的上、下调准线圈连组成一同相组，所述极的个数为大于4的偶数时每两个互相轴对称的极中的上、下调准连组成一同相组，每个极或极对中的同相组中的电源受探测外环磁轭在相应极或极对中径向偏移量的偏位传感器信号控制，阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在垂直于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

按照本发明提供的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明提供的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，全部永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明的另一方面提供的三自由度约束的环类磁悬浮轴承，由上、下调整线圈连及其轭芯、上、下阻磁环节、偏位传感器、限位轴承、电子控制部件，其特征在于：还包括：内环磁轭、上、下主副磁轭。永磁体。结构件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、内环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，副磁路由上、下主、副磁轭、上、下调准线圈连轭芯、内环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，内环磁轭的一部分外壁为其与主磁轭间磁隙的内壁，上、下主磁轭共线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相临两阻磁环节的定位面构成称之为极的楔形空间上有一个主磁路和一对上、下调整线圈连及其轭芯，所述极的个数为大于等于3的奇数时每极中的上、下调整线圈组成一同相组，所述极的个数为大于等于4的偶数时每两个互相轴对称的极对中的上、下调整线圈连组成一同相组，每个所述极或极对中的同相组中的电流受探测内环磁轭在相应极或极对中经向偏位量的偏位传感器信号控制，每个阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在重于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：偏位传感器采用与无偏位时的内环磁轭共轴线按装的组合式偏位传感器。

按照本发明的另一方面提供的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V阻磁环节的布置均关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明的另一方面提供的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轴的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明的另一方面提供一种五自由度约束的环类磁悬浮轴承，由上、下调整线圈连及其轭芯、上、下阻磁环节、电子控制部件，其特征在于：还包括：环形磁轭、上、下主、副磁轭、永磁体、上、下分流磁轭、上、下偏位传感器、上、下限位轴承、结构件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、环形磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，上副磁路由环形磁轭及其与上主磁轭间的磁隙、上分流磁轭、上线圈连轭芯、上副磁轭构成，下副磁路由环形磁轭及其与下主磁轭间的磁隙、下分流磁轭、下线圈连轭芯、下副磁轭构成，上、下主磁轭共轴线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相临两阻磁环节的定位面构成称之为极的楔形空间中有一个主磁路和一对上、下调整线圈连及其轭芯，所述极的个数为大于等于3的奇数时每极中的上、下调整线圈连各自组成同相组，所述极的个数为大于等于4的偶数时每两个互相轴对称的极对中的上、下调整线圈连各自组成同相组，每个极或极对空间中的同相组中的电流受位其同侧的探测环形磁轭在相应极或极对空间中经向偏位量的偏位传感器信号控制，每个阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在垂直于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：称之为外环磁轭的环形磁轭的一部分内壁为其与主磁轭间简柱形磁隙的外壁。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：称之为内环磁轭的环形磁轭的一部分外壁为其与主磁轭间简柱形磁隙的内壁。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：上、下偏位传感器可全部或其中之一采用与无偏位时的环形磁轭共轴线按装的组合式偏位传感器。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角均相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称并关于上、下主磁轭互相相对的两个面的平分面不对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

按照本发明的另一方面提供的所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体及称之为力偶磁轭的部件的布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

实施本发明的环类磁悬浮轴承，除对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承外，都具有偏位传感器按装方便、限位轴承线速度小、偏位调整效率高、可采用组合式偏位传感器、结构紧凑等特点;另外，三极式具有结构相对简单、悬浮环体径向精度较高的特点。五自由度约束磁悬浮轴承不仅具有偏位调整效率高、非对称式还可平衡悬浮体重力的径向分量以及它所产生的力偶，而且是首次用一个这类环类轴承实现悬浮回转刚体的方案。

对附图说明如下：

图1是James A.Kirk博士的簿煎饼式磁悬浮轴承透视图。

图2是James A.Kirk博士的簿煎饼式磁悬浮轴承原理说明图。

图3至图5是三自由度约束内环磁悬浮轴承工作原理说明图。

图6至图10是五自由度约束内环磁悬浮轴承工作原理说明图。

图11是五自由度约束外环磁悬浮轴承工作原理说明图。

图12是组合式偏位传感器实施例。

图13是对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承实施例。

图14、图15、图16分别是对称式三自由度约束三极、四极、六极内环磁悬浮轴承实施例。

图17、图18分别是对称式五自由度约束三极、四极外环磁悬浮轴承实施例。

图19、图20、图21分别是对称式五自由度约束三极、四极、六极内环磁悬浮轴承实施例。

图22是非对称式五自由度约束三极外环磁悬浮轴承实施例。

图23是非对称式五自由度约束四极内环磁悬浮轴承实施例。

结合附图，进一步说明本发明的环类磁悬浮轴承定义及实施原则、发明原理及发明实施举例。

一，环类磁悬浮轴承定义及实施原则

1.定义

由永磁体、磁轭部件（悬浮环体、主、副磁轭、五自由度约束时还包括分流磁轭、非对称式在大力偶情形时还包括力偶磁轭）、调整线圈、阻磁环节、偏位传感器、限位轴承、紧固体、电子控制部件这些主要部件组成，实现悬浮环体经向主动约束、轴向被动约束的磁悬浮轴承。

2.环类磁悬浮轴承实施原则：

（1）术语：

悬浮环或环形磁轭-内环或外环的通称;

悬浮环体-与悬浮环固连的所有悬浮部件，故对于内环与外环情形分别称内环体与外环体;

非磁力-除考虑的一个磁悬浮轴承的主、副磁力以外的力均称为非磁力;

经向分力-力在半径方向的分量;

永磁体-磁特性均匀的永磁体;

径向平面-通过磁悬浮轴承轴的（以径向为法向的）平面;轴将径向平面分成两个径向半平面;

轴向平分面-与两主磁轭等距的以轴向为法向的平面;

极-上、下主磁轭共轴线，上、下对应的上、下阻磁环节定位面共面并通过主磁轭轴线，由相邻两阻磁环节的定位面构成的楔形空间称为极;

极数-一个环类磁磁悬浮轴承被分割的所述楔形空间的个数;

极对-每两个关于主磁轭轴轴对称的极称为极对;

本极调整线圈连-极的扇形空间中所包含的调整线圈连称为本极调整线圈连;

同相组-从属于相同偏位传感器信号控制的调整线圈连;

极角-构成楔形空间的两个平面的夹角，其值为360°/n（n为极数）;

半极角-二分之一的极角;

组合式偏位传感器-将分裂的偏位传感器公共的构成部件组合而成的传感器，按装时该组合式传感器共轴于无偏位时的悬浮体轴线。

（2）实施原则：

a.调整线圈连轭芯、阻磁环节布置均关于平面交角的半极角的两径向平面对称;永磁体侧面母线为直线、其磁化方向为轴向并方向相同;属于本极的永磁体及在大力偶情形时按装的力偶磁轭均关于该极角的角平分面对称;

b.对称式无力偶磁轭，其全部永磁体布置应关于调整线圈连轭芯与阻磁环节均对称的所有对称面对称;对称式不能抵消作用在悬浮环体上的恒定经向非磁力。非对称式其部永磁体布置仅关于径向平面中的一个径向平面对称，这时有如下三种情况：（1）如果同时又关于轴向平分面对称则可用于抵消使用在悬浮环体上的不带力的恒定径向非磁力;（2）如果关于轴向平分面不对称则可用于抵消带有小力偶的恒定径向非磁力;（3）如果按装力偶磁轭而且其布置关于全部永磁体布置的径向平面中唯一对称的径向平面对称，则可用于抵消具有大力偶的恒定径向非磁力。三自由度约束环类磁悬浮轴承仅存在上述（1）的非对称情况;

C.悬浮环在主磁轭外侧称为外环式;反之称为内环式;

d.全部磁轭均工作在磁饱和区并且无分流磁轭、力偶磁轭，实现悬浮环径向二个自由度的主动约束、轴向一个自由度的被动约束则称为三自由度约束;仅部分环体筒段工作在最佳的磁饱和区、其余磁轭均工作在非磁饱和区并有分流磁轭，以实现悬浮环轴向一个自由度被动约束、径向其两端分别为二个自由度的主动约束则称为五自由度约束;

e.主磁轭周向采用阻磁环节方案，并采用W型或V型阻磁环节;

f.对于三自由度约束：当极数为奇数时每极的上、下本级调整线圈连为一同相组、当极数为偶数时每个极对的上、下本级调整线圈连为一同相组，同相组中的电流由检测所在极或极对角平分面上悬浮环径向偏移量的传感器的信号径控制电路来控制。对于五自由度约束：当极数为奇数时每极的上、下本极调整线圈连分别组成同相组：当极数为偶数时每个极对的上、下本极调整线圈连分别组成同相组;同相组中的的电流由检测所在极或极对角平分面上悬浮环径向偏移量的与该同相组同侧安装的传感器的信号经控制电路来控制。控制电路参数根据控制理论确定。

g.其它不组成磁路的结构部件，如轴套、支座、定位栓等均用抗磁材料构成;考虑到磁屏蔽时轴承壳选用导磁材料则它应与永磁体、主磁轭、副磁轭保持适当距离。

二，发明原理说明

1.对称式与非对称式三自由度约束内环磁悬浮轴承原理

附图3为对称式三自由度约束内环磁悬浮轴承工作原理图。用带箭头的细实线表示由永磁体（2）、主磁轭（4）、内环（6）构成的悬浮主磁路的主磁力线;用带前头的虚线表示在调整线圈（1）电流激励下由计整线圈轭芯（3）、主磁轭（4）、内环（6）、副磁轭（5）构成的调整副磁路的副磁力线。主、副磁路的导磁材料均应工作在非磁饱和状态。无论内环轴线与主磁轭轴线重合与否，主磁通都存在，并它对内环在主磁轭的轴向偏移起着被动约束作用同时对副磁路的工作起着磁偏作用。

当偏位传感器检测到内环轴线与主磁轭轴线重合时，偏位传感器所控制的电路对调整线圈连不提供电流，即不存在副磁通。这时在对称式设计时虽有主磁通存在但其强度分布对内环呈轴对称，故内环环受到的径向合磁力为零;在非对称式设计时，如图4所示，内环的左右侧缝隙磁场强度分布不再轴对称，其包络线见图5，这时作用在内环体上的合磁力刚好和作用在它上面的非磁力（一般是重力）的合径向分力相平衡，故内环体受到的总的径向合力仍为零。

当上述的两轴线发生平行或准平行偏移时，传感器会将所测得的偏移量输给控制电路，控制电路根据偏移量的大小及其变化率、各有关部件的电器机械特性及所应达到的悬浮环轴定位指标给调整线圈输出一恰当强度和方向的电流以产生副磁道，若以对称式-非对称式情形的偏位调整原理与此相同-磁悬浮轴承图3中内环向左偏移为例，这时副磁力线回路由图中虚线所示，副磁通的变化量超过主磁通的变化量，即内环与主磁轭的左缝隙段主、副磁力线方向相反，则合磁通减少;在右缝隙段两类磁力线方向相同，则全磁通增加。故左、右合磁通对内环合作用的结果是产生一个消除两轴偏移量的径向力。若在径向的另一个不共线的方向存在类似的这种消除两轴偏移的独立径向力，则在垂直于主磁轭轴的平面上内环的偏位便受到二个自由度的主动约束，加上它在主磁轭轴向上偏位的一个被动约束便构成内环的三自由度约束。

2.对称式与非对称式五自由度约束内环磁悬浮轴承原理

五自由度约束内环磁悬浮轴承原理说明见附图6至图10。与三自由度约束内环式轴承相比在结构上（参见图6）增加了上、下分流磁轭（8）及在内环两端分别设置能检内环端部径向偏移的偏位传感器;非对称式结构在抵消带有大力偶的恒定径向非磁力时还增加了两件力偶磁轭（9）（参见图9）。在磁参数选择上内环筒段（6″）（参见图6）部区域工作在磁饱和区这一最佳工作状态，然而也可放宽到接近磁饱和区的工作状态。调整线圈连电流的控制上使其只受同侧偏位传感器信号控制。

在图b所示的对称设计时，内环体无偏位时的受力情况与上述相应的三自由度情形一样。

在非对称式设计时按使用目的的不同分两种情况，即：一，抵消作用于悬浮环体的不带力偶的恒定径向非磁力;二，抵消作用于悬浮环体上的带有力偶的恒定径向非磁力。对于第一种情况所采用的方法与相应三自由度一样，即永磁体分布左右不对称而关于轴向对称面对称。对于第二种情况由实施原则b可知又可分为小力偶与大力偶情形。对于小力偶情形如图7所示，这时永磁体分布左右不对称同时关于轴向平分面也不对称，内环无偏位时图7中右侧上、下磁隙中的场强包络分别用图8中曲线41与曲线42定性表示，曲线顶部出现平顶是由于磁饱和的结果。根据磁通连续原理，曲线-1与曲线-2所包络的面积应相等，因此用这一方法产生的力偶不会很大。对于大力偶情形如图9所示，图10示出图9中上部、中部、下部左右磁隙中悬浮环无偏位时的场强包络，分别用曲线51与曲线54、曲线52与曲线55、曲线53与由线56定性表示。由于有力偶磁轭（9）存在，曲线51与曲线53、曲线54与曲线56的包络面积不再相等，故能与大力偶的恒定径向非磁力相平衡。

无论是对称式还是非称式，只要悬浮环径向无偏位，则作用在环体上的合力偶、合径向力均为零。而且在悬浮环发生径向偏位时其偏位消除原理也完全一样。图6示出内环发生一种偏位情况下，主磁力线（25）、上副磁力线（27）下副磁力线（28）的走向。与三自由度约束中实现二自由度主动约束的情况类似，上、下副磁力线的存在可分别对内环两端实现这种二自由度主动约束，加上轴向上一个自由度的被动约束便构成对内环的五自由度约束。

3.对称式与非对称式五自由度约束外环磁悬浮轴承原理。

附图11为对称式五自由度约束外环磁悬浮轴承原理图。它主要由调整线圈连（1）、永磁体（2）、调整线圈连轭芯（3）、主磁轭（4）、副磁轭（5）、外环（6）、上分流磁轭（8）、下为分流磁轭（8＇）、上偏位传感器与下偏位感（13）、上限位轴承与下限位轴承（7）、限位环与偏位测环（15）部件组成。与上述五自由度约束内环式比较均有主磁路（25）及上副磁路（27）、下副磁路（28）。在非对称式设计时，按外环体受的径向恒定非磁力的不同所采用的方法与上述五自由度约束内环式相应方法相同，外环筒段（见图11中6＇）的工作磁参数选择也与五自度约束内环筒段工作磁参数选择一样。故在外环体无偏位时作用在外环体上径向力的合力偶、合径向力也均为零。在外环发生径向偏位时，实现外环两端各自的二个自由度的主动约束、外环轴向的一个被动约束方法也与相应内环时一样。

4.组合式偏位传感器

附图2给出一种组合式偏位传感器结构原理图。它是属涡流型位移传感器，是由铁氧体磁芯（31）、线圈（32）、屏蔽罩（33）及树脂填料（图中省略）组成。图中还示出与悬浮环体轴（34）在无偏位时的共轴线的装配关系。

图12给出的母体-铁氧体磁芯-设计还显示不出太多的优点，但用这一思想可并发出更优越的组合式偏位传感器。

5.阻磁环节

W型阻磁环节见图14中的（10）与图17中的（10），其特征在于主磁轭磁隙侧开有一窄糟、使主磁轭在主磁环节内的周向分流的磁力线分布在垂直于主磁轭轴的载面上呈W形，V型阻磁环节则在相应的载面上呈V形，见图15中的（11）。

三，发明实施举例

在实施举例中，（一）、（二）、（三）、（四）中给出对称式环类磁悬浮轴承例子、（五）、（六）、（七）、（八）中给出非对称式环类磁悬浮轴承例子。

（一），对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承

对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承结构及原理如图13所示，它是由调整线圈连（1）6件、永磁体（2）3件、调整线圈轭芯（3）6件、副磁轭（5）2件、主磁轭（4）2件、外环（6）、偏位传感器（13）3件、偏位传感器支架（14）3件、W型阻磁节环（10）6个、限位轴承（7）1件、定位栓（16）3件及其它结构件组成。每极的二个本极调整线圈连组成一同相组，故共有三个同相组。流入每个同相组的电流分别由距其最近的偏位传感器经控制电路来控制。

（二），对称式三自由度约束三、四、六极内环磁悬浮轴承

对称式三自由度约束三极内环，磁悬浮轴承的结构及原理如图14所示，它是由调整线圈连（1）6件、永磁体（2）、调整线圈轭芯（3）16件、副磁轭（5）2件、主磁轭（4）2件、内环（6）、内环架与偏位测环（15）、偏位传感器（13）3件、偏位传感器与限位轴承支座（14）、经、轴向限位轴承（7）、W型磁阻环节（10）6个、轴套（18）、定位栓（16）3件、轴承壳（19）所组成。每极的二个本极调整线圈连组成一同相组，故共有三个同相组，流入每个同相组的电流分别由距共最近的偏位传感器经控制电路来控制。

对称式三自由度约束四极内环磁悬浮轴承的结构及原理如图15所示。部件名称命名可参照图14。每极对的四个本极调整线圈连组成一同相组，故共有二个同相组。流入每个同相组的电流由安装在极对对称面上的两个偏位传感器经控制电路来控制。

对称式三自由度约束六极内环，磁悬浮轴承的结构及原理如图16所示。部件名称命名可参照图14。每极对的四个本极调整线圈组成一同相组，故共有三个同相组。流入每个同相组的电流由安装在极对对称面上的两个偏位传感器经控制电路来控制。

（三），对称式五自由度约束三、四极外环磁悬浮轴承：

对称式五自由度约束三极外环磁悬浮轴承的结构及原理如图17所示。它是由调整线圈连（1）6件永磁体（2）3件、调整线圈轭芯（3）6件、主磁轭（4）2件、副磁轭（5）2件、外环（6）、分流磁轭（环侧段）（8）2件、分流磁轭（端段）（8＇）2件、偏位传感器（13）6件、偏位传感器支座（14）2件、限位环与偏位侧环（15）2件、经、轴向限位轴承（7）2件、轴（17）、电器引线孔（21）、W型磁阻环节（10）6个、定位栓（16）3件所组成。每极同侧的本极调整线圈组成一同相组，故共有六个同相组。流入每个同相组的电流分别由与该相组同侧并距共最近的偏位传感器经控制电路来控制。

对称式五自由度约束四极外环磁悬浮轴承的结构及原理如图18所示。部件名称命名可参照图17。每极对同侧的两个本极调整线圈连组成一同相组，故共有四个同相组，流入每个同相组的电流由安装在该相组对称面上并位其同侧的两个偏位传感器经控制电路来控制。

（四），对称式五自由度约束三、四、六极内环磁悬轴承

对称式五自由度约束三极内环磁悬浮轴承的结构及原理如图19所示。它是由调整线圈连（1）6件、永磁体（2）、调整线圈轭芯（3）18件、副磁轭（5）2件、主磁轭（4）2件、内环（6）、上分流磁轭（8）与上环端偏位测环（15）、下分流磁轭与下环端偏位测环、偏位传感器（13）6件、偏位传感器支座与限位轴承支座（14）2件、经、轴向限位轴承（7）2件、W型阻环节（10）6个、轴套（18）、固定栓（16）3件、轴承壳（19）所组成。每极两侧的本极调整线圈连分别组成一同相组，故共有6个同相组。流入每个同相组的电流分别由与该相组同侧并距其最近的偏位传感器经控制电路来控制。

对称式五自由度约束四极内环磁悬浮轴承的结构及原理如图20所示。部件名称命名可参照图19。每极对同侧的两个本极调整线圈连组成一同相组，故共有四个同相组。流入每个同相组的电流由安装在该相组对称面上并位其同侧的两个偏位传感器经控制电路来控制。

对称式五自由度约束六极内环节磁悬浮轴承的结构及原理如图21所示。部件名称命名可参照图19。每极对同侧的两个本极调整线圈连组成一同相组。故共有六个同相组。流入每个同相组的电流由安装在该相组对称面上并位其同侧的两个偏位传感器经控制电路来控制。

（五），非对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承

将对称式三自由度约束三极外环磁悬浮轴承的实施方案图13中的三个等径的永磁体中的任何一个半径改变即得相应非对称磁悬浮轴承的实施方案。

（六），非对称式三自由度约束三极内环磁悬浮轴承：

在对称式三自由度约束三极内环磁悬浮轴承的实施方案图14中任选一极，关于该极的角平分面对称地改变该极中垂直于主磁轭轴的永磁体载面即得相应非对称磁悬浮轴承实施方案。

（七），非对称式五自由度约束三极外环磁悬浮轴承

在相应的对称式五自由度约束三极外环磁悬浮轴承的实施方案图17基础上添加一个力偶磁轭（9）即得，其实施方案见图22。

（八），非对称式五自由度约束四极内环磁悬浮轴承

非对称式五自由度约束四极内环磁悬浮轴承的结构原理如图23所示。它与图20所示的对称式内环相比从部件类别上仅增加了上、下力偶磁轭（9）及其固定螺栓（16＇）4件。调节力偶磁轭与内环构成的中间磁隙的大小可在一定程度上改变力偶的大小;增加顶部极永磁体磁通（增加其截面积）、减少底部极永磁体磁通（减少其截面积），可与悬浮内环及与其固连的部件组成悬浮体的更大重力相平衡。

Claims (14)

1、一种三自由度约束的环类磁悬浮轴承，由外环磁轭、上、下主磁轭、永磁体、上、下副磁轭、上、下调整线圈连、上、下调整线圈连轭芯、上、下阻磁环节、偏位传感器、限位轴承、结构件、电子控制部件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、外环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，副磁路由上、下主、副磁轭、上、下调准线圈连轭芯、外环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，外环的一部分内壁为其与主磁轭间简柱形磁隙的外壁，上、下主磁轭共轴线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相邻两阻磁轭环节的定位面构成的称之为极的楔形空间中有一个主磁路和一对上、下调准线圈连及其轭芯，其特征在于：所述极的个数为大于等于3的奇数时各个极中的上、下调准线圈连组成一同相组，所述极的个数为大于4的偶数时每两个互相轴对称的极中的上、下调准连组成一同相组，每个极或极对中的同相组中的电源受探测外环磁轭在相应极或极对中径向偏移量的偏位传感器信号控制，阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在垂直于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

2、根据权利要求1所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器位于相应极或极对的角平分面上。

3、根据权利要求1所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，全部永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器位于相应极或极对的角平分面上。

4、一种三自由度约束的环类磁悬浮轴承，由上、下调整线圈连及其轭芯、上、下阻磁环节、偏位传感器、限位轴承、电子控制部件，其特征在于：还包括：内环磁轭、上、下主副磁轭。永磁体。结构件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、内环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，副磁路由上、下主、副磁轭、上、下调准线圈连轭芯、内环磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，内环磁轭的一部分外壁为其与主磁轭间磁隙的内壁，上、下主磁轭共线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相邻两阻磁环节的定位面构成称之为极的楔形空间上有一个主磁路和一对上、下调整线圈连及其轭芯，所述极的个数为大于等于8的奇数时每极中的上、下调整线圈组成一同相组，所述极的个数为大于等于4的偶数时每两个互相轴对称的极对中的上、下调整线圈连组成一同相组，每个所述极或极对中的同相组中的电流受探测内环磁轭在相应极或极对中经向偏位量的偏位传感器信号控制，每个阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在重于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

5、根据权利要求4所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：偏位传感器采用与无偏位时的内环磁轭共轴线按装的组合式偏位传感器。

6、根据权利要求4或5所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V阻磁环节的布置均关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

7、根据权利要求4或5所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轴的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

8、一种五自由度约束的环类磁悬浮轴承，由上、下调整线圈连及其轭芯、上、下阻磁环节、电子控制部件，其特征在于：还包括：环形磁轭、上、下主、副磁轭、永磁体、上、下分流磁轭、上、下偏位传感器、上、下限位轴承、结构件组成，每个主磁路由永磁体、上、下主磁轭、环形磁轭及其与上、下主磁轭间的磁隙构成，上副磁路由环形磁轭及其与上主磁轭间的磁隙、上分流磁轭、上线圈连轭芯、上副磁轭构成，下副磁路由环形磁轭及其与下主磁轭间的磁隙、下分流磁轭、下线圈连轭芯、下副磁轭构成，上、下主磁轭共轴线，上、下阻磁环节的定位面共面并通过主磁轭轴线及被该定位面定位的上、下阻磁环节，每个相邻两阻磁环节的定位面构成称之为极的楔形空间中有一个主磁路和一对上、下调整线圈连及其轭芯，所述极的个数为大于等于3的奇数时每极中的上、下调整线圈连各自组成同相组，所述极的个数为大于等于4的偶数时每两个互相轴对称的极对中的上、下调整线圈连各自组成同相组，每个极或极对空间中的同相组中的电流受位其同侧的探测环形磁轭在相应极或极对空间中经向偏位量的偏位传感器信号控制，每个阻磁环节是主磁轭上在其磁隙侧开有一窄糟的并在垂直于其轴的截面上呈W型或V型的主磁轭段。

9、根据权利要求8所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：称之为外环磁轭的环形磁轭的一部分内壁为其与主磁轭间简柱形磁隙的外壁。

10、根据权利要求8所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：称之为内环磁轭的环形磁轭的一部分外壁为其与主磁轭间筒柱形磁隙的内壁。

11、根据权利要求8或9或10所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：上、下偏位传感器可全部或其中之一采用与无偏位时的环形磁轭共轴线按装的组合式偏位传感器。

12、根据权利要求8或9或10或11所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个称之为极角的楔形角均相等，永磁体、上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭轴的、交角为极角一半的两平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

13、根据权利要求8或9或10或11所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称并关于上、下主磁轭互相相对的两个面的平分面不对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

14、根据权利要求8或9或10或11所述的环类磁悬浮轴承，其特征在于：每个极角相等，上、下调整线圈连轭芯、W型或V型阻磁环节的布置关于通过主磁轭的、交角为极角一半的两平面对称，永磁体及称之为力偶磁轭的部件的布置仅关于一个通过主磁轭轴的平面对称，每个极或极对的偏位传感器测得的位移位于相应极或极对的角平分面上。

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