磁保持架纯滚动轴承优点与缺点改进

磁保持架纯滚动轴承的优点及缺点改进措施自从1760年，英国钟表匠约翰・哈里森为制作H3航海计时计，发明了首个投入实际使用的带保持架滚动轴承后，普通的有保持架的滚动轴承，一直是最简单有效的减小滑动摩擦的机械部件。在这两百六十多年滚动轴承的发展改进过程中，一直是对这种结构修修补补，始终没有突破这种结构带来的滑动摩擦，直到磁保持架滚动轴承的出现，才解决了取消保持架，实现简单、有效、实用地消除主要的滑动摩擦的难题。磁保持架纯滚动轴承突破了传统滚动轴承依赖保持架的结构设计，其核心特征在于用磁场代替了保持架，使滚动体在没有机械保持架的情况下保持间距，从原理上突破了传统的机械结构模型。这种变革性的设计理念，将会在滚动轴承领域引起一系列连锁反应，例如，新型软磁材料开发，永磁体的大规模应用，滚动轴承性能的大幅度提高，为现代工业追求高效、精密运转提供了全新路径。虽然磁保持架纯滚动轴承的优点突出，但也存在一些缺点，那就是因导体相对于磁体的运动而产生的涡流。这种涡流会使导体发热，并且轴承转速越快，产生的热量越多。因此，需要采取散热、减小涡流产生或消除涡流等措施，控制热量的聚集，把轴承温度控制在合理的范围之内。纯滚动轴承技术方案带来的具体有益技术效果如下1.真正解决了影响滚动轴承寿命的关键因素——磨损，即滑动摩擦影响传统滚动轴承寿命的主要因素就是磨损。在有保持架的滚动轴承中，保持架与滚动体之间的滑动摩擦会造成两者之间相互磨损，一方面影响寿命，一方面影响精度。无保持架滚动轴承相邻滚动体之间的滑动摩擦磨损，比有保持架的磨损更为严重。因此，不用保持架保持滚动体间距的纯滚动轴承，消除了影响滚动轴承寿命和精度的主要因素，大幅提高了轴承的使用寿命、精度寿命和可靠性。在工业设备的长期运行过程中，轴承的寿命与可靠性直接关系到设备的整体稳定性与维护成本。纯滚动轴承通过先进的设计理念与优化的制造工艺，成功突破了传统轴承的寿命极限，为工业生产的高效、稳定运行提供了坚实支撑。此外，纯滚动轴承的无保持架设计，彻底消除了因保持架磨损导致的突发失效隐患。在一些对可靠性要求极高的关键设备中，如石油化工行业的大型压缩机、矿山机械的主传动系统等，纯滚动轴承的高可靠性优势得以充分体现，有效避免了因轴承故障引发的生产事故，保障了生产的连续性与安全性。2.能够把现有的轴承钢滚动体轴承改造为纯滚动工作方式现有的轴承钢滚动体轴承，只要定制尺寸合适的磁体，并设置在相应的滚道附近，就能使轴承钢滚动体轴承以纯滚动方式工作。比如，在各个视频平台发布的“纯滚动轴承”系列视频中，“纯滚动轴承11”和“纯滚动轴承12”就是对现有轴承的改造。虽然两个视频分别演示的是推力轴承和径向轴承，但两者的滚动体保持间距的效果是一样的。3.兼容现有的轴承钢滚动轴承及其生产设备，快速形成产品对于现有的轴承钢滚动体及其生产设备，完全不需要任何改造，就能适应纯滚动轴承的技术方案。对于现有的轴承内外圈及其生产设备，只需要根据产品要求作小幅调整即可。因此，这种技术方案不需要开发新的生产设备，不需要对轴承的各个部分进行大幅改造，能使普通轴承和纯滚动轴承的部件及生产设备相兼容，提高部件和设备的使用效率，可以使纯滚动轴承快速、低成本形成成熟产品。4.使用电磁体，磁力可控，可调整预紧力、游隙等，动态补偿精度，实现智能控制本技术方案可以使用电磁体，其磁力大小、有无可以根据需要控制。当轴承因为磨损而精度降低时，可以通过调整预紧力的大小，同时配合精度补偿装置，使轴承的精度不受影响。另外，磁场调控的灵活性为智能轴承的发展提供了可能，通过调节磁场强度可动态控制滚动体间距与运动状态，实现自适应工作性能。这一技术有望在高速主轴、精密仪器及新能源装备等领域率先落地，推动轴承由机械被动约束向主动智能控制跃迁，重塑高端装备核心部件的技术格局。5.磁体设置在不动的内圈，既可抵消离心力，又可抵消引力阻力轴承在高速转动时，滚动体会形成巨大的离心力，会对外圈形成巨大的压力，这种压力会对外圈造成破坏作用，使造成转速不能进一步提高。当轴承内圈设置磁体时，磁体对软磁材料滚动体的吸引力，会减小滚动体对外圈的压力，能提高轴承的极限转速，同时也能抵消吸引力引起的阻力。6.拉动磁体产业发展，扩大产业应用范围，提高产业容量永磁体最大的应用领域就是永磁电动机。而永磁电动机的使用数量有限，因此，永磁体的使用数量也有限。相对于永磁电动机而言，轴承的使用数量要大得多。如果纯滚动轴承得到大规模应用，将会使永磁体产业迎来爆发式增长，使永磁体产业大幅扩容，增加相关产业上下游需求，增加就业岗位。7.促进软磁材料开发，形成新的产业集群 软磁材料的应用绝大多数都集中在电机、变压器、电磁铁、电感元件等电磁相互转换的应用场景，虽然对材料强度有一定要求，但并不是主要要求指标。纯滚动轴承对软磁材料的要求不同于普通软磁材料。首先，轴承是承载负载的结构，材料需要达到足够的机械强度，强度越高越好。其次，为了控制涡流热的产生，要求软磁材料有高电阻，电阻越高越好。因此，今后软磁材料的开发又有了新的开发方向，那就是开发适用于纯滚动轴承领域的软磁材料。8.实现真正的纯滚动轴承这种纯滚动轴承的技术方案，完全可以实现理想状态的纯滚动工作方式，使理论研究有了实际应用。以发明申请的说明书附图50为例，对纯滚动工作方式进行说明。图50是带有传统滚道的球形滚动轴承，内外圈是不锈钢、陶瓷等非铁磁性材料，磁环设置在滚道下方。当把内外圈传统的机械滚动都去掉，只使用磁滚道对滚动体进行约束，就可以实现轴承理论上的纯滚动工作方式。图50内外圈是单磁环，因为磁滚道有边际效应（参见“纯滚动轴承”系列视频中关于磁滚道的视频），实际应用时，采用双磁环效果会更好。这种工作方式对应的是“纯滚动轴承”系列视频中的“径向球形纯滚动轴承”和“径向圆柱纯滚动轴承”。为了提高轴承的可靠性，在轴承的磁滚道附近设置挡边，防止滚动体在意外情况下脱落。在正常情况下，挡边与滚动体没有接触。在受到冲击等情况下，可能与挡边接触，但很快就能在磁力的吸引下，回到正常的磁滚道。由于没有滑动摩擦，可以不使用任何润滑剂，因此，能应用在一些特殊的环境中，如真空、低温、辐射、超净等环境中。在现代工业生产中，对清洁生产环境的要求日益严格，尤其是在一些特殊领域，传统轴承依赖润滑油脂的特性成为了制约发展的瓶颈。而纯滚动轴承的无油运转特性，为这些领域带来了全新的解决方案，从根本上解决了润滑剂污染、泄漏及失效问题，开启了清洁传动的新时代。传统滚动轴承在运行过程中，需要定期添加润滑油脂，以减少滚动体与滚道之间的摩擦，防止磨损和过热。然而，润滑油脂的使用也带来了一系列问题。在高真空环境下，如航天领域的卫星姿态控制系统、空间望远镜的驱动机构等，真空度可达10⁻⁶Pa，传统润滑油脂会因挥发而失效，不仅无法起到润滑作用，还可能污染周围的精密仪器设备，影响其正常运行。在核工业场景中，辐照剂量超10⁴Gy，润滑油脂在强辐射作用下会迅速变质，失去润滑性能，甚至产生有害物质，威胁设备安全与操作人员健康。纯滚动轴承凭借其独特的纯滚动设计，无需润滑油脂即可稳定运行。在上述高真空和强辐射环境中，纯滚动轴承能够可靠工作，避免了润滑剂挥发或变质带来的风险。在食品医药生产线上，这一特性更是具有不可替代的优势。食品和药品的生产过程对卫生标准要求极高，哪怕是微量的油脂残留都可能对产品质量造成潜在威胁，引发食品安全问题或药品质量不合格。纯滚动轴承的无油运转特性，完全消除了这一隐患，为食品医药行业的安全生产提供了有力保障。在现代工业生产中，尤其是在对噪声控制要求严格的精密仪器和高端装备领域，轴承的噪声水平直接影响到设备的性能与使用体验。纯滚动轴承通过独特的设计与先进的制造工艺，成功解决了传统滚动轴承的噪声问题，为用户带来了静音、平稳的精密传动体验。传统滚动轴承在运转过程中，保持架的振动以及滚动体与滚道之间的打滑现象是主要的噪声源。保持架在带动滚动体旋转时，由于自身的质量不平衡以及与滚动体、内外圈之间的间隙配合，会产生周期性的振动，这种振动通过轴承座传递到设备外壳，进而产生噪声。滚动体在高速运转时，若与滚道之间的摩擦力不均匀，就会出现打滑现象，产生高频噪声。在一些对噪声敏感的环境中，如医疗影像设备、光学仪器等，这些噪声不仅会干扰操作人员的工作，还可能影响设备的检测精度和数据稳定性。在医疗影像设备中，如CT机、核磁共振成像仪等，纯滚动轴承的静音特性确保了设备在运行过程中不会产生干扰检测数据的噪声，提高了影像的清晰度和诊断的准确性。在高端数控机床中，纯滚动轴承实现了“毫米级精度加工时的环境级静音”，为精密加工提供了安静、稳定的工作环境，提升了加工质量和操作人员的工作舒适度。9.磁悬浮保护轴承在人们的普遍观念中，磁悬浮轴承就是零摩擦、零接触的轴承，与滚动轴承毫无关系。而实际上，磁悬浮轴承在停用、启动前或故障时，都需要滚动轴承的保护与配合。而纯滚动轴承就可以担任这个角色，特别是纯滚动轴承采用电磁体时，磁悬浮轴承速度较低，可以用较大的磁力使滚动体保持间距。当磁悬浮轴承高速稳定转动时，纯滚动轴承由于离心力和惯性作用，滚动体自动保持间距，不需要磁力保持间距，就可以减小甚至断开纯滚动轴承电磁体的电能供应，以减小涡流热的产生。在停用或故障时，接通或加大电流，使纯滚动轴承正常工作。这种纯滚动轴承要比普通的磁悬浮保护轴承寿命长得多。10.噪音小纯滚动轴承没有保持架与滚动体之间的滑动摩擦，噪音大幅减小。同时，磁体的存在可以减小轴承滚动体的不规则运动和各个部分震动形成的噪音，使轴承工作更安静。涡流热的解决方法1.普通的润滑油冷却在普通的应用领域，可以采用常规的润滑油作为冷却剂对轴承冷却。2.磁体位置调整在一般转速的条件下，当轴承转速相同的情况下，并且外圈不动，内圈转动的情况下，磁体设置在外圈，外圈与磁体没有相对运动，不会产生涡流热。内圈与磁体有相对运动，会产生涡流热。如果磁体设置在内圈，则内圈没有涡流热，外圈有涡流热。这种情况下外圈涡流热大于内圈涡流热，因此，为控制涡流热，优先选择磁体设置在外圈。3.磁场强度与转速匹配磁场强度越大，磁体保持滚动体间距的能力越强，同时涡流热的产生越多。因此，为了控制涡流热的产生，要根据轴承应用的最大转速以及采取的冷却措施，确定磁场的强度。4.距离调节法在永磁体磁场强度不变的情况下，通过调节磁体与轴承之间的距离，可以达到调节轴承与磁体之间磁感应强度的效果，以达到控制涡流热的目的。5.采用高电阻软磁材料涡流热的产生与轴承材料的电阻息息相关。轴承组成的材料电阻越大，在相同的转速条件下，涡流热的产生就会越少。因此，采用高电阻的软磁材料，就会显著减少涡流热的产生。现有的铁基非晶态合金、高熵软磁合金等软磁材料的综合性能基本可以达到轴承钢标准，为高性能的软磁材料轴承开发奠定坚实基础。另外，开发符合轴承要求的更好性能的软磁材料，将成为今后软磁材料开发的重要研究方向。例如，具有软磁材料性能的陶瓷材料，高强度、高弹性模量和高可塑性的软磁材料等等。6.磁场消除法涡流热的产生是因为磁场的存在，因此，消除磁场就不会有涡流热的产生。轴承开始转动的时候，磁场保持滚动体间距。当轴承达到一定转速，由于离心力的惯性作用，滚动体间距会保持不变。这时，只有轴承转速不变，滚动体之间的间距就会保持不变，就不需要磁场保持间距。如果磁体是电磁体，那么断开电流就消除了磁场，就不会产生涡流热了。如果是永磁体，利用机械开关屏蔽掉磁场，就可以消除涡流热。很多应用场景都是处于稳定的转动状态，就可以利用这种方法消除涡流热，例如，稳定整体的换气扇、发电机组等等。纯滚动轴承的出现，不仅是一次产品迭代，更是对机械传动底层逻辑的重构。随着材料科学（如碳纳米管增强轴