CN1022437C - 利用磁力的非接触轴承 - Google Patents

Abstract

一种非接触轴承，其中沿轴向被磁化且半径和长度略有区别的圆筒形磁性件彼此相对设置，它们的极性相反的磁极彼此垂直离开一定距离。内部和外部圆筒形磁性件中之任一个可用作一轴，因此，另一个固定于一支撑件。内部和外部圆筒形磁性件保持于稳定且彼此不接触状态，以提供非接触磁性轴承。

Description

本发明涉及一种利用磁力的非接触轴承。

在现有技术中，尚未提出过沿垂直方向及水平方向均为稳定的非接触轴承。美国专利US3614181（发明人C.R.Meeks）揭示了一种用于合成径向和推力负载的磁性轴承系统，它具有一轴31及多个固连于该轴31上的沿径向极化的磁铁33。这些径向极化的磁铁设置在多个相应的磁铁35之中，而诸磁铁35沿径向极化情况恰与固连于轴31上的磁铁31的相反。在轴31的两端固连有一对沿轴向极化的磁铁37、38，这两磁铁可相对于磁铁31调节位置，使当调节磁铁37和38在轴31上的位置后可施予轴承一预加负载。轴31的中点上支撑了一负载30。从上述可看出，该轴承系统是由两个磁性轴承组成，它两相对于中心负载30分别位于轴31的两端，这两个轴承必须通过上述预加载加以调节才能获得稳定的工作，而且该轴承系统需要有一较长的空间以安装在一个伺服机构上，这些是不利的。

本发明的目的是提供一种沿垂直方向及水平方向均为稳定的、由单个轴承构成的非接触轴承，而且，不作任何调节便可获得稳定的工作性能。

为达到上述目的，本发明按如下构成：

（1）一种利用磁力的非接触轴承包括：

一沿轴向磁化的第一圆筒形或杆状磁性件;

一第二圆筒形磁性件，它置于第一磁性件之外并与它相邻但彼此间隔开，它沿其轴向在与第一磁性件的磁在方向相反的方向上磁 化，其长度与第一磁性件的长度略有不同;以及

支撑装置，用于支撑第一和第二磁性件中之任一个，而又不阻碍另一个绕自身轴线旋转;

其中所述的第一和第二磁性件之一用作一旋转轴。

（2）一种利用磁力的非接触轴承包括：

一沿轴向磁化的第一管状或杆状磁性件;

一第二管状磁性件，它置于第一磁性件之外并与它相邻但彼此间隔开，它沿其轴向在与第一磁性件的磁化方向相反的方向上磁化，其长度与第一磁性件的长度略有不同;以及

支撑装置，用于支撑第一和第二磁性件中之任一个而又不阻碍另一个沿自身轴线运动;

其中所述的第一和第二磁性件之一用作一导向轴。

（3）一种利用磁力的非接触轴承包括：

一第一圆筒形或棒状磁性件，其构成是使诸磁极连续排列在其横截面的圆周方向上;

一第二圆筒形或棒状磁性件，它置于第一磁性件内部或外部并与它相邻但彼此接近地间隔开，第二磁性件具有连续排列在其横截面的圆周方向的诸磁极，以及在第二磁性件中具有一第二相反极性磁极间隔，该间隔与在第一磁性件中的第一相反极性磁极间隔稍有不同;以及

支撑装置，用于支撑第一和第二磁性件之一个而不妨碍另一个绕自身轴线旋转。第二磁性件具有其间隔与第一磁性件的第一相反极性磁极间隔相同的诸消除磁极（conceling    magnetic    poles），这些消除磁极面对第一磁性件的诸磁极，它们用来消除由第一磁性件的诸磁极感应的磁力的影响。此外，在经过第一磁性件中的相反极性的诸磁极的直线与第二磁性件相交的诸位置处，第二磁性件具有诸校正磁极，用来防止由第一个磁性件的诸磁极感应的磁力的影响。 在上述第一和第二磁性件之一个的中心处设有一旋转轴。

（4）一种利用磁力的非接触轴承包括：

一第一磁性件，它形成一旋转体且有诸磁极，每个磁极通过纵向磁化而连续设置于其横截面的圆周方向上;

一第二圆筒形磁性件，它置于所述第一磁性件内部或外部并与它相邻但在第一磁性件的诸磁极的设置位置处与第一磁性件之横截面的一边缘略微间隔开，以及，它沿其纵向磁化以沿着圆周方向连续设置有诸磁极，这些磁极的极性与第一磁性件的诸磁极的极性不同;以及

支撑装置，用于支撑所述第一和第二磁性件中之一个而不妨碍另一个磁性件绕自身轴线旋转;

其中第一和第二磁性件的构成应使分别置于第一磁性件和第二磁性件上的彼此极性不同的诸磁极相互靠近，以及，还应使磁性件之间有一较宽的空气隙，其中每一磁性件设置于在每个第一和第二磁性件处两磁极之间的相应的中间位置上。

由上述可知，按本发明的非接触磁性轴承是一种单个地构成的、能独立起轴承作用的磁性轴承，换言之，本发明相当于上述Meeks轴承系统中的磁铁37和38四周的两组端部件中的一组，其原理与现有技术的完全不同，不必如Meeks中的作位置调节而仍能稳定地工作，并且结构紧凑。

下面将参阅附图对本发明作一详尽说明，其中：

图1A和1B是表示一种传统的非接触轴承的结构的实例的剖视图;

图2A、2B和2C是说明本发明一实施例的剖视图;

图3是用二维模型说明本发明原理的特征曲线图;

图4和5分别是利用三维模型说明本发明原理的投影图和特征曲线图;

图6和7分别是表示在一垂直于本发明非接触轴承轴线的平面内和沿轴线的方向上的势能（potential）的曲线图;

图8和9是表示使用三个磁性件的本发明实施例的剖视图;

图10、11和12是表示如图8所示的实施例的恢复力和势能特性曲线图;

图13A、13B、14A、14B、15、16A、16B、17A、17B和18是表示本发明的几种改变形式的剖视图和侧视图;

图19A和19B是表示一个上述非接触轴承制作实例的剖视图;

图20A、20B、20C、21A、21B、21C、24A、24B、25A和25B是表示本发明的几个实施例的正视图和剖视图;

图22是表示本发明中的水平恢复力的曲线图;

图23是表示本发明中的垂直恢复力的曲线图;

图26、27A和27B是表示本发明的另一些实施例的正视图和部分剖视图;以及

图28、29和30是表示本发明的另一些实施例的纵向剖视图。

对于使用磁力的非接触轴承，人们总是想到采用如图1A所示的这种结构，其中：内部和外部圆筒形件1和2，依靠在上述构件上形成的呈相对关系的同种磁极之间的排斥，而保持彼此不接触。利用这种结构，当件1和2的磁极彼此精确相对而彼此无垂直相对位移时它们能保持互不接触，但是，这种状态是不稳定的，一旦它们沿垂直向即使有一小小的位移，力F₂作用于Z方向，内部圆筒形件1就被向上或向下拉而离开外部件（如图1B所示）。因此，就要求有一种沿Z方向及水平方向均稳定的非接触轴承。

下面，描述达到上述目的的本发明的原理。

按照本发明，沿轴线磁化且半径和长度稍有不同的两圆筒形磁性件以相反（对）关系设置，它们的具有相反极性的诸磁极是彼此垂直离开一定距离的，内部和外部圆筒形磁性件中任一个可用作一轴 或轴承，因此，另一个固定于一支撑件。在此情况下，似乎内部圆筒件的磁极被外部圆筒件的磁极所吸引，由此，一圆筒件的一端就贴附到另一个的一端上，但在实际上这种情况不会发生。本申请发明人根据实验发现：内部和外部圆筒件仍互相不接触。另一方面，根据理论可确定：当两个圆筒件的磁极精确相对而彼此无相对垂直移位时，该两件就会彼此贴附着。

现在，利用一二维模型来描述一个原理，根据此原理，经磁化的两圆筒件的相反极性的诸磁极处于相对关系，此两圆筒件就互不接触。上述二维模型相当于上述结构的典型实例的纵向剖视图。

图2A是一模型的剖视图，其中：内部和外部圆筒件11和12上的、强度为m₁和m₂的磁极沿垂直方向具有位移（距离）Z。令右侧磁极之间的力为f_R和f′_R左侧磁极之间的力为f_L和f′_L。当两圆筒件共轴线时，左侧力和右侧力相等，即：

f_R＝f_L，f′_R＝f′_L

当内部圆筒件11向右移动△G（如图2B所示）时，右侧力和左侧力变为：

f_R＞f_L，f′_R＞f′_L

如此状态持续下去，由于右侧力大，故内部圆筒件愈来愈向右移动。沿X方向的它们的分力[f_R]_X，[f_L]_X，[f_R′]_X和[f_L′]_X可由下面表达式给出

[f_R]_X＝f_Rcosα_R，[f_L]_X＝f_Rcosα_L

[f_R′]_X＝f_R′cosα′_R，[f_L′]_X＝f_L′cosα′_L

分力[f_R]_X和[f_L]_X之间的大小关系取决于角α_R和α_L。如下面要提到的，当位移△G小，分力[f_R]_X就大，内部圆筒件就向右移，但是当位移△G超过一与距离Z有关的某一值以及Cosα_L大于Cosα_R时，分力[f_R]_X就大，这样，内部圆筒件被吸引的方向就相反了，它 仍位于[f_L]_X＝[f_R]_X的这一位置上。该位置是一稳定点。图2B表示一状态，此时，内部圆筒件经过此点，分力[f_L]_X大于[f_R]_X，内部圆筒件受到一将它拉回中心的力。

在外部圆筒件12固定的情况下，作用于内部圆筒件11上的力的方向，在上方诸磁极之间是向下的，而在下方诸磁极之间则是向上的，内部圆筒件11就位于这些力平衡的该位置上。

在图2A和2B中表示的内部圆筒件11比外部圆筒件12长2Z，但是，即使内部圆筒件11比外部圆筒件12短2Z（如图2C所示），前者也能同样稳定保持于它和后者不接触的这一位置上。

顺便说，从理论上说，上述稳定状态可一直保持，只要内部和外部圆筒件11和12之间的长度的差值2Z大于零就行。但实际上，重力作用于一处于浮动状态的轴上，该浮动轴受到一由一电动机或电磁铁产生的驱动力，以使它旋转或沿其轴向滑动。所以，差值2Z只需确定在一具有一适当余（裕）量的值，使即使出现这样的外力时也能保持上述的稳定状态。在此情况下，最好使差值2Z选得尽量小，因为当差值太大时作用于诸磁极之间的力就小。

本发明是针对轴承本身，当使用该轴承时，另外要设置电动机，电磁铁或类似的驱动装置，以使浮动轴旋转或沿其轴向滑动。因此，在本发明的每个实施例中没有表示出这种驱动装置。

本发明的结构的特点是，如上所述，稳定点位于两圆筒件互不接触的位置。为进一步说明这一点，现利用如图2A、2B和2C所示的二维模型作一分析。由于上方磁极之间的力等于在如图2B的下方磁极之间的力，故只讨论前者。在右上方诸磁极（S，N）之间和左上方诸磁极（S，N）之间的力分别为f_R和f_L，当北磁极和南磁极的强度分别为m₁和m₂时，则可有下列表达式：

f_R= (m₁m₂)/(D_R ²) ，f_L= (m₁m₂)/(D_L ²)

式中D_R和D_L为右侧磁极之间和左侧磁极之间的距离，可表示为：

D² _R＝（G-△G）²+Z²

D² _L＝（G+△G）²+Z²

力f_R和f_L的分力X可通过将上面的距离分别和cosα_R、cosα_L′相乘而得，其中α_R和α_L分别为诸力和X轴之间的夹角。令力f_R和f_L的X分力用[f_R]_X和[f_L]_X表示，则它们为

[f_R]_X= (m1m2cosαR)/(DR2)

[f_L]_X= (m₁m₂cosα_L)/(D_L ²)

式中

cosα_R= (G-△G)/(D_R) , cosα_L= (G+△G)/(D_L)

所以，[f_R]_X和[f_L]_X变为：

[f_R]_X= (m₁m₂(G-△G))/(［(G-ΛG)²+z²］3/2)

[f_L]_X= (m₁m₂(G+ΛG))/(［(G+△G)²+z²］^3/2)

由于[f_R]_X和[f_L]_X分别为向右和向左的力，故两个向右力和合力F_X如下所示：

F_X= [f_R]_X- [f_L]_X= (m₁m₂(G-△G))/(［(G-△G)²+z²］^3/2)

- (m₁m₂(G+△G))/(［(G+△G)²+z²］^3/2)

通过此表达式可以知道：当内部圆筒形件沿X方向移动时和距离Z改变时，力是如何施加于内部圆筒形件上的。如用△G/G和Z/G来表示，则合力F_X如下所示：

$F_X=\frac{m_1{m}_2\mathrm{(\; 1\; -}\frac{\mathrm{△G}}{G})}{G^2\mathrm{［(\; 1\; -}\frac{\mathrm{△G}}{G}{)}^2+\frac{z^2}{G^2}{］}^{\mathrm{3/2}}}$

$-\frac{m_1{m}_2\mathrm{(\; 1\; +}\frac{\mathrm{△G}}{G})}{G^2\mathrm{［\; (\; 1\; +}\frac{\mathrm{△\; G}}{G}{)}^2+\frac{z^2}{G^2}{］}^{\mathrm{3/2}}}$

图3表示了合力F_X和△G/G的关系，用（Z/G）²作参数。

从图3可看出：当（Z/G）²＝1，内部圆筒形件在它移动的方向上受到一力，即在△G/G为0至0.77范围内的向右的力;但是，当△G/G＝0.77时，Fx＝0，即达到了一平衡点;当内部圆筒形件进一步向右移时，在△G/G为0.77至1范围时，就受到一向左的力。换句话说，当内部圆筒形件从△G/G＝0这一位置向右或左移动时，沿那一方向的一力就会施加于内部圆筒形件上，加速其位移。因此，△G/G＝0这一点是一不稳定点。但是，当趋向△G/G＝0.77这一位置时，力就减小，在△G/G＝0.77这点，力就变为零，即使内部圆筒形件趋向右方，它受到一向左的力，因而在△G/G＝0.77这一点时就停止不动了。如此，当（Z/G）²＝1时，△G/G＝0.77这一位置是一稳定点。由图3看到：内部圆筒形件在△G/G＝0.77位置时 停住，保持与外部圆筒形件不接触。同样，可以看到：当（Z/G）²＝0.5以及（Z/G）²＝1.2时，△G/G＝0.92和△G/G＝0.69这两位置为两个稳定点，在此两点内部圆筒形件与外部圆筒形件不相接触。可看出：当（Z/G）²＝2，（△G/G）＝0这一位置为一稳定点，并非不稳定点。十分重要的是：在（△G/G）＝0这一位置，内部圆筒形件有其稳定点，由于有一朝着中心轴线的力始终作用于内部圆筒形件上，即使由于某些原因使内部圆筒形件从中心轴线移动开，也有一恢复力加于其上。

从以上对二维模型的分析可知，本发明的轴承具有不接触功能。为证实该不接触功能，发明人利用一接近实际结构的三维模型作了分析。

现在，设：在图4中的点P₁（X₁，Y₁，Z₁）和P₂（X₂，Y₂，O）处具有强度为m₁和m₂的磁极。由于此两点之间距D为：

D²＝d²+Z²

式中d²＝（X₂-X₁）²+（Y₂-Y₁）²，作用于点P₁和P₂上的力f为：

f= (m₁m₂)/(D²)

以及，力f在X，Y平面中的合力为fcosα。此外，对于内圆半径的合力为fcosαcosγ。当在内圆上移动P₁在X，Y平面上的投影点P，以及将它对于β积分后，就可得到作用于P₂点上的、在内圆上的磁极的整个力。然后，在外圆上移动P₂点及将它对θ₂积分后，就可得到在内圆和外圆上的诸磁极的整个力。将此力与cosθ₁相乘，就可得到该力的X分力。令X分力表示为Fx（θ₂，β），则会有：

$F_X\mathrm{(\; \theta }{}_2\mathrm{,\; \beta \; )\; =}{\∫}_0^{\mathrm{2\; 11}}{\∫}_0^{\mathrm{2\; 11}}\frac{m_1{m}_2{\mathrm{cosacos\gamma cos\theta }}_1}{D^2}{\mathrm{d\; \beta \; d\; \theta }}_2$

将θ₁转换成一θ₂和β的函数，则可获得下面表达式，即

${\mathrm{4m}}_{1}m{}_2{\∫}_0^{\mathrm{11}}{\∫}_0^{\mathrm{11}}\frac{{\mathrm{(\; R}}_2{\mathrm{cos\; \theta }}_2{\mathrm{-\; \Lambda \; G\; )［\; (\; 1\; -\; R}}_1{\mathrm{(\; x}}_2{}^2{\mathrm{+\; y}}_2{}^2{)}^{\mathrm{-1/2}}］}{{\mathrm{［\; x}}_2{}^2{\mathrm{+\; y}}_2{}^2{\mathrm{+\; R}}_1{}^2{\mathrm{+\; z}}^2{\mathrm{-2R}}_1{\mathrm{(\; x}}_2{}^2{\mathrm{+y}}_2{}^2{)}^{\mathrm{1/2}}{\mathrm{cos\; \beta \; ］}}^{\mathrm{3/2}}}{\mathrm{d\beta \; d\theta }}_2$

式中cosα＝ (d)/(D) ，

cosγ = ((x₂ ²+ y₂ ²)^1/2-R₁cosβ)/(d)

cosθ₁= (R₂cosθ₂- △G)/((x₂ ²+ y₂ ²)^1/2)

x² ₂+y² ₂＝R² ₂+△G（△G-2R₂cosθ₂）

图5表示了Fx（θ，β）与△G/G的关系曲线，用（Z/G）²作参数。在此，R₁和R₂分别为内和外部圆筒形件的半径，G为半径R₂和R₁之差，它可表示为G＝R₂-R₁。符号△G是内部圆筒形件沿X方向的偏移量，Z是每个内部和外部圆筒形件的磁极沿垂直方向上的长度。

图5所示的曲线表示出一种趋势，它与利用上述二维模型获得的曲线的趋势大致相同，但（Z/G）²的值稍有不同。因此，即使使用二维模型，也可了解一实际实例的基本趋势。但是，三维模型显示的特征接近于实际情况。

从图5看出：曲线（Z/G）²＝0.25，（Z/G）²＝0.5，（Z/G）²＝0.75和（Z/G）²＝1分别在△G/G＝0.87，△G/G＝0.72，△G/G＝0.5和△G/G＝0各点具有稳定点，提供了非接触特性。曲线（Z/G）²＝0表示了一种情况，这里，内部和外部圆筒形件的诸磁极彼此精确面对着而在垂直方向上无任何相对位移。在这种情况下，力随着（△G/G）的增大而增大，也就是说，无稳定点，因此，当（△G/G） 趋于1时，力变为无限大，使两方面的磁极相互接触。曲线（Z/G）²＝1表示出，在△G/G＝0处有一稳定点，此时两圆筒形构件处于共轴线。

图6表示了势能P的计算结果。

从图5和6可看出：Fx（θ₂，β）＝0这一点相当于势能为0的一点。另外，从图6可直观地理解每个稳定点的性质。

上述描述了本发明轴承的非接触性能，下面将描述沿Z方向的一个力及其稳定性。令图2中作用于内部圆筒形件上的力f_R，f_L，f′_R和f′_L的沿Z方向上的分力分别用[f_R]_Z，[f_L]_Z，[f′_R]_Z和[f′_L]_Z表示，另外为了简便起见，假设内部和外部圆筒形件为共轴设置，于是，[f_R]_z＝[f_L]_z，[f′_R]_z＝[f′_L]_z。沿Z方向的力是四个力的合成，因此，令合力为F_Z，则：

F_Z＝2[f_R]_Z-2[f′_R]_Z

利用三维模型图7表示出该力的计算结果。在图7中表示的是力F_Z与△Z/Z之间的关系曲线，在此，内部和外部圆筒形件沿它们磁极的高度方向上的彼此的相对位移用Z表示（如图2A所示），以及，内部和外部圆筒形件沿Z方向移动△Z。

从图7可看出，当△Z/Z沿负值方向变化时，力F_Z沿正方向施加以产生一恢复力，由此使圆筒形件趋于返回至它们的原始位置;当△Z/Z沿正值方向变化时，力F_Z沿负方向施加以产生一恢复力，由此使圆筒形件趋于返回至它们的原始位置。当如上述沿垂直方向无外力时，内部圆筒形件稳定停留在（△Z/Z）＝0这一位置，而沿垂直方向在中心位置浮动。当从上面施加了一如重力的外力时，在相反方向产生一相当于外力的力，当两个力相等时，内部圆筒形件就停留不动了。

在内部和外部圆筒形件从中心向X或Z方向移动的情况下，随着指向中心的恢复力的增大，稳定性相应提高。图8和9表示出具 有很好的恢复力的结构的一些实施例。上述的实施例应用两个圆筒形磁性件，而图8的结构则使用三个圆筒形磁性件A，B和C，最外和最里面的圆筒形件A和C的上端部磁化的磁极不同于中间的圆筒形件B的磁极，而圆筒件A和B的诸磁极，以及圆筒件B和C的诸磁极，沿垂直方向彼此错开Z₁和Z₂。三个圆筒件A，B和C的诸下端的诸磁极，相对于圆筒件的中心对称设置（如图所示），以及，圆筒件A和C在它们的下端相互连接起来以形成一轴承，而圆筒件B则置于它们之间以用作一可运动的轴。当然，也能用圆筒件B作为一轴承，圆筒件A和C作为可运动的轴。采用了如图8所示的结构后，圆筒件B的诸磁极分别被圆筒件A和C的诸磁极沿对角方向而向上和向下拉，即，圆筒件B处于一悬挂状态。

图10以图8的实施例的[Fx（θ₂，β）]表示，当圆筒件B相对于圆筒件A沿X方向移动△X时，沿X方向施加的力。其中，曲线[Fx（θ₂，β）]以（Z₁/G₁）＝1，（Z₂/G₁）＝1以及（R₂）₁/（R₂）₂＝3为参数。图2A，2B和2C的实施例的力Fx（θ₂，β）曲线（Z/G）²＝1，用虚线示于图中用作对照。从图10可看出：当圆筒件B沿X方向移动△X后，沿-X方向作用的恢复力前述实施例的大得多。图11表示了其势能-（[Px]-[Px]min）曲线，参数是（Z₁/G₁）＝1，（Z₂/G₁）＝1和（R₂）/（R₂）₂＝3，与上述实施例中的势能（Px-Px min）曲线（图中虚线）作对照后，可明显看出，此实施例中的恢复力远大于前述的实施例的。

图9所示的实施例的结构较简单，其中最里面的磁性件是一杆，该实施例的特性基本上与图8所示实施例的相同。

图8实施例中沿Z轴线方向上的恢复力表示于图12。在图12中，图2A，2B和2C的实施例的曲线[（Z/G）＝1]，也用虚线示出以作比较。从图12可以看出，在沿Z方向上的恢复力方面，图8的实施例也比图2的实施例的要优越。图13A和13B表示了本发明的 另一实施例，其中，一棒形磁性件代替了图2A和2C所示的实施例中的内部圆筒形件。图14A和14B表示了另两个实施例，其中，图8、9中的圆筒件B的高度比圆筒件A和C的要短些。各圆筒件的高度也可以是C＜B＜A。这些实施例具有如图10、11和12所示的特性。

虽然在所有前述实施例中，形成为轴承的磁性件被磁化为一永久磁铁，也可用一电磁铁代替该永久磁铁。图15即表示了这样一个实例，其中，如图所示，当将一直流电流I₁加于一固定安装于一外部圆筒件22的内壁上的线圈23后，浮动的内部圆筒件21就被磁化以形成磁极N和S，而当将直流电流I₂和I′₂加于线圈24a和24b后，外部圆筒件22则被磁化以形成磁极N和S。该实施例的其它操作与上述的相同。

在上述每个实施例中，当用作一浮动轴的内部圆筒件或棒状磁性件的轴线是处于垂直时，则不会发生什么问题，但是，当磁性件是水平设置时，就可能由于加于用作浮动轴的磁性件的重力，使其轴线从外部圆筒形磁性件的中心轴线偏向其下方内壁，从非接触轴承的稳定操作的观点来看，该浮动轴的这种驱动是不可取的。解决该问题的方法表示于图16A和16B，其中，辅助磁铁33a和33b安装在外部圆筒形件32的两端。用这种结构后，由于重力产生的上述的使内部圆筒形磁性件31向下的偏移，能被在辅助磁铁33a，33b与内部圆筒形磁性件31的磁极S，N之间作用的磁力所补偿。

为了补偿由于重力引起的内部圆筒形磁性件41的偏移，也可以如图17A所示将辅助磁铁43a和43b装在内部圆筒形磁性件41上，或者，如图17B所示，分别将辅助磁铁43a，43b和44a，44b安装在内部和外部圆筒形磁性件41和42的两端。编号45为一传动轴，它连接于内部圆筒形磁性件，内部圆筒形磁性件受到一传动装置46的旋转和沿轴向移动，或受到两者之一的驱动，该传动装置包 括至少一熟知的电动机和一电磁铁。

这种辅助磁铁不限于水平结构，也可为垂直结构提供辅助磁铁43a，43b和44a，44b如图18所示。

在每个磁性件41和42中的磁极数量，不一定总是如图17A中的四个和图18中的三个，而是可以按需要增加。

上述提出的非接触轴承，设有一沿轴向磁化的第一圆筒形或杆形磁性件;一第二圆筒形磁性件，它置于第一磁性件之外且与第一磁性件相邻而且两者相隔很近，它沿其轴向以与第一磁性件的磁化方向相反的方向磁化，其长度也和第一磁性件的稍有不同;以及支撑装置，它用于支撑第一和第二磁性件中之一个而不妨碍另一个绕自身轴线旋转，所述的第一和第二磁性件之一用作一旋转轴。在上述的诸实施例中，由于诸磁性件的诸磁极之间以及在彼此相对的诸磁性件中感应的诸磁极与原有的诸磁极之间的吸引力，沿水平方向的恢复力会减小。（当一磁极趋近于一磁性件时，一与磁极的极性不同的磁荷将在磁性件中形成。这种现象称为“感应磁性现象”，所形成的磁极以后将称作为“感应磁极”）。

按照本发明，在产生感应磁极的位置，非接触轴承有一极性与感应磁极的相反的消除磁极，用以消除感应磁极，以及，包括一用于消灭消除磁极的坏影响的校正磁极。这样，本发明的非接触轴承就克服了上面提出的轴承的不足之处。下面，将描述本发明的改进点。

图19A是表示上面提出的轴承的一实施例的剖视图。在图19A中，在内部圆筒形件1的诸磁极N与外部圆筒形件2的诸磁极So之间，以及在内部圆筒形件1的诸磁极S与外部圆筒形件2的诸磁极No之间的吸引力，建立起沿水平方向作用的恢复力（沿水平方向，诸磁极之间的间距表示为Go）以及沿垂直方向作用的恢复力（沿垂直方向，诸磁极之间的间距表示为Zo），提供了一不接触功 能。在此情况下，在外部圆筒形磁性件2中，被内部圆筒形磁性件1的诸上方和下方磁极N和S感应形成了磁极S′和N′，这些感应磁极S′和N′和原有的磁极N和S相互吸引。当诸磁极N和S，和感应磁极N′和S′，彼此接近时，吸引力就增大;这样，一旦内部圆筒形磁性件向右或左移动，沿那方向的吸引力就增大。该力使中心点不稳定。令Fxo′表示该力，其方向与磁极N和S之间的力Fxo的相反。因此，总的来说，下面表达式给出恢复力F_XT，它小于原始的恢复力

F_XT＝F_XO-F′_XO……（1）

为了避免这缺点，按照本发明，如图19B所示，在感应诸磁极S′和N′的P₂和P′₂位置，具有诸消除磁极N₂和S₂，它们的极性与诸感应磁极S′和N′的相反。这样，诸磁极S′，N′和N₂，S₂彼此消除。但是，由于它们的变化很多，所以难以使这些磁极完全消除。为此，诸消除磁极N₂和S₂选择得其绝对值比诸感应磁极S′和N′为大，这样，在穿过诸磁极N和S的直线与外部磁性件2相交的P₃和P′₃位置提供诸校正磁极N₃和S₃，来消除诸消除磁极的大绝对值的坏影响。

现在，假设诸感应磁极N′和S′的强度比诸磁极N和S的强度高K倍，则诸感应磁极S′和N′可由下列表达式表示：

因此，在诸感应磁极S′和N′的P₂和P′₂位置形成诸消除磁极N₂和S₂的这一情况下，在P₂和P′₂位置的诸合成磁极强度m₂和m′₂如下所示：

式中

因此，强度m₂和m′₂低于磁极N₂和S₂的实际强度。

接着，将说明作用于本发明的非接触轴承的内部和外部圆筒形磁性件1与2之间的恢复力。从图4所示的使用内部和外部圆筒形磁性件1和2的模型得到的、作用于内部圆筒形磁性件1上的水平力Fx，可表示如下：

$F_X\mathrm{=\; 4m}{}_{1}m{}_2{\∫}_0^{\mathrm{11}}{\∫}_0^{\mathrm{11}}\frac{{\mathrm{(\; R}}_2{\mathrm{cos\; \theta }}_2{\mathrm{-\; △G\; )［\; 1\; -\; R}}_1{\mathrm{(\; x}}_2{}^2{\mathrm{+\; y}}_2{}^2{)}^{\mathrm{-1/2}}］}{{\mathrm{［\; x}}_2{}^2{\mathrm{+\; y}}_2{}^2{\mathrm{+\; R}}_1{}^2{\mathrm{+\; z}}^2{\mathrm{-2R}}_1{\mathrm{(\; x}}_2{}^2{\mathrm{+y}}_2{}^2{)}^{\mathrm{1/2}}{\mathrm{cos\; \theta \; )］}}^{\mathrm{3/2}}}{\mathrm{d\beta d\theta }}_2$

……（5）

式中x² ₂+y² ₂＝R² ₂+△G（△G-2R₂cosθ₂）

上式中，R₁和R₂是内部和外部圆筒件1和2的半径，G是R₂与R₁之差，G＝R₂-R₁，△G是内部圆筒件1沿X方向的位移，Z是内部和外部圆筒件1与2的磁极之间的垂直间距。

设Z＝G并对表过式（5）求解，以获得在图19A的实例中当Z² ₀＝G² ₀时的力Fx，沿X方向上方磁极之间的力可求得。令Fx表示此力;且以Fx′表示当Z＝-G时沿X方向下方磁极之间的力，则，当内部圆筒形件1沿X方向移动△G时在X方向的总的恢复力Fxo（△G/G）为：

F_X0（△G/G）＝F_X+F′_X＝2F_X

式中Fx＝Fx′

图20A，20B，20C和21A，21B，21C表示了本发明的一些实施例，图20A和21A为正视图，图20B，20C和21B，21C分别为沿图20A和21A中的P-Q线和P′-Q′线的剖视图。编号1表示一内 部圆筒件，2为外部圆筒形件，3为支撑外部圆筒件的支撑装置，以及，4为固定于内部圆筒件1中心处的旋转轴。

在图20A至21C中，（1）m₂，m₃和m′₂，m′₃是提供用于消除诸感应磁极的影响的诸磁极的强度;（2）一对强度为m₀和m₁的磁极和一对强度为m′₀和m′₁的磁极是每对相互吸引的磁极;（3）一对强度为m′₂（或m₃）和m₁和一对强度为m′₂（或m′₃）和n′₁的磁极是每对相互排斥的磁极;（4）强度为m₀和m₁的磁极和强度为m′₀和m′₁的磁极设置在外部和内部圆筒形件2和1的圆周上分别于Z和X方向的Zo＝±G/ $\sqrt{2}$ 和Go＝G/

距离处;（5）强度为m₂和m₁的磁极和强度为m′₂和m′₁的磁极沿Z方向上相互齐平，以及（6）它们设置在外部和内部圆筒形件的圆周上于水平方向上的G₂＝G距离处;（7）强度为m₃和m₁的磁极和强度为m′₃和m′₁的磁极位于Z方向上的Z₃＝±G的位置，以及（8）它们每个沿X方向恰在另一个之上或下方。因此，如磁极之间的水平距离为G₃，它们设置在内部和外部圆筒形件的圆周上于G₃＝0距离处。当磁极的强度m₀和m′₀高于强度m₁和m′₁两倍，以及磁极的强度m₂，m₃和m′₂，m₃等于强度m₁和m′₁时，恢复力表示为F_XT（△G/G）。在Fx（△G/G）的强度m₀的m′₀等于0时，恢复力表示为F′_XT（△G/G）。图22表示了恢复力F_XO（△G/G），F′_XT（△G/G）和F_XT（△G/G）与△G/G的关系。

从图22可看出：F_XO（△G/G），F′_XT（△G/G）和F_XT（△G/G）这些恢复力曲线均经过座标原点，以及，当设置有用来消除感应磁极的影响的磁极时，此时的F_XT（△G/G）和F′_XT（△G/G）在恢复力大于F_XO（△G/G）。另外，当磁极的强度m₀和m′₀不是0时，此时的F_XT（△G/G）在恢复力上大于上述强度为0时的F′_XT（△G/G）。

在图23中示出了相对于△Z/G，沿Z方向的力F_Z0（△Z/G）和F_ZT（△Z/G），这两力曲线是在图20A，20B，20C和图21A，21B，21C的诸实施例中，内部圆筒形件1沿Z方向移动△Z的情况下， 以与上述相同的方式获得的;还有力F′_ZT（△G/G），此时磁极的强度m₀和m′₀为0。从图23可看出：沿着Z方向的恢复力朝着座标原点作用。还有，在此情况下，当设置有用于消除感应磁极的影响的磁极时，此时的F′_XT（△G/G）和F′_ZT（△Z/G）在恢复力方面大于F_Z0（△Z/G），以及磁极强度m₀和m′₀不为0时的恢复力，比为0时的要大。由于恢复力，使内部圆筒形件1浮动，中心轴4能通过合适的外部传动装置保持旋转。

图24A，24B，25A，25B和图26是本发明另一些实施例的剖视图。在图20A，20B，20C和图21A，21B，21C和图26所示的诸实施例中，磁极是通过沿内部和外部磁性件1和2的表面将它们磁化而形成的，但是，在图8和9的实施例，磁极是通过沿磁性件1或2的厚度方向将它们磁化而形成的。

在图26所示的实施例中，内部和外部磁性件1和2由内部磁性件1a和1b和外部磁性件2a和2b组成，它们沿旋转轴4的长度方向上隔开，以及，两内部磁性件1a和1b由一置于它们之间的非磁性连接件5连接在一起。两外部磁性件2a和2b由一置于它们中间处的非磁性支承3连接在一起。这种结构可减少磁性材料的使用量并使轴承的制造比较简便。

从图26所示的实施例可以看出，前述诸实施例中的每一个的结构，可沿旋转轴4的长度方向分为两部分，以及，相应的诸磁性件能间隔开，（如图27A，27B所示）。在图27A和27B所示的实施例中，图25A和25B的结构沿着旋转轴长度方向上被分为两部分，相应的诸磁性件彼此隔开。这有效地防止旋转轴4的离心飞旋，因此可减少使用的轴承的数量。

通过下面本发明的一些实施例，可改进上述恢复力的减小。

在图28中，在内部圆筒形件1和外部圆筒形件2之间设置的空气隙13，要比图2C所示实施例中的要宽些，这样，诸感应磁极 的强度被减小到可忽略不计。

由于在图28中用虚线表示的磁通量穿过空气隙13而不是通过外部圆筒形件2，故诸感应磁极的强度也减小了。由于感应磁极的抑制作用，可避免恢复力的降低。内部圆筒形件1或外部圆筒形件2，可固定于一支撑件上，以提供一本发明的非接触轴承。

图29表示了本发明的另一实施例，其内部圆筒件1的纵向长度比外部圆筒件2的要长些，这与图2A和2B所示的实例不同。内部圆筒件1由一合适的支撑件支承。

图30表示了本发明的最后一实施例，其中分别设置在一旋转轴6的上方和下方部位的两只非接触轴承通过非磁性件14和15共同连接起来。由于空气隙13较宽，能免除由感应磁极产生的不利影响。由于利用了非磁性件14和15，可将磁性材料分开定位设置，使本实施例可节省磁性材料，且加工也方便。

非磁性件15不必是一整体件。这样，上方侧的外部圆筒件2，与下方侧的外部圆筒件2′，可分开设置。非磁性材料14可去掉。

从上述可知，本发明提供了一种轴承结构，其中轴和轴承保持互不接触并具有朝向它们中心的恢复力，与此同时，轴浮动于轴承的支撑。当本发明的轴承尤其是用于自动控制机械中时，可控制旋转和轴向移动，因为它没有静摩擦。

如上述，本发明提供了一种出色的非接触轴承，它无感应磁极的影响，因而在水平和垂直方向上提供一较大的恢复力。

Claims (11)

1、一种利用磁力的非接触轴承包括一第一磁性件，一与第一磁性件性件相对设置的第二磁性件和支撑所述第一和第二磁性件中之一个而又不妨碍另一个绕自身轴线旋转的支撑装置，其特征在于，

所述第一磁性件为一沿轴向磁化的圆筒形或杆形磁性件；

所述第二磁性件为一圆筒形磁性件，它置于所述第一磁性件之外部并与其相邻而略微间隔开，它沿其轴向与所述第一磁性件的磁化方向相反的方向磁化，其长度与所述第一磁性件的长度略有不同；

其中，所述第一和第二磁性件之一用作一旋转轴。

2、如权利要求1所述的非接触轴承，其特征在于，它还包括一第三圆筒形磁性件，它设置于所述第二磁性件之外部并与它相邻而略微间隔开，它沿其轴向在与所述第二磁性件的磁化方向相反的方向上磁化，其长度与所述第二磁性件的长度略有不同，以及其中所述支撑装置支撑所述第一和第二磁性件而不妨碍所述第二磁性件绕其自身轴线旋转。

3、如权利要求1或2所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一和第二磁性件为水平设置，和辅助磁性件装于所述第一或第二磁性件的两端以发出消除作用在用作旋转轴的所述第一磁性件上的重力的磁力。

4、如权利要求1或2所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一和第二磁性件为垂直设置，以及每个磁性件具有三或更多些的磁极以发出能消除作用在用作旋转轴的所述第一磁性件上的重力的磁力。

5、一种利用磁力的非接触轴承包括一第一磁性件、一与第一磁性件相对设置的第二磁性件和支撑所述第一和第二磁性件中之一个而又不妨碍另一个绕自身轴线旋转的支撑装置，其特征在于，

所述第一磁性件为一圆筒形或棒形磁性件，它具有连续排列于其横截面的圆周方向上的诸磁极;

所述第二磁性件为一圆筒形或棒形磁性件，它设置于所述第一磁性件之内部或外部并与它相邻但略有间隔，以及，它具有连续排列于其横截面的圆周方向上的诸磁极和具有一第二相反极性磁极间隔，该间隔略不同于所述第一磁性件的第一相反极性磁极间隔;

其中，所述第二磁性件具有诸消除磁极，其间隔与所述第一磁性件的所述第一相反极性磁极间隔相同且面对所述第一磁性件的诸磁极，用以消除由所述第一磁性件的诸磁极感应的磁力的影响;以及，在穿过所述第一磁性件中的所述相反极性的磁极的直线与所述第二磁性件相交的位置，所述第二磁性件还具有诸校正磁极，用以防止由所述第一磁性件的所述磁极感应的磁力的影响;

其中，有一旋转轴设置在所述第一和第二磁性件之一个的中心处。

6、如权利要求5所述的非接触轴承，其特征在于，所述每个第一和第二磁性件沿着其表面磁化以形成所述磁极。

7、如权利要求5所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一磁性件沿着其表面磁化，以形成所述磁极，所述第二磁性件沿其厚度方向磁化以形成所述磁极。

8、如权利要求5、6或7所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一和第二磁性件的每个沿所述旋转轴的长度方向分为两部分，并用一非磁性连接件连接一起。

9、如权利要求7所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一和第二磁性件的每个沿所述旋转轴的长度方向分为两部分，且固定于所述旋转轴或支撑装置上。

10、如权利要求8所述的非接触轴承，其特征在于，所述第一和第二磁性件的每个沿所述旋转轴的长度方向分为两部分，且固定于所述旋转轴或支撑装置上。

11、一种利用磁力的非接触轴承包括一第一磁性件、一与第一磁性件相对设置的第二磁性件和支撑所述第一和第二磁性件中之一个而又不妨碍另一个绕自身轴线旋转的支撑装置，其特征在于，

所述第一磁性件形成为一旋转体，并具有通过沿其纵向磁化而形成的诸磁极，这些磁极连续排列于该磁性件的横截面的圆周方向上;

所述第二磁性件为一圆筒形磁性件，它设置于所述第一磁性件之内部或外部并与它相邻而在第一磁性件诸磁极的安装位置与第一磁性件的横截面的一边缘略微间隔开，它沿着其纵向磁化以沿其圆周方向连续排列有诸个极性与第一磁性件的诸磁极的极性不同的磁极;

其中，第一和第二磁性极的构成应使分别置于第一磁性件和第二磁性件上的彼此极性不同的诸磁极互相靠近，以及，还应使磁性件之间有一较宽的空气隙，其中每一磁性件设置于在每个第一和第二磁性件的两磁极之间的相应的中间位置上。

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