CN110017328B - 磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁轴承，包括：相互套设的定子组件与转子组件，以及设置于定子组件内的线圈组件与保护轴承，定子组件包括沿轴向依次设置的上磁极、导磁环与下磁极，以及设置于内腔内的定子叠片与套设在定子叠片与导磁环之间的永磁偏置磁钢；转子组件设于内腔内，并与定子组件之间分别限定出径向工作间隙与轴向工作间隙，转子组件包括转子叠片组件以及设置于转子叠片组件两端的跌落环；线圈组件包括轴向控制线圈与径向控制线圈；保护轴承与跌落环之间分别限定出径向保护间隙、上轴向保护间隙与下轴向保护间隙。本发明提供的磁轴承，保护轴承内嵌磁轴承，缩短了轴向长度，提高的轴系模态，有利于轴承控制。

Description

磁轴承

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，更具体而言，涉及一种磁轴承。

背景技术

磁轴承利用电磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机械摩擦，是一种低损耗、高性能轴承。在实现高转速的同时，还具有无机械磨损、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，在高速设备中的应用越来越广泛。其中，永磁偏置式的磁轴承通过采用永磁体生成偏置磁场，有利于降低轴承功耗，为了保证磁轴承系统的安全性，需要在转子两端设保护轴承，以防止磁悬浮轴承失效或者突然断电时，磁轴承转子与定子之间发生碰撞，保护轴承的设置，相应地，也产生了以下缺陷：

(1)增加了产品轴向尺寸；

(2)会使磁悬浮轴系的模态降低，给磁悬浮轴系的控制增加了难度；

(3)磁悬浮的轴系间隙与保护轴承的间隙调整工艺相对复杂，导致装配时间较长。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提供一种磁轴承。

为实现上述目的，本发明的一个方面的技术方案提供了一种磁轴承，包括：相互套设的定子组件与转子组件，以及设置于所述定子组件内的线圈组件与保护轴承，所述定子组件包括沿轴向依次设置的上磁极、导磁环与下磁极，所述上磁极、所述导磁环与所述下磁极能够限定出内腔，所述定子组件还包括设置于所述内腔内的定子叠片与套设在所述定子叠片与所述导磁环之间的永磁偏置磁钢；所述转子组件设于所述内腔内，并与所述定子组件之间分别限定出径向工作间隙与轴向工作间隙，所述转子组件包括转子叠片组件以及设置于所述转子叠片组件两端的跌落环；所述线圈组件包括轴向控制线圈与径向控制线圈，所述轴向控制线圈用于控制所述永磁偏置磁钢产生轴向偏磁磁通，所述径向控制线圈用于控制所述永磁偏置磁钢产生径向偏磁磁通；所述保护轴承分别嵌设于所述上磁极与所述下磁极的内侧，并与所述跌落环之间分别限定出径向保护间隙、上轴向保护间隙与下轴向保护间隙。

本发明上述技术方案提供的磁轴承，在上磁极、导磁环与下磁极限定出的内腔内设置与磁轴承共轴的保护轴承，保护轴承分别设置于上磁极与转子组件的上端之间，以及下磁极与转子组件的下端之间，以实现保护轴承的内嵌式安装方式，并对防止转子组件与定子组件之间发生碰撞，相对于现有技术中通过设置轴承座的保护轴承的安装方式，一方面，保护轴承内嵌磁轴承，缩短了轴向长度，提高的轴系模态，有利于轴承控制，另一方面，保护轴承能够直接安装在上下磁极上，省去了轴承座，从而降低了制备成本，再一方面，磁轴承的轴向工作间隙、径向工作间隙，以及相对保护轴承的保护间隙能够直接通过零件尺寸保证，省去了整机装配的间隙调整。

进一步地，通过永磁偏置磁钢与轴向控制线圈、以及径向控制线圈的配合设置，能够将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源。

另外，可以选用呈对角接触式轴承或者深沟球轴承作为内嵌式的保护轴承，保护轴承分别安装在上磁极与下磁极上。

上述技术方案中，可选地，所述上磁极与所述下磁极的内部均开设有构造为台阶形状的第一环形槽与第二环形槽，所述第一环形槽的外圆直径小于所述第二环形槽的外圆直径，所述第一环形槽、所述第二环形槽与所述磁轴承共轴设置；其中，所述第一环形槽用于安装所述保护轴承，所述保护轴承通过间隙配合套设在所述第一环形槽的内侧壁上。

在该技术方案中，为了与保护轴承进行适配，本申请中的上磁极与下磁极，相对于现有技术中的磁极结构，还进行了以下改进，在原有的第二环形槽的基础上，进一步开设第一环形槽，以与第二环形槽组成台阶形状，第一环形槽的内侧壁形成一个筒段结构，保护轴承通过直接套设在该筒段结构上，实现与上磁极，以及下磁极之间的组装。

其中，保护轴承的内壁与上磁极，以及下磁极之间为间隙配合。

上述任一技术方案中，可选地，所述第一环形槽的内侧壁上还开设有卡槽，所述卡槽用于安装弹性挡圈，所述保护轴承设置于所述第一环形槽的底壁与所述弹性挡圈之间，以由所述弹性挡圈对所述保护轴承进行轴向限位。

在该技术方案中，在将保护轴承套设在第一环形槽的内侧壁上后，通过保护轴承端部采用弹性挡圈固定，具体地，在第一环形槽的内侧壁上与靠近保护轴承的外端面的区域开设卡槽，以通过该卡槽安装弹性挡圈，以在将一个保护轴承与上磁极间隙配合安装、一个保护轴承与下磁极间隙配合安装后，通过对应的弹性挡圈实现保护轴承的轴向限位，以防止保护轴承在轴向出现松动，影响轴向保护间隙的精度。

上述任一技术方案中，可选地，所述上磁极与所述下磁极的外端面上与所述保护轴承对应的区域开设有轴向通孔，若拆卸所述保护轴承，则采用顶出工具穿过所述轴向通孔将所述保护轴承顶出。

在该技术方案中，为了使保护轴承方便拆卸，还可以在上磁极的外端面上沿周向开设多个轴向通孔，在需要拆卸保护轴承时，顶出工具穿过轴向通孔可以直接抵接在保护轴承的内端面上，以通过对顶出工具施力将保护轴承从上磁极，或从下磁极上顶出，以实现保护轴承的拆卸。

其中，本领域的技术人员能够理解的是，将保护轴承靠近上磁极或下磁极的内侧底面的一端限定为内端面，将另一端限定为外端面，也即轴向保护间隙为外端面与跌落环之间的间隙。

上述任一技术方案中，可选地，所述跌落环的内侧壁自上至下包括纵向的第一台阶面以及与所述第一台阶面转折相连的水平的第二台阶面，所述第二台阶面与对应的所述保护轴承分别限定出所述上轴向保护间隙，与所述下轴向保护间隙，所述第一台阶面与对应的所述保护轴承限定出所述径向保护间隙。

上述任一技术方案中，可选地，所述转子叠片组件由外至内依次包括转子叠片、转子推力盘与转轴，所述转子推力盘通过过盈配合套设在所述转轴上，并与所述上磁极之间限定出上轴向工作间隙，以及与所述下磁极之间限定出下轴向工作间隙，所述转子叠片通过过盈配合套设在所述转子推力盘上，所述转子叠片套设在所述定子叠片的内侧，并与所述定子叠片之间限定出所述径向工作间隙，所述转子叠片的两端还设置有用于压合所述转子叠片的压环，所述跌落环固定在所述压环的外端。

在该技术方案中，跌落环采用固定螺钉固定在压环上，以与保护轴承的外侧壁形成径向保护间隙，与保护轴承端部形成轴向保护间隙。

另外，转子叠片可以为转子硅钢叠片，转子采用硅钢叠片和推力盘叠加方式，既可以降低径向磁轴承涡流损耗，又可以防止轴向力导致的转子硅钢叠片的硅钢片散片，从而提高了磁轴承的可靠性。

转子部分采用推力盘和转子硅钢叠加方案，轴向控制磁通和径向控制磁通各走己路，既降低转子涡流损耗，又防止硅钢片散片现象。

转子叠片与推力盘过盈配合，实现了转子叠片与推力盘的固定连接。可以理解，转子叠片与推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如转子叠片与推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

推力盘呈圆环形，并采用导磁材料制成，例如推力盘采用合金材料支撑，具体地推力盘可以为低碳钢材质。

转轴与推力盘过盈配合，实现了转轴与推力盘的固定连接。可以理解，转轴与推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如转轴与推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

压环可以呈圆环形，且压环的形状和尺寸与转子叠片的形状和尺寸相同。

本领域的技术人员能够理解的是，转子推力盘与转轴之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定；转子硅钢叠片与转子推力盘之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定；转子硅钢叠片的压环位于转子硅钢叠片的两端，起固定转子硅钢叠片作用，并采用非导磁高强度金属材料制成，非导磁高强度金属材料包含但不限于钛合金或镍合金，并与转子推力盘之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定。

上述任一技术方案中，所述固定件套设在所述推力盘的外侧，并与所述推力盘过盈配合。

压环与推力盘过盈配合，实现了压环与推力盘的固定连接。可以理解，压环与推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如压环与推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

上述任一技术方案中，可选地，所述径向保护间隙与所述径向工作间隙的比值小于1/2。

具体地，跌落环设置在转子硅钢叠片压环上，通过螺钉固定，转子跌落环与保护轴承的外侧壁之间形成径向保护间隙，与保护轴承的外端面形成轴向保护间隙，轴向保护间隙由上下两个保护轴承的端部间距和上下的跌落环端部间距保证，这两个尺寸在轴承安装之前通过实测保证。转轴与转子叠片之间为小间隙配合，通过第二固定螺栓紧固。

径向保护间隙通常为径向工作间隙的1/2以内，由保护轴承的外径和跌落环的内径进行尺寸保证。

上述任一技术方案中，可选地，所述永磁偏置磁钢包括：磁钢支架，所述磁钢支架上沿周向间隔开设有多个容置腔；多个永磁偏置磁块，对应安装在所述多个容置腔内，其中，所述永磁偏置磁块为钕铁硼或衫钴材料；和/或，对所述永磁偏置磁块沿径向充磁，所述磁钢支架为非导磁件。

在该技术方案中，多个永磁偏置磁块沿磁轴承的周向间隔设置，永磁偏置磁块呈弧形，例如永磁偏置磁块呈圆弧形。永磁偏置磁块的数量与磁钢分布角度和直径大小决定。两个永磁偏置磁块完全贴合时，两者具有排斥力，因此，永磁偏置磁块沿磁轴承的周向间隔设置，可以减小永磁偏置磁块收到的来自其它永磁偏置磁块的排斥力，方便永磁偏置磁块的固定。

磁钢支架呈弧形，例如磁钢支架呈圆环形，并套设在定子叠片的外侧，永磁偏置磁块沿永磁偏置磁钢的周向设置在磁钢支架上。永磁偏置磁块与磁钢支架可以采用模内成型的工艺制成或者，磁钢支架上设有与多个永磁偏置磁块一一对应的限位孔，永磁偏置磁块位于限位孔内，永磁偏置磁块与限位孔过盈配合或者永磁偏置磁块通过胶粘剂粘结在限位孔内。

上述任一技术方案中，可选地，还包括：轴向控制线圈支架，用于安装所述轴向控制线圈，所述轴向控制线圈支架靠近所述第二环形槽的侧壁安装，并通过第一固定螺栓与所述定子叠片固定连接，其中，所述轴向控制线圈支架为非导磁件。

在该技术方案中，轴向控制线圈设置于轴向控制线圈支架上，轴向控制线圈支架采用不导磁材料制成，不导磁材料可以包括但不限于铝合金材料。

具体地，轴向控制线圈支架呈圆环形，轴向控制线圈绕设在轴向控制线圈支架上。轴向控制线圈支架包括第一轴向控制线圈支架和第二轴向控制线圈支架，第一轴向控制线圈绕设在第一轴向控制线圈支架上，第二轴向控制线圈绕设在第二轴向控制线圈支架上，第一轴向控制线圈支架和第二轴向控制线圈支架均呈圆环形。第一轴向控制线圈支架位于永磁偏置磁钢的上方，第二轴向控制线圈支架位于永磁偏置磁钢的下方。

上述任一技术方案中，可选地，所述轴向控制线圈支架上设有具有开口端的安装孔，所述轴向控制线圈通过所述开口端插入所述安装孔内，所述轴向控制线圈支架上设有用于封盖所述开口端的限位件。

在该技术方案中，轴向控制线圈自安装孔的开口端伸入安装孔内，轴向控制线圈外设有胶层作为限位件，且胶层封盖开口端，胶层起保护和固定轴向控制线圈的作用。胶层可以为但不限于环氧胶层。

第一轴向控制线圈支架和第二轴向控制线圈支架背离转轴的一侧设有安装孔，且安装孔开口朝向背离转轴的一侧，方便轴向控制线圈绕设在轴向控制线圈支架上。

上述任一技术方案中，可选地，所述轴向控制线圈包括第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈，所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈串联连接，或者，所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈分别注入直流电进行控制。

在该技术方案中，轴向控制线圈位于上磁极和下磁极之间，包括第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈，第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈串联，产生的磁场方向一致。或者，第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈分别注入直流电进行控制，但需要保证第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈产生的磁场方向一致。

将轴向控制线圈拆分为第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈两部分，可以增加散热面积，提高磁轴承的寿命。

上述任一技术方案中，可选地，所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈分别位于所述永磁偏置磁钢的上下两侧，且上下对称。

在该技术方案中，第一轴向控制线圈位于永磁偏置磁钢的上方，第二轴向控制线圈位于永磁偏置磁钢的下方，第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈为完全一致的线圈，相对于永磁偏置磁钢呈上下对称分布，方便对磁轴承径向运动的控制。

上述任一技术方案中，可选地，所述径向控制线圈设置于所述轴向控制线圈的内侧，并安装在所述定子叠片上，其中，所述永磁偏置磁钢的磁路包括第一路和第二路，所述第一路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环后，经所述上磁极-上部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-所述转子叠片-所述径向工作间隙-所述定子叠片回到所述永磁偏置磁钢而闭合，所述第二路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环后，经所述下磁极-下部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-所述转子叠片-所述径向工作间隙-所述定子叠片回到所述永磁偏置磁钢而闭合；所述轴向控制线圈通电时，形成的磁路经所述导磁环-所述上磁极-上部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-下部的所述轴向工作间隙-所述下磁极，回到所述导磁环；所述径向控制线圈通电时，形成的磁路经所述定子叠片-所述径向工作间隙回到所述定子叠片。

在该技术方案中，通过共用一个永磁偏置磁钢作为静态偏置磁场，并使永磁偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源，降低了成本。

在转子叠片内侧设置转子推力盘，在轴向控制线圈通电时，轴向控制线圈形成的磁路经过转子推力盘而不经过转子叠片，从而避免转子叠片受到轴向力，防止轴向力导致转子叠片散片，提高磁轴承的可靠性。

上述任一技术方案中，可选地，所述上磁极、所述下磁极、所述导磁环的材质为软磁材料，所述软磁材料包括电工纯铁、低碳钢和导磁不锈钢中的至少一种。

在该技术方案中，可以理解，软磁材料还可以是除电工纯铁、低碳钢和导磁不锈钢外的其它材料，即上磁极、下磁极和导磁环的材质可以为但不限于电工纯铁、低碳钢或导磁不锈钢。

上述任一技术方案中，可选地，所述定子叠片包括三个或四个磁极，每一所述磁极上绕设有所述径向控制线圈，X轴正负方向的所述磁极串联，Y轴正负方向的所述磁极串联。

优选地，所述定子磁极叠片由四个磁极组成，每个磁极绕有所述的径向控制线圈，以构成由四个磁极组成的径向磁轴承定子，控制轴承径向运动方向。

上述任一技术方案中，可选地，所述径向控制线圈与所述定子叠片之间设有绝缘隔板。

根据本申请的磁轴承，将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源。

另外转子部分采用转子推力盘和转子硅钢叠加方案，轴向控制磁通和径向控制磁通各走己路，既降低转子涡流损耗，又防止硅钢片散片现象。

进一步地，将保护轴承内嵌入磁轴承，缩短了轴向尺寸，提高了轴系模态；轴向间隙调整在轴承组装时保证，省去了繁琐的整机装配流程，提高了装配效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施例所述的磁轴承的剖视结构示意图；

图2是本发明的一个实施例所述的转子组件的剖视结构示意图；

图3是本发明的一个实施例所述的永磁偏置磁钢组件的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例所述的轴向控制线圈与轴向控制线圈支架的配合结构示意图。

其中，图1至图4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

11导磁环，12永磁偏置磁块，13磁钢支架，14定子叠片，15径向控制线圈，21下磁极，22轴向控制线圈组件，221轴向控制线圈，222轴向控制线圈支架，223限位件，23上磁极，231轴向通孔，24第一固定螺栓，25保护轴承，26弹性挡圈，31转轴，32转子推力盘，33转子叠片，34跌落环，341第一台阶面，342第二台阶面，35压环，36螺钉，37第二固定螺栓，41径向工作间隙，42轴向工作间隙，43轴向保护间隙，44径向保护间隙。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图描述根据本发明一些实施例的磁轴承。

如图1所示，根据本发明一些实施例提供的一种磁轴承，包括：相互套设的定子组件与转子组件，以及设置于所述定子组件内的线圈组件与保护轴承25，所述定子组件包括沿轴向依次设置的上磁极23、导磁环11与下磁极21，所述上磁极23、所述导磁环11与所述下磁极21能够限定出内腔，所述定子组件还包括设置于所述内腔内的定子叠片14与套设在所述定子叠片14与所述导磁环11之间的永磁偏置磁钢；所述转子组件设于所述内腔内，并与所述定子组件之间分别限定出径向工作间隙41与轴向工作间隙42，所述转子组件包括转子叠片33组件以及设置于所述转子叠片33组件两端的跌落环34；所述线圈组件包括轴向控制线圈221与径向控制线圈15，所述轴向控制线圈221用于控制所述永磁偏置磁钢产生轴向偏磁磁通，所述径向控制线圈15用于控制所述永磁偏置磁钢产生径向偏磁磁通；所述保护轴承25分别嵌设于所述上磁极23与所述下磁极21的内侧，并与所述跌落环34之间分别限定出径向保护间隙44、上轴向保护间隙43与下轴向保护间隙43。

本发明上述实施例提供的磁轴承，在上磁极23、导磁环11与下磁极21限定出的内腔内设置与磁轴承共轴的保护轴承25，保护轴承25分别设置于上磁极23与转子组件的上端之间，以及下磁极21与转子组件的下端之间，以实现保护轴承25的内嵌式安装方式，并对防止转子组件与定子组件之间发生碰撞，相对于现有技术中通过设置轴承座的保护轴承25的安装方式，一方面，保护轴承25内嵌磁轴承，缩短了轴向长度，提高的轴系模态，有利于轴承控制，另一方面，保护轴承25能够直接安装在上下磁极21上，省去了轴承座，从而降低了制备成本，再一方面，磁轴承的轴向工作间隙42、径向工作间隙41，以及相对保护轴承25的保护间隙能够直接通过零件尺寸保证，省去了整机装配的间隙调整。

进一步地，通过永磁偏置磁钢与轴向控制线圈组件22、以及径向控制线圈15的配合设置，能够将轴向磁轴承和径向两自由度磁轴承合二为一，通过共用一个永久磁铁作为静态偏置磁场，并使偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源。

另外，可以选用呈对角接触式轴承或者深沟球轴承作为内嵌式的保护轴承25，保护轴承25分别安装在上磁极23与下磁极21上。

上述实施例中，可选地，所述上磁极23与所述下磁极21的内部均开设有构造为台阶形状的第一环形槽与第二环形槽，所述第一环形槽的外圆直径小于所述第二环形槽的外圆直径，所述第一环形槽、所述第二环形槽与所述磁轴承共轴设置；其中，所述第一环形槽用于安装所述保护轴承25，所述保护轴承25通过间隙配合套设在所述第一环形槽的内侧壁上。

在该实施例中，为了与保护轴承25进行适配，本申请中的上磁极23与下磁极21，相对于现有技术中的磁极结构，还进行了以下改进，在原有的第二环形槽的基础上，进一步开设第一环形槽，以与第二环形槽组成台阶形状，第一环形槽的内侧壁形成一个筒段结构，保护轴承25通过直接套设在该筒段结构上，实现与上磁极23，以及下磁极21之间的组装。

其中，保护轴承25的内壁与上磁极23，以及下磁极21之间为间隙配合。

如图1所示，上述任一实施例中，可选地，所述第一环形槽的内侧壁上还开设有卡槽，所述卡槽用于安装弹性挡圈26，所述保护轴承25设置于所述第一环形槽的底壁与所述弹性挡圈26之间，以由所述弹性挡圈26对所述保护轴承25进行轴向限位。

在该实施例中，在将保护轴承25套设在第一环形槽的内侧壁上后，通过保护轴承25端部采用弹性挡圈26固定，具体地，在第一环形槽的内侧壁上与靠近保护轴承25的外端面的区域开设卡槽，以通过该卡槽安装弹性挡圈26，以在将一个保护轴承25与上磁极23间隙配合安装、一个保护轴承25与下磁极21间隙配合安装后，通过对应的弹性挡圈26实现保护轴承25的轴向限位，以防止保护轴承25在轴向出现松动，影响轴向保护间隙43的精度。

如图1所示，上述任一实施例中，可选地，所述上磁极23与所述下磁极21的外端面上与所述保护轴承25对应的区域开设有轴向通孔231，若拆卸所述保护轴承25，则采用顶出工具穿过所述轴向通孔231将所述保护轴承25顶出。

在该实施例中，为了使保护轴承25方便拆卸，还可以在上磁极23的外端面上沿周向开设多个轴向通孔231，在需要拆卸保护轴承25时，顶出工具穿过轴向通孔231可以直接抵接在保护轴承25的内端面上，以通过对顶出工具施力将保护轴承25从上磁极23，或从下磁极21上顶出，以实现保护轴承25的拆卸。

其中，本领域的技术人员能够理解的是，将保护轴承25靠近上磁极23或下磁极21的内侧底面的一端限定为内端面，将另一端限定为外端面，也即轴向保护间隙43为外端面与跌落环34之间的间隙。

如图2所示，上述任一实施例中，可选地，所述跌落环34的内侧壁自上至下包括纵向的第一台阶面341以及与所述第一台阶面341转折相连的水平的第二台阶面342，所述第二台阶面342与对应的所述保护轴承25分别限定出所述上轴向保护间隙43，与所述下轴向保护间隙43，所述第一台阶面341与对应的所述保护轴承25限定出所述径向保护间隙44。

如图2所示，上述任一实施例中，可选地，所述转子叠片33组件由外至内依次包括转子叠片33、转子推力盘32与转轴31，所述转子推力盘32通过过盈配合套设在所述转轴31上，并与所述上磁极23之间限定出上轴向工作间隙42，以及与所述下磁极21之间限定出下轴向工作间隙42，所述转子叠片33通过过盈配合套设在所述转子推力盘32上，所述转子叠片33套设在所述定子叠片14的内侧，并与所述定子叠片14之间限定出所述径向工作间隙41，所述转子叠片33的两端还设置有用于压合所述转子叠片33的压环35，所述跌落环34固定在所述压环35的外端。

如图2所示，在该实施例中，跌落环34采用固定螺钉36固定在压环35上，以与保护轴承25的外侧壁形成径向保护间隙44，与保护轴承25端部形成轴向保护间隙43。

另外，转子叠片33可以为转子硅钢叠片，转子采用硅钢叠片和推力盘叠加方式，既可以降低径向磁轴承涡流损耗，又可以防止轴向力导致的转子硅钢叠片的硅钢片散片，从而提高了磁轴承的可靠性。

转子部分采用推力盘和转子硅钢叠加方案，轴向控制磁通和径向控制磁通各走己路，既降低转子涡流损耗，又防止硅钢片散片现象。

转子叠片33与转子推力盘过盈配合，实现了转子叠片33与转子推力盘的固定连接。可以理解，转子叠片33与转子推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如转子叠片33与转子推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

转子推力盘呈圆环形，并采用导磁材料制成，例如转子推力盘采用合金材料支撑，具体地转子推力盘可以为低碳钢材质。

转轴31与转子推力盘过盈配合，实现了转轴31与转子推力盘的固定连接。可以理解，转轴31与转子推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如转轴31与转子推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

压环35可以呈圆环形，且压环35的形状和尺寸与转子叠片33的形状和尺寸相同。

本领域的技术人员能够理解的是，转子推力盘32与转轴31之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定；转子硅钢叠片与转子推力盘32之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定；转子硅钢叠片的压环35位于转子硅钢叠片的两端，起固定转子硅钢叠片作用，并采用非导磁高强度金属材料制成，非导磁高强度金属材料包含但不限于钛合金或镍合金，并与转子推力盘32之间为过盈配合，过盈量根据直径大小、转速、温差及材料特性决定。

上述任一实施例中，所述固定件套设在所述转子推力盘的外侧，并与所述转子推力盘过盈配合。

压环35与转子推力盘过盈配合，实现了压环35与转子推力盘的固定连接。可以理解，压环35与转子推力盘也可以采用其它方式固定连接，例如压环35与转子推力盘之间采用紧固件固定连接、或者相卡接或者相焊接或采用胶粘剂粘结。

上述任一实施例中，可选地，所述径向保护间隙44与所述径向工作间隙41的比值小于1/2。

具体地，跌落环34设置在转子硅钢叠片压环35上，通过螺钉36固定，转子跌落环34与保护轴承25的外侧壁之间形成径向保护间隙44，与保护轴承25的外端面形成轴向保护间隙43，轴向保护间隙43由上下两个保护轴承25的端部间距和上下的跌落环34端部间距保证，这两个尺寸在轴承安装之前通过实测保证。转轴31与转子叠片33之间为小间隙配合，通过第二固定螺栓37紧固。

径向保护间隙44通常为径向工作间隙41的1/2以内，由保护轴承25的外径和跌落环34的内径进行尺寸保证。

下面基于上述对磁轴承中组件的限定对本申请中的磁轴承的组装方式进行进一步说明。

将包括径向控制线圈15的定子叠片14(定子硅钢叠片)、以及上轴向控制线圈组件22、下轴向控制线圈组件22和安装有永磁偏置磁块12的磁钢支架13通过螺栓固定，然后将磁钢支架13帖装在定子硅钢叠片的外环面上，并命名为第一组件。

将两个保护轴承25，分别安装在上磁极23与下磁极21上，然后安装弹性挡圈26，以固定保护轴承25，并分别对应命名为第二上组件与第二下组件。

将转子叠片33(转子硅钢叠片)与压环35分别过盈安装在转子推力盘32上，并加工至尺寸要求，然后再安装跌落环34，并命名为第三组件。

将第一组件安装如第二下组件中，然后依次装入导磁环11与第二上组件，测量两个保护轴承25的两个外端面之间的轴向距离，并记为L1，然后测量第三组件中的两个第二台阶面342之间的轴向距离，并记为L2，此时，轴向保护间隙43L0＝0.5*(L1-L2)，若此该轴向保护间隙43偏小，则可以进一步加工第二台阶面342，以通过减小L2增加L0，若此间隙偏大，则可以在跌落环34与压环35之间增加垫片，直至满足轴向保护间隙43的要求，以实现轴向保护间隙43的调节。

在上述组装结构的基础上，通过拆掉第三组件中的上部的跌落环34，并装入第二下组件中，然后依次安装第一组件与导磁环11后，再将拆掉的上部的跌落环34装入第三组件，最后安装第二上组件，以完成整个磁轴承的装配。

通过上述装配过程可知，在保护轴承25安装的过程中，不粗腰考虑多个尺寸链的间隙调整，保护轴承25间隙与磁轴承间隙分别通过零件尺寸保证，在磁轴承组件安装完成后，保护轴承25间隙和磁轴承间隙已经定型，安装整机时不需要再次调整，简化了装配工艺，节省了装配时间。

如图3所示，上述任一实施例中，可选地，所述永磁偏置磁钢包括：磁钢支架13，所述磁钢支架13上沿周向间隔开设有多个容置腔；多个永磁偏置磁块12，对应安装在所述多个容置腔内，其中，所述永磁偏置磁块12为钕铁硼或衫钴材料；和/或，对所述永磁偏置磁块12沿径向充磁，所述磁钢支架13为非导磁件。

在该实施例中，多个永磁偏置磁块12沿磁轴承的周向间隔设置，永磁偏置磁块12呈弧形，例如永磁偏置磁块12呈圆弧形。永磁偏置磁块12的数量与磁钢分布角度和直径大小决定。两个永磁偏置磁块12完全贴合时，两者具有排斥力，因此，永磁偏置磁块12沿磁轴承的周向间隔设置，可以减小永磁偏置磁块12收到的来自其它永磁偏置磁块12的排斥力，方便永磁偏置磁块12的固定。

磁钢支架13呈弧形，例如磁钢支架13呈圆环形，并套设在定子叠片14的外侧，永磁偏置磁块12沿永磁偏置磁钢的周向设置在磁钢支架13上。永磁偏置磁块12与磁钢支架13可以采用模内成型的工艺制成或者，磁钢支架13上设有与多个永磁偏置磁块12一一对应的限位孔，永磁偏置磁块12位于限位孔内，永磁偏置磁块12与限位孔过盈配合或者永磁偏置磁块12通过胶粘剂粘结在限位孔内。

如图4所示，上述任一实施例中，可选地，轴向控制线圈组件22还包括：轴向控制线圈支架222，用于安装所述轴向控制线圈221，所述轴向控制线圈支架222靠近所述第二环形槽的侧壁安装，并通过第一固定螺栓24与所述定子叠片14固定连接，其中，所述轴向控制线圈支架222为非导磁件。

在该实施例中，轴向控制线圈221设置于轴向控制线圈支架222上，轴向控制线圈支架222采用不导磁材料制成，不导磁材料可以包括但不限于铝合金材料。

具体地，轴向控制线圈支架222呈圆环形，轴向控制线圈221绕设在轴向控制线圈支架222上。轴向控制线圈支架222包括第一轴向控制线圈支架222和第二轴向控制线圈支架222，第一轴向控制线圈221绕设在第一轴向控制线圈支架222上，第二轴向控制线圈221绕设在第二轴向控制线圈支架222上，第一轴向控制线圈支架222和第二轴向控制线圈支架222均呈圆环形。第一轴向控制线圈支架222位于永磁偏置磁钢的上方，第二轴向控制线圈支架222位于永磁偏置磁钢的下方。

如图4所示，上述任一实施例中，可选地，所述轴向控制线圈支架222上设有具有开口端的安装孔，所述轴向控制线圈221通过所述开口端插入所述安装孔内，所述轴向控制线圈支架222上设有用于封盖所述开口端的限位件223。

在该实施例中，轴向控制线圈221自安装孔的开口端伸入安装孔内，轴向控制线圈221外设有胶层作为限位件223，且胶层封盖开口端，胶层起保护和固定轴向控制线圈221的作用。胶层可以为但不限于环氧胶层。

第一轴向控制线圈支架222和第二轴向控制线圈支架222背离转轴31的一侧设有安装孔，且安装孔开口朝向背离转轴31的一侧，方便轴向控制线圈221绕设在轴向控制线圈支架222上。

上述任一实施例中，可选地，所述轴向控制线圈221包括第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221，所述第一轴向控制线圈221和所述第二轴向控制线圈221串联连接，或者，所述第一轴向控制线圈221和所述第二轴向控制线圈221分别注入直流电进行控制。

在该实施例中，轴向控制线圈221位于上磁极23和下磁极21之间，包括第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221，第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221串联，产生的磁场方向一致。或者，第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221分别注入直流电进行控制，但需要保证第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221产生的磁场方向一致。

将轴向控制线圈221拆分为第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221两部分，可以增加散热面积，提高磁轴承的寿命。

上述任一实施例中，可选地，所述第一轴向控制线圈221和所述第二轴向控制线圈221分别位于所述永磁偏置磁钢的上下两侧，且上下对称。

在该实施例中，第一轴向控制线圈221位于永磁偏置磁钢的上方，第二轴向控制线圈221位于永磁偏置磁钢的下方，第一轴向控制线圈221和第二轴向控制线圈221为完全一致的线圈，相对于永磁偏置磁钢呈上下对称分布，方便对磁轴承径向运动的控制。

上述任一实施例中，可选地，所述径向控制线圈15设置于所述轴向控制线圈221的内侧，并安装在所述定子叠片14上，其中，所述永磁偏置磁钢的磁路包括第一路和第二路，所述第一路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环11后，经所述上磁极23-上部的所述轴向工作间隙42-所述转子推力盘32-所述转子叠片33-所述径向工作间隙41-所述定子叠片14回到所述永磁偏置磁钢而闭合，所述第二路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环11后，经所述下磁极21-下部的所述轴向工作间隙42-所述转子推力盘32-所述转子叠片33-所述径向工作间隙41-所述定子叠片14回到所述永磁偏置磁钢而闭合；所述轴向控制线圈221通电时，形成的磁路经所述导磁环11-所述上磁极23-上部的所述轴向工作间隙42-所述转子推力盘32-下部的所述轴向工作间隙42-所述下磁极21，回到所述导磁环11；所述径向控制线圈15通电时，形成的磁路经所述定子叠片14-所述径向工作间隙41回到所述定子叠片14。

在该实施例中，通过共用一个永磁偏置磁钢作为静态偏置磁场，并使永磁偏置磁钢只提供平衡负载或外界干扰的动磁场，大大降低系统因偏磁电流产生的功率损耗，节约了能源，降低了成本。

在转子叠片33内侧设置转子推力盘，在轴向控制线圈221通电时，轴向控制线圈221形成的磁路经过转子推力盘而不经过转子叠片33，从而避免转子叠片33受到轴向力，防止轴向力导致转子叠片33散片，提高磁轴承的可靠性。

上述任一实施例中，可选地，所述上磁极23、所述下磁极21、所述导磁环11的材质为软磁材料，所述软磁材料包括电工纯铁、低碳钢和导磁不锈钢中的至少一种。

在该实施例中，可以理解，软磁材料还可以是除电工纯铁、低碳钢和导磁不锈钢外的其它材料，即上磁极23、下磁极21和导磁环11的材质可以为但不限于电工纯铁、低碳钢或导磁不锈钢。

上述任一实施例中，可选地，所述定子叠片14包括三个或四个磁极，每一所述磁极上绕设有所述径向控制线圈15，X轴正负方向的所述磁极串联，Y轴正负方向的所述磁极串联。

优选地，所述定子磁极叠片由四个磁极组成，每个磁极绕有所述的径向控制线圈15，以构成由四个磁极组成的径向磁轴承定子，控制轴承径向运动方向。

上述任一实施例中，可选地，所述径向控制线圈15与所述定子叠片14之间设有绝缘隔板。

下面基于以下的描述，对本申请中限定的磁轴承的结构进行进一步描述。

本申请限定了一种内嵌保护轴承25式三自由度磁轴承，包括：定子组件，定子组件进一步包括：永磁偏置磁钢组件，其包含永磁偏置磁钢和磁钢支架13，永磁偏置磁钢由n个永磁偏置磁块12组成，n的取值由磁钢分布的角度与磁钢支架13的直径决定，永磁偏置磁钢采用衫钴或钕铁硼材料，并进行径向充磁，其中N极和S极的指向没有限制，磁钢支架13选用不导磁材料，以实现对永磁偏置磁块12的固定功能。

定子组件进一步还包括：导磁环11，导磁环11在轴向上设置于上磁极23和下磁极21之间，在径向上设置于永磁偏置磁钢的外侧，以实现对永磁偏置磁路和轴向控制磁路传递的作用。

定子组件进一步还包括：轴向控制组件，轴向控制组件由轴向控制线圈221、轴向控制线圈支架222和环氧胶层组成，轴向控制线圈221由漆包线沿着轴向控制线圈支架222凹槽绕制而成，轴向控制线圈支架222采用不导磁材料，包括但不限于铝合金材料；所述环氧胶层起保护和固定轴向控制线圈221的作用，上下两个轴向控制线圈221采用串联形式连接，以使形成磁场方向一致。

定子组件进一步还包括：定子叠片14，设置在的上磁极23与下磁极21之间，并套设在所述转子叠片33的外圈侧，定子叠片14与转子叠片33之间留有径向工作间隙41。

另外，定子组件进一步还包括：径向控制线圈15，设置在所述定子叠片14上，每个轴(X、Y)正负磁极串联，以产生方向一致的磁场。

内嵌保护轴承25式三自由度磁轴承，还包括：转子推力盘32，设置在上磁极23与下磁极21之间，其与上磁极23留有上轴向工作间隙42，其与下磁极21之间留有下轴向工作间隙42，转子硅钢叠片设置在转子推力盘32外围，与转子推力盘32过盈配合，压环35位于转子硅钢叠片两侧，起固定转子硅钢叠片的作用，转子硅钢叠片的压环35和转子推力盘32为过盈配合，过盈量取决于配合尺寸直径大小、转速、温差及材料特性。

内嵌保护轴承25式三自由度磁轴承，还包括：保护轴承25，分别设置在上下磁极21上、保护轴承25的内壁与上下磁极21间隙配合，上下磁极21上还开设有弹性挡圈26卡槽，用于安装弹性挡圈26，起固定保护轴承25的作用；另外上下磁极21上还设有三个均布的螺纹孔，当需要拆卸保护轴承25时，可采用螺栓顶出。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“多个”是指两个或两个以上；除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种磁轴承，其特征在于，包括：相互套设的定子组件与转子组件，以及设置于所述定子组件内的线圈组件与保护轴承，

所述定子组件包括沿轴向依次设置的上磁极、导磁环与下磁极，所述上磁极、所述导磁环与所述下磁极能够限定出内腔，所述定子组件还包括设置于所述内腔内的定子叠片与套设在所述定子叠片与所述导磁环之间的永磁偏置磁钢；

所述转子组件设于所述内腔内，并与所述定子组件之间分别限定出径向工作间隙与轴向工作间隙，所述转子组件包括转子叠片组件以及设置于所述转子叠片组件两端的跌落环；

所述线圈组件包括轴向控制线圈与径向控制线圈，所述轴向控制线圈用于控制所述永磁偏置磁钢产生轴向偏磁磁通，所述径向控制线圈用于控制所述永磁偏置磁钢产生径向偏磁磁通；

所述保护轴承分别嵌设于所述上磁极与所述下磁极的内侧，并与所述跌落环之间分别限定出径向保护间隙、上轴向保护间隙与下轴向保护间隙；

所述上磁极与所述下磁极的内部均开设有构造为台阶形状的第一环形槽与第二环形槽，所述第一环形槽的外圆直径小于所述第二环形槽的外圆直径，所述第一环形槽、所述第二环形槽与所述磁轴承共轴设置；

其中，所述第一环形槽用于安装所述保护轴承，所述保护轴承通过间隙配合套设在所述第一环形槽的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，

所述第一环形槽的内侧壁上还开设有卡槽，所述卡槽用于安装弹性挡圈，所述保护轴承设置于所述第一环形槽的底壁与所述弹性挡圈之间，以由所述弹性挡圈对所述保护轴承进行轴向限位。

3.根据权利要求2所述的磁轴承，其特征在于，

所述上磁极与所述下磁极的外端面上与所述保护轴承对应的区域开设有轴向通孔，若拆卸所述保护轴承，则采用顶出工具穿过所述轴向通孔将所述保护轴承顶出。

4.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，

所述跌落环的内侧壁自上至下包括纵向的第一台阶面以及与所述第一台阶面转折相连的水平的第二台阶面，所述第二台阶面与对应的所述保护轴承分别限定出所述上轴向保护间隙，与所述下轴向保护间隙，所述第一台阶面与对应的所述保护轴承限定出所述径向保护间隙。

5.根据权利要求4所述的磁轴承，其特征在于，

所述转子叠片组件由外至内依次包括转子叠片、转子推力盘与转轴，所述转子推力盘通过过盈配合套设在所述转轴上，并与所述上磁极之间限定出上轴向工作间隙，以及与所述下磁极之间限定出下轴向工作间隙，所述转子叠片通过过盈配合套设在所述转子推力盘上，所述转子叠片套设在所述定子叠片的内侧，并与所述定子叠片之间限定出所述径向工作间隙，所述转子叠片的两端还设置有用于压合所述转子叠片的压环，所述跌落环固定在所述压环的外端。

6.根据权利要求5所述的磁轴承，其特征在于，

所述径向保护间隙与所述径向工作间隙的比值小于1/2。

7.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁偏置磁钢包括：

磁钢支架，所述磁钢支架上沿周向间隔开设有多个容置腔；

多个永磁偏置磁块，对应安装在所述多个容置腔内，

其中，所述永磁偏置磁块为钕铁硼或衫钴材料；和/或，对所述永磁偏置磁块沿径向充磁，

其中，所述磁钢支架为非导磁件。

8.根据权利要求5所述的磁轴承，其特征在于，还包括：

轴向控制线圈支架，用于安装所述轴向控制线圈，所述轴向控制线圈支架靠近所述第二环形槽的侧壁安装，并通过第一固定螺栓与所述定子叠片固定连接，

其中，所述轴向控制线圈支架为非导磁件。

9.根据权利要求8所述的磁轴承，其特征在于，

所述轴向控制线圈支架上设有具有开口端的安装孔，所述轴向控制线圈通过所述开口端插入所述安装孔内，所述轴向控制线圈支架上设有用于封盖所述开口端的限位件。

10.根据权利要求8所述的磁轴承，其特征在于，

所述轴向控制线圈包括第一轴向控制线圈和第二轴向控制线圈，所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈串联连接，或者，所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈分别注入直流电进行控制。

11.根据权利要求10所述的磁轴承，其特征在于，

所述第一轴向控制线圈和所述第二轴向控制线圈分别位于所述永磁偏置磁钢的上下两侧，且上下对称。

12.根据权利要求8所述的磁轴承，其特征在于，

所述径向控制线圈设置于所述轴向控制线圈的内侧，并安装在所述定子叠片上，

其中，所述永磁偏置磁钢的磁路包括第一路和第二路，所述第一路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环后，经所述上磁极-上部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-所述转子叠片-所述径向工作间隙-所述定子叠片回到所述永磁偏置磁钢而闭合，所述第二路由所述永磁偏置磁钢通过所述导磁环后，经所述下磁极-下部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-所述转子叠片-所述径向工作间隙-所述定子叠片回到所述永磁偏置磁钢而闭合；所述轴向控制线圈通电时，形成的磁路经所述导磁环-所述上磁极-上部的所述轴向工作间隙-所述转子推力盘-下部的所述轴向工作间隙-所述下磁极，回到所述导磁环；所述径向控制线圈通电时，形成的磁路经所述定子叠片-所述径向工作间隙回到所述定子叠片。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的磁轴承，其特征在于，

所述上磁极、所述下磁极、所述导磁环的材质为软磁材料，所述软磁材料包括电工纯铁、低碳钢和导磁不锈钢中的至少一种。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的磁轴承，其特征在于，

所述定子叠片包括三个或四个磁极，每一所述磁极上绕设有所述径向控制线圈，

其中，X轴正负方向的所述磁极串联，Y轴正负方向的所述磁极串联。

15.根据权利要求1至12中任一项所述的磁轴承，其特征在于，

所述径向控制线圈与所述定子叠片之间设有绝缘隔板。

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