径向定子铁芯结构、轴承定子以及混合式径向磁悬浮轴承的制作方法

本实用新型涉及轴承技术领域，尤其涉及一种径向定子铁芯结构、轴承定子以及混合式径向磁悬浮轴承。

背景技术：

磁悬浮轴承是指一种利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有机械接触的高性能机电一体化轴承。混合式径向磁悬浮轴承是在主动磁力轴承、被动磁力轴承以及其他一些辅助支承和稳定结构基础上形成的一种组合式磁力轴承系统，它利用永磁体产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，能显著缩减电磁铁安匝数，缩小磁力轴承体积，降低功耗，提高承载能力。

现有的混合式径向磁悬浮轴承制作装配时，先将径向绕组线圈绕制在径向定子铁芯的极柱上形成径向定子组件，再径向定子组件安装到径向环中，径向定子铁芯的外圈与径向环内圈通过过盈配合连接。由于径向定子铁芯与径向环是采用过盈配合连接，现有技术的混合式径向磁悬浮轴承在装配时，需利用金属的热膨胀属性对径向环加热，才能顺利将径向定子铁芯装入到径向环中。当装配完成，径向环完全冷却后，其冷却回缩量并不完全等于其热膨胀量，径向定子铁芯与径向环之间的相互作用力将导致径向环外圈尺寸比原始尺寸偏大，径向定子铁芯内圈尺寸偏小，同时由于受热不均或零件本身结构缺陷，可能导致零件装配完成后出现变形等现象，从而影响混合式径向磁悬浮轴承尺寸精度。此外，径向环受热不充分可能导致热装失败，造成零件报废，带来额外生产成本。

从电磁方面分析，现有技术的混合式径向磁悬浮轴承工作时，绕线槽处极易达到磁饱和，此时工作电流的增加并不会使混合式径向磁悬浮轴承电磁场相应地增大，反而会增加绕组线圈的发热功耗，磁力轴承的电磁利用率与效率较低。当需要提升轴承的承载能力时，则需要相应地提高磁力轴承的安匝数，进而使得磁力轴承体积加大。

因此，本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

1.现有技术的径向环与径向定子铁芯之间采用热装配，其装配难度大，装配效率低；

2.现有技术的径向环与径向定子铁芯在热装配过程中，由于零件受热不充分或环境影响容易造成热装失败，产品合格率低，生产成本高；

3.现有技术的径向环与径向定子铁芯在热装配过程中，径向环的冷却回缩量难以精确控制，无法保证安装后的精度；

4.现有技术的径向定子铁芯绕线槽处易达到磁饱和，轴承的电磁利用率和承载能力因此受到了极大限制。

技术实现要素：

本实用新型的其中一个目的是提供了一种径向定子铁芯结构、轴承定子以及混合式径向磁悬浮轴承，解决了现有技术中存在的绕线槽处易达到磁饱和的技术问题。

本实用新型诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为了实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种径向定子铁芯结构，包括连接在一起的径向定子铁芯和径向环，所述径向定子铁芯的内圈具有绕线槽，所述径向定子铁芯外圆周壁上设置有与所述绕线槽对应的凸部，所述径向环上设置有与所述凸部过渡配合的槽部。

作为优选：所述槽部包括相对设置的两个侧壁以及与所述两个侧壁连接的底壁，所述槽部沿所述径向环的轴向远离所述底壁的位置形成供所述凸部卡入的开口部。

作为优选：所述凸部的其中一个端面与所述底壁紧贴。

作为优选：所述槽部为燕尾槽结构，所述凸部为燕尾榫结构。

作为优选：所述槽部的两个侧壁均与所述底壁垂直，或者所述槽部的两个侧壁均与所述底壁互成钝角，从而使得所述槽部的槽宽L沿所述径向环的轴向从所述开口部至所述底壁逐渐缩小。

作为优选：所述凸部的两个端面分别与所述径向定子铁芯的两个端面齐平。

作为优选：所述凸部具有与所述径向定子铁芯同轴的弧形外壁，所述弧形外壁的直径与所述径向环的外径相等。

作为优选：所述径向定子铁芯的内圈具有圆周阵列分布的极柱，用于绕制线圈，每两个相邻的极柱之间具有一个所述绕线槽，所述径向定子铁芯上的所述凸部的数量与所述绕线槽的数量相等，每个所述凸部的位置与每个所述绕线槽的位置一一对应。

作为优选：所述径向定子铁芯与所述径向环通过穿入二者内部的连接件固定连接在一起。

作为优选：所述连接件为穿过所述径向环旋入所述径向定子铁芯的螺钉或者螺栓。

作为优选：每两个相邻的所述凸部之间的所述径向定子铁芯的外圆周壁上设置有螺纹孔，用于供所述螺钉或者所述螺栓旋入，每两个相邻的所述槽部之间的所述径向环上设置有与所述螺纹孔对应的沉头通孔，用于供所述螺钉或者所述螺栓穿过并在所述螺钉或者所述螺栓旋入所述螺纹孔内后容纳所述螺钉或者所述螺栓的头部。

作为优选：每个所述螺纹孔对应一个所述极柱，且每个所述螺纹孔的轴线与对应的极柱的中心线共线。

本实用新型提供的一种轴承定子，包括上述任意一项所述的径向定子铁芯结构。

进一步地：所述径向定子铁芯结构的径向环依次连接磁钢和导磁环，所述磁钢为环形磁钢或者分块式扇形磁钢组件。

本实用新型提供的一种混合式径向磁悬浮轴承，包括转子和上述任意一项所述的轴承定子，所述转子同轴设置在所述轴承定子的内部。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在径向定子铁芯的外圆周壁上设置与绕线槽处对应的凸部，在径向环上设置与凸部配合的槽部，使本实用新型相对于现有技术，在不增加径向定子铁芯结构外形尺寸的情况下，径向定子铁芯的绕线槽处的导磁面积得到增大，解决了现有技术的径向定子铁芯绕线槽处易达到磁饱和的问题，从而使轴承的电磁利用率和承载能力得到了提高。

另外，通过凸部和槽部的相互配合的结构，能够使本实用新型在装配过程中实现有效的定位，以便提高装配的成功率及产品合格率，使装配的生产成本也得到了有效的降低；并且使本实用新型可以采用连接件进行冷装配，装配时无需对径向环进行加热，可以有效地避免现有热装配方式存在的装配难度大，装配效率低等问题，在装配的过程中，零件尺寸保持不变，因此更容易控制安装精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的径向定子铁芯结构的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中径向定子铁芯的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中径向环的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中未连接的径向定子铁芯和径向环的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中未连接的径向定子铁芯和径向环的另一种结构示意图；

图6是本实用新型实施例的轴承定子的剖视图；

图7是本实用新型实施例的轴承定子的左视图；

图8是本实用新型实施例的轴承定子的爆炸图；

图9是现有技术的轴承定子与本实用新型实施例的轴承定子的电磁仿真云图对比效果图；其中：图9a为现有技术的轴承定子的电磁仿真云图，图9b为本实用新型实施例的轴承定子的电磁仿真云图。

图中：1、线圈；2、径向定子铁芯；21、凸部；22、容纳槽；23、极柱； 24、绕线槽；25、螺纹孔；3、径向环；31、槽部；311、开口部；32、卡块部； 33、沉头通孔；34、底壁；4、环形磁钢；5、导磁环；6、螺钉。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种径向定子铁芯结构，包括径向定子铁芯2和径向环3，径向定子铁芯2与径向环3之间采用连接件固定连接在一起。

如图2所示，径向定子铁芯2的内圈具有绕线槽24，径向定子铁芯2外圆周壁上一体设置有与绕线槽24对应的凸部21。如图3所示，径向环3上设置有与凸部21过渡配合的槽部31。

作为可选或者优选地实施方式，如图2所示，径向定子铁芯2的内圈具有圆周阵列分布的极柱23，用于绕制线圈1，每两个相邻的极柱23之间具有一个绕线槽24。径向定子铁芯2上的凸部21的数量与绕线槽24的数量相等，每个凸部21的位置与每个绕线槽24的位置一一对应。在所有极柱23上绕制线圈1 后，径向定子铁芯2的凸部21的设计将增大铁芯导磁面积，能够显著改善绕线槽24处磁饱和问题，提高电磁利用率和轴承承载能力。

径向定子铁芯2上的极柱23的数量根据实际所需绕制线圈1的数量而定。本实施例以径向定子铁芯2上设置四个极柱23(即绕制四个线圈1)为例进行说明。

现有技术的混合式进行磁悬浮轴承的径向环与径向定子铁芯之间采用径向环的内圆周壁与径向定子铁芯的外圆周壁过盈配合的方式装配，从电磁方面分析，其绕线槽处容易达到磁饱和。

图9所示为轴承尺寸、线圈1分布数量及线圈1匝数相同的现有技术和本实用新型，在通入同样的工作电流的情况下的电磁仿真云图的对比效果图，从图上可以直观地看出：

图9a中所示的现有技术的电磁仿真云图中已经在线槽处达到完全的磁饱和，继续增大电流将无法增大其电磁场，反而会增加线圈1的发热功耗。

而图9b中所示的本实用新型的电磁仿真云图中的线槽处磁饱和情况相对图9a而言得到了很大的改善，继续增大电流将可以使其电磁场得到增大，从而提高电磁利用率。

作为可选或者优选地实施方式，连接件为穿过径向环3旋入径向定子铁芯 2的螺钉6或者螺栓。具体地，在径向定子铁芯2上设置螺纹孔25，在径向环 3上设置有通孔，通过螺钉6或者螺栓穿过通孔旋入螺纹孔25内实现径向环3 与径向定子铁芯2之间的连接。通孔优选为沉头通孔33，以便用于容纳螺钉6 或者螺栓的头部。在径向环3与径向定子铁芯2装配的过程中，无需进行加热，因此其装配更加简单快捷，并且零件不会发生变形，因此也更加容易保证装配后的精度。

凸部21和槽部31之间相互扣合形成定位结构，在径向环3与径向定子铁芯2装配的过程中对二者的位置进行更好的定位，保证在装入螺钉6或者螺栓前，使径向定子铁芯2上的螺纹孔25与径向环3上的通孔能够对正。

作为可选或者优选地实施方式，如图3所示，槽部31包括相对设置的两个侧壁以及与两个侧壁连接的底壁34。如图4和图5所示，为了便于凸部21与槽部31之间的安装，槽部31沿径向环3的轴向远离底壁34的位置形成供凸部 21卡入的开口部311。

具体地，径向环3包括两个端面以及在两个端面之间延伸的内圆周壁和外圆周壁，径向环3的两个端面均与径向环3的轴线垂直。槽部31由径向环3 的其中一个端面沿轴向凹陷形成。

作为可选或者优选地实施方式，凸部21具有沿径向定子铁芯2的轴向分布的两个端面以及在两个端面之间延伸的两个侧面和一个顶面，两个侧面分别位于顶面的相对两侧。凸部21的其中一个端面与底壁34紧贴。

在径向环3和径向定子铁芯2的装配过程中，底壁34用于确定凸部21与槽部31在轴向上的位置是否完全到位。在装配后，底壁34紧贴凸部21的其中一个端面，实现对凸部21的精确轴向定位。

径向环3可以采用常规的金属加工方式首先加工出环形的径向环3坯料，而后在环形的径向环3坯料上二次加工出槽部31；径向环3也可以采用浇铸、粉末冶金等方式一次加工成型。径向环3远离开口部311的端面用于连接磁钢。

作为可选或者优选地实施方式，槽部31为燕尾槽结构，燕尾槽结构的长度延伸方向为径向环3的轴向，即槽部31的两个侧壁之间的距离沿径向环3的径向向内逐渐缩小。如图2所示，凸部21为燕尾榫结构。这样在径向环3与径向定子铁芯2装配后，通过凸部21与槽部31的配合，既可以实现对径向环3与径向定子铁芯2在周向上的定位，还可以实现径向环3与径向定子铁芯2在径向上的定位。而径向环3与径向定子铁芯2在轴向上的定位则还可以通过安装连接件来实现。

作为可选或者优选地实施方式，如图4所示，槽部31的两个侧壁均与底壁34垂直，从而使得槽部31的槽宽L沿径向环3的轴向从开口部311至底壁34 保持一致。这样可以保证凸部21导磁更为均匀。

作为可选或者优选地另一种实施方式，如图5所示，槽部31的两个侧壁均与底壁34互成钝角，从而使得槽部31的槽宽L沿径向环3的轴向从开口部311 至底壁34逐渐缩小。凸部21设置成与槽部31一致的形状，即凸部21的一端至另一端的宽度逐渐缩小。在安装时，将凸部21的小端朝向槽部31的开口部 311插入，直至凸部21的小端的端面与槽部31的底壁34贴合，此时凸部21 的两个侧面同时与槽部31的两个侧面贴合。此结构可以使径向环3与径向定子铁芯2之间的装配和拆卸变得更为容易。

凸部21的两个端面分别与径向定子铁芯2的两个端面齐平，并且在凸部 21与槽部31完全配合后，凸部21的其中一个端面与槽部31的底壁34紧贴，另一个端面与径向环3的另一个端面齐平。这样可以确保径向环3与径向定子铁芯2之间具有足够的连接强度。

径向环3的外径大于或等于径向定子铁芯2的外径，在径向环3与径向定子铁芯2装配在一起后整体的外轮廓为圆柱形，这样使混合式径向悬浮轴承装入其他机构中时不会产生干涉。

径向定子铁芯2的外圆周壁的直径与径向环3的内圆周壁的直径相等，槽部31的两个侧壁均与径向环3的内圆周壁相接，即槽部31沿径向环3的径向同时贯穿径向环3的内圆周壁，在装配时，槽部31的两个侧壁与径向环3的内圆周壁相交的边沿可以与径向定子铁芯2的外圆周壁之间形成定位。

作为可选或者优选地实施方式，如图7所示，凸部21具有与径向定子铁芯 2同轴的弧形外壁即凸部21的顶面，弧形外壁的直径与径向环3的外径相等，槽部31的两个侧壁均分别与径向环3的内圆周壁和外圆周壁相接，即槽部31 沿径向环3的径向同时贯穿径向环3的内圆周壁和外圆周壁。这样凸部21即具有与径向环3相同的厚度，使其结构强度更高，并且也使槽部31更加容易加工，凸部21和槽部31更容易形成配合。

作为可选或者优选地实施方式，如图2所示，每两个相邻的凸部21之间的径向定子铁芯2的外圆周壁上设置有螺纹孔25，用于供螺钉6或者螺栓旋入。具体地，每两个相邻的凸部21之间构成一容纳槽22，相邻凸部21的相对两个侧面为其间的容纳槽22的两个侧壁，位于相邻凸部21之间的径向定子铁芯2 的外圆周外壁为容纳槽22的底面。每个容纳槽22内具有一个螺纹孔25，每个螺纹孔25位于其所在的容纳槽22的底面的中心。

如图3所示，每两个相邻的槽部31之间的径向环3上设置有与螺纹孔25 对应的沉头通孔33，用于供螺钉6或者螺栓穿过并在螺钉6或者螺栓旋入螺纹孔25内后容纳螺钉6或者螺栓的头部。具体地，每两个相邻的槽部31之间的径向环3部分构成一卡块部32，卡块部32与容纳槽22一一对应相互配合，每个卡块部32上具有一个与对应容纳槽22内的螺纹孔25对应的沉头通孔33，每个沉头通孔33位于其所在卡块部32的中心。

在凸部21与槽部31之间配合的同时，也即形成了容纳槽22与卡块部32 之间的配合。通过凸部21与槽部31配合的凹凸的燕尾槽结构可保证径向定子铁芯2与径向环3之间配合紧密，实现径向定子铁芯2与径向环3之间的径向与周向的定位。径向定子铁芯2与径向环3之间再通过螺钉6或者螺栓依次穿过对应的沉头通孔33和螺纹孔25形成轴向上的定位，还可以起到振动防松作用，保证零件连接的可靠性。

作为可选或者优选地实施方式，每个螺纹孔25对应一个极柱23，且每个螺纹孔25的轴线与对应的极柱23的中心线共线。这样能够实现更加准确的加工，以保证更加精准的装配定位。

作为可替换的实施方式，连接件还可以采用铆钉。当连接件采用铆钉时，螺纹孔25则替换为铆钉孔，沉头通孔33则应与所采用铆钉的头部尺寸相适应，以便能够容纳铆钉头部，避免铆钉的头部伸出凸部21的外壁。

如图6至图8所示，本实用新型还提供了一种轴承定子，包括上述的混合式径向定子铁芯结构。

作为可选或者优选地实施方式，径向定子铁芯结构的径向环3依次连接磁钢和导磁环5，所述磁钢可以为但不限于以下两种结构：

第一种，磁钢为环形磁钢4，环形磁钢4的内、外径的尺寸分别与径向环3 的内、外径尺寸相同，环形磁钢4通过磁力吸附作用与径向环3以及导磁环5 之间形成同轴连接。

第二种，磁钢为分块式扇形磁钢组件，分块式扇形磁钢组件是由尺寸相同且呈圆周阵列分布的扇形磁钢组成，分块式扇形磁钢组件的内、外径尺寸均与径向环3的内、外径尺寸相同，分块式扇形磁钢组件的通过磁力吸附作用与径向环3以及导磁环5之间形成同轴连接。

以磁钢采用第一种结构为例，本实用新型通过的轴承定子在装配时，先将线圈1绕制在径向定子铁芯2的极柱23上，再将绕制好线圈1的径向定子铁芯 2组件装配到径向环3对应的槽部31中，并在周向上安装4颗螺钉6或者螺栓进行紧定，保证径向定子铁芯2组件与径向环3轴向定位。将环形磁钢4安装固定在导磁环5的端面上形成组件，最后再将此组件与径向环3组装到一起，形成轴承定子。

相较于现有结构，本实用新型一方面通过凹凸的燕尾槽结构相扣连接设计，优化了装配工艺，从而达到提高产品合格率与生产效率的效果；另一方面径向定子铁芯2的凸部21的凸起结构设计，增大了铁芯导磁面积，显著改善了绕线槽24处的磁饱和问题，提高了电磁利用率和轴承承载能力。

本实用新型提供的一种混合式径向磁悬浮轴承，包括转子和上述的轴承定子，转子同轴设置在轴承定子的内部。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式中的特征可以相互结合。

本实用新型从降本、增效两方面出发，较现有技术具有操作简单，易于拆装，能够大大缩减装配时间，提高效率，同时也能避免现有技术方案装配过程中可能带来的零件返修甚至报废等问题，提高了产品合格率，减少额外制作成本。另外，径向定子铁芯2的外圆周壁具有外径与径向环3相等的凸起结构(即凸部21)，增加了径向定子铁芯2的导磁面积，显著改善了径向定子铁芯2的绕线槽24处的磁饱和问题，极大提高了混合式径向磁悬浮轴承的电磁利用率与承载能力。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。