CN113285558B - 偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，属于发电、变电或配电的技术领域。磁轴承包含4个永磁磁极和4个电磁极，4个永磁磁极的磁场能量来自于定子永磁电机的定子永磁体，通过永磁体左侧导磁桥、永磁体右侧导磁桥、调磁段、电磁极定子、电磁极与永磁磁极隔离板、永磁体两侧磁极间连接段、永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极构成永磁磁极，永磁磁极磁通由调磁段调节，电磁极由通入电磁极绕组线圈中的电流调节。永磁偏置磁通和电磁极磁通共同的路径仅为磁轴承转子，调节轴向磁轴承调磁件的磁导率以及嵌入导磁段的体积、改变推力盘与前侧永磁磁极、后侧永磁磁极的相对距离，利于磁轴承的控制，实现了结构紧凑、偏置磁场可调的目的。

Description

偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承

技术领域

本发明公开了偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，涉及电气和机械传动设备领域相关技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

传统的定子永磁电机包括双凸极永磁电机、磁通反向永磁电机、磁通切换永磁电机，共同特点是永磁体皆位于定子，转子上既无永磁体也无绕组，因此不存在传统转子永磁电机面临的永磁体受离心力破碎和高温去磁的风险。但现有的定子永磁电机常采用机械轴承，机械轴承普遍存在的噪音大、成本高、易疲劳失效等问题，也成为定子永磁电机常面临的问题。公开号为CN111425523A的中国专利公开了一种混合式径向永磁偏置磁轴承，该轴承采用传统的八极电机的定子铁芯作为磁悬浮轴承主体结构，设置八个电磁控制磁极和两个永磁偏置磁极，提高轴承的静态承载力，减小损耗和体积，但是该轴承的使用效果极易受到安装角度、安装位置的影响，具体来说只能垂直安装且仅适用于卧式电机，此外永磁偏置磁路和电磁铁磁路耦合程度较高，根据磁阻最小原理，实际应用时，永磁磁场极易通过偏置磁极和相邻的电磁控制磁极形成回路，存在电磁控制磁极无法产生足够控制力的风险。

轴向力是离心风机、离心叶轮等设备常面临的一个技术问题，与设备制造质量、液体粘性、旋转方向、安装方式密切相关，过大的轴向力会导致设备转轴产生轴向窜动，引起轴承磨损、电机转子偏心等问题，增加了设备的维修难度和维修成本，降低了使用寿命和生产效率。永磁偏置式径向磁轴承利用永磁材料产生偏置磁场，进而产生偏置力，减小了传统主动式电驱磁轴承的偏置电流，同时具有无接触、无润滑和无磨损的显著优点，广泛应用于真空装备制造、压缩机及其它高速、真空领域。

随着永磁偏置式磁轴承产品的出现，真空装备制造及压缩机等行业已率先开展磁轴承的应用研究，取得了良好的效果。同时定子永磁电机因为坚固的转子结构、良好的运行性能，在行业内也得到了广泛的应用。公开号为CN111927885A的中国专利公开了一种永磁偏置轴向磁轴承，该磁轴承包括相互对称设置在转子两侧的第一磁轴承定子组件和第二磁轴承定子组件，实现了电磁磁通与永磁磁通的分离，降低磁轴承的功耗，提升磁轴承的动态响应速度和控制精度。申请号为201410594571.2和201410462477.1的中国发明专利提出了丰富的定子永磁电机拓扑结构，较大程度上扩宽了该类型电机的应用领域，也为行业提供了更为丰富的电机产品。

申请号为201910198690.9的中国专利公开了一种轴向力平衡与密封结构及高功率密度离心风机，该专利一体化设计了轴向力平衡盘与密封结构，减小了附加在输出轴上的质量，设计了三层密封结构，通过压力差产生的轴向力抵消一部分叶轮产生的轴向力，但是从实现的方式来看，该结构仍然是一种被动的轴向力平衡措施，系统结构复杂。综合现有的技术，工业应用中常采用平衡盘、耐磨板、平衡环等平衡部件，设备泵送的介质会在平衡部件的两侧产生压力差，利用该压力差来平衡一部分轴向力，削弱轴向力引起的不利后果，但是上述平衡部件的使用会增加整个系统的复杂程度及轴向长度，同样面临因平衡部件磨损而引起的维修成本增加、系统性能下降等问题。

同时，现有的轴向力平衡装置、永磁偏置式磁轴承、定子永磁电机均是按照独立部件进行设计和加工，依据所需性能和设计方案进行装配，这就导致各部件紧凑程度不高、组装后的体积较大。现有的轴向力平衡装置在安装于设备之后，一般很难根据设备的运行工况以及负载变化进行调节，这不利于最大程度利用轴向力平衡装置的平衡潜能。

综上，设计一种偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，对于扩宽定子永磁电机的应用领域，启发本领域技术人员开展结构紧凑型磁轴承电机系统、偏置磁场可调型磁轴承研究，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，提高定子永磁电机及磁轴承两者之间的紧凑程度，解决传统永磁偏置式磁轴承安装后无法调节永磁偏置磁场极数和强度以及结构不紧凑的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，径向磁轴承由4个偏置磁场可调的永磁磁极和4个电磁极构成，8个磁极互隔45°均匀分布，与电机同心，且8个磁极的下端呈现圆弧面，与磁轴承转子留有气隙，4个电磁极上设置有电磁极绕组线圈，电磁极和偏置磁极共同作用，保持磁轴承转子的稳定悬浮。

优选地，径向磁轴承位于定子绕组线圈的端部内侧，从轴向来看又与电机转子保持一定的距离，具有结构紧凑的特点。

优选地，径向磁轴承由轴向长于定子铁芯长度的永磁体段、永磁体左侧导磁桥、永磁体右侧导磁桥、调磁段、电磁极定子、电磁极与永磁磁极隔离板、永磁体两侧磁极间连接段、永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极、电磁极、电磁极绕组线圈、径向传感器一、径向传感器二、磁轴承转子构成。

优选地，轴向长于定子铁芯长度的永磁体段两侧设置有一组导磁桥，下部分别连接有永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极，永磁体左侧磁和永磁体右侧磁极均是两段结构，上端导磁段与永磁体左侧导磁桥和永磁体右侧导磁桥相接，上述部件均有导磁材料制成，起引出轴向长于定子铁芯长度的永磁体段磁场能量的作用。

优选地，导磁段中间设置有一调磁段，采用导磁材料制成，通过调整调磁段的磁导率或者嵌入导磁段的体积，调节偏置磁场，进而调节偏置力。

优选地，设置了一体化制作的永磁体两侧磁极间连接段和电磁极与永磁磁极隔离板，采用非导磁、低电导率且具有一定强度、硬度的材料，在靠近导磁段的一侧，设置有电磁极与永磁磁极隔离板凹陷、电磁极与永磁磁极隔离板凸台，凹陷与导磁段等宽等深，凸台与导磁段间距相等，导磁段嵌入凹陷，凸台嵌入导磁段之间。在远离导磁段的一侧，设置有电磁极与永磁磁极隔离板凹陷，电磁极定子凸台可以嵌入。同时，永磁体两侧磁极间连接段嵌入永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极之间，形成稳固的“三明治”结构。

优选地，在永磁体两侧磁极间连接段的下部中心位置，设置有径向传感器一和径向传感器二，互隔90°分布，用于测量磁轴承转子的径向位置。

优选地，电磁极定子的轴向一侧有电磁极定子凸台，可以嵌入电磁极与永磁磁极隔离板凹陷，电磁极设置有电磁极绕组线圈。

一种轴向力与偏置力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承，轴向磁轴承为8极结构，由4个内部开槽的电磁极提供电磁力、4个内部开槽的永磁磁极提供永磁偏置力。上述8个磁极互隔45°均匀分布，且8个磁极的下端呈现圆弧面，优选采用硅钢片等导磁性能良好、低电导率材料制成。

优选地，永磁磁极与推力盘加固件的后侧气隙长度d1等于永磁磁极与推力盘加固件前侧气隙长度d2，永磁磁极与推力盘后侧气隙长度w1和永磁磁极与推力盘前侧气隙长度w2可调，用于调节偏置力。

优选地，电磁极与推力盘加固件后侧气隙长度d3和电磁极与推力盘加固件前侧气隙长度d4相等，电磁极与推力盘后侧气隙长度w3与d1相等，电磁极与推力盘前侧气隙长度w4与d2相等。d1远大于w1，或者d1远大于w2，永磁磁极与推力盘后侧气隙长度h1等于d1。

推力盘两侧设置有两个推力盘加固件，用于紧固推力盘，推力盘外径大于推力盘加固件外径，内径均与电机转轴外径相等，由硅钢片等导磁性能良好、低电导率材料制成，既可作为单独部件，也可以作为整体部件。当推力盘外径较电机转轴外径小、轴向长度长时，可以取消推力盘加固件。

优选地，调磁件可以改变两路永磁磁极磁通的大小，气隙长度w1和w2可以调节永磁磁极磁通的两个支路磁通大小，支路磁通的大小会决定轴向磁轴承的偏置力。

优选地，采用电磁极与永磁磁极隔离板以隔离永磁磁极磁通和电磁极磁通，降低所述两种磁通的耦合程度。

优选地，调节调磁件的磁导率以及嵌入导磁段的体积，改变推力盘与前侧永磁磁极、后侧永磁磁极的相对距离，得到一簇偏置力特性曲线，根据具有轴向力的设备工作模式、负载特性、旋转方向、安装方式，计算所述设备运行时的轴向力，设置优选的调磁件磁导率、嵌入导磁段的体积、推力盘与前侧（或后侧）永磁磁极的相对距离，利用永磁磁极产生与设备轴向力等大、反向的偏置力，当永磁磁极偏置力不足以平衡轴向力、以及设备动态运行时受到负载扰动，而使推力盘偏离平衡位置时，向电磁极线圈中通入电流产生电磁力，电磁力与永磁磁极偏置力共同作用，平衡轴向力。本发明具有结构紧凑、永磁偏置磁场利用程度高、降低控制电流、永磁磁通与电磁通耦合程度低、便于控制的优点。

本发明与现有技术相比，其显著的优点在于：

（1）本发明设计了结构紧凑、偏置磁场可调型定子永磁电机径向磁轴承，包含4个由轴向长于定子铁芯长度的永磁体段、永磁体左侧导磁桥、永磁体右侧导磁桥、调磁段、电磁极定子、电磁极与永磁磁极隔离板、永磁体两侧磁极间连接段、永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极、电磁极、电磁极绕组线圈、径向传感器一、径向传感器二、磁轴承转子构成的永磁磁极和4个电磁极，永磁磁极磁通由调磁段调节，电磁极由通入电磁极绕组线圈中的电流调节；合理设置了凹陷和凸台结构，各部件连接可靠、结构紧凑；永磁偏置磁通和电磁极磁通共同的路径仅为磁轴承转子，永磁磁极和电磁极之间由永磁体两侧磁极间连接段和电磁极与永磁磁极隔离板相互隔离，即永磁偏置磁通和电磁极磁通耦合程度低，利于磁轴承的控制，实现了结构紧凑、偏置磁场可调的目的。

（2）本发明将定子永磁电机的定子磁场引入磁悬浮轴承之中，具有结构紧凑的特点，设计了永磁磁极和定子磁极构成的轴向磁轴承，通过调节调磁件的磁导率以及嵌入导磁段和的体积、改变推力盘与前侧永磁磁极、后侧永磁磁极的相对距离（气隙长度），得到一簇可供查阅的偏置力特性曲线，根据轴向力的设备工作模式、负载特性、旋转方向、安装方式的不同，设置优选的调磁件磁导率、入导磁段和的体积、推力盘与前侧（或后侧）磁极的相对距离，利用永磁磁极偏置力和电磁磁极电磁力共同平衡轴向力，具有永磁偏置磁场利用程度高的特点，同时永磁极磁通和电磁极磁通流过的路径不同，通过电磁极与永磁磁极隔离板实现了永磁极磁通、电磁极磁通的解耦隔离，因此本发明具有便于控制的优点。

附图说明

图1A为本发明具体实施例一中偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机径向磁轴承安装于定子永磁电机的结构图，图1B为图1A的正视图，图1C为图1A的轴向二分之一、周向三分之一剖视图。

图2A为本发明具体实施例一中径向磁轴承的结构图，图2B为图2A的正视图，图2C为图2A的侧视图，图2D为图2A的各部件爆炸视图。

图3A为本发明具体实施例一中永磁偏置磁通以及电磁极磁通示意图，图3B为图3A的正视图。

图4A为本发明具体实施例二中偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承安装于定子永磁电机的结构图，图4B为图4A的正视图。

图5为本发明具体实施例二中轴向磁轴承的各部件爆炸视图。

图6为本发明具体实施例二中轴向磁轴承局部剖视图及局部放大图。

图7A为本发明具体实施例二中轴向磁轴承永磁偏置磁极的示意图，图7B和7C分别为永磁偏置磁极磁通的正视图、侧视图。

图8A为本发明具体实施例二中轴向磁轴承电磁极的示意图，图8B和8C分别为电磁极磁通的正视图、剖视图。

图9为本发明实施例二中得到的偏置力与距离d之间的关系图。

图中标号说明：1、定子绕组线圈端部，2、定子铁芯，3、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体，301、302、303、304为轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段，4、轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体，5、电机转子，6、永磁体左侧导磁桥，7、永磁体右侧导磁桥，8、调磁段，9、径向电磁极定子，9a、电磁极定子凸台，10、电磁极与永磁磁极隔离板，10a、10c、10d为电磁极与永磁磁极隔离板凹陷，10b、电磁极与永磁磁极隔离板凸台，11、永磁体两侧磁极间连接段，12、永磁体左侧磁极，13、永磁体右侧磁极，12a和13a、导磁段，14、径向电磁极，1401和1402为径向电磁极，15、径向电磁极绕组线圈，1501和1502为径向电磁极绕组线圈，16、径向传感器一，17、径向传感器二，18、径向磁轴承转子，19、电机转轴， 20、轴向电磁极定子，21、轴向电磁极与永磁磁极隔离板，22a、轴向后侧永磁体两侧磁极间连接件，22b、轴向前侧永磁体两侧磁极间连接件，23、永磁体左侧开槽磁极，24、永磁体右侧开槽磁极，23a和24a、导磁段，25、轴向传感器一，26、轴向传感器二，27、轴向电磁极绕组线圈，28、轴向电磁极，28a和28b为轴向后侧电磁极和轴向前侧电磁极，29、推力盘加固件，30、推力盘，23b和24b为轴向后侧永磁磁极，23c和24c为轴向前侧永磁磁极，。

具体实施方式

为便于详细说明本发明，不失一般性建立x-y-z参考坐标系，原点为o，其中，x-y平面与呈现圆筒型电机的端面（即圆筒底面）相平行，x-y平面内的半径方向为径向，各个端面圆为周向，z为轴向；同时，部件沿着径向向外的一侧定义为“外侧”，部件沿着径向向内的一侧定义为“内侧”，部件沿着轴向正方向的一侧定义为“前侧”，部件沿着轴向负方向的一侧定义为“后侧”；以正对x-y平面时的读者“左侧”和“右侧”定义部件的“左侧”和“右侧”。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

具体实施例一：偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机径向磁轴承

如图1A、图1B所示，本发明具体实施例一中偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机径向磁轴承安装于定子永磁电机上，其中，定子绕组线圈端部1、定子铁芯2、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3、轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体4、电机转子5、电机转轴19属于定子永磁电机的部件，除了轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3，其它部件的尺寸、材料、结构均为本领域技术人员已知的技术。定子铁芯2沿着电机圆周方向均匀布置，相邻两个定子铁芯2之间嵌放有轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3或轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体4，每个定子铁芯2上绕有线圈，各定子铁芯上绕有的线圈贯穿电机槽后形成定子绕组线圈端部1，电机转子5通过过盈方式或键槽方式装配在电机转轴19上，定子铁芯与永磁体组成的环形定子结构装配在电子转子外侧。

如图1A、图1B、图1C所示，定子永磁电机共有12个定子永磁体，互隔30°均匀分布，材料可以是铁氧体、钕铁硼、钐钴等其它现有磁性材料中的一种或多种，充磁方向（也称磁化方向、极化方向）为切向，相邻两个定子永磁体充磁方向相反，共包含4个轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3和8个轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体4，轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3的轴向长度比定子铁芯2长，单侧伸出长度约为定子铁芯长度的5%，分为上下左右四个，互隔90°对称分布；轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体4的轴向长度与定子铁芯2相等，对称分布于4个轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3所划分的四个区域。轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段、永磁体左侧导磁桥6、永磁体右侧导磁桥7、调磁段8、径向电磁极定子9、电磁极与永磁磁极隔离板10、永磁体两侧磁极间连接段11、永磁体左侧磁极12、永磁体右侧磁极13、径向电磁极14、径向电磁极绕组线圈15、径向传感器一16、径向传感器二17、径向磁轴承转子18属于径向磁轴承，该径向磁轴承位于定子绕组线圈端部1的内侧，从轴向来看又与电机转子5保持一定的距离。

径向磁轴承如图2A、图2B、图2C、图2D所示，轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段302、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段303和轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段304的两侧分别设置有一组导磁桥，分别是永磁体左侧导磁桥6、永磁体右侧导磁桥7，上述部件的轴向长度相同。永磁体左侧导磁桥6和永磁体右侧导磁桥7下部分别连接有永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13，轴向长度长于定子铁芯长度的各永磁体段、永磁体左侧导磁桥6、永磁体右侧导磁桥7、永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13均是由导磁性能良好的材料制成。永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13均是两段结构，其中，永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13的上端分别为导磁段12a和13a，与永磁体左侧导磁桥6和永磁体右侧导磁桥7相接。导磁段12a和导磁段13a的中间设置有一调磁段8，调磁段8优选采用导磁材料制成，通过调整调磁段8的磁导率或者嵌入导磁段12a和13a的体积，调节偏置磁场。

永磁体两侧磁极间连接段11和电磁极与永磁磁极隔离板10为一整体，优选采用非导磁、低电导率且具有一定强度、硬度的材料制成。电磁极与永磁磁极隔离板10在靠近导磁段12a和13a的一侧，设置有电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c以及电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b，电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c与导磁段12a和13a等宽等深，电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b在圆周方向上的弧度距离与导磁段12a和13a之间的间距相等，导磁段12a和13a分别嵌入凹陷电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c，电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b嵌入导磁段12a和导磁段13a之间。电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c、电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b形成一对导磁段(导磁段12a和导磁段13a)的安装结构，各对导磁段安装结构形成环形的电磁极与永磁磁极隔离板10，每一对导磁段安装结构的轴向后侧安装有一个永磁体两侧磁极间连接段11，永磁体两侧磁极间连接段11可以和电磁极与永磁磁极隔离板10一体成型，两个永磁体两侧磁极间连接段11为一个圆弧状的T型永磁体，在相邻两个永磁体两侧磁极间连接段11之间设置有电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10d，电磁极定子凸台9a可以嵌入永磁磁极隔离板凹陷10d。同时，将永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13嵌入电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c后，永磁体两侧磁极间连接段11嵌入永磁体左侧磁极12和永磁体右侧磁极13之间，形成稳固的“三明治”结构。上述部件及优选的凹陷、凸台结构，可以实现各部件之间的可靠连接。

如图2所示，在永磁体两侧磁极间连接段11的下部中心位置，设置有径向传感器一16和径向传感器二17，径向传感器一16和径向传感器二17互隔90°，为现有技术或现有产品，用于测量径向磁轴承转子18的径向位置。径向电磁极定子9和径向电磁极14为一整体，由导磁性能良好的材料制成，共设置有4个径向电磁极14，互隔90°对称分布，径向电磁极定子9的轴向前侧有电磁极定子凸台9a，电磁极定子凸台9a可以嵌入电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10d。径向电磁极14均绕有径向电磁极绕组线圈15。可以看出，4个径向电磁极14构成了结构紧凑、偏置磁场可调的径向磁轴承电磁极，4个轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段及其导磁桥、调磁段8、永磁体两侧磁极间连接段11、永磁体左侧磁极12、永磁体右侧磁极13构成了径向偏置磁极，径向偏置磁极为8极结构，8个磁极互隔45°均匀分布，与电机同心，且8个磁极的下端呈现圆弧面，与径向磁轴承转子18留有气隙。

下面结合图3详细描述永磁偏置磁通以及径向电磁极磁通的分布。对于轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301，永磁偏置磁通l1依次经过轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301、永磁体右侧导磁桥7、导磁段13a、调磁段8、导磁段12a、永磁体左侧导磁桥6，该磁通本质来说是一种短路磁通，不会产生偏置力；永磁偏置磁通l2依次经过轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301、永磁体右侧导磁桥7、导磁段13a、永磁体右侧磁极13、永磁体右侧磁极13与径向磁轴承转子18间的气隙、径向磁轴承转子18、永磁体左侧磁极12与磁轴承转子18间的气隙、导磁段12a、永磁体左侧导磁桥6，该磁通可以产生偏置力，因此通过调整调磁段8的磁导率或者嵌入导磁段12a和13a的体积，就可以调节永磁偏置磁通l1和永磁偏置磁通l2的大小，进而实现调节偏置力大小的目的。轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301产生的偏置力沿着Y轴正方向，当径向磁轴承转子18受到扰动，向Y轴负反向移动时，永磁体左侧磁极12与径向磁轴承转子18间的气隙、永磁体右侧磁极13与径向磁轴承转子18间的气隙增大，为了使径向磁轴承转子18能重新回到原位置，向径向电磁极绕组线圈1501和径向电磁极绕组线圈1502中通入方向相反的电流，径向电磁极1401和径向电磁极1402将会共同产生电磁极磁通l3，电磁极磁通l3所产生的电磁力也将沿着Y轴正反向，电磁力和偏置力共同作用。其它方向的偏置力、电磁力分析与上述过程类似，因此上述紧凑结构可以克服外界扰动，保持磁轴承转子18处于设定的位置，实现径向磁轴承转子18的稳定悬浮。

具体实施例二：偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承

如图4A、图4B所示，本发明具体实施例二中偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承安装于定子永磁电机上，其中，定子绕组线圈端部1、定子铁芯2、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3、轴向长度等于定子铁芯长度的永磁体4、电机转子5、电机转轴19属于定子永磁电机的基本部件，除了轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体3，其它部件的尺寸、材料、结构均为本领域技术人员已知的技术。定子永磁电机的结构与实施一相同，这里不再赘述。

与实施例一不同的是：轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段、永磁体左侧导磁件6、永磁体右侧导磁件7、调磁段8、轴向电磁极定子20、电磁极与永磁磁极隔离板10、永磁体两侧磁极间开槽连接段、永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24、轴向传感器一25、轴向传感器二26、轴向电磁极绕组线圈27、轴向电磁极28、推力盘加固件29、推力盘30属于轴向磁轴承，轴向磁轴承整体位于定子绕组线圈端部1的内侧，从轴向来看又与电机转子5保持一定的距离，上述部件的爆炸图见图5。

轴向磁轴承如图5所示，轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301的两侧设置有一组导磁件，分别是永磁体左侧导磁件6和永磁体右侧导磁件7，上述部件的轴向长度相同。永磁体左侧导磁件6和永磁体右侧导磁件7下部分别连接有永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24，均是由导磁性能良好的材料制成。永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24均是两段结构，上端分别为导磁段23a和导磁段24a，导磁段23a和导磁段24a与永磁体左侧导磁桥6和永磁体右侧导磁桥7相接，下端具有嵌放推力盘30的凹槽结构，凹槽将永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24均分为轴向前侧永磁磁极23b、24b和轴向后侧永磁磁极23c、24c。导磁段23a和24a的中间设置有一调磁段8，优选采用导磁材料制成，通过调整调磁段8的磁导率或者嵌入导磁段23a和24a的体积，调节永磁磁极偏置磁场。永磁体两侧磁极间开槽连接段和电磁极与永磁磁极隔离板10为一整体部件，优选采用非导磁、低电导率且具有一定强度、硬度的材料制成，电磁极与永磁磁极隔离板10在靠近导磁段23a和24a的一侧，设置有电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c和电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b。优选地，电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c与导磁段23a和24a等宽等深，电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b在周向的弧度距离与导磁段23a和24a之间的间距相等，轴向前侧永磁体两侧磁极间连接件22b和轴向后侧永磁体两侧磁极间连接件22a组成的一个永磁体两侧磁极间开槽连接段，电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c和电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b通过在轴向前侧永磁体两侧磁极间连接件22b上开槽形成，导磁段23a和24a嵌入电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10a、电磁极与永磁磁极隔离板凹陷10c后，电磁极与永磁磁极隔离板凸台10b嵌入导磁段23a和24a之间。同时，轴向后侧永磁体两侧磁极间连接件22a嵌入永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24之间，形成稳固的“三明治”结构。上述部件及优选的凹陷、凸台结构，可以实现各部件之间的可靠连接。永磁体两侧磁极间开槽连接段共4个，互隔90°对称分布，且每个永磁体两侧磁极间开槽连接段内部沿中心位置开有的槽用于设置有推力盘30，，按照磁阻最小原理，轴向后侧永磁磁极23b、24b和推力盘30构成永磁磁通的闭合路径，轴向前侧永磁磁极23c、24c和推力盘30构成永磁磁通的闭合路径。

任选两个永磁体两侧磁极间开槽连接段并在轴向后侧永磁体两侧磁极间连接件22a和轴向前侧永磁体两侧磁极间连接件22b下部植入轴向传感器一25、轴向传感器二26，轴向传感器一25（或轴向传感器二26）均包含两个传感器，分别检测推力盘30轴向位移或距离，其中，轴向传感器一25和轴向传感器二26为一容错组，防止因推力盘局部形变或者部分传感器失效所引起的轴向位移或距离检测出错。轴向传感器一25、轴向传感器二26为现有技术或现有产品。

轴向电磁极定子20和轴向电磁极28为一整体，由导磁性能良好的材料制成，共设置有4个轴向电磁极28，互隔90°对称分布。轴向电磁极28内部沿中心位置开有一槽，槽内设置有推力盘30，槽将轴向电磁极28分割为两个磁极，即轴向后侧电磁极28a和轴向前侧电磁极28b，轴向后侧电磁极28a和轴向前侧电磁极28b上分别绕有轴向电磁极绕组线圈27b、轴向电磁极绕组线圈27a。

可以看出，4个轴向电磁极28构成了本发明轴向力与偏置力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承的电磁极，4个轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段及其导磁桥、调磁段8、永磁体两侧磁极间开槽连接段22、永磁体左侧开槽磁极23、永磁体右侧开槽磁极24构成了永磁磁极，轴向磁轴承为8极结构，8个磁极互隔45°均匀分布，且8个磁极的下端呈现圆弧面。

如图6所示，对于永磁磁极，优选地，永磁磁极与推力盘加固件的后侧气隙长度d1等于永磁磁极与推力盘加固件前侧气隙长度d2，即d1=d2；永磁磁极与推力盘后侧气隙长度w1和永磁磁极与推力盘前侧气隙长度w2设计为可调值，其目的是为了调节偏置力。

对于轴向电磁极，优选地，轴向电磁极与推力盘加固件后侧气隙长度d3和轴向电磁极与推力盘加固件前侧气隙长度d4相等，即d3=d4；轴向电磁极与推力盘后侧气隙长度w3与d1相等，即w3=d1；轴向电磁极与推力盘前侧气隙长度w4与d2相等，即w4=d2。

优选地，d1>>w1或d1>>w2，永磁磁极与推力盘后侧气隙长度h1=d1。

推力盘30及其两侧设置的两个推力盘加固件29均呈圆环结构，两个推力盘加固件29起到紧固推力盘30的作用，推力盘30的外径要大于推力盘加固件29的外径，内径均相同且等于电机转轴19的外径。

优选地，推力盘30和推力盘加固件29由硅钢片等导磁性能良好、低电导率材料制成，既可作为单独部件，也可以作为整体部件。若推力盘30的外径较电机转轴29的外径小，且轴向长度较长，此时可以取消推力盘加固件29。

图7A为本发明具体实施例二中轴向磁轴承永磁偏置磁极及磁通示意图，由图7B可以看出，永磁磁极磁通l4经过轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301、永磁体左侧导磁桥6、调磁段8、永磁体右侧导磁桥7构成回路，该磁通不经过推力盘30；如图7B、图7C所示，永磁磁极磁通l5经过轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体段301、永磁体左侧导磁桥6、永磁体左侧开槽磁极23、推力盘30、永磁体右侧开槽磁极24、永磁体右侧导磁桥7构成回路，该磁通经过推力盘30，更具体来说，永磁磁极磁通分为两个支路磁通，其中，一路经过轴向前侧永磁磁极23b和24b，另外一路经过轴向后侧永磁磁极23c和24c。

显然，通过调节调磁段8的磁导率或者嵌入导磁段23a和24a的体积，永磁磁极磁通l4和永磁磁极磁通l5的大小便会发生改变；通过改变推力盘安装于电机转轴的位置来调整永磁磁极与推力盘后侧气隙长度w1和永磁磁极与推力盘前侧气隙长度w2，永磁磁极磁通l4的两个支路磁通的大小决定了轴向偏置力的大小。

图8A、图8B、图8C为本发明轴向力与偏置力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承的电磁极及磁通回路示意图，当轴向电磁极绕组线圈27通入电流时，轴向电磁极磁通l6经过轴向后侧电磁极28a、推力盘30、轴向前侧电磁极28b、轴向电磁极定子20构成回路。

进一步观察图7和图8，可以看出永磁极磁通和轴向电磁极磁通流过的路径不同，且通过电磁极与永磁磁极隔离板10实现了永磁极磁通、电磁极磁通的解耦隔离，因此两种磁通具有耦合程度低、利于控制的优点。

结合图6和图9，详细描述将实施例二应用于具有轴向力的装置中时，轴向力与偏置力平衡的基本原理。由上述分析可知，调磁段8可以改变永磁磁极磁通l4和永磁磁极磁通l5的大小，气隙长度w1和w2可以调节永磁磁极磁通的两个支路磁通大小，支路磁通的大小会决定轴向磁轴承的偏置力。图9中，横坐标d（单位：mm）表示推力盘30距离轴向后侧永磁磁极23b和24b（或者轴向前侧永磁磁极23c和24c）的距离，纵坐标表示偏置力F（单位：kN）的大小，特性曲线1、特性曲线2、特性曲线3表示调节调磁段8时的偏置力特性曲线。其中，特性曲线1表示调磁段8磁导率为零（或嵌入导磁段23a和24a的体积为零）时的偏置力，特性曲线2表示调磁段8磁导率增大至与导磁段23a和24a相等且嵌入导磁段23a和24a的体积为自身三分之一时的偏置力，特性曲线2表示调磁段8磁导率增大至与导磁段23a和24a相等且嵌入导磁段12a和13a的体积为自身二分之一）时的偏置力。显然，通过改变调磁段8的磁导率及其嵌入导磁段23a和24a的体积，可以得到一簇偏置力特性曲线。

不失一般性，设定d的范围为0mm至2mm。可以看出，不同的d或者调节调磁段8时，偏置力呈现有规律的分布趋势：（1）推力盘30距离轴向后侧永磁磁极23b和24b（或者轴向前侧永磁磁极23c和24c）的距离越近，即d≈0（或d≈2）时，偏置力F的绝对值越大；（2）由于永磁磁极磁通的两个支路磁阻不同，偏置力F的最大值与最小值的绝对值不相等；（3）当推力盘30位于轴向后侧永磁磁极23b和24b、轴向前侧永磁磁极23c和24c的中心位置处，即d=1时，偏置力不为零，偏置力的大小取决于两个支路磁阻的差异，差异越大，偏置力绝对值越大；（4）偏置力的正负表示偏置力的方向。

根据上述分布特性，将本发明轴向力与偏置力平衡型定子永磁电机轴向磁轴承用于背景技术中离心风机、离心叶轮等存在轴向力的设备时，定子永磁电机将作为动力电机，根据设备工作模式、负载特性、旋转方向、安装方式，可以计算出所述设备运行时的轴向力，通过查阅类似于图9中偏置力特性曲线簇，选择最适用于该种工作模式、负载特性、旋转方向、安装方式下的偏置力，随后根据该偏置力调节调磁段的磁导率以及嵌入导磁段的体积、推力盘与前侧永磁磁极、后侧永磁磁极的相对距离，产生所选择的偏置力，该偏置力将会和不加该偏置力下运行时的轴向力相互平衡，最大程度发挥永磁磁极的磁场潜能。当偏置力不足以平衡轴向力时，通过向电磁极线圈中通入电流，电磁力与永磁磁极偏置力共同作用，平衡轴向力。在实际运行时，当轴向位置偏离平衡位置时，只需要控制轴向后侧电磁极28a和轴向前侧电磁极28b中电流大小，便可以克服外界扰动，保持推力盘30处于设定的位置，实现磁轴承推力盘30的稳定。

在描述本发明时，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了更清晰地描述本发明，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须是具有特定的方位，不能理解是对本发明的限制。

以上所述并不用以限制本发明，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，比如将定子永磁体数修改为其他合理的数目，或者将永磁偏置磁极设置为1极、2极、3极，只要是将定子永磁型电机的永磁体磁场能量引入径向磁轴承之中，均应包含在本发明的保护范围内。

此外需要注意的是，为了便于描述本发明并利于本领域技术人员了解本发明的具体实施方式，附图中仅仅给出了定子永磁电机的定子、转子以及磁轴承，构成磁悬浮轴承电机这类产品所必须的电机外壳、电机端盖、机械保护轴承、冷却结构等部件和结构均未提及，但以上所述并不用以限制本发明，而是重点分明地给出该类产品的典型特征，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，比如将定子永磁体数修改为其它合理的数目，或者通过调节d1、d2、d3、d4、w1、w2、w3、w4、h1，将本发明中的轴向磁轴承改造为轴向径向混合磁轴承，只要是将定子永磁型电机的永磁体磁场能量引入磁轴承之中，并通过引入的永磁能量产生偏置磁通，均应包含在本发明的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，包括：磁悬浮轴承转子、电磁极定子、电磁极与永磁磁极隔离板、轴向长度长于定子铁芯长度的永磁体、永磁体两侧磁极间连接段、永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极、调磁段、左侧导磁桥、右侧导磁桥，所述磁悬浮轴承转子装配在电机转轴上，所述永磁体两侧磁极间连接段装配在电磁极与永磁磁极隔离板端环的一侧上且嵌入相邻电磁极定子磁极之间，所述电磁极与永磁磁极隔离板端环的另一侧上开有嵌放永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极的凹陷，所述永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极装配在电磁极与永磁磁极隔离板上后夹持永磁体两侧磁极间连接段，所述调磁段装配在永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极之间，所述左侧导磁桥与永磁体左侧磁极贴合，所述右侧导磁桥与永磁体右侧磁极贴合，夹持在所述永磁体超出定子铁芯的永磁体段两侧的左侧导磁桥、右侧导磁桥与电磁极与永磁磁极隔离板、永磁体两侧磁极间连接段、永磁体左侧磁极、永磁体右侧磁极、调磁段构成所述永磁体超出定子铁芯的永磁体段的偏置磁路。

2.根据权利要求1所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述电磁极与永磁磁极隔离板、永磁体两侧磁极间连接段为一体成型的构件，该构件的轴向前侧开有嵌放永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极的凹陷，该构件的轴向后侧为弧度与相邻电磁极定子之间的弧度距离相匹配的T型结构。

3.根据权利要求1所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，相邻两个永磁体两侧磁极间连接段之间留有嵌放电磁极定子凸台的凹陷。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述定子永磁电机磁轴承为径向磁轴承时，所述电磁极定子上绕有径向线圈，所述永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极均为具有导磁段上部和夹持段下部的永磁磁极，所述永磁体两侧磁极间连接段上安装有径向传感器。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述定子永磁电机磁轴承为轴向磁轴承时，所述电磁极定子上开有嵌放推力盘的凹槽，且每个电磁极定子上绕有轴向线圈，所述永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极均为具有导磁段上部和夹持段下部的永磁磁极，所述夹持段下部开有嵌放推力盘的凹槽，所述永磁体两侧磁极间连接段上安装有轴向传感器。

6.根据权利要求5所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，永磁体左侧磁极与推力盘加固件的后侧气隙长度d1等于永磁体左侧磁极与推力盘加固件的前侧气隙长度d2，电磁极定子与推力盘加固件的后侧气隙长度d3等于电磁极定子与推力盘加固件的前侧气隙长度d4，电磁极定子与推力盘的后侧气隙长度w3等于永磁体左侧磁极与推力盘加固件的后侧气隙长度d1，电磁极定子与推力盘的前侧气隙长度w4等于永磁体左侧磁极与推力盘加固件的前侧气隙长度d2。

7.根据权利要求6所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其特征在于，d1>>w1或d1>>w2，永磁体左侧磁极与推力盘的后侧气隙长度h1等于永磁体左侧磁极与推力盘加固件的后侧气隙长度d1。

8.一种控制如权利要求4所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承的转子稳定悬浮的方法，其特征在于，对于产生偏置力的伸出铁芯的永磁体段，调节调磁段嵌入永磁体左侧磁极和永磁体右侧磁极的体积以调节偏置力，向所述永磁体段偏置磁路中永磁体两侧磁极间连接段两侧的电磁极定子施加方向相反的电流以调节电磁力。

9.一种调节如权利要求5所述偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承偏置力的方法，其特征在于，调节推力盘安装于电机转轴的位置改变永磁体左侧磁极与推力盘后侧气隙长度w1以及永磁体左侧磁极与推力盘前侧气隙长度w2。

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