CN110131313B - 一种磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁轴承，包括转轴、转子、第一径向定子和第二径向定子；第二径向定子沿圆周方向均匀分布于第一径向定子与转子之间；第一径向定子沿径向向内延伸有八个第一径向齿，每两个第一径向齿一对共计形成四个第二径向定子安装槽；第二径向定子与第一径向定子、第一径向齿之间均填充有非导磁材料；第二径向定子包括一个第一宽齿和两个第一窄齿，两第一窄齿对称分布于所述第一宽齿的两侧。本发明提供的磁轴承具有集成度高、解耦性能好、偏置磁通调节方便等优点。

Description

一种磁轴承

技术领域

本发明涉及一种磁轴承，属于轴承技术领域。

背景技术

磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需密封润滑、高速度、精度高、寿命长及维护成本低等优良特性，可有效解决高速电机的轴承支撑问题。根据悬浮力是否可主动控制，磁轴承通常可分为被动型和主动型两种类型。主动型磁轴承可通过控制定、转子间电磁力以实现转轴的悬浮，在高速电机领域应用广泛。根据偏置磁场建立方式，主动型磁轴承可分为电磁型与混合型。混合型磁轴承的偏置磁通由永磁体产生，承载能力大、刚度可调、控制灵活且功率密度高，在高速、高功率密度场合应用广泛。

然而，传统的混合型磁轴承的永磁偏置磁通不可调节，仅能通过控制悬浮控制磁通来调节合成磁通，因此存在固有刚度改善不大、临界转速不高、设计困难且制造装配难度高等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种磁轴承，具有集成度高、解耦性能好、偏置磁通调节方便等优点。

为达到上述目的，本发明所提供的一种磁轴承，包括转轴、转子、第一径向定子和第二径向定子；

所述第一径向定子呈环形，与所述转轴同轴线设置；所述转子套设于转轴上，与转轴一同设于第一径向定子内；

所述第二径向定子设有四个，沿圆周方向均匀分布于第一径向定子与转子之间；所述第一径向定子沿径向向内延伸有八个第一径向齿，每两个第一径向齿一对共计形成四个第二径向定子安装槽；所述第二径向定子与第一径向定子、第一径向齿之间均填充有非导磁材料；

所述第二径向定子呈E型，包括一个第一宽齿和两个第一窄齿，两第一窄齿对称分布于所述第一宽齿的两侧；所述第一窄齿与相邻的第一径向齿连同其间填充的非导磁材料构成第一复合齿；

所述第一复合齿上绕有径向悬浮线圈，相对的两个第二径向定子上的径向悬浮线圈串联，构成两个径向悬浮绕组；所述第一宽齿上绕有径向偏置线圈，所有径向偏置线圈串联，构成一个径向偏置绕组；

或者，

所述第一复合齿上绕有径向偏置线圈，所有径向偏置线圈串联构成一个径向偏置绕组；所述第一宽齿上绕有径向悬浮线圈，相对的两个第二径向定子上的径向悬浮线圈串联，构成两个径向悬浮绕组。

进一步的，所述磁轴承还包括环形磁导轭，所述套设于所述第一径向定子上。

进一步的，所述环形磁导轭的两端嵌装有轴向定子，所述轴向定子沿轴向方向开设有供所述转轴穿出的通孔，沿通孔周边向内延伸有环形齿，所述环形齿与转子间隙配合；所述环形齿上绕有轴向悬浮线圈，两轴向悬浮线圈串联构成一轴向悬浮绕组。

进一步的，所述转子的两端还分别设有一个轴向力永磁定子和一个轴向力电磁定子；

所述轴向力永磁定子呈环形，嵌装于环形磁导轭内；所述轴向力电磁定子设有四个，沿圆周方向均匀分布于所述轴向力永磁定子内；所述轴向力永磁定子沿径向向内延伸有八个第二径向齿，每两个第二径向齿一对共计形成四个轴向力电磁定子安装槽；所述轴向力电磁定子与轴向力永磁定子、第二径向齿之间均填充有非导磁材料；

所述轴向力电磁定子呈E型，包括一个第二宽齿和两个第二窄齿，两第二窄齿对称分布于所述第二宽齿的两侧；所述第二窄齿与相邻的第二径向齿连同二者之间填充的非导磁材料构成第二复合齿；

所述第二复合齿上绕有轴向悬浮线圈，相对的两个轴向力电磁定子上的轴向悬浮线圈串联，构成两个轴向悬浮线圈串；所述第二宽齿上绕有轴向偏置线圈，所有轴向偏置线圈串联，构成一个轴向偏置线圈串。

进一步的，所述环形磁导轭与第一径向定子之间还设有永磁体，所述永磁体设有四片，分别设于相邻两第二径向定子安装槽之间的对应位置处。

进一步的，相邻两第二径向定子安装槽之间设有一永磁体，所述永磁体支撑于两相邻第一径向齿的末端，所述永磁体的高度小于第一径向齿的高度。

进一步的，所述永磁体采用环向充磁，相邻两永磁体的充磁方向相反；径向偏置线圈施加直流励磁时，相邻两径向偏置线圈产生的磁场极性相反；永磁体和径向偏置线圈在对应第一复合齿上产生的磁场方向相同。

进一步的，各第一径向齿的侧面末端均设有一永磁体，所述永磁体位于第二径向定子安装槽外部，相邻第二径向定子安装槽之间的永磁体通过一扇形结构连接，所述永磁体和扇形结构的高度均小于第一径向齿的高度。

进一步的，所述永磁体采用环向充磁，相邻两永磁体的充磁方向相反；径向偏置线圈施加直流励磁时，各径向偏置线圈所产生的磁场极性相同；永磁体在扇形结构内产生的磁场与径向偏置线圈在第一宽齿上产生的磁场方向相同。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：第二径向定子与第一径向定子、第一径向齿之间采用非导磁材料相互隔离，在结构上能够实现自然解耦，显著降低了悬浮力的控制难度，有效提升了悬浮精度；偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便、固有刚度高，各方向承载力强，在高速、超高速且大功率应用领域能够发挥独特优势。

附图说明

图1是根据本发明实施例一提供的磁轴承的三维结构示意图；

图2是根据本发明实施例一提供的磁轴承的径向磁通分布图；

图3是根据本发明实施例一提供的磁轴承的轴向磁通分布图；

图4是根据本发明实施例二提供的磁轴承的三维结构示意图；

图5是根据本发明实施例二提供的磁轴承的径向磁通分布图；

图6是根据本发明实施例二提供的磁轴承的轴向磁通分布图；

图7是根据本发明实施例三提供的磁轴承的三维结构示意图；

图8是根据本发明实施例三提供的磁轴承的磁通分布图；

图9是根据本发明实施例四提供的磁轴承的三维结构示意图；

图10是根据本发明实施例四提供的磁轴承的磁通分布图；

图11是根据本发明实施例五提供的磁轴承的三维结构示意图；

图12是根据本发明实施例五提供的磁轴承的第一径向定子和第二径向定子内磁通的分布图；

图13是根据本发明实施例五提供的磁轴承一端的轴向力永磁定子与轴向力电磁定子内的磁通分布图；

图14是根据本发明实施例五提供的磁轴承另一端的轴向力永磁定子与轴向力电磁定子内的磁通分布图；

图15是根据本发明实施例五提供的磁轴承的轴向磁通分布图；

图中：1、第一径向定子；1a、第一径向齿；2、第二径向定子；3、转子；4、转轴；5、环形磁导轭；6、径向悬浮线圈；7、径向偏置线圈；8、轴向悬浮线圈；9、第一宽齿；10、第一窄齿；11、径向力非导磁构件；12、永磁体；13、扇形结构；14、轴向定子；15、轴向力永磁定子；16、轴向力电磁定子；17、第二宽齿；18、第二窄齿；19、轴向力非导磁构件；20、轴向偏置线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供的磁轴承包括环形磁导轭5、设于环形磁导轭5内的第一径向定子1、第二径向定子2、轴向定子14、径向偏置线圈7、轴/径向悬浮线圈6、转子3和转轴4。

转子3为中空圆柱结构，套设于转轴4上。第一径向定子1呈环形，与环形磁导轭5、转子3、转轴4同轴线设置。

第二径向定子2设于第一径向定子1内，具体的，第一径向定子1沿径向向内延伸有8个第一径向齿1a；相邻的两个第一径向齿1a形成一个开口扇形槽，包括4个大槽和4个小槽，大槽与小槽交替分布，其中一对大槽的轴线处于水平方向，另一对大槽的轴线位于竖直方向，4个大槽沿圆周方向均匀分布于第一径向定子1内。

第二径向定子2共设有4个，分别安装于前述的大槽内。第二径向定子2呈E型，包括1个第一宽齿9和2个第一窄齿10，且第一宽齿9处于2个第一窄齿10之间，与2个第一窄齿10的夹角相等。

第二径向定子2与第一径向定子1可以通过径向力非导磁构件11隔离，且径向力非导磁构件11与第二径向定子2、第一径向定子1均紧密布置。径向力非导磁构件11为C型结构，共4个，且C型结构的齿数为2。

第一径向定子1的1个第一径向齿1a和第二径向定子2的1个第一窄齿10，连同二者之间的径向力非导磁构件11的一个齿组合成1个第一复合齿，每个第一复合齿上绕有1个径向偏置线圈7，共8个；8个径向偏置线圈7串联，构成1个径向偏置绕组。

每个第一宽齿9上绕有1个径向悬浮线圈6，共4个；位于水平方向的第二径向定子2上的2个径向悬浮线圈6串联，构成1个水平径向悬浮绕组；位于竖直方向的第二径向定子2上的2个径向悬浮线圈6串联，构成1个竖直径向悬浮绕组。

当径向偏置绕组施加一个直流励磁时，在每个第二径向定子2内产生一个径向偏置磁通，共四个相互隔离的径向偏置磁通，在第一径向定子1、环形导磁轭和轴向定子14内产生一个轴向偏置磁通；水平径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通与径向偏置磁通相互作用，产生一个水平方向悬浮力；竖直径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通与径向偏置磁通相互作用，产生一个竖直方向悬浮力；轴向悬浮绕组产生轴向悬浮控制磁通与轴向偏置磁通相互作用，产生一个轴向悬浮力。

轴向定子14包括设于转子3一端的轴向定子Ⅰ和设置与转子3另一端的轴向定子Ⅱ，轴向定子Ⅰ、第一径向定子1、轴向定子Ⅱ串联布置，且第一径向定子1布置在轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ之间。

轴向定子Ⅰ、第一径向定子1、轴向定子Ⅱ均布置在环形导磁轭内；转子3布置在第二径向定子2和第一径向定子1内。轴向定子Ⅰ与第一径向定子1间存在间隙Ⅰ，第一径向定子1与轴向定子Ⅱ存在间隙Ⅱ，且间隙Ⅰ与间隙Ⅱ的长度相等。

轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ均为“├”型结构，“├”型结构的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向垂直；轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ凸极朝向相反，均指向第一径向定子1；“├”型结构内均有1个供转轴4穿出的通孔，通孔的中心线与转轴4的中心线重合。每个“├”型结构的凸极部分形成1个环形齿；环形齿的外径大于通孔的内径，通孔的内径大于转轴4的外径。每环形齿上均绕有1个轴向悬浮线圈8，2个轴向悬浮线圈8串联，构成1个轴向悬浮绕组。

如图2所示，是本发明实施例提供的磁轴承的径向磁通分布图，其中，线标号L₁是径向偏置绕组电流产生的径向偏置磁通，线标号L₂是径向偏置绕组电流产生的轴向偏置磁通，线标号L₃是水平(x轴)径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，线标号L₄是竖直(y轴)径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通。

由于第二径向定子2和第一径向定子1相互隔离，径向偏置绕组在内部产生的两种偏置磁通也相关隔离。8个第一复合齿上的偏置磁通呈NNNN或SSSS分布，对径向偏置磁通而言，其磁路经每个第二径向定子2、径向气隙和转子3闭合。由于四个第二径向定子2内的磁路相互隔离，因此两个径向悬浮力自然解耦。对轴向偏置磁通而言，8个第一径向齿1a上的磁通极性相同，轴向偏置磁通经8个第一径向齿1a、环形导磁轭、两个轴向定子14、两个轴向气隙、转子3和径向气隙闭合；而轴向悬浮控制磁通经轴向定子Ⅰ、环形导磁轭、轴向定子Ⅱ、轴向气隙、转子3、轴向气隙闭合。由于径向和轴向两个磁路相互隔离，故径向悬浮力与轴向悬浮力间也自然解耦。

本发明磁轴承的径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为三自由度电磁型磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。

如图3所示，是本发明实施例提供的磁轴承的轴向磁通分布图。其中，线标号15是径向偏置绕组电流产生的轴向偏置磁通，线标号L₅是轴向悬浮绕组电流产生的轴向悬浮控制磁通。

轴向偏置磁通需经第一径向齿1a、环形导磁轭、两个轴向定子14及转子3闭合，进而为轴向悬浮力的产生提供偏置磁通。轴向悬浮绕组产生的悬浮控制磁通则经轴向定子Ⅰ、环形导磁轭、轴向定子Ⅱ、轴向气隙、转子3、轴向气隙闭合。进而，在z轴负方向处，偏置磁通与控制磁通方向相反，磁通减弱，而在z轴正方向处，偏置磁通与控制磁通的方向相同，磁通增强，三自由度电磁型磁轴承将产生一个z轴正方向的轴向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。

因此，当径向偏置绕组施加直流励磁时，仅需合理控制三自由度电磁型磁轴承的x、y、z轴方向三个悬浮绕组电流，便可获得大小和方向均可控制的三个悬浮力。

需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此三个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而径向偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。

综上，本发明实施例提供的磁轴承、结构紧凑、集成度高、无永磁体12，成本低、制造装配简单、容错性能强、耐高温，对工作环境适应性强；各磁路互隔离，三个悬浮力结构上自然解耦，悬浮控制简单，实施方便，悬浮精度高；偏置绕组单独直流励磁，偏置磁通调节方便，固有刚度高，临界转速高，控制器设计简单，且便于实现大功率运行。

实施例二：

如图4所示，是本发明实施例提供的磁轴承的三维结构示意图，在结构上与实施例一的不同之处在于：第一径向定子1与环形磁导轭5之间设有永磁体12，且永磁体12与第一径向定子1和环形导磁轭均紧密布置；第一复合齿上绕有径向悬浮线圈6，相对的两个第二径向定子2上的径向悬浮线圈6串联，构成两个径向悬浮绕组；第一宽齿9上绕有径向偏置线圈7，所有径向偏置线圈7串联，构成一个径向偏置绕组。

永磁体12设有四片，沿圆周方向均匀分布，相邻永磁体12空间上相差90°，其中2个永磁体12与水平正方向的夹角均为45°，剩余2个永磁体12与水平负方向的夹角均为45°。

由于永磁体12的存在，本发明实施例提供的磁轴承中始终具有一个永磁偏置磁通，因第一径向定子1和第二径向定子2相互隔离，永磁偏置磁通的磁路仅经过第一径向定子1、环形导磁轭、两个轴向定子14、两个轴向气隙、转子3和两个径向气隙闭合，与四个第二径向定子2内的磁路无交叠。另外，当径向偏置绕组施加一个直流励磁时，在每个第二径向定子2内产生一个电磁偏置磁通，共四个相互隔离的电磁偏置磁通，与第一径向定子1内的磁路无交叠；水平径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通同时与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，产生一个水平方向悬浮力；竖直径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，产生一个竖直方向悬浮力；轴向悬浮绕组产生轴向悬浮控制磁通仅与永磁偏置磁通作用，产生一个轴向悬浮力。

如图5所示，是本发明实施例提供的磁轴承的径向磁通分布图，线标号L₆是径向偏置绕组电流产生的电磁偏置磁通，线标号L₇是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₈是水平(x轴)径向悬浮绕组在第二径向定子2内产生的径向悬浮控制磁通，线标号L₉是水平(x轴)径向悬浮绕组在第一径向定子1内产生的径向悬浮控制磁通。

四个永磁体12径向充磁，且磁场极性相同，故永磁偏置磁通在第一径向定子1的8个齿上呈NNNN或SSSS分布，其磁路经第一径向定子1的8个齿、永磁体12、环形导磁轭、两个轴向定子14、两个轴向气隙、转子3、径向气隙闭合，与第二径向定子2的磁路无交叠。

当径向偏置绕组施加直流励磁时，将产生一个四个相互隔离的电磁偏置磁通，四个电磁偏置磁通呈NNNN或SSSS分布，并且在复合齿上电磁偏置磁通和永磁偏置磁通的极性相同。每个电磁偏置磁通均经第一宽齿9、两个第一窄齿10、两个径向气隙和转子3闭合，与第一径向定子1的磁路无交叠。因此，电磁偏置磁通和永磁偏置磁通在结构上自然解耦。

本发明实施例提供的磁轴承径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为三自由度混合型磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。

如图6所示，是本发明实施例提供的磁轴承的轴向磁通分布图，其中，线标号16是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₁₀是轴向悬浮绕组电流产生的轴向悬浮控制磁通。

轴向磁通中仅存在永磁偏置磁通，无电磁偏置磁通，因此磁轴承在径向上实现了电磁和永磁的混合励磁，而轴向仅为永磁励磁。永磁偏置磁通需经第一径向齿1a、环形导磁轭、两个轴向定子14、两个轴向气隙、转子3和径向气隙闭合，进而为轴向悬浮力的产生提供偏置磁通。轴向悬浮绕组产生的悬浮控制磁通则经轴向定子Ⅰ、环形导磁轭、轴向定子Ⅱ、轴向气隙、转子3、轴向气隙闭合。进而，在z轴负方向处，偏置磁通与控制磁通方向相反，磁通减弱，而在z轴正方向处，偏置磁通与控制磁通的方向相同，磁通增强，三自由度混合型磁轴承将产生一个z轴正方向的轴向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。

因此，合理控制磁轴承的x、y、z轴方向三个悬浮绕组电流，便可获得大小和方向均可控制的三个悬浮力。

需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此三个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而径向偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。

综上，本发明实施例提供的磁轴承，结构紧凑，集成度高，功率密度高，承载能力强；存在电磁和永磁两种偏置磁通，在径向实现了混合励磁，适用于大功率应用场合；电磁偏置磁通和永磁偏置磁通的磁路相互隔离，解耦度高，便于悬浮控制，且悬浮精度高。

实施例三：

如图7所示，是本发明实施例提供的磁轴承的三维结构示意图，在结构上与实施例二的不同之处在于：永磁体12设置于小槽内，与相邻的第一窄齿10紧密配合，永磁体12的高度小于第一径向齿1a的高度；且本发明实施例提供的磁轴承去除了环形磁导轭5和轴向定子14。

永磁体12产生一个恒定的永磁偏置磁通，当径向偏置绕组施加直流励磁时，磁轴承中还将产生一个电磁偏置磁通，通过调节径向偏置绕组中的电流大小，即可调节电磁偏置磁通，进而使该磁轴承的合成偏置磁通也具有可调节性；为了避免永磁偏置磁通和电磁偏置磁通的磁路冲突和增强两种偏置磁通的解耦性，本发明采用第一径向定子1与第二径向定子2相隔离的结构方式。每个永磁体12产生的偏置磁通经过第一径向齿1a、气隙、转子3、气隙、另一个第一径向齿1a和永磁体12闭合，与第二径向定子2无磁路耦合；而每个第一宽齿9上径向偏置绕组产生的偏置磁通仅经过第二径向定子2的3个齿、气隙和转子3闭合，与永磁偏置磁通的磁路无交叉；进而保证了两种偏置磁通的较好解耦性。

水平径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通同时与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，分别产生一个水平方向悬浮力，两个悬浮力合成为一个水平方向悬浮力；

竖直径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，各自产生一个竖直方向悬浮力，两个悬浮力共同合成为一个竖直方向悬浮力；

通过控制径向偏置绕组电流的大小和两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，进而实时调节径向悬浮力，以实现转轴4的稳定悬浮运行。

如图8所示，是本发明实施例提供的磁轴承的磁通分布图。其中，线标号L₁₁是径向偏置绕组电流产生的电磁偏置磁通，线标号L₁₂是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₁₃是水平(x轴)径向悬浮绕组在第二径向定子2内产生的径向悬浮控制磁通，线标号L₁₄是水平(x轴)径向悬浮绕组在第一径向定子1内产生的径向悬浮控制磁通。

4个永磁体12环向充磁，4个永磁体12磁场极性呈NSNS排列。每个永磁体12产生的磁通经第一径向定子1的一个第一径向齿1a、气隙、转子3、气隙、第一径向定子1的另一第一径向齿1a和永磁体12闭合，与第二径向定子2无磁路交叠。

当径向偏置绕组施加直流励磁时，将产生一个四个相互隔离的电磁偏置磁通，四个偏置磁通的磁场极性呈交替分布，即呈NSNS排列。每个电磁偏置磁通均经第一宽齿9、两个第一窄齿10、两个径向气隙和转子3闭合，无第一径向定子1无磁路交叠。因此，电磁偏置磁通和永磁偏置磁通在结构上自然解耦。

本发明实施例提供的磁轴承径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组产生两个悬浮控制磁通，方向均与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组产生两个悬浮控制磁通，方向均与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力，该悬浮力为悬浮控制磁通分别与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通单独作用产生的两个径向力的合力；当x轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力，该悬浮力同样为悬浮控制磁通分别与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通单独作用产生的两个径向力的合力。

同理，控制y轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为混合励磁径向磁悬浮轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力，进而实现转轴4的径向悬浮。

需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此两个径向悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而径向偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。

综上，本发明实施例提供的磁轴承，线圈和永磁体12均嵌放在第一径向定子1中，结构紧凑，集成度高，功率密度高，径向承载能力强；存在电磁和永磁两种偏置磁通，实现了混合励磁，偏置磁通可调，固有刚度高，临界转速高；设计时可方便调节两种偏置磁通的比例关系，进而优化两种偏置磁通对悬浮力贡献的大小，以更好满足应用场合需求；电磁偏置磁通和永磁偏置磁通的磁路相互隔离，解耦度高，便于悬浮控制，且悬浮精度高。

实施例四：

如图9所示，是本发明实施例提供的磁轴承的三维结构示意图，在结构上与实施例三的不同之处在于：第一径向齿1a的侧面末端均设有一永磁体12，永磁体12位于小槽内，同一小槽内的两永磁体12通过一扇形结构连接，永磁体12和扇形结构的高度均小于第一径向齿1a的高度。

永磁体12采用环向充磁，布置在第一径向定子1同一个小槽中的两个永磁体12的充磁方向相反，8个永磁体12的磁场极性呈交替分布；径向偏置线圈7施加直流励磁时，4个径向偏置线圈7产生的磁场极性相同；8个永磁体12在扇形结构内产生的磁场与4个径向偏置线圈7在第二径向定子2中第一宽齿9上产生的磁场方向相同。

永磁体12产生一个恒定的永磁偏置磁通，当径向偏置绕组施加直流励磁时，磁轴承中还将产生一个电磁偏置磁通，通过调节径向偏置绕组中的电流大小，即可调节电磁偏置磁通，进而使该磁轴承的合成偏置磁通也具有可调节性；为了避免永磁偏置磁通和电磁偏置磁通的磁路冲突和增强两种偏置磁通的解耦性，本发明实施例采用第一径向定子1和第二径向定子2相隔离的结构。每个永磁体12产生的偏置磁通经过第一径向定子1的1个第一径向齿1a、气隙、转子3、气隙、扇形结构和永磁体12闭合，与第二径向定子2无磁路耦合；而每个第一宽齿9上径向偏置绕组产生的偏置磁通仅经过第二径向定子2的3个齿、气隙和转子3闭合，与永磁偏置磁通的磁路无交叉；进而保证了两种偏置磁通的较好解耦性。

水平径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通同时与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，产生一个水平方向悬浮力；竖直径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通与电磁偏置磁通和永磁偏置磁通相互作用，产生一个竖直方向悬浮力；轴向悬浮绕组产生轴向悬浮控制磁通仅与永磁偏置磁通作用，产生一个轴向悬浮力；通过控制径向偏置绕组电流的大小和两个径向悬浮绕组电流的大小和方向，进而实时调节径向悬浮力，以实现转轴4的稳定悬浮运行。

如图10所示，是本发明实施例提供的磁轴承的磁通分布图。其中，线标号L₁₅是径向偏置绕组电流产生的电磁偏置磁通，线标号L₁₆是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₁₇是水平(x轴)径向悬浮绕组在第二径向定子2内产生的径向悬浮控制磁通，线标号L₁₈是水平(x轴)径向悬浮绕组在第一径向定子1内产生的径向悬浮控制磁通。

8个永磁体12环向充磁，与同一扇形结构紧密布置的两个永磁体12环向充磁方向相反，即同一扇形结构紧密布置的两个永磁体12磁场呈NS排列，其余3对也具有相同极性排列形式。

每个永磁体12产生的磁通经永磁体12、第一径向齿1a、气隙、转子3、气隙、扇形结构和永磁体12闭合，与第二径向定子2无磁路交叠。

当径向偏置绕组施加直流励磁时，将产生四个相互隔离的电磁偏置磁通，四个偏置磁通的磁场极性相同，即呈NNNN或SSSS排列，但必须保证8个永磁体12在扇形结构内产生的磁场与4个偏置线圈在第二径向定子2中第一宽齿9上产生的磁场方向相同。每个电磁偏置磁通均经第一宽齿9、两个第一窄齿10、两个径向气隙和转子3闭合，无第一径向定子1无交叠。因此，电磁偏置磁通和永磁偏置磁通在结构上自然解耦。

本发明实施例提供的磁轴承径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为混合型径向磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力，进而实现转轴4的径向悬浮。

需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此两个径向悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而径向偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。

综上，本发明实施例提供的磁轴承，结构紧凑，集成度高，功率密度高，径向承载能力强；存在电磁和永磁两种偏置磁通，实现了混合励磁，偏置磁通可调，固有刚度高，临界转速高，适用于大功率应用场合；电磁偏置磁通和永磁偏置磁通的磁路相互隔离，解耦度高，便于悬浮控制，且悬浮精度高。

实施例五：

如图11所示，是本发明实施例提供的磁轴承的三维结构示意图，在结构上与实施例二的不同之处在于：轴向定子14结构不同，具体的：本发明实施例提供的轴向定子14包括结构完全相同的轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ，轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ对称分布于转子3两端。

下面以轴向定子Ⅰ为例说明本发明实施例提供的轴向定子14的结构，包括：轴向力永磁定子Ⅰ、轴向力电磁定子Ⅰ和轴向力非导磁构件Ⅰ。

轴向力电磁定子Ⅰ和轴向力非导磁构件Ⅰ均布置在轴向力永磁定子Ⅰ内，其中轴向力非导磁构件Ⅰ布置在轴向力永磁定子Ⅰ与轴向力电磁定子Ⅰ之间，且轴向力非导磁构件Ⅰ与轴向力永磁定子Ⅰ、轴向力电磁定子Ⅰ均紧密布置。

轴向力永磁定子Ⅰ与第一径向定子1间存在间隙Ⅰ，轴向力永磁定子Ⅱ与第一径向定子1存在间隙Ⅱ，且间隙Ⅰ与间隙Ⅱ的长度相等。

轴向力永磁定子Ⅰ为凸极结构，沿轴向力永磁定子Ⅰ的径向向内延伸有8个第二径向齿，第二径向齿呈L型，即每个第二径向齿的齿尖处均设有1个轴向凸起，且指向转子3方向；相邻的第二径向齿之间形成有一个槽，包括4个大槽Ⅰ和4个小槽Ⅰ，且大槽Ⅰ与小槽Ⅰ交替分布，4个大槽I沿圆周方向均匀分布于轴向力永磁定子Ⅰ内。

轴向力电磁定子Ⅰ呈E型，共设有4个，相邻的轴向力电磁定子Ⅰ空间上相差90°；每个轴向力电磁定子Ⅰ的齿数均为3，包括1个第二宽齿Ⅰ和2个第二窄齿Ⅰ，且第二宽齿Ⅰ处于2个第二窄齿Ⅰ之间，2个第二窄齿Ⅰ间的夹角相等。第二宽齿Ⅰ和第二窄齿Ⅰ的齿形均为L型，即齿尖处有1个轴向凸起，且指向转子3方向。

轴向力非导磁构件Ⅰ为C型结，共4个，每个轴向力非导磁构件Ⅰ具有两个齿；轴向力非导磁构件Ⅰ的齿形同样为L型，即轴向力非导磁构件Ⅰ的每个齿的齿尖处有1个轴向凸起，且指向转子3方向。

4个轴向力非导磁构件Ⅰ分别紧密布置在轴向力永磁定子Ⅰ的4个大槽Ⅰ内，4个轴向力电磁定子Ⅰ紧密布置在4个轴向力非导磁构件Ⅰ内；轴向力永磁定子Ⅰ的1个齿、轴向力永磁定子Ⅰ的1个齿和轴向力电磁定子Ⅰ的1个第二窄齿Ⅰ组合成1个第二复合齿Ⅰ，共8个。

每个第二复合齿Ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，共8个；8个轴向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个轴向悬浮线圈串Ⅰ；

每个第二宽齿Ⅰ上绕有1个轴向力偏置线圈Ⅰ，共4个；4个轴向力偏置线圈Ⅰ串联，构成1个轴向偏置线圈串Ⅰ；

每个第二复合齿Ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈8Ⅱ，共8个；8个轴向悬浮线圈8Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮线圈串Ⅱ；

每个第二宽齿Ⅱ上绕有1个轴向力偏置线圈Ⅱ，共4个；4个轴向力偏置线圈Ⅱ串联，构成1个轴向偏置线圈串Ⅱ；

径向偏置线圈7、轴向偏置线圈串Ⅰ和轴向偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组，轴向偏置线圈串Ⅰ和轴向悬浮线圈串Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组。

由于永磁体12的存在，在径向和轴向磁路方向始终产生一个永磁偏置磁通，该磁通仅通过第一径向定子1、环形导磁轭、两个轴向力永磁定子15和转子3形成闭合磁路，与第二径向定子2和两个轴向力电磁定子16无交链；

径向偏置线圈7、轴向偏置线圈串Ⅰ和轴向偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组，当该偏置绕组施加直流激励时，在径向力定子和两个轴向力电磁定子16内形成三个相互隔离的电磁偏置磁通，与第一径向定子1和两个轴向力永磁定子15无交叉；

当两个径向悬浮绕组和一个轴向悬浮绕组实施电流时，将产生两种类型共三个方向的悬浮力，一类为与永磁偏置磁通作用产生的永磁悬浮力，另一类为与电磁偏置磁通作用产生的电磁悬浮力，两类悬浮相互合成可产生两个径向和一个轴向悬浮力，进而实现转轴4的三自由度悬浮。

如图12所示，是本发明实施例中第二径向定子2和第一径向定子1内的磁通分布图。其中，线标号L₁₉是径向偏置线圈7产生的电磁偏置磁通，线标号L₂₀是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₂₁是水平(x轴)径向悬浮绕组在第二径向定子2内产生的悬浮控制磁通，线标号L₂₂是水平(x轴)径向悬浮绕组在第一径向定子1内产生的悬浮控制磁通。

四个永磁体12径向充磁，且磁场极性相同，故永磁偏置磁通在第一径向定子1的8个齿上呈NNNN或SSSS分布，并第一径向定子1内的永磁偏置磁通方向与轴向力永磁定子Ⅱ与轴向力永磁定子Ⅰ内的方向相反。永磁偏置磁通的磁路经环形导磁轭一分为二，一路经环形导磁轭、轴向力永磁定子Ⅰ、轴向气隙、转子3、径向气隙和第一径向定子1闭合；另一路经环形导磁轭、轴向力永磁定子Ⅱ、轴向气隙、转子3、径向气隙和第一径向定子1闭合；均与第二径向定子2、轴向力电磁定子Ⅰ和轴向力电磁定子Ⅱ无耦合。

由于径向偏置线圈7、轴向力偏置线圈Ⅰ和轴向力偏置线圈Ⅱ串联一起，构成一套偏置绕组。当偏置绕组施加直流励磁时，将在第二径向定子2、轴向力电磁定子Ⅰ和轴向力电磁定子16内产生三个相互独立的电磁偏置磁通。第二径向定子2内的电磁偏置磁通，经第一宽齿9、两个第一窄齿10、两个径向气隙和转子3形成闭合磁路；两个轴向力电磁定子16内的电磁偏置磁通相互隔离，经各自轴向力电磁定子16的第二宽齿17、两个第二窄齿18、两个轴向气隙和转子3形成闭合磁路；上述三个电磁偏置磁通的磁路均与永磁偏置磁通无交叉，因此，电磁偏置磁通和永磁偏置磁通在结构上自然解耦。

本发明磁轴承的径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴方向径向悬浮绕组产生的磁通方向与电磁偏置磁通、永磁偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴方向径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。同理，控制y轴方向径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴方向悬浮力。从而，合理控制x、y轴方向径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为轴向径向三自由度混合励磁磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。

如图13、图14所示，分别是本发明中轴向力电磁定子Ⅰ和轴向力永磁定子Ⅰ内的磁通分布图、轴向力电磁定子Ⅱ和轴向力永磁定子Ⅱ内的磁通分布图。如图15所示，是本发明实施例提供的磁轴承的轴向磁通分布图。其中，线标号L₂₀是永磁体12产生的永磁偏置磁通，线标号L₂₃是轴向力偏置线圈Ⅰ产生位于轴向力电磁定子Ⅰ内的电磁偏置磁通，线标号L₂₄是轴向悬浮线圈Ⅰ在轴向力电磁定子Ⅰ内产生的悬浮控制磁通，线标号L₂₅是轴向悬浮线圈Ⅰ在轴向力永磁定子Ⅰ内产生的悬浮控制磁通，线标号L₂₆是轴向力偏置线圈Ⅱ产生位于轴向力电磁定子Ⅱ内的电磁偏置磁通，线标号L₂₇是轴向悬浮线圈8Ⅱ在轴向力电磁定子Ⅱ内产生的悬浮控制磁通，线标号L₂₈是轴向悬浮线圈8Ⅱ在轴向力永磁定子Ⅱ内产生的悬浮控制磁通。

由于同时存在电磁和永磁两种偏置磁通，因此轴向悬浮绕组施加电流激励时，也将产生两种轴向悬浮力，二者的合力即为最终的轴向悬浮力。永磁偏置磁通分别经两个轴向力永磁定子15、两个轴向气隙、转子3和径向气隙，再经第二径向定子2、永磁体12和环形导磁轭形成闭合回路，因此永磁磁路为长磁路。

而两个轴向力偏置线圈产生的电磁偏置磁通，仅通过各自的轴向力电磁定子16、附近的轴向气隙和转子3闭合，因此电磁磁通磁路为短磁路。

当轴向悬浮绕组施加如图13和图14所示的电流时，在z轴负方向处，电磁、永磁偏置磁通均与轴向悬浮绕组产生的轴向控制磁通方向相反，磁通减弱；而在z轴正方向处，电磁、永磁偏置磁通均与轴向控制磁通的方向相同，磁通增强，此时将产生一个z轴正方向的轴向悬浮力。该轴向悬浮力分别为轴向控制磁通和永磁、电磁两种偏置磁通相互作用产生的两个悬浮力的合力。

当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的轴向悬浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。

因此，合理控制轴向径向三自由度混合励磁磁轴承的x、y、z轴方向三个悬浮绕组电流，便可获得大小和方向均可控制的三个悬浮力。

需要指出的是，由于悬浮力的正负随悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此三个悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器；而偏置绕组电流方向不变，故采用具有单方向的功率变换器即可。

综上所述，本发明实施例提供的磁轴承，其永磁磁路和电磁磁路相互隔离，各悬浮力在结构上自然解耦，控制简单，悬浮精度高；在径向和轴向同时实现了电磁和永磁的混合励磁，其各方向承载能力显著增强，适用于大功率应用场合；结构紧凑，集成度高，固有刚度大，临界转速和功率密度高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁轴承，其特征在于，包括转轴、转子、第一径向定子和第二径向定子；

所述第一径向定子呈环形，与所述转轴同轴线设置；所述转子套设于转轴上，与转轴一同设于第一径向定子内；

所述第二径向定子设有四个，沿圆周方向均匀分布于第一径向定子与转子之间；所述第一径向定子沿径向向内延伸有八个第一径向齿，每两个第一径向齿一对共计形成四个第二径向定子安装槽；所述第二径向定子与第一径向定子、第一径向齿之间均填充有非导磁材料；

所述第二径向定子呈E型，包括一个第一宽齿和两个第一窄齿，两第一窄齿对称分布于所述第一宽齿的两侧；所述第一窄齿与相邻的第一径向齿连同其间填充的非导磁材料构成第一复合齿；

所述第一复合齿上绕有径向悬浮线圈，相对的两个第二径向定子上的径向悬浮线圈串联，构成两个径向悬浮绕组；所述第一宽齿上绕有径向偏置线圈，所有径向偏置线圈串联，构成一个径向偏置绕组；

或者，

所述第一复合齿上绕有径向偏置线圈，所有径向偏置线圈串联构成一个径向偏置绕组；所述第一宽齿上绕有径向悬浮线圈，相对的两个第二径向定子上的径向悬浮线圈串联，构成两个径向悬浮绕组；

还包括环形磁导轭，所述套设于所述第一径向定子上，所述转子的两端还分别设有一个轴向力永磁定子和一个轴向力电磁定子；

所述轴向力永磁定子呈环形，嵌装于环形磁导轭内；所述轴向力电磁定子设有四个，沿圆周方向均匀分布于所述轴向力永磁定子内；所述轴向力永磁定子沿径向向内延伸有八个第二径向齿，每两个第二径向齿一对共计形成四个轴向力电磁定子安装槽；所述轴向力电磁定子与轴向力永磁定子、第二径向齿之间均填充有非导磁材料；

所述轴向力电磁定子呈E型，包括一个第二宽齿和两个第二窄齿，两第二窄齿对称分布于所述第二宽齿的两侧；所述第二窄齿与相邻的第二径向齿连同二者之间填充的非导磁材料构成第二复合齿；

所述第二复合齿上绕有轴向悬浮线圈，相对的两个轴向力电磁定子上的轴向悬浮线圈串联，构成两个轴向悬浮线圈串；所述第二宽齿上绕有轴向偏置线圈，所有轴向偏置线圈串联，构成一个轴向偏置线圈串。

2.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，所述环形磁导轭的两端嵌装有轴向定子，所述轴向定子沿轴向方向开设有供所述转轴穿出的通孔，沿通孔周边向内延伸有环形齿，所述环形齿与转子间隙配合；所述环形齿上绕有轴向悬浮线圈，两轴向悬浮线圈串联构成一轴向悬浮绕组。

3.根据权利要求1或2所述的磁轴承，其特征在于，所述环形磁导轭与第一径向定子之间还设有永磁体，所述永磁体设有四片，分别设于相邻两第二径向定子安装槽之间的对应位置处。

4.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，相邻两第二径向定子安装槽之间设有一永磁体，所述永磁体支撑于两相邻第一径向齿的末端，所述永磁体的高度小于第一径向齿的高度。

5.根据权利要求4所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁体采用环向充磁，相邻两永磁体的充磁方向相反；径向偏置线圈施加直流励磁时，相邻两径向偏置线圈产生的磁场极性相反；永磁体和径向偏置线圈在对应第一复合齿上产生的磁场方向相同。

6.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于，各第一径向齿的侧面末端均设有一永磁体，所述永磁体位于第二径向定子安装槽外部，相邻第二径向定子安装槽之间的永磁体通过一扇形结构连接，所述永磁体和扇形结构的高度均小于第一径向齿的高度。

7.根据权利要求6所述的磁轴承，其特征在于，所述永磁体采用环向充磁，相邻两永磁体的充磁方向相反；径向偏置线圈施加直流励磁时，各径向偏置线圈所产生的磁场极性相同；永磁体在扇形结构内产生的磁场与径向偏置线圈在第一宽齿上产生的磁场方向相同。

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