CN112910317A - 一种磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本申请适用于磁悬浮设备技术领域，提供了一种磁悬浮系统，其包括定子、转子和磁耦合机构，定子包括定子铁芯、定子永磁体和定子绕组机构，定子永磁体和定子绕组机构均设置于定子铁芯，定子绕组机构用于控制转子朝远离或靠近定子的轴线方向移动，转子上设置有导磁材料结构；磁耦合机构包括可与导磁材料结构磁性吸引的磁源，磁耦合机构被配置为可与转子磁耦合，以带动转子绕定子的轴线方向转动。所述磁悬浮系统将驱动转子朝远离或靠近定子的轴线方向移动的磁路与驱动转子绕其定子的轴线方向转动的磁路解耦，从而使得磁悬浮系统的控制难度降低，运转稳定性增强，转矩波动减小。

Description

一种磁悬浮系统

技术领域

本申请涉及磁悬浮设备技术领域，更具体地说，是涉及一种磁悬浮系统。

背景技术

磁悬浮电机为一种定子和转子无接触运行的电机，在磁悬浮电机中，在定子上设置磁性驱动机构，磁性驱动机构一方面用于驱动转子悬浮，另一方面用于驱动转子旋转。但是，该种设计使得驱动电子悬浮的磁路与驱动转子旋转的磁路高度耦合，这增加了控制难度，并导致电机运转稳定性差，转矩波动大。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种磁悬浮系统，旨在解决现有技术中的磁悬浮电机中，磁悬浮轴承的磁路和电机的磁路高度耦合，增加了控制难度，并导致电机运转稳定性差，转矩波动大的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种磁悬浮系统，包括：

定子，所述定子包括定子铁芯、定子永磁体和定子绕组机构，所述定子永磁体和所述定子绕组机构均设置于所述定子铁芯；

转子，所述转子上设置有导磁材料结构，所述定子绕组机构用于控制所述转子朝远离或靠近所述定子的轴线方向移动；

磁耦合机构，所述磁耦合机构包括可与所述导磁材料结构磁性吸引的磁源，所述磁耦合机构被配置为可与所述转子磁耦合，以带动所述转子绕所述定子的轴线方向转动。

进一步地，所述磁源的数量为多个，多个所述磁源在垂直于所述定子的轴线方向的平面上沿圆形轨迹间隔分布；

每一所述磁源的极性相同，或者，相邻的两个所述磁源的极性相反。

进一步地，所述定子上还设置有副绕组，所述副绕组产生的磁场方向与所述定子永磁体产生的磁场方向相同或相反。

进一步地，所述磁悬浮系统还包括连接架，所述导磁材料结构通过所述连接架设置于所述转子上，且所述连接架位于所述磁耦合机构与所述转子之间。

进一步地，所述磁悬浮系统还包括第一位置传感器，所述第一位置传感器用于检测所述转子在垂直于所述定子的轴线方向的平面上的位置，所述第一位置传感器包括定子部和转子部，所述定子部连接于所述定子，所述转子部连接于所述转子，所述定子部与所述转子部同轴设置。

进一步地，所述转子部至少有部分结构由导磁材料制成，或，所述磁耦合机构设置有转子永磁体。

进一步地，所述定子铁芯具有弧形的定子轭，以及向靠近所述转子的方向延伸的定子齿，所述定子绕组机构设置于所述定子轭和/或所述定子齿；

所述磁悬浮系统还包括第二位置传感器，所述第二位置传感器安装于所述定子齿或相邻的两个所述定子齿之间。

进一步地，所述定子绕组机构的数量至少为两个，所述定子绕组机构包括第一定子绕组和第二定子绕组，所述第一定子绕组与所述第二定子绕组相对所述定子的轴线对称设置。

进一步地，所述磁悬浮系统还包括绕组驱动机构，所述绕组驱动机构包括全桥电路；在所述定子绕组机构中，所述第一定子绕组和所述第二定子绕组分别连接于对应的所述全桥电路，且所述第一定子绕组的同名端与所述第二定子绕组的同名端连接。

进一步地，在所述定子绕组机构中，所述第一定子绕组的数量为多个，多个所述第一定子绕组串联连接；

和/或，所述第二定子绕组的数量为多个，多个所述第二定子绕组串联连接。

本申请提供的磁悬浮系统的有益效果在于：与现有技术相比，本申请的磁悬浮系统，能够应用于磁悬浮电机，通过定子上的定子绕组机构调节转子朝远离或靠近定子的轴线方向移动，即能够调节转子在垂直于定子的轴线方向的平面上的位置，通过定子上的定子永磁体与磁耦合机构控制转子在定子的轴线方向上的位置，以使得转子达到悬浮状态；并通过磁耦合机构带动转子绕定子的轴线方向转动。如此设置，使得控制转子位置与悬浮状态的磁路与控制转子转动的磁路解耦，从而使得应用有本申请提供的磁悬浮系统的磁悬浮电机对于磁路的控制难度降低，运转稳定性增强，转矩波动减小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的磁悬浮系统的一种结构示意图；

图2是本申请实施例提供的磁悬浮系统的零件爆炸示意图；

图3是本申请实施例提供的磁悬浮系统中定子与转子相对位置示意图

图4是本申请实施例提供的磁悬浮系统中定子永磁体的一种安装位置示意图；

图5是本申请实施例提供的磁悬浮系统中定子永磁体的另一种安装位置示意图；

图6是图3中磁悬浮系统的剖视图；

图7是本申请实施例提供的磁悬浮系统中第一位置传感器的定子部的一种安装位置示意图；

图8是本申请实施例提供的磁悬浮系统中第一位置传感器的定子部的另一种安装位置示意图；

图9是本申请实施例提供的磁悬浮系统中定子绕组机构的电路控制图；

图10为本申请实施例提供的磁悬浮系统中定子绕组机构的另一种设置方式示意图；

图11为本申请实施例提供的磁悬浮系统的磁源的一种设置方式示意图；

图12为本申请实施例提供的磁悬浮系统的磁源的另一种设置方式示意图；

图13为本申请实施例中设置有另一种转子结构的磁悬浮系统的剖视图一；

图14为本申请实施例中设置有另一种转子结构的磁悬浮系统的剖视图二；

图15为本申请实施例提供的磁悬浮系统的另一种结构示意图；

图16为本申请实施例提供的磁悬浮系统的又一种结构示意图；

图17为图16的剖视图；

图18为申请实施例提供的磁悬浮系统的副绕组设置方式示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-定子；2-转子；3-磁耦合机构；4-第一位置传感器；5-第二位置传感器；6-气隙；

11-定子铁芯；12-定子永磁体；13-第一定子绕组；14-第二定子绕组；15-定子支柱；16-副绕组；

21-导磁材料结构；22-连接架；

31-磁源；32-托板；33-中心轴；

41-定子部；42-转子部；

71-第一电力电子开关管；72-第二电力电子开关管；73-第三电力电子开关管；74-第四电力电子开关管；75-第五电力电子开关管；76-第六电力电子开关管；77-第七电力电子开关管；78-第八电力电子开关管；

81-电流控制器；82-电流传感器；83-母线；84-地线；

111-定子轭；112-定子齿；131-甲第一定子绕组；132-乙第一定子绕组；141-甲第二定子绕组；142-乙第二定子绕组；221-连接柱；222-安装盘。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

如图1和图2所示，本申请的一个实施例提供了磁悬浮系统，包括：定子1、转子2和磁耦合机构3，其中，定子1包括定子铁芯11、定子永磁体12和定子绕组机构，定子永磁体12和定子绕组机构均设置于定子铁芯11。

转子2与定子1之间具有气隙6。在一种具体实施方式中，定子1为呈环状的结构，转子2位于定子1的内环区域；在另一种具体实施方式中，转子2为呈环状的结构，定子1位于转子2的内环区域。磁耦合机构3与转子2的轴向端面之间具有一定间隙。转子2设置有导磁材料结构21，磁耦合机构3包括磁源31，磁源31产生的磁场能够磁性吸引导磁材料结构21，以使得磁耦合机构3能够与转子2磁耦合，并带动转子2绕定子1的轴线方向转动。

定子绕组机构用于控制转子2在垂直于定子1的轴线方向的平面上的位置，以使得转子2与定子1同轴。

如图1和图3所示，沿定子的轴线所在直线为Z轴，并在垂直于Z轴的一个平面上设置相互垂直的X轴和Y轴，从而形成空间坐标系；X轴与Y轴所在平面称为X-Y平面。并以转子2所在位置为基准，将图1中磁耦合机构3相对于转子2所在方向称为Z轴负方向，将其反向称为Z轴正方向。定子绕组机构用于控制转子2在X-Y平面的位置，而磁耦合机构3用于控制转子2绕Z轴转动。由于在定子1上设置有定子永磁体12，定子永磁体12使得转子2受到倾斜向上的力，该力在Z轴上具有朝向Z轴正方向的分力，而磁耦合机构3上的磁源31对于转子2施加Z轴上朝向Z轴负方向的吸引力，该吸引力与永磁体施加于转子2上向Z轴正方向的分力相抵消，从而使得转子2能够在Z轴上悬停于设定位置。

在本实施例的一种具体实施方式，定子铁芯11具有定子轭111和定子齿112，定子轭111为弧形结构，定子齿112与定子轭111连接，或定子齿112与定子轭111为一体结构，定子齿112由定子轭111向靠近转子2的方向延伸。具体地，当转子2设置于定子1的内部时，定子齿112由定子轭111向靠近定子1的轴线的方向延伸；当转子2设置于定子1的外部时，定子齿112由定子轭111向远离定子1的轴线的方向延伸。

相邻的两个定子铁芯11之间设置有定子永磁体12，优选地，定子铁芯11的数量为偶数，则定子永磁体12的数量为偶数。优选地，如图3和图5所示，定子永磁体12两两相对设置，相邻的两个定子永磁体12的极性(S极或N极)相向布置。

如图1-图3所示，定子铁芯11夹持于两个相邻的定子永磁体12之间。

或者，如图4所示，在另一种具体实施方式中，定子永磁体12也可设置于定子齿112。在该种设置方式中，相对的定子永磁体12的极性相向布置。

在本实施例提供的磁悬浮系统中，定子绕组机构的数量至少为两个，定子绕组机构包括第一定子绕组13和第二定子绕组14，第一定子绕组13与第二定子绕组14相对定子1的轴线对称设置。第一定子绕组13的数量与第二定子绕组14的数量相同。第一定子绕组13可以套设于定子轭111，也可以套设于定子齿112；对应地，第二定子绕组14可以套设于定子轭111，也可以套设于定子齿112。

举例来说，在图1-图3所示磁悬浮系统中，定子绕组机构的数量为两个，在图3所示方向中，其中一个定子绕组机构中的第一定子绕组13和第二定子绕组14沿X轴间隔设置，另一个定子绕组机构中的第一定子绕组13和第二定子绕组14沿Y轴间隔设置。则可通过沿X轴设置的第一定子绕组13和第二定子绕组14对于转子2沿X轴方向上的位置进行调控，通过沿Y轴设置的第一定子绕组13和第二定子绕组14对于转子2沿Y轴方向上的位置进行调控。

若将同一个定子绕组机构中的第一定子绕组13与第二定子绕组14的连线称为连接线，则当定子1中定子绕组机构的数量为多个时，多个连接线的交叉点位于定子1的轴线上。优选地，相邻的连接线之间的夹角的角度相同。

在一个定子绕组机构中，第一定子绕组13的数量可以为一个或者多个，第二定子绕组14的数量可以为一个或者多个，第一定子绕组13的数量与第二定子绕组14的数量相同，且各第一定子绕组13与各第二定子绕组14一一对应设置。举例来说，在图10中，设置有两个定子绕组机构，其中，在图10所示方向上，位于上方的定子铁芯11上的第一定子绕组13与位于下方的定子铁芯11上的第二定子绕组14属于同一个定子绕组机构，剩余的第一定子绕组13与第二定子绕组14属于另一个定子绕组机构。每个定子绕组机构均包括三个第一定子绕组13与三个第二定子绕组14。

以下，以定子绕组机构的数量为两个，且每个定子绕组机构中均包括一个第一定子绕组13和一个第二定子绕组14为例对于转子2在X-Y平面内的位置的调整过程进行描述。为便于描述，将其中一个定子绕组机构称为甲定子绕组机构，另一个称为乙定子绕组机构。如图3所示，甲定子绕组机构包括的第一定子绕组13称为甲第一定子绕组131，第二定子绕组14称为甲第二定子绕组141；乙定子绕组机构包括的第一定子绕组13称为乙第一定子绕组132，第二定子绕组14称为乙第二定子绕组142。甲第一定子绕组131位于X轴的负方向，甲第二定子绕组141位于X轴的正方向，乙第一定子绕组132位于Y轴的正方向，乙第二定子绕组142位于Y轴的负方向。定子1包括四个定子铁芯11，以及四个定子永磁体12，每两个相邻的定子铁芯11之间均设置有一个定子永磁体12，且每相邻的两个定子永磁体12的极性相向放置。在图2中，左上方的定子永磁体12的S极与左下方的定子永磁体12的S极相对，左上方的定子永磁体12的N极与右上方的定子永磁体12的N极相对；右下方的定子永磁体12的N极与左下方的定子永磁体12的N极相对，右下方的定子永磁体12的S极与右上方的定子永磁体12的S极相对。定子铁芯11和转子2中的磁场磁路如图3所示。若转子2的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向和Y轴负方向这四个方向与相应的定子铁芯11质检的气隙6磁密均相同，则转子受力平衡，静止于X-Y平面内的设定位置。

若使得甲第一定子绕组131中通以一正向电流(通电的甲第一定子绕组131产生的磁场与定子永磁体12产生的磁路磁场相同)，则甲第一定子绕组131附近的气隙6磁密会被加强。同时若在甲第二定子绕组141中通以一反向电流(通电的甲第二定子绕组141产生的磁场与定子永磁体12的磁场相反)，则甲第二定子绕组141附近的气隙6磁密会被削弱。这就导致转子2在甲第一定子绕组131附近的气隙6磁密与甲第二定子绕组141附近的气隙6磁密不同，会使得转子2受到气隙6磁密较强的一侧磁力吸引，即转子2所受到的合力指向气隙6的磁密较强的一侧(X轴反方向)，从而使转子2向气隙6的磁密较强的一侧运动，也即使得转子2具有向X轴反方向移动的趋势。

同理，若甲第一定子绕组131中通以一反向电流，同时在甲第二定子绕组141中通以一正向电流，则转子受力为朝向X轴正方向，也即使得转子2具有向X轴正方向移动的趋势。

同理，若乙第一定子绕组132中通以一正向电流，同时在乙第二定子绕组142中通以一反向电流，则转子受力为朝向Y轴正方向，也即使得转子2具有向Y轴正方向移动的趋势。

同理，若乙第一定子绕组132中通以一反向电流，同时在乙第二定子绕组142中通以一正向电流，则转子受力为朝向Y轴反方向，也即使得转子2具有向Y轴反方向移动的趋势。

这样，通过控制两个定子绕组机构中第一定子绕组13与第二定子绕组14中电流的方向，就可以实现转子2在X-Y平面内的运动和位置控制。

如图6所示，由于定子1磁路中存在定子永磁体12，因此气隙6中始终有磁场存在，并对转子2产生磁力，而转子2受上述磁力影响，产生如图6中所示的转子受力A、转子受力B。转子受力A和转子受力B分别即包括平行于X-Y平面的分量，又包含沿Z轴正方向的分量，其平行于X-Y平面的分量用于控制转子2在X-Y平面的位置。由于磁耦合机构3对于转子2产生沿Z轴负方向的磁吸引力，因此使得转子2受磁耦合机构3的磁吸引力产生沿Z轴负方向的转子受力C和转子受力D。在一种可行实施方式中，可使得转子受力C和转子受力D的合力的绝对值，等于转子受力A和转子受力B沿Z轴正方向的分量的合力的绝对值，即使得转子2沿Z轴正方向的受力与转子2沿Z轴负方向的受力抵消，从而使得转子2沿Z轴方向被动悬浮。

或者，在一种优选实施方式中，磁悬浮系统包括第一位置传感器4，第一位置传感器4包括定子部41和转子部42，定子部41连接于定子1，转子部42连接于转子2。在转子2沿径向移动的过程中，转子部42随转子2一同移动，也即使得转子部42相对于定子部41发生在X-Y平面的位移，从而通过定子部41与转子部42实现对于转子2在X-Y平面的位置信息的检测。

在一种可行实施方式中，第一位置传感器4包括但不限于磁传感器(例如霍尔传感器)、电场传感器、光电传感器等。优选地，转子部42安装于转子2背离磁耦合机构3的一端，定子部41可安装于转子2与磁耦合机构3之间的区域(如图7所示)，也可安装于转子2背离磁耦合机构3的一侧(如图8所示)。优选地，转子部42与定子部41均与转子2同轴设置。

当第一位置传感器4为磁传感器(例如霍尔传感器)时，转子部42至少有部分结构为导磁材料制成，也就是说，转子部42可以仅有部分结构由导磁材料制成，或者，转子部42可以全部结构均由导磁材料制成。举例来说，转子部42具体可为永磁体，则该永磁体对于磁耦合机构3产生磁吸力，也即转子2具有了另一个沿Z轴负方向的转子受力E。

当转子部42为非导磁材料制成的结构时，可在磁耦合机构3上设置转子永磁体，通过转子永磁体对于转子2施加沿Z轴负方向的磁吸力，以使得转子2具有沿Z轴负方向的转子受力E(转子受力E请参照图6)。

如图6所示，当转子2具有转子受力E时，转子受力E、转子受力C和转子受力D的合力的绝对值，等于转子受力A和转子受力B沿Z轴正方向的分量的合力的绝对值，也即使得转子2被动悬浮。由于上述磁力限制，转子2只存在围绕Z轴的旋转，以及沿X-Y平面的移动的三个自由度。

因此，通过调节定子绕组机构中第一定子绕组13及第二定子绕组14的电流，可以对转子受力A和转子受力B进行调节，进而控制转子2在X-Y平面内的位置，使得转子2悬浮于设定位置。

在磁悬浮系统中，还包括绕组驱动机构，绕组驱动机构包括全桥电路，全桥电路与定子绕组机构的数量相同，且一个全桥电路用于对应控制一个定子绕组机构。在定子绕组机构中，第一定子绕组13和第二定子绕组14分别连接于对应的全桥电路，且第一定子绕组13的同名端与第二定子绕组14的同名端连接。

值得说明的是，当第一定子绕组13的数量为多个时，多个第一定子绕组13串联后与全桥电路连接。当第二定子绕组14的数量为多个时，多个第二定子绕组14串联后与全桥电路连接。

进一步地，全桥单路与电流控制器81连接，电流控制器81与第一位置传感器4连接，电流控制器81还与电流传感器82连接，电流传感器82连接于定子绕组机构中的第一定子绕组13和第二定子绕组14的连接线处。

以下，以定子绕组机构的数量为两个为例，对于图3中结构的定子绕组机构的电流控制进行解释说明：

如图9所示，两个定子绕组机构对应设置有两个全桥电路，其中，甲定子绕组机构连接的全桥电路包括四个电力电子开关管，分别为第一电力电子开关管71、第二电力电子开关管72、第三电力电子开关管73和第四电力电子开关管74，四个电力电子开关管分别与母线83、地线84、电流控制器81连接。第一电力电子开关管71与第二电力电子开关管72串联，并与甲第一定子绕组131连接。第三电力电子开关管73与第四电力电子开关管74串联，并与甲第二定子绕组141连接。乙定子绕组机构连接的全桥电路包括四个电力电子开关管，分别为第五电力电子开关管75、第六电力电子开关管76、第七电力电子开关管77和第八电力电子开关管78，四个电力电子开关管分别与母线83、地线84、电流控制器81连接。第五电力电子开关管75与第六电力电子开关管76串联，并与乙第一定子绕组132连接。第七电力电子开关管77与第八电力电子开关管78串联，并与乙第二定子绕组142连接。

甲第一定子绕组131的同名端与甲第二定子绕组141的同名端相连，即二者反向相连，组成一对绕组。同样地，乙第一定子绕组132的同名端与乙第二定子绕组142的同名端相连，即二者反向相连，组成一对绕组。与甲定子绕组机构连接的全桥电路用于控制转子2在X轴方向的位置，与乙定子绕组机构连接的全桥电路用于控制转子2在Y轴方向的位置。

当第一电力电子开关管71和第四电力电子开关管74导通，且第二电力电子开关管72和第三电力电子开关管73关断时，电流由直流母线83经过第一电力电子开关管流入甲第一定子绕组131，并流经甲第二定子绕组141，经第四电力电子开关管流入地线84，此时转子受力方向为X轴负方向。通过脉宽调制技术(PWM，Pulse width modulation)即可控制第一电力电子开关管71和第四电力电子开关管74的导通时间占空比，从而可以对于甲定子绕组机构两端施加的等效电压进行控制，进而控制对应的甲定子绕组机构中的电流。

同理，若第二电力电子开关管72和第三电力电子开关管73导通，且第一电力电子开关管71和第四电力电子开关管74关断时，则甲定子绕组机构中的电流反向，即电流由甲第二定子绕组141流入甲第一定子绕组131，此时转子受力方向为X轴正方向。

通过第五电力电子开关管75、第六电力电子开关管76、第七电力电子开关管77和第八电力电子开关管78组成的第二全桥电路控制乙定子绕组机构的电流方向的原理与上述描述过程类似，用于对于乙定子绕组机构进行控制，从而使得转子2的受力方向为Y轴正方向或Y轴负方向。

为了实时控制转子2的位置，第一位置传感器4实时采集转子2位置信息并反馈给电流控制器81，电流控制器81可以是模拟电路，也可以是可运行程序的数字芯片电路，例如MCU((Microcontroller Unit，为控制单元)、DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)、FPAG(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)等。电流控制器81根据转子2在X-Y平面的位置信息实时计算两个定子绕组机构的电流命令值，根据电流传感器82所测量的电流值计算出两个全桥电路中各个电力电子开关管的导通和关断时间，从而调控转子2各个方向中气隙6的磁密，实现对转子2在X-Y平面内的位置的闭环控制。

进一步地，磁悬浮系统中还可设置第二位置传感器5，第二位置传感器5与第一位置传感器4安装于不同位置，第二位置传感器5也用于检测转子2在X-Y平面内的位置。举例来说，如图10所示，第二位置传感器5可安装于定子齿112靠近于转子2的区域，或者，第二位置传感器5安装于相邻的两个定子齿112之间的间隙。当然，当第二位置传感器5的数量为多个时，在定子齿112上以及相邻的定子齿112之间均可设置第二位置传感器5。由于第二位置传感器5的设置位置与第一位置传感器4的设置位置不同，因此第二位置传感器5可以接受与第一位置传感器4不同的磁路信息。

当设置有第二位置传感器5时，第二位置传感器5也与电流控制器81连接。

具体实施时，磁耦合机构3可通过磁阻转矩、电磁转矩等方式实现对转子2绕Z轴旋转的控制。

在磁耦合机构3中，磁源31包括但不限于永磁体、线圈等可以产生磁场的材料或结构，磁源31产生的磁场会吸引转子2上的导磁材料结构21，并与转子2产生相互作用力。磁耦合机构3旋转时，转子2也会与其一同旋转，从而可以通过控制磁耦合机构3的旋转速度和位置调节转子2的旋转速度和位置。

当磁源31为线圈时，还可以通过控制线圈中电流的相位和幅值产生交变磁场，各个磁源31产生的磁场的合成磁场为一个旋转的磁场矢量，从而吸引转子2旋转。通过控制合成磁场矢量的旋转速度和位置，可以调节转子2的旋转速度和位置。值得说明的是，该种控制方式无需磁耦合机构3旋转即可驱动转子2转动。

在本实施例中，导磁材料结构21可直接安装在转子2朝向磁耦合机构3的一侧端面(如图11和图12所示)，或者，可通过连接架22将转子2与导磁材料结构21连接(如图13和图14所示)。举例来说，如图13和图14所示，连接架22包括连接柱221和安装盘222，安装盘222套设于连接柱221的端部。在转子2朝向磁耦合机构3的一侧连接有连接柱221，连接柱221朝向磁耦合机构3的一端设置安装盘222，导磁材料结构21安装于安装盘222朝向磁耦合机构3的一侧。

由于在转子2与导磁材料结构21之间增加了连接架22，因此使得转子2、连接架22和导磁材料结构21构成的整体沿Z轴方向的长度增加，从而使得转子受力A和转子受力B相对于磁耦合机构3的中心会产生更大的转矩(即围绕X轴和Y轴的转矩)，因此该种设置方式更利于控制转子2在X-Y平面上的位置，使得转子2在转动过程中稳定性更强。

磁耦合机构3可包括托板32、中心轴33和磁源31，托板32套设在中心轴33上，托板32与中心轴33固定连接，磁源31安装于托板32上，托板32为磁源31提供了更大的安装空间。优选地，中心轴33可为中空轴体，其内侧空腔可用于供第一位置传感器4的定子部41的数据线和电源线穿过。

如图11和图12所示，在磁耦合机构3中，磁源31的数量为多个，多个磁源31在垂直于定子的轴线方向的平面上沿圆形轨迹间隔分布。优选地，多个磁源在圆形轨迹上均匀分布。

在一种具体实施方式中，各磁源31的极性相同，也即所有磁源31的N极都朝向转子2(如图7、图8和图11所示)，或者，所有磁源31的S极都朝向转子2。

当将第一位置传感器4的定子部41设置在转子2与磁耦合机构3之间时，如图7所示，磁路由磁源31依次经过转子2上的导磁材料结构、转子2、转子的中心区域、定子部41、中心轴33和托板32，并由托板32流回磁源31，形成磁路闭合回路。由于该种设置方式中磁耦合机构3产生的磁场都经过第一位置传感器4，因此使得第一位置传感器4可以获得磁耦合机构3的磁路信息。

当第一位置传感器4的定子部41设置在转子2远离磁耦合机构3的一侧时，如图8所示，磁路经由磁源31依次经过转子2上的导磁材料结构21、转子2、转子的中心区域、中心轴33和托板32，并由托板32流回磁源31，形成磁路闭合回路。该种设置方式中，磁路不会经过第一位置传感器4，从而可避免第一位置传感器4受到磁耦合机构3的磁场的干扰。

在另一种具体实施方式中，如图12所示，相邻的两个磁源31的极性相反。也即是说，在一个磁源31的N极朝向转子2时，位于其相邻的两侧的磁源31均为S极朝向转子2。为便于称呼，将N极朝向转子2的磁源31称为第一磁源，与第一磁源相对的导磁材料结构21称为第一导磁材料结构，将S极朝向转子2的磁源31称为第二磁源，与第二磁源相对的导磁材料结构21称为第二导磁材料结构。则磁路由第一磁源依次经过第一导磁材料结构、转子2、第二导磁材料结构、第二磁源和托板32，再经过托板32流回第一磁源，从而形成磁路闭合。这种磁路涉及使得磁路不经过转子2的中心区域，也即不经过第一位置传感器4，因此不会使得第一位置传感器4受到干扰。

值得说明的是，除上述方式外，还可采用其他磁耦合的方式实现对于转子2运动的控制，不限于上述磁耦合机构3及磁路设置方式。

在本实施例中，定子1不限于环形结构，也可以为神庙状结构(即定子1的结构形状与神庙的结构形状相似)，如图15所示，定子铁芯11包括定子轭111、定子齿112和定子支柱15，定子齿112通过定子支柱15与定子轭111连接。定子支柱15包括相对倾斜设置且相连的第一段和第二段，第一段的一端与定子轭111的端面连接，另一端与第二段连接，第二段向靠近转子2的方向延伸。定子齿112设置于第二段远离第一段的端部。由于上述由上述结构形状的定子铁芯11组成的定子1的结构类似于神庙，因此称为神庙结构。

在图15中，第一段与第二段之间垂直设置。

在定子1为上述结构设置时，磁耦合机构3可伸入到定子支柱15围成的区域之内，以节省空间。

在本实施例中，转子2不限于环形结构，也可以为伞状结构，如图16和图17所示，转子2包括环形部和伞骨部，伞骨部的一端与环形部连接，另一端交汇于一点，并与连接架22连接，连接架22与导磁材料结构21连接，以使得导磁材料结构21与磁耦合机构3相对。在图16中，伞骨部交汇处与连接架22的连接柱221连接，连接柱221与安装盘222连接，导磁材料结构21安装于安装盘222上。

本实施例提供的磁悬浮系统具有以下优势：实现了转子2的转动磁路控制与磁悬浮磁路控制的解耦，可应用于磁悬浮电机，控制难度降低、转矩波动减小。且由于本实施例提供的磁悬浮系统使用低价格的位置传感器即可，无需使用电涡流位置传感器，因此使得磁悬浮系统的成本降低。

如图18所示，为便于控制转子2在Z轴方向上的位置，在一种优选实施方式中，定子1上还设置有副绕组16，副绕组16产生的磁场方向与定子永磁体12产生的磁场方向相同或相反。

当副绕组16产生的磁场方向与定子永磁体12产生的磁场方向相同时，转子2与定子1之间的气隙6的磁场得到加强，从而使得转子2沿Z轴正方向受力增加。由于磁耦合机构3与转子2之间相互作用导致转子2沿Z轴反方向的受力不变，因此使得转子2沿Z轴正方向的受力增加将使得转子2产生朝向Z轴正方向移动的趋势，最终使得转子2沿Z轴运动到新的悬停位置。

当副绕组16产生的磁场方向与定子永磁体12产生的磁场方向相反时，转子2与定子1之间的气隙6的磁场得到减弱，从而使得转子2沿Z轴正方向受力减小。由于磁耦合机构3与转子2之间相互作用导致转子2沿Z轴反方向的受力不变，因此使得转子2沿Z轴正方向的受力减少将即使得转子2产生朝向Z轴反方向移动的趋势，最终使得转子2沿Z轴运动到新的悬停位置。

由上可知，通过调节副绕组16中的电流，可以调节转子在Z轴方向上的位置。

在一种具体实施方式中，如图18所示，副绕组16可套设于定子齿112上。当然，在其他实施方式中，副绕组16也可设置在定子的其他位置，例如套设在定子轭111上。副绕组16的数量为多个，相邻的两个定子永磁体12之间至少设置有一个副绕组16。多个副绕组16在定子上均匀分布。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，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。

Claims (10)

1.一种磁悬浮系统，其特征在于，包括：

定子，所述定子包括定子铁芯、定子永磁体和定子绕组机构，所述定子永磁体和所述定子绕组机构均设置于所述定子铁芯；

转子，所述转子上设置有导磁材料结构，所述定子绕组机构用于控制所述转子朝远离或靠近所述定子的轴线方向移动；

磁耦合机构，所述磁耦合机构包括可与所述导磁材料结构磁性吸引的磁源，所述磁耦合机构被配置为可与所述转子磁耦合，以带动所述转子绕所述定子的轴线方向转动。

2.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述磁源的数量为多个，多个所述磁源在垂直于所述定子的轴线方向的平面上沿圆形轨迹间隔分布；

每一所述磁源的极性相同，或，相邻的两个所述磁源的极性相反。

3.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述定子上还设置有副绕组，所述副绕组产生的磁场方向与所述定子永磁体产生的磁场方向相同或相反。

4.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述磁悬浮系统还包括连接架，所述导磁材料结构通过所述连接架设置于所述转子上，且所述连接架位于所述磁耦合机构与所述转子之间。

5.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述磁悬浮系统还包括第一位置传感器，所述第一位置传感器用于检测所述转子在垂直于所述定子的轴线方向的平面上的位置，所述第一位置传感器包括定子部和转子部，所述定子部连接于所述定子，所述转子部连接于所述转子，所述定子部与所述转子部同轴设置。

6.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述转子部至少有部分结构由导磁材料制成，或，

所述磁耦合机构设置有转子永磁体。

7.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述定子铁芯具有弧形的定子轭，以及向靠近所述转子的方向延伸的定子齿，所述定子绕组机构设置于所述定子轭和/或所述定子齿；

所述磁悬浮系统还包括第二位置传感器，所述第二位置传感器安装于所述定子齿或相邻的两个所述定子齿之间。

8.如权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述定子绕组机构的数量至少为两个，所述定子绕组机构包括第一定子绕组和第二定子绕组，所述第一定子绕组与所述第二定子绕组相对所述定子的轴线对称设置。

9.如权利要求8所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述磁悬浮系统还包括绕组驱动机构，所述绕组驱动机构包括全桥电路；在所述定子绕组机构中，所述第一定子绕组和所述第二定子绕组分别连接于对应的所述全桥电路，且所述第一定子绕组的同名端与所述第二定子绕组的同名端连接。

10.如权利要求8所述的磁悬浮系统，其特征在于，在所述定子绕组机构中，所述第一定子绕组的数量为多个，多个所述第一定子绕组串联连接；

和/或，所述第二定子绕组的数量为多个，多个所述第二定子绕组串联连接。

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