CN115654008A - 一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机，包括：轴向磁轴承、径向磁轴承和轴承转子，轴向磁轴承包括第一和第二轴向定子，径向磁轴承包括径向定子，径向定子位于轴承转子的外周且能对轴承转子施加径向电磁力，第一和第二轴向定子能对轴承转子施加轴向电磁力，第一轴向定子的至少部分结构位于轴承转子的径向外侧且位于径向绕组的径向内侧，第二轴向定子的至少部分结构位于轴承转子的径向外侧且位于径向绕组的径向内侧，使得径向磁轴承的偏置磁通由轴向磁轴承提供。根据本发明使得第一和第二轴向定子为径向定子提供偏置磁路，省去了原有的比如偏置定子等结构，结构更为紧凑、简单，工艺难度降低，体积减小，装配容易。

Description

一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机。

背景技术

磁悬浮轴承利用对转子的电磁力将转轴悬浮起来，转轴与定子保持非接触的状态，因此具有无磨损、高转速、高精度、长寿命等优点。磁轴承按工作原理可分为三类：主动式磁轴承、被动式磁轴承和混合式磁轴承。

专利号CN110017330A“一种轴向径向电磁型磁轴承”中的主动式三自由度磁轴承结构复杂，采用E形凸极径向分块定子，来形成对径向轴承的偏置磁通，其加工制作工艺复杂，装配困难，存在径向悬浮绕组在轴向方向上漏磁。

由于现有技术中的磁悬浮主动式三自由度轴承通过设置偏置定子来形成径向轴承的偏置磁通，导致结构复杂，体积较大，工艺复杂，装配困难等技术问题，因此本发明研究设计出一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的磁悬浮主动式三自由度轴承通过设置偏置定子来形成径向轴承的偏置磁通，导致结构复杂，体积较大的缺陷，从而提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承，其包括：

轴向磁轴承、径向磁轴承和轴承转子，所述轴向磁轴承和所述径向磁轴承均套设在转轴的外周，所述轴向磁轴承包括第一轴向定子和第二轴向定子，所述径向磁轴承包括径向定子，所述轴承转子套设在所述转轴的外周且能随着所述转轴一起转动，所述径向定子位于所述轴承转子的外周且能对所述轴承转子施加径向电磁力，沿所述转轴的轴向方向所述第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向一端，所述第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向另一端，所述第一轴向定子和所述第二轴向定子能对所述轴承转子施加轴向电磁力，所述径向定子包括径向铁芯和径向绕组，所述径向铁芯为环状结构且套设于所述轴承转子的径向外侧；所述第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧且位于所述径向绕组的径向内侧，所述第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧且位于所述径向绕组的径向内侧，使得所述径向磁轴承的偏置磁通由所述轴向磁轴承提供。

在一些实施方式中，在轴向方向，所述径向铁芯的轴向长度小于所述轴承转子的轴向长度，所述轴承转子与所述第一轴向定子相对的第一轴向端比所述径向铁芯与所述第一轴向定子相对的第三轴向端凸出第一预设距离，使得所述径向铁芯的所述第三轴向端相对于所述第一轴向端缩回形成第一空间，所述第一轴向定子的至少部分结构伸入至所述第一空间中以与所述轴承转子的部分结构在径向上相对；

所述轴承转子与所述第二轴向定子相对的第二轴向端比所述径向铁芯与所述第二轴向定子相对的第四轴向端凸出第二预设距离，使得所述径向铁芯的所述第四轴向端相对于所述第二轴向端缩回形成第二空间，所述第二轴向定子的至少部分结构伸入至所述第二空间中以与所述轴承转子的部分结构在径向上相对。

在一些实施方式中，所述第一轴向定子包括第一轴向铁芯和第一轴向绕组，所述第一轴向铁芯为环形结构，所述第一轴向铁芯包括第一主体部、第一环形部和第二环形部，所述第一主体部为具有第一中心孔的圆盘结构，所述第一中心孔容纳所述转轴从中穿过，所述第二环形部位于所述第一环形部的径向外侧，所述第一环形部的一端与所述第一主体部相接且另一端朝所述轴承转子的方向延伸至与所述轴承转子相对，所述第二环形部的一端与所述第一主体部相接且另一端朝所述径向铁芯的方向延伸至与所述径向铁芯相对并伸入所述第一空间中，以在所述第一环形部的径向外侧与所述第二环形部的径向内侧之间形成第一容纳槽，所述第一轴向绕组设置于所述第一容纳槽中并缠绕在所述第一环形部的外周。

在一些实施方式中，所述第一环形部沿所述转轴的轴向方向延伸且与所述轴承转子间隔第三预设距离，形成第一轴向工作间隙；所述第二环形部也沿所述转轴的轴向方向延伸且与所述径向铁芯间隔第四预设距离，形成第二轴向工作间隙；

所述第二环形部的轴向长度大于所述第一环形部的轴向长度，且所述第二环形部与所述径向铁芯相对的一端位于所述轴承转子的径向外侧，使得所述第二环形部与所述径向铁芯相对的一端与所述轴承转子的部分结构在径向方向相对。

在一些实施方式中，所述第二轴向定子包括第二轴向铁芯和第二轴向绕组，所述第二轴向铁芯为环形结构，所述第二轴向铁芯包括第二主体部、第三环形部和第四环形部，所述第二主体部为具有第二中心孔的圆盘结构，所述第二中心孔容纳所述转轴从中穿过，所述第三环形部的一端与所述第二主体部相接且另一端朝所述轴承转子的方向延伸至与所述轴承转子相对，所述第四环形部的一端与所述第二主体部相接且另一端朝所述径向铁芯的方向延伸至与所述径向铁芯相对，且所述第四环形部位于所述第三环形部的径向外侧，以在所述第三环形部的径向外侧与所述第四环形部的径向内侧之间形成第二容纳槽，所述第二轴向绕组设置于所述第二容纳槽中并缠绕在所述第三环形部的外周。

在一些实施方式中，所述第三环形部沿所述转轴的轴向方向延伸且与所述轴承转子间隔第五预设距离，形成第一轴向工作间隙；所述第四环形部也沿所述转轴的轴向方向延伸且与所述径向铁芯间隔第六预设距离，形成第二轴向工作间隙；

所述第四环形部的轴向长度大于所述第三环形部的轴向长度，且所述第四环形部与所述径向铁芯相对的一端位于所述轴承转子的径向外侧，使得所述第四环形部与所述径向铁芯相对的一端与所述轴承转子的部分结构在径向方向相对。

在一些实施方式中，所述第一轴向绕组与所述第二轴向绕组的通电方向相反。

在一些实施方式中，所述径向铁芯包括径向定子磁轭和径向定子极柱，所述径向定子磁轭为环形结构，所述径向定子极柱的径向外端与所述径向定子磁轭连接、径向内端朝所述轴承转子凸出并与所述轴承转子之间具有径向工作间隙，每个径向定子极柱上均绕设有所述径向绕组；

并且在径向截面内，所述径向定子包括位于右上方的第一象限部分、位于左上方的第二象限部分、位于左下方的第三象限部分和位于右下方的第四象限部分，所述第一象限部分、所述第二象限部分、所述第三象限部分和第四象限部分沿逆时针依次相接，所述第一象限部分与所述第三象限部分形成对角，所述第二象限部分与所述第四象限部分形成对角，并有：所述第二象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第四象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成左径向控制磁路，所述第一象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第三象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成右径向控制磁路。

在一些实施方式中，所述径向定子极柱的数量为4n个，其中n为自然数。

在一些实施方式中，所述径向定子极柱包括第一极柱和第二极柱，在径向截面内，所述第一极柱的周向宽度大于所述第二极柱的周向宽度，并且在每个象限部分中均分布至少一个所述第一极柱和至少一个所述第二极柱。

在一些实施方式中，所述轴向磁轴承为所述径向磁轴承提供的偏置磁通均沿径向方向朝向所述转轴的圆心的方向形成轴向偏置磁路；或者，所述轴向磁轴承为所述径向磁轴承提供的偏置磁通均沿径向方向朝着背离所述转轴的圆心的方向形成轴向偏置磁路；在形成对角的两个象限部分中，其中一个象限部分中的径向磁通沿径向方向朝向所述转轴的圆心，另外一个象限部分中的径向磁通沿径向方向背离所述转轴的圆心。

在一些实施方式中，当所述第一轴向定子包括第一轴向铁芯和第一轴向绕组，所述第一轴向铁芯包括第一主体部、第一环形部和第二环形部，所述第二轴向定子包括第二轴向铁芯和第二轴向绕组，所述第二轴向铁芯包括第二主体部、第三环形部和第四环形部时：

所述径向绕组同时位于所述第二环形部和所述第四环形部的径向外侧，且所述第二环形部和所述第四环形部均与所述径向定子极柱相对。

本发明还提供一种电机，其包括前任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

本发明还提供一种压缩机，其包括前任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

本发明提供的一种磁悬浮主动式三自由度轴承、电机和压缩机具有如下有益效果：

1.本发明通过轴向磁轴承和径向磁轴承的有效布置，使得径向定子位于所述轴承转子的外周且能对所述轴承转子施加径向电磁力，第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向一端，第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向另一端，能够通过第一轴向定子和第二轴向定子对所述轴承转子施加轴向电磁力，从而使得轴承转子能够被径向定子施加径向电磁力而调节转轴的径向偏移，同时轴承转子能够被第一和第二轴向定子施加轴向电磁力而调节转轴的轴向偏移，最终达到对转轴实现径向和轴向支撑的目的，并且所述第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧，所述第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧，使得所述径向磁轴承的偏置磁通由所述轴向磁轴承提供，使得相对于现有的主动式三自由度磁悬浮轴承需要通过设置比如偏置定子等结构来为径向轴承提供偏置磁路的方案而言，本发明通过上述结构的设置使得第一和第二轴向定子能够有效地为径向定子提供偏置磁路，省去了原有的比如偏置定子等结构，结构更为紧凑、简单，工艺难度降低，体积减小，装配容易；本发明有效地将径向磁轴承与轴向磁轴承结合到一起，形成一体的轴、径向一体的磁轴承结构，相对于现有技术中的分开式轴向磁轴承和径向磁轴承需要单独对轴向磁轴承设置止推轴承来对转轴提供轴向力，同时需要对径向磁轴承设置径向磁轴承转子而言，有效地省去了止推轴承的结构，使得转子的轴向尺寸得到有效地减小和缩短，将径向轴承和轴向轴承集成化，无推力盘，结构紧凑，减小轴承尺寸，缩短转子长度，提高转子临界转速，提高磁悬浮系统的稳定性和应用性；本发明通过轴向定子为径向定子提供偏置磁路，能够相对于混合式磁悬浮轴承而言有效省去永磁体的结构，成本低，装配方便，承载力大，可大功率运行；

2.本发明还通过将径向绕组设置于第一轴向铁芯和第二轴向铁芯的径向外侧，以及第二环形部和第四环形部均与径向定子极柱相对，能相对于现有的轴向定子的上磁极位于径向定子磁轭旁的方案而言(即现有的轴向定子上磁极位于径向定子磁轭的轴向一侧)，能够有效减小径向磁路在轴向方向的漏磁，有效杜绝轴向出力在周向上不均匀的情况；本发明还通过径向磁路成对角连通的设置形式能够提供2路功放，相对于现有的采用4路功放的结构而言，本发明能够有效减少物料成本，并且减小电流损耗，并且上述磁路控制转轴径向方向移动方位广，控制效果好，精度高，控制方法简单。

附图说明

图1是本发明的磁悬浮主动式三自由度轴承的纵截面结构图(轴向截面，三自由度轴承轴向磁路)；

图2是图1中上半部分的轴向定子、径向定子和轴承转子的配合结构图；

图3是本发明的磁悬浮主动式三自由度轴承的横截面结构图(径向截面，三自由度轴承径向磁路)。

附图标记表示为：

100、轴向磁轴承；300、第一轴向定子；1、第一轴向铁芯；1a、第一主体部；1b、第一环形部；1c、第二环形部；1d、第一容纳槽；3、第一轴向绕组；400、第二轴向定子；2、第二轴向铁芯；2a、第二主体部；2b、第三环形部；2c、第四环形部；2d、第二容纳槽；4、第二轴向绕组；200、径向磁轴承；500、径向定子；5、径向绕组；6、径向铁芯；61、第三轴向端；62、第四轴向端；7、轴承转子；71、第一轴向端；72、第二轴向端；8、转轴；9、左轴向上磁极；10、右轴向上磁极；11、径向定子磁轭；12、径向定子极柱；13、左轴向下磁极；14、右轴向下磁极；15、径向工作间隙；16、第一轴向工作间隙；001、轴向偏置磁路；002、左径向控制磁路；003、右径向控制磁路；17、第一极柱；18、第二极柱；19、第二轴向工作间隙。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承，其包括：

轴向磁轴承100、径向磁轴承200和轴承转子7，所述轴向磁轴承100和所述径向磁轴承200均套设在转轴8的外周，所述轴向磁轴承100包括第一轴向定子300和第二轴向定子400，所述径向磁轴承200包括径向定子500，所述轴承转子7套设在所述转轴8的外周且能随着所述转轴8一起转动，所述径向定子500位于所述轴承转子7的外周且能对所述轴承转子7施加径向电磁力，沿所述转轴8的轴向方向所述第一轴向定子300的至少部分结构位于所述轴承转子7的轴向一端，所述第二轴向定子400的至少部分结构位于所述轴承转子7的轴向另一端，所述第一轴向定子300和所述第二轴向定子400能对所述轴承转子7施加轴向电磁力，所述径向定子500包括径向铁芯6和径向绕组5，所述径向铁芯6为环状结构且套设于所述轴承转子7的径向外侧且位于所述径向绕组5的径向内侧，所述第一轴向定子300的至少部分结构位于所述轴承转子7的径向外侧且位于所述径向绕组5的径向内侧，所述第二轴向定子400的至少部分结构位于所述轴承转子7的径向外侧，使得所述径向磁轴承200的偏置磁通由所述轴向磁轴承100提供。

本发明通过轴向磁轴承和径向磁轴承的有效布置，使得径向定子位于所述轴承转子的外周且能对所述轴承转子施加径向电磁力，第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向一端，第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的轴向另一端，能够通过第一轴向定子和第二轴向定子对所述轴承转子施加轴向电磁力，从而使得轴承转子能够被径向定子施加径向电磁力而调节转轴的径向偏移，同时轴承转子能够被第一和第二轴向定子施加轴向电磁力而调节转轴的轴向偏移，最终达到对转轴实现径向和轴向支撑的目的，并且所述第一轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧，所述第二轴向定子的至少部分结构位于所述轴承转子的径向外侧，使得所述径向磁轴承的偏置磁通由所述轴向磁轴承提供，使得相对于现有的主动式三自由度磁悬浮轴承需要通过设置比如偏置定子等结构来为径向轴承提供偏置磁路的方案而言，本发明通过上述结构的设置使得第一和第二轴向定子能够有效地为径向定子提供偏置磁路，省去了原有的比如偏置定子等结构，结构更为紧凑、简单，工艺难度降低，体积减小，装配容易；本发明有效地将径向磁轴承与轴向磁轴承结合到一起，形成一体的轴、径向一体的磁轴承结构，相对于现有技术中的分开式轴向磁轴承和径向磁轴承需要单独对轴向磁轴承设置止推轴承来对转轴提供轴向力，同时需要对径向磁轴承设置径向磁轴承转子而言，有效地省去了止推轴承的结构，使得转子的轴向尺寸得到有效地减小和缩短，将径向轴承和轴向轴承集成化，无推力盘，结构紧凑，减小轴承尺寸，缩短转子长度，提高转子临界转速，提高磁悬浮系统的稳定性和应用性；本发明通过轴向定子为径向定子提供偏置磁路，能够相对于混合式磁悬浮轴承而言有效省去永磁体的结构，成本低，装配方便，承载力大，可大功率运行。

本发明提出的主动式三自由度磁轴承，轴向绕组采用单线圈模式，安装在左右轴向定子中，与径向定子极柱衔接，提供轴向磁路，控制轴承转子的轴向移动，径向轴承有4n个磁极(n为1、2、3、4……)，径向定子上端磁极为N极，径向顶端下端磁极为S极(或者上端为S极，下端为N极)，轴向磁路在径向方向上提供的偏置磁路增强或削弱径向气隙磁场，控制转轴径向方向的移动，同时实现对转轴径向和轴向三个自由度上的移动，有效减小轴承定子体积，缩短转轴长度，提高转子运行稳定性。

本发明有效去掉了推力盘，由轴承转子代替，使得径向轴承和轴向轴承一体化。与常规的主动式磁轴承相比，无需安装推力盘，结构紧凑，工艺简单；与通常的混合式三自由度磁轴承相比，没有永磁体，由电磁力提供偏置磁场和控制磁场，承载力大、刚度高、控制灵活，此三自由度磁轴承可大功率运行、临界转速高，提高磁悬浮系统的稳定性和应用性。

解决的技术问题：

1.本发明将径向轴承和轴向轴承集成化，无推力盘，结构紧凑，减小轴承尺寸，缩短转子长度，提高转子临界转速，提高磁悬浮系统的稳定性和应用性。

2.本发明与轴向上磁极位于径向定子磁轭旁相比，减小径向磁路在轴向方向的漏磁，杜绝轴向出力周向不均匀情况。

有益效果：

1.本发明的径轴向轴承定子，加工制作工艺简单，轴径向磁路控制方便。

2.本发明径轴向集成化高，无推力盘，降低成本，结构紧凑，工艺简单，临界转速高，性能稳定；无永磁体，成本低，装配方便，承载力大，可大功率运行。

在一些实施方式中，在轴向方向，所述径向铁芯6的轴向长度小于所述轴承转子7的轴向长度。这是本发明的径向定子的优选结构形式，即包括径向铁芯和径向绕组，并且本发明通过径向铁芯的轴向长度小于轴承转子的轴向长度，能够使得第一轴向定子的至少部分结构能够伸入所述径向铁芯比轴承转子短出来的部分空间中，从而使得第一轴向定子的磁路能够进入径向定子，进而进入轴承转子中，而有效地为径向定子提供偏置磁路，而不用增设偏置定子、永磁体等结构；同样的，本发明通过上述结构能够使得第二轴向定子的至少部分结构能够伸入所述径向铁芯比轴承转子短出来的部分空间中，从而使得第二轴向定子的磁路能够进入径向定子，进而进入轴承转子中，而有效地为径向定子提供偏置磁路，而不用增设偏置定子、永磁体等结构，结构更为紧凑，体积缩小，形成集成为一体的主动式三自由度磁悬浮轴承。

在一些实施方式中，所述轴承转子7与所述第一轴向定子300相对的第一轴向端71比所述径向铁芯6与所述第一轴向定子300相对的第三轴向端61凸出第一预设距离，使得所述径向铁芯6的所述第三轴向端61相对于所述第一轴向端71缩回形成第一空间，所述第一轴向定子300的至少部分结构伸入至所述第一空间中以与所述轴承转子7的部分结构在径向上相对；

所述轴承转子7与所述第二轴向定子400相对的第二轴向端72比所述径向铁芯6与所述第二轴向定子400相对的第四轴向端62凸出第二预设距离，使得所述径向铁芯6的所述第四轴向端62相对于所述第二轴向端72缩回形成第二空间，所述第二轴向定子400的至少部分结构伸入至所述第二空间中以与所述轴承转子7的部分结构在径向上相对。

这是本发明的径向铁芯与第一轴向定子以及第二轴向定子之间优选的配合结构形式，即通过径向铁芯的第三轴向端相对于轴承转子的第一轴向端向内缩回第一预设距离而形成的第一空间，能够容纳第一轴向定子的至少部分结构伸入第一空间中，从而使得第一轴向定子产生的磁通能够进入径向定子，进而进入轴承转子中，为径向定子提供偏置磁路，不用增设偏置定子、永磁体等结构，结构更为紧凑，体积缩小；通过径向铁芯的第四轴向端相对于轴承转子的第二轴向端向内缩回第二预设距离而形成的第二空间，能够容纳第二轴向定子的至少部分结构伸入第二空间中，从而使得第二轴向定子产生的磁通能够进入径向定子，进而进入轴承转子中，为径向定子提供偏置磁路，不用增设偏置定子、永磁体等结构，结构更为紧凑，体积缩小。

在一些实施方式中，所述第一轴向定子300包括第一轴向铁芯1和第一轴向绕组3，所述第一轴向铁芯1为环形结构，所述第一轴向铁芯1包括第一主体部1a、第一环形部1b(即图1中的左轴下磁极13)和第二环形部1c(即图1中的左轴上磁极9)，所述第一主体部1a为具有第一中心孔的圆盘结构，所述第一中心孔容纳所述转轴8从中穿过，所述第二环形部1c位于所述第一环形部1b的径向外侧，所述第一环形部1b的一端与所述第一主体部1a(优选径向内端)相接且另一端朝所述轴承转子7的方向延伸至与所述轴承转子7相对，所述第二环形部1c的一端与所述第一主体部1a(优选径向外端)相接且另一端朝所述径向铁芯6的方向延伸至与所述径向铁芯6相对并伸入所述第一空间中，以在所述第一环形部1b的径向外侧与所述第二环形部1c的径向内侧之间形成第一容纳槽1d，所述第一轴向绕组3设置于所述第一容纳槽1d中并缠绕在所述第一环形部1b的外周。

这是本发明的第一轴向定子的优选结构形式，通过第一环形部和第二环形部能够形成容纳第一轴向绕组设置的第一容纳槽，并且第一环形部与轴承转子相对以容纳磁路通过，第二环形部与径向铁芯相对且第二环形部的与径向铁芯相对的端部伸入第一空间中，能够有效地对径向铁芯和第二环形部做出改进，使得第二环形部、径向铁芯、轴承转子、第一环形部和第一主体部形成闭环的磁通路，并且这样的结构能够使得第一轴向定子为径向定子提供径向的偏置磁通，使得第一轴向定子与径向定子集成为一体结构，有效省去了推力盘、永磁体、偏置定子等结构，结构紧凑，体积得到有效的减小。

在一些实施方式中，所述第一环形部1b沿所述转轴8的轴向方向延伸且与所述轴承转子7间隔第三预设距离，形成第一轴向工作间隙16；所述第二环形部1c也沿所述转轴8的轴向方向延伸且与所述径向铁芯6间隔第四预设距离，形成第二轴向工作间隙19；

所述第二环形部1c的轴向长度大于所述第一环形部1b的轴向长度，且所述第二环形部1c与所述径向铁芯6相对的一端位于所述轴承转子7的径向外侧，使得所述第二环形部1c与所述径向铁芯6相对的一端与所述轴承转子7的部分结构在径向方向相对。

这是本发明的第一环形部和第二环形部的优选结构形式，即第一环形部沿轴向延伸，并与轴承转子之间形成第一轴向工作间隙，使得第一环形部与轴承转子之间能够形成磁通通过，并且第一环形部不随轴承转子转动，第二环形部与径向铁芯间隔第二轴向工作间隙，使得第二环形部与径向铁芯之间能够形成磁通通过，并且第二环形部不与径向定子之间形成摩擦或漏磁；第二环形部的轴向长度大于第一环形部的轴向长度，使得第二环形部与径向铁芯相对的端部能够伸入第一空间中，并且在径向方向与轴承转子的部分结构相对，能够将第一轴向定子中的磁路传递到径向铁芯和轴承转子中，形成结构更为紧凑的一体化轴承定子和径向定子的结构，省去推力盘、偏置定子、永磁体等结构，减小体积。

在一些实施方式中，所述第二轴向定子400包括第二轴向铁芯2和第二轴向绕组4，所述第二轴向铁芯2为环形结构，所述第二轴向铁芯2包括第二主体部2a、第三环形部2b和第四环形部2c，所述第二主体部2a为具有第二中心孔的圆盘结构，所述第二中心孔容纳所述转轴8从中穿过，所述第三环形部2b的一端与所述第二主体部2a(优选径向内端)相接且另一端朝所述轴承转子7的方向延伸至与所述轴承转子7相对，所述第四环形部2c的一端与所述第二主体部2a(优选径向外端)相接且另一端朝所述径向铁芯6的方向延伸至与所述径向铁芯6相对，且所述第四环形部2c位于所述第三环形部2b的径向外侧，以在所述第三环形部2b的径向外侧与所述第四环形部2c的径向内侧之间形成第二容纳槽2d，所述第二轴向绕组4设置于所述第二容纳槽2d中并缠绕在所述第三环形部2b的外周。

这是本发明的第二轴向定子的优选结构形式，通过第三环形部和第四环形部能够形成容纳第二轴向绕组设置的第二容纳槽，并且第三环形部与轴承转子相对以容纳磁路通过，第四环形部与径向铁芯相对且第四环形部的与径向铁芯相对的端部伸入第二空间中，能够有效地对径向铁芯和第四环形部做出改进，使得第四环形部、径向铁芯、轴承转子、第三环形部和第二主体部形成闭环的磁通路，并且这样的结构能够使得第二轴向定子为径向定子提供径向的偏置磁通，使得第二轴向定子与径向定子集成为一体结构，有效省去了推力盘、永磁体、偏置定子等结构，结构紧凑，体积得到有效的减小。

在一些实施方式中，所述第三环形部2b沿所述转轴8的轴向方向延伸且与所述轴承转子7间隔第五预设距离，形成第一轴向工作间隙16；所述第四环形部2c也沿所述转轴8的轴向方向延伸且与所述径向铁芯6间隔第六预设距离，形成第二轴向工作间隙19；

所述第四环形部2c的轴向长度大于所述第三环形部2b的轴向长度，且所述第四环形部2c与所述径向铁芯6相对的一端位于所述轴承转子7的径向外侧，使得所述第四环形部2c与所述径向铁芯6相对的一端与所述轴承转子7的部分结构在径向方向相对。

这是本发明的第三环形部和第四环形部的优选结构形式，即第三环形部沿轴向延伸，并与轴承转子之间形成第一轴向工作间隙，使得第三环形部与轴承转子之间能够形成磁通通过，并且第三环形部不随轴承转子转动，第四环形部与径向铁芯间隔第二轴向工作间隙，使得第四环形部与径向铁芯之间能够形成磁通通过，并且第四环形部不与径向定子之间形成摩擦或漏磁；第四环形部的轴向长度大于第三环形部的轴向长度，使得第四环形部与径向铁芯相对的端部能够伸入第二空间中，并且在径向方向与轴承转子的部分结构相对，能够将第二轴向定子中的磁路传递到径向铁芯和轴承转子中，形成结构更为紧凑的一体化轴承定子和径向定子的结构，省去推力盘、偏置定子、永磁体等结构，减小体积。

在一些实施方式中，所述第一轴向绕组3与所述第二轴向绕组4的通电方向相反。本发明两个轴向绕组的通电方向相反，能够使得两个轴向定子在径向定子上产生的偏置磁通均朝向径向内侧，能够对径向铁芯提供较大的偏置磁路，因此能够减小径向绕组的径向磁通，减小径向绕组的功率，提高轴向磁轴承的利用率；径向绕组沿轴向方向缠绕能够产生沿径向方向的磁通，可以指向径向内侧也可以指向径向外侧，从而为磁悬浮轴承的径向方向的出力提供控制磁通路。

本发明的主动式三自由度磁轴承结构如图1所示，与传统的主动式磁轴承结构相比，去掉推力盘，由轴承转子代替，轴向定子位于径向定子两端，径向轴承和轴向轴承集成化，该结构主要由左轴向定子(包括第一轴向铁芯1和第一轴向绕组3)，右轴向定子(包括第二轴向铁芯2和第二轴向绕组4)，径向绕组5，径向定子(包括径向铁芯6和径向绕组5)，轴承转子7，转轴(8)等零件组成。

图1所示为主动式三自由度轴向轴承轴向磁路，轴向定子结构如图，轴向定子上磁极位于径向绕组5的下端，与径向定子极柱12相衔接，轴向下磁级位于轴承转子7两端，轴向绕组产生的轴向偏置磁路001包含左轴向磁路和右轴向磁路，用来控制轴承转子轴向移动，左轴向磁路经左轴向上磁极9-径向定子极柱12-径向工作间隙15-轴承转子7-第一轴向工作间隙16-左轴向下磁极13回到左轴向定子(即第一主体部1a)闭合，右轴向磁路经右轴向上磁极10-径向定子极柱12-径向工作间隙15-轴承转子7-第一轴向工作间隙16-右轴向下磁极14回到右轴向定子(即第二主体部2a)闭合，需控制轴承转子向左移动时，增大左轴向绕组电流，轴承转子受到向左的力大，反之，需控制轴承转子向右移动时，增大右轴向绕组电流，轴承转子受到向右的力大，从而通过控制左右轴向绕组电流大小，来控制轴承转子的轴向移动。

在一些实施方式中，所述径向铁芯6包括径向定子磁轭11和径向定子极柱12，所述径向定子磁轭11为环形结构，所述径向定子极柱的径向外端与所述径向定子磁轭11连接、径向内端朝所述轴承转子7凸出并与所述轴承转子7之间具有径向工作间隙15，每个径向定子极柱上均绕设有所述径向绕组5；

并且在径向截面内，所述径向定子500包括位于右上方的第一象限部分、位于左上方的第二象限部分、位于左下方的第三象限部分和位于右下方的第四象限部分，所述第一象限部分、所述第二象限部分、所述第三象限部分和第四象限部分沿逆时针依次相接，所述第一象限部分与所述第三象限部分形成对角，所述第二象限部分与所述第四象限部分形成对角，并有：所述第二象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第四象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成左径向控制磁路002，所述第一象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第三象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成右径向控制磁路003。

本发明还通过径向磁路成对角连通的设置形式，能够提供2路功放，相对于现有的采用4路功放的结构而言，本发明能够有效减少物料成本，并且减小电流损耗，并且上述磁路控制转轴径向方向移动方位广，控制效果好，精度高，控制方法简单。

图3所示为本发明的主动式三自由度径向轴承径向磁路，径向定子结构如图，有4n个磁极(n为1、2、3、4……)，径向定子上端磁极为N极，径向顶端下端磁极为S极(或者上端为S极，下端为N极)，径向磁路如图3所示。径向定子的左上线圈与右下线圈相串联，产生左径向控制磁路002，径向定子的右上线圈与左下线圈相串联，产生右径向控制磁路003，如让轴承转子向左上方向移动，线圈通入正电流，左径向控制磁路002经左上径向定子极柱(第一极柱17)-径向工作间隙15-轴承转子7-径向工作间隙15-右下径向定子极柱(第一极柱17)-径向定子磁轭11回到左上径向定子极柱(第一极柱17)闭合，轴向提供的轴向偏置磁路001如图3虚线所示，全部指向圆心(或指向圆周)，径向定子左上磁极磁场增强，右下磁极磁场削弱，使轴承转子受到向左上方的力，同理如让轴承转子向右上方向则径向定子右上磁极磁场增强，左下磁极磁场削弱。通过调节径向电流的的大小和正负来控制轴承转子径向方向的移动，实现径向稳定悬浮，上述磁路控制转轴径向方向移动方位广，控制方法简单。此三自由度磁轴承结构将径向轴承与轴向轴承集成化，无推力盘，结构紧凑，工艺简单，保证同等出力情况下，有效地减小轴承体积，提高转子临界转速，提高系统运行稳定性。

在一些实施方式中，所述径向定子极柱12包括第一极柱17和第二极柱18，在径向截面内，所述第一极柱17的周向宽度大于所述第二极柱18的周向宽度，并且在每个象限部分中均分布至少一个所述第一极柱17和至少一个所述第二极柱18；所述径向定子极柱的数量为4n个，其中n为自然数。这是本发明的径向定子极柱的优选结构形式，即包括两个周向宽度不同的极柱，能够形成磁通量不同，能够根据需要进行控制。

在一些实施方式中，在每个象限部分中，均设置一个所述第一极柱17和2个所述第二极柱18，且在周向方向上，所述第一极柱17的周向一侧设置一个第二极柱18，周向另一侧设置另一个第二极柱18，使得所述第一极柱17位于2个所述第二极柱18的中间。这是本发明的每个象限部分中的进一步优选极柱分布形式，即磁通量较大的极柱位于中间，磁通量较小的两个极柱位于两侧，能够根据实际空间结构进行布置，最大程度地增大磁通量，并且通过大极柱的设置还能够有效地避免磁通饱和。

在一些实施方式中，所述轴向磁轴承100为所述径向磁轴承200提供的偏置磁通均沿径向方向朝向所述转轴8的圆心的方向形成轴向偏置磁路001；或者，所述轴向磁轴承100为所述径向磁轴承200提供的偏置磁通均沿径向方向朝着背离所述转轴8的圆心的方向形成轴向偏置磁路001；在形成对角的两个象限部分中，其中一个象限部分中的径向磁通沿径向方向朝向所述转轴8的圆心，另外一个象限部分中的径向磁通沿径向方向背离所述转轴8的圆心。

本发明通过轴向磁轴承提供的偏置磁通均沿径向朝向转轴的圆心，从而形成相对不变的偏置磁路，并且两个轴向定子产生的偏置磁通均朝向径向内侧或均朝向径向外侧能够有效增大磁通量，从而能够减小径向绕组的径向磁通，减小径向绕组的功率，提高轴向磁轴承的利用率；对角的两个象限部分中，其中一个的磁通朝径向内侧，另一个象限的磁通朝径向外侧，能够通过径向内侧的磁通进入轴承转子中，并通过另一个象限中的磁通将磁路引出至定子轭部，从而形成闭环回路，并且这样的控制手段能够大大地增强了控制能力，比如若需要将转轴朝左上方向驱动运动，则本发明增大第二象限和第四象限的绕组电流，能够同时驱动第二象限朝左上运动，以及驱动第四象限朝左上运动，这样相对于现有的磁悬浮轴承而言有效增大了对转轴的控制能力以及控制效率。

在一些实施方式中，当所述第一轴向定子300包括第一轴向铁芯1和第一轴向绕组3，所述第一轴向铁芯1包括第一主体部1a、第一环形部1b和第二环形部1c，所述第二轴向定子400包括第二轴向铁芯2和第二轴向绕组4，所述第二轴向铁芯2包括第二主体部2a、第三环形部2b和第四环形部2c时：

所述径向绕组5同时位于所述第二环形部1c和所述第四环形部2c的径向外侧，且所述第二环形部1c和所述第四环形部2c均与所述径向定子极柱相对。

本发明还通过将径向绕组设置于第一轴向铁芯和第二轴向铁芯的径向外侧，以及第二环形部和第四环形部均与径向定子极柱相对，能相对于现有的轴向定子的上磁极位于径向定子磁轭旁的方案而言(即现有的轴向定子上磁极位于径向定子磁轭的轴向一侧)，能够有效减小径向磁路在轴向方向的漏磁，有效杜绝轴向出力在周向上不均匀的情况。

本发明还提供一种电机，其包括前任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

本发明还提供一种压缩机，其包括前任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：包括：

轴向磁轴承(100)、径向磁轴承(200)和轴承转子(7)，所述轴向磁轴承(100)和所述径向磁轴承(200)均套设在转轴(8)的外周，所述轴向磁轴承(100)包括第一轴向定子(300)和第二轴向定子(400)，所述径向磁轴承(200)包括径向定子(500)，所述轴承转子(7)套设在所述转轴(8)的外周且能随着所述转轴(8)一起转动，所述径向定子(500)位于所述轴承转子(7)的外周且能对所述轴承转子(7)施加径向电磁力，沿所述转轴(8)的轴向方向所述第一轴向定子(300)的至少部分结构位于所述轴承转子(7)的轴向一端，所述第二轴向定子(400)的至少部分结构位于所述轴承转子(7)的轴向另一端，所述第一轴向定子(300)和所述第二轴向定子(400)能对所述轴承转子(7)施加轴向电磁力；所述径向定子(500)包括径向铁芯(6)和径向绕组(5)，所述径向铁芯(6)为环状结构且套设于所述轴承转子(7)的径向外侧；所述第一轴向定子(300)的至少部分结构位于所述轴承转子(7)的径向外侧且位于所述径向绕组(5)的径向内侧，所述第二轴向定子(400)的至少部分结构位于所述轴承转子(7)的径向外侧且位于所述径向绕组(5)的径向内侧，使得所述径向磁轴承(200)的偏置磁通由所述轴向磁轴承(100)提供。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

在轴向方向，所述径向铁芯(6)的轴向长度小于所述轴承转子(7)的轴向长度，所述轴承转子(7)与所述第一轴向定子(300)相对的第一轴向端(71)比所述径向铁芯(6)与所述第一轴向定子(300)相对的第三轴向端(61)凸出第一预设距离，使得所述径向铁芯(6)的所述第三轴向端(61)相对于所述第一轴向端(71)缩回形成第一空间，所述第一轴向定子(300)的至少部分结构伸入至所述第一空间中以与所述轴承转子(7)的部分结构在径向上相对；

所述轴承转子(7)与所述第二轴向定子(400)相对的第二轴向端(72)比所述径向铁芯(6)与所述第二轴向定子(400)相对的第四轴向端(62)凸出第二预设距离，使得所述径向铁芯(6)的所述第四轴向端(62)相对于所述第二轴向端(72)缩回形成第二空间，所述第二轴向定子(400)的至少部分结构伸入至所述第二空间中以与所述轴承转子(7)的部分结构在径向上相对。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述第一轴向定子(300)包括第一轴向铁芯(1)和第一轴向绕组(3)，所述第一轴向铁芯(1)为环形结构，所述第一轴向铁芯(1)包括第一主体部(1a)、第一环形部(1b)和第二环形部(1c)，所述第一主体部(1a)为具有第一中心孔的圆盘结构，所述第一中心孔容纳所述转轴(8)从中穿过，所述第二环形部(1c)位于所述第一环形部(1b)的径向外侧，所述第一环形部(1b)的一端与所述第一主体部(1a)相接且另一端朝所述轴承转子(7)的方向延伸至与所述轴承转子(7)相对，所述第二环形部(1c)的一端与所述第一主体部(1a)相接且另一端朝所述径向铁芯(6)的方向延伸至与所述径向铁芯(6)相对并伸入所述第一空间中，以在所述第一环形部(1b)的径向外侧与所述第二环形部(1c)的径向内侧之间形成第一容纳槽(1d)，所述第一轴向绕组(3)设置于所述第一容纳槽(1d)中并缠绕在所述第一环形部(1b)的外周。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述第一环形部(1b)沿所述转轴(8)的轴向方向延伸且与所述轴承转子(7)间隔第三预设距离，形成第一轴向工作间隙(16)；所述第二环形部(1c)也沿所述转轴(8)的轴向方向延伸且与所述径向铁芯(6)间隔第四预设距离，形成第二轴向工作间隙(19)；

所述第二环形部(1c)的轴向长度大于所述第一环形部(1b)的轴向长度，且所述第二环形部(1c)与所述径向铁芯(6)相对的一端位于所述轴承转子(7)的径向外侧，使得所述第二环形部(1c)与所述径向铁芯(6)相对的一端与所述轴承转子(7)的部分结构在径向方向相对。

5.根据权利要求3所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述第二轴向定子(400)包括第二轴向铁芯(2)和第二轴向绕组(4)，所述第二轴向铁芯(2)为环形结构，所述第二轴向铁芯(2)包括第二主体部(2a)、第三环形部(2b)和第四环形部(2c)，所述第二主体部(2a)为具有第二中心孔的圆盘结构，所述第二中心孔容纳所述转轴(8)从中穿过，所述第三环形部(2b)的一端与所述第二主体部(2a)相接且另一端朝所述轴承转子(7)的方向延伸至与所述轴承转子(7)相对，所述第四环形部(2c)的一端与所述第二主体部(2a)相接且另一端朝所述径向铁芯(6)的方向延伸至与所述径向铁芯(6)相对，且所述第四环形部(2c)位于所述第三环形部(2b)的径向外侧，以在所述第三环形部(2b)的径向外侧与所述第四环形部(2c)的径向内侧之间形成第二容纳槽(2d)，所述第二轴向绕组(4)设置于所述第二容纳槽(2d)中并缠绕在所述第三环形部(2b)的外周。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述第三环形部(2b)沿所述转轴(8)的轴向方向延伸且与所述轴承转子(7)间隔第五预设距离，形成第一轴向工作间隙(16)；所述第四环形部(2c)也沿所述转轴(8)的轴向方向延伸且与所述径向铁芯(6)间隔第六预设距离，形成第二轴向工作间隙(19)；

所述第四环形部(2c)的轴向长度大于所述第三环形部(2b)的轴向长度，且所述第四环形部(2c)与所述径向铁芯(6)相对的一端位于所述轴承转子(7)的径向外侧，使得所述第四环形部(2c)与所述径向铁芯(6)相对的一端与所述轴承转子(7)的部分结构在径向方向相对。

7.根据权利要求5所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述第一轴向绕组(3)与所述第二轴向绕组(4)的通电方向相反。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述径向铁芯(6)包括径向定子磁轭(11)和径向定子极柱(12)，所述径向定子磁轭(11)为环形结构，所述径向定子极柱的径向外端与所述径向定子磁轭(11)连接、径向内端朝所述轴承转子(7)凸出并与所述轴承转子(7)之间具有径向工作间隙(15)，每个径向定子极柱上均绕设有所述径向绕组(5)；

并且在径向截面内，所述径向定子(500)包括位于右上方的第一象限部分、位于左上方的第二象限部分、位于左下方的第三象限部分和位于右下方的第四象限部分，所述第一象限部分、所述第二象限部分、所述第三象限部分和第四象限部分沿逆时针依次相接，所述第一象限部分与所述第三象限部分形成对角，所述第二象限部分与所述第四象限部分形成对角，并有：所述第二象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第四象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成左径向控制磁路(002)，所述第一象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路与所述第三象限部分内的径向定子极柱和磁轭部分形成的磁路连通，形成右径向控制磁路(003)。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述径向定子极柱的数量为4n个，其中n为自然数。

10.根据权利要求9所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述径向定子极柱(12)包括第一极柱(17)和第二极柱(18)，在径向截面内，所述第一极柱(17)的周向宽度大于所述第二极柱(18)的周向宽度，并且在每个象限部分中均分布至少一个所述第一极柱(17)和至少一个所述第二极柱(18)。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

所述轴向磁轴承(100)为所述径向磁轴承(200)提供的偏置磁通均沿径向方向朝向所述转轴(8)的圆心的方向形成轴向偏置磁路(001)；或者，所述轴向磁轴承(100)为所述径向磁轴承(200)提供的偏置磁通均沿径向方向朝着背离所述转轴(8)的圆心的方向形成轴向偏置磁路(001)；在形成对角的两个象限部分中，其中一个象限部分中的径向磁通沿径向方向朝向所述转轴(8)的圆心，另外一个象限部分中的径向磁通沿径向方向背离所述转轴(8)的圆心。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承，其特征在于：

当所述第一轴向定子(300)包括第一轴向铁芯(1)和第一轴向绕组(3)，所述第一轴向铁芯(1)包括第一主体部(1a)、第一环形部(1b)和第二环形部(1c)，所述第二轴向定子(400)包括第二轴向铁芯(2)和第二轴向绕组(4)，所述第二轴向铁芯(2)包括第二主体部(2a)、第三环形部(2b)和第四环形部(2c)时：

所述径向绕组(5)同时位于所述第二环形部(1c)和所述第四环形部(2c)的径向外侧，且所述第二环形部(1c)和所述第四环形部(2c)均与所述径向定子极柱相对。

13.一种电机，其特征在于：包括权利要求1-12中任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

14.一种压缩机，其特征在于：包括权利要求1-12中任一项所述的磁悬浮主动式三自由度轴承。

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