CN112145554A - 磁悬浮轴承组件及具有其的电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮轴承组件及具有其的电机。多个第一E型定子组件围设成环形结构第一E型定子组件包括第一E型定子本体和第一绕组，第一E型定子本体的内圆上设置有多个第一定子齿，第一绕组为多个，多个第一绕组一一对应地设置于多个第一定子齿上，多个第一绕组中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，第一主绕组与其余第一辅助绕组独立地控制。采用该结构的磁悬浮轴承组件的结构紧凑，能够起到缩短磁悬浮轴承组件的轴向长度又能提升该磁悬浮组件的稳定性和可靠性。

Description

磁悬浮轴承组件及具有其的电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承设备技术领域，具体而言，涉及一种磁悬浮轴承组件及具有其的电机。

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。

磁悬浮轴承系统要实现对转子的无接触支撑，需要对其空间的五个自由度进行控制。传统的磁悬浮结构，采用永磁偏置前径向轴承、永磁偏置后径向轴承控制转轴径向四自由度的悬浮控制，永磁偏置轴向轴承控制转轴轴向自由度的悬浮控制，两组永磁偏置径向电磁轴承和一组永磁偏置轴向轴承实现转子空间的五自由度悬浮，通过永磁体产生偏置磁场，通过辅助定子磁极、转轴、径向定子磁极形成闭合回路，构成永磁偏置磁场，在径向定子磁极与转轴主气隙中形成偏置磁通，径向水平与竖直控制绕组通入控制电流产生控制磁场，经过定子铁芯内部与转轴形成控制磁场调节径向定子磁极与转轴主气隙间的偏置磁通，实现径向两自由度的悬浮控制。其中，永磁体产生偏置磁场，通过左、右两端的定子铁芯、推力盘构成闭合回路，形成偏置磁场，在左、右定子铁芯与推力盘气隙中形成偏置磁通，控制绕组通入控制电流形成控制磁场，通过定子铁芯、推力盘形成闭合回路，构成控制磁路，调节左、右两端定子铁芯与推力盘中的偏置磁通，实现转轴轴向悬浮控制。每一组径向磁悬浮轴承控制转子径向两个自由度，轴向磁悬浮轴承控制转子轴向的平动自由度。该磁悬浮系统结构存在两个缺点：

1、两个径向轴承与轴向轴承并排放置，增加转子轴向长度，悬浮系统轴向体积增大，转子挠性增强。

2、径向磁悬浮轴承同时进行径向水平与竖直同时控制时，径向两自由度控制磁场相互耦合，控制逻辑复杂，径向两自由度控制绕组单一，当单一某一绕组出现故障时，对应径向自由度的控制将失效，高速旋转的转轴将造成严重安全危害，悬浮系统稳定性与可靠性低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁悬浮轴承组件及具有其的电机，以解决现有技术中磁悬浮轴承可靠性低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮轴承组件，包括第一定子组件，第一定子组件包括：第一E型定子组件，第一E型定子组件为多个，多个第一E型定子组件围设成环形结构，第一E型定子组件包括第一E型定子本体和第一绕组，第一E型定子本体的内圆上设置有多个第一定子齿，第一绕组为多个，多个第一绕组一一对应地设置于多个第一定子齿上，多个第一绕组中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，第一主绕组与其余第一辅助绕组独立地控制。

进一步地，第一定子组件包括第一辅助定子铁芯组件，多个第一E型定子组件位于第一辅助定子铁芯组件的一侧，第一辅助定子铁芯组件包括：第一隔磁架，第一隔磁架为环形结构，第一隔磁架的外边缘处设置有多个第一安装缺口；第一辅助定子铁芯，第一辅助定子铁芯为多个，各第一安装缺口内设置有一个第一辅助定子铁芯，多个第一辅助定子铁芯与多个第一E型定子组件一一对应地设置。

进一步地，第一隔磁架的朝向第一E型定子组件一侧的表面上设置有多个第一隔磁板，相邻的第一隔磁板之间形成用于安装第一E型定子组件的安装空间。

进一步地，多个第一定子齿中的至少一个第一定子齿的径向方向的宽度与其余的第一定子齿的宽度不同地设置。

进一步地，第一定子齿为三个，三个第一定子齿沿第一E型定子本体的内周面间隔地设置，位于中间的第一定子齿的宽度大于其余两个的第一定子齿的宽度。进一步地，第一定子齿为三个，设置于中间的第一定子齿上的第一绕组为第一主绕组，其余两个第一定子齿上的第一绕组为第一辅助绕组，或者，设置于中间的第一定子齿上的第一绕组为第一辅助绕组，其余两个第一定子齿上的第一绕组为第一主绕组。

进一步地，多个第一绕组独立地控制。

进一步地，第一隔磁架上的形成第一安装缺口的侧壁上开设有凹槽，凹槽沿第一隔磁架的径向方向延伸设置，第一辅助定子铁芯的侧边上设置有与凹槽相配合的限位凸起。

进一步地，位于相邻的第一安装缺口之间的第一隔磁架上设置有一个第一隔磁板。

进一步地，磁悬浮轴承组件还包括：壳体，壳体内的中部设置有永磁体组件，第一辅助定子铁芯组件设置于壳体内并位于永磁体组件的第一侧；第二定子组件，第二定子组件设置于壳体内并位于永磁体组件的第二侧，第二定子组件与第一定子组件相对地设置；转子组件，转子组件包括转轴、辅助转子、第一锥形转子和第二锥形转子，转轴依次穿设于第一锥形转子、辅助转子和第二锥形转子内设置，辅助转子与永磁体组件、第一定子组件、第二定子组件相配合地设置，第一锥形转子与部分的第一定子组件相配合地设置，第二锥形转子与部分的第二定子组件相配合地设置；其中，第一定子组件和第二定子组件用于产生独立的控制磁场，永磁体组件产生偏置磁场，控制磁场通过调节偏置磁场以控制转轴沿Y轴做平移运动或者绕Y轴转动，或者控制转轴绕X轴转动或者沿X轴做平移运动，或者控制转轴沿Z轴做平移运动，X轴、Y轴沿转轴的径向方向，Z轴为转轴的轴线方向。

进一步地，第一主绕组独立地控制，第一辅助绕组串联地设置。

根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括磁悬浮轴承组件，磁悬浮轴承组件为上述的磁悬浮轴承组件。

应用本发明的技术方案，分别在各第一定子齿上设置第一绕组，同时将其中一部分的第一绕组设置成第一主绕组结构，其余的第一绕组为第一辅助绕组结构，使得在磁悬浮轴承组件作业过程中出现第一主绕组失效时，第一辅助绕组结构会自动进行启动作业模式，以达到通过第一辅助绕组起到辅助稳定的作用以继续维持转轴的平衡状态，有效地提高了该磁悬浮轴承组件的可靠性。同时采用该结构的磁悬浮轴承组件的结构紧凑，能够起到缩短磁悬浮轴承组件的轴向长度又能提升该磁悬浮组件的稳定性和可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第一实施例的剖视结构示意图；

图2示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第二实施例的剖视结构示意图；

图3示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第三实施例的剖视结构示意图；

图4示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第四实施例的剖视结构示意图；

图5示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的实施例的爆炸结构示意图；

图6示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转子组件的实施例的爆炸结构示意图；

图7示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第一状态下的受力分析示意图；

图8示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第二状态下的受力分析示意图；

图9示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第三状态下的受力分析示意图；

图10示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第四状态下的受力分析示意图；

图11示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第五状态下的受力分析示意图；

图12示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的实施例的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、壳体；

20、永磁体组件；21、磁钢固定架；22、永磁体；

30、第一定子组件；31、第一辅助定子铁芯组件；311、第一隔磁架；312、第一安装缺口；313、第一辅助定子铁芯；314、第一隔磁板；

32、第一E型定子组件；321、第一E型定子本体；322、第一定子齿；323、第一绕组；

40、第二定子组件；41、第二辅助定子铁芯组件；411、第二隔磁架；412、第二安装缺口；413、第二辅助定子铁芯；414、第二隔磁板；

42、第二E型定子组件；421、第二E型定子本体；422、第二定子齿；423、第二绕组；

50、转子组件；51、转轴；52、辅助转子；53、第一锥形转子；54、第二锥形转子；

60、第一固定板；

70、第二固定板；

80、精密螺帽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图12所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种磁悬浮轴承组件。

具体地，该磁悬浮轴承组件包括第一定子组件30。第一定子组件30包括第一E型定子组件32。第一E型定子组件32为多个，多个第一E型定子组件32围设成环形结构第一E型定子组件32包括第一E型定子本体321和第一绕组323，第一E型定子本体321的内圆上设置有多个第一定子齿322。第一绕组323为多个，多个第一绕组323一一对应地设置于多个第一定子齿322上，多个第一绕组323中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，第一主绕组与其余第一辅助绕组独立地控制。

在本实施例中，分别在各第一定子齿上设置第一绕组，同时将其中一部分的第一绕组设置成第一主绕组结构，其余的第一绕组为第一辅助绕组结构，使得在磁悬浮轴承组件作业过程中出现第一主绕组失效时，第一辅助绕组结构会自动进行启动作业模式，以达到通过第一辅助绕组起到辅助稳定的作用以继续维持转轴的平衡状态，有效地提高了该磁悬浮轴承组件的可靠性。同时采用该结构的磁悬浮轴承组件的结构紧凑，能够起到缩短磁悬浮轴承组件的轴向长度又能提升该磁悬浮组件的稳定性和可靠性。

该磁悬浮轴承组件包括壳体10、永磁体组件20、第一定子组件30、第二定子组件40和转子组件50。永磁体组件20设置于壳体10内；第一定子组件30设置于壳体10并位于永磁体组件20的第一侧；第二定子组件40设置于壳体10内并位于永磁体组件20的第二侧，第二定子组件40与第一定子组件30相对地设置；转子组件50包括转轴51，转轴51依次穿设于第一定子组件30、永磁体组件20和第二定子组件40内；其中，第一定子组件30和第二定子组件40用于产生独立的控制磁场，永磁体组件20产生偏置磁场，控制磁场通过调节偏置磁场以控制转轴51沿Y轴做平移运动或者绕Y轴转动，或者控制转轴51绕X轴转动或者沿X轴做平移运动，或者控制转轴51沿Z轴做平移运动，X轴、Y轴沿转轴51的径向方向，Z轴为转轴51的轴线方向。

在本实施例中，通过在壳体内设置永磁体组件，在永磁体组件的两侧分别设置第一定子组件30和第一定子组件30，且将第一定子组件30和第一定子组件30设置成产生独立控制磁场的设置方式，这样设置能够避免第一定子组件30和第一定子组件30在作业时发生耦合造成磁悬浮轴承组件的稳定性低的问题。由于是在永磁体组件的两侧分别设置第一定子组件30和第一定子组件30，能够有效地缩短了磁悬浮轴承组件的轴向长度。采用该结构的磁悬浮轴承组件的结构紧凑、结构简单、稳定性好。

其中，第一定子组件30包括第一辅助定子铁芯组件31和第一E型定子组件32。第一辅助定子铁芯组件31设置于壳体10内并位于永磁体组件20的第一侧。这样设置能够使径向水平、竖直自由度控制系统分离，从而使得径向水平与竖直方向自由度控制磁路相互独立设置，简化径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承径向控制的稳定性和可靠性。

如图1至图5所示，第一辅助定子铁芯组件31包括第一隔磁架311、第一辅助定子铁芯313。第一隔磁架311为环形结构，第一隔磁架311的外边缘处设置有多个第一安装缺口312。第一辅助定子铁芯313为多个，各第一安装缺口312内设置有一个第一辅助定子铁芯313，多个第一辅助定子铁芯313与多个第一E型定子组件32一一对应地设置。这样设置能够提高第一辅助定子铁芯313的安装稳定性。

如图3和图5所示，第一隔磁架311的朝向第一E型定子组件32一侧的表面上设置有多个第一隔磁板314，相邻的第一隔磁板314之间形成用于安装第一E型定子组件32的安装空间。这样设置能够避免相邻的第一E型定子组件32之间的发生漏磁，造成磁路混乱的情况，这样设置能够保证相邻的第一E型定子组件32之间能够形成独立的控制磁路。

具体地，第一E型定子组件32包括第一E型定子本体321。第一E型定子本体321的内圆上设置有多个第一定子齿322，多个第一定子齿322中的至少一个第一定子齿322的径向方向的宽度与其余的第一定子齿322的宽度不同地设置。这样设置能够根据不同第一定子齿322的宽度确定各第一定子齿322上绕设绕组的匝数以及通入电流的大小。进一步地提高该磁悬浮轴承组件的实用性。

进一步地，第一E型定子组件32包括第一绕组323。第一绕组323为多个，多个第一绕组323分别设置于多个第一定子齿322上，以使各第一定子齿322均设置有一个第一绕组323，多个第一绕组323中至少一个与其余的第一绕组323独立地控制。这样设置能够使得各第一绕组323能够产生独立的控制磁场，有效地避免了第一绕组323之间产生耦合的情况。

其中，多个第一绕组323中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代第一主绕组，第一主绕组与其余第一辅助绕组独立地控制，且所有的第一辅助绕组串联地设置。这样设置能够提高磁悬浮轴承组件的稳定性和可靠性。当然，也可以将所有的第一绕组设置成独立地控制的方式

在本申请的一个实施例中，可以将相邻的第一E型定子本体321的外周面的型线所对应的圆心角的角度设置成不同的方式。

具体地，第二定子组件40包括第二辅助定子铁芯组件41和第二E型定子组件42。第二辅助定子铁芯组件41设置于壳体10内并位于永磁体组件20的第二侧。第二E型定子组件42为多个，多个第二E型定子组件42围设成环形结构并位于第二辅助定子铁芯组件41的远离永磁体组件20的一侧，多个第二E型定子组件42与第二辅助定子铁芯组件41相配合，以在第二定子组件40的径向方向形成多个独立的控制磁路。其中，永磁体组件20的第二侧与上述的永磁体组件20的第一侧相对地设置。

其中，第二辅助定子铁芯组件41包括第二隔磁架411和第二辅助定子铁芯413。第二隔磁架411为环形结构，第二隔磁架411的外边缘处设置有多个第二安装缺口412。第二辅助定子铁芯413为多个，各第二安装缺口412内设置有一个第二辅助定子铁芯413，多个第二辅助定子铁芯413与多个第二E型定子组件42一一对应地设置。这样设置能够提高第二辅助定子铁芯413的安装可靠性。

具体地，第二E型定子组件42包括第二E型定子本体421、第二绕组423。第二E型定子本体421的内圆上设置有多个第二定子齿422，多个第二定子齿422中的至少一个第二定子齿422的径向方向的宽度与其余的第二定子齿422的宽度不同地设置。第二绕组423为多个，多个第二绕组423分别设置于多个第二定子齿422上，以使各第二定子齿422均设置有一个第二绕组423，多个第二绕组423中至少一个与其余的第二绕组423独立地控制。多个第二绕组423中至少包括一个第二主绕组，其余的为第二辅助绕组，当第二主绕组失效时，第二辅助绕组开始作业以替代第二主绕组，第二主绕组与其余第二辅助绕组独立地控制，且所有的第二辅助绕组串联地设置。这样设置能够使得各绕组能够产生独立的控制磁场，有效地避免了绕组之间产生耦合的情况。采用辅助绕组和主绕组的设置方式，能够使得当主绕组失效时辅助绕组能够起到替换第二主绕组的作用，进一步地提高了该磁悬浮轴承组件的可靠性和稳定性。

在本申请的另一个实施例中，可以将相邻的第二E型定子本体421的外周面的型线所对应的圆心角的角度设置成不同的设置方式。

如图5所示，永磁体组件20包括磁钢固定架21。磁钢固定架21为环形结构，磁钢固定架21设置于壳体10的中部，磁钢固定架21的外边缘处开设有多个磁钢安装部，多个磁钢安装部内均设置有一个永磁体22，磁钢固定架21与第一隔磁架311同轴地设置，多个磁钢安装部内的永磁体22与第一辅助定子铁芯313一一对应地设置，其中，安装部可以是安装槽。这样设置能够提高永磁体22的安装稳定性。

转子组件50包括辅助转子52、第一锥形转子53、第二锥形转子54。辅助转子52设置于壳体10内。第一锥形转子53设置于壳体10并与辅助转子52的第一端相抵接。第二锥形转子54设置于壳体10内并与辅助转子52的第二端相抵接，转轴51依次穿过第一锥形转子53、辅助转子52和第二锥形转子54设置。这样设置能够提高该磁悬浮轴承组件的稳定性。

为了进一步提高该磁悬浮轴承的稳定性，磁悬浮轴承组件还包括第一固定板60和第二固定板70。第一固定板60与壳体10的第一端的端部相连接。第二固定板70与壳体10的第二端的端部相连接。

优选地，第一定子齿322为三个，设置于中间的第一定子齿322上的第一绕组323为第一主绕组，其余两个第一定子齿322上的第一绕组323为第一辅助绕组，或者，设置于中间的第一定子齿322上的第一绕组323为第一辅助绕组，其余两个第一定子齿322上的第一绕组323为第一主绕组。当然，也可以将设置于中间的第一定子齿322上的第一绕组323设置为第一辅助绕组，将其余两个第一定子齿322上的第一绕组323设置为第一主绕组的方式。

在本申请的另一个实施例中，第二定子组件40包括第二E型定子组件42。第二E型定子组件42的第二E型定子本体421具有三个第二定子齿422。三个第二定子齿422沿第二E型定子本体421的内周面间隔地设置。位于中间的第二定子齿422的宽度大于其余两个的第二定子齿422的宽度。第一定子齿322为三个，三个第一定子齿322沿第一E型定子本体321的内周面间隔地设置，位于中间的第一定子齿322的宽度大于其余两个的第一定子齿322的宽度。这样设置可以将中间的定子齿上的绕组设置成主绕组，进一步地提高了该磁悬浮轴承组件的稳定性。在本实施例中，第二定子组件40包括第二E型定子组件42，第二E型定子组件42的个数为四个、六个或八个，第一E型定子本体321的个数为四个、六个或八个。

在本申请的又一个实施例中，提供了一种磁悬浮轴承组件。该磁悬浮轴承组件包括第一定子组件30。第一定子组件30包括第一辅助定子铁芯组件31、第一E型定子组件32。第一E型定子组件32为多个，多个第一E型定子组件32围设成环形结构并位于第一辅助定子铁芯组件31的一侧，多个第一E型定子组件32与第一辅助定子铁芯组件31相配合，以在第一定子组件30的径向方向形成多个独立的控制磁路。

在本实施例中，通过设置多个第一E型定子组件32与第一辅助定子铁芯组件31相配合，并使第一定子组件30的径向方向形成多个独立的控制磁路。这样设置能够避免多个第一E型定子组件32之间发生耦合造成磁悬浮组件的可靠性低的问题。同时采用该结构的磁悬浮轴承组件的结构紧凑，能够起到缩短磁悬浮轴承组件的轴向长度又能提升该磁悬浮组件的稳定性和可靠性。

具体地，在本实施例中，第一辅助定子铁芯组件31包括第一隔磁架311、第一辅助定子铁芯313。第一隔磁架311为环形结构，第一隔磁架311的外边缘处设置有多个第一安装缺口312。第一辅助定子铁芯313为多个，各第一安装缺口312内设置有一个第一辅助定子铁芯313，多个第一辅助定子铁芯313与多个第一E型定子组件32一一对应地设置。第一隔磁架311的朝向第一E型定子组件32一侧的表面上设置有多个第一隔磁板314，相邻的第一隔磁板314之间形成用于安装第一E型定子组件32的安装空间。这样设置能够提高第一辅助定子铁芯组件31的稳定性和可靠性性。

进一步地，第一E型定子组件32包括第一E型定子本体321和第一绕组323。第一E型定子本体321的内圆上设置有多个第一定子齿322，多个第一定子齿322中的至少一个第一定子齿322的径向方向的宽度与其余的第一定子齿322的宽度不同地设置。第一绕组323为多个，多个第一绕组323分别设置于多个第一定子齿322上，以使各第一定子齿322均设置有一个第一绕组323，多个第一绕组323独立地控制。这样设置能够单独地实现对每一个绕组进行控制，例如当其中某一个绕组失效时，可以控制其他绕组接入的电流增加以保证转轴始终处于稳定状态转动。优选地，多个第一绕组323中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当第一主绕组失效时，第一辅助绕组开始作业以替代主绕组。

其中，第一隔磁架311上的形成第一安装缺口312的侧壁上开设有凹槽，凹槽沿第一隔磁架311的径向方向延伸设置，第一辅助定子铁芯313的侧边上设置有与凹槽相配合的限位凸起。这样设置能够提高第一辅助定子铁芯313的安装稳定性。

位于相邻的第一安装缺口312之间的第一隔磁架311上设置有一个第一隔磁板314。这样设置能够使得位于第一隔磁板314之间的第一E型定子本体321能够与绕组配合形成独立的控制磁场，进一步地提高磁悬浮组件的稳定性。

进一步地，磁悬浮轴承组件还包括壳体10。壳体10内的中部设置有永磁体组件20，第一辅助定子铁芯组件31设置于壳体10内并位于永磁体组件20的第一侧。第二定子组件40设置于壳体10内并位于永磁体组件20的第二侧，第二定子组件40与第一定子组件30相对地设置。转子组件50包括转轴51、辅助转子52、第一锥形转子53和第二锥形转子54，转轴51依次穿设于第一锥形转子53、辅助转子52和第二锥形转子54内设置，辅助转子52与永磁体组件20、第一定子组件30、第二定子组件40相配合地设置，第一锥形转子53与部分的第一定子组件30相配合地设置，第二锥形转子54与部分的第二定子组件40相配合地设置。其中，第一定子组件30和第二定子组件40用于产生独立的控制磁场，通过永磁体组件20、第一定子组件30和第二定子组件40产生的控制磁场，控制转轴51沿Y轴做平移运动或者绕Y轴转动，或者控制转轴51绕X轴转动或者沿X轴做平移运动，X轴、Y轴沿转轴51的径向方向，Z轴为转轴51的轴线方向。这样设置能够使得该磁悬浮组件能够实现转轴五自由度控制，进一步地提高了该磁悬浮组件的稳定性和可靠性。

上述实施例中的磁悬浮轴承组件还可以用于电机设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括磁悬浮轴承组件，所述磁悬浮轴承组件为上述所述实施例中的磁悬浮轴承组件。

具体地，为了解决现有技术五自由度悬浮系统中，两径向轴承与轴向轴承并列排布设置，导致五自由度悬浮系统的轴向空间增大，转子轴向长度伸长，挠性增大、径向永磁偏置轴承的径向水平与径向竖直的控制磁场相互耦合异常、磁悬浮系统的控制逻辑复杂、磁悬浮轴承控制系统的稳定性与可靠性差的问题，本申请提出了一种新的磁路解耦五自由度磁悬浮轴承组件。如图12所示，转轴51实现五自由度悬浮即实现转轴围绕Y轴的转动，沿Y轴(径向竖直方向)的平动，围绕X轴的转动，沿X轴(径向水平方向)的平动，沿Z轴(轴向方向)平动的五自由度方向控制。

如图2所示，转轴51、第一锥形转子53、第二锥形转子54、第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413、永磁体22、第二定子齿422、第二锥形转子54、辅助转子52、第一隔磁板314、第二隔磁板414、第一绕组323，组成五自由度悬浮系统，实现转轴五自由度方向控制。永磁体22产生偏置磁场，通过第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413、第一定子齿322、第二定子齿422、辅助转子52、第一锥形转子53、第二锥形转子54构成闭合回路，形成前、后径向-轴向偏置磁场C1，在第一定子齿322与第一锥形转子53之间、在第二定子齿422与第二锥形转子54之间的主气隙中形成偏置磁通，径向-轴向控制绕组产生控制磁场，通过主磁极、定子、侧端辅助两磁极、转子构成闭合回路，形成水平径向-轴向控制磁场C2，同理垂直径向-轴向控制磁场C3形成方式相同，径向-轴向控制主绕组为主要控制绕组，当转轴不同自由度偏移时，首要利用主绕组进行控制，当主绕组出现故障时，启动主绕组两侧辅助磁极上的径向-轴向副绕组，实现对转轴不同自由度的控制，水平径向-轴向控制磁场C2与垂直径向-轴向控制磁场C3相互独立地设置，互不耦合，实现转轴径向水平与垂直独立调控，从而简化磁悬浮系统的控制逻辑，提高系统的稳定性与可靠性。前、后径向轴承定子采用一体化结构，轴向-径向自由度控制均利用锥形磁极出力，减少轴向轴承额外占有空间，从而缩小磁悬浮系统的轴向利用空间，减短转轴长度，挠性减少，减少控制元器件，磁悬浮系统材料成本低。

如图1、图7至图12所示，其中图示中左侧定义为磁悬浮轴承组件的前端，右侧为磁悬浮轴承组件的后端，F1、F2、F3、F4为前端径向水平-轴向定子、后端径向水平-轴向定子的磁极对转轴的出力模型，f1、f2、f3、f4为前端径向竖直-轴向定子、后端径向竖直-轴向定子的磁极对转轴的出力模型。如图7、图8所示，为转轴处于平衡位置时，转轴的受力模型，此时F1＝F2＝F3＝F4＝f1＝f2＝f3＝f4，转轴所受合力为零。其中，当转轴承受径向水平方向冲击时，转轴向下偏移，如图3所示，转轴向下移动，前、后径向-轴向转子(第一锥形转子53、第二锥形转子54)与前、后径向-轴向定子(第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413)上端间隙增大，前、后间隙-轴向偏置磁场C1在上端气隙处的偏置磁通减小，下端间隙减小，偏置磁通增大，当磁极面积一定时，磁场吸力大小与磁通的平方成正比，向下吸力大于向上吸力，无外界干扰，转轴将持续向下偏移，不能回到平衡位置。前、后径向水平-轴向控制主绕组通入相同控制电流，产生控制磁场，调节前、后间隙处的磁通大小，使转轴受力模型如图9所示，径向水平受力为F1＝F3>F2＝F4，径向竖直受力为f1＝f2＝f3＝f4，转轴将沿径向水平方向向上移动，直至恢复到平衡位置，控制绕组停止通入控制电流，平衡位置处，转轴受力恢复图7、8所示，同理当转轴径向竖直方向发生冲击时，转轴控制原理如径向水平控制原理相同。当转轴承受冲击，产生围绕Y轴(径向水平)逆时针方向旋转时，第一锥形转子53、与第一辅助定子铁芯313上端间隙增大，偏置磁通减小，下端间隙减小，偏置磁通增大，下端吸力大于上端吸力，转轴左端向下移动，同理转轴右端产生向上吸力大于向下吸力，转轴右端向上移动，无外界干扰，转轴将持续逆时针旋转。前、后径向水平-轴向控制主绕组通入相反控制电流，产生控制磁场，调节前、后间隙处的磁通大小，使转轴受力模型如图10所示，径向水平受力F1＝F4>F2＝F3，径向竖直受力f1＝f2＝f3＝f4，转轴将围绕Y轴顺时针旋转，直至恢复平衡位置，停止控制绕组通电，同理当转轴发生围绕X轴旋转冲击时，控制原理相同。当转轴发生轴向位移向左冲击时，转轴左端转轴与定子间隙增大，磁通减小，右端转轴与定子间隙减小，磁通增大，右端总吸力大于左端总吸力，转轴将持续向左移动，无法恢复。第一辅助定子铁芯313四个磁极上的主绕组通入大小相等，方向不同的控制电流，增大定子对转轴的吸力(F1、F2、f1、f2增大)，第二辅助定子铁芯413四个磁极上的主绕组通入大小相等，方向不同的控制电流，减小定子对转子的吸力(F3、F4、f3、f4减小)，如图11所示，(F1＝F2＝f1＝f2>F3＝F4＝f3＝f4)，转轴将向右端移动直至恢复平衡，停止控制绕组通电，实现转轴轴向自由度的控制。

采用本申请的磁悬浮轴承组件，解决了现有技术中双径向轴承-轴向轴承并列排布，导至磁悬浮系统轴向跨距大，转轴长度长，挠性大，控制元器件多，磁悬浮系统材料成本高的问题，还解决了现有技术中磁悬浮组件的径向水平、竖直自由度控制磁路耦合、控制逻辑复杂、控制绕组单一、控制系统可靠性低的问题。

本申请的磁悬浮轴承组件，采用双径向轴承-轴向轴承一体化结构设置结构，轴向-径向自由度共用锥形磁极出力控制。使得整个磁悬浮系统轴向空间小、转轴长度短、挠性低、轴向-径向共用一套控制元器件，降低元器件使用数量以及降低了磁悬浮系统材料使用成本。

双径向一体化结构，双径向磁极对转轴实现四自由度悬浮，利用磁极边缘效应，实现对转轴的轴向控制，实现转轴五自由度悬浮，降低元器件数量，节约轴向轴承材料成本及占用空间，E极磁极主、副磁极上缠绕主、副控制绕组，使径向-轴向自由度多绕组控制，避免出现单一绕组控制故障时，磁悬浮系统处于无控制状态，从而提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。

其中，轴向-径向自由度共用锥形磁极，锥形磁极出力可控制转轴五自由度的悬浮控制，实现径向自由度控制与轴向自由度控制共用一套控制元件缩减磁悬浮轴向占用空间，使得转轴长度短、挠性小，降低元器件数量，节约材料成本。

如图3和图4所示，双径向一体化结构，双径向磁极对转轴实现四自由度悬浮，利用磁极边缘效应，实现对转轴的轴向控制，实现转轴五自由度悬浮，降低元器件数量，节约轴向轴承材料成本及占用空间。

E型磁极结构使径向水平、竖直自由度控制系统分离，控制磁场互不耦合，相互独立，简化径向自由度的控制逻辑，提高磁悬浮系统的稳定性。

E极磁极的主、副磁极缠绕主、副控制绕组，使径向-轴向自由度多绕组控制，主磁极与副磁极相互独立，某一主控制绕组出现故障时，两侧的副控制绕组通入相应控制电流，可产生与主控制绕组功能相同的控制磁场，行使相应的控制功能，提高磁悬浮系统的可靠性。

如图1和图5所示，实现转轴五自由度控制的组件由转轴1、辅助转子52、第一锥形转子53、精密螺帽80、第二锥形转子54、第一固定板60、第二固定板70、第一绕组323(包括主绕组和副绕组)、第一E型定子本体321、第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413第一隔磁架311、第二隔磁架411、壳体10、永磁体22、磁钢固定架21、第二绕组423(包括主绕组和副绕组)、第二E型定子本体421组成。永磁体22位扇形结构，通过粘胶方式内嵌于磁钢固定架21上，磁钢固定架21通过热套方式安装于壳体10内，壳体10内存存在凸形台阶对磁钢固定架进行轴向定位，实现永磁体22的固定安装。用于铁芯固定的隔磁架(第一隔磁架、第二隔磁架)通过粘胶工艺对第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413进行固定，侧面四个隔磁板对四个分块径向定子进行隔离及固定。用于铁芯固定的隔磁架通过热套方式安装于定子机壳两侧，第一辅助定子铁芯313、第二辅助定子铁芯413与扇形永磁体对齐装配，第一辅助定子铁芯313和第二辅助定子铁芯413的两端存在微型凸台，与磁钢固定架对接，实现辅助定子铁芯的固定安装。第一绕组中的主绕组和第二绕组中的主绕组通过绑扎和粘胶的方式分别安装于第一E型定子本体和第二E型定子本体的主磁极上，四个主控制绕组相互独立地设置，第一绕组中的副绕组和第二绕组中的副绕组分别绕于第一E型定子本体和第二E型定子本体的副磁极上，每个主磁极两侧的副绕组相互串联地设置，构成分块式定子组件，分块式定子组件通过热套方式安装于壳体内的固定隔磁架上，通过隔磁架的四个凸形隔磁板进行径向定位，通过固定板对分块式定子组件进行轴向定位，上述工艺完成磁悬浮轴承组件定子组件安装固定。辅助转子通过热套方式由转轴左端安装，转轴存在微型凸台对辅助转子进行轴向定位，第一锥形转子53热套在转轴51左端，第一锥形转子53的端面与辅助转子52端面精密贴合，通过精密螺帽80对第一锥形转子53进行轴向固定安装构成转子组件，转子组件由定子组件左端入轴，第二锥形转子54从转轴51右端热套安装，第二锥形转子54的左端面与辅助转子52的右端面精密贴合，通过精密螺帽80完成第二锥形转子54的固定安装，从而完成整个五自由度磁悬浮系统的安装实施。

由第一E型定子本体321、第二E型定子本体421与第一锥形转子53、第二锥形转子54之间产生如图7至图11中F1、F2、F3、F4、f1、f2、f3、f4磁力，可分别调控转轴径向四自由度的悬浮与轴向自由度的悬浮控制。永磁体22产生偏置磁场，通过永磁体22的左、右侧的辅助定子铁芯、第一锥形转子53、第二锥形转子54、第一E型定子本体321、第二E型定子本体421、辅助转子52形成闭合回路，构成同极性偏置磁场，在E极锥形定子与锥形转子之间形成偏置磁通。主绕组通入控制电流，形成控制磁场通过主磁极、辅助磁极及锥形转子(第一锥形转子53、第二锥形转子54)形成闭合回路，构成异极性控制磁场，通过调节定子与转子间的偏置磁通，实现对转轴五自由度的悬浮控制。锥形磁极实现径向-轴向一体化结构，缩减磁悬浮系统轴向利用空间，减少控制元件数量，降低材料成本。采用E极磁极结构，实现径向水平与竖直方向自由度独立控制，磁路解耦，简化控制逻辑，提高系统的稳定性。E极磁极的副磁极上存在两个副控制绕组，当主控制绕组失效，副控制绕组可实现与主控制绕组相同的控制功能,构成多绕组控制系统，提高磁悬浮系统的可靠性。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

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 (12)

1.一种磁悬浮轴承组件，其特征在于，包括第一定子组件(30)，所述第一定子组件(30)包括：

第一E型定子组件(32)，所述第一E型定子组件(32)为多个，多个所述第一E型定子组件(32)围设成环形结构，所述第一E型定子组件(32)包括第一E型定子本体(321)和第一绕组(323)，所述第一E型定子本体(321)的内圆上设置有多个第一定子齿(322)，所述第一绕组(323)为多个，多个所述第一绕组(323)一一对应地设置于多个所述第一定子齿(322)上，多个所述第一绕组(323)中至少包括一个第一主绕组，其余的为第一辅助绕组，当所述第一主绕组失效时，所述第一辅助绕组开始作业以替代所述第一主绕组，当所述第一主绕组失效时，所述第一辅助绕组开始作业以替代所述第一主绕组，所述第一主绕组与其余所述第一辅助绕组独立地控制。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一定子组件(30)包括第一辅助定子铁芯组件(31)，多个所述第一E型定子组件(32)位于所述第一辅助定子铁芯组件(31)的一侧，所述第一辅助定子铁芯组件(31)包括：

第一隔磁架(311)，所述第一隔磁架(311)为环形结构，所述第一隔磁架(311)的外边缘处设置有多个第一安装缺口(312)；

第一辅助定子铁芯(313)，所述第一辅助定子铁芯(313)为多个，各所述第一安装缺口(312)内设置有一个所述第一辅助定子铁芯(313)，多个所述第一辅助定子铁芯(313)与多个所述第一E型定子组件(32)一一对应地设置。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一隔磁架(311)的朝向所述第一E型定子组件(32)一侧的表面上设置有多个第一隔磁板(314)，相邻的所述第一隔磁板(314)之间形成用于安装所述第一E型定子组件(32)的安装空间。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，

多个所述第一定子齿(322)中的至少一个所述第一定子齿(322)的径向方向的宽度与其余的所述第一定子齿(322)的宽度不同地设置。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一定子齿(322)为三个，三个所述第一定子齿(322)沿所述第一E型定子本体(321)的内周面间隔地设置，位于中间的所述第一定子齿(322)的宽度大于其余两个的所述第一定子齿(322)的宽度。

6.根据权利要求4或5所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一定子齿(322)为三个，设置于中间的所述第一定子齿(322)上的所述第一绕组(323)为所述第一主绕组，其余两个所述第一定子齿(322)上的所述第一绕组(323)为第一辅助绕组，或者，设置于中间的所述第一定子齿(322)上的所述第一绕组(323)为所述第一辅助绕组，其余两个所述第一定子齿(322)上的所述第一绕组(323)为第一主绕组。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，多个所述第一绕组(323)独立地控制。

8.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一隔磁架(311)上的形成所述第一安装缺口(312)的侧壁上开设有凹槽，所述凹槽沿所述第一隔磁架(311)的径向方向延伸设置，所述第一辅助定子铁芯(313)的侧边上设置有与所述凹槽相配合的限位凸起。

9.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，位于相邻的所述第一安装缺口(312)之间的所述第一隔磁架(311)上设置有一个所述第一隔磁板(314)。

10.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述磁悬浮轴承组件还包括：

壳体(10)，所述壳体(10)内的中部设置有永磁体组件(20)，所述第一辅助定子铁芯组件(31)设置于所述壳体(10)内并位于所述永磁体组件(20)的第一侧；

第二定子组件(40)，所述第二定子组件(40)设置于所述壳体(10)内并位于所述永磁体组件(20)的第二侧，所述第二定子组件(40)与所述第一定子组件(30)相对地设置；

转子组件(50)，所述转子组件(50)包括转轴(51)、辅助转子(52)、第一锥形转子(53)和第二锥形转子(54)，所述转轴(51)依次穿设于所述第一锥形转子(53)、所述辅助转子(52)和所述第二锥形转子(54)内设置，所述辅助转子(52)与所述永磁体组件(20)、所述第一定子组件(30)、所述第二定子组件(40)相配合地设置，所述第一锥形转子(53)与部分的所述第一定子组件(30)相配合地设置，所述第二锥形转子(54)与部分的所述第二定子组件(40)相配合地设置；

其中，所述第一定子组件(30)和所述第二定子组件(40)用于产生独立的控制磁场，所述永磁体组件(20)产生偏置磁场，所述控制磁场通过调节偏置磁场以控制所述转轴(51)沿Y轴做平移运动或者绕Y轴转动，或者控制所述转轴(51)绕X轴转动或者沿X轴做平移运动，或者控制所述转轴(51)沿Z轴做平移运动，X轴、Y轴沿所述转轴(51)的径向方向，Z轴为所述转轴(51)的轴线方向。

11.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述第一主绕组独立地控制，所述第一辅助绕组串联地设置。

12.一种电机，包括磁悬浮轴承组件，其特征在于，所述磁悬浮轴承组件为权利要求1至11中任一项所述的磁悬浮轴承组件。

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