CN113323963A - 具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法，属于发电、变电或配电的技术领域。利用永磁体伸出定子段、径向导磁桥、周向导磁桥、聚磁靴、径向/轴向工作气隙、径向/轴向磁场闭合主回路导磁块形成的典型磁场回路设计磁极旁路，实现定子永磁型电机中永磁体磁场能量多路径、可控磁场强度的分配。本发明还提供了一种偏置磁路结构，调节置磁场的磁极个数、磁场强度通过选择集磁块间连接段的材料、嵌入相邻集磁块的体积，进而调节磁极的偏置力，最大程度利用电机绕组端部空间，降低了磁悬浮轴承电机系统的轴向长度，提升转子的动力学性能，实现“磁悬浮轴承+永磁电机系统”高紧凑、高集成度的目标。

Description

具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法

技术领域

本发明公开具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法，涉及电气和机械传动设备，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

现阶段，以永磁电机为主要动力的电机系统在工矿冶金、新能源汽车、航空航天、精密机床、军事武器等领域得到了广泛应用。为了满足不同应用领域和运行工况的特色化需要，电机的类型和结构也在不断丰富。

区别于转子永磁电机，定子永磁电机的永磁体位于电机定子一侧，克服了传统转子永磁电机结构复杂、制造成本高、加工工艺复杂、等效气隙大、转子冷却困难且具有不可逆退磁风险等缺点，因而在近些年来受到了国内外学者的广泛关注，发明人所在的研究团队也一直致力于定子永磁型电机的基础理论及应用研究，系统性研究了磁通切换电机、交替绕组电机、分裂绕组电机、磁通反向电机等多种类型的定子永磁型电机。然而，现有的定子永磁型电机一般采用机械轴承，在应用的过程中，机械轴承因机械摩擦和轴电流存在过热、电蚀、振动、噪音等缺陷，面临着失效的风险，这在一定程度上限制了定子永磁型电机的可靠性。

1842年，英国物理学家Earnshaw论述了磁悬浮轴承技术，随后磁悬浮轴承的设计、控制及应用理论和技术不断出现，其中永磁偏置式磁悬浮轴承具有能量损耗小、刚度较小和阻尼较小的特点，与纯电流式磁悬浮轴承相比具有明显的优势。南京航天航空大学禹春敏、邓智泉等人申请的公开号为CN110748562A名称为“一种包围式永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承”的发明专利、申请号为CN201811504644.9名称为“磁悬浮轴承及电机”的发明专利，以及北京航天航空大学孙津济等人申请的申请号为CN201811414823.3名称为“一种五自由度磁悬浮飞轮”的发明专利均将永磁体作为磁悬浮轴承的偏置磁场，且尝试用永磁偏置式磁悬浮轴承替代永磁电机的机械轴承，实现了“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统在高转速下的平稳可靠运行，同时具有低机械摩擦损耗的优点；国际上瑞士联邦理工大学、美国维吉尼亚大学、马里兰大学、日本东京大学等也针对永磁偏置磁悬浮轴承、磁悬浮轴承电机开展了大量的研究，相关产品已用于多个行业。

然而，现有的“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统均把永磁偏置式磁悬浮轴承与永磁电机作为独立的组成单元，这就导致“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统与“机械轴承+永磁电机”系统相比结构复杂、体积庞大，前者过长的转轴长度带来了复杂的转子动力学问题，这也就限制了系统的转速提升和更广泛的应用；授权公告号为CN103312103B的中国专利公开的一种复合转子结构无轴承开关磁阻电机（提供了一种简化“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统结构的方案,该开关磁阻电机转子结构分为转矩转子和悬浮力转子，定子齿上仅采用一套绕组实现悬浮力和转矩的解耦，但存在着因深度饱和非线性因素导致电感曲线变化而影响解耦控制效果的风险；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。因此，现有的“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统结构简化方案具有局限性。

另一方面，调节磁悬浮轴承电机偏置力以适应不同应用场合的偏置力需求也是目前亟待解决的一个技术问题，申请号为201810702198.6的中国专利公开了一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，在传统异步电机定子槽内叠加一套附加的悬浮绕组，两套绕组产生的转矩磁场和悬浮磁场相互独立，但是永磁偏置磁场的极数、强度均无法调节，安装之后无法根据不同的应用场合调整合适的永磁偏置磁场。

综上，设计一种具有磁极旁路的定子永磁型电机及磁悬浮轴承电机系统以实现定子永磁电机磁场能量多用途利用的目的，对于提高“永磁偏置式磁悬浮轴承+永磁电机”系统的紧凑程度以及填补偏置磁场调节技术空白具有重要的理论意义及应用价值。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法，使得定子永磁电机的永磁体磁场可以通过设计的磁极旁路，实现磁场能量的其它用途，具体来说是通过磁极旁路，将伸出铁芯的永磁体段的磁场能量作为永磁偏置式磁悬浮轴承的永磁能量来源，利用该偏置磁场能量降低磁悬浮轴承线圈中的电流，实现提高磁悬浮轴承与永磁电机之间紧凑程度和集成度的发明目的，解决永磁偏置式磁悬浮轴承电机系统结构复杂以及简化结构的系统存在局限性的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供了一种具有磁极旁路的定子永磁型电机磁悬浮轴承及包含该磁悬浮轴承的电机系统，定子永磁型电机磁悬浮轴承的两侧分别有两个磁极旁路，同时定子永磁体的轴向长度长于电机定子段的轴向长度，定子永磁体伸出定子铁芯的永磁体段为磁极旁路提高磁场能量。基于所述磁极旁路，给出了磁极旁路两类典型的磁场闭合主回路，具体来说分别是轴向、径向磁场闭合主回路基于磁极旁路设计了永磁偏置式径向磁悬浮轴承和永磁偏置式轴向磁悬浮轴承，上述具有磁极旁路的磁悬浮轴承与定子结构构成了磁悬浮轴承电机系统，最大程度的利用了电机绕组端部空间，降低了磁悬浮轴承电机系统的轴向长度。

在上述技术方案中，磁极旁路由伸出铁芯的永磁体段、径向导磁桥、周向导磁桥、聚磁靴、径向/轴向工作气隙、径向/轴向磁场闭合主回路导磁块构成。优选地，磁极旁路中的部件由硅钢片或导磁性能良好的材料制成，各个部件既可以为单独部件、分别制作，也将磁极旁路作为整体部件、整体制作。

优选地，伸出铁芯的永磁体段两侧各有一个径向导磁桥，所述径向导磁桥的轴向长度与伸出铁芯的永磁体段的长度相等，两个径向导磁桥与伸出铁芯的永磁体段紧密接触，构成类似“三明治”的结构。

优选地，周向导磁桥位于径向导磁桥的内侧，个数为径向导磁桥的一半，周向导磁桥与其接触的两个径向导磁桥构成类似“U型”的结构，具有结构紧凑、稳固可靠的优点。

优选地，聚磁靴与径向导磁桥、周向导磁桥可靠接触和贴合，数量等于周向导磁桥的数量。

一种磁悬浮轴承电机系统，磁悬浮轴承电机系统由具有磁极旁路的磁悬浮轴承和电机构成，磁悬浮轴承类型可以是永磁偏置型轴向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向轴向混合磁悬浮轴承中的一种或多种，其中的永磁偏置磁场来自于磁极旁路。

进一步地，永磁偏置式径向磁悬浮轴承位于电机定子绕组线圈的内侧，由径向磁悬浮轴承转子、连接紧固段、径向线圈、径向磁极和磁极旁路构成，永磁偏置型径向磁悬浮轴承的磁极个数等于定子永磁体的个数，具有较高的容错能力。

优选地，径向磁悬浮轴承转子为轴向空心结构，电机转轴可穿入其内环，轴向磁悬浮轴承转子和电机转轴通过过盈配合、键槽等方式，实现两者之间的紧固与可靠接触。

优选地，连接紧固段为三段整体式结构，包含基础段、靴间段和桥间段，可以是陶瓷、不锈钢、耐高温塑料等非导磁、低电导率且有一定机械强度、硬度的材料，连接紧固段将嵌入磁悬浮轴承的相邻两个聚磁靴、磁极、径向导磁桥之间，与上述部件紧密接触，起到连接各部件、紧固各部件并使之成为一个整体的作用。

永磁偏置式轴向磁悬浮轴承由轴向磁悬浮轴承转子、连接紧固段、轴向线圈和磁极旁路构成。永磁偏置型轴向磁悬浮轴承的磁极个数等于定子永磁体的个数，具有较高的容错能力。

优选地，轴向磁悬浮轴承转子为三段结构，使推力盘具有可靠的机械强度。三个分段既可以分别为独立部件，也可作为整体部件，通常由硅钢片等导磁性能良好的材料制成。轴向磁悬浮轴承转子为轴向空心结构，电机转轴可穿入其内环。轴向磁悬浮轴承转子和电机转轴通过过盈配合、键槽等方式，实现两者之间的紧固与可靠接触。

优选地，轴向磁极上部连接至聚磁靴，每个轴向磁极包含前后两个磁极，前侧磁极和后侧磁极呈现“对L”结构，前侧磁极和后侧磁极上分别集中绕制有前侧线圈和后侧线圈。

一种偏置磁场可调型定子永磁电机磁悬浮轴承，包括定子永磁体、外侧紧固板、导磁柱、集磁块、中部紧固板、导磁柱紧固板、集磁块间连接段和磁场回路导磁块组成的偏置磁路结构，定子永磁体的轴向长度大于电机定子铁芯轴向长度，为偏置磁路提供永磁磁场。在集磁块中设置有集磁块间连接段，建立各部件的等效偏置磁路图，通过集磁块间连接段调节偏置磁场等效主磁通，调节不同定子永磁体所产生的偏置力大小，进而组合出不同大小和方向的偏置力；基于所设计的偏置磁路结构以及实施例中的偏置磁场调节原理，可以设计出不同磁极个数、磁场强度和偏置力的永磁偏置磁悬浮轴承。

本发明与现有技术相比，其显著的优点在于：

（1）本发明设计了一种具有磁极旁路的定子永磁型电机及磁悬浮轴承电机系统，磁极旁路原理直观，通过设计多种拓扑结构的磁极旁路，合理选择定子永磁体材料、几何形状，可实现定子永磁型电机中永磁体磁场能量多路径分配，满足定子永磁体磁场能量同时供给定子永磁电机和磁悬浮轴承电机的能量转化需要。基于具有磁极旁路的定子永磁型电机，设计了磁悬浮轴承电机系统，最大程度利用电机绕组端部空间，降低了磁悬浮轴承电机系统的轴向长度，提升转子的动力学性能，实现了“磁悬浮轴承+永磁电机系统”的高紧凑、高集成度。

（2）本发明设计了偏置磁场可调型定子永磁电机磁悬浮轴承偏置磁路结构，通过导磁柱、集磁块将定子永磁体的磁场引入定子永磁电机磁悬浮轴承，为磁悬浮轴承提供偏置磁场，即偏置磁场来源于定子永磁电机的永磁体；偏置磁场的磁极个数、磁场强度通过选择集磁块间连接段的材料、嵌入相邻集磁块的体积来调节，进而调节磁极的偏置力，通过不同磁极偏置力的组合，为永磁偏置式磁悬浮轴承提供一种磁极个数、磁场强度可调的偏置磁场和偏置力，最大程度降低负载电流和驱动器容量，降低电流损耗。同时，本发明将所述定子永磁电机磁悬浮轴承用可调型偏置磁场磁路简化为等效磁网络，便于启发本领域技术人员进行技术创新，设计满足不同领域需要的永磁偏置式磁悬浮轴承结构，丰富定子永磁电机磁悬浮轴承产品种类，扩宽定子永磁电机磁悬浮轴承系统的应用领域。

附图说明

图1为本发明具有磁极旁路的定子永磁电机的定子整体结构示意图。

图2为本发明具有磁极旁路的定子永磁型电机定子铁芯及永磁体编号、磁极旁路中部件编号的示意图。

图3A为本发明中磁极旁路典型磁场闭合主回路一的示意图，图3B为图3A的径向视图。

图4A为本发明中磁极旁路典型磁场闭合主回路二的示意图，图4B为图4A的轴向视图。

图5为本发明一种具有磁极旁路的磁悬浮轴承电机系统的二分之一剖视图。

图6A为本发明具体实施例一中12极永磁偏置型轴向磁悬浮轴承电机的结构示意图，图6B为12极永磁偏置型轴向磁悬浮轴承的结构示意图，图6C为12极永磁偏置型轴向磁悬浮轴承的结构爆炸视图。

图7A为本发明具体实施例二中12极永磁偏置型径向磁悬浮轴承电机的结构示意图，图7B为12极永磁偏置型径向磁悬浮轴承的结构示意图，图7C为12极永磁偏置型径向磁悬浮轴承的结构爆炸示意图。

图8A为本发明具体实施例三中12极定子永磁电机磁悬浮轴承偏置磁路的结构示意图，图8B为外侧紧固板结构图，图8C为图8A的轴向视图，图8D为图8A的径向视图。

图9为本发明具体实施例三中定子永磁电机的12极永磁体充磁方向示意图。

图10A为本发明具体实施例三中偏置力调节所基于的偏置磁路及偏置磁场调节示意图，图10B为不调节偏置磁场的示意图，图10C为调节偏置磁场的示意图。

图11A为本发明具体实施例三中不调节偏置力时的偏置力示意图，图11B为调节偏置力时的偏置力示意图一，图11C为调节偏置力时的偏置力示意图二。

图12A为本发明具体实施例四中8极定子永磁电机磁悬浮轴承偏置磁路的结构示意图，图12B为偏置力调节所基于的偏置磁路示意图。

图13A为本发明具体实施例四中不调节偏置力时的偏置力示意图，图13B为调节偏置力时的偏置力示意图。

附图标记说明：1、模块化定子铁芯，1a、定子齿中部，2、定子永磁体，2a和2c为伸出铁芯的永磁体段，2b为位于铁芯中的永磁体段，3、定子绕组线圈端部，4、径向导磁桥，5、周向导磁桥，6、聚磁靴，S1和S3为磁极旁路段，S2、电机定子段，101、102、103为相邻的3个模块化定子铁芯，201、202、203、204、205、206、207、208、209、2010、2011、2012为12块定子永磁体，401a和401b、402a和402b为相邻的2组径向导磁桥，501、502、503为相邻的3个周向导磁桥、601、602、603为相邻的3个聚磁靴，7、径向工作气隙， 8、径向磁场闭合主回路导磁块，901、定子永磁体201的径向磁场闭合主回路，902、定子永磁体202的径向磁场闭合主回路，10、轴向磁场闭合主回路导磁块，11、轴向工作气隙，903、定子永磁体201的轴向磁场闭合主回路，904、定子永磁体202的轴向磁场闭合主回路，12、永磁偏置型磁悬浮轴承一，13、永磁偏置型磁悬浮轴承二，14、电机转子，15、电机转轴，12a、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承， 16、轴向磁悬浮轴承转子，16a、前分段，16b、推力盘，16c、后分段，17、连接紧固段，17a、基础段，17b、靴间段，17c、桥间段，18、轴向线圈，18a、前侧线圈，18b、后侧线圈，19、轴向磁极，19a、前侧磁极，19b、后侧磁极，12b、永磁偏置型径向磁悬浮轴承，20、径向磁悬浮轴承转子，21、径向线圈，22、径向磁极，23、外侧紧固板，24、导磁柱，26、集磁块，27、中部紧固板，27、中部紧固板，28、集磁块间连接段，29、导磁柱紧固板，30、磁场回路导磁块，31、大跨距集磁块间连接段，32、大跨距集磁块。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

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，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，r为电机各个端面的半径方向（以下简称“径向”），各个端面圆为周向方向（以下简称“周向”），z为电机的轴向方向（以下简称“轴向”）；同时，部件沿着径向朝向端面圆边缘的一侧定义为“径向外侧”，部件沿着径向朝向端面圆圆心的一侧定义为“径向内侧”，部件沿着轴向正方向的一侧定义为“轴向前侧”，部件沿着轴向负方向的一侧定义为“轴向后侧”。

如图1所示，本发明一种具有磁极旁路的定子永磁型电机的定子包括：模块化定子铁芯1、定子永磁体2、定子绕组线圈端部3、径向导磁桥4、周向导磁桥5和聚磁靴6。模块化定子铁芯1由硅钢片叠压而成，叠压后沿着电机圆周方向均匀布置，相邻两个模块化定子铁芯1之间嵌放有定子永磁体2。定子永磁体2由永磁材料制成，沿着电机圆周方向均匀布置，永磁材料为铁氧体或钐钴或钕铁硼或三种永磁材料的组合，相邻两块定子永磁体2的磁化方向相反，如图2所示，定子永磁体201、定子永磁体203、定子永磁体205、定子永磁体207、定子永磁体209、定子永磁体2011的磁化方向相同，定子永磁体202、定子永磁体204、定子永磁体206、定子永磁体208、定子永磁体2010、定子永磁体2012的磁化方向相同。模块化定子铁芯1的数量与定子永磁体2的数量相等，且为2的整数倍，定子永磁体2的轴向长度长于模块化定子铁芯1的轴向长度。按照定子永磁体2和模块化定子铁芯1的相对位置，可以将定子永磁体2分为三段，即伸出铁芯的永磁体段2a、伸出铁芯的永磁体段2c和位于铁芯中的永磁体段2b，伸出铁芯的永磁体段2a、伸出铁芯的永磁体段2c的长度可根据定子绕组线圈3的轴向长度、所需磁场强度和电机磁路计算确定。

将图1所示定子沿轴向分为磁极旁路段S1、电机定子段S2、磁极旁路段S3三段。电机定子段S2由沿周向间隔布置的模块化定子铁芯1和位于铁芯中的永磁体段2b组成。磁极旁路段S1由径向导磁桥4、周向导磁桥5和聚磁靴6组成，将伸出铁芯的永磁体段2a的磁场能量用于永磁磁轴承悬浮控制。磁极旁路段S3由径向导磁桥4、周向导磁桥5和聚磁靴6组成，将伸出铁芯的永磁体段2c的磁场能量用于永磁磁轴承悬浮控制。每个模块化定子铁芯1上绕有线圈，各模块化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3，定子绕组线圈端部3与聚磁靴6电气绝缘。

磁极旁路段S1、磁极旁路段S3如图1所示，径向导磁桥4以电机圆心为中心，沿着电机圆周方向辐射设置，呈棱柱结构，两个径向导磁桥4为一组，将伸出铁芯的永磁体段2a（或伸出铁芯的永磁体段2c）夹于其中，如图2所示，定子永磁体201两侧分别为径向导磁桥401a和径向导磁桥401b，形成类似“三明治”的结构。因此，径向导磁桥4的数量为偶数，数量最大等于2倍定子永磁体2的数量，数量最小等于2。

径向导磁桥4的径向高度小于或者等于模块化定子铁芯1的径向高度，径向外侧一般与模块化定子铁芯1的径向外侧平齐，径向内侧避免低于模块化定子铁芯1的径向内侧，周向宽度一般为模块化定子铁芯1定子齿中部1a宽度的一半，如图1所示，轴向长度可等于或大于或小于伸出铁芯的永磁体段2a（或伸出铁芯的永磁体段2c）的轴向长度。当选择径向导磁桥的轴向长度小于伸出铁芯的永磁体段的轴向长度时，会浪费一部分伸出铁芯的永磁体段的磁场能量；当选择径向导磁桥的轴向长度等于伸出铁芯的永磁体段的轴向长度时，伸出铁芯的永磁体段的磁场能量利用率最高，径向导磁桥4的材料成本最低；当选择径向导磁桥的轴向长度大于伸出铁芯的永磁体段的轴向长度时，可能会影响定子绕组线圈端部3的长度。优选地，选择径向导磁桥的轴向长度等于伸出铁芯的永磁体段的轴向长度。

如图1所示，周向导磁桥5呈现圆弧形，数量等于径向导磁桥4数量的一半，轴向厚度和径向高度可以相等，周向长度根据径向导磁桥4的尺寸确定，一个周向导磁桥5和两个径向导磁桥4形成类似“U型”的结构，“U型”结构的径向内侧避免低于模块化定子铁芯1的径向内侧，径向导磁桥4与伸出铁芯的永磁体段2a（或伸出铁芯的永磁体段2c）可靠接触并贴合，每个“U型”结构的轴向后侧粘接有呈现圆弧形的聚磁靴6，粘接有聚磁靴6的“U型”结构沿着轴向均匀分布形成磁极旁路段S1，一组径向导磁桥4之间的间距为w2（弧度）,相邻两个聚磁靴6的间距为w1（弧度），过小的w1会导致相邻两个聚磁靴6之间的漏磁增加，过大的w1会导致聚磁靴6的聚磁面积减小，因此，w1和w2的大小关系一般有两种选择方案：①w1≥w2；②0.5×w2≤w1＜w2，优选第②种方案；磁极旁路段S3的结构与磁极旁路段S1相近，差别仅在于磁极旁路段S3中每个“U型”结构轴向前侧粘接聚磁靴6。沿着圆周方向均匀设置的聚磁靴6与径向导磁桥4、周向导磁桥5可靠接触和贴合，数量等于周向导磁桥5的数量，聚磁靴6的轴向长度、径向厚度根据所需磁场强度和电机磁路计算得到，径向导磁桥4、周向导磁桥5和聚磁靴6既可以分别为独立部件，也可以作为整体部件，均是由硅钢片等导磁性能良好的材料制成。

为便于说明本发明磁极旁路的典型磁场闭合主回路一，选择图3A中相邻3个模块化定子铁芯（模块化定子铁芯101、模块化定子铁芯102、模块化定子铁芯103），相邻2组相邻径向导磁桥（径向导磁桥401a和401b、径向导磁桥402a和402b），相邻3个周向导磁桥（周向导磁桥501、周向导磁桥502、周向导磁桥503），相邻2个伸出铁芯的永磁体段（伸出铁芯的永磁体段201a、伸出铁芯的永磁体段202a），相邻3个聚磁靴（聚磁靴601、聚磁靴602、聚磁靴603），和一个径向磁场闭合主回路导磁块8作为分析对象。径向磁场闭合主回路导磁块8位于聚磁靴6的径向内侧，两者之间存在径向工作气隙701、径向工作气隙702、径向工作气隙703，径向工作气隙长度为w3，w3根据所需要的气隙磁场强度、磁极旁路中的磁路方程计算得到。根据磁阻最小原理，当径向工作气隙长度w3远小于相邻两个聚磁靴6的间距w1时，伸出铁芯的永磁体段201a的径向磁场闭合主回路901为：径向导磁桥401b→周向导磁桥502→聚磁靴602→径向工作气隙702→径向磁场闭合主回路导磁块8→径向工作气隙701→聚磁靴601→周向导磁桥501→径向导磁桥401a；采用相似的分析思路,可以分析出其它伸出铁芯的永磁体段的径向磁场闭合主回路，伸出铁芯的永磁体段202a的径向磁场闭合主回路902如图3A所示，径向磁场闭合主回路的数量等于聚磁靴的数量，图3A所示磁极旁路典型磁场闭合回路一的径向视图如图3B所示。

进一步分析磁极旁路的典型磁场闭合主回路二，将图3A中的径向磁场闭合主回路导磁块8替换为图4A中轴向磁场闭合主回路导磁块10，轴向磁场闭合主回路导磁块10位于聚磁靴的轴向后侧，两者之间存在一个轴向工作气隙11（图4B中的轴向工作气隙1101、轴向工作气隙1102、轴向工作气隙1103），轴向工作气隙长度为w4，w4根据所需要的气隙磁场强度、磁极旁路中的磁路方程计算得到。根据磁阻最小原理，当轴向工作气隙长度w4远小于相邻两个聚磁靴6的间距w1时，伸出铁芯的永磁体段201a的轴向磁场闭合主回路903为：径向导磁桥401b→周向导磁桥502→聚磁靴602→轴向工作气隙1102→轴向磁场闭合主回路导磁块10→轴向工作气隙1101→聚磁靴601→周向导磁桥501→径向导磁桥401a；采用相似的分析思路,可以分析出其它伸出铁芯的永磁体段的轴向磁场闭合主回路，伸出铁芯的永磁体段202a的轴向磁场闭合主回路904如图4A所示，轴向磁场闭合主回路的数量等于聚磁靴的数量，图4A所示磁极旁路典型磁场闭合回路二的轴向视图如图4B所示。

综合以上分析，径向/轴向磁场闭合主回路即为本发明中磁极旁路的典型磁场闭合主回路一/二，由本领域内永磁偏置式磁悬浮轴承的公开技术可知，基于磁极旁路的典型磁场闭合主回路一/二，可设计永磁偏置型径向/轴向磁悬浮轴承，且永磁偏置型径向/轴向磁悬浮轴承的极数等于聚磁靴的数量，偏置磁场的强度由磁极旁路的磁路结构所决定，磁极旁路的典型磁场闭合主回路包含：伸出铁芯的永磁体段2a（或伸出铁芯的永磁体段2c）、径向导磁桥4、周向导磁桥5、聚磁靴6、径向工作气隙7（轴向磁悬浮轴承时为轴向工作气隙11）、径向磁场闭合主回路导磁块8（轴向磁悬浮轴承时为轴向磁场闭合主回路导磁块10）。

具体实施例一：具有磁极旁路的12极永磁偏置型轴向磁悬浮轴承电机

图5为本发明一种具有磁极旁路的12极永磁偏置型轴向磁悬浮轴承电机系统，包括永磁偏置型磁悬浮轴承一12、永磁偏置型磁悬浮轴承二13、电机转子14、电机转轴15，电子转子14套设在电机转轴15上与电机转轴过盈配合，图1所示圆周结构的定子套设在电机转子14外侧，永磁偏置型磁悬浮轴承一12装配在电机转轴15的轴向后侧且通过磁极旁路段S1与定子伸出铁芯的永磁体段可靠接触并贴合，永磁偏置型磁悬浮轴承二13装配在电机转轴15的轴向前侧且通过磁极旁路段S3与定子伸出铁芯的永磁体段可靠接触并贴合，永磁偏置型磁悬浮轴承一12和永磁偏置型磁悬浮轴承二13的永磁偏置磁场与定子绕组线圈3保持安全的电气绝缘距离，以实现互相隔离。永磁偏置型磁悬浮轴承一12和永磁偏置型磁悬浮轴承二13的永磁偏置磁场均来自于伸出铁芯的永磁体段2a（或伸出铁芯的永磁体段2c），类型可以是永磁偏置型轴向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向轴向混合磁悬浮轴承中的一种或多种。

如图6A、图6B、图6C所示，永磁偏置型轴向磁悬浮轴12a位于定子绕组线圈端部3的径向内侧，包括轴向磁悬浮轴承转子16、连接紧固段17、轴向线圈18。永磁偏置型轴向磁悬浮轴承12a的磁极个数为12，相邻两个磁极耦合程度低，具有较高的容错能力。

如图6C所示，轴向磁悬浮轴承转子16为三分段结构，包括前分段16a、推力盘16b和后分段16c，其目的在于保持推力盘16b具有可靠的机械强度，三个分段既可以分别为独立部件，也可作为整体部件，通常由硅钢片等导磁性能良好的材料制成。轴向磁悬浮轴承转子16为轴向空心结构，电机转轴15可穿入其内环。轴向磁悬浮轴承转子16和电机转轴15通过过盈配合、键槽等方式，可以实现两者之间的紧固与可靠接触，以保证电机转轴15和轴向磁悬浮轴承转子16的同步旋转，不会发生轴向、径向上的相对位移和窜动。

如图6C所示，连接紧固段17由非导磁、低电导率材料制成，同时应具有一定的机械强度和硬度，如陶瓷、不锈钢、耐高温塑料等，包含基础段17a、靴间段17b和桥间段17c，基础段17a为一圆环结构，靴间段17b嵌入相邻两个聚磁靴6以及相邻两个轴向磁极19之间，桥间段17c嵌入同一定子永磁体两侧的径向导磁桥4之间且同时与定子永磁体的端面相接触。因此，连接紧固段17对轴向磁悬浮轴承转子16起到连接各部件、紧固各部件并使之成为一个整体的作用。

每个轴向磁极19包含前侧磁极19a和后侧磁极19b，前侧磁极19a和后侧磁极19b呈现“对L”结构，前侧磁极19a和后侧磁极19b上分别集中绕制有前侧线圈18a和后侧线圈18b，“对L”结构的前后侧磁极的径向外端与圆弧形聚磁靴6粘接或一体成型，与聚磁靴可靠贴合的轴向磁极沿着圆周方向以间隔d1（弧度）均匀分布。定子永磁体两侧的径向导磁桥间距为d2（弧度），d1和d2的大小关系有两种选择方案：①d1≥d2，轴向线圈18通电时产生的磁通会穿过定子永磁体；②0.5×d2≤d1＜d2，轴向线圈18通电时产生的磁通不穿过定子永磁体，而穿过相邻两个聚磁靴6之间的靴间连接段17b。

进一步地，当定子永磁体的厚度较小，即d2较小时，选择方案①可以降低轴向线圈18中的电流，但是定子永磁体有不可逆去磁的风险；当定子永磁体的厚度较大，即d2较大时，选择方案①会导致轴向线圈18中的电流较大，不利于降低损耗和系统成本，因此一般优选方案②。

如图6C所示，轴向磁悬浮轴承的装配过程为：通过过盈方式或键槽方式将轴向磁悬浮轴承转子16装配在电机转轴15上，将“对L”结构的轴向磁极19装配在相邻两个靴间段17b之间，将推力盘16b置于“对L”结构轴向磁极19的空隙中，在前侧磁极19a和后侧磁极19b上分别集中绕制前侧线圈18a和后侧线圈18b，将径向导磁桥4和周向导磁桥5形成的“U型”结构装配在相邻两个桥间段17c之间。

通过分析永磁偏置型轴向磁悬浮轴承12a的结构，以及d1和d2的大小关系可知，定子永磁体可以提供一个偏置磁场，当轴向线圈18不通入电流时，推力盘16b可处于前侧磁极19a和后侧磁极19b中间的某一平衡位置，此时推力盘16b的轴向合力为零。当轴向磁悬浮轴承转子16偏离平衡位置，靠近前侧磁极19a（或靠近后侧磁极19b）时，只需要向轴向线圈18中通入合适的电流，该电流产生的磁通可以使得轴向磁悬浮轴承转子16处于新的平衡位置。

具体实施例二：具有磁极旁路的12极永磁偏置型径向磁悬浮轴承电机

如图7A、图7B、图7C所示，永磁偏置型径向磁悬浮轴12b位于定子绕组线圈3的内侧，永磁偏置型径向磁悬浮轴12b如图7B所示，包括径向磁悬浮轴承转子20、连接紧固段17、径向线圈21、径向磁极22。永磁偏置型径向磁悬浮轴承12b的磁极个数为12，具有较高的容错能力。

径向磁悬浮轴承转子20为轴向空心结构，通常由硅钢片等导磁性能良好的材料制成，电机转轴15可穿入其内环。径向磁悬浮轴承转子20和电机转轴15通过过盈配合、键槽等方式，可以实现两者之间的紧固与可靠接触，以保证电机转轴15和径向磁悬浮轴承转子20的同步旋转，不会发生轴向、径向上的相对位移和窜动。永磁偏置型径向磁悬浮轴12b的连接紧固段17与永磁偏置型轴向磁悬浮轴12a的结构类似，起到连接各部件、紧固各部件并使之成为一个整体的作用。径向磁极22为径向外端连接至聚磁靴6的T型结构，T型结构沿着圆周方向以间隔d3（弧度）均匀分布，每个T型结构上绕制有径向线圈21，定子永磁体两侧的径向导磁桥间距为d4（弧度），d3和d4的大小关系有两种选择方案：①d3≥d4，径向线圈21通电时产生的磁通会穿过定子永磁体；②0.5×d4≤d3＜d4，径向线圈21通电时产生的磁通不穿过定子永磁体，而穿过相邻两个聚磁靴6之间的靴间段17b。

进一步地，当定子永磁体的厚度较小，即d4较小时，选择方案①可以降低径向线圈21中的电流，但是定子永磁体有不可逆去磁的风险；当定子永磁体的厚度较大，即d4较小时，选择方案①会导致径向线圈21中的电流较大，不利于降低损耗和系统成本，因此一般优选方案②。

通过分析永磁偏置型径向磁悬浮轴承12b的结构，以及d3和d4的大小关系可知，定子永磁体可以提供一个偏置磁场，当径向磁悬浮轴承转子20受到扰动偏离平衡位置时，只需要向径向线圈21中通入合适的电流，该电流产生的磁通将会通过径向磁极22，使径向磁悬浮轴承转子20处于新的平衡位置。

具体实施例三： 12极偏置磁场可调型定子永磁电机磁悬浮轴承

如图8A所示， 12极定子永磁电机的定子结构包括定子绕组线圈3、模块化定子铁芯1、定子永磁体2，磁悬浮轴承偏置磁路结构包括：外侧紧固板23、导磁柱24、集磁块26、中部紧固板27、集磁块间连接段28、导磁柱紧固板29。模块化定子铁芯1由硅钢片叠压而成，一般为模块化制作，定子永磁体2位于相邻两个模块化定子铁芯1的中间，模块化定子铁芯1、定子永磁体2和定子绕组线圈3共同构成了定子永磁电机的定子。从轴向来看，所述定子绕组线圈超出定子铁芯2的部分称之为定子绕组线圈端部3。

在偏置磁场可调型定子永磁电机磁悬浮轴承偏置磁路结构中，导磁柱24由导磁材料制作而成，包括与定子永磁体2紧密接触的径向导磁桥，以及沿着轴向延伸至集磁块26的周向导磁桥，与相邻定子永磁体紧密接触的两个径向导磁桥连接至同一个周向导磁桥形成“U型”结构，该“U型”结构的作用与前述实施例相同，起到引出定子永磁体2磁场能量并集中于集磁块26的作用。集磁块26为具有嵌入周向导磁桥结构的周向集磁元件，相邻集磁块26之间布局有集磁块间连接段28，在圆周方向间隔布局的集磁块26和集磁块间连接段28形成周向集磁环。

“U型”结构的两个导磁柱24之间径向设置有呈现U型的导磁柱紧固板29，U型的导磁柱紧固板29由非导磁、低电导率、具有一定机械强度和硬度的材料制成，起到紧固导磁柱24与定子永磁体2的作用，导磁柱24和导磁柱紧固板29的内侧有中部紧固板27，中部紧固板27的材料与导磁柱紧固板29的材料相同，且既可以与导磁柱紧固板29分别制作，也可以作为整体部件整体制作。

导磁柱24和导磁柱紧固板29的轴向后侧设置有外侧紧固板23，外侧紧固板23由非导磁、低电导率、具有一定机械强度和硬度的材料制成，如图8B所示，外侧紧固板23的一个轴向端面为光滑平面，另一端面呈现凹凸外形，凸出的部分卡合于U型导磁柱紧固板29之中，凹陷的部分卡住相邻两个U型导磁柱紧固板进而卡住相邻两个导磁柱紧固板之间的导磁柱以及定子永磁体。

集磁块26由导磁材料制成，导磁柱24所引出的定子永磁体2磁场能量集中于集磁块26，便于为磁悬浮轴承提供偏置磁路，相邻两个集磁块之间为集磁块间连接段28，根据偏置磁场磁极个数、磁极强度调节的需要，集磁块间连接段28可以为导磁材料，也可以为不导磁材料。

图8C中，外侧紧固板轴向长度z1＞定子永磁体轴向长度z2＞定子铁芯轴向长度z3，定子绕组线圈端部单侧轴向长度z4＞0、集磁块与定子绕组线圈端部轴向长度z5＞0，其中，集磁块的轴向长度一般≤z5，以避免定子绕组线圈端部在集磁块表面产生涡流损耗。

图8D中，集磁块内半径r1＜定子铁芯内半径r2＜导磁柱紧固板下部紧固段内半径r3＜集磁块外半径r4＜导磁柱紧固板下部紧固段内半径r5＜定子绕组线圈端部内半径r6＜定子绕组线圈端部内半径r7＜外侧紧固板内半径r8＜定子铁芯外半径r9。

图9为本实施例中定子永磁电机的12极永磁体充磁方向示意图，定子永磁电机设置有12个沿着周向布局的定子永磁体201、定子永磁体202…定子永磁体2012，其中，相邻两个定子永磁体的充磁方向相对，即定子永磁体201、定子永磁体203、定子永磁体205、定子永磁体207、定子永磁体209、定子永磁体2011充磁方向相同，定子永磁体202、定子永磁体204、定子永磁体206、定子永磁体208、定子永磁体2010、定子永磁体2012充磁方向相同，充磁方向也可以说是磁极方向、磁化方向。

进一步地，为了便于详细解释本发明，如图9所示，不失一般性地在集磁块和集磁块间连接段形成的周向集磁环的径向内侧设置了一个磁场回路导磁块30，磁场回路导磁块30与电机转轴15通过过盈方式或键槽方式紧固连接，同时在集磁块和集磁块间连接段与磁场回路导磁块30之间设置了一个气隙，磁场回路导磁块30由导磁材料制成。

图10为本实施例中偏置磁路及偏置磁场调节示意图，其中，图10A为偏置磁路示意图，基于等效磁网络的思想，可以将定子永磁体、导磁柱、集磁块、集磁块和集磁块间连接段与磁场回路导磁块间气隙、磁场回路导磁块、集磁块间连接段作为磁路元件。根据磁路结构，得到了各磁路元件与连接线构成的等效偏置磁路，定子永磁体201的等效磁动势位F_PM1，定子永磁体201的等效磁阻为R_PM1，定子永磁体201左侧导磁柱的等效磁阻为R_ra，定子永磁体201右侧导磁柱的等效磁阻为R_rb，定子永磁体201左侧集磁块的等效磁阻为R_ca，定子永磁体201右侧集磁块的等效磁阻为R_cb，定子永磁体201左侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙的等效磁阻为R_air1，定子永磁体201右侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙的等效磁阻为R_air2，磁场回路导磁块的等效磁阻为R_d，定子永磁体202的等效磁阻为R_PM2。

如图10B所示，以一个定子永磁体的偏置磁路为对象，详细展示了不调节偏置磁场时，单个定子永磁体所构成的偏置磁路各元件的连接关系。此时，集磁块间连接段优选设置为非导磁、低电导率、具有一定机械强度和硬度的材料。分析该等效磁路可知，不调节偏置磁场时等效主磁通l1依次流通定子永磁体201等效磁动势F_PM1、定子永磁体201等效磁阻R_PM1、定子永磁体201右侧导磁柱等效磁阻R_rb、定子永磁体201右侧集磁块等效磁阻R_cb、定子永磁体201右侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙等效磁阻R_air2、磁场回路导磁块等效磁阻R_d、定子永磁体201左侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙等效磁阻R_air1、定子永磁体201左侧集磁块等效磁阻R_ca、定子永磁体201左侧导磁柱等效磁阻R_ra。

如图10C所示，为了实现偏置磁场调节的目的，将集磁块间连接段9优选设置为导磁材料，则会在图10B所示的等效磁路中引入集磁块间连接段28等效磁阻R_s。分析该等效磁路可知，会存在调节偏置磁场时等效主磁通一l2和调节偏置磁场时等效主磁通二l3，其中，调节偏置磁场时等效主磁通一l2依次流通定子永磁体201等效磁动势F_PM1、定子永磁体201等效磁阻R_PM1、定子永磁体201右侧导磁柱等效磁阻R_rb、定子永磁体201右侧集磁块等效磁阻R_cb、集磁块间连接段28等效磁阻R_s、定子永磁体201左侧导磁柱等效磁阻R_ra。调节偏置磁场时等效主磁通二l3依次流通集磁块间连接段28等效磁阻R_s、定子永磁体201右侧集磁块等效磁阻R_cb、定子永磁体201右侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙等效磁阻R_air2、磁场回路导磁块等效磁阻R_d、定子永磁体201左侧集磁块与磁场回路导磁块间气隙等效磁阻R_air1、定子永磁体201左侧集磁块等效磁阻R_ca。

显然，通过调节集磁块间连接段28等效磁阻R_s的大小，便可以调节偏置磁场时等效主磁通一l2和调节偏置磁场时等效主磁通二l3的大小，其中，偏置磁场时等效主磁通二l3的大小决定了定子永磁体所能产生偏置力的大小。调节集磁块间连接段28等效磁阻R_s大小的方式有多种，优选采用导磁性能良好的材料制作集磁块间连接段28，通过调节集磁块间连接段28嵌入相邻两个集磁块的体积，便可以实现调节集磁块间连接段28等效磁阻R_s的大小，减小集磁块间连接段28嵌入相邻两个集磁块的体积，减小导磁率，增大集磁块间连接段28等效磁阻，反之即为减小等效磁阻。调节集磁块间连接段28嵌入相邻两个集磁块体积的方法有两种：一种是直接将集磁块间连接段28削减至合适的轴向长度；另一种是将集磁块间连接段28制作为楔子结构的集磁块，沿着轴向前后移动楔子结构的集磁块灵活调节集磁块间连接段28嵌入相邻两个集磁块体积。

如图11A所示，如9所示的12个定子永磁体产生的偏置力分别为f₁、f₂、…、f₁₂，由图10可知12个定子永磁体具有相同的等效偏置磁路，因此在不调节偏置磁场且不考虑不同定子永磁体、导磁柱、集磁块、集磁块间连接段与磁场回路导磁块间气隙、磁场回路导磁块之间的性能、磁特性差异，f₁、f₂、…、f₁₂之间的大小关系满足：f₁=f₂=f₃=f₄=f₅=f₆=f₇=f₈=f₉=f₁₀=f₁₁=f₁₂，角度互差360°/12=30°；实际上，不同定子永磁体、导磁柱、集磁块、集磁块间连接段与磁场回路导磁块间气隙、磁场回路导磁块之间的性能、磁特性会存在少许差异，因此，f₁、f₂、…、f₁₂满足：f₁≈f₂≈f₃≈f₄≈f₅≈f₆≈f₇≈f₈≈f₉≈f₁₀≈f₁₁≈f₁₂，角度互差约30°。基于上述分析，可以绘制一个等值圆f_circle，偏置力f₁、f₂、…、f₁₂的终点均位于等值圆f_circle附近，此时全部磁极等效偏置力f位于整个x-y平面的中心。

将图9所示定子永磁体208偏置磁路中的集磁块间连接段28设置为导磁材料，即集磁块间连接段28等效磁阻R_s较小，此时调节偏置磁场时等效主磁通一l2将会明显大于调节偏置磁场时等效主磁通二l3，且调节偏置磁场时等效主磁通二l3将会接近于零，即定子永磁体308偏置力接近于零，将x-y平面内的所有偏置力进行等效，全部磁极等效偏置力f与f₂同向等大。具体来说，在x-y平面第一象限内产生了一个等效偏置力f，与x轴正方向的夹角为60°，如图11B所示。

将图9所示定子永磁体201、定子永磁体202、定子永磁体203偏置磁路中的集磁块间连接段设置为导磁材料，但是调节集磁块间连接段嵌入相邻两个集磁块的体积，进而调节集磁块间连接段等效磁阻Rs的大小，合理分配调节偏置磁场时等效主磁通一l2和调节偏置磁场时等效主磁通二l3，使定子永磁体301、302、303偏置力f₁、f₁、f₃互不相同，将x-y平面内的所有偏置力进行等效，在x-y平面第三象限内产生了一个等效偏置力f，与x轴负方向的夹角小于60°，如图11C所示。

综合图9和图10中的分析，可以发现合理调节集磁块间连接段嵌入相邻两个集磁块的体积或材料，便可调节集磁块间连接段等效磁阻Rs的大小，进而分配调节偏置磁场时等效主磁通一l2和调节偏置磁场时等效主磁通二l3。通过将x-y平面内的所有偏置力进行等效，可以得到任意角度和大小的等效偏置力f，满足了不受安装角度、安装位置影响的偏置磁场需要。

具体实施例四：8极偏置磁场可调型定子永磁电机磁悬浮轴承

为了实现本实施例中的偏置磁场调节效果，图12给出了在12个定子永磁体中仅设置8个偏置磁路结构的实施例二，区别于图9，仅在x轴和y轴的两侧选择了2个定子永磁体，不失一般性选择定子永磁体201、定子永磁体202、定子永磁体204、定子永磁体205、定子永磁体207、定子永磁体208、定子永磁体2010、定子永磁体2011，其中，定子永磁体202和定子永磁体204之间的跨距明显大于定子永磁体201和定子永磁体202之间的跨距，因此在定子永磁体202和定子永磁体204之间设置了大跨距集磁块间连接段31和大跨距集磁块32。大跨距集磁块间连接段31的材料、功能与中部紧固板相同，大跨距集磁块32的材料、功能与集磁块相同。图12B中偏置磁路的构成、原理与图10类似，此处不再赘述。

如图13A所示，定子永磁体201、定子永磁体202、定子永磁体204、定子永磁体205、定子永磁体207、定子永磁体208、定子永磁体2010、定子永磁体2011产生的偏置力分别为f₁、f₂、f₄、f₅、f₇、f₈、f₁₀、f₁₁，在不调节偏置磁场且不考虑不同定子永磁体、导磁柱、集磁块、集磁块间连接段与磁场回路导磁块间气隙、磁场回路导磁块之间的性能、磁特性差异，全部磁极偏置力的大小关系满足：f₁=f₂=f₄=f₅=f₇=f₈=f₁₀=f₁₁，角度互差30°或者60°；考虑不同定子永磁体、导磁柱、集磁块、集磁块间连接段与磁场回路导磁块间气隙、磁场回路导磁块之间的性能、磁特性的少许差异，全部磁极偏置力的大小关系满足：f₁≈f₂≈f₄≈f₅≈f₇≈f₈≈f₁₀≈f₁₁，角度互差约30°或者60°。基于上述分析，可以绘制一个等值圆f_circle，全部磁极偏置力的终点均位于等值圆f_circle附近，此时全部磁极等效偏置力f位于整个x-y平面的中心。

将定子永磁体207和定子永磁体208偏置磁路中的集磁块间连接段设置为导磁材料，即集磁块间连接段等效磁阻R_s较小，此时调节偏置磁场时等效主磁通一l2将会明显大于调节偏置磁场时等效主磁通二l3，且调节偏置磁场时等效主磁通二l3将会接近于零，即定子永磁体207和定子永磁体208偏置力接近于零，将x-y平面内的所有偏置力进行等效，全部磁极等效偏置力f会位于y轴正方向轴线上，即处于定子永磁体207偏置力f₁和定子永磁体208偏置力f₁之间。

对比实施例三和实施例四，两种实施例具有各自的特点。例如：实施例三采用12个偏置磁路，具有较强的容错能力，不受安装角度、安装位置的影响，通过12个偏置磁路，可以组合出任意角度和大小的全部磁极等效偏置力f，但同时意味着有12个定子永磁体的轴向长度超过定子铁芯的轴向长度，在某些仅需要产生克服重力偏置力的场合，采用导磁的集磁块间连接段调节偏置磁场和偏置力，存在永磁磁场能量浪费的问题。在实施例四中，仅有8个定子永磁体的轴向长度超过定子铁芯的轴向长度，具有节省定子永磁体的优点。

综合以上分析，本发明中的磁极旁路具有原理直观、结构紧凑的特点，有效利用了电机定子绕组线圈端部空间，为永磁偏置型磁悬浮轴承提供偏置磁场，相邻两个磁极通过磁极旁路形成磁场闭合主回路，磁悬浮轴承转子材料利用率高，耦合程度小，且具有良好的容错性能。本领域技术人员可以根据实施例三和实施例四得到启发，设计出不同数目的偏置磁路，满足永磁偏置型磁悬浮轴承和定子永磁电机不同安装角度、安装位置时的偏置磁场需要。

以上所述仅为本发明的四种实施例，再具体来说是实施于一种定子永磁体数为12的定子永磁型电机，同时定义了x-y-z三维坐标系，基于所述电机设计了两种典型的永磁偏置型磁悬浮轴承，即永磁偏置型轴向磁悬浮轴12a和永磁偏置型径向磁悬浮轴12b，给出了12个偏置磁路以及8个偏置磁路结构、磁场调节原理图，但是上述四个实施例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、改进均应包含在本发明的保护范围内。本领域技术人员基于本发明的发明构思做的修改、等同替换、改进包含但不限于：将电机定子永磁体数修改为其它合理的数目，或者将偏置磁路设计为其它合理的结构，或者基于偏置磁路设计出永磁偏置型轴向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向磁悬浮轴承、永磁偏置型径向轴向混合磁悬浮轴承中的一种或多种，只要是采用偏置磁路、并采用本发明的偏置磁场调节原理，将定子永磁型电机的永磁体磁场能量引入磁悬浮轴承之中，并将磁极旁路中的磁场能量作为偏置磁场。

Claims (10)

1.具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，包括：装配在电机转轴上的磁悬浮轴承转子，具有基础段、靴间段、桥间段的连接紧固段，沿周向均匀布局的磁极，沿周向均匀布局有U型导磁桥的磁极旁路；所述连接紧固段的基础段为一圆环结构，靴间段为均匀分布在基础段上沿着轴向延伸的结构，桥间段为均匀分布在基础段上沿着轴向延伸的结构，磁极嵌入连接紧固段的相邻靴间段之间，U型导磁桥嵌入连接紧固段的相邻桥间段之间，所述磁悬浮轴承转子嵌入磁极沿周向布局后形成的环状空间内，所述磁极具有周向导磁靴结构，相邻两个U型导磁桥贴合在伸出铁芯的同一永磁体段的径向两侧，每个U型导磁桥装配在连接紧固段上后与一个周向导磁靴结构贴合。

2.根据权利要求1所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述U型导磁桥包括两个径向导磁桥和一个周向导磁桥，所述两个径向导磁桥与周向导磁桥贴合形成U型导磁桥。

3.根据权利要求1所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述U型导磁桥包括两个径向导磁柱以及沿着轴向延伸至周向导磁靴结构的周向导磁桥，所述两个径向导磁柱与周向导磁桥贴合形成U型导磁桥。

4.根据权利要求3所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述U型导磁桥的两个径向导磁柱之间装配U型导磁柱紧固板，两个径向导磁柱沿着轴向延伸至周向导磁靴结构的空间内装配有中间紧固板，相邻两个周向导磁靴结构之间嵌入集磁块连接段。

5.根据权利要求1所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，所述相邻两个U型导磁桥的周向间距为w2，相邻周向导磁靴结构的周向距离为w1，w1≥w2或0.5×w2≤w1＜w2。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，当所述定子永磁电机磁轴承为轴向轴承时，所述磁悬浮轴承转子包括一体成型的前分段、推力盘、后分段，所述磁极包括呈现“对L”结构的前侧磁极、后侧磁极，所述前侧磁极、后侧磁极的径向外端与周向导磁靴结构贴合，所述推力盘装配在前侧磁极与后侧磁极形成的“对L”结构的空隙中，所述前侧磁极上绕制有前侧轴向线圈，后侧磁极上绕制有后侧轴向线圈。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，其特征在于，当所述定子永磁电机磁轴承为径向轴承时，所述磁极为T型结构的磁极，且T型结构磁极的径向外端与周向导磁靴结构贴合。

8.磁悬浮轴承电机系统，其特征在于，包括定子结构、定子绕组线圈以及权利要求1所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承，所述定子结构包括沿周向均匀分布的模块化定子铁芯，且相邻两个模块化定子铁芯之间嵌入有定子永磁体，每个定子永磁体的伸出铁芯的永磁体段与两个U型导磁桥贴合，定子绕组线圈端部与周向导磁靴结构保持电气绝缘的距离。

9.权利要求3所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承的偏置力调节方法，其特征在于，在周向导磁靴结构和集磁块连接段的径向内侧布置磁场回路导磁块，调节集磁块连接段嵌入相邻两个周向导磁靴结构的体积以改变集磁块连接段的等效磁阻。

10.根据权利要求9所述具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承的偏置力调节方法，其特征在于，调节集磁块连接段嵌入相邻两个周向导磁靴结构的体积以改变集磁块连接段的等效磁阻的方法为：减小集磁块连接段嵌入相邻两个周向导磁靴结构的体积以增大集磁块连接段的等效磁阻，增大集磁块连接段嵌入相邻两个周向导磁靴结构的体积以减小集磁块连接段的等效磁阻。

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