用于旋转机械的被动磁性轴承和集成所述轴承、包括能量生产涡轮的旋转机械的制作方法

用于旋转机械的被动磁性轴承和集成所述轴承、包括能量生产涡轮的旋转机械
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年1月18日提交的标题为“被动磁性轴承和集成所述轴承、包括能量生产涡轮的旋转机械”的第62/794,164号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开通常涉及一种用于旋转机械的被动磁性轴承和集成该轴承的旋转机械。更具体地，被动磁性轴承和旋转机械将暴露于由流体流或施加到轴承和旋转机械上的任何其它力引起的载荷。被动磁性轴承和旋转机械被配置成抵消施加在其上的三(3)个状态维度的力，这三个状态维度的力可以包括三个方向上的力。被动磁性轴承和旋转机械主要适用于使用任何类型流体的能量生产涡轮，并且更具体地，适用于可以从使用被动磁性轴承中受益的那些涡轮。该被动磁性轴承在其它特性之中包括具有多轴向特性的一组环元件。


背景技术：

4.三(3)个状态维度的被动磁性轴承(passive magnetic bearing，pmb)的设计受到可追溯到1800年代早期的恩绍定理所描述的物理原理的限制。该定理宣称，仅使用固定电荷或固定磁极，例如由pmb产生的固定电荷或固定磁极，来构建稳定的、非接触的、静电的或静磁的悬浮系统是不可能的。因此，用于一(1)个轴线的简单的pmb设计需要额外的主动磁性轴承(active magnetic bearing，amb)来稳定其它两(2)个轴线。当简单的pmb用于旋转机械时，这种机械总是有三(3)个轴线要稳定：i)一个轴线是竖直轴线或重量(y轴线)；ii)一个轴线是轴向轴线或通常是推力(z轴线)；iii)第三个轴线是垂直于轴向轴线和竖直轴线的侧向轴线(x轴线)。因此，恩绍定理教导，旋转机械不能以现有技术的状态或仅由现有技术已知的电荷的静电相互作用维持的配置来维持稳定的静态平衡：
5.对于静态场，麦克斯韦方程组导出了拉普拉斯方程，该拉普拉斯方程指出，由电势u(r)导出的电力f(r)将总是没有差异，因此：
[0006][0007]
并且，在x、y和z笛卡尔坐标系中，这将导致所有力的总和如下：
[0008][0009]
为了将带电粒子包含在给定的位置上，在该位置上的所有力的总和应该等于零，并且来自平衡位置上的任何移位应该被相反方向的恢复力抵消：
[0010]
f
x
＝
‑
kx
[0011]
拉普拉斯方程直接表明刚度常数“k”不可能在所有三个方向上均有负号，即不可能在所有方向上均包含电荷。
[0012]
由于恩绍定理施加的限制，目前几乎所有可用的商业磁性轴承系统均是amb类型
的磁性轴承系统，该磁性轴承系统使用由电子放大器供电的电磁体，电子放大器的输入来自场传感器和转换器，该场传感器和转换器嵌入轴承系统环境中和轴承系统环境周围，并监测旋转机械的其它两(2)个轴线。
[0013]
这些传感器和转换器形成闭环反馈系统，该闭环反馈系统通过使用嵌入在放大器中的模拟和/或数字自适应pid系统以相对的高频运行，以保持轴承的悬浮旋转机械部件稳定且以其相应的轴线为中心。
[0014]
由于这种系统的复杂性，amb是：i)昂贵；ii)需要定期维护；iii)不断地消耗电力来为其放大器、电磁体、传感器和转换器供电；iv)其集成降低了可靠性，并且增加了故障概率和相关的缺点。
[0015]
编号为20110001379a1的美国出版物中描述了使用amb来克服恩绍定理的研究进展综述和这种方法的示例。该示例出版物表明，一(1)个轴线由pmb稳定，第二个轴线使用amb来控制轴向转子的位置。


技术实现要素：

[0016]
根据一个方面，本发明提供了一种被动磁性轴承，该被动磁性轴承包括：
[0017]
第一环元件，该第一环元件具有轴向深度并由磁性材料形成，该第一环元件进一步具有海尔贝克阵列，该海尔贝克阵列围绕第一环元件的圆周是恒定的；
[0018]
第二环元件，该第二环元件具有轴向深度并由磁性材料形成，该第二环元件与第一环元件大致同心，并相对于第一环元件定位在轴向方向上限定的运行范围内，第二环元件具有：
[0019]
第一海尔贝克阵列，该第一海尔贝克阵列在第二环元件的至少一个角区域的第一组上成角度地延伸；以及
[0020]
第二海尔贝克阵列，该第二海尔贝克阵列在第二环元件的至少一个角区域的第二组上成角度地延伸；
[0021]
其中，第一环元件可围绕第二环元件旋转；以及
[0022]
其中，当第一环元件的海尔贝克阵列与第二环元件的第一海尔贝克阵列和第二海尔贝克阵列相对于彼此定位在轴向方向上限定的运行范围内时，来自第一环元件的海尔贝克阵列与第二环元件的第一海尔贝克阵列和第二海尔贝克阵列的磁性相互作用限定了组合力曲线，该组合力曲线具有：
[0023]
轴向方向上的轴向分量，所述轴向分量与预定的目标轴向力曲线大致匹配；以及
[0024]
在预定的角位置处在径向方向上的径向分量，所述径向分量与预定的目标径向力曲线大致匹配。
[0025]
根据一个方面，本发明提供了一种被动磁性轴承，该被动磁性轴承包括：
[0026]
第一环元件，该第一环元件具有轴向深度并由磁性材料形成，该第一环元件进一步具有海尔贝克阵列，该海尔贝克阵列布置围绕第一环元件的圆周是恒定的；
[0027]
第二环元件，该第一环元件具有轴向深度并由磁性材料形成，该第二环元件与第一环元件大致同心，并在轴向方向上与第一环元件大致对准，第二环元件具有：
[0028]
第一海尔贝克阵列，该第一海尔贝克阵列在第二环元件的至少一个角区域的第一组上成角度地延伸；以及
[0029]
第二海尔贝克阵列，该第二海尔贝克阵列在第二环元件的至少一个角区域的第二组上成角度地延伸；
[0030]
其中，第一环元件可围绕第二环元件旋转；以及
[0031]
其中，当第一环元件与第二环元件大致对准时，来自第一环元件的变化海尔贝克阵列与第二环元件的第一变化海尔贝克阵列和第二变化海尔贝克阵列的磁性相互作用限定了组合力曲线，该组合力曲线具有：
[0032]
轴向方向上的轴向分量，所述轴向分量与预定的目标轴向力大致匹配；以及
[0033]
在预定的角位置处在径向方向上的径向分量，所述径向分量与预定的目标径向力大致匹配。
[0034]
根据另一个方面，本发明提供了一种用于部署在运行环境内的涡轮，该运行环境具有用于产生扭矩的流体流动。根据本文所描述的各种示例实施例，涡轮包括定子、可围绕定子旋转的转子和至少一个被动磁性轴承的组，该组中的被动磁性轴承的第一环元件被集成在转子内，该组中的被动磁性轴承的第二环元件被集成在定子内。
附图说明
[0035]
为了更好地理解本文所描述的实施例，并更清楚地示出如何实施这些实施例，现在仅以示例的方式参照示出至少一个示例性实施例的附图，在附图中：
[0036]
图1a示出了根据一个示例实施例的改进的pmb的透视图；
[0037]
图1b示出了根据一个示例实施例的改进的pmb的分解视图；
[0038]
图2示出了根据一个示例实施例的在改进的pmb的第一角位置处沿着线a
‑
a的横截面视图；
[0039]
图3示出了根据一个示例实施例的在改进的pmb的第二角位置处沿着线b
‑
b的横截面视图；
[0040]
图4示出了在单模式下示出的曲线图，该曲线图为根据示例实施例的在施加到第一磁性环元件的组合力的特定角位置处的轴向分量和径向分量作为第一磁性环元件沿轴向方向相对于第二磁性环元件的位置的函数；
[0041]
图5示出了根据替代示例实施例的pmb的透视图；
[0042]
图6示出了在单模式下示出的曲线图，该曲线图为在替代示例实施例内的在施加到第一磁性环元件的组合力的特定角位置处的轴向分量和径向分量作为第一磁性环元件沿轴向方向相对于第二磁性环元件的位置的函数；
[0043]
图7a示出了在多模式下示出的曲线图，该曲线图为使用测试台测量的轴向分量和径向分量作为第一磁性环元件的物理部段相对于第二磁性环元件的第一海尔贝克阵列的物理部段沿轴向方向的位置的函数；
[0044]
图7b示出了根据一个示例实施例的示出第一环元件和第二环元件的第一海尔贝克阵列的部分重叠的横截面视图；
[0045]
图8a示出了在多模式下示出的曲线图，该曲线图为使用测试台测量的轴向分量和径向分量作为第一磁性环元件的物理部段相对于第二磁性环元件的第二海尔贝克阵列的物理部段沿轴向方向的位置的函数；
[0046]
图8b示出了根据一个示例实施例的示出第一环元件和第二环元件的第二海尔贝
克阵列的部分重叠的横截面视图；
[0047]
图9示出了根据示例实施例的改进的被动磁性轴承的部段的透视图；
[0048]
图10示出了根据示例实施例的改进的被动磁性轴承的部段的透视图，示出了透明的外壳；以及
[0049]
图11示出了根据示例实施例的集成一组改进的被动磁性轴承的旋转机械。
具体实施方式
[0050]
应当理解，为了说明的简单性和清晰性，在认为适当的情况下，图中可重复附图标记以指示对应的或类似的元件或步骤。另外，阐述了许多特定细节以便提供对本文所描述的示例性实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员可以理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践本文所描述的实施例。在其它实例中，公知的方法、过程和组件未被详细描述，以便不模糊本文所描述的实施例。此外，该描述不应被认为是以任何方式限制本文所描述的实施例的范围，而是仅仅描述本文所描述的各种实施例的实施。
[0051]
词“一”或“一个”与权利要求和/或说明书中的术语“包括”一起使用时可以表示“一个”，但也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致，除非上下文另有规定。类似地，词“另一个”可以表示至少第二或更多个，除非上下文另有规定。
[0052]
本文使用的术语“耦合”或“联接”可以具有数种不同的含义，这取决于使用这些术语的上下文。例如，术语耦合或联接可以具有机械的、电的或磁的含义，或者上述含义的组合。例如，如本文所使用的，术语耦合或联接可指示两个元件或装置直接彼此连接或通过一个或多个中间元件或装置经由取决于特定上下文的电元件、电信号、磁场或机械元件彼此连接。
[0053]
广义地说，本文呈现的实施例针对改进的pmb。改进的pmb包括大致同心的磁性环元件，每个磁性环元件具有相应的至少一个海尔贝克阵列。磁性环元件中的一个在其各种角范围内具有不同的海尔贝克阵列。磁性环元件中的一个被配置为在运行时不固定或基本上悬浮，同时受到外力。磁性环元件之间的磁性相互作用在非固定磁性环元件上产生力，使得该非固定磁性环元件在运行期间维持在位置范围内，同时可自由旋转。该性能通过使用恩绍定理中的漏洞，例如使用内部和/或外部环境力作为非固定磁性环元件在运行期间的抵消力来获得。
[0054]
根据一个示例实施例，非固定磁性环元件可以在运行期间基本上静止。例如，可以在竖直轴线(y轴线)、轴向轴线(z轴线)和侧向轴线(x轴线)中限定目标位置。允许离目标位置有偏差的量。这种偏差可能由施加在改进的pmb上的外力的改变，例如由运行环境中的流体流或任何类似于正常运行力的附加力的改变而引起。该偏差可以包括沿z轴线的平移以及沿y轴线和x轴线的移动。根据该单模式实施例的改进的pmb可以被配置为使得当这种位置发生偏差时，非固定磁性环恢复到目标位置。
[0055]
根据另一个示例实施例，非固定磁性环元件可以被定位在运行范围内。特别地，运行范围可以在轴向z轴线方向上限定。目标位置也可以沿y轴线和x轴线限定。也允许沿y轴线和x轴线有一些偏差。因此，非固定磁性环元件在运行期间可以在运行范围内沿z轴线平移。非固定磁性环元件可以具有至少两种运行模式，每种模式对应于运行范围内相应限定的运行位置。根据该多模式实施例的改进的pmb可以被配置为使得非固定磁性环根据运行
环境中流体流的力或任何类似于正常运行力的附加力的改变而在限定的运行位置(例如：沿z轴线)内的多个位置上运行。改进的pmb还可以被配置为使得当离限定在y轴线和x轴线上的目标位置存在偏差时，非固定磁性环恢复到目标位置。
[0056]
现在参照图1a，该图示出了根据一个示例实施例的改进的pmb1的透视图。改进的pmb1理论上由其“顶部”、“底部”、“前部”和“后部”部分表示。这些部分应仅在图的上下文中考虑，并且不应被视为限制性的。更具体地，这些部分对应于改进的pmb在实际运行部署时的位置和取向。底部是指最接近地面平面的部分，并且顶部与底部相对。前部是指面对一个或多个外力，例如面对流体流或以其它方式产生的一个或多个外力的改进的pmb1的表面或方向。被动磁性轴承1的后部与其前部相对。
[0057]
改进的pmb1可以使用三个轴线符号(三个相互垂直的轴线)来表示，其中轴向方向32表示第一轴线(或“z”轴线)。第二(竖直)轴线对应于顶部
‑
底部轴线80。在实际运行中，该轴线对应于重力的取向(或“y”轴线)。第三(侧向)轴线88垂直于轴向方向32和竖直轴线80。应当理解，第三轴线88(或“x”轴线)对应于改进的pmb1的侧向方向。
[0058]
改进的pmb1包括第一磁性环元件8和第二磁性环元件16。图1a示出了沿着轴向z轴线方向重叠的第一磁性环元件8和第二磁性环元件16，该图对应于运行配置。图1b是改进的pmb1的分解视图，以更好地示出每个环元件8和16的各自特性。第一磁性环元件8和第二磁性环元件16可以相对于彼此大致同心，这对应于在x轴线和y轴线上的目标位置。然而，允许沿着x轴线和/或y轴线有一些偏差，该偏差可能导致第一磁性环元件8和第二磁性环元件16在稍微不同心的相对位置上运行。第一磁性环元件8和第二磁性环元件16在径向方向上彼此隔开，以在第一磁性环元件和第二磁性环元件之间限定径向运行间隙24。间隙24在改进的pmb1的径向方向28上延伸。应当理解，因为第一磁性环元件8和第二磁性环元件16在运行期间由于离目标位置有偏差而不同心，则间隙24可以在运行期间变化。
[0059]
磁性环元件中的一个相对于磁性环元件中的另一个可围绕环元件的公共轴32自由旋转。应当理解，在同心的环元件8、16之间维持足够的间隙24(基本上固定的间隙，但有一些变化)使得可自由旋转(非固定)的环元件的旋转能够相对于另一个pmb环元件基本上无摩擦。也就是说，可自由旋转的磁性环元件可围绕公共轴线32旋转，而不摩擦地接触另一个环元件。在所示的示例中，第一磁性环元件8是外环，并且该第一磁性环元件可围绕作为内环元件的第二磁性环元件16自由旋转。
[0060]
当改进的pmb1应用于例如使用流体、水、风、空气、气体、蒸汽或任何扭矩产生源的旋转机械的运行装置时，可自由旋转的环元件与运行装置的旋转部分集成。该旋转部分可能是转子。另一个环元件与运行装置的非旋转部分集成。该非旋转部分可能是定子。更具体地，运行装置具有一组元件(例如定子和集成到该定子的环元件)，这一组元件通过运行装置的结构固定到外部主体，例如地面。运行装置还具有另一组元件(例如转子和可自由旋转的环元件)，这另一组元件不固定到外部主体。
[0061]
可以理解，在其它示例中，运行装置可以是集成改进的pmb1的第一环元件和第二环元件的简单轴承(不发电)。
[0062]
第一磁性环元件8和第二磁性环元件16中的每一个具有轴向深度(即，在轴向方向32上的深度(或长度/尺寸))。第一磁性环元件8和第二磁性环元件16中的每一个还具有至少一个相应的海尔贝克阵列。第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的海尔贝克阵列分别
是变化的，因为形成阵列的永磁体的布置和由永磁体产生的磁场在包括改进的pmb1的轴线32的三个轴线的三个状态坐标方向上是变化的。
[0063]
第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列和第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列在第一角位置处具有相互的磁性相互作用。第一角位置可以是改进的pmb1的顶部部分。磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的特定相互作用在磁性环元件8和16之间、在第一角位置处产生排斥力。该排斥力由可自由旋转的第一磁性环元件8承受。
[0064]
由磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列引起的在第一角位置处的特定磁性相互作用可以被表征为施加到第一磁性环元件8上的第一力f 60(图2)。该力有助于第一磁性环元件8的刚度模型。通过观察，来自磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的磁性图案的在第一角位置处的特定磁性相互作用在第一磁性环元件8上产生力f 60，该力在改进的pmb1的轴向方向32上具有第一力分量61，并且在改进的pmb1的径向方向28上具有第二力分量62。第一分量61被取向成朝向改进的pmb1的理论前部。径向分量62被取向成远离第二环构件16，示出了第一环构件8在第一角位置处被第二环构件16排斥。径向分量62被取向成在改进的pmb1的理论顶部的方向上。径向分量62可以与改进的pmb1的竖直y轴线对准。
[0065]
根据一些示例实施例，轴向方向32上的第一力分量61可以是可变的。该力分量61可以根据第一环元件8相对于第二环元件16沿轴向方向(z轴线)的相对位置而变化。第一环元件8和第二环元件16的相对位置的改变可以影响该第一环元件和第二环元件之间的磁性相互作用，从而也使沿z轴线32的力分量61变化。力分量61的变化可用于调整由于流体流的力的改变而引起的运行。
[0066]
根据一些示例实施例，径向方向28上的第二力分量62可以是可变的。因此，由可自由旋转的第一磁性环元件8承受的排斥力可以是可变的。该力分量62也可以根据第一环元件8相对于第二环元件16沿轴向方向(z轴线)的相对位置而变化。第一环元件8和第二环元件16的相对位置的改变可以影响该第一环元件和第二环元件之间的磁性相互作用，从而也使沿y轴线80的力分量62变化。力分量62的变化可用于调整由于施加到非固定环元件的外力的改变而引起的运行，例如调整由于变化的流体静力而引起的运行。
[0067]
当然，如果第一环元件8和第二环元件16沿着轴向z轴线方向维持在基本上恒定的相对位置处，则力f 60及其轴向分量61和径向分量62也将基本上恒定，因为环元件8和16之间的磁性相互作用将保持恒定。
[0068]
返回到图1a和图1b，第一磁性环元件8的海尔贝克阵列可以围绕第一磁性环元件8的整个圆周是恒定的。这在图1中通过围绕其圆周具有相同阴影的第一磁性环元件8示出(图1a和图1b中的第一磁性环元件没有阴影图案)。可以理解，第一磁性环元件的海尔贝克阵列围绕整个圆周是恒定的，因为在围绕轴线32的任何角位置处取横截面可以示出相同的海尔贝克阵列特性，例如示出第一磁性环元件8的永磁性元件的相同海尔贝克阵列。
[0069]
在其它实施例中，第一磁性环元件8的海尔贝克阵列在所有三个方向上从一个应用到另一个应用是可变的，但围绕其圆周是恒定的。
[0070]
第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列围绕第二磁性环元件16的圆周是非恒定的。第二磁性环元件16具有在至少一个角区域的第一组上延伸的第一变化海尔贝克阵列(如由环元件16的边缘中的第一阴影图案所示)和在至少一个角区域的第二组上延伸的第二变化海尔贝克阵列(如由环元件16的边缘中的第二阴影图案所示)。第一变化海尔贝克阵
列的变化磁性图案不同于第二变化海尔贝克阵列的变化磁性图案。这在图1a和图1b中通过具有不同阴影的角区域的第二磁性环元件16示出，每个区域对应于变化海尔贝克阵列中的一个。
[0071]
第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列和第二磁性环元件16的第二变化海尔贝克阵列在第二角位置处具有相互的磁性相互作用。第二角位置可以是改进的pmb1的底部部分。由于第二磁性环元件16的第二变化海尔贝克阵列在第二角位置处不同，则第一磁性环元件8和第二磁性环元件16之间的特定相互作用在第二角位置处也不同。环元件8和16的变化海尔贝克阵列在第二角位置处的相互作用是环元件8和16之间的吸引力。
[0072]
由环元件8和16的变化海尔贝克阵列引起的在第二角位置处的特定磁性相互作用可以被表征为施加到第一磁性环元件8上的第二力f 72(图3)。该力有助于第一磁性环元件8的刚度模型。通过观察，来自磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的磁性图案的在第二角位置处的特定磁性相互作用在第一磁性环元件8上产生第二力f 72，该第二力在改进的pmb1的轴向方向32上具有第一力分量73，并且在改进的pmb1的径向方向28上具有第二力分量74。第一力分量73被取向成朝向改进的pmb1的理论前部。径向力分量74被取向成朝向第二环构件16，示出了第一环构件8在第二角区域64内在第二角位置处被第二环构件16吸引。由于在第一环构件8的底部部分产生的可变吸引力，径向分量74被取向成在改进的pmb1的理论顶部的方向上。径向分量74可以与改进的pmb1的竖直y轴线对准。
[0073]
根据一些示例实施例，轴向方向32上的第一力分量73可以是可变的。该力分量73可以根据第一环元件8相对于第二环元件16沿轴向方向(z轴线)的相对位置而变化。第一环元件8和第二环元件16的相对位置的改变可以影响该第一环元件和第二环元件之间的磁性相互作用，从而也使沿z轴线32的力分量73变化。力分量73的变化可用于调整由于流体流的力或任何类似于正常运行力的附加力的改变而引起的运行。
[0074]
根据一些示例实施例，径向方向28上的第二力分量74可以是可变的。因此，由可自由旋转的第一磁性环元件8承受的吸引力可以是可变的。该力分量74也可以根据第一环元件8相对于第二环元件16沿轴向方向(z轴线)的相对位置而变化。第一环元件8和第二环元件16的相对位置的改变可以影响该第一环元件和第二环元件之间的磁性相互作用，从而也使沿y轴线80的力分量74变化。力分量74的变化可用于调整由于施加到非固定环元件的外力的改变而引起的运行，例如调整由于变化的流体静力而引起的运行。
[0075]
当然，如果第一环元件8和第二环元件16沿着轴向z轴线方向维持在基本上恒定的相对位置处，则力f 72及其轴向分量73和径向分量74也将基本上恒定，因为环元件8和16之间的磁性相互作用将保持恒定。
[0076]
在图1a所示的示例实施例中，第二磁性环元件16的第一变化海尔贝克阵列在对应于第二磁性环元件16的顶部部分的单个轴向区域上延伸。在所示的示例中，第一变化海尔贝克阵列在顶部角区域82上延伸。该顶部角区域82包括第一角区域40。在该所示的示例中，该顶部区域82在第二磁性环元件16的大约280度圆弧上延伸。在该顶部角区域82内，第一磁性环元件8可以与第二磁性环元件16具有排斥的磁性相互作用，该磁性相互作用例如来自图2所示的磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的磁性图案的组合。尽管如此，顶部区域82可以具有不同于280度圆弧的区域。
[0077]
继续参照图1a，第二磁性环元件16的第二变化海尔贝克阵列在对应于第二磁性环
元件16的底部部分的单个轴向区域上延伸。在所示的示例中，第二组角区域的第二变化海尔贝克阵列在底部角区域84上延伸。该底部角区域84中的第二变化海尔贝克阵列不同于顶部角区域82中的第一变化海尔贝克阵列。底部角区域包括第二角位置64。在该所示的示例中，该底部区域在第二磁性环元件16的大约80度圆弧上延伸。在该底部角区域84内，第一磁性环元件8可以与第二磁性环元件16具有吸引的磁性相互作用，该磁性相互作用例如来自图3所示的磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的磁性图案的组合。尽管如此，底部区域84可以具有不同于80度圆弧的区域。
[0078]
改进的pmb1可以关于顶部
‑
底部轴线80对称，使得其“左”侧可以与其“右”侧一致。改进的pmb1是对称的、在侧向x轴线的任一方向上产生零力。
[0079]
在其它示例实施例中，改进的pmb1可以关于顶部
‑
底部轴线80不对称，使得其“左”侧与其“右”侧不一致。改进的pmb1是不对称的、在侧向x轴线上产生非零力，这可能有助于对抗外力(例如在外部流体流的力中存在侧向分量)。
[0080]
如本文其它地方所述，在第一环元件8与第二环元件16沿z轴线32的给定相对位置处，第一力f 60(图2)具有在轴向方向32上被取向成朝向改进的pmb1的理论前部的第一分量61，以及在改进的pmb1的理论顶部的方向上沿顶部
‑
底部轴线80的第二力分量62(来自排斥力)。可以理解，在沿z轴线32的给定相对位置处，该第一力f 60存在于沿着第一角区域82的任何点处，尽管准确的取向将根据准确的角位置而变化。
[0081]
另外，在第一环元件8与第二环元件16沿z轴线的给定相对位置处，第二可变力f 72(图3)具有在轴向方向32上也被取向成朝向改进的pmb1的理论前部的第一力分量73，以及在改进的pmb1的理论顶部的方向上沿顶部
‑
底部轴线80的第二力分量74(来自吸引力)。可以理解，在沿z轴线32的给定相对位置处，该第二力f 72存在于沿着第二角区域84的任何点处，尽管准确的取向将根据准确的角位置而变化。
[0082]
此外，在第一环元件8与第二环元件16沿z轴线的给定相对位置处，沿着第一磁性环元件8的顶部角区域82的力f 60之和与沿着第二磁性环元件16的底部角区域82的力f 72之和的组合限定了来自整个第一磁性环元件8和整个第二磁性环元件16的磁性相互作用的第一磁性环元件8上的组合力。通过观察和测量，当适当地设计第一磁性环元件8的角度恒定的海尔贝克阵列与第二磁性环元件16的第一海尔贝克阵列和第二海尔贝克阵列时，第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的磁性相互作用可以被限定为组合力，该组合力具有沿着改进的pmb1的轴线32的限定的轴向分量和沿着改进的pmb1的顶部
‑
底部轴线80的限定的径向分量。该径向分量限定在对应于顶部
‑
底部y轴线80的特定角位置处。组合力的这些分量表示沿轴线32作用在第一磁性环元件8上的力和沿顶部
‑
底部轴线80作用在第一磁性环元件8上的力。
[0083]
根据一个示例实施例，并且如本文其它地方所述，改进的pmb1被设计成使其第一环元件8和第二环元件16在目标位置处运行，该目标位置包括第一环元件8相对于第二环元件16沿轴向z轴线方向的目标位置。目标位置也可以被限定为使环元件8和16大致同心。应当理解，在限定目标位置时，第一环元件8和第二环元件16旨在轴向方向上大致对准，该对准对应于沿轴向z轴线方向的目标位置。该对准也对应于前面数段中提到的沿z轴线的给定的相对位置。如本文其它地方进一步所述，允许离目标位置有一些偏差，例如允许沿轴向z轴线方向有一些相对平移。
[0084]
通过进一步观察和测量，可以适当地选择第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的参数(例如：在改进的pmb1的设计期间)，使得当第一环元件8和第二环元件16维持在目标位置(包括在轴向方向上大致对准)时，组合力的限定的轴向分量与预定的目标轴向力大致匹配，并且在特定角位置处的限定的径向分量与预定的目标径向力匹配。
[0085]
根据另一个示例实施例，并且如本文其它地方所述，改进的pmb1被设计成使其第一环元件8和第二环元件16在运行范围内运行。特别地，该运行范围可以在轴向z轴线方向上限定。运行范围也可以在x轴线和y轴线上限定目标位置，例如使第一环元件8和第二环元件16大致同心。应当理解，在限定运行范围时，第一环元件8和第二环元件16可以沿轴向z轴线方向具有多个相对位置(如在前面数段中提到的)。也就是说，在运行范围内允许第一环元件8相对于第二环元件16沿z轴线平移。
[0086]
因此，在运行范围内的第一环元件8和第二环元件16沿z轴线的多个给定相对位置中的每一个处，第一力f 60具有在轴向方向32上的相应的第一分量61和沿顶部
‑
底部轴线80的相应的第二力分量62。类似地，在运行范围内的第一环元件8和第二环元件16沿z轴线的多个给定相对位置中的每一个处，第二力f 72具有在轴向方向32上的相应的第一力分量73和沿顶部
‑
底部轴线80的相应的第二力分量74。由于第一环元件8和第二环元件16之间的磁性相互作用将对于沿z轴线的不同相对位置是不同的，则第一力f 60(及其分量61和62)和第二力f 72(及其分量73和74)将根据实际的相对位置而变化。因此，在沿轴向z方向限定的运行范围内，第一力f 60和第二力f 72的组合力限定了组合力曲线。
[0087]
通过进一步观察和测量，可以适当地选择第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的参数(例如：在改进的pmb1的设计期间)，使得当第一环元件8和第二环元件16相对于彼此定位在轴向z轴线方向限定的运行范围内时，组合力曲线具有与预定的目标轴向力曲线大致匹配的在轴向方向上的轴向分量和与预定的目标径向力曲线大致匹配的径向分量。
[0088]
在一个示例实施例中，预定的目标轴向力曲线可以针对第一环元件8和第二环元件16的相对位置而可变。预定的目标轴向力曲线可以根据在运行期间施加在改进的pmb1上的外力的预期范围来设置。
[0089]
在一个示例实施例中，预定的目标径向力曲线可以针对第一环元件8和第二环元件16的相对位置而基本上恒定(即平坦的曲线)。
[0090]
在第一环元件8和第二环元件16沿z轴线的相对位置的限定的运行范围内，还可以进一步存在至少两个稳定的相对位置。在其它实施例中，可以存在多于两个的稳定的相对位置。在第一环元件和第二环元件在轴向方向上的第一稳定的相对位置处，第一环元件8和第二环元件16具有基本上稳定的磁性相互作用。稳定的磁性相互作用对应于由这种相互作用引起的基本上恒定的组合力。类似地，在第一环元件和第二环元件在轴向方向上的第二稳定的相对位置处，第一环元件8和第二环元件16具有另一个基本上稳定的磁性相互作用，该磁性相互作用对应于另一个组合力。
[0091]
根据本文所描述的各种示例实施例，第一环元件8的海尔贝克阵列的磁场特性在轴向z轴线方向32上是可变的。例如，第一环元件的海尔贝克阵列由被定位在轴向方向上的多个离散磁体形成，并且离散磁体具有不同的磁体特性。多个离散磁体的这种磁体特性可以包括磁性材料、磁场取向、磁场强度、磁体高度、磁体宽度和磁体深度。
[0092]
第二环元件16的第一海尔贝克阵列的磁场特性和第二海尔贝克阵列的磁场特性
也可以在轴向z轴线方向32上是可变的。例如，第二环元件的第一海尔贝克阵列由被定位在轴向方向上的多个离散磁体形成，并且第二环元件的第二海尔贝克阵列由被定位在轴向方向上的另外多个离散磁体形成。离散磁体的每组可以具有不同的磁体特性，例如磁性材料、磁场取向、磁场强度、磁体高度、磁体宽度和磁体深度中的一个或多个。
[0093]
现在参照图2，该图示出了根据一个示例实施例的在改进的pmb1的第一角位置处沿着线a
‑
a(图1的40)的横截面视图。第一角位置对应于改进的pmb1的上角区域82。根据示例实施例的在第一角位置处的第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列和在第一角位置处的第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列均在图2中示出，仅示出a
‑
a横截面视图。
[0094]
每个变化海尔贝克阵列被建模并被示出为一组相邻布置的永磁体，每个永磁体具有表示其磁场的限定的磁性取向。永磁体在轴向z轴线方向上排列。在图2所示的示例中，第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列具有以下9个永磁性元件的磁性取向图案(图2中从左到右)：
→↓←↑→↓←↑→
。第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列具有以下8个永磁性元件的磁性取向图案(图2中从左到右)：
→↑←↓→↑←↓
。在图2所示的示例海尔贝克阵列中，由于第一磁性环元件8在轴向方向上具有更多的永磁性元件，则该第一磁性环元件可以具有轴向深度48，该轴向深度大于第二磁性环元件16的轴向深度56。尽管如此，在图2所示的示例中，第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列可以具有除了九(9)个之外的任何数量的永磁性元件的图案。类似地，第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列可以具有除了八(8)个之外的任何数量的永磁性元件的图案。
[0095]
图2示出了第一环元件8相对于第二环元件16的给定相对位置。该相对位置可以对应于沿轴向z轴线方向的目标位置。替代地，该相对位置可以对应于在第一环元件8和第二环元件16的相对位置的运行范围内的稳定相对位置。
[0096]
在第一环元件和第二环元件的该相对位置内，第一环元件和第二环元件在第一角位置40处的磁性相互作用可由具有其轴向力分量61和第二径向力分量62的第一力f 60来表征。
[0097]
现在参照图3，该图示出了根据一个示例实施例的在改进的pmb1的第二角位置处沿着线b
‑
b(图1的64)的横截面视图。第二角位置对应于pmb1的下区域84。在第二角位置处的第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列和在第二角位置处的第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列均在图3中示出。
[0098]
如图2中所示，在第二角位置处的每个变化海尔贝克阵列被建模并被示出为一组相邻布置的永磁体，每个永磁体具有表示其磁场的限定的磁场取向。在图3所示的示例中，第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列具有以下9个永磁性元件的磁性取向图案(图3中从左到右)：
→↑←↓→↑←↓→
。应当理解，该图案与在第一角位置处的图案大致相同(如图2所示)，但是由于第一磁性环元件8更靠近下区域64处的底部而被倒转(即围绕轴线32镜像)。
[0099]
在第二角位置处的第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列具有以下8个永磁性元件的磁性取向图案(图3中从左到右)：
↑→↓←↑→↓←
。应当理解，该图案不同于在第一角位置处的第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列的磁性图案。尽管如此，在图3所示的示例中，第一磁性环元件8的变化海尔贝克阵列可以具有除了九(9)个之外的任何数量的永磁性元件的图案。类似地，第二磁性环元件16的变化海尔贝克阵列可以具有除了八(8)个之外的任何数量的永磁性元件的图案。
[0100]
应当理解，第二磁性环元件16的第二海尔贝克阵列也具有沿轴向z轴线方向32变化的磁场特性。
[0101]
图3示出了如图2所示的第一环元件8相对于第二环元件16的同一相对位置。该相对位置可以对应于沿轴向z轴线方向的目标位置。替代地，该相对位置可以对应于在第一环元件8和第二环元件16的相对位置的运行范围内的稳定相对位置。
[0102]
在第一环元件和第二环元件的该相对位置内，第一环元件和第二环元件在第二角位置64处的磁性相互作用可由具有其径向力分量74和第二轴向力分量73的第一力f 72来表征。
[0103]
可以理解，以下参数可以可变地选择和可变地加权/赋值，以影响组合力或组合力曲线：
[0104]
·
在第一磁性环元件8的角度恒定的变化海尔贝克阵列内的磁性元件的图案；
[0105]
·
在第二磁性环元件16的至少一个角区域的第一组内的第一变化海尔贝克阵列的磁性元件的图案；
[0106]
·
在第二磁性环元件16内具有第一变化海尔贝克阵列的至少一个角区域的第一组的位置和大小(例如：以度为单位)；
[0107]
·
在第二磁性环元件16的至少一个角区域的第二组内的第二变化海尔贝克阵列的磁性元件的图案；
[0108]
·
在第二磁性环元件16内具有第二变化海尔贝克阵列的至少一个角区域的第二组的位置和大小(例如：以度为单位)；和/或
[0109]
·
形成第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的一种或多种磁性材料。
[0110]
·
元件8相对于元件16在所有轴线上的运行位置也可以通过设计而可变和/或固定。
[0111]
其它可以影响可变组合力的因素包括：
[0112]
·
形成海尔贝克阵列的单个磁体的尺寸；
[0113]
·
用于容纳磁体的双相材料、合金和尺寸；
[0114]
·
用于在第一磁性环元件8和第二磁性环元件16内使磁体与流体或可能及时影响其性能的任何外部介质隔离和绝缘的方法；
[0115]
·
用于使第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的磁体隔离的材料、外壳和几何形状。
[0116]
因此，可以理解，图1a、图2和图3以及相关的描述根据一个可能的示例配置呈现了改进的pmb1。改进的pmb1的其它配置被预期可以使pmb1在第一磁性环元件8和第二磁性环元件16的相对轴向位置的目标位置或运行范围内具有预定的三个轴向力或力曲线。更具体地，图2和图3以及相关的描述提供了磁性环元件8和16的变化海尔贝克阵列的磁性图案的特定配置，并且应当理解，可以实现阵列的其它磁性图案。例如，磁性图案可以在任何方向上复制或倍增(即，使第一环元件8的9个磁性元件和第二环元件16的8个磁性元件重复或极少重复)。替代地，可以使用不同的磁性图案。
[0117]
类似地，图1a以及相关的描述提供了第二磁性环元件16的具有第一变化海尔贝克阵列的至少一个角区域的第一组和第二磁性环元件16的具有第二变化海尔贝克阵列的至少一个角区域的第二组的特定配置，并且应当理解，可以实现海尔贝克阵列的其它角布置
(例如：图5示出了另一种可能的配置)。更具体地，在第一组内具有第一海尔贝克阵列的角区域的数量和在第二组内具有第二海尔贝克阵列的角区域的数量可以变化。每个角区域的角位置和角宽度也可以变化。在其它配置中，第二磁性环元件可以具有多于两个的变化海尔贝克阵列的图案。
[0118]
现在参照图4，该图示出了曲线图，该曲线图示出了根据示例实施例的在施加到第一磁性环元件8的可变组合力的特定角位置处的可变轴向分量和径向分量作为第一磁性环元件8沿轴向方向32相对于第二磁性环元件16的位置的函数。该曲线图通过对图1所示的改进的pmb1进行建模并具有图2和图3所示的可变海尔贝克阵列而生成。在所示的示例中，预定的目标轴向力96被设定为50000n(fz目标值)。在特定角位置处的目标径向力104被设定为22500n(fy目标值)。第一曲线112示出了来自磁性环元件8和16的磁性相互作用的可变组合力的可变轴向分量作为第一磁性环元件沿轴向方向32(即相对于第二磁性环元件16)的位置的函数。第二曲线116示出了来自磁性环元件8和16的磁性相互作用的在可变组合力的特定角部分处的可变径向分量也作为第一磁性环元件8沿轴向方向32的位置的函数。值得注意的是，在工作位置120(z＝0)处，组合力的轴向分量112与预定的目标轴向力96大致匹配，组合力的径向分量116与预定的目标径向力104大致匹配。
[0119]
图4的性能曲线图不仅示出了在目标位置120(z＝0)处实现的目标轴向力96和目标径向力104，图4还示出了在工作位置120(z＝0)的任一侧上延伸的运行范围内的可变组合力曲线。容易理解，第一曲线112和第二曲线116均相对于位置z显著变化。然而，在位置z＝0附近(例如，z＝
±
2mm)，曲线112和116具有良好的特性。因此，根据所示的示例实施例，运行范围可以被限定为z＝
±
2mm。在该运行范围内，表示可变轴向分量的力曲线112上升。在运行中，当轴向方向上的外力减小时，第一环元件8将向负范围移动，并且根据力曲线也具有轴向力分量，以抵消减小的外轴向力。类似地，当轴向方向上的外力增加时，第一环元件16将向正范围移动，并且根据力曲线也具有轴向力分量，以抵消增加的外轴向力。
[0120]
可以理解，适当地选择改进的pmb1的参数和参数值，使得其环元件8、16的磁性相互作用的组合力的轴向可变力分量和径向可变力分量与目标轴向力96和目标轴向力116大致匹配，从而使得能够利用恩绍定理中的漏洞。更具体地，改进的pmb1可以被部署在其将受到外力的运行环境中，该外力的特征为具有抵消目标轴向力96或目标轴向力曲线的轴向分量和抵消目标径向力104的径向分量，并且在第三轴线88的侧向方向上进一步具有相对较小的力。可以进一步理解，当改进的pmb1部署在该运行环境中时，从外力的轴向分量抵消改进的pmb1内的磁性相互作用的可变组合力的轴向分量112，以及从外力的径向分量抵消pmb1内的磁性相互作用的组合力的可变径向分量116来看，第一磁性环元件8将相对于第二磁性环元件16基本上静止。替代地，第一磁性环元件8将在其运行范围内相对于第二磁性环16在轴向方向上移动，从而当外力的轴向分量变化时，第一磁性环元件8在z轴线上平移，以根据力曲线获得组合力来抵消外力。
[0121]
现在参照图5，该图示出了根据替代示例实施例的pmb1’的透视图。替代的改进的pmb1’具有第二磁性环元件16’，该第二磁性环元件具有在其第一组角区域上延伸的第一变化海尔贝克阵列和在其第二组角区域上延伸的第二变化海尔贝克阵列。第一组角区域和第二组角区域可以具有交替的布置，同时关于顶部
‑
底部轴线80对称或不对称。第一变化海尔贝克阵列不同于第二变化海尔贝克阵列。第二磁性环元件16的第一变化海尔贝克阵列可以
具有如图2所示的磁性图案，第二磁性环元件16的第二变化海尔贝克阵列可以具有如图3所示的磁性图案。替代的pmb1’的第一磁性环元件8可以具有围绕其整个圆周恒定的变化海尔贝克阵列。第一磁性环元件8的该变化海尔贝克阵列可以具有如图2和图3所示的磁性图案。因此，替代的pmb1’的第一组角区域具有排斥的磁性相互作用，第二组角区域具有吸引的磁性相互作用。
[0122]
继续参照图5，第二磁性环元件16’的具有第一变化海尔贝克阵列的第一组角区域在顶部部分82a(例如：130度圆弧或任何不同度的角)和两个下侧部分82b、82c(例如：每个下侧部分为25度圆弧或任何不同度的角)上延伸。第二磁性环元件16’的具有第二变化海尔贝克阵列的第二组角区域在底部部分84a(例如：80度圆弧或任何不同度的角)和两个侧部分84b、84c(每个侧部分为50度圆弧或任何不同度的角)上延伸。
[0123]
现在参照图6，该图示出了曲线图，该曲线图示出了在替代的pmb1’内的在施加到第一磁性环元件8的可变组合力的特定角位置处的可变力轴向分量和可变力径向分量作为第一磁性环元件8沿轴向方向32相对于第二磁性环元件16’的位置的函数。该曲线图通过对图5所示的pmb1’进行建模并具有图2和图3所示的可变海尔贝克阵列而生成。限定了与图4的曲线图相同的在特定角位置处的目标轴向力96(fz目标值＝50000n)和目标径向力104(fy目标值＝22500n)。第一曲线112’示出了来自磁性环元件8和16’的磁性相互作用的可变组合力的可变轴向分量作为第一磁性环元件8沿轴向方向32(即相对于第二磁性环元件16’)的位置的函数。第二曲线116’示出了来自磁性环元件8和16’的磁性相互作用的在可变组合力的特定角部分处的可变径向分量也作为第一磁性环元件8沿轴向方向32的位置的函数。值得注意的是，在工作位置120(z＝0)处，在替代的改进的pmb1’内的可变组合力的可变轴向分量112’与预定的目标轴向力96大致匹配，可变组合力的可变径向分量116’与预定的目标径向力104大致匹配。因此，替代的改进的pmb1’的特性使得其能够以类似于图1所示的示例性改进的pmb1的方式利用恩绍定理中的漏洞。这也使得替代的pmb1’能够部署在如上文所述的同一运行环境中，其中在该部署中，第一磁性环元件8也将相对于第二磁性环元件16’基本静止，同时也可围绕第二磁性环元件16’自由旋转，并在该第一磁性环元件和第二磁性环元件之间维持运行的径向间隙24。
[0124]
在超级计算机上进行多次运行(每次运行使用具有大量单元的cray计算机)，以验证和进一步优化：可以部署一个或多个pmb，同时使得转子能够在运行环境内基本静止，从而提供转子和定子之间的三(3)个状态坐标悬浮和转子的基本上无摩擦旋转。计算模型的运行考虑了以下因素的组合：1)不同设计的pmb(不同的变化海尔贝克阵列和环元件上不同的角区域)提供的磁性相互作用；2)定子/转子与运行环境的计算流体力学；3)表面处理的流体静力效应。图4和图6示出了这种仿真的输出。
[0125]
此外，准备校准的磁性轴承测试(“mbtb
‑
1”)来验证这种仿真。测试台包括第一环元件8的物理25度的部段和第二环元件16的物理25度的部段(一个部段对应于如在第一角区域40中发现的第一海尔贝克阵列，另一个部段对应于在第二角区域64中发现的第二海尔贝克阵列)。使用三(3)个测压元件来测量可变力，每个测压元件具有三(3)个力分量、五(5)台激光仪器、一个线性磁致伸缩装置、一个多轴数字轴运动控制系统、具有一个分解器和高精度平移台的一个伺服电机。
[0126]
在使用mbtb
‑
1的第一测试中，第一环元件8的物理部段相对于第二环元件16的第
一部段(如在第一角区域40/横截面a
‑
a中发现的对应于第一海尔贝克阵列的部段)在z轴线方向上移位。当部段移位时，测量由两个部段的磁场相互作用引起的力。部段从最初的不重叠位置移位到完全重叠位置，并继续移位。
[0127]
图7a示出了当第一环元件的部段相对于第二环元件的第一部段在轴向z方向上移位时，第一环元件的部段在y轴线方向和z轴线方向上测量的力的曲线图。测量的曲线图示出了在部段移位期间的多个峰和谷。具有较浅的峰/谷的周期132指示第一稳定运行模式的存在。应当理解，该模式可被用于抵消第一范围内较弱的外力。具有较浅的峰/谷的该周期由部段在轴向z方向上的部分重叠而引起，其中第一环元件8和第二环元件16的海尔贝克阵列的一部分处于磁性相互作用中。该部分重叠在图7b的横截面视图中示出。具有较强的峰和谷的另一个周期指示另一个稳定运行模式的存在。
[0128]
在使用mbtb
‑
1的第二测试中，第一环元件8的物理部段相对于第二环元件16的第二部段(如在第一角区域64/横截面b
‑
b中发现的对应于第二海尔贝克阵列的部段)在z轴线方向上移位。当部段移位时，测量由两个部段的磁场相互作用引起的力。部段从最初的不重叠位置移位到完全重叠位置，并继续移位。
[0129]
图8a示出了当第一环元件的部段相对于第二环元件的物理第二部段在轴向z方向上移位时，第一环元件的部段在y轴线方向和z轴线方向上测量的力的曲线图。测量的曲线图示出了在部段移位期间的多个峰和谷。具有较浅的峰/谷的周期140指示第一稳定运行模式的存在。应当理解，该模式可被用于抵消第一范围内较弱的外力。具有较浅的峰/谷的该周期由部段在轴向z方向上的部分重叠而引起，其中第一环元件8和第二环元件16的海尔贝克阵列的一部分处于磁性相互作用中。该部分重叠在图8b的横截面视图中示出。具有较强的峰和谷的另一个周期指示另一个稳定运行模式的存在。
[0130]
应当理解，周期132和140沿轴向z方向偏移，使得来自pmb的整个圆周上的磁性相互作用的总和的组合力产生平滑的力曲线，如图4和图6所示。
[0131]
现在参照图9和图10，该图示出了根据示例实施例的改进的pmb1的部段的透视三维视图。示出了形成第一环元件8和第二环元件16的海尔贝克阵列的永磁体。每个环元件的永磁体各自由相应的隔离介质148、156支撑。隔离介质可以是不锈钢介质。当介质布置在运行环境中时，介质将永磁体与外部流体隔离。介质至少覆盖环元件中的每一个环元件的圆周表面。在所示的示例中，第一环元件8的内圆周表面被覆盖，第二环元件16的外周表面被覆盖。
[0132]
如图10所示，隔离介质可以进一步包括外壳(以透明的方式示出)，外壳进一步容纳第一环元件和第二环元件中的每一个环元件。外壳可以包住形成第一环元件和第二环元件的永磁体的暴露表面中的每一个暴露表面。
[0133]
根据本文描述的根据各种示例性实施例的改进的pmb的一个示例性应用，至少一个改进的pmb可以集成在具有旋转元件的任何旋转机械中，并且例如集成到具有流体作为产生能量的涡轮中，该流体例如水、蒸汽、气体或风。涡轮具有定子和围绕定子可旋转的转子。至少一个pmb的第一环元件8被集成在转子内，并且至少一个pmb的第二环元件16被集成在定子内。可以理解，集成在水力或风力涡轮内的一个或多个pmb的一个或多个第一环元件8和一个或多个第二环元件16沿轴线32、80和88提供了转子和定子之间的磁悬浮界面。更具体地，一个或多个pmb的第一环元件和第二环元件之间的相互作用提供了转子和定子之间
的无摩擦旋转关系。
[0134]
水力、风力或燃气涡轮被配置成部署在例如具有水、风或气流的水体或风体的运行环境内。水体或风体可以是河流或空气、水管或风管的内部或者任何打开通道，打开通道可以是自然的或人为的。可以理解，运行环境将对水力、风力或燃气涡轮以及集成在这些涡轮中的一个或多个pmb1施加各种外力。水力、风力或燃气涡轮根据运行环境进行适当地设计，使得来自一个或多个改进的pmb1的磁性环元件8、16的磁性相互作用的一个或多个可变组合力的总和的轴向分量与运行环境内的轴向方向上的外力大致匹配。当单个改进的pmb集成时，来自改进的pmb1内的磁性相互作用的组合力或组合力曲线的轴向分量应该与轴向方向32上的外力匹配。当多个pmb集成时，来自所有pmb1的组合力的轴向分量(即组合力或组合力曲线的总和)应该与轴向方向32上的外力匹配。
[0135]
当转子部署在具有水、风或气流的运行环境中时，转子(具有第一磁性环元件)被取向为与水、风或气流的扭矩产生方向轴向对准。轴向方向32上的外力包括(例如：本质上包括)扭矩产生方向上的流动力。流体流动作用在转子的叶片上的力在转子中产生扭矩。该流体流动在第一环元件8上施加轴向方向上的力，该力抵消一个或多个改进的pmb1的组合力的总和的轴向力分量。
[0136]
当流体流动的力可变时，根据一个或多个改进的pmb1的组合力曲线，该力被一个或多个改进的pmb1的组合力的总和的轴向力分量抵消。例如，在具有已知流动特性的这种特定水体(例如：河流)的特定运行环境中，一个或多个pmb1被配置和/或选择为在轴向方向上提供特定的组合力曲线，以抵消已知的流动特性。例如，对于在扭矩产生方向上的流体流动可以限定流动力下限和流动力上限，并且给定涡轮的一个或多个改进的pmb1被特别设计成在轴向方向上具有组合力曲线，当一个或多个改进的pmb1的第一环元件和第二环元件在轴向方向上的相对位置的其运行范围内时，该组合力曲线能够适应下限处的流动力、上限处的流动力和下限与上限之间的任何流动力。
[0137]
水力、蒸汽、空气、风力或燃气涡轮也根据运行环境进行适当地设计，使得来自一个或多个改进的pmb1的磁性环元件8、16的磁性相互作用在特定角位置处的径向分量与运行环境内的径向方向上的外力大致匹配。当单个改进的pmb集成时，来自pmb1内的磁性相互作用的可变组合力的可变径向分量应该与径向方向上的外力匹配。当多个改进的pmb集成时，来自所有改进的pmb1的可变组合力的径向分量(即可变组合力的总和)应该与径向方向上的外力匹配。
[0138]
当转子实际部署在运行环境中时，由于重力的作用，转子在运行环境内具有限定的重量。该重量在对应于顶部
‑
底部轴线80的特定角位置处用作径向方向上的力，该力抵消一个或多个改进的pmb1的组合力的总和的径向分量。
[0139]
图11示出了沿其转子/定子长度集成两个改进的pmb的示例性涡轮的透视图。
[0140]
包括在转子的旋转中形成的流体(例如：水或任何流体)膜的动态效应的其它外力产生与一个或多个改进的pmb1协同工作的流体静力。流体静力在转子和定子的界面表面上特别普遍。流体静力将进一步取决于界面表面的表面处理。根据一个示例，这些表面可以通过沉积有高速氧燃料(high velocity oxygen fuel，hvof)的颗粒和集成到旋转机械表面界面的高性能半结晶热塑性聚醚醚酮或类似材料的功能来增强。
[0141]
在一个或多个改进的pmb设计中还考虑了来自发电机电磁性相互作用的附加力，
以提供目标运行范围内的稳定性。
[0142]
总之，可将外力施加到转子上，以及因此使一个或多个第一环元件8可自由旋转的环境因素包括：
[0143]
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第一磁性环元件8上的重力和在特定角位置(顶部
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底部轴线轴80)处的径向方向上的可变外力；
[0144]
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流向转子的叶片的水、蒸汽、空气、风、气体或产生机械扭矩以使其旋转的其它装置和轴向方向32上的外力；
[0145]
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作用在旋转元件与非旋转元件之间，例如作用在转子和定子之间的界面表面上的流体静力；
[0146]
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发电机的电磁力；
[0147]
这些外力必须被由集成在水、风、气体或其它扭矩产生涡轮中的一个或多个改进的pmb1的磁性环元件8、16的磁性相互作用引起的组合力或组合力曲线的轴向分量、径向分量和侧向力分量抵消，以便将一个或多个第一磁性环元件8维持在静止位置或者相对于一个或多个第二磁性环元件16维持在预定的运行范围内，从而允许三(3)个状态坐标悬浮，以确保在转子的不同设计运行状态下的稳定运行。也就是说，转子在其运行环境中将处于悬浮的状态。因此，一个或多个改进的pmb的目标轴向力或力曲线、目标径向力或力曲线以及目标侧向力或力曲线根据运行环境内预期的外力来预定。
[0148]
尽管上述描述提供了实施例的示例，但应当理解，在不脱离所描述的实施例的精神和操作原理的情况下，所描述的实施例的某些特征和/或功能易于修改。因此，上述描述的内容旨在说明性和非限制性，并且本领域技术人员可以理解，在不脱离本文所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下可以进行其它变型和修改。