CN219605833U - 五自由度混合磁悬浮轴承、电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种五自由度混合磁悬浮轴承、电机，其中的磁悬浮轴承，包括轴向定子铁芯、前后径向定子铁芯，径向定子铁芯与轴向定子铁芯的端部之间分别设置有第一及第二永磁体环，包括与转轴同轴的轴向定子套筒，转轴具有的第一推力盘与第二推力盘之间形成环形间隔其内设有一组轴向控制线圈，轴向定子铁芯的轴向定子套筒处于环形间隔内，第一永磁体环所形成的第一轴向偏置磁路在第一推力盘内的走向与第二永磁体环所形成的第二轴向偏置磁路在第二推力盘内的走向相反。本实用新型实现仅控制一组轴向控制线圈便能够实现对推力盘的轴向位置的调整控制，控制逻辑更加简单，可以缩短相应的转轴长度，提升转轴转速。

Description

五自由度混合磁悬浮轴承、电机

技术领域

本实用新型属于磁悬浮轴承设计技术领域，具体涉及一种五自由度混合磁悬浮轴承、电机。

背景技术

磁悬浮轴承是利用磁力使转子悬浮于空间的一种新型高性能轴承，由于定转子之间没有机械接触，不存在磨损和润滑，所以特别适合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合，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。

三维空间的自由转子共有六个自由度，分别为三个平动和三个转动。要实现悬浮转子正常工作，除旋转运动外，必须要实现转子其余五个自由度的稳定控制。在先申请，一种低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承(公开号为CN106015331A)，具体而言，其左侧轴向磁轴承铁芯与右侧轴向磁轴承铁芯之间设置有隔磁铝环；左侧径向磁轴承铁芯、右侧径向磁轴承铁芯的定子槽内分别绕制左侧径向磁轴承控制线圈、右侧径向磁轴承控制线圈；左侧轴向磁轴承铁芯、右侧轴向磁轴承铁芯均呈E形结构，定子槽内分别绕制有控制线圈。该实用新型有效解决了现有五自由度磁悬浮系统的不足，提供一种体积小、质量轻、轴向长度短、临界转速高、铁芯利用率高、结构、制造与装配简单、轴向和径向控制磁通均不经过永磁体，可产生更大轴向和径向悬浮力的低功耗永磁偏置五自由度集成化磁轴承，但这种采用两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承代替机械轴承控制转子的五自由度悬浮，由于其轴向控制线圈设置有左右两组，左右两组轴向控制线圈分别设置于推力盘的左右两侧，同时轴向磁轴承铁芯的两侧还分别具有两组径向磁轴承铁芯，这使五自由度的磁轴承的轴向长度过大，导致应用其的转轴系统中的转轴轴长也相应过大，转速提升受到限制，同时在控制方面也较为复杂；左右两组轴向控制线圈的对置结构还需要采用隔磁环将两个轴向铁芯磁路隔离，以减少漏磁现象，这导致磁轴承的结构相对复杂。更为重要的是，当前述技术方案应用于具有轴向间隔的两个推力盘的转轴上时，需要对应的采用两套轴向磁轴承，这将占据更大的轴向尺寸，如何能够缩短与具有双推力盘轴承的转轴匹配的磁悬浮轴承是一项亟待解决的问题。

实用新型内容

因此，本实用新型提供一种五自由度混合磁悬浮轴承、电机，能够解决现有技术中的与具有双推力盘的转轴匹配的五自由度混合磁悬浮轴承由于需要分别对应各推力盘的左右设置相应的两侧轴向线圈，导致磁悬浮轴承的轴向尺寸较大的技术问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种五自由度混合磁悬浮轴承，包括轴向定子铁芯以及分别处于所述轴向定子铁芯的轴向两端的前径向定子铁芯以及后径向定子铁芯，所述前径向定子铁芯与所述轴向定子铁芯的端部之间设置有第一永磁体环，所述后径向定子铁芯与所述轴向定子铁芯的端部之间设置有第二永磁体环，所述轴向定子铁芯包括与转轴同轴的轴向定子套筒，所述转轴具有的第一推力盘与第二推力盘之间形成环形间隔，所述轴向定子套筒处于所述环形间隔内，所述环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈且所述轴向控制线圈环绕所述转轴设置，所述第一永磁体环所形成的第一轴向偏置磁路在所述第一推力盘内的走向与所述第二永磁体环所形成的第二轴向偏置磁路在所述第二推力盘内的走向相反。

在一些实施方式中，所述前径向定子铁芯与所述轴向定子铁芯的第一端之间形成第一空间，所述第一推力盘处于所述第一空间内，且所述前径向定子铁芯套装于所述第一推力盘的径向外侧并具有间隙；所述后径向定子铁芯与所述轴向定子铁芯的第二端之间形成第二空间，所述第二推力盘处于所述第二空间内，且所述后径向定子铁芯套装于所述第二推力盘的径向外侧并具有间隙。

在一些实施方式中，所述五自由度混合磁悬浮轴承还包括第一连接导磁环及第二连接导磁环，所述第一永磁体环以及第二永磁体环分别套装于所述轴向定子套筒的两端，所述第一连接导磁环套装于所述第一永磁体环的外圆周壁上，所述第二连接导磁环套装于所述第二永磁体环的外圆周壁上，所述前径向定子铁芯连接于所述第一连接导磁环的内环壁上，所述后径向定子铁芯连接于所述第二连接导磁环的内环壁上。

在一些实施方式中，所述第一连接导磁环以及所述第二连接导磁环的轴截面包括一沿着所述转轴的径向向外延伸的第一径向段以及沿着所述转轴的轴向延伸的第一轴向段，所述第一轴向段连接于所述第一径向段的径向外端形成L形。

在一些实施方式中，所述轴向定子套筒的两端分别具有沿着所述转轴的径向向外延伸的轴向定子连接铁芯，所述第一永磁体环处于所述前径向定子铁芯与所述轴向定子套筒的第一端的轴向定子连接铁芯之间，所述第二永磁体环处于所述后径向定子铁芯与所述轴向定子套筒的第二端的轴向定子连接铁芯之间。

在一些实施方式中，所述轴向定子连接铁芯的轴截面包括一沿着所述转轴的径向向外延伸的第二径向段以及沿着所述转轴的轴向延伸的第二轴向段，所述第二轴向段连接于所述第二径向段的径向外端形成L形。

在一些实施方式中，所述五自由度混合磁悬浮轴承为内转子结构或者外转子结构；和/或，所述轴向定子套筒的内环壁或者外环壁上具有容置环槽，所述轴向控制线圈缠绕组装于所述容置环槽内。

本实用新型还提供一种电机，包括转轴，所述转轴至少支承于一个上述的五自由度混合磁悬浮轴承上。

本实用新型提供的一种五自由度混合磁悬浮轴承、电机，在环形间隔中仅设置一组与转轴同轴设置的轴向控制线圈便能够利用永磁偏置磁路与轴向控制磁路的方向异同实现磁通的抵消或者叠加，从而实现仅控制一组轴向控制线圈便能够实现对推力盘的轴向位置的调整控制，控制逻辑更加简单，且由于仅设置一组轴向控制线圈因此具有更小的轴向空间需求，与两个推力盘的转轴匹配的磁轴承的轴长可以被设计的更小，进而可以缩短相应的转轴长度，提升转轴转速；而更为重要的是，第一永磁体环与第二永磁体环两者分别处于轴向定子铁芯与两径向定子铁芯之间的位置，能够使轴向控制磁路与径向控制磁路实现隔离，有效降低径向控制磁路与轴向控制磁路之间存在的耦合，进一步降低磁轴承的控制难度，也即控制逻辑得到简化。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例中的五自由度混合磁悬浮轴承的轴截面示意图(仅示出轴截面的一半视图)，图中箭头示出了磁路走向；

图2为本实用新型另一种实施例中的五自由度混合磁悬浮轴承的轴截面示意图(仅示出轴截面的一半视图)，图中箭头示出了磁路走向；

图3为本实用新型又一种实施例中的五自由度混合磁悬浮轴承的轴截面示意图(仅示出轴截面的一半视图)，图中箭头示出了磁路走向；

图4为图3的沿轴向投影的示意图，图中箭头示出了径向磁路走向；

图5为本实用新型再一实施例中的五自由度混合磁悬浮轴承的轴截面示意图，图中箭头示出了磁路走向。

附图标记表示为：

1、轴向定子铁芯；11、轴向定子套筒；12、轴向定子连接铁芯；14、轴向控制线圈；21、前径向定子铁芯；22、后径向定子铁芯；23、径向定子轭部；24、径向定子齿部；25、径向控制线圈；31、第一永磁体环；32、第二永磁体环；41、第一连接导磁环；42、第二连接导磁环；100、第一推力盘；101、第二推力盘；102、转轴；201、轴向控制磁路；202、前径向控制磁路；203、后径向控制磁路；204、第一永磁偏置磁路；205、第二永磁偏置磁路。

具体实施方式

结合参见图1及图5所示，根据本实用新型的实施例，提供一种五自由度混合磁悬浮轴承，包括轴向定子铁芯1以及分别处于轴向定子铁芯1的轴向两端的前径向定子铁芯21以及后径向定子铁芯22，前径向定子铁芯21与轴向定子铁芯1的端部之间设置有第一永磁体环31，后径向定子铁芯22与轴向定子铁芯1的端部之间设置有第二永磁体环32，能够理解的，第一永磁体环31及第二永磁体环32皆与转轴102同轴，轴向定子铁芯1包括与转轴102同轴的轴向定子套筒11(例如采用硅钢片叠装形成)，转轴102具有的第一推力盘100(也可称为转子铁芯)与第二推力盘101之间形成环形间隔(图中未标引)，轴向定子套筒11处于环形间隔内，从而使轴向定子套筒11的两端分别与第一推力盘100及第二推力盘101之间形成轴向调整气隙，环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈14且轴向控制线圈14环绕转轴102设置，第一永磁体环31所形成的第一轴向偏置磁路在第一推力盘100内的走向与第二永磁体环32所形成的第二轴向偏置磁路在第二推力盘101内的走向相反(例如图1中的磁路所示出)。

该技术方案中，在环形间隔中仅设置一组与转轴102同轴设置的轴向控制线圈14便能够利用永磁偏置磁路与轴向控制磁路的方向异同实现磁通的抵消或者叠加，从而实现仅控制一组轴向控制线圈14便能够实现对转轴102的轴向位置的调整控制，控制逻辑更加简单，且由于仅设置一组轴向控制线圈因此具有更小的轴向空间需求，与两个推力盘的转轴匹配的磁轴承的轴长可以被设计的更小，进而可以缩短相应的转轴长度，提升转轴转速；而更为重要的是，第一永磁体环31与第二永磁体环32两者分别处于轴向定子铁芯与两径向定子铁芯之间的位置，能够使轴向控制磁路与径向控制磁路实现隔离，有效降低径向控制磁路与轴向控制磁路之间存在的耦合，进一步降低磁轴承的控制难度，也即控制逻辑得到简化。

在一些实施方式中，前径向定子铁芯21与轴向定子铁芯1的第一端之间形成第一空间，第一推力盘100处于第一空间内，且前径向定子铁芯21套装于第一推力盘100的径向外侧并在两者之间形成间隙；后径向定子铁芯22与轴向定子铁芯1的第二端之间形成第二空间，第二推力盘101处于第二空间内，且后径向定子铁芯22套装于第二推力盘101的径向外侧并在两者之间形成间隙，如此设计，前径向定子铁芯21与后径向定子铁芯22分别与第一推力盘100以及第二推力盘101对应设置，径向控制磁路(202及203)皆对应于两个推力盘，使转轴102的径向位置的调整更加可靠、稳定，同时还可以进一步缩短磁轴承的轴向长度。

在一个具体的实施例中，如图1及图2所示，五自由度混合磁悬浮轴承还包括第一连接导磁环41及第二连接导磁环42(具体可以由硅钢片叠压形成)，第一永磁体环31以及第二永磁体环32分别套装于轴向定子套筒11的两端，第一连接导磁环41套装于第一永磁体环31的外圆周壁上，第二连接导磁环42套装于第二永磁体环32的外圆周壁上，前径向定子铁芯21连接于第一连接导磁环41的内环壁上，后径向定子铁芯22连接于第二连接导磁环42的内环壁上，如此设计，可以使两个永磁体环的半径设计的较小，如此能够节省磁钢的材料成本。进一步地，第一连接导磁环41以及第二连接导磁环42的轴截面包括一沿着转轴102的径向向外延伸的第一径向段以及沿着转轴102的轴向延伸的第一轴向段，第一轴向段连接于第一径向段的径向外端形成L形，如此，相应的推力盘的轴向长度可以被设计的相对较大，能够增加转轴102的对应轴段的直径，进而有利于提升转轴102的整体结构刚度。

在另一个具体的实施例中，如图3所示，轴向定子套筒11的两端分别具有沿着转轴102的径向向外延伸的轴向定子连接铁芯12，第一永磁体环31处于前径向定子铁芯21与轴向定子套筒11的第一端的轴向定子连接铁芯12之间，第二永磁体环32处于后径向定子铁芯22与轴向定子套筒11的第二端的轴向定子连接铁芯12之间，该技术方案中，轴向定子连接铁芯12与轴向定子套筒11连接为一个整体，其可以采用整体的一体化加工(例如冲压或者切削等机加工方式)形成，简化轴向定子铁芯1的组装。具体而言，轴向定子连接铁芯12的轴截面包括一沿着转轴102的径向向外延伸的第二径向段以及沿着转轴102的轴向延伸的第二轴向段，第二轴向段连接于第二径向段的径向外端形成L形，如此，相应的推力盘的轴向长度可以被设计的相对较大，能够增加转轴102的对应轴段的直径，进而有利于提升转轴102的整体结构刚度。

结合参见图3及图4所示，前径向定子铁芯21或者后径向定子铁芯22皆包括径向定子轭部23(具体为一轭环)以及若干个沿着转轴102的圆周方向间隔设置的径向定子齿部24，各个径向定子齿部24上皆绕设有径向控制线圈25，其用于产生径向控制磁路(例如前径向控制磁路202以及后径向控制磁路203)，第一永磁体环31处于径向定子轭部23与相应的第二轴向段的端面之间。

轴向控制线圈14可以通过相应的绝缘骨架(或者其他的组装结构)组装连接(例如黏贴连接或者过盈配合的方式连接)于轴向定子套筒11的内环壁(如图1及图3所示)或者外环壁(如图5所示)上，轴向控制线圈14整体处于轴向定子套筒11的外部区域，不会对轴向定子套筒11的结构造成破坏，磁路面积不会减小，磁阻相对较小，进而不会对轴向控制磁路201的走向构成不利，这利于对磁悬浮轴承的有效控制；参见图2所示，其不同于图1、图3及图5所示出的结构，在该实施例中，前述的内环壁上具有容置环槽(图中未标引)，轴向控制线圈14缠绕组装于容置环槽内且处于转轴102的径向外侧，该技术方案中通过容置环槽对轴向控制线圈14形成组装，连接结构得到简化，且线圈组装更加可靠，该方式作为一种可行的方式，其由于在定子铁芯上形成了容置凹槽，因此一定程度上减小了磁路面积，磁阻被加大。

本实用新型中的五自由度混合磁悬浮轴承为内转子结构(图1至图3所示)或者外转子结构(图5所示)，如此使本实用新型中的磁悬浮轴承的应用场景更加丰富。

在一个优选的实施例中，轴向定子铁芯1由相互对称的两个铁芯子体(图中未标引)拼装形成，左右对称的两个铁芯子体能够便于对轴向控制线圈14需要维护。

根据本实用新型的实施例，还提供一种电机，包括转轴102，转轴102至少支承于一个上述的五自由度混合磁悬浮轴承上。

根据本实用新型的实施例，还提供一种如上述的电机的控制方法，包括如下步骤：

通过位移传感器分别获取第一推力盘100与轴向定子套筒11的第一端面之间的第一最小间距da以及第二推力盘101与轴向定子套筒11的第二端面之间的第二最小间距db；

根据da与db之间的大小关系，调整轴向控制线圈14内的电流方向和/或电流大小以使转轴102朝向da与db中较大值的一侧轴向移动。

该技术方案中，在转轴102的轴向位置偏离预设位置时仅通过控制一组轴向控制线圈14内的电流方向以及大小即可以实现其轴向位置的调整，极大程度地简化了磁悬浮轴承轴向位移的调整控制逻辑。

在一些实施方式中，根据da与db之间的大小关系，调整轴向控制线圈14内的电流方向和/或电流大小以使转轴102朝向da与db中较大值的一侧轴向移动具体包括：

当da＞db时，控制轴向控制线圈14内的电流方向为第一走向以使轴向控制线圈14产生的控制磁路与第一永磁体环31产生的永磁偏置磁路同向叠加、与第二永磁体环32产生的永磁偏置磁路反向削减，控制轴向控制线圈14内的电流大小越来越小；或者，当da＜db时，控制轴向控制线圈14内的电流方向为第二走向以使轴向控制线圈14产生的控制磁路与第一永磁体环31产生的永磁偏置磁路反向削减、与第二永磁体环32产生的永磁偏置磁路同向叠加，控制轴向控制线圈14内的电流大小越来越小，第一方向与第二方向相反；或者，当da＝db时，维持轴向控制线圈14内的电流方向和/或电流大小不变。

对于转轴102的径向位置的调整，则依据现有技术中的径向轴承的调整方式进行调整即可，因为其调整与轴向控制磁路解耦，因此可以实现独立调整，此处不做赘述。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各方式的有利技术特征可以自由地组合、叠加。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，包括轴向定子铁芯(1)以及分别处于所述轴向定子铁芯(1)的轴向两端的前径向定子铁芯(21)以及后径向定子铁芯(22)，所述前径向定子铁芯(21)与所述轴向定子铁芯(1)的端部之间设置有第一永磁体环(31)，所述后径向定子铁芯(22)与所述轴向定子铁芯(1)的端部之间设置有第二永磁体环(32)，所述轴向定子铁芯(1)包括与转轴(102)同轴的轴向定子套筒(11)，所述转轴(102)具有的第一推力盘(100)与第二推力盘(101)之间形成环形间隔，所述轴向定子套筒(11)处于所述环形间隔内，所述环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈(14)且所述轴向控制线圈(14)环绕所述转轴(102)设置，所述第一永磁体环(31)所形成的第一轴向偏置磁路在所述第一推力盘(100)内的走向与所述第二永磁体环(32)所形成的第二轴向偏置磁路在所述第二推力盘(101)内的走向相反。

2.根据权利要求1所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，所述前径向定子铁芯(21)与所述轴向定子铁芯(1)的第一端之间形成第一空间，所述第一推力盘(100)处于所述第一空间内，且所述前径向定子铁芯(21)套装于所述第一推力盘(100)的径向外侧并具有间隙；所述后径向定子铁芯(22)与所述轴向定子铁芯(1)的第二端之间形成第二空间，所述第二推力盘(101)处于所述第二空间内，且所述后径向定子铁芯(22)套装于所述第二推力盘(101)的径向外侧并具有间隙。

3.根据权利要求1或2所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，还包括第一连接导磁环(41)及第二连接导磁环(42)，所述第一永磁体环(31)以及第二永磁体环(32)分别套装于所述轴向定子套筒(11)的两端，所述第一连接导磁环(41)套装于所述第一永磁体环(31)的外圆周壁上，所述第二连接导磁环(42)套装于所述第二永磁体环(32)的外圆周壁上，所述前径向定子铁芯(21)连接于所述第一连接导磁环(41)的内环壁上，所述后径向定子铁芯(22)连接于所述第二连接导磁环(42)的内环壁上。

4.根据权利要求3所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，所述第一连接导磁环(41)以及所述第二连接导磁环(42)的轴截面包括一沿着所述转轴(102)的径向向外延伸的第一径向段以及沿着所述转轴(102)的轴向延伸的第一轴向段，所述第一轴向段连接于所述第一径向段的径向外端形成L形。

5.根据权利要求1或2所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向定子套筒(11)的两端分别具有沿着所述转轴(102)的径向向外延伸的轴向定子连接铁芯(12)，所述第一永磁体环(31)处于所述前径向定子铁芯(21)与所述轴向定子套筒(11)的第一端的轴向定子连接铁芯(12)之间，所述第二永磁体环(32)处于所述后径向定子铁芯(22)与所述轴向定子套筒(11)的第二端的轴向定子连接铁芯(12)之间。

6.根据权利要求5所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，所述轴向定子连接铁芯(12)的轴截面包括一沿着所述转轴(102)的径向向外延伸的第二径向段以及沿着所述转轴(102)的轴向延伸的第二轴向段，所述第二轴向段连接于所述第二径向段的径向外端形成L形。

7.根据权利要求1或2所述的五自由度混合磁悬浮轴承，其特征在于，所述五自由度混合磁悬浮轴承为内转子结构或者外转子结构；和/或，所述轴向定子套筒(11)的内环壁或者外环壁上具有容置环槽，所述轴向控制线圈(14)缠绕组装于所述容置环槽内。

8.一种电机，包括转轴(102)，其特征在于，所述转轴(102)至少支承于一个权利要求1至7中任一项所述的五自由度混合磁悬浮轴承上。