五自由度混合磁悬浮轴承、电机的制作方法

1.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：

2.永磁偏置磁悬浮轴承的偏置磁场由永磁体建立、控制磁场由电磁铁(电磁线圈)建立，与传统的电磁偏置磁悬浮轴承相比，其具有能耗少、体积小、重量轻等显著特点。由于永磁体在形状与放置位置的选择上比电磁铁有更多的随意性，因此永磁偏置磁悬浮轴承的拓扑结构比电磁偏置型更加多种多样。
3.按照磁力提供方式的不同，磁悬浮轴承被分为：主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承。主动磁轴承是利用定子上的电磁线圈产生电磁力将转子稳定悬浮于空间的一种轴承；被动磁轴承是一种永久磁铁的磁悬浮轴承；混合磁悬浮轴承利用永久磁铁产生的磁场，取代了主动磁悬浮轴承中电磁铁所产生的静态偏置磁场，使功率损耗大大降低，减少了电磁铁的安匝数，缩小了磁悬浮轴承体积，并且提高了磁悬浮轴承的效能。
4.一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，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转轴推力盘的左右两侧，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。


技术实现要素：

5.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五自由度混合磁悬浮轴承采用左右对置的两组轴向控制线圈使磁轴承的轴向长度偏大导致相应的转轴转速提升受到限制、控制相对复杂且轴承结构设计较复杂的技术问题。
6.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，所述第一永磁体环与所述第二永磁体环的相对端为同极性，所述轴向定子铁芯包括轴向定子轭部以及处于所述轴
向定子轭部上且沿其径向延伸的第一轴向定子环与第二轴向定子环，所述第一轴向定子环与所述第二轴向定子环对置且在两者之间形成第一环形间隔，转轴推力盘的边缘区域容置于所述第一环形间隔内，所述第一环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈，所述轴向控制线圈环绕所述转轴推力盘设置。
7.在一些实施方式中，所述第一轴向定子环上具有沿着所述轴向定子铁芯的轴向靠近所述转轴推力盘延伸的第一轴向延伸齿部，所述第二轴向定子环上具有沿着所述轴向定子铁芯的轴向靠近所述转轴推力盘延伸的第二轴向延伸齿部，所述转轴推力盘的边缘区域处于所述第一轴向延伸齿部与所述第二轴向延伸齿部之间。
8.在一些实施方式中，所述轴向定子轭部为轭环结构，所述第一轴向定子环与第二轴向定子环连接于所述轭环结构的内环壁上，所述轴向控制线圈缠绕组装于所述内环壁上且处于所述转轴推力盘的径向外侧。
9.在一些实施方式中，所述轴向定子轭部为轭环结构，所述第一轴向定子环与第二轴向定子环连接于所述轭环结构的内环壁上，所述内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且处于所述转轴推力盘的径向外侧。
10.在一些实施方式中，所述轴向定子轭部为轴体结构，所述第一轴向定子环与第二轴向定子环连接于所述轴体结构的外周壁上，且所述轴向控制线圈缠绕组装于所述外周壁上且处于所述转轴推力盘的径向内侧。
11.在一些实施方式中，所述轴向控制线圈关于所述第一环形间隔的径向对称面对称；和/或，所述轴向定子铁芯由相互对称的两个铁芯子体拼装形成。
12.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。
13.本实用新型还提供一种如上述的电机的控制方法，包括如下步骤：
14.分别获取所述转轴推力盘与所述第一轴向定子环之间的第一最小间距da以及所述转轴推力盘与所述第二轴向定子环之间的第二最小间距db；
15.根据所述da与所述db之间的大小关系，调整所述轴向控制线圈内的电流方向和/或电流大小以使所述转轴推力盘朝向所述da与所述db中较大值的一侧轴向移动。
16.在一些实施方式中，根据所述da与所述db之间的大小关系，调整所述轴向控制线圈内的电流方向和/或电流大小以使所述转轴推力盘朝向所述da与所述db中较大值的一侧轴向移动具体包括：
17.当da＞db时，控制所述轴向控制线圈内的电流方向为第一流向以使所述轴向控制线圈产生的控制磁路与所述第一永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加、与所述第二永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减，控制所述轴向控制线圈内的电流大小越来越小；或者，
18.当da＜db时，控制所述轴向控制线圈内的电流方向为第二流向以使所述轴向控制线圈产生的控制磁路与所述第一永磁体环产生的永磁偏置磁路反向削减、与所述第二永磁体环产生的永磁偏置磁路同向叠加，控制所述轴向控制线圈内的电流大小越来越小，所述第一方向与所述第二方向相反。
19.在一些实施方式中，根据所述da与所述db之间的大小关系，调整所述轴向控制线圈内的电流方向和/或电流大小以使所述转轴推力盘朝向所述da与所述db中较大值的一侧轴向移动具体包括：
20.当da＝db时，维持所述轴向控制线圈内的电流方向和/或电流大小不变。
21.本实用新型提供的一种五自由度混合磁悬浮轴承、电机，在第一环形间隔中仅设置一组与转轴推力盘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转轴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，五自由度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
22.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；
23.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；
24.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；
25.图4为图1的沿轴向投影的示意图，图中箭头示出了径向磁路走向；
26.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。
27.附图标记表示为：
28.1、轴向定子铁芯；11、轴向定子轭部；12、第一轴向定子环；13、第二轴向定子环；14、轴向控制线圈；15、第一轴向延伸齿部；16、第二轴向延伸齿部；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；100、转轴推力盘；101、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
29.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，第一永磁体环31与第二永磁体环32的相对端为同极性(例如同为s极)，轴向定子铁芯1包括轴向定子轭部11以及处于轴向定子轭部11上且沿其径向延伸的第一轴向定子环12与第二轴向定子环13，第一轴向定子环12与第二轴向定子环13对置且在两者之间形成第一环形间隔，转轴推力盘100(也可称为转子铁芯)的边缘区域容置于第一环形间隔内，从而使第一轴向定子环12以及第二轴向定子环13具有与转轴推力盘100相对的出力区域，第一环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈14，轴向控制线圈14环绕转轴推力盘100设置。
30.该技术方案中，在第一环形间隔中仅设置一组与转轴推力盘100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便能够实现对转轴推力盘100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，五自由度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。
31.第一环形间隔关于其径向对称面对称，以图1所示的方位为例，也即，第一环形间隔关于径向对称面左右对称，也即该处的径向对称面与磁悬浮轴承的中心轴垂直，在一个优选的实施例中，轴向控制线圈14关于第一环形间隔的前述径向对称面对称，如此能够保证轴向控制线圈14在通电后所产生的轴向控制磁路关于该径向对称面对称，更进一步的，前述的第一永磁体环31及第二永磁体环32也关于该径向对称面左右对称，如此，使转轴推力盘100的永磁偏置磁路左右对称，进一步降低磁轴承的控制难度、简化控制逻辑。
32.具体以图2所示的五自由度混合磁悬浮轴承为例，第一永磁体环31与第二永磁体环32两者在磁性能上完全相同，分别产生第一永磁偏置磁路204、第二永磁偏置磁路205，两者由于在结构上关于前述的径向对称面左右对称，因此在轴向上左右出力均衡，转轴101的轴向位移则完全受控于对轴向控制线圈14内电流大小以及方向的调整，控制非常简单，而前述的第一永磁体环31与第二永磁体环32在分别提供对称的偏置磁路的同时还有效地阻止了轴向控制磁路201向前径向控制磁路202以及后径向控制磁路203一侧的流动，进而防止两者的耦合。图4示出了该五自由度混合磁悬浮轴承的轴向投影视图，能够看到，在这一实施例中的前径向定子铁芯21或者后径向定子铁芯22皆包括一径向定子轭部23(具体为一轭环)以及若干个沿着转轴101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)。同时，能够明确的是，该实用新型中，永磁偏置磁路磁路单一(相对于e型轴心定子铁芯等结构)无分支，漏磁更小，轴向控制磁路则直接由轴向定子铁芯1与转轴推力盘100形成回路，材料与空间利用率高。
33.在一个具体的实施例中，参见图1、图3以及图5所示，第一轴向定子环12上具有沿着轴向定子铁芯1的轴向靠近转轴推力盘100延伸的第一轴向延伸齿部15，第二轴向定子环13上具有沿着轴向定子铁芯1的轴向靠近转轴推力盘100延伸的第二轴向延伸齿部16，此时转轴推力盘100的边缘区域处于第一轴向延伸齿部15与第二轴向延伸齿部16之间，与图1中所示的实施例不同，该实施例中的两个轴向定子环上分别设置了沿轴向延伸的轴向延伸齿部，如此可以使用于容置轴向控制线圈14的第一环形间隙的体积可以设计的相对较大，这利于轴向控制线圈14具有良好的散热效果，进而提升磁轴承的可靠性，而同时还能够保证轴向定子铁芯1与转轴推力盘100之间的轴向气隙在合理范围内，防止漏磁。而进一步参见图1所示的实施例，其第一轴向定子环12以及第二轴向定子环13上不具有前述的第一轴向延伸齿部15与第二轴向延伸齿部16，这种方式能够进一步减小磁轴承的轴向长度，减小轴承的总体积。
34.结合参见图1至图3所示，轴向定子轭部11为轭环结构，第一轴向定子环12与第二轴向定子环13连接于轭环结构的内环壁上，从而使磁悬浮轴承形成为一种内转子磁轴承，第一轴向定子环12与第二轴向定子环13沿着轭环结构的轴向间隔设置，间隔之处也即形成前述的第一环形间隔，轴向控制线圈14缠绕组装于内环壁上且处于转轴推力盘100的径向外侧，具体参见图1或者图2所示，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)于该内壁环上，轴向控制线圈14整体处于轭环结构的外侧区域，不会对轭环结构造成破坏，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的流向构成不利，这利于对磁悬浮轴承的有效控制；参见图3所示，其不同于图1及图2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推力盘100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。该实施例中，转轴推力盘100的径向外边缘区域处于前述的第一环形间隙内。
35.参见图5所示，轴向定子轭部11为轴体结构，第一轴向定子环12与第二轴向定子环13连接于轴体结构的外周壁上，从而使磁悬浮轴承形成为一种外转子磁轴承，第一轴向定子环12与第二轴向定子环13沿着轴体结构的轴向间隔设置，间隔之处也即形成前述的第一环形间隔，且轴向控制线圈14缠绕组装于外周壁上且处于转轴推力盘100的径向内侧，如此使本实用新型中的磁悬浮轴承的应用场景更加丰富。该实施例中，转轴推力盘100的径向内边缘区域处于前述的第一环形间隙内。
36.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。
37.根据本实用新型的实施例，还提供一种电机，包括转轴101，转轴101至少支承于一个上述的五自由度混合磁悬浮轴承上。
38.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转轴推力盘100与第一轴向定子环12之间的第一最小间距da以及转轴推力盘100与第二轴向定子环13之间的第二最小间距db，也即转轴推力盘100两侧端面分别与第一轴向定子环12及第二轴向定子环13的气隙的轴向宽度；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推力盘100朝向da与db中较大值的一侧轴向移动。
39.该技术方案中，在转轴推力盘100不居中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。
40.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推力盘100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流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流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，所述第一方向与所述第二方向相反。当da＝db时，则控制维持轴向控制线圈14内的电流方向和/或电流大小不变即可。
41.对于转轴101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。
42.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。
43.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。

技术特征：
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)，所述第一永磁体环(31)与所述第二永磁体环(32)的相对端为同极性，所述轴向定子铁芯(1)包括轴向定子轭部(11)以及处于所述轴向定子轭部(11)上且沿其径向延伸的第一轴向定子环(12)与第二轴向定子环(13)，所述第一轴向定子环(12)与所述第二轴向定子环(13)对置且在两者之间形成第一环形间隔，转轴推力盘(100)的边缘区域容置于所述第一环形间隔内，所述第一环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈(14)，所述轴向控制线圈(14)环绕所述转轴推力盘(100)设置。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，所述第一轴向定子环(12)上具有沿着所述轴向定子铁芯(1)的轴向靠近所述转轴推力盘(100)延伸的第一轴向延伸齿部(15)，所述第二轴向定子环(13)上具有沿着所述轴向定子铁芯(1)的轴向靠近所述转轴推力盘(100)延伸的第二轴向延伸齿部(16)，所述转轴推力盘(100)的边缘区域处于所述第一轴向延伸齿部(15)与所述第二轴向延伸齿部(16)之间。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，所述轴向定子轭部(11)为轭环结构，所述第一轴向定子环(12)与第二轴向定子环(13)连接于所述轭环结构的内环壁上，所述轴向控制线圈(14)缠绕组装于所述内环壁上且处于所述转轴推力盘(100)的径向外侧。4.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，所述轴向定子轭部(11)为轭环结构，所述第一轴向定子环(12)与第二轴向定子环(13)连接于所述轭环结构的内环壁上，所述内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且处于所述转轴推力盘(100)的径向外侧。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，所述轴向定子轭部(11)为轴体结构，所述第一轴向定子环(12)与第二轴向定子环(13)连接于所述轴体结构的外周壁上，且所述轴向控制线圈(14)缠绕组装于所述外周壁上且处于所述转轴推力盘(100)的径向内侧。6.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，所述轴向控制线圈(14)关于所述第一环形间隔的径向对称面对称。7.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，所述轴向定子铁芯(1)由相互对称的两个铁芯子体拼装形成。8.一种电机，包括转轴(101)，其特征在于，所述转轴(101)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。

技术总结
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，轴向定子铁芯包括轴向定子轭部以及处于轴向定子轭部上且沿其径向延伸的第一轴向定子环与第二轴向定子环，第一轴向定子环与第二轴向定子环对置且在两者之间形成第一环形间隔，转轴推力盘的边缘区域处于第一环形间隔内，第一环形间隔内仅设有一组轴向控制线圈。本实用新型实现仅控制一组轴向控制线圈便能够实现对转轴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。升转轴转速。升转轴转速。


技术研发人员：杨佳丰 王飞 吴瑞 刘湛钦
受保护的技术使用者：珠海格力电器股份有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/1