永磁轴承
Passive Magnetic Bearing

轴承是机械设备中一种重要零部件,它的主要功能是支撑机械旋转体,降低其运动过程中的摩擦系数,滚动轴承是运用最多的轴承,在风力发电机的轴承课件已有介绍。在本课件介绍磁力轴承。
磁力轴承按工作原理可分为三类:主动磁力轴承被动磁力轴承混合磁力轴承

本课件介绍被动磁力轴承,应用最多的是由永久磁体构成的永磁轴承。磁力轴承是利用磁体异性相吸同性相斥的特性将转轴悬浮起来,具有体积小、无功耗、结构简单特点。永磁轴承又可以分为斥力型吸力型两种。

永磁轴承一般由多个圆环型永磁体组成,圆环永磁体的磁场方向有径向与轴向2种。径向磁场方向垂直于圆环轴线,见图1左图,圆环外周是北极,圆环内周是南极,也可以相反。轴向磁场方向平行于圆环轴线,见图1右图,圆环上面是北极,圆环下面是南极,也可以相反。

圆环的磁场方向
图1  圆环的磁场方向

永磁轴承可做径向轴承轴向轴承(推力轴承),两种轴承都可采用吸力型或斥力型。根据磁环的磁化方向及相对位置的不同,永磁轴承有多种磁路结构,但其最基本的结构只有两种。图2是径向磁力轴承的原理图。

1 径向磁力轴承

图2是径向磁力轴承的基本结构示意图

径向磁力轴承基本结构
图2  径向磁力轴承基本结构

2个圆环永磁体内外相套,外环固定在机座上,磁化方向与轴线平行;主轴穿在内环中,是旋转部分,磁化方向与轴线平行。在图2中标出了磁环的磁场方向。显然内环与外环是相斥的,在磁力作用下,内环被挤在中心。由于内环与外环没有接触,内环旋转时没有摩擦阻力与磨损。

2  轴向磁力轴承

图3是轴向磁力轴承的基本结构示意图。

 
轴向磁力轴承基本结构
图3  轴向磁力轴承基本结构

2个圆环永磁体轴向并排布置,磁化方向都与轴线平行,但2个圆环磁场方向相反。2个磁环在气隙为同极性,图中为S极,2个圆环受轴向推斥力。若下环固定,上环则为转动环,上环将悬浮在下环上面,由于上环与下环没有接触,上环旋转时没有摩擦阻力与磨损。

3  磁力轴承的多种组合形式

磁力轴承的组合形式很多,下面选几种主要的形式。图4是径向轴承的组合,磁体中浅蓝色箭头代表磁场方向。

径向轴承的多种组合
图4  径向轴承的多种组合

左图是简单组合,在前面已介绍过。右图用2层磁环,作用与单环相同。

图5是推斥力型轴向轴承的组合,也称为磁推轴承

推斥力型轴向轴承的多种组合
图5  推斥力型轴向轴承的多种组合

左图是简单组合,在前面已介绍过。右图用套装的2个磁环,作用与单环相同。

图6是吸引力型轴向轴承的组合,也称为磁悬吊轴承


吸引力型轴向轴承的多种组合
图6  吸引力型轴向轴承的多种组合

左图是简单组合,与图5不同,静环与动环磁场方向相同,2圆环相互吸引,动环在静环作用下悬在下方,故称为磁悬吊轴承。右图的静环与动环均为套装,作用原理与单环相同

4  磁力轴承结构的立体图

图7为一个径向与轴向组合的磁力轴承模型立体图

径向与轴向组合的磁力轴承1
图7  径向与轴向组合的磁力轴承1

图中左侧是径向轴承,外环永磁体固定在机座内壁,内环永磁体固定在主轴上,2圆环磁场方向均为轴向,而且是同向。其工作原理前面(图2)已说明。

图中右侧是轴向轴承,左环永磁体与右环永磁体固定在机座内壁,中部磁环固定在主轴上,磁场方向见图中箭头,中部磁环在左磁环与右磁环的斥力作用下保持在中间位置,其工作原理前面(图3)已说明。

图8是从右侧看该模型。

径向与轴向组合的磁力轴承2
 
图8  径向与轴向组合的磁力轴承2

图9是另一种结构的径向与轴向组合轴承。

径向轴向组合磁力轴承结构
图9  径向轴向组合磁力轴承结构

3个外环固定在机座内侧,3个内环固定在主轴上。外环1与外环2是轴向磁场,中间外环是径向磁场,磁场方向见环截面色彩,蓝边是北极,红边是南极。内环1与内环2是轴向磁场,中间内环是径向磁场,磁场方向见环截面色彩。主轴在磁力作用下悬浮在中间,主要作用力是斥力。每个磁环受到作用力这里就不详细介绍了。

由于永磁体价格昂贵,生产、安装、维护都较麻烦,故永磁轴承多用在小型与微型机械设备中。


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