一种轴向径向电磁型磁轴承的制作方法

本发明涉及一种轴向径向电磁型磁轴承，属于磁悬浮轴承领域。

背景技术：

磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需密封润滑、高速度、精度高、寿命长及维护成本低等优良特性，可有效解决高速电机的轴承支撑问题。根据悬浮力是否可主动控制，磁轴承通常可分为被动型和主动型两种类型。主动型磁轴承通过控制定、转子间电磁力以实现转轴的悬浮，在高速电机领域应用广泛。根据偏置磁场建立方式，主动型磁轴承分为电磁型与混合型。电磁型磁轴承的偏置、控制磁通均由电磁铁产生，二者利用同一线圈或两个独立线圈产生，具有承载能力大、刚度可调和控制灵活等特点，在高温等恶劣环境适应性强。

具有三自由度悬浮功能的轴向径向磁轴承，集成度高，功率密度高，临界转速高，是目前磁轴承研究领域的研究热点。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种轴向径向电磁型磁轴承，采用各方向悬浮力磁路相隔离的方式，构造了产生轴向、径向悬浮力的集成结构。所述磁轴承包括三种绕组结构，分别为径向悬浮绕组、轴向悬浮绕组和偏置绕组，并且偏置绕组同时产生轴向偏置磁通和径向偏置磁通，两种磁通相互隔离且解耦，从而保证了两个径向悬浮力间、以及轴向与径向悬浮力间在结构上的自然解耦。本发明磁轴承内无永磁体，结构紧凑，成本低，对环境适应强；另外由于各悬浮力间相互解耦，控制简单，悬浮精度高，而且偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便，固有刚度高，各方向承载力强，在高温、高湿等恶劣工作环境和高速、大功率应用场合具有独特优势。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种轴向径向电磁型磁轴承，包括径向定子、径向转子、径向悬浮线圈、偏置线圈、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ、轴向悬浮线圈ⅱ和转轴；

偏置定子ⅰ、径向定子和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子布置在径向定子内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；

所述轴向转子ⅰ、径向转子和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子和轴向转子ⅱ套在转轴上；

所述径向定子由4个e型结构构成，4个e型结构均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构位于水平方向，剩余2个e型结构位于竖直方向；每个e型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述e型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等；所述径向转子为圆柱结构；

所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；

所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；

所述e型结构中宽齿的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构的1个宽齿与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；

所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；

所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；

每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈，共形成8个径向悬浮线圈；在水平方向位置处，2个所述e型结构中4个窄齿上的4个径向悬浮线圈串联，构成1个水平径向悬浮绕组；在竖直方向位置处，2个所述e型结构中4个窄齿上的4个径向悬浮线圈串联，构成1个竖直径向悬浮绕组；

每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈，共形成4个偏置线圈；4个所述偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；

所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组。

当偏置绕组施加直流励磁时，在径向定子内将产生四个相互隔离的径向偏置磁通，与两个径向悬浮绕组电流相互作用后，产生两个相互结构的径向悬浮力；在两个轴向定子和两个偏置定子内，各产生一个轴向偏置磁通，分别与两个轴向悬浮绕组电流相互作用后，产生两个单方向的轴向悬浮力，两个轴向悬浮力相互合成，转子上将存在一个轴向悬浮力。由于各悬浮力的磁路相互隔离，各悬浮力间在结构上自然解耦，从而简化了悬浮控制难度，有利于提升悬浮精度；另外，由于偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便，有利于控制器设计，且便于实现大功率运行。

本发明的有益效果：本发明提出了一种轴向径向电磁型磁轴承，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

（1）无永磁体，成本低，结构紧凑，集成度高，加工装备简单，对工作环境适应性强；

（2）径向磁路相互隔离，轴向磁路也相互隔离，两个径向悬浮力间、以及轴向与径向悬浮力间在结构上自然解耦，悬浮控制简单、实施方便，悬浮精度高；

（3）偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便，固有刚度高，临界转速高，还有利于控制器设计，且便于实现大功率运行。

附图说明

图1是本发明轴向径向电磁型磁轴承的三维结构示意图。

图2是轴向径向电磁型磁轴承的径向磁通分布图。

图3是轴向径向电磁型磁轴承的轴向磁通分布图。

图4是轴向径向电磁型磁轴承中偏置定子内的磁通分布图。

附图标记说明：图1至图4中，1是径向定子，2是径向转子，3是径向悬浮线圈，4是偏置线圈，5是偏置定子ⅰ，6是轴向定子ⅰ，7是轴向转子ⅰ，8是轴向悬浮线圈ⅰ，9是偏置定子ⅱ，10是轴向定子ⅱ，11是轴向转子ⅱ，12是轴向悬浮线圈ⅱ，13是转轴，14、15、16分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，17是偏置绕组电流在径向定子中产生的径向偏置磁通，18是水平（即x轴方向）径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，19是竖直（即y轴方向）径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，20是偏置绕组电流在轴向定子ⅰ和偏置定子ⅰ中产生的轴向偏置磁通，21是轴向悬浮线圈ⅰ中的电流产生的轴向悬浮控制磁通，22是轴向负方向气隙，即z轴负方向的轴向气隙，23是偏置绕组电流在轴向定子ⅱ和偏置定子ⅱ中产生的轴向偏置磁通，24是轴向悬浮线圈ⅱ中的电流产生的轴向悬浮控制磁通，25是轴向负方向气隙，即z轴正方向的轴向气隙。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种轴向径向电磁型磁轴承的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明轴向径向电磁型磁轴承的三维结构示意图，其中，1是径向定子，2是径向转子，3是径向悬浮线圈，4是偏置线圈，5是偏置定子ⅰ，6是轴向定子ⅰ，7是轴向转子ⅰ，8是轴向悬浮线圈ⅰ，9是偏置定子ⅱ，10是轴向定子ⅱ，11是轴向转子ⅱ，12是轴向悬浮线圈ⅱ，13是转轴，14、15、16分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。

一种轴向径向电磁型磁轴承，包括径向定子、径向转子、径向悬浮线圈、偏置线圈、偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向转子ⅰ、轴向悬浮线圈ⅰ、偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向转子ⅱ、轴向悬浮线圈ⅱ和转轴；

偏置定子ⅰ、径向定子和偏置定子ⅱ紧密串联布置，且径向定子布置于偏置定子ⅰ和偏置定子ⅱ之间；偏置定子ⅰ紧密布置在轴向定子ⅰ内，偏置定子ⅱ紧密布置在轴向定子ⅱ内；所述径向转子布置在径向定子内，所述轴向转子ⅰ布置在偏置定子ⅰ内，所述轴向转子ⅱ布置在偏置定子ⅱ内；

所述轴向转子ⅰ、径向转子和轴向转子ⅱ紧密串联布置，且径向转子布置于轴向转子ⅰ和轴向转子ⅱ之间；所述轴向转子ⅰ、径向转子和轴向转子ⅱ套在转轴上；

所述径向定子由4个e型结构构成，4个e型结构均匀分布，空间上相差90°，其中2个e型结构位于水平方向，剩余2个e型结构位于竖直方向；每个e型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述e型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等；所述径向转子为圆柱结构；

所述偏置定子ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅰ为圆柱结构；

所述偏置定子ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向转子ⅱ为圆柱结构；

所述e型结构中宽齿的齿宽与偏置定子ⅰ、偏置定子ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的e型结构的1个宽齿与偏置定子ⅰ的1个齿和偏置定子ⅱ的1个齿共同组合成1个复合齿，共形成4个复合齿；

所述轴向定子ⅰ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅰ和内环形齿ⅰ，且外环形齿ⅰ的齿高大于内环形齿ⅰ的齿高；所述内环形齿ⅰ内有1个通孔ⅰ，所述通孔ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅰ的外径大于所述通孔ⅰ的内径，所述通孔ⅰ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅰ，且布置在所述通孔ⅰ内；

所述轴向定子ⅱ为轴向凸极结构，包括两个圆柱型定子齿，分别为外环形齿ⅱ和内环形齿ⅱ，且外环形齿ⅱ的齿高大于内环形齿ⅱ的齿高；所述内环形齿ⅱ内有1个通孔ⅱ，所述通孔ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；所述内环形齿ⅱ的外径大于所述通孔ⅱ的内径，所述通孔ⅱ的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子ⅱ，且布置在所述通孔ⅱ内；

每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈，共形成8个径向悬浮线圈；在水平方向位置处，2个所述e型结构中4个窄齿上的4个径向悬浮线圈串联，构成1个水平径向悬浮绕组；在竖直方向位置处，2个所述e型结构中4个窄齿上的4个径向悬浮线圈串联，构成1个竖直径向悬浮绕组；

每个所述复合齿上绕有1个偏置线圈，共形成4个偏置线圈；4个所述偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；

所述轴向定子ⅰ的内环形齿ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅰ，共1个；所述轴向定子ⅱ的内环形齿ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈ⅱ，共1个；所述轴向悬浮线圈ⅰ和轴向悬浮线圈ⅱ反向串联，构成1个轴向悬浮绕组。

当偏置绕组施加直流励磁时，在径向定子内将产生四个相互隔离的径向偏置磁通，与两个径向悬浮绕组电流相互作用后，产生两个相互结构的径向悬浮力；在两个轴向定子和两个偏置定子内，各产生一个轴向偏置磁通，分别与两个轴向悬浮绕组电流相互作用后，产生两个单方向的轴向悬浮力，两个轴向悬浮力相互合成，转子上将存在一个轴向悬浮力。由于各悬浮力的磁路相互隔离，各悬浮力间在结构上自然解耦，从而简化了悬浮控制难度，有利于提升悬浮精度；另外，由于偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便，有利于控制器设计，且便于实现大功率运行。

如图2所示，是轴向径向电磁型磁轴承的径向磁通分布图。其中，线标号17是偏置绕组电流在径向定子中产生的径向偏置磁通，线标号18是水平（x轴）径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通，线标号19是竖直（y轴）径向悬浮绕组产生的径向悬浮控制磁通。

由于径向定子的四个e型结构间相互隔离，其磁路也相互隔离，偏置绕组在每个e型结构内产生的径向偏置磁通经宽齿、两个窄齿、两个窄齿下的气隙、径向转子、宽齿下的气隙和宽齿闭合；而每个径向悬浮线圈产生的悬浮磁通经窄齿、宽齿、宽齿下的气隙、径向转子、窄齿下的气隙和窄齿闭合。

轴向径向混合磁轴承的径向悬浮力产生机理为：在x轴正方向，x轴径向悬浮绕组产生的磁通方向与径向偏置磁通方向相同，气隙合成磁通增加；在x轴负方向，x轴径向悬浮绕组产生的磁通方向与径向偏置磁通方向相反，气隙合成磁通减小，导致x轴正方向的气隙磁通大于x轴负方向，进而产生一个x轴正方向的径向悬浮力；当x轴径向悬浮绕组的电流方向反向时，将产生一个x轴负方向的径向悬浮力。

同理，控制y轴径向悬浮绕组内电流的大小和方向，也可产生一个大小和方向均可控的y轴径向悬浮力。从而，合理控制x、y轴径向悬浮绕组电流的大小和方向，即可为轴向径向电磁型磁轴承产生大小和方向均可控的径向悬浮力。

如图3和图4所示，分别为轴向径向电磁型磁轴承的轴向磁通分布图和其偏置定子内的磁通分布图。其中，线标号17是偏置绕组电流在径向定子中产生的径向偏置磁通，线标号20是偏置绕组电流在轴向定子ⅰ和偏置定子ⅰ中产生的轴向偏置磁通，线标号21是轴向悬浮线圈ⅰ中的电流产生的轴向悬浮控制磁通，线标号22是轴向负方向气隙，即z轴负方向的轴向气隙，线标号23是偏置绕组电流在轴向定子ⅱ和偏置定子ⅱ中产生的轴向偏置磁通，线标号24是轴向悬浮线圈ⅱ中的电流产生的轴向悬浮控制磁通，线标号25是轴向负方向气隙，即z轴正方向的轴向气隙。

由于轴向定子ⅰ、偏置定子ⅰ与轴向定子ⅱ、偏置定子ⅱ相互隔离，偏置绕组电流分别在z轴正方向和z轴负方向各产生一个轴向偏置磁通，两个轴向偏置磁通相互隔离。轴向偏置磁通经过偏置定子、轴向定子、轴向气隙、轴向定子、径向气隙和偏置定子闭合。

轴向悬浮线圈ⅰ中的电流产生的悬浮控制磁通，经偏置定子ⅰ、轴向定子ⅰ、轴向气隙、轴向转子ⅰ、径向气隙和偏置定子ⅰ闭合。因此，在z轴正方向的偏置绕组和轴向悬浮线圈ⅰ产生的磁通的路径相同。

轴向悬浮线圈ⅱ中的电流产生的悬浮控制磁通，经偏置定子ⅱ、轴向定子ⅱ、轴向气隙、轴向转子ⅱ、径向气隙和偏置定子ⅱ闭合。因此，在z轴负方向的偏置绕组和轴向悬浮线圈ⅱ产生的磁通的路径也相同。

轴向悬浮力产生原理：当偏置绕组施加直流激励时，在z轴正方向处的轴向气隙中，轴向偏置磁通与轴向悬浮控制磁通方向相同，磁通增强，产生一个z轴正方向悬浮力；在z轴负方向处的轴向气隙中，轴向偏置磁通与轴向悬浮控制磁通的方向相反，磁通减弱，同时产生一个z轴负方向悬浮力；由于z轴正方向处轴向气隙中的磁通大于z轴负方向处的磁通，进而使z轴正方向悬浮力大于z轴负方向悬浮力，进而产生一个z轴正方向悬浮力；当轴向悬浮绕组电流方向改变时，将产生一个z轴负方向的浮力，故仅需控制轴向悬浮绕组电流的大小和方向，即可得到一个任意大小和方向的z轴方向悬浮力。

在z轴正、负方向处，偏置定子内的径向气隙中合成磁通均是同时增大或同时减小，因此轴向悬浮绕组不产生径向悬浮力，仅产生轴向悬浮力。

因此，偏置绕组施加直流激励时，只需合理控制两个径向悬浮绕组和一个轴向悬浮绕组中的三个电流，便可获得大小和方向均可控的三个悬浮力。

综上所述，本发明轴向径向电磁型磁轴承，无永磁体，成本低，结构紧凑，集成度高，加工装备简单，对工作环境适应性强；径向磁路相互隔离，轴向磁路也相互隔离，两个径向悬浮力间、以及轴向与径向悬浮力间在结构上自然解耦，悬浮控制简单、实施方便，悬浮精度高；偏置绕组单独励磁，偏置磁通调节方便，固有刚度高，临界转速高，还有利于控制器设计，且便于实现大功率运行。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。