一种单自由度磁悬浮转子支撑系统及磁力轴承与减重方法

技术领域：

本发明涉及一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，尤其是涉及到一种可以不采用反馈控制技术的自稳定单自由度磁悬浮转子支撑系统。本发明还涉及组成单自由度磁悬浮转子支撑系统的磁悬浮轴承装置，包括全永磁径向磁悬浮轴承、全永磁预应力磁悬浮轴和主被动混合型磁悬浮轴承以及电动机和发电机的设置方法。本发明还涉及减少旋转体对磁悬浮轴承重力危害的减重偏磁装置及设置方法。本发明还涉及单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，磁悬浮轴承的径轴向气隙限位保护装置。本发明还涉及对气隙两侧体积与磁吸力大小不同永磁体之间的配置方法及多个环形永磁体动定子的组合方法。

背景技术：

在现有技术的磁悬浮转子支撑系统当中，所用的磁悬浮轴承可分为电磁和永磁两个基本类型。电磁型磁悬浮轴承，由转子轴杆通过气隙与转子轴杆外围的多个向心型设置的电磁铁所组成。这种电磁型磁悬浮轴承，必须有位置检测器的参与和通过一套复杂的电子控制系统才能维持转子的悬浮运行。其存在结构复杂和稳定性较差的缺陷。这是因为：无论在转子轴杆的外围增加多少个向心型电磁铁，也不能够使转子轴杆获得在任意方向上的自动调心功能，同时，在反馈控制系统当中的信号输入与输出及执行调整过程中存在的“实时性”和“准确性”之间的矛盾更无法解决。直接导致现有技术电磁型磁悬浮轴承的“实用性”降低。永磁型磁悬浮轴承，虽然，不需要复杂的控制系统就可以实现自我悬浮，但其有效承载能力却十分有限。这是因为：永磁型磁悬浮轴承的磁力不能随机调节和其应有的悬浮承载力大部分要被旋转体本身重力相抵消的结果。另外，现有技术当中的永磁体在非工作气隙侧存在着大量的漏磁场，也降低了永磁体磁能的有效利用。同时，在现有技术的永磁磁悬浮轴承当中，对动定部之间采用永磁体体积平均分配的方式，也不利于提高永磁磁悬浮轴承的有效承载。如果，在减轻转子重量和消除了永磁体非工作气隙漏磁场的同时，能有一种方法可以解决旋转体本身对磁悬浮轴承的重力危害，必将使磁悬浮轴承的有效承载力和稳定性大大提高。

发明内容：

本发明就是要提供一种结构简单且不需要位置检测器和反馈控制技术就能够使旋转体获得稳定悬浮运行的单自由度磁悬浮转子支撑系统以及组成该系统的全永磁径向磁悬浮轴承或主被动混合型磁悬浮轴承或全永磁预应力磁悬浮轴和消除旋转体重力影响的减重偏磁装置与径轴向气隙限位保护装置与最大限度地减轻磁悬浮轴承动子部重量的设置方法。

作为实现本发明的基本构思是：单自由度磁悬浮转子支撑系统由电动机或发电机与设置在电动机或发电机定转子上下部或左右两侧并与电动机或发电机定转子部保持良好同轴度的全永磁径向磁悬浮轴承或主被动混合型磁悬浮轴承或全永磁预应力磁悬浮轴所组成。利用电动机或发电机所具有的轴向稳定力和径向磁悬浮轴承所具有的径向稳定 力，使本系统中的旋转部被约束在一种只能作切向定轴旋转的单自由度悬浮状态。在本系统当中所称的旋转部是指：电动机或发电机的转子部和设置在转子部上的径向磁悬浮轴承当中的永磁体及外围磁軛与减重偏磁装置的动子部和径轴向气隙保护装置当中的动子部。所述旋转体的承托部是指：电动机或发电机的定子部和设置在定子部上的径向磁悬浮轴承当中的永磁体及外围磁軛与减重偏磁装置的定子部和径轴向气隙保护装置当中的静子部以及外围固定连接装置的机壳、机座或安装支撑体等。在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，旋转部对磁悬浮轴承所产生的重力危害，可根据电动机或发电机垂直使用或水平使用方式的不同，选择相应的减重偏磁装置和最大限度的减少旋转体的重量来改善。即：当确定了旋转体为水平状态使用时，即在旋转体两侧沿铅垂线上方的旋转体承托部上，设置具有径向开口的一段弧形磁轭或一段具有弧形极面的矩形磁轭(以下通称为弧形极面磁轭)和在弧形极面磁轭当中设置经过轮辐式径向充磁的弧形永磁体或经过径向平行充磁且具有弧形极面的矩形永磁体(以下通称为弧形极面永磁体)所构成的永磁定子部与设置在旋转体上并具有径向开口的圆环形磁轭及设置在圆环形磁轭当中并经过轮辐式径向充磁的圆环形永磁体所构成的永磁动子部。该永磁动子部和永磁定子部通过径向气隙相互对应在同一个宽度和旋转运行的圆周轨道上以及使两者之间的永磁体形成相互吸引的状态。在该减重偏磁装置当中，如果采用的电动机或发电机是外转子时，位于永磁定子部上的弧形极面磁轭为外向型开口以及使位于外向型弧形极面磁轭当中的弧形极面永磁体的形状与弧形极面磁轭的极槽相适应。在该减重偏磁装置当中，如果采用的电动机或发电机是内转子时，不仅可以采用使位于永磁定子部上的弧形极面磁轭为内向型开口以及使位于内向型弧形极面磁轭当中的弧形极面永磁体的形状与弧形极面磁轭的极槽相适应并固定于机壳内部的设置方式。还可以采用将具有弧形极面的矩形磁轭从机壳外部插入固定的方式。在该减重偏磁装置当中的永磁动子部也可以采用与气隙对侧的永磁定子部的弧形极面磁轭轴向宽度相等的圆环形软铁凸极所替代。在该减重偏磁装置当中的永磁动子部和永磁定子部也都可以采用不带外围磁軛的环形永磁体独立担任。在该减重偏磁装置当中的永磁定子部也可以采用与永磁动子部圆环形磁轭的轴向宽度相等的一段且具有弧形极面的软铁凸极所替代。永磁动子部也可以与铁磁材料的旋转体直接形成气隙配合。在上述的减重偏磁装置当中，由具有弧形极面的矩形磁轭段和在矩形磁轭段当中经过径向平行充磁且具有弧形极面的矩形永磁体段所组成的永磁定子部，也可以由经过径向平行充磁且具有平面磁极的矩形永磁体段及其相适应的外围磁軛组成的永磁定子部所替代，从而使永磁定子部和永磁动子部之间形成以点对面的不均匀气隙配合。当采用以点对面的配合方式时，还可以在永磁动子部的铅垂线下方增设一段与永磁动子部轴向结构相同的弧形永磁定子部，但下方弧形永磁定子部与永磁动子部要形成磁力的相斥状态以及使上下永磁定子部对旋转体的抬升力小于或等于旋转体的自重。在本发明的减重偏磁装置当中的动子部和定子部，还可以采用均不带左右两侧导磁軛的多个弧形段永磁体和多个环形永磁体所构成。即：在动子部上设有两个或三个经过轮辐式径向充磁的环形永磁体和以轴向并列的方式紧密靠装在一起并在远离气隙一侧的两个径向磁极面之间由导磁軛一并覆盖后组成的多磁体永磁动子部，该多磁体永磁动子部当中各相邻的环形永磁体之间的磁场极性互为相反，当多磁体永磁动子部的环形永磁体有两个时，两个环形永磁体具有相等的径向磁极极面。当多磁体永磁动子部的环形永磁体为三个时，位于两侧的环形永磁体的径向磁极极面各占中间 环形永磁体径向磁极极面的二分之一。同时，在多磁体永磁动子部通过径向气隙所对应的旋转体承托部上设置均不带外围磁軛的弧形段多磁体组成的多磁体永磁定子部，在弧形段多磁体永磁定子部当中的永磁体数量与径向气隙对侧的圆环形多磁体永磁动子部当中的数量相等，其磁通回路与轴向排列方式亦相同。不同的是：当在弧形段多磁体永磁定子部当中使用具有弧形极面的矩形永磁体时。矩形永磁体的内部磁通是以径向平行穿越的充磁方法而得到。对于多磁体永磁动子部和多磁体永磁定子部之间的配合方式，还可以采用使径向气隙对侧的多磁体永磁定子部或多磁体永磁动子部成为气隙两侧具有相同轴向宽度的环形软铁凸极或弧形段软铁凸极的配合方式。当确定了旋转体为垂直状态使用时，即在旋转体承托部的一个向下面部位上，设置具有轴向开口的环形磁軛以及在该环形磁軛当中设置经过轴向充磁的环形永磁体所构成的永磁定子部，然后，在该永磁定子部所对应旋转体的一个向上面部位上，设置与永磁定子部结构相同的永磁动子部，并使永磁动子部和永磁定子部两者之间通过轴向气隙相互对正和形成相互吸引的状态，从而使旋转体获得被单边型偏磁装置向上吸引的趋势。在本装置当中，永磁动子部或永磁定子部，都可以采用不带外围磁軛的圆环形永磁体与轴向气隙对侧具有相同直径和宽度的圆环形软磁平面凸极相配合。在本装置当中，永磁动子部或永磁定子部的任何一方，也都可以由不带外围磁軛的环形永磁体与气隙对侧大于的环形永磁体直径与宽度的软铁平面体或与环形永磁体直径与宽度相等的圆环型平面软铁凸极所替代。本减重偏磁装置的功能，也可以通过增大双边型径向磁悬浮轴承在单自由磁悬浮转子支撑系统当中可以使旋转体被向上吸引的一个径向磁悬浮轴承的磁场力来实现。本发明所称的径轴向气隙限位保护装置是指：在电动机或发电机端盖的内侧或外侧与电动机或发电机的外转子空心静轴或内转子动轴之间设置的机械轴承，该机械轴承的外径与电机端盖之间采用紧密配合，而内径则与外转子电机的空心静轴或内转子电机的实心动轴形成气隙配合。该气隙配合的间隙以小于单自由度磁悬浮转子支撑系统所设计的径向气隙为标准。同时，还在该机械轴承与外转子电机空心静轴或内转子电机实心动轴上的轴肩挡块之间留有间隙。该间隙的大小以小于单自由度磁悬浮转子支撑系统所设计的轴向气隙为标准。在本装置当中的机械轴承，也可以采用将机械轴承的内径与外转子电机的空心静轴或内转子电机实心动轴之间采用紧密配合，而在外径和电机端盖之间采用气隙配合以及在机械轴承两侧的电机端盖上设置间距大于机械轴承厚度的挡圈。使该机械轴承在径轴向的自由面上得到的间隙均小于单自由度磁悬浮转子支撑系统所设计径轴向气隙，从而起到对单自由度磁悬浮转子支撑系统的径轴向气隙限位保护功能。在本装置当中的机械轴承，还可以按照常规安装，依靠自然磨合后获得对单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙的最佳限位保护功能。在单自由度磁悬浮转子支撑系统的同一个磁悬浮轴承当中，采用在动子部上设置体积较小永磁体，而在定子部上设置体积较大的永磁体，并使它们之间的相对磁极面保持相等和形成相互的吸引的状态。从而在满足气隙磁通密度不变的前提下，达到减少旋转体重量的目的。

综上所述，本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统，通过电动机或发电机对旋转体具有轴向约束力和磁力悬浮轴承对旋转体形成的径向稳定力，使旋转体获得径轴向自稳定的悬浮能力。通过减重偏磁装置的使用，有效地减少了旋转体对磁悬浮轴承产生的重力危害，从而使磁悬浮轴承的悬浮承载力大幅提高。通过使用径轴向气隙限位保护装置，避免了在产品装配过程中或系统遭受意外时，使磁悬浮轴承的永磁体之间出现吸合“粘死” 现象，提高了单自由度磁悬浮转子支撑系统的工作可靠性。通过对气隙两侧体积和磁吸力大小不等永磁体的合理分配，实现以减少旋转体重量来提高磁悬浮轴承有效承载能力的目的。因为本发明当中的磁悬浮轴承，在气隙两侧相对的磁极极面和磁軛极面之间，均保持着高度的对称性，依靠齿槽效应使两者之间任何方向上的径向错位移动都会诱发出自动恢复的力矩。所以，只要永磁型磁悬浮轴承设计的磁场力裕量足够，就可以使本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统不用任何形式的传感器和信号反馈控制技术而进行稳定的悬浮运行。本发明的全永磁径向磁悬浮轴承还可以和水平用减重偏磁装置单独使用。

下面将对单自由度磁悬浮转子支撑系统及所用装置的特征给予分别描述：

1、一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，由电动机或发电机与设置在电动机或发电机上下部或左右两侧并与电动机或发电机的定转子部保持着良好同轴度的全永磁径向磁悬浮轴承所组成。依靠电动机或发电机在定转子之间所具备的轴向稳定力与径向磁悬浮轴承所具有的径向稳定力协同作用，使构成磁悬浮转子支撑系统当中的旋转部被约束在一种只能做切向定轴旋转的单自由度悬浮状态。所述位于电动机或发电机上下部或左右两侧的全永磁径向磁悬浮轴承，是具有轴向气隙的吸引型径向磁悬浮轴承。它是将经过轴向充磁并具有磁极极面相等而体积和磁吸力大小不同的两个环形永磁体，分别设置在电动机或发电机的定转子部上，并通过气隙使两个体积和磁吸力大小不等环形永磁体的磁极面相互对正而成。分别位于气隙两侧并与电动机或发电机定转子固定连接的环形永磁体，可以是单一型的整体，也可以是由多个弧形块永磁体所构成具有轴向磁通的组合环形永磁体。在本发明当中，每个环形永磁体的非工作气隙侧均由软铁磁轭所包围和位于气隙两侧的永磁体磁极面及软铁磁轭磁极面之间都具有高度对称的关系。在本发明当中，体积较大的环形永磁体和体积较小的环形永磁体，分别位于电动机或发电机的定子部和转子部上，并以此来减少旋转体的重量，在本发明当中，位于气隙两侧的环形永磁体数量，可以是由两个环形永磁体以径向并列的方式紧密套装而成，也可以是由三个环形永磁体以径向并列的方式紧密套装组成，但在两种形式当中，都必须使相邻环形永磁体之间的磁场极性互为相反。当径向并列和紧密套装的环形永磁体为两个时，其内外两个环形永磁体的磁极面大小相等。因此不会有漏磁场的产生。当径向并列和紧密套装的环形永磁体为三个时，其内外侧两个环形永磁体的磁极面各占中间环形永磁体磁极极面的二分之一，因此也不会有漏磁场的产生。在本发明当中，对于气隙两侧相互对应的磁极面相等而体积和磁力大小不同的环形永磁体，总是将体积较小和磁力较弱的环形永磁体设置在电机的转子部一侧。而体积较大和磁力较强的环形永磁体设置在电机的定子部一侧。以此来减少旋转体的重量。但此种分配方式在磁悬浮储能飞轮当中可以例外。

2、一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，由电动机或发电机与设置在电动机或发电机上下部或左右两侧并与电动机或发电机的定转子部保持着良好同轴度的主被动混合型磁悬浮轴承所组成。依靠电动机或发电机在定转子之间所具备的轴向稳定力与径向磁悬浮轴承所具有的径向稳定力协同作用，使构成磁悬浮转子支撑系统当中的旋转部被约束在一种只能做切向定轴旋转的单自由度悬浮状态。所述位于电动机或发电机上下部或左右两侧的主被动混合型磁悬浮轴承，是由设置在电动机或发电机定子部上，由两个在端部带有锥斜极面的软磁或永磁环形体轴向靠接在一起后。形成在径向磁极面上具有“V”形型环形凹槽的环形主磁极或者是采用在端部带有“V”形型凸极的环形主磁极。然后，与具有“V”形 型环形凹槽的环形主磁极或者是在端部带有“V”形型凸极的环形主磁极的两侧分别设置的两个电流极性相反的电磁线圈以及在两个电磁线圈的非工作气隙侧统一设置的软铁磁軛一起构成混合型定子部。同时，还在混合型定子部当中的环形主磁极所对应的电机转子部上，设置与环形主磁极的“V”形型环形凹槽或是“V”形型凸极磁极面相适应的配套环形永磁体。该配套环形永磁体与环形主磁极的“V”形型环形凹槽或“V”形型凸极通过气隙相互对应。在本装置当中，位于混合型定子部当中的两个电磁线圈所产生的磁场极性与气隙对侧的配套环形永磁体所固有的磁场极性相互排斥。假如混合型定子部当中的环形主磁极为永磁体的话，还要满足使两个电磁线圈产生的内部磁通方向与环形主磁极所固有的内部磁通方向相一致的要求。

3、一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，由电动机或发电机与设置在电动机或发电机上下部或左右两侧并与电动机或发电机的定转子部保持着良好同轴度的全永磁预应力磁悬浮轴所组成。依靠电动机或发电机在定转子之间所具备的轴向稳定力与径向磁悬浮轴承所具有的径向稳定力协同作用，使构成磁悬浮转子支撑系统当中的旋转部被约束在一种只能做切向定轴旋转的单自由度悬浮状态。所述全永磁预应力磁悬浮轴承，是由分别设置在电动机或发电机定转子上下部的每组相互对应并各自带有锥台斜面并经过轴向充磁的环形永磁体通过斜面气隙构成的相斥型磁力轴承和与每个相斥型磁力轴承径向并列设置的轴向吸引型径向磁悬浮轴承所组成。在本发明当中，无论是相斥型磁力轴承还是轴向吸引型径向磁悬浮轴承，所用的每个环形永磁体，除了指向工作气隙的一个磁极面外，其余部分均被软铁磁轭所包围。需要注意的是：两个全永磁预应力磁悬浮轴承在单自由度磁悬浮转子支撑系统当中的设置方法是“一个设置在电动机或发电机端盖的内部，为封闭式结构。而另一个则设置在电动机或发电机端盖的外侧与旋转体的承托部之间，属于开放型结构”从而使它们形成了对旋转体产生单方向的承载力，所以，由全永磁预应力磁悬浮轴承和电动机或发电机组成的单自由度磁悬浮转子支撑系统，一般采用垂直使用方式。另需说明的是：全永磁预应力磁悬浮轴承，本身已具备径轴向自稳定悬浮能力，在没有电动机或发电机参与的情况下，就可以直接作为一种磁悬浮平台使用。在本发明当中，所述位于电机上下部同一直径上的相斥型磁力轴承，还可以和另一直径圆周上的具有轴向气隙的吸引型径向磁悬浮轴承进行交叉设置。如：在电机上下部指定直径的圆周上上，上部为相斥型磁力轴承，下部为吸引型径向磁悬浮轴承，在另一直径的圆周上则采用上部为吸引型径向磁悬浮轴承，下部为相斥型磁力轴承。在本发明当中，所述两个全永磁预应力磁悬浮轴承中间位置上的电机为外转子时，还可以在其所用空心静轴的顶端端面上设置经过轴向充磁的圆柱形永磁体和在圆柱形永磁体通过气隙在所对应上部旋转体的中心部位上设置锥形凸块并使该锥形凸块的顶尖通过气隙正对圆柱形永磁体的中心部位所组成的磁力定心装置。增加了磁力定心装置的单自由度磁悬浮转子支撑系统，具有更强的径向稳定力。

4、在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所述电机为内转子且无需轴输出时，还可以是将两个经过轴向充磁的圆柱形永磁体分别设置在旋转部外壳两端盖内侧的中心部位上，并与电机动轴两端部的设置的铁磁锥形凸极通过轴向气隙重合于同一轴线，构成磁力定心装置。

5、在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所述电机为滚筒式外转子电机时，还可以在滚筒壁上设置带有径向扭斜度的散热孔和在空心静轴上设置进风孔。

6、在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所述电动机或发电机采用的是一种以定转子单侧气隙驱动的磁阻电动机或磁阻发电机，它是在所述的外转子滚筒内壁上设置齿圈，在齿圈的圆周上至少有三个行星轮分布，每个行星轮上的随动轴杆通过两端的轴承与单自由度磁悬浮转子支撑系统当中的旋转体承托部形成可转动连接，行星轮随动轴杆与定转子单侧气隙磁阻电动机或单侧气隙磁阻发电机的转子同轴，在单侧气隙磁阻电动机或单侧气隙磁阻发电机的转子圆周上，排列有极性互为相反的永磁体所组成的多极性永磁转子或采用整体圆环形可充磁材料经径向充磁的多极性永磁转子，多极性永磁转子通过一侧气隙与一个或多个带有电磁线圈并与多极性永磁转子构成向心型设置关系凸极铁心相对应。定转子单侧气隙磁阻电动机或单侧气隙磁阻发电机对单自由度磁悬浮转子支撑系统的旋转部具有轴向稳定作用。在本发明当中，内齿圈与行星轮的齿合传动，也可以由在所述的外转子滚筒内壁上沿圆周方向设置极性互为相反的永磁体和在外圆上带有极性互为的永磁体构成的磁性行星轮组成的非机械接触的磁力传动方式所替代。这种通过磁里传动的方式更有利于单自由度磁悬浮转子支撑系统的轴向稳定。

7、在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所述发电机可以是一台，也可以是多台相同型号的发电机轴向并列而成。当采用多台发电机轴向并列使用时，应使各相邻发电机的定子或转子磁极之间依次错开相同的角度和在所有发电机的同相绕组之间采用并联电路。采用多台发电机轴向并列使用，更有利于单自由度磁悬浮转子支撑系统的轴向稳定。

8、在本发明的单自由度磁悬浮转子支撑系统当中，所述电动机可以是一台，也可以是由多台同类型的磁阻电动机轴向并列而成。每台磁阻电动机的定转子磁极数相等以及使各相邻磁阻电动机的转子磁极或定子磁极之间依次错开电动机总相数分之一的磁极夹角，以便是这种轴向布相的组合式磁阻电动机在循环通电一周后，电机转子正好转过一个磁极的等分角度。

附图说明：

以下附图只表示结构而不代表体积比例。电动机或发电机的类型与定转子位置，均以文字描述为准。

图1、图2、图3、图4是采用全永磁径向磁悬浮轴承和电动机或发电机所组成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。

图5、图6、图7是采用主被动混合型磁悬浮轴承和电动机或发电机所组成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。

图8、图9、图10是采用全永磁预应力磁悬浮轴承和电动机或发电机所组成的单自由度磁悬浮转子支撑系统的剖视图。

具体实施方式：

下面结合附图说明用具体的实施方式对本发明单自由度磁悬浮转子支撑系统及其装置作进一步的详细描述。

按照图1所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是由滚筒式外壳1和端盖2、3及空心静轴4组成系统旋转部和旋转体承托部的基础构架。然后将外转子永磁 发电机5的转子部设置在滚筒式外壳1上，定子部设置在空心静轴4上，然后，再将两个全永磁径向磁悬浮轴承6和7对称地设置在外转子永磁发电机5的左右两侧而成。全永磁径向磁悬浮轴承当中的动子部设置在端盖2和3上，全永磁径向磁悬浮轴承当中的定子部设置在空心静轴4上，动子部和定子部通过轴向气隙相互对正。全永磁径向磁悬浮轴承的动子部和定子部均由经过轴向充磁，且体积和磁吸力大小不等的环形永磁体及环形永磁体外围的磁軛构成。滚筒式外壳1和端盖2、3及外转子永磁发电机5的转子部与全永磁径向磁悬浮轴承的动子部共同构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的旋转部。全永磁径向磁悬浮轴承6和7的定子部和外转子永磁发电机5的定子部及空心静轴4一起构成单自由度磁悬浮转子支撑系统的旋转体承托部。滚筒式外壳1和空心静轴4均由铝合金制作，空心静轴4有钢材制成。另外，还在空心静轴4与空心静轴4之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在空心静轴4与端盖2、3的外侧面之间设有旋转体水平使用的减重偏磁装置(未示)。

按照图2所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是由铝合金外壳8及在内侧带有外挡圈的端盖9和10与钢制空心静轴11组成基础构架。然后，将外转子永磁发电机12的转子部设置在外壳8上，定子部设置在空心静轴11上，然后，再将全永磁径向磁悬浮轴承13、14的动子部分别设置在端盖9和10上，定子部设置在外转子永磁发电机定子部左右两侧的空心静轴11的外围。在全永磁径向磁悬浮轴承当中，位于气隙两侧的动子部和定子部均由经过轴向充磁的两个环形永磁体紧密套装而成，并使内外环形永磁体的饿的轴向磁极面相等和磁场极性互为相反，位于全永磁径向磁悬浮轴承当中气隙两侧的动子部和定子部结构完全相同而体积而体积和磁吸力大小不等。在动子部和定子部的非工作气隙轴向一侧均被软铁磁軛所覆盖。另外，还在动子部和定子部环形永磁体的近轴一侧设有非磁性材料的圆柱形内套(未标)以及在端盖与空心静轴之间设有径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在空心静轴与端盖9、10的外侧之间设有减重偏磁装置(未示)。

按照图3所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是有铝合金外壳15及在内侧带有内外挡圈的铝合金端盖16、17与钢制空心静轴18组成基础构架。然后，将外转子永磁发电机19的转子部设置在外壳15上，定子部设置在空心静轴18上，然后，再将全永磁径向磁悬浮轴承20和21的动子部分别设置在端盖16和17的内外挡圈之间，定子部通过内侧的非磁性材料套体设置在外转子永磁发电机定子部左右两侧的空心静轴18上。全永磁径向磁悬浮轴承20和21的动子部和定子部分别由三个经过轴向充磁的环形永磁体紧密套装而成。并通过轴向气隙对正和保持相互吸引。在由三个环形永磁体组成的动定子部当中，位于两侧的环形永磁体的轴向磁极极面各占中间环形永磁体轴向磁极极面的二分之一面积。并使各相邻环形永磁体之间的磁场极性互为相反。在动子部和定子部的非工作气隙轴向一侧被软铁磁軛所覆盖。位于气隙两侧的动子部和定子部结构完全相同而体积和磁吸力大小不等。另外，还在定子部环形永磁体的近轴一侧设有非磁性材料的圆柱形内套(未标)以及在端盖16、17与空心静轴之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在空心静轴18与端盖的外侧之间设有减重偏磁装置(未示)。

按照图4所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是由铝合金筒形 外壳22和在内侧带有外档圈的铝合金端盖23、24及非磁性材料的空心静轴25组成基础构架。将全永磁径向磁悬浮轴承29、30当中，带有外围导磁軛的永磁动子部分别设置在端盖23、24的外挡圈之内以及将带有外围导磁軛的永磁定子部设置在空心静轴25上，并使它们通过轴向气隙相互对正和保持相互吸引。然后，再将外转子磁阻发电机26、27、28的永磁转子部轴向并列地设置在铝合金筒形外壳22上，将定子部设置在全永磁径向磁悬浮轴承的定子部外围。当空心静轴25为垂直设置使用时，位于下部的全永磁径向磁悬浮轴承30的总体磁吸力大于上部的全永磁径向磁悬浮轴承29的总体磁吸力，因此，对旋转体产生向上吸浮的减重效果，而不再单独设置减重偏磁装置。对于全永磁径向磁悬浮轴承30当中永磁动定子部，仍然是将体积较小的永磁动子部设置在系统的旋转部上，而将体积较大的永磁定子部设置在系统的旋转体承托部上。另外，还在空心静轴25和端盖23、24之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械压力轴承(未示)。

按照图5所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是将外转子磁阻电动机31的转子部设置在钢制外壳32上，定子部设置在空心静轴33上，然后，在外转子磁阻电动机31的左右两侧分别设有如图34所示的主被动混合型磁悬浮轴承。主被动混合型磁悬浮轴承由设置在钢制外壳32上带有外围磁轭且在径向磁极端面上带有“V”凸极以及被轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成的永磁动子部和位于空心静轴33上，并由中间带有“V”形型凹槽的环形永磁体与两侧的电磁线圈及电磁线圈外围的磁轭构成的永磁与电磁混合型定子部所组成。永磁动子部和混合型定子部通过径向气隙相互对应和磁场间相互排斥。在永磁与电磁混合型定子部当中，两个电磁线圈所产生的磁通与中间环形永磁体所固有的内部磁通方向保持一致。另外，还在空心静轴33与外壳32两侧的端盖之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在两个端盖的外侧与空心静轴33之间设有水平用减重偏磁装置(未示)。

按照图6所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是将内转子磁阻电动机35的定子部设置在钢制外壳36上，转子部设置在空心静轴37上，然后，在内转子磁阻电动机35的左右两侧分别设有如图38所示的主被动混合型磁悬浮轴承。该主被动混合型磁悬浮轴承由设置在空心静轴37上带有外围磁轭且被轮辐式径向充磁和纵轴向剖切面显示为矩形的环形永磁体所构成的永磁动子部和位于内转子磁阻电动机35左右两侧钢制外壳32上的混合型定子部所组成。主被动混合型磁悬浮轴承当中的混合型定子部，由带有外围磁轭且被轮辐式径向充磁的环形永磁体与环形永磁体两侧的电磁线圈及电磁线圈外围磁轭所构成。永磁动子部和混合型定子部通过径向气隙相互对应和磁场间相互排斥。在混合型定子部当中，两个电磁线圈所产生的磁通与中间环形永磁体所固有的内部磁通方向保持一致。另外，还在空心静轴37与外壳36两侧的端盖之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在外壳36两侧的两个软铁端盖的外侧与空心静轴37之间设有水平用减重偏磁装置(未示)。

按照图7所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是将外转子电动机39的转子部设置在钢制筒形外壳上，定子部设置在空心静轴40上，然后，在外转子电动机39的左右两侧的筒形外壳和空心静轴40之间，分别设置如图41所示的主被动混合型磁悬浮轴承。该主被动混合型磁悬浮轴承由设置在钢制筒形外壳32上带有外围隔磁套体且在径向磁极端面上带有“V”凸极以及被轮辐式径向充磁的环形永磁体所构成的永磁动子部 和位于空心静轴40上并由中间带有“V”形型凹槽的环形永磁体与两侧的电磁线圈及其外围磁轭构成的永磁与电磁混合型定子部所组成。永磁动子部和混合型定子部通过径向气隙相互对应和磁场间相互排斥。在永磁与电磁混合型定子部当中，两个电磁线圈所产生的磁通与中间环形永磁体所固有的内部磁通方向保持一致并可以使电磁线圈两侧的导磁轭高度大于电磁线的最大直径后通过轴向凸极向于永磁动子部的气隙侧接近(未示)。另外，还在空心静轴33与外壳32两侧的端盖之间设有单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械接触轴承(未示)和在两个端盖的外侧与空心静轴33之间设有水平用减重偏磁装置(未示)。

按照图8所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是由垂直设置的外转子永磁发电机42及其上下部的两个全永磁预应力磁悬浮轴承43、44以及钢制空心静轴45和与全永磁预应力磁悬浮轴承43、44动子部之间设置的单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械压力轴承(未示)所组成。每个全永磁预应力磁悬浮轴承都是由一个构成斜面气隙配合的相斥型永磁磁力轴承(未标)和一个径向并列设置的吸引型径向磁悬浮轴承所组成。两个全永磁预应力磁悬浮轴承43、44动子部通过外壳46连接。并在钢制空心静轴45和外壳46分别设置进风孔47和散热孔48。对于两个全永磁预应力磁悬浮轴承43、44的设置方法是：一个是封闭型结构，一个为开放性结构。以满足其受到正向或反向的轴向力时，气隙之间的磁通密度即表现出同增或同减的趋势。外转子永磁发电机42的转子部与外壳46固连，定子部与固连在钢制空心静轴45上的环形体(未标)固连。

按照图9所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统。它是由垂直设置的内转子永磁发电机49及其上下部的两个全永磁预应力磁悬浮轴承50、51以及钢制空心动轴52和与全永磁预应力磁悬浮轴承50、51的定子部之间设置的单自由度磁悬浮转子支撑系统径轴向气隙限位保护装置的机械压力轴承(未示)所组成。每个全永磁预应力磁悬浮轴承都是由一个构成斜面气隙配合的相斥型永磁磁力轴承(未标)和一个径向并列设置的吸引型径向磁悬浮轴承所组成。两个全永磁预应力磁悬浮轴承50、51的定子部通过外壳53连为一体。动子部则与钢制空心动轴52固定连接。对于两个全永磁预应力磁悬浮轴承50和51的设置方法是：一个是封闭型结构，一个为开放性结构。以满足其受到正向或反向的轴向力时，气隙之间的磁通密度即表现出同增或同减的趋势。对于内转子永磁发电机42的转子部则是与固连在钢制空心动轴52上的环形体(未标)固连。本装置在没有外转子永磁发电机存在时，同样具有径轴向自稳定悬浮能力，可供灵敏度极高的地磁仪等使用。

按照图10所示，本发明的一种单自由度磁悬浮转子支撑系统，它是在垂直设置的外转子永磁发电机(未示)的上下部分别设置有两个全永磁预应力磁悬浮轴承54、55和位于两个全永磁预应力磁悬浮轴承内侧的空心静轴56及空心静轴56顶端并经轴向充磁的圆柱形永磁体以及圆柱形永磁体通过轴向气隙对应在全永磁预应力磁悬浮轴承54动子部中心部位上的铁磁体锥形凸极所构成的磁力定心装置57所组成。两个全永磁预应力磁悬浮轴承的动子部通过外壳58连为一体。外转子永磁发电机(未示)的转子部设置在外壳58上，定子部设置在空心静轴56上，两者通过径向气隙相互对正。本装置在没有外转子永磁发电机存在时，同样具有径轴向自稳定悬浮能力，可供灵敏度极高的地磁仪等使用。