CN110131314B - 磁悬浮轴承、电机、压缩机和空调器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁悬浮轴承、电机、压缩机和空调器。该磁悬浮轴承包括径向轴承，径向轴承包括定子组件和转子组件，定子组件包括定子铁芯，转子组件套设在定子组件的内周侧，定子铁芯的轴向方向的中部设置有用于产生偏置磁场的第一永磁体，第一永磁体径向充磁，定子铁芯的内周壁第一端设置有控制第一控制磁极，用于控制转子组件沿第一直线往复运动，定子铁芯的内周壁第二端设置有第二控制磁极，用于控制转子组件沿第二直线往复运动，第一直线与第二直线位于第一平面内，第一平面垂直于定子铁芯的中心轴线。根据本申请的磁悬浮轴承，能够避免在对磁悬浮轴承进行多自由度控制时，多自由度的控制磁场相互耦合，控制逻辑复杂的问题。

Description

磁悬浮轴承、电机、压缩机和空调器

技术领域

本申请属于电机技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承、电机、压缩机和空调器。

背景技术

磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、高转速、高精度、不需要润滑和密封等一系列优良品质，是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学一体的高新技术产物。

磁力轴承分为主动式、被动式、混合式三种类型，主动式磁力轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需体积和功耗较大；被动式磁力轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力实现转子的悬浮，刚度和阻尼都比较低；混合式磁力轴承运用永磁体提供偏置磁场取代主动式磁轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，减少控制绕组的安匝数，缩小轴承体积，提高轴承承载能力等；混合式磁力轴承对体积和功耗有严格要求的领域有着不可替代的优势，磁力轴承又主要应用于高速、超高速场合。因此，磁悬浮系统的集成化、微型化和提高控制系统的稳定性与可靠性将是重点研究方向。

现有技术中公开了一种永磁偏置径向磁轴承结构，径向充磁永磁环通过定子、副气隙、转子、主气隙形成闭合回路，建立偏置磁场，控制绕组通过主磁极建立闭合回路控制磁场，控制主气隙处的偏置磁通，实现对转轴径向两自由度控制。然而，径向两自由度同时控制时，两自由度的控制磁场相互耦合，控制逻辑复杂；径向两自由度控制绕组单一，当某一绕组出现故障时，对应径向自由度的控制将失效，如在高速被支撑件高速旋转时发生故障，将造成严重后果，系统可靠性低。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种磁悬浮轴承、电机、压缩机和空调器，能够避免在对磁悬浮轴承进行多自由度控制时，多自由度的控制磁场相互耦合，控制逻辑复杂的问题。

为了解决上述问题，本申请提供一种磁悬浮轴承，包括径向轴承，径向轴承包括定子组件和转子组件，定子组件包括定子铁芯，转子组件套设在定子组件的内周侧，定子铁芯的轴向方向的中部设置有用于产生偏置磁场的第一永磁体，第一永磁体径向充磁，定子铁芯的内周壁第一端设置有控制第一控制磁极，第一控制磁极用于控制转子组件沿第一直线往复运动，定子铁芯的内周壁第二端设置有第二控制磁极，第二控制磁极用于控制转子组件沿第二直线往复运动，第一直线与第二直线位于第一平面内，第一平面垂直于定子铁芯的中心轴线。

优选地，第一直线沿水平方向延伸，第二直线沿竖直方向延伸。

优选地，第一永磁体、定子铁芯、第一控制磁极和转子组件之间形成控制转子组件沿第一直线往复运动的第一控制磁场，第一控制磁场位于第一永磁体的第一端；第一永磁体、定子铁芯、第二控制磁极和转子组件之间形成控制转子组件沿第二直线往复运动的第二控制磁场，第二控制磁场位于第一永磁体的第二端。

优选地，第一控制磁极包括设置在定子铁芯第一端端部的第一铁芯和绕设在第一铁芯上的第一线圈，两个第一铁芯位于定子铁芯的同一直径的两端，第一铁芯从定子铁芯的内周壁径向向定子铁芯的中心轴线凸出。

优选地，两个第一线圈相互独立控制。

优选地，第二控制磁极包括设置在定子铁芯第二端端部的第二铁芯和绕设在第二铁芯上的第二线圈，两个第二铁芯位于定子铁芯的同一直径的两端，第二铁芯从定子铁芯的内周壁径向向定子铁芯的中心轴线凸出。

优选地，两个第二线圈相互独立控制。

优选地，第二铁芯与定子铁芯一体成型。

优选地，第一永磁体包括四个环形段，四个环形段沿定子铁芯的内周侧周向均匀分布，其中两个相对的环形段位于第一直线上，另外两个相对的环形段位于第二直线上。

优选地，第一永磁体位于定子铁芯的中部，第一控制磁极和第二控制磁极与第一永磁体之间的轴向间距相同。

优选地，定子铁芯的内周壁上固定设置有固定架，固定架上设置有固定槽，第一永磁体固定设置在固定槽内。

优选地，定子铁芯内还设置有止挡环，固定架轴向止挡在止挡环上。

优选地，定子铁芯包括内铁芯和位于内铁芯两端的控制磁极段，至少一个控制磁极段与内铁芯分体设置。

优选地，定子组件还包括壳体，壳体套设在定子铁芯外周，壳体的两端分别设置有轴向限位结构，定子铁芯通过轴向限位结构轴向限位在壳体内。

优选地，轴向限位结构包括设置在壳体第一端的止挡凸缘和设置在壳体第二端的轴向挡板，内铁芯和控制磁极段均轴向限位在止挡凸缘和轴向挡板之间。

优选地，止挡凸缘与壳体一体成型，轴向挡板可拆卸地固定连接在壳体的第二端。

优选地，磁悬浮轴承还包括轴向轴承，轴向轴承套设在径向轴承外周。

优选地，轴向轴承的两端与径向轴承的两端齐平。

优选地，轴向轴承的两端分别设置有止推盘。

优选地，磁悬浮轴承包括两个沿轴向间隔设置的径向轴承，轴向轴承套设在其中一个径向轴承的外周。

优选地，第一控制磁极和第二控制磁极相互独立。

根据本申请的另一方面，提供了一种电机，包括磁悬浮轴承，磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的另一方面，提供了一种压缩机，包括磁悬浮轴承，磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的另一方面，提供了一种空调器，包括磁悬浮轴承，磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

本申请提供的磁悬浮轴承，包括径向轴承，径向轴承包括定子组件和转子组件，定子组件包括定子铁芯，转子组件套设在定子组件的内周侧，定子铁芯的轴向方向的中部设置有用于产生偏置磁场的第一永磁体，第一永磁体径向充磁，定子铁芯的内周壁第一端设置有控制第一控制磁极，第一控制磁极用于控制转子组件沿第一直线往复运动，定子铁芯的内周壁第二端设置有第二控制磁极，第二控制磁极用于控制转子组件沿第二直线往复运动，第一直线与第二直线位于第一平面内，第一平面垂直于定子铁芯的中心轴线。该磁悬浮轴承中，径向轴承在第一永磁体第一端的定子铁芯上设置第一控制磁极，在第一永磁体第二端的定子铁芯上设置第二控制磁极，且第一控制磁极单独用于控制第一直线上的往复运动，第二控制磁极单独用于控制第二直线上的往复运动，第一直线和第二直线相互垂直，这就保证了第一控制磁极对于转子组件的运动控制与第二控制磁极对于转子组件的运动控制互不相干，控制转子组件在第一直线和第二直线上的运动的控制磁路之间不会发生耦合，因此能够根据需求提供不同大小的第一直线方向的吸力与第二直线方向的吸力，便于系统控制，控制逻辑更加简单，提高磁悬浮径向控制系统的稳定性与可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承剖视结构示意图；

图2为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承立体结构示意图；

图3为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承分解结构示意图；

图4为本申请实施例的磁悬浮轴承的轴向轴承剖视结构示意图；

图5为本申请实施例的磁悬浮轴承的轴向轴承立体结构示意图；

图6为本申请实施例的磁悬浮轴承的轴向轴承分解结构示意图

图7为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承和轴向轴承组合结构示意图；

图8为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承和轴向轴承组合结构立体图；

图9为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承和轴向轴承组合结构分解图；

图10为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承竖直方向运动控制的磁路图；

图11为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承水平方向运动控制的磁路图；

图12为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承的左视结构图；

图13为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承的右视结构图；

图14为本申请实施例的磁悬浮轴承的轴向轴承的磁路图；

图15为本申请实施例的磁悬浮轴承的径向轴承和轴向轴承组合结构的磁路图；

图16为本申请实施例的磁悬浮轴承的多自由度悬浮结构示意图。

附图标记表示为：

1、径向轴承；2、定子组件；3、转子组件；4、定子铁芯；5、第一永磁体；6、第一铁芯；7、第一线圈；8、第二铁芯；9、第二线圈；10、固定架；11、固定槽；12、内铁芯；13、控制磁极段；14、壳体；15、止挡凸缘；16、轴向挡板；17、轴向轴承；18、止推盘；19、止挡环；20、内轴向铁芯；21、外轴向铁芯；22、第二永磁体；23、第一控制绕组；24、第二控制绕组；25、径向间隙；26、绝缘骨架；27、第一止挡凸起；28、第二止挡凸起；29、外壳。

具体实施方式

结合参见图1至图3、图10至图13所示，根据本申请的实施例，磁悬浮轴承包括径向轴承1，径向轴承1包括定子组件2和转子组件3，定子组件2包括定子铁芯4，转子组件3套设在定子组件2的内周侧，定子铁芯4的轴向方向的中部设置有用于产生偏置磁场的第一永磁体5，第一永磁体5径向充磁，定子铁芯4的内周壁第一端设置有控制第一控制磁极，第一控制磁极用于控制转子组件3沿第一直线往复运动，定子铁芯4的内周壁第二端设置有第二控制磁极，第二控制磁极用于控制转子组件3沿第二直线往复运动，第一直线与第二直线位于第一平面内，第一平面垂直于定子铁芯4的中心轴线。

该磁悬浮轴承的径向轴承1在第一永磁体5第一端的定子铁芯4上设置第一控制磁极，在第一永磁体5第二端的定子铁芯4上设置第二控制磁极，且第一控制磁极单独用于控制第一直线上的往复运动，第二控制磁极单独用于控制第二直线上的往复运动，第一直线和第二直线相互垂直，这就保证了第一控制磁极对于转子组件3的运动控制与第二控制磁极对于转子组件3的运动控制互不相干，控制转子组件3在第一直线和第二直线上的运动的控制磁路之间不会发生耦合，因此能够根据需求提供不同大小的第一直线方向的吸力与第二直线方向的吸力，便于系统控制，控制逻辑更加简单，提高磁悬浮径向控制系统的稳定性与可靠性。

优选地，第一直线沿水平方向延伸，第二直线沿竖直方向延伸。

具体而言，在本实施例中，第一控制磁极用于控制转子组件3在水平方向上的位移，第二控制磁极用于控制转子组件3在竖直方向上的位移，从而能够通过第一控制磁极和第二控制磁极的相互配合，实现对转子组件3在水平方向两个自由度和竖直方向两个自由度的悬浮控制。此处的相互配合是指，对于转子组件3运动方向控制的配合，从控制磁路上分析，第一控制磁极和第二控制磁极的控制磁路是相互独立且互不影响的，第一控制磁极产生的磁力线也与第二控制磁极产生的磁力线互不干涉，因此两者之间所产生的控制磁路之间不会发生耦合，能够降低对于转子组件3在水平方向或者竖直方向位移调节的控制难度，提高控制精度和控制效率。

在实际的控制过程中，由于应用环境的不同以及所要实现位移控制的不同，第一直线并非必须是水平的，第二直线也并非必须是竖直的，只需要保证第一直线和第二直线相互垂直即可。

第一永磁体5、定子铁芯4、第一控制磁极和转子组件3之间形成控制转子组件3沿第一直线往复运动的第一控制磁场，第一控制磁场位于第一永磁体5的第一端；第一永磁体5、定子铁芯4、第二控制磁极和转子组件3之间形成控制转子组件3沿第二直线往复运动的第二控制磁场，第二控制磁场位于第一永磁体5的第二端。

在本实施例中，第一永磁体5、定子铁芯4、第一控制磁极和转子组件3形成第一控制磁场，第一永磁体5、定子铁芯4、第二控制磁极和转子组件3形成第二控制磁场，两个控制磁场之间通过第一永磁体5分隔开，避免了两个控制磁场之间发生干涉，简化了控制磁场的控制程序。第一永磁体5的N极位于第一永磁体5的径向内侧，S极位于第一永磁体5的径向外侧，也可以将第一永磁体5的N极设置在第一永磁体5的径向外侧，S极位于第一永磁体5的径向内侧，具体可以根据需要进行设置。

第一控制磁极包括设置在定子铁芯4第一端端部的第一铁芯6和绕设在第一铁芯6上的第一线圈7，两个第一铁芯6位于定子铁芯4的同一直径的两端，第一铁芯6从定子铁芯4的内周壁径向向定子铁芯4的中心轴线凸出。优选地，两个第一线圈7相互独立控制。由于两个第一线圈7相互独立控制，因此在磁悬浮轴承工作时，如果其中一个第一线圈7发生故障，由于两个第一线圈7相互对立，因此另外一个第一线圈7仍然可以继续实现水平方向上的控制功能，通过控制另外一个第一线圈7内的电流大小和方向，仍然可以方便地实现对转子组件3在水平方向上位移的调整，容错性更高，可以更加有效地提高磁悬浮轴承的稳定性与可靠性。

第二控制磁极包括设置在定子铁芯4第二端端部的第二铁芯8和绕设在第二铁芯8上的第二线圈9，两个第二铁芯8位于定子铁芯4的同一直径的两端，第二铁芯8从定子铁芯4的内周壁径向向定子铁芯4的中心轴线凸出。优选地，两个第二线圈9相互独立控制。由于两个第二线圈9相互独立控制，因此在磁悬浮轴承工作时，如果其中一个第二线圈9发生故障，由于两个第二线圈9相互对立，因此另外一个第二线圈9仍然可以继续实现竖直方向上的控制功能，通过控制另外一个第二线圈9内的电流大小和方向，仍然可以方便地实现对转子组件3在竖直方向上位移的调整，容错性更高，可以更加有效地提高磁悬浮轴承的稳定性与可靠性。

由于第一铁芯6和第二铁芯8均为径向设置，因此缠绕在第一铁芯6上的第一线圈7和缠绕在第二铁芯8上的第二线圈9所形成的磁极，也是径向磁极，通过调整第一线圈7上的电流大小和方向，能够调整第一永磁体5的第一端的闭合磁路磁力大小，进而实现对转子组件3的水平方向上的位移调节。通过调整第二线圈9上的电流大小和方向，能够调整第一永磁体5的第二端的闭合磁路磁力大小，进而实现对转子组件3的竖直方向上的位移调节。

优选地，第一铁芯6和第二铁芯8均与定子铁芯4一体成型，不仅可以降低第一铁芯的加工工序，提高成型效率，而且能够使得加工出的磁悬浮轴承具有更加良好的磁性能。

在本实施例中，第一永磁体5包括四个环形段，四个环形段沿定子铁芯4的内周侧周向均匀分布，其中两个相对的环形段位于第一直线上，另外两个相对的环形段位于第二直线上。具体而言，可以将四个环形段分为两组，每组的两个环形段位于定子铁芯的同一直径的两端，其中第一组的两个环形段在周向上与两个第一铁芯6错位，在周向上与两个第一铁芯6位于同一周向位置，第二组的两个环形段在周向上与两个第二铁芯8错位，在周向上与两个第二铁芯8位于同一周向位置。这样一来，由于两个第一铁芯6所在的第一直线与两个第二铁芯8所在的第二直线相互垂直，因此，第一组的两个环形段与两个第二铁芯8在周向方向上相互错开，第一组的两个环形段所产生的磁场不会对第二铁芯8上的第二线圈9所产生的磁场造成干涉，同理，第二组的两个环形段所产生的磁场也不会对第一铁芯6上的第一线圈7所产生的磁场造成干涉，可以更加有效地避免两端的控制磁路之间发生耦合，进一步降低控制复杂度，提高控制精度。

优选地，第一永磁体5位于定子铁芯4的中部，第一控制磁极和第二控制磁极与第一永磁体5之间的轴向间距相同，能够有效保证两端的控制磁极的结构稳定性。

上述的第一永磁体5也可以采用永磁环结构。在本实施例中，上述的环形段为扇形。

定子铁芯4的内周壁上固定设置有固定架10，固定架10上设置有固定槽11，第一永磁体5固定设置在固定槽11内。通过增加固定架10，能够通过固定架10来实现第一永磁体5在定子铁芯4上的安装固定，结构更加简单，不用对第一永磁体5的结构造成破坏，而且可以使得第一永磁体5的安装结构更加稳定可靠。固定架10可以通过过盈配合、胶粘或者是两种方式配合的形式固定在定子铁芯4的内周壁上，实现稳定可靠的固定连接，也可以通过其它的方式将固定架10固定于定子铁芯4的内周壁上。

当第一永磁体5为扇形时，固定槽11也相应地设置为扇形，在进行安装时，需要首先将扇形的永磁体从固定槽11的开口处嵌入到固定槽11内，并通过固定槽11的逐渐收缩的开口对永磁体形成径向限位，使得永磁体在固定槽11内滑动到预设位置后不会再滑动。当扇形永磁体在固定槽11内完成安装后，可以将装配好永磁体的固定架10整体装入定子铁芯4的内周侧，并进行固定，此时，扇形永磁体的外壁受到定子铁芯4的内壁的压紧作用，扇形永磁体的侧壁受到固定槽11的侧壁的压紧作用，从而稳定可靠地限位在固定槽11内，进而实现扇形永磁体在定子铁芯4内的稳定可靠安装。

定子铁芯内还设置有止挡环19，固定架10轴向止挡在止挡环19上。该止挡环19设置在定子铁芯4的径向内侧，可以与定子铁芯4一体成型，也可以单独加工之后固定设置在定子铁芯4的内周侧，其作用是对第一永磁体5在定子铁芯4内的轴向安装位置进行定位。在进行第一永磁体5的固定安装时，可以将第一永磁体5沿着安装方向装入到定子铁芯4的内周侧，当第一永磁体5到达止挡环19所在轴向位置时，被止挡环19止挡，说明第一永磁体5已经安装到位，可以将第一永磁体5固定设置在当前轴向位置，保证了第一永磁体5的轴向安装位置的准确性和可靠性。通过设置止挡环19，能够降低第一永磁体5在定子铁芯4内的安装难度，提高定位精度，提高装配效率。上述的止挡环19也可以为止挡块，或者是其它具有止挡作用的结构。

定子铁芯4包括内铁芯12和位于内铁芯12两端的控制磁极段13，至少一个控制磁极段13与内铁芯12分体设置。

当第一铁芯6和第二铁芯8均与定子铁芯4之间分体设置时，此时在进行第一永磁体5的安装时，可以首先将第一永磁体5安装在固定槽11内，然后将固定架10整体安装在定子铁芯4内，并进行固定，当第一永磁体5完成固定安装后，可以分别将第一铁芯6固定设置在定子铁芯4的第一端，将第二铁芯8固定设置在定子铁芯4的第二端，在此之前，可以首先完成第一线圈7在第一铁芯6上的绕制，以及第二线圈9在第二铁芯8上的绕制。

然而，当第一铁芯6和第二铁芯8均与定子铁芯4一体成型时，由于第一铁芯6和第二铁芯8的存在，就会导致第一永磁体5在定子铁芯4上的安装受到干涉，无法顺利完成第一永磁体5在定子铁芯4上的安装固定。此时就需要重新对定子铁芯4进行设计，将定子铁芯4根据第一铁芯6、第二铁芯8以及第一永磁体5的安装位置分为多段，这样一来，就可以在将第一永磁体5固定安装在定子铁芯4上之后，再将其他各段定子铁芯4组合在一起，形成完整的定子铁芯4。在本实施例中，将定子铁芯4分为内铁芯12和位于内铁芯12两端的控制磁极段13，可以将两个控制磁极段13均与内铁芯12进行分体设置，也可以仅将其中一个控制磁极段13与内铁芯12进行分体设置，这样一来，就可以首先将第一永磁体5从分体设置的控制磁极段13所在端装入到内铁芯12内，最后再将该控制磁极段13与内铁芯12进行组合，顺利完成第一永磁体5的安装固定。

定子组件2还包括壳体14，壳体14套设在定子铁芯4外周，壳体14的两端分别设置有轴向限位结构，定子铁芯4通过轴向限位结构轴向限位在壳体14内。该壳体14例如为不导磁材料制成，从而能够从定子组件2的外周侧形成屏蔽，避免磁力线从定子组件2的外周侧形成泄漏，提高径向轴承的工作稳定性和可靠性。轴向限位结构能够对定子铁芯4在壳体14内的安装进行轴向限位，尤其是对于采用分体式结构的定子铁芯4而言，更加可以通过轴向限位结构有效地保证各段定子铁芯4之间的配合效果。

在本实施例中，轴向限位结构包括设置在壳体14第一端的止挡凸缘15和设置在壳体14第二端的轴向挡板16，内铁芯12和控制磁极段13均轴向限位在止挡凸缘15和轴向挡板16之间。

止挡凸缘15与壳体14一体成型，轴向挡板16可拆卸地固定连接在壳体14的第二端。由于止挡凸缘15与壳体14一体成型，因此可以减少加工工序，降低加工难度，提高加工效率。而轴向挡板16可拆卸地固定连接在壳体14的第二端，则可以方便地实现定子铁芯4在壳体14内的安装、拆卸和更换。

第一控制磁极和第二控制磁极相互独立。第一控制磁极和第二控制磁极相互独立，是指第一控制磁极和第二控制磁极是独立控制的，第一控制磁极的运行和停止与第二控制磁极的运行和停止互不相干，因此，在一个控制磁极出故障时，并不会影响另一个控制磁极的正常工作，保证了磁悬浮轴承工作时的稳定性和可靠性。

第一永磁体5通过过盈配合或粘胶的方法与固定架10连接，固定架10的固定槽11内有台阶对第一永磁体5进行径向支撑，固定架10再通过过盈配合的方式安装在定子铁芯4的正中间，定子铁芯4内有止挡环19对固定架10进行轴向定位，各控制绕组通过绕线的方式绕制在相应的铁芯上，两个控制磁极段13和一个内铁芯12之间按照预设顺序排列，然后通过高压冲压及焊接的方式连接固定，形成径向完整的定子铁芯4，定子铁芯4通过对壳体14加热的方式内套在壳体14内部，再通过轴向挡板16对定子组件轴向定位，完成定子组件径向与轴向的固定，实现永磁偏置径向轴承零件的固定组装。

本申请的径向轴承1，其扇形永磁体径向充磁，外S内N，水平方向的扇形永磁体通过控制水平位移的第一控制磁极与转子组件3形成闭合回路，产生水平方向的偏置磁场，竖直方向的扇形永磁体通过控制竖直位移的第二控制磁极与转子组件3形成闭合回路，产生竖直方向的偏置磁场，第一线圈7缠绕在第一铁芯6的磁极上，产生水平控制磁场；第二线圈9缠绕在第二铁芯8的磁极上，产生竖直控制磁场。

水平控制磁路和竖直控制磁路与水平偏置磁路和竖直偏置磁路仅在径向磁极与转子组件3形成的气隙处叠加重合，其中水平控制磁路和竖直控制磁路在定子铁芯4上轴向分布且互不干扰，水平偏置磁路和竖直偏置磁路分别分布在径向方向的水平面与竖直面上且互不干扰。

结合参见图10至图13所示，以水平自由度方向控制为例，径向轴承的工作原理如下：水平控制磁极与转子组件3之间形成径向水平主气隙，水平扇形永磁体产生水平偏置磁场，径向水平面内左、右主气隙中偏置磁场的磁通量大小相等，转子组件3的径向方向水平自由度稳定。当转轴发生水平向左偏移时，左主气隙中偏置磁场磁通量变大，右主气隙中偏置磁场磁通量变小，转子组件3的径向水平自由度将无法稳定。此时可以根据传感器检测转轴位置来改变控制电流的大小与方向，通过第一控制磁极和第二控制磁极控制磁极产生的控制磁场相互叠加，形成如图13所示的控制磁路，减少水平左主气隙中的磁通量，增大水平右主气隙中的磁通量，使转轴向径向右端平移达到平衡位置，实现转轴水平方向的稳定悬浮。水平方向的2个控制绕组相互对立，一端出故障，另一端可以继续实现水平方向的控制功能，防止转轴出现无控制的状态。同理竖直方向工作原理相同，且竖直方向与水平方向的控制磁路不会耦合，可以根据需求提供不同大小的水平吸力与竖直吸力，便于系统控制，提高磁悬浮径向控制系统的稳定性与可靠性。

结合参见图4至6、图14所示，根据本申请的实施例，磁悬浮轴承包括轴向轴承17，轴向轴承17包括内轴向铁芯20、外轴向铁芯21、第二永磁体22、第一控制绕组23和第二控制绕组24，内轴向铁芯20和外轴向铁芯21同轴设置，第二永磁体22设置在内轴向铁芯20和外轴向铁芯21之间的径向间隙25内，第二永磁体22径向充磁，第一控制绕组23绕制在径向间隙25内，并位于第二永磁体22的第一端，第二控制绕组24绕制在径向间隙25内，并位于第二永磁体22的第二端。

该磁悬浮轴承的轴向轴承在工作时，由于采用了永磁偏置结构，因此可以通过永磁体提供持续稳定的轴向磁场作用，第一控制绕组和第二控制绕组仅用来控制磁悬浮轴承轴向方向两端的平衡磁力大小，即使在工作过程中由于故障导致其中一个控制绕组或者两个控制绕组均发生故障，仍然可以通过永磁体提供的偏置磁场使得磁悬浮轴承有效工作，避免磁悬浮轴承失效，避免高速旋转的转轴出现无控制的安全隐患，提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。

第二永磁体22为永磁环。第二永磁体22也可以为扇形永磁体，或者其他类似结构的永磁体。

径向间隙25内还设置有绝缘骨架26，第一控制绕组23和第二控制绕组24均绕制在绝缘骨架26上。绝缘骨架26的作用在于，方便进行控制绕组的缠绕，同时也能够对磁路进行设计，避免磁路发生短路，保证磁路设计的合理性，提高轴向轴承17的磁性能。绝缘骨架26为两个，分别设置在径向间隙25的轴向两端，第一控制绕组23缠绕在第一段的绝缘骨架26上，第二控制绕组24缠绕在第二段的绝缘骨架26上，两个绝缘骨架26之间通过第二永磁体22间隔开。

在本实施例中，绝缘骨架26与第二永磁体22配合，将内轴向铁芯20和外轴向铁芯21完全隔离开。通过将绝缘骨架26与第二永磁体22进行配合，能够将内轴向铁芯20和外轴向铁芯21完全隔离开，从而使得永磁环产生的偏置磁场与控制绕组产生的控制磁场只有通过左、右两端的轴向气隙与止推盘18才可以形成完整的闭合回路，从而能够保证永磁环产生的偏置磁场与控制绕组产生的控制磁场不会发生短路，能够产生足够的轴向作用力，实现对转子组件3的轴向位置的调节，进而实现对转轴的轴向位置的调节。具体而言，位于内轴向轴承20第一端的绝缘骨架26从内轴向轴承20的第一端延伸至第二永磁体22的第一端端面，位于内轴向轴承20第二端的绝缘骨架26从内轴向轴承20的第二端延伸至第二永磁体22的第二端端面，从而在整个轴向方向上将内轴向铁芯20和外轴向铁芯21隔离开。

内轴向铁芯20的外周壁上设置有第一止挡凸起27，外轴向铁芯21的内周壁上设置有第二止挡凸起28，第二永磁体22的第一端止挡在第一止挡凸起27上，第二永磁体22的第二端止挡在第二止挡凸起28上。通过在内轴向铁芯20的外周壁上设置第一止挡凸起27，在外轴向铁芯21的内周壁上设置第二止挡凸起28，可以通过第一止挡凸起27和第二止挡凸起28的配合对第二永磁体22在内轴向铁芯20上的安装位置进行轴向定位，降低安装难度，同时也可以通过第二永磁体22实现对内轴向铁芯20和外轴向铁芯21的轴向相对位置的定位，在设计内轴向铁芯20和外轴向铁芯21时，只需要确定第二永磁体22的轴向长度，就可以合理设计第一止挡凸起27和第二止挡凸起28的轴向位置，在进行安装时，只要通过第一止挡凸起27或者是第二止挡凸起28限定了第二永磁体22的轴向位置，那么只要两个止挡凸起均安装到位，内轴向铁芯20和外轴向铁芯21的轴向相对位置也自然确定，这就降低了内轴向铁芯20和外轴向铁芯21的装配难度，提高了装配效率。同时，由于两个止挡凸起分别位于不同的轴向铁芯上，因此可以将各止挡凸起与其所在的轴向铁芯一体制作，降低制作难度，同时提高轴向铁芯的磁性能，还能够方便实现第二永磁体22的安装固定。

在其他的实施例中，也可以将两个止挡凸起均设置在同一个轴向铁芯上，在这种情况下，其中一个止挡凸起需要与该轴向铁芯之间可拆卸设置，或者是需要将第二永磁体22安装在该轴向铁芯上之后，在将止挡凸起与该轴向铁芯之间固定连接。

第一止挡凸起27和/或第二止挡凸起28为环形凸起。上述的止挡凸起也可以为多个止挡块，只要能够准确定位第二永磁体22的轴向安装位置即可。

在本实施例中，第一止挡凸起27和第二止挡凸起28的径向高度均小于环形间隙的厚度，因此，在第一止挡凸起27与外轴向铁芯21的内周壁之间会形成一定厚度的间隙，在第二止挡凸起28与内轴向铁芯20的外周壁之间也会形成一定厚度的间隙，位于内轴向铁芯20第一端的绝缘骨架26，具有朝向第二永磁体22轴向伸出的环形凸缘，该环形凸缘卡在第一止挡凸起27与外轴向铁芯21的内周壁之间所形成的间隙内，位于内轴向铁芯20第二端的绝缘骨架26，具有朝向第二永磁体22轴向伸出的环形凸缘，该环形凸缘卡在第二止挡凸起28与内轴向铁芯20的外周壁之间所形成的间隙内。通过止挡凸起与轴向铁芯之间所形成的间隙，能够方便对绝缘骨架26进行安装定位，同时，也可以将第一止挡凸起27与外轴向铁芯21隔开，将第二止挡凸起28与内轴向铁芯20隔开，避免内轴向铁芯20和外轴向铁芯21之间通过止挡凸起接触而形成短路，更加有效地保证永磁环产生的偏置磁场与控制绕组产生的控制磁场只有通过左、右两端的轴向气隙与止推盘18才可以形成完整的闭合回路。

第一止挡凸起27也可以设置在内轴向铁芯20的第二端，此时第二止挡凸起28则设置在外轴向铁芯21的第一端。

轴向轴承17外固定套设有外壳29。优选地，该外壳29采用非导磁材料制成，从而能够有效避免轴向轴承17从外轴向铁芯21的外周侧漏磁，保证轴向轴承17的磁性能。

优选地，第一控制绕组23和第二控制绕组24的通电方向相同。

优选地，第一控制绕组23和第二控制绕组24各自独立控制。

磁悬浮轴承还包括转子组件3，轴向轴承17的两端分别设置有止推盘18，止推盘18固定设置在转子组件3上。

轴向轴承17的永磁环通过过盈配合或粘胶的方式内嵌在外轴向铁芯21中，外轴向铁芯21内部有第二止挡凸起28对永磁环进行轴向限位，内轴向铁芯20通过过盈及粘胶的方式内嵌在永磁环内圈，内轴向铁芯20的外圈存在第一止挡凸起27与永磁环进行轴向限位，内、外轴向铁芯对永磁环的径向与轴向进行固定支撑。控制绕组缠绕在绝缘骨架26上，利用密封胶进行密封。左、右两端的绝缘骨架26通过盈配合或粘胶的方法内嵌在内、外轴向铁芯形成的凹槽处，实现绝缘骨架26的固定支撑，形成完整的双轴向轴承组件。绝缘骨架26与永磁环配合把内、外轴向铁芯完全隔离，永磁环产生的偏置磁场与控制绕组产生的控制磁场只有通过左、右两端的轴向气隙与止推盘才可以形成完整的闭合回路。左、右两端的控制绕组通电方向相同，产生的控制磁场相互叠加，形成一个闭合回路，实现两端绕组同时控制轴向单边方向磁力大小，避免高速旋转的转轴出现无控制的安全隐患，提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。通过位于轴向铁芯轴向两端的两个控制绕组与两个止推盘18配合对转轴的轴向自由度进行控制，实现两个轴向轴承的一体化，降低零件加工成本，安装方便，同时缩小磁悬浮轴向支撑系统的占用空间，并增加轴向磁力轴承的使用方式。

永磁偏置双轴向磁力轴承技术原理如图14所示，永磁环径向充磁外N内S，分别通过外轴向铁芯21、左、右轴向气隙、左、右止推盘18、内轴向铁芯20构成闭合回路，形成偏置磁路，在左轴向气隙与右轴向气隙建立静态偏置磁通，当转轴处于稳定平衡位置时，左、右轴向气隙中的偏置磁通大小相等，轴向铁芯对左推力盘和右推力盘的吸力大小相等，方向相反，使转轴处于稳定平衡状态。左、右控制绕组独立镶嵌在外轴向铁芯21与内轴向铁芯20构成的轴向磁极处，两端控制绕组产生的控制磁路相互叠加，产生控制磁场，同时控制左、右气隙中的磁通量。当左控制绕组或右控制绕组断路时，另一个控制绕组也可以产生控制作用，防止转轴出现无控制的状态，增加磁悬浮轴向控制系统的稳定性与可靠性。利用永磁体形成所需的偏置磁场，减少电磁线圈匝数，减小产生单位承载力所需的体积与重量，从而缩小轴承体积。

该轴向轴承采用中间为轴承、两端为止推盘的工作形式，运用多元化，可两端固定，中间移动，也可以中间固定，两端移动的工作状态；与径向轴承搭配使用时，可进行轴向排布，也可进行径向排布，实现三自由度悬浮。轴承应用范围，使用场合更多更广。如径向排布时，运用于汽车悬浮，列车悬浮等，汽车左、右轮盘和列车左、右导轨相当于推力盘，车身相当于径向-轴向集成系统，实现车身悬浮。

结合参见图7至图9、图15和图16所示，根据本申请的实施例，磁悬浮轴承包括径向轴承1和轴向轴承17，轴向轴承17套设在径向轴承1外周。

在本实施例中，将轴向轴承17和径向轴承1径向排布，能够实现磁悬浮轴承的集成化，减小磁悬浮系统轴向利用空间及转轴的轴向长度与生产成本，减小磁悬浮轴承的整体体积，提高转子动态特性，便于轴承的安装与性能调试。

在本实施例中，径向轴承与轴向轴承集成，能够对转子径向相互垂直的两自由度以及转轴轴向自由度进行控制，方便地实现三自由度的磁悬浮控制。

优选地，轴向轴承17的两端与径向轴承1的两端齐平，能够更加合理地设置径向轴承1和轴向轴承17，进一步减小转轴长度，减小磁悬浮轴承的轴向长度和体积。

在另外一个实施例中，磁悬浮轴承包括两个沿轴向间隔设置的径向轴承1，轴向轴承17套设在其中一个径向轴承1的外周。在本实施例中，单独存在的径向轴承1设置在转轴的第一端，轴向轴承17和径向轴承1的集成结构设置在转轴的第二端，设置在转轴第一端的径向轴承1能够对转轴第一端径向相互垂直的两个自由度进行控制，轴向轴承17和径向轴承1的集成结构能够对转轴第二端的径向相互垂直的两个自由度以及转轴的轴向自由度进行控制，从而实现对转轴的五自由度悬浮控制。

径向轴承与轴向轴承径向集成化的结构如图7所示，集成化系统可以对转轴径向两自由度与轴向自由度进行控制。径向轴承组件通过加热壳体14的方式镶嵌在壳体14内。轴向轴承通过加热外壳29的方式镶嵌在外壳29内。壳体14内套在轴向轴承中内轴向铁芯20的内圈处，在通过一定连接方式进行轴向固定(如过盈配合或螺栓连接)，实现径向轴承与轴向轴承的径向集成化，从而减小磁悬浮系统轴向利用空间及转轴的轴向长度与生产成本，提高转子动态特性，便于轴承的安装与性能调试。

由于壳体14采用非导磁材料支撑，因此能够有效避免轴向轴承17和径向轴承1的磁路发生干涉，简化控制程序，提高控制精度和控制效率，降低控制成本。

根据本申请的实施例，电机包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的实施例，压缩机包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的实施例，空调器包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (24)

1.一种磁悬浮轴承，其特征在于，包括径向轴承（1），所述径向轴承（1）包括定子组件（2）和转子组件（3），所述定子组件（2）包括定子铁芯（4），所述转子组件（3）套设在所述定子组件（2）的内周侧，所述定子铁芯（4）的轴向方向的中部设置有用于产生偏置磁场的第一永磁体（5），所述第一永磁体（5）位于所述定子铁芯（4）的内周侧，所述第一永磁体（5）径向充磁，所述定子铁芯（4）的内周壁第一端设置有第一控制磁极，所述第一控制磁极用于控制所述转子组件（3）沿第一直线往复运动，所述定子铁芯（4）的内周壁第二端设置有第二控制磁极，所述第二控制磁极用于控制所述转子组件（3）沿第二直线往复运动，所述第一直线与所述第二直线位于第一平面内，所述第一平面垂直于所述定子铁芯（4）的中心轴线。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一直线沿水平方向延伸，所述第二直线沿竖直方向延伸。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体（5）、所述定子铁芯（4）、所述第一控制磁极和所述转子组件（3）之间形成控制所述转子组件（3）沿第一直线往复运动的第一控制磁场，所述第一控制磁场位于所述第一永磁体（5）的第一端；所述第一永磁体（5）、所述定子铁芯（4）、所述第二控制磁极和所述转子组件（3）之间形成控制所述转子组件（3）沿第二直线往复运动的第二控制磁场，所述第二控制磁场位于所述第一永磁体（5）的第二端。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一控制磁极包括设置在所述定子铁芯（4）第一端端部的第一铁芯（6）和绕设在所述第一铁芯（6）上的第一线圈（7），两个所述第一铁芯（6）位于所述定子铁芯（4）的同一直径的两端，所述第一铁芯（6）从所述定子铁芯（4）的内周壁径向向所述定子铁芯（4）的中心轴线凸出。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承，其特征在于，两个所述第一线圈（7）相互独立控制。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第二控制磁极包括设置在所述定子铁芯（4）第二端端部的第二铁芯（8）和绕设在所述第二铁芯（8）上的第二线圈（9），两个所述第二铁芯（8）位于所述定子铁芯（4）的同一直径的两端，所述第二铁芯（8）从所述定子铁芯（4）的内周壁径向向所述定子铁芯（4）的中心轴线凸出。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承，其特征在于，两个所述第二线圈（9）相互独立控制。

8.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第二铁芯（8）与所述定子铁芯（4）一体成型。

9.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体（5）包括四个环形段，所述四个环形段沿所述定子铁芯（4）的内周侧周向均匀分布，其中两个相对的所述环形段位于第一直线上，另外两个相对的环形段位于第二直线上。

10.根据权利要求9所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一永磁体（5）位于所述定子铁芯（4）的中部，所述第一控制磁极和所述第二控制磁极与所述第一永磁体（5）之间的轴向间距相同。

11.根据权利要求9所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯（4）的内周壁上固定设置有固定架（10），所述固定架（10）上设置有固定槽（11），所述第一永磁体（5）固定设置在所述固定槽（11）内。

12.根据权利要求11所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯内还设置有止挡环（19），所述固定架（10）轴向止挡在所述止挡环（19）上。

13.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子铁芯（4）包括内铁芯（12）和位于所述内铁芯（12）两端的控制磁极段（13），至少一个所述控制磁极段（13）与所述内铁芯（12）分体设置。

14.根据权利要求13所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述定子组件（2）还包括壳体（14），所述壳体（14）套设在所述定子铁芯（4）外周，所述壳体（14）的两端分别设置有轴向限位结构，所述定子铁芯（4）通过所述轴向限位结构轴向限位在所述壳体（14）内。

15.根据权利要求14所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向限位结构包括设置在所述壳体（14）第一端的止挡凸缘（15）和设置在所述壳体（14）第二端的轴向挡板（16），所述内铁芯（12）和所述控制磁极段（13）均轴向限位在所述止挡凸缘（15）和所述轴向挡板（16）之间。

16.根据权利要求15所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述止挡凸缘（15）与所述壳体（14）一体成型，所述轴向挡板（16）可拆卸地固定连接在所述壳体（14）的第二端。

17.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承还包括轴向轴承（17），所述轴向轴承（17）套设在所述径向轴承（1）外周。

18.根据权利要求17所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向轴承（17）的两端与所述径向轴承（1）的两端齐平。

19.根据权利要求17所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向轴承（17）的两端分别设置有止推盘（18）。

20.根据权利要求17所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承包括两个沿轴向间隔设置的径向轴承（1），所述轴向轴承（17）套设在其中一个径向轴承（1）的外周。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一控制磁极和所述第二控制磁极相互独立。

22.一种电机，包括磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承为权利要求1至20中任一项所述的磁悬浮轴承。

23.一种压缩机，包括磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承为权利要求1至20中任一项所述的磁悬浮轴承。

24.一种空调器，包括磁悬浮轴承，其特征在于，所述磁悬浮轴承为权利要求1至20中任一项所述的磁悬浮轴承。

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