磁悬浮主动式三自由度轴承、压缩机、电机的制作方法

1.本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮主动式三自由度轴承、压缩机、电机。


背景技术：

2.磁悬浮轴承(简称磁轴承)利用对转子的电磁力将转轴悬浮起来，转轴与定子保持非接触的状态，因此具有无磨损、高转速、高精度、长寿命等优点。磁轴承按工作原理可分为三类：主动式磁轴承、被动式磁轴承和混合式磁轴承。磁轴承又分为径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承，其中径向磁悬浮轴承通过与径向转子之间的电磁力实现对转轴径向位置的调节，轴向磁悬浮轴承通过与转轴上的推力盘之间的电磁力实现对转轴轴向位置的调节。在一个磁悬浮系统中，转轴的两端同时配置径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承，从而实现对转轴的三自由度方向位置的调整。而彼此独立设置的径向磁悬浮轴承以及轴向磁悬浮轴承集成度不高，占用转轴尺寸，从而导致转轴长度偏大，这不利于转子临界转速的提高，当然，在一些现有技术中也出现了将径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承集成为一个整体的三自由度磁轴承，但是，这种三自由度磁轴承中的径向轴承与轴向轴承的结构设计不够合理，导致径向轴承的磁力线与轴向轴承的磁力线各自通过相应的转子件例如径向转子或者推力盘形成通路，整体结构复杂，加工制作工艺复杂，装配困难，集成化程度偏低。


技术实现要素：

3.因此，本发明提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承、压缩机、电机，能够解决现有技术中三自由度磁轴承中的径向轴承与轴向轴承的结构设计不够合理，导致径向轴承的磁力线与轴向轴承的磁力线各自通过相应的转子件形成通路，整体结构复杂，加工制作工艺复杂，装配困难，集成化程度偏低的技术问题。
4.为了解决上述问题，本发明提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承，包括用于与转轴固定套接的轴承转子，套装于所述轴承转子的径向外侧的径向定子组件以及各处于所述轴承转子的轴向两端第一轴向定子组件以及第二轴向定子组件，所述第一轴向定子组件及第二轴向定子组件分别与所述轴承转子以及径向定子组件之间形成轴向磁路以实现对所述轴承转子的轴向位置的调整，所述径向定子组件与所述轴承转子之间形成径向磁路以实现对所述轴承转子的径向位置的调整，所述径向定子组件包括径向定子，所述径向定子具有朝向所述轴承转子一侧延伸的16个极柱，在所述转轴的轴向投影上，16个所述极柱关于所述转轴的中心呈中心对称且分布于4个象限内，每个所述象限内具有中间极柱以及处于所述中间极柱的两侧的两个边侧极柱，两个所述中间极柱及两个所述边侧极柱皆关于相应的所述象限的角平分线对称，且同一象限内，相邻的边侧极柱与中间极柱所形成的极性相反，所述第一轴向定子组件及所述第二轴向定子组件中皆具有环行所述转轴设置的轴向线圈。
5.在一些实施方式中，所述中间极柱的周向宽度大于所述边侧极柱的周向宽度。
6.在一些实施方式中，所述中间极柱的周向宽度为所述边侧极柱的周向宽度的两倍。
7.在一些实施方式中，每个所述极柱上皆绕设有径向线圈，两个所述边侧极柱绕设的所述径向线圈串联，两个所述中间极柱绕设的所述径向线圈串联。
8.在一些实施方式中，所述第一轴向定子组件包括第一轴向定子，所述第一轴向定子具有第一内磁环以及第一外磁环，所述轴向线圈处于所述第一内磁环与所述第一外磁环之间，其中所述第一内磁环与所述轴承转子的左端面之间形成第一轴向内侧工作间隙，所述第一外磁环与所述径向定子的左端面之间形成第一轴向外侧工作间隙，且所述第一外磁环处于所述径向线圈的径向内侧。
9.在一些实施方式中，所述第二轴向定子组件包括第二轴向定子，所述第二轴向定子具有第二内磁环以及第二外磁环，所述轴向线圈处于所述第二内磁环与所述第二外磁环之间，其中所述第二内磁环与所述轴承转子的右端面之间形成第二轴向内侧工作间隙，所述第二外磁环与所述径向定子的右端面之间形成第二轴向外侧工作间隙，且所述第二外磁环处于所述径向线圈的径向内侧。
10.在一些实施方式中，每个所述象限内的所述中间极柱上绕设的所述径向线圈的控制独立于所述边侧极柱上绕设的所述径向线圈的控制。
11.在一些实施方式中，所述第一轴向定子组件中的所述轴向线圈中的通电电流与所述第二轴向定子组件中的所述轴向线圈中的通电电流相反。
12.本发明还提供一种压缩机，包括上述的磁悬浮主动式三自由度轴承。
13.本发明还提供一种电机，包括上述的磁悬浮主动式三自由度轴承。
14.本发明提供的一种磁悬浮主动式三自由度轴承、压缩机、电机，转轴上无需单独组装推力盘，整体结构及加工制作工艺得到简化，便于装配，集成化程度较高，结构更加紧凑，有效地减小了轴承体积，缩短了转轴长度，提高转子临界转速，提高磁悬浮系统的运行稳定性。
附图说明
15.图1为本发明实施例的磁悬浮主动式三自由度轴承的内部结构示意图，图中的虚线箭头示出了轴向磁路的流向；
16.图2为图1中的径向定子与轴承转子的相对位置关系，图中的虚线箭头示出了轴向磁路的流向，图中的实线箭头示出了径向磁路的流向。
17.附图标记表示为：
18.1、轴承转子；10、转轴；21、径向定子；211、中间极柱；212、边侧极柱；214、定子磁轭；31、第一轴向定子；311、第一内磁环；312、第一外磁环；41、第二轴向定子；411、第二内磁环；412、第二外磁环；51、轴向线圈；52、径向线圈；001、轴向磁路；002、径向磁路；003、径向工作间隙；004、第一轴向内侧工作间隙；005、第二轴向内侧工作间隙。
具体实施方式
19.结合参见图1至图2所示，提供一种磁悬浮主动式三自由度轴承，包括用于与转轴10固定套接的轴承转子1，套装于轴承转子1的径向外侧的径向定子组件以及各处于轴承转
子1轴向两端的第一轴向定子组件以及第二轴向定子组件，第一轴向定子组件及第二轴向定子组件分别与轴承转子1以及径向定子组件之间形成轴向磁路001以实现对轴承转子1的轴向位置的调整，径向定子组件与轴承转子1之间形成径向磁路002以实现对轴承转子1的径向位置的调整，径向定子组件包括径向定子21，径向定子21包括定子磁轭214，该定子磁轭214的内环上具有朝向轴承转子1一侧延伸的16个极柱，在转轴10的轴向投影上，16个极柱关于转轴10的中心呈中心对称且分布于4个象限内，每个象限内的3个极柱中具有中间极柱211以及处于中间极柱211的两侧的两个边侧极柱(212)，两个所述中间极柱(211)及两个所述边侧极柱(212)皆关于相应的所述象限的角平分线对称，且同一象限内，相邻的边侧极柱(212)与中间极柱(211)所形成的极性相反，一个边侧极柱212、两个中间极柱211及另一个边侧极柱212四者形成一个
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形结构，所述第一轴向定子组件及所述第二轴向定子组件中皆具有环行所述转轴(10)设置的轴向线圈(51)，也即轴向线圈51环绕转轴10一周设置(也称为单线圈模式)，能够理解的是，前述的4个象限具体指的是以转轴10的中心为坐标原点o，并经由该o点建立正交坐标系xoy，该正交坐标系xoy将前述的轴向投影分隔为相邻的4个象限，此方面作为基本的几何知识不做赘述。该技术方案中，轴承转子同时作为轴向磁路001与径向磁路002的传导部件，将现有技术中的推力盘与轴承转子集成为一体，轴承的集成化程度进一步得到提高，转轴10上无需单独组装推力盘，而轴承转子为径向定子组件以及轴向定子组件的磁路共用，整体结构及加工制作工艺得到简化，便于装配，集成化程度较高，结构更加紧凑，有效地减小了轴承体积，缩短了转轴长度，提高转子临界转速，提高磁悬浮系统的运行稳定性。
20.具体结合图2所示，前述的4个象限分别为右上的第一象限、左上的第二象限、左下的第三象限、右下的第四象限，以第一象限中的3个极柱为例，如图中所示出的各个径向线圈52的通电方向为准，其中的中间极柱211的自由端一个呈现s极(左上)另一个呈现n极(右下)，一个边侧极柱212的自由端呈现n极，另一个边侧极柱212呈现s极，在左上的边侧极柱212以及右下的中间极柱211中径向磁路002的流向与轴向磁路001的流向相同，如此皆能够增大该两个极柱分别与轴承转子1之间的磁通，进而使该两处的径向力增加，而在左上的中间极柱211以及右下的边侧极柱212内，径向磁路002与轴向磁路001的流向则相反，如此对该两个极柱与轴承转子1之间的磁通形成削弱，进而使该处的径向力减小，前述内容针对的是一个象限内轴向磁通对极柱的影响情况，而轴向磁通对径向磁通四个象限增强和削弱是相互抵消的，集成后的磁轴承的径向磁路与轴向磁路虽然皆流经轴承转子1，当轴向磁路的改变并不会对径向磁路整体造成影响，简化了磁轴承的控制。
21.在一些实施方式中，中间极柱211的周向宽度大于边侧极柱212的周向宽度，参见图2所示，中间极柱211同时作为了边侧极柱212内磁力线的流通部件，将中间极柱211的周向宽度设计的比相邻的两个极柱的周向宽度大，能够使两侧的磁路得到优化，在一个优选的实施方式中，中间极柱211的周向宽度为边侧极柱212的周向宽度的两倍。如此，中间极柱211的磁极面积是两端极柱也即边侧极柱212的两倍，在同时将中间极柱211与边侧极柱212相串联，保证径向控制匝数和径向电流一致，从而仅需调节一个电流控制径向移动，此种控制方式简单，保证中间极柱211径向磁通量为两端的两倍，四个极柱上的径向磁密一致且磁路不易饱和，同时还可将中间轴向磁路影响考虑进去，四个极柱上的轴向磁密一致磁路不易饱和。
22.每个极柱上皆绕设有径向线圈52，两个边侧极柱212绕设的径向线圈52串联，两个中间极柱211绕设的径向线圈52串联，如图2所示，在第一象限内，左上的边侧极柱212及右下的中间极柱211分别对应的径向线圈52的电流流向是左进右出，而左上的中间极柱211及右下的边侧极柱212分别对应的径向线圈52的电流流向则是右进左出，由此实现了在第一象限内四个极柱顺时针方向的磁极分别为nsns，当然，电流流向可以正好相反以使第一象限内四个极柱顺时针方向的磁极分别为snsn，而需要说明的是，其他的各个象限中的极柱极性应该满足关于转轴10的中心中心对称的要求。该技术方案中，通过将两个边侧极柱212分别的径向线圈52的串联，将两个中间极柱211分别的径向线圈52的串联，实现分别的两个极柱所呈现的磁力的完全一致，便于径向位置的调整控制。
23.在一些实施方式中，第一轴向定子组件包括第一轴向定子31，第一轴向定子31具有第一内磁环311以及第一外磁环312，轴向线圈51处于第一内磁环311与第一外磁环312之间，其中第一内磁环311与轴承转子1的左端面之间形成第一轴向内侧工作间隙004，第一外磁环312与径向定子21的左端面之间形成第一轴向外侧工作间隙，且第一外磁环312处于径向线圈52的径向内侧。相类似的，第二轴向定子组件包括第二轴向定子41，第二轴向定子41具有第二内磁环411以及第二外磁环412，轴向线圈51处于第二内磁环411与第二外磁环412之间，其中第二内磁环411与轴承转子1的右端面之间形成第二轴向内侧工作间隙005，第二外磁环412与径向定子21的右端面之间形成第二轴向外侧工作间隙，且第二外磁环412处于径向线圈52的径向内侧。该技术方案中，第一外磁环312或者第二外磁环412皆对应于径向定子21的极柱位置设置且处于径向线圈52的内侧，而不与径向定子21的定子磁轭214对应设置，能够减小径向磁路002在轴向方向的漏磁，杜绝轴向出力周向不均匀情况的发生。
24.在一些实施方式中，每个象限内的中间极柱211上绕设的径向线圈52的控制独立于边侧极柱212上绕设的径向线圈52的控制。具体而言，如图2所示，径向定子组件有16个磁极(具体表现为前述的极柱)，是对称分布的四个形结构，其两端是小齿(也即前述的边侧极柱212，下同)，中间为大齿(也即前述的中间极柱211，下同)，每个形结构磁极在空间上呈nsns(或者snsn)分布，径向磁路002如图2实线所示，形结构上的第一个径向磁路经径向小齿a(例如第一象限内的左上边侧极柱212，下同)-径向工作间隙003-轴承转子1-径向工作间隙003-径向大齿b(例如第一象限内的左上中间极柱211，下同)-定子磁轭214到径向小齿a闭合；第二个径向磁路经径向大齿c(例如第一象限内的右下中间极柱211，下同)-径向工作间隙003-轴承转子1-径向工作间隙003-径向大齿b-定子磁轭214到径向大齿c闭合；第三个径向磁路经径向大齿c-径向工作间隙003-轴承转子1-径向工作间隙003-径向小齿d(例如第一象限内的右下边侧极柱212，下同)-定子磁轭214到径向大齿c闭合。轴向磁路001如图2虚线所示，全部指向圆心，在形结构的径向小齿a、径向大齿c气隙磁场增强，径向大齿b、径向小齿d气隙磁场削弱，反之，当轴向磁路方向全部指向圆周时，在形结构的径向大齿b、径向小齿d气隙磁场增强，径向小齿a、径向大齿c气隙磁场削弱。当需控制轴承转子向左上方移动时，给左上方径向绕组通电，提供轴承转子向左上方的径向力；当需控制轴承转子向上方移动时，给左、右上方径向绕组通电，提供轴承转子向上的径向力，此控制径向方向移动方位广、控制灵活。
25.在一些实施方式中，第一轴向定子组件中的轴向线圈51中的通电电流与第二轴向
定子组件中的轴向线圈51中的通电电流相反，以保证两端的轴向定子组件所产生的轴向磁路001在径向上的磁路对径向磁路002的作用同时为增强或者同时为削弱，进而利于对轴承转子1的控制以调整轴承转子1的轴向位置。
26.轴向磁路001具体可以参见图1所示，轴向定子的外磁环位于径向线圈52的下端(图1所示方位)，与径向定子的极柱对应衔接，轴向定子的内磁环位于轴承转子1两端，轴向线圈51产生的轴向磁路001包含第一轴向磁路和第二轴向磁路，用来控制轴承转子轴向移动，第一轴向磁路经第一外磁环312-极柱-径向工作间隙003-轴承转子1-第一轴向内侧工作间隙004-第一内磁环311回到第一轴向定子31顺时针方向闭合，第二轴向磁路经第二外磁环412-极柱-径向工作间隙003-轴承转子1-第二轴向内侧工作间隙005-第二内磁环411回到第二轴向定子41逆时针方向闭合，需控制轴承转子1向左移动时，增大左轴承绕组(也即左侧的轴向线圈51)电流，轴承转子1受到向左的力大，反之，需控制轴承转子1向右移动时，增大右轴承绕组(也即右侧的轴向线圈51)电流，轴承转子1受到向右的力大，从而通过控制左第二轴向绕组电流大小，来控制轴承转子1的轴向移动。
27.需要特别说明的是，本发明的轴承为主动式电磁轴承，不设置永磁体提供偏置磁场，使本发明的轴承具有成本低、装配方便、承载力大、可大功率运行的优点。
28.根据本发明的实施例，还提供一种压缩机，包括上述的磁悬浮主动式三自由度轴承。
29.根据本发明的实施例，还提供一种电机，包括上述的磁悬浮主动式三自由度轴承。
30.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。
31.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。