本发明涉及磁悬浮轴承，更特别地说，是指一种基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承。
背景技术：
磁悬浮轴承(magneticbearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。
对于磁悬浮电机的结构请参考《modelinganddesignof3-dofmagneticbearingforhigh-speedmotorincludingeddy-currenteffectsandleakageeffects》，作者乐韵等，2016年6月第63卷第6期，公开在“ieeetransactionsonindustrialelectronics”。此文献的图1介绍了一种典型的高速磁悬浮电机的总体结构，所述图1的右半部分中，由辅助轴承(backupbearing)与径轴一体磁轴承(3-dofmb)形成了所述高速磁悬浮电机的径向支撑部分。
传统磁悬浮轴承和辅助轴承配合使用的缺点：
1、由于磁悬浮轴承定子与辅助轴承分别固定在不同的零件上，使磁悬浮轴承定子与辅助轴承很难达到较高的同轴度要求，进而使磁间隙与辅助间隙不对称，从而使控制系统很难达到磁悬浮轴承的高精度控制。
2、当高速磁悬浮转子失稳时将与辅助轴承发生激烈碰撞，由于传统机械轴承刚度较高且阻尼较低，机械轴承滚珠很容易受高频冲击变形而使辅助轴承“卡死”，进而使高速转子与辅助轴承内圈发生剧烈摩擦，大量的摩擦生热会使转子与辅助轴承融焊在一起，使高速磁悬浮电机报废。
3、磁悬浮轴承与辅助轴承的配合使用使高速磁悬浮电机的轴向长度比传统机械轴承电机的长度很多(至少2倍左右)，进而降低了转子的刚性模态。
技术实现要素：
为了提高高速磁悬浮电机的抗失稳能力和转子的刚性模态，以及提高控制系统对磁悬浮轴承的控制精度，本发明设计了一种基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承设有径向轴承部分和轴向轴承部分。本发明磁悬浮轴承一方面利用通电线圈产生电磁磁路，另一方面利用永磁体产生永磁磁路，并且电磁磁路与永磁磁路为空间正交分布。该永磁磁路经过柔性辅助轴承，将辅助轴承的结构作为磁轴承磁路的一部分，节省了磁悬浮轴承的空间，也使得磁轴承和辅助轴承的结构可以进行一体化设计，进而使磁悬浮电机整体结构变得更加紧凑，达到小尺寸设计。
本发明是一种基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承，其特征在于：该正交磁路径轴一体磁悬浮轴承是由a轴向导磁环(1a)、b轴向导磁环(1d)、a永磁体(1b)、a径向冲磁刚性导磁环(1c)、径向冲磁柔性导磁环(2a)、b永磁体(2b)、b径向冲磁刚性导磁环(2c)、a轴向辅助轴承骨架(3a)、b轴向辅助轴承骨架(3c)、a石墨外凸环(3b)、b石墨外凸环(3d)、径向冲磁轴承骨架(4a)、石墨内凸环(4b)、径向冲磁轴承挡环(4c)、径向磁轴承线圈组(5)、轴向磁轴承线圈(5a)和定子铁芯(8)组成；
径向磁轴承线圈组(5)中的线圈和轴向磁轴承线圈(5a)为线径0.5mm的纯铜绕制；
a轴向导磁环(1a)的中心设有用于转子轴(6)穿过的a中心通孔(1a-1)；a轴向导磁环(1a)的一端面为光滑面板，a轴向导磁环(1a)的另一端面上从内至外设有aa内圆环(1a2)、aa凹腔(1a3)、aa内凸圆台(1a5)、ab凹腔(1a4)、aa外圆环(1a1)，所述ab凹腔(1a4)用于放置轴向磁轴承线圈(5a)，所述aa凹腔(1a3)用于放置装配后的a轴向辅助轴承骨架(3a)与a石墨外凸环(3b)；
b轴向导磁环(1d)的中心设有用于转子轴(6)穿过的o中心通孔(1d-1)；b轴向导磁环(1d)的一端面为光滑面板，b轴向导磁环(1d)的另一端面上从内至外设有ba内圆环(1d2)、ba凹腔(1d3)、ba内凸圆台(1d5)、bb凹腔(1d4)、ba外圆环(1d1)，所述bb凹腔(1d4)用于放置轴向磁轴承线圈(5a)，所述ba凹腔(1d3)用于放置装配后的b轴向辅助轴承骨架(3c)与b石墨外凸环(3d)；
转子轴(6)的推力盘(61)是卡合在a轴向导磁环(1a)的aa内凸圆台(1a5)与b轴向导磁环(1d)的ba内凸圆台(1d5)之间的；
径向冲磁柔性导磁环(2a)上设有外圆环(2a1)、内圆环(2a2)、多个三角形通孔(2a4)，三角形通孔(2a4)使外圆环(2a1)与内圆环(2a2)之间存在有连接的柔性臂(2a3)；多个三角形通孔(2a4)之间通过柔性臂(2a3)分开；
径向冲磁柔性导磁环(2a)的中心设有用于转子轴(6)穿过的d中心通孔(2a-1)；径向冲磁柔性导磁环(2a)的一端面为光滑面板，径向冲磁柔性导磁环(2a)的另一端面上设有内凸圆台(2a5)，内凸圆台(2a5)上设有螺纹盲孔(2a51)，在内凸圆台(2a5)与内圆环(2a2)之间设有内环腔(2a6)；所述内环腔(2a6)内安装有石墨内凸环(4b)，径向冲磁轴承挡环(4c)通过螺钉固定在径向冲磁柔性导磁环(2a)的内凸圆台(2a5)上；
a永磁体(1b)的中心设有用于转子轴(6)穿过的b中心通孔(1b-1)；
b永磁体(2b)的中心设有用于转子轴(6)穿过的e中心通孔(2b-1)；
a径向刚性导磁环(1c)的中心设有c中心通孔(1c-1)，a径向刚性导磁环(1c)的环体内侧设有a内挡环(1c1)；
b径向刚性导磁环(2c)的中心设有f中心通孔(2c-1)，b径向刚性导磁环(2c)的环体内侧设有b内挡环(2c1)；
a径向刚性导磁环(1c)的a内挡环(1c1)与b径向刚性导磁环(2c)的b内挡环(2c1)之间用于放置定子铁芯(8)的外圆盘(8a)；且a径向刚性导磁环(1c)与b径向刚性导磁环(2c)之间存在有a间隙(9)；
a轴向辅助轴承骨架(3a)的中心设有g中心通孔(3a-1)；a轴向辅助轴承骨架(3a)的一端面为光滑面板，a轴向辅助轴承骨架(3a)的另一端面设有aa圆台(3a3)和ab圆台(3a4)；所述aa圆台(3a3)上按圆周均匀分布设有多个供aa石墨柱(3b1)穿过的aa通孔(3a1)；所述ab圆台(3a4)上按圆周均匀分布设有多个供ab石墨柱(3b2)穿过的ab通孔(3a2)；
b轴向辅助轴承骨架(3c)的中心设有i中心通孔(3c-1)；b轴向辅助轴承骨架(3c)的一端面为光滑面板，b轴向辅助轴承骨架(3c)的另一端面设有ba圆台(3c3)和bb圆台(3c4)；所述ba圆台(3c3)上按圆周均匀分布设有多个供ba石墨柱(3d1)穿过的ba通孔(3c1)；所述bb圆台(3c4)上按圆周均匀分布设有多个供bb石墨柱(3d2)穿过的bb通孔(3c2)；
a石墨外凸环(3b)的中心设有h中心通孔(3b-1)，h中心通孔(3b-1)用于转子轴(6)穿过；a石墨外凸环(3b)的一端面为光滑面板，a石墨外凸环(3b)的另一端面设有按圆周分布的aa石墨柱(3b1)和ab石墨柱(3b2)；所述aa石墨柱(3b1)安装在a轴向辅助轴承骨架(3a)的aa内圆台(3a3)的aa通孔(3a1)中；所述ab石墨柱(3b2)安装在a轴向辅助轴承骨架(3a)的ab外圆台(3a4)的ab通孔(3a2)中；
b石墨外凸环(3d)的中心设有p中心通孔(3d-1)，p中心通孔(3d-1)用于转子轴(6)穿过；b石墨外凸环(3d)的一端面为光滑面板，b石墨外凸环(3d)的另一端面设有按圆周分布的ba石墨柱(3d1)和bb石墨柱(3d2)；所述ba石墨柱(3d1)安装在b轴向辅助轴承骨架(3c)的ba内圆台(3c3)的ba通孔(3c1)中；所述bb石墨柱(3c2)安装在b轴向辅助轴承骨架(3c)的bb外圆台(3c4)的bb通孔(3c2)中；
径向冲磁轴承骨架(4a)的中心设有j中心通孔(4a-1)；径向冲磁轴承骨架(4a)上设有按照圆周均匀公布的a通孔(4a1)和b通孔(4a2)，所述a通孔(4a1)用于装石墨内凸环(4b)上的a石墨柱(4a1)，所述b通孔(4a2)用于安装石墨内凸环(4b)上的b石墨柱(4b2)；
石墨内凸环(4b)的中心设有k中心通孔(4b-1)，k中心通孔(4b-1)内放置有径向冲磁轴承骨架(4a)；石墨内凸环(4b)上设有按照圆周均匀分布的a石墨柱(4b1)和b石墨柱(4b2)；所述a石墨柱(4b1)安装在径向冲磁轴承骨架(4a)的a通孔(4a1)中；所述b石墨柱(4b2)安装在径向冲磁轴承骨架(4a)的b通孔(4a2)中；
径向冲磁轴承挡环(4c)的中心设有l中心通孔(4c-1)，径向冲磁轴承挡环(4c)的圆盘上设有供螺钉穿过的d通孔(4c1)；径向冲磁轴承挡环(4c)的圆盘与b径向冲磁柔性导磁环(2a)的内凸圆台(2a5)通过螺钉固定；
径向磁轴承线圈组(5)每个线圈记为a线圈(51)、b线圈(52)、c线圈(53)、d线圈(54)、e线圈(55)、f线圈(56)、g线圈(57)和h线圈(58)；
a线圈(51)安装在定子铁芯(8)的a定子齿(81)上；
b线圈(52)安装在定子铁芯(8)的b定子齿(82)上；
c线圈(53)安装在定子铁芯(8)的c定子齿(83)上；
d线圈(54)安装在定子铁芯(8)的d定子齿(84)上；
e线圈(55)安装在定子铁芯(8)的e定子齿(85)上；
f线圈(56)安装在定子铁芯(8)的f定子齿(86)上；
g线圈(57)安装在定子铁芯(8)的g定子齿(87)上；
h线圈(58)安装在定子铁芯(8)的h定子齿(88)上；
定子铁芯(8)的内环侧按照圆周布局设有与线圈个数对应的定子齿，即a定子齿(81)、b定子齿(82)、c定子齿(83)、d定子齿(84)、e定子齿(85)、f定子齿(86)、g定子齿(87)和h定子齿(88)；两个定子齿之间存在有用于线圈通过的定子齿槽。
本发明基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的优点在于：
①本发明在转子轴的推力盘两侧分别设有轴向自润滑零件，同时在所述转子轴的左端设置径向自润滑零件，在转子轴的两个方向上同时设置自润滑零件，使得正交磁路径轴一体磁悬浮轴承在出现失稳情况下，避免了干摩擦产生的高热现象，也使得转子动能的快速消散，两个方向自润滑零件的组合设计也是在转子失稳时避免整机报废的可能。
②本发明将辅助轴承设计为弹性臂结构，使辅助轴承的刚度和阻尼的配比趋于合理，当失稳发生时，可以将转子的冲击动能转化为弹性臂的应变能，消除了“卡死”现象，石墨环的应用使轴承具有自润滑功能，避免了干摩擦产生的高热现象，消除了整机报废的可能。
③本发明设计将辅助轴承与磁悬浮轴承结合在一起，使整机结构更加紧凑，减小了转子长度，提高了转子刚性模态。参考《振动力学》，作者倪振华，西安交通大学出版社，p371页固有频率公式
④本发明采用磁悬浮轴承的部分作为辅助轴承，实现结构紧凑及磁悬浮轴承与辅助轴承一体化设计和装配，可以提高磁中心与辅助中心的同轴度，提高了磁悬浮轴承的控制精度。
⑤为了用本发明设计的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承替代“ieeetransactionsonindustrialelectronics”公开的图1结构的右部分，本发明分为以定子铁芯为中心分为左边的辅助轴承部分和右边的辅助轴承部分，且左右结构不同，用辅助轴承组件替换传统滚珠轴承，使得辅助轴承的阻尼和刚度实现优化配比设计，实现了转子失稳时的自润滑和转子动能的快速消散。
附图说明
图1是本发明基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的外部结构图。
图1a是图1未装配永磁磁路组件的结构图。
图1b是图1的剖面结构图。
图1c是本发明基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的分解图。
图2是本发明a轴向导磁环的结构图。
图2a是本发明b轴向导磁环的结构图。
图3是本发明径向冲磁柔性导磁环的结构图。
图3a是本发明径向冲磁柔性导磁环的另一面结构图。
图3b是本发明径向冲磁柔性导磁环的正视图。
图4是本发明a轴向辅助轴承骨架与a石墨外凸环装配后的结构图。
图4a是本发明a轴向辅助轴承骨架与a石墨外凸环装配后的另一视角结构图。
图5是本发明b轴向辅助轴承骨架与b石墨外凸环装配后的结构图。
图5a是本发明b轴向辅助轴承骨架与b石墨外凸环装配后的另一视角结构图。
图5b是本发明b轴向辅助轴承骨架的结构图。
图5c是本发明b石墨外凸环装配后的结构图。
图6是本发明石墨内凸环与径向冲磁轴承骨架装配后的结构图。
图6a是本发明径向冲磁轴承骨架的结构图。
图6b是本发明石墨内凸环的结构图。
图7是本发明定子铁芯与线圈装配的结构图。
图7a是本发明定子铁芯的结构图。
图8a是本发明基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的磁路示意图。
图8b是本发明基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的磁路示意图。
图9是将本发明设计的基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承应用到高速磁悬浮电机中的剖面结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1a、图1b、图1c所示，本发明设计了一种基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承，该正交磁路径轴一体磁悬浮轴承是由a轴向导磁环1a、b轴向导磁环1d、a永磁体1b、a径向冲磁刚性导磁环1c、径向冲磁柔性导磁环2a、b永磁体2b、b径向冲磁刚性导磁环2c、a轴向辅助轴承骨架3a、b轴向辅助轴承骨架3c、a石墨外凸环3b、b石墨外凸环3d、径向冲磁轴承骨架4a、石墨内凸环4b、径向冲磁轴承挡环4c、径向磁轴承线圈组5、轴向磁轴承线圈5a和定子铁芯8组成。
其中，a轴向导磁环1a与b轴向导磁环1d的结构相同；
其中，a永磁体1b与b永磁体2b的结构相同；
其中，a径向冲磁刚性导磁环1c与b径向冲磁刚性导磁环2c的结构相同；
其中，a轴向辅助轴承骨架3a与b轴向辅助轴承骨架3c的结构相同；
其中，a石墨外凸环3b与b石墨外凸环3d的结构相同；
在本发明中，a轴向导磁环1a、b轴向导磁环1d、a永磁体1b、a径向冲磁刚性导磁环1c、径向冲磁柔性导磁环2a、b永磁体2b和b径向冲磁刚性导磁环2c构成正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的永磁磁路组件。通过图1可以清楚地看到所述永磁磁路组件为外部的可以作为壳体的零件。
在本发明中，径向冲磁柔性导磁环2a、径向辅助轴承骨架4a、石墨内凸环4b和径向冲磁轴承挡环4c构成本发明磁悬浮轴承的左辅助轴承组件，参见图1b所示。左辅助轴承组件能够在转子轴失稳情况下实现辅助轴承的自润滑。也使得本发明采用了将径向磁轴承与辅助轴承结合为一体的设计方法，解决了传统磁轴承与辅助轴承同轴度低的技术问题。
本发明设计的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承是通过转子铁芯7套接在转子轴6上实现与转子的活动连接的。所述转子轴6可以是高速磁悬浮电机的输出轴。
a轴向导磁环1a与b轴向导磁环1d
参见图1、图1b、图1c、图2所示，a轴向导磁环1a为电工纯铁加工成型的一体结构件。a轴向导磁环1a的中心设有用于转子轴6穿过的a中心通孔1a-1；a轴向导磁环1a的一端面为光滑面板，a轴向导磁环1a的另一端面上从内至外设有aa内圆环1a2、aa凹腔1a3、aa内凸圆台1a5、ab凹腔1a4、aa外圆环1a1，所述ab凹腔1a4用于放置轴向磁轴承线圈5a，所述aa凹腔1a3用于放置装配后的a轴向辅助轴承骨架3a与a石墨外凸环3b。
参见图1、图1b、图1c、图2a所示，b轴向导磁环1d为电工纯铁加工成型的一体结构件。b轴向导磁环1d的中心设有用于转子轴6穿过的o中心通孔1d-1；b轴向导磁环1d的一端面为光滑面板，b轴向导磁环1d的另一端面上从内至外设有ba内圆环1d2、ba凹腔1d3、ba内凸圆台1d5、bb凹腔1d4、ba外圆环1d1，所述bb凹腔1d4用于放置轴向磁轴承线圈5a，所述ba凹腔1d3用于放置装配后的b轴向辅助轴承骨架3c与b石墨外凸环3d。
在本发明中a轴向导磁环1a的ab凹腔1a4与b轴向导磁环1d的bb凹腔1d4在对接后会形成有用于放置轴向磁轴承线圈5a的空腔(参见图1b所示)，并且在对接时，转子轴6的推力盘61是卡合在a轴向导磁环1a的aa内凸圆台1a5与b轴向导磁环1d的ba内凸圆台1d5之间的，这样在形成轴向电磁磁路时，转子轴6、a轴向导磁环1a和b轴向导磁环1d为导磁零件。
径向冲磁柔性导磁环2a
参见图1、图1b、图1c、图3、图3a、图3b所示，径向冲磁柔性导磁环2a为电工纯铁加工成型的一体结构件。径向冲磁柔性导磁环2a上设有外圆环2a1、内圆环2a2、多个三角形通孔2a4，三角形通孔2a4使外圆环2a1与内圆环2a2之间存在有连接的柔性臂2a3。多个三角形通孔2a4之间通过柔性臂2a3分开。由于本发明设计的多个三角形通孔2a4是放置在外圆环2a1与内圆环2a2之间的，故三角形通孔2a4是绕径向冲磁柔性导磁环2a的圆心布局的，且三角形通孔在靠近外圆环2a1的一边为弧形。进而，柔性臂2a3也是绕径向冲磁柔性导磁环2a的圆心布局的。
参见图3a所示，径向冲磁柔性导磁环2a的中心设有用于转子轴6穿过的d中心通孔2a-1；径向冲磁柔性导磁环2a的一端面为光滑面板，径向冲磁柔性导磁环2a的另一端面上设有内凸圆台2a5，内凸圆台2a5上设有螺纹盲孔2a51，在内凸圆台2a5与内圆环2a2之间设有内环腔2a6。所述内环腔2a6内安装有石墨内凸环4b，径向冲磁轴承挡环4c通过螺钉固定在径向冲磁柔性导磁环2a的内凸圆台2a5上。
参见图3b所示，为了使本发明设计的径向冲磁柔性导磁环2a在使用中具有的柔性复位，则单个柔性臂需满足弧形夹角β(单位rad)和轴向宽度a(单位mm)的设计要求。将径向柔性导磁环的半径记为r(单位mm)，径向柔性导磁环的轴向厚度记为d(单位mm)，则柔性导磁环的构型设计满足
在本发明中，将径向冲磁柔性导磁环2a在外圆环2a1与内圆环2a2之间设计成多个具有弹性的柔性臂2a3，在转子轴6出现失稳情况时，能够通过零件变形来解决辅助轴承的“卡死”现象。
a永磁体1b与b永磁体2b
参见图1、图1b、图1c所示，a永磁体1b为钕铁硼或钐钴铸造成型的一体结构圆环件。a永磁体1b的中心设有用于转子轴6穿过的b中心通孔1b-1。
参见图1、图1b、图1c所示，b永磁体2b为钕铁硼或钐钴铸造成型的一体结构圆环件。b永磁体2b的中心设有用于转子轴6穿过的e中心通孔2b-1。
a径向冲磁刚性导磁环1c与b径向冲磁刚性导磁环2c
参见图1、图1b、图1c所示，a径向刚性导磁环1c为电工纯铁(或其他高磁导率金属)加工成型的一体结构圆环件。a径向刚性导磁环1c的中心设有c中心通孔1c-1，a径向刚性导磁环1c的环体内侧设有a内挡环1c1。
参见图1、图1b、图1c所示，b径向刚性导磁环2c为电工纯铁(或其他高磁导率金属)加工成型的一体结构圆环件。b径向刚性导磁环2c的中心设有f中心通孔2c-1，b径向刚性导磁环2c的环体内侧设有b内挡环2c1。
在本发明中，a径向刚性导磁环1c的a内挡环1c1与b径向刚性导磁环2c的b内挡环2c1之间用于放置磁轴承定子铁芯8的外圆盘8a(如图1b所示)。
在本发明中，定子铁芯8的外圆盘8a上安装有a径向刚性导磁环1c和b径向刚性导磁环2c，且a径向刚性导磁环1c与b径向刚性导磁环2c之间存在有a间隙9；采用两个径向刚性导磁环(1c、2c)沿转子轴的轴向布局，且存有一定间隙，能够防止永磁磁路短路。
a轴向辅助轴承骨架3a与b轴向辅助轴承骨架3c
参见图1、图1b、图1c、图4、图4a所示，a轴向辅助轴承骨架3a为40cr或40crnimo材料加工的圆环件。a轴向辅助轴承骨架3a的中心设有g中心通孔3a-1。a轴向辅助轴承骨架3a的一端面为光滑面板，a轴向辅助轴承骨架3a的另一端面设有aa圆台3a3和ab圆台3a4；所述aa圆台3a3上按圆周均匀分布设有多个供aa石墨柱3b1穿过的aa通孔3a1；所述ab圆台3a4上按圆周均匀分布设有多个供ab石墨柱3b2穿过的ab通孔3a2。
参见图1、图1b、图1c、图5、图5a、图5b、图5c所示，b轴向辅助轴承骨架3c为40cr或40crnimo材料加工的圆环件。b轴向辅助轴承骨架3c的中心设有i中心通孔3c-1。b轴向辅助轴承骨架3c的一端面为光滑面板，b轴向辅助轴承骨架3c的另一端面设有ba圆台3c3和bb圆台3c4；所述ba圆台3c3上按圆周均匀分布设有多个供ba石墨柱3d1穿过的ba通孔3c1；所述bb圆台3c4上按圆周均匀分布设有多个供bb石墨柱3d2穿过的bb通孔3c2。
在本发明中，在轴向辅助轴承骨架(3a、3c)的轴向方向设置两列圆周方向排布的供轴向方向的石墨柱安装用的通孔，在通孔中放置石墨柱，在本发明的磁悬浮轴承工作时，使转子轴在轴向方向上有一个自润滑效果，解决轴承与转子轴的卡死现象。
a石墨外凸环3b与b石墨外凸环3d
参见图1a、图1b、图1c、图4、图4a所示，a石墨外凸环3b为石墨加工成型的一体圆环结构件。a石墨外凸环3b的中心设有h中心通孔3b-1，h中心通孔3b-1用于转子轴穿过。a石墨外凸环3b的一端面为光滑面板，a石墨外凸环3b的另一端面设有按圆周分布的aa石墨柱3b1和ab石墨柱3b2。所述aa石墨柱3b1安装在a轴向辅助轴承骨架3a的aa内圆台3a3的aa通孔3a1中；所述ab石墨柱3b2安装在a轴向辅助轴承骨架3a的ab外圆台3a4的ab通孔3a2中。在本发明中，每个石墨柱分别对应轴向辅助轴承骨架上的通孔，石墨外凸环与轴承骨架的配合实现辅助轴承的自润滑。
参见图1a、图1b、图1c、图5、图5a、图5b、图5c所示，b石墨外凸环3d为石墨加工成型的一体圆环结构件。b石墨外凸环3d的中心设有p中心通孔3d-1，p中心通孔3d-1用于转子轴穿过。b石墨外凸环3d的一端面为光滑面板，b石墨外凸环3d的另一端面设有按圆周分布的ba石墨柱3d1和bb石墨柱3d2。所述ba石墨柱3d1安装在b轴向辅助轴承骨架3c的ba内圆台3c3的ba通孔3c1中；所述bb石墨柱3c2安装在b轴向辅助轴承骨架3c的bb外圆台3c4的bb通孔3c2中。在本发明中，每个石墨柱分别对应轴向辅助轴承骨架上的通孔，石墨外凸环与轴承骨架的配合实现辅助轴承的自润滑。
径向冲磁轴承骨架4a
参见图1、图1b、图1c、图6、图6a所示，径向冲磁轴承骨架4a为40cr或40crnimo材料加工的圆环件。径向冲磁轴承骨架4a的中心设有j中心通孔4a-1。径向冲磁轴承骨架4a上设有按照圆周均匀公布的a通孔4a1和b通孔4a2，所述a通孔4a1用于装石墨内凸环4b上的a石墨柱4a1，所述b通孔4a2用于安装石墨内凸环4b上的b石墨柱4b2。在本发明中，在径向冲磁轴承骨架4a的轴向方向设置两列圆周方向排布的供轴向方向的石墨柱安装用的通孔，达到径向方向上轴承的自润滑效果。
石墨内凸环4b
参见图1a、图1b、图1c、图6、图6b所示，石墨内凸环4b为石墨加工成型的一体圆环结构件。石墨内凸环4b的中心设有k中心通孔4b-1，k中心通孔4b-1内放置有径向冲磁轴承骨架4a。石墨内凸环4b上设有按照圆周均匀分布的a石墨柱4b1和b石墨柱4b2。所述a石墨柱4b1安装在径向冲磁轴承骨架4a的a通孔4a1中。所述b石墨柱4b2安装在径向冲磁轴承骨架4a的b通孔4a2中。在本发明中，每个石墨柱与径向冲磁轴承骨架4a上的通孔配合实现辅助轴承的自润滑。
径向冲磁轴承挡环4c
参见图1a、图1b、图1c所示，径向冲磁轴承挡环4c为电工纯铁加工成型的一体圆环结构件。径向冲磁轴承挡环4c的中心设有l中心通孔4c-1，径向冲磁轴承挡环4c的圆盘上设有供螺钉穿过的d通孔4c1。径向冲磁轴承挡环4c的圆盘与b径向冲磁柔性导磁环2a的内凸圆台2a5通过螺钉固定。
径向磁轴承线圈组5
参见图1a、图1b、图1c、图5、图7a所示，径向磁轴承线圈组5为纯铜绕制的成对线圈构成，一般为四对线圈(共8个线圈，相邻两个为一组)组成一个磁轴承线圈组5。每一个线圈为90～120匝(根据转子转速和电机输出功率进行调整)，线径0.5mm，正交磁路径向磁悬浮轴承的功率为60w～80w(根据转子转速和电机输出功率进行调整)。每个线圈安装在定子铁芯8的定子齿上。
在本发明中，参见图5所示为了清楚地说明8个线圈的布局，组成径向磁轴承线圈组5的每个线圈记为a线圈51、b线圈52、c线圈53、d线圈54、e线圈55、f线圈56、g线圈57和h线圈58。
a线圈51安装在定子铁芯8的a定子齿81上；
b线圈52安装在定子铁芯8的b定子齿82上；
c线圈53安装在定子铁芯8的c定子齿83上；
d线圈54安装在定子铁芯8的d定子齿84上；
e线圈55安装在定子铁芯8的e定子齿85上；
f线圈56安装在定子铁芯8的f定子齿86上；
g线圈57安装在定子铁芯8的g定子齿87上；
h线圈58安装在定子铁芯8的h定子齿88上。
轴向磁轴承线圈5a
参见图1a、图1b、图1c所示，轴向磁轴承线圈5a为纯铜绕制。一般线圈为90～300匝(根据转子转速和电机输出功率进行调整)，线径0.5mm。在本发明中，轴向磁轴承线圈5a所能产生的电磁场依据转子转速和电机输出功率进行调整。
定子铁芯8
参见图1a、图1b、图1c、图7、图7a所示，定子铁芯8为多层硅钢片(厚度可以为0.2mm，0.35mm和0.5mm)叠加成型的一体圆环结构件。磁轴承定子铁芯8的中心设有n中心通孔8-1，n中心通孔8-1用于放置转子铁芯7，转子铁芯7为多层硅钢片(厚度可以为0.2mm，0.35mm和0.5mm)叠加成型的一体圆环结构件。转子铁芯7的中心设有m中心通孔7-1，通过m中心通孔7-1将转子铁芯7安装在转子轴6上。定子铁芯8上设有用于安装每个线圈的定子齿，且定子齿为圆周均布，每两个定子齿之间存在有用于线圈通过的定子齿槽。
在本发明中，参见图7、图7a所示为了清楚地说明8个线圈分别安装在定子铁芯8的各自定子齿上，则定子铁芯8的内环侧按照圆周布局设有与线圈个数对应的8个定子齿，即a定子齿81、b定子齿82、c定子齿83、d定子齿84、e定子齿85、f定子齿86、g定子齿87和h定子齿88。两个定子齿之间存在有用于线圈通过的定子齿槽。
在本发明中，定子铁芯8的外圆盘8a上安装有a径向刚性导磁环1c和b径向刚性导磁环2c，且a径向刚性导磁环1c与b径向刚性导磁环2c之间存在有a间隙9；采用两个径向刚性导磁环(1c、2c)沿转子轴的轴向布局，且存有一定间隙，能够防止永磁磁路短路。定子铁芯8的内环侧按照圆周布局设有与线圈个数对应的8个定子齿，且在定子齿内侧安装转子铁芯7。
本发明采用在轴向方向以定子铁芯8为中心分为左辅助轴承部分和右径轴一体轴承部分；在左辅助轴承部分并采用了将径向磁轴承与辅助轴承结合为一体的设计方法，解决了传统磁轴承与辅助轴承同轴度低的技术问题。
本发明设计的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的装配：
(a)将8个线圈分别套接在定子铁芯8的8个定子齿上；
(b)将a石墨外凸环3b上的所有石墨柱分别穿过a轴向辅助轴承骨架3a上各自的通孔，且使得a石墨外凸环3b与a轴向辅助轴承骨架3a配合后，置于a轴向导磁环1a的aa凹腔1a3中；
(c)将b石墨外凸环3d上的所有石墨柱分别穿过b轴向辅助轴承骨架3c上各自的通孔，且使得b石墨外凸环3d与b轴向辅助轴承骨架3c配合后，置于b轴向导磁环1d的ba凹腔1d3中；
(d)将石墨内凸环4b上的所有石墨柱分别穿过径向辅助轴承骨架4a上各自的通孔，且使得石墨内凸环4b与径向辅助轴承骨架4a配合后，置于径向柔性导磁环2a的ba内环腔2a6中，然后用螺钉将径向轴承挡环4c固定在径向柔性导磁环2a的ba内凸圆台2a5上，通过实现径向轴承挡环4c限制石墨内凸环4b与径向辅助轴承骨架4a在轴向方向上的运动；径向辅助轴承骨架4a与转子轴6之间存在保护间隙，该间隙为磁间隙的一半，通常为0.2mm～0.3mm；
(e)在磁轴承定子铁芯8的外圆盘8c的端面两端分别安装上a径向刚性导磁环1c和b径向刚性导磁环2c，且a径向刚性导磁环1c与b径向刚性导磁环2c之间留有a间隙9；
(f)在a径向刚性导磁环1c的右端与b轴向导磁环1d左端之间安装有a永磁体1b；在b径向刚性导磁环2c的左端与径向柔性导磁环2a左端之间安装有b永磁体2b；
(g)将轴向线圈5a放置于b轴向导磁环1d的bb凹腔1d4中；
(h)将转子铁芯7套接在转子轴6上；
(i)将套接了转子铁芯7的转子轴6分别穿过上述装配完成的零部件径向辅助轴承骨架4a的j中心通孔4a-1、磁轴承定子铁芯8的n中心通孔8-1和b轴向辅助轴承骨架3c的i中心通孔3c-1，使转子轴6上的推力盘61与b轴向导磁环1d的ba凸圆台1d5相接触；
(j)将已经装配了a轴向辅助轴承骨架3a和a石墨外凸环3b的a轴向导磁环1a的aa外圆环1a1与b轴向导磁环1d的ba外圆环1d1相接处；
(k)当径向磁轴承线圈组5通电时，套接了转子铁芯7的转子轴6便可悬浮于径向辅助轴承骨架4a的j中心通孔4a-1、磁轴承定子铁芯8的n中心通孔8-1、b轴向辅助轴承骨架3c的i中心通孔3c-1、a轴向辅助轴承骨架3a的g中心通孔4a-1所形成的空间内。
(l)当轴向线圈5a通电时，套接了转子铁芯7的转子轴6的推力盘61便可悬浮于b轴向导磁环1d的ba内凸圆台1d5与a轴向导磁环1a的aa内凸圆台1a5所包围的空间中。
参见图8a、图8b所示，本发明设计的基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承的磁路为：
永磁体产生的永磁力能够给磁悬浮轴承提供永磁偏置磁场，承担磁轴承所受的大部分径向力和轴向力。励磁线圈产生的电磁力通过与永磁力叠加，能够给磁悬浮轴承提供精确的控制力。由于大部分径向和轴向负载被永磁力承担，所以电磁力只需要输出小部分力来承受径向和轴向负载，这样有利于实现电磁力的精确控制，更有利于保持磁轴承定转子气隙均匀，实现转子的无接触悬浮支承。
图8a所示为三条磁路，分别为左半部永磁磁路，右半部永磁磁路和轴向电磁磁路。
左半部永磁磁路的走向：磁通从b永磁体2b的n极出发，分别通过径向柔性导磁环2a、径向辅助轴承骨架4a、转子轴6、转子铁芯7、磁轴承定子铁芯8、b径向刚性导磁环2c回到b永磁体2b的s极。
右半部永磁磁路的走向：磁通从a永磁体1b的n极出发，在经过b轴向导磁环1d的时候分为两条支路，一条支路向下经过b轴向导磁环1d到达推力盘61，另一条支路向右经过a轴向导磁环1a到达推力盘61，两条支路在推力盘61处汇合后重新行程一条磁路，该磁路再分别经过转子轴6、转子铁芯7、定子铁芯8、a径向刚性导磁环1c回到a永磁体1b的s极。
轴向电磁磁路的走向：图8b中轴向磁线圈5a所示的“●”表示电流方向垂直并流出纸面，“×”表示电流方向垂直并流入纸面，电流方向与磁通方向满足右手螺旋定则。轴向磁线圈5a按图示电流走向通电，则磁通从b轴向导磁环1d出发，分别经过a轴向导磁环1a、推力盘61回到b轴向导磁环1d，形成一条闭合磁回路。
图8b所示为径向电磁磁路，定子铁芯8的定子齿81、定子齿82、定子齿83、定子齿84、定子齿85、定子齿86、定子齿87、定子齿88。径向磁轴承线圈组5包含8个线圈，分别为：线圈51、线圈52、线圈53、线圈54、线圈55、线圈56、线圈57、线圈58。每个定子齿套有相应的线圈，图中各个线圈所示的小圆点●表示电流方向垂直并流出纸面，小叉×表示电流方向垂直并流入纸面，电流方向与磁通方向满足右手螺旋定则，则有：
右上角电磁磁路的走向为：线圈51和线圈52按图示电流走向通电，则磁通从定子齿8a1出发，分别通过外圆盘c的右上角部分、定子齿8a2、转子铁芯7的右上角部分回到定子齿8a1，形成右上角的电磁磁路；
右下角电磁磁路的走向为：线圈53和线圈54按图示电流走向通电，则磁通从定子齿8a3出发，分别通过外圆盘c的右下角部分、定子齿8a4、转子铁芯7的右下角部分回到定子齿8a3，形成右下角的电磁磁路；
左下角电磁磁路的走向为：线圈55和线圈56按图示电流走向通电，则磁通从定子齿8a5出发，分别通过外圆盘c的左下角部分、定子齿8a6、转子铁芯7的左下角部分回到定子齿8a5，形成左下角的电磁磁路；
左上角电磁磁路的走向为：线圈57和线圈58按图示电流走向通电，则磁通从定子齿8a7出发，分别通过外圆盘c的左上角部分、定子齿8a8、转子铁芯7的左上角部分回到定子齿8a7，形成左上角的电磁磁路。
由图8a和图8b可见，永磁磁路和轴向电磁磁路所在平面与转子轴线平行，径向电磁磁路所在平面与转子轴线垂直，这样磁路在空间上形成了正交结构，互不干扰，单独作用。
本发明在现有内转子径向纯电磁磁轴承的基础上，将两个永磁磁路与径轴向电磁磁路结合，为转子提供更大的永磁偏置磁通。该永磁偏置磁通和轴向电磁磁通与径向电磁磁通为空间正交布置，且将辅助轴承作为永磁磁路的一部分，使磁轴承整体结构并没有占用更多的体积就实现了悬浮效果的提升，进而提高了磁悬浮高速电机的运行效果。
实施例1
参见图9所示，将本发明设计的基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承应用到高速磁悬浮电机中进行性能说明。
将本发明设计的基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承应用到高速磁悬浮电机中，即将转子轴6替换为电机输出轴，是通过转子铁芯7将装配好的本发明正交磁路径轴一体磁悬浮轴承安装在电机输出轴上，并在转子轴6的推力盘61左边与定子铁芯8之间安装一个位移传感器20，在径向冲磁柔性导磁环2a的左端安装高速磁悬浮电机的定子30。通过对传统高速磁悬浮电机用轴承的对比(即背景技术引用的图1)，本发明正交磁路径轴一体磁悬浮轴承提高了磁轴承的控制精度，提高了磁悬浮电机的抗失稳能力，用本发明的磁轴承替换了传统应用于磁悬浮电机中的辅助轴承(backupbearing)与径轴一体磁轴承(3-dofmb)结构，可以使磁悬浮高速电机的整体结构更加紧凑，同时提高了磁悬浮轴承与辅助轴承的同轴度，进而提高了位移传感器的检测精度和控制系统的控制精度。
本发明是一种基于对称自润滑柔性辅助轴承结构的正交磁路径轴一体磁悬浮轴承，是采用了将径轴一体磁轴承与辅助轴承相结合为一体的技术手段，利用径向与轴向磁路空间正交分布方式，解决了传统磁轴承与辅助轴承同轴度低的技术问题，达到了在同样磁轴承体积下可以输出更大的悬浮力、辅助轴承刚度与阻尼的合理配比、机械同轴度高和控制精度高的技术效果。在应用到高速磁悬浮电机中，提高了高速磁悬浮电机的抗失稳能力和转子的刚性模态，以及提高控制系统对磁悬浮轴承的控制精度。