磁悬浮轴承组件、电机及压缩机
文献发布时间：2023-06-19 09:27:35
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体而言，涉及一种磁悬浮轴承组件、电机及压缩机。
背景技术
磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、高转速、高精度、不需要润滑和密封等一系列优良品质，是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学一体的高新技术产物。
磁力轴承分为主动式、被动式、混合式三种类型，主动式磁力轴承刚度大，可以精密控制，但产生单位承载力所需体积和功耗较大。被动式磁力轴承利用磁性材料之间的吸力或斥力实现转子的悬浮，刚度和阻尼都比较低。混合式磁力轴承运用永磁体提供偏置磁场取代主动式磁轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，减少控制绕组的安匝数，缩小轴承体积，提高轴承承载能力等。混合式磁力轴承对体积和功耗有严格要求的领域有着不可替代的优势，磁力轴承又主要应用于高速、超高速场合。因此，磁悬浮系统的集成化、微型化和提高控制系统的稳定性与可靠性将是重点研究方向。
磁悬浮轴承系统要实现对转子的无接触支撑，需要对其空间的五个自由度进行控制。传统的磁悬浮结构，采用永磁偏置前径向轴承、永磁偏置后径向轴承控制转轴径向四自由度的悬浮控制，永磁偏置轴向轴承控制转轴轴向自由度的悬浮控制，两组永磁偏置径向电磁轴承和一组永磁偏置轴向轴承实现转子空间的五自由度悬浮，通过永磁体产生偏置磁场，通过辅助定子磁极、转轴、径向定子磁极形成闭合回路，构成永磁偏置磁场，在径向定子磁极与转轴主气隙中形成偏置磁通，径向水平与竖直控制绕组通入控制电流产生控制磁场，经过定子铁芯内部与转轴形成控制磁场调节径向定子磁极与转轴主气隙间的偏置磁通，实现径向两自由度的悬浮控制。其中，永磁体产生偏置磁场，通过左、右两端的定子铁芯、推力盘构成闭合回路，形成偏置磁场，在左、右定子铁芯与推力盘气隙中形成偏置磁通，控制绕组通入控制电流形成控制磁场，通过定子铁芯、推力盘形成闭合回路，构成控制磁路，调节左、右两端定子铁芯与推力盘中的偏置磁通，实现转轴轴向悬浮控制。每一组径向磁悬浮轴承控制转子径向两个自由度，轴向磁悬浮轴承控制转子轴向的平动自由度。该磁悬浮系统结构存在两个缺点：
1、两个径向轴承与轴向轴承并排放置，增加转子轴向长度，悬浮系统轴向体积增大，转子挠性增强。
2、径向磁悬浮轴承同时进行径向水平与竖直同时控制时，径向两自由度控制磁场相互耦合，控制逻辑复杂，径向两自由度控制绕组单一，当单一某一绕组出现故障时，对应径向自由度的控制将失效，高速旋转的转轴将造成严重安全危害，悬浮系统稳定性与可靠性低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磁悬浮轴承组件、电机及压缩机，以解决现有技术中磁悬浮轴承轴向长度大的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮轴承组件，包括：外定子铁芯，外定子铁芯内设置有永磁体；第一定子组件，第一定子组件设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第一侧；第二定子组件，第二定子组件设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第二侧，第一定子组件与第二定子组件相对地设置；转子组件，转子组件设置于外定子铁芯内，转子组件包括转轴；其中，第一定子组件和第二定子组件用于产生独立的控制磁场，永磁体产生偏置磁场，控制磁场用于控制偏置磁场以控制转轴沿Y轴做平移运动、绕Y轴转动、沿X轴做平移运动、绕X轴转动和/或沿Z轴做平移运动，X轴、Y轴沿转轴的径向方向，Z轴为转轴的轴线方向。
进一步地，第一定子组件包括第一径向竖直定子组件，第一径向竖直定子组件设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第一侧，第二定子组件包括第二径向竖直定子组件，第二径向竖直定子组件设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第二侧，第一径向竖直定子组件与第二径向竖直定子组件相对地设置；其中，第一径向竖直定子组件和第二径向竖直定子组件用于产生独立的径向竖直控制磁场。
进一步地，第一径向竖直定子组件包括：第一径向竖直定子，第一径向竖直定子为环形结构，第一径向竖直定子设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第一侧，第一径向竖直定子的内圆上设置有第一定子齿；第一径向竖直绕组，第一径向竖直绕组绕设于第一定子齿上。
进一步地，第一定子齿为两个，各第一定子齿上均设置有第一径向竖直绕组，两个第一定子齿相对地设置。
进一步地，第一径向竖直定子组件还包括：第一隔磁环，第一隔磁环设置于外定子铁芯内，且第一隔磁环套设于第一径向竖直定子的外周面上。
进一步地，第二径向竖直定子组件包括：第二径向竖直定子，第二径向竖直定子为环形结构，第二径向竖直定子设置于外定子铁芯内并位于永磁体的第二侧，第二径向竖直定子的内圆上设置有第二定子齿；第二径向竖直绕组，第二径向竖直绕组绕设于第二定子齿上。
进一步地，第二定子齿为两个，各第二定子齿上均设置有第二径向竖直绕组，两个第二定子齿相对地设置。
进一步地，第二径向竖直定子组件还包括：第二隔磁环，第二隔磁环设置于外定子铁芯内，且第二隔磁环套设于第二径向竖直定子的外周面上。
进一步地，第一定子组件包括第一径向水平定子组件，第一径向水平定子组件设置于外定子铁芯的第一端内并位于第一径向竖直定子组件的外侧，第二定子组件包括第二径向水平定子组件，第二径向水平定子组件设置于外定子铁芯的第二端内并位于第二径向竖直定子组件的外侧；其中，第一径向水平定子组件和第二径向水平定子组件用于产生独立的径向水平控制磁场。
进一步地，第一径向水平定子组件包括：第一径向水平定子，第一径向水平定子为环形结构，第一径向水平定子设置于外定子铁芯的第一端内并位于第一径向竖直定子组件的轴向方向的外侧，第一径向水平定子的内圆上设置有第三定子齿；第一径向水平绕组，第一径向水平绕组绕设于第三定子齿上。
进一步地，第三定子齿为两个，两个第三定子齿相对地设置。
进一步地，第三定子齿的沿第一径向水平定子的几何中心线与第一定子齿的沿第一径向竖直定子的几何中心线相垂直地设置。
进一步地，第二径向水平定子组件包括：第二径向水平定子，第二径向水平定子为环形结构，第二径向水平定子设置于外定子铁芯的第二端内并位于第二径向竖直定子组件的轴向方向的外侧，第二径向水平定子的内圆上设置有第四定子齿；第二径向水平绕组，第二径向水平绕组绕设于第四定子齿上。
进一步地，第四定子齿为两个，两个第四定子齿相对地设置。
进一步地，第四定子齿的沿第二径向水平定子的几何中心线与第二定子齿的沿第二径向竖直定子的几何中心线相垂直地设置。
进一步地，转子组件包括：径向竖直转子，第一径向竖直定子、外定子铁芯和第二径向竖直定子的内圆形成用于安装径向竖直转子，径向竖直转子与第一径向竖直定子、外定子铁芯和第二径向竖直定子相配合地设置，转轴穿设于径向竖直转子内。
进一步地，转子组件还包括：第一径向水平转子，第一径向水平转子设置于外定子铁芯的第一端内，并位于第一径向水平定子的轴向方向的外侧，第一径向水平转子与第一径向水平定子相配合地设置；第二径向水平转子，第二径向水平转子设置于外定子铁芯的第二端内，并位于第二径向水平定子的轴向方向的外侧，第二径向水平转子与第二径向水平定子相配合地设置，转轴穿设于第一径向水平转子和第二径向水平转子内。
进一步地，第一径向水平转子和第二径向水平转子中的至少一个的横截面的直径沿转轴的方向向外逐渐增加地设置。
进一步地，外定子铁芯的中部设置有环形凸台，永磁体的外周面贴设于环形凸台的内圆上，永磁体的朝向外定子铁芯的外表面一侧为N极，永磁体的朝向转轴的一侧为S极。
进一步地，环形凸台的轴向方向的高度与永磁体的轴向方向的高度相同。
进一步地，外定子铁芯的第一端内设置有第一环形台阶，第一环形台阶的台阶面至外定子铁芯端部之间形成用于容纳第一径向水平定子组件的安装空间，第一环形台阶的台阶面至环形凸台的一侧形成用于容纳第一径向竖直定子组件的安装空间。
进一步地，外定子铁芯的第二端内设置有第二环形台阶，第二环形台阶的台阶面至外定子铁芯端部之间形成用于容纳第二径向水平定子组件的安装空间，第二环形台阶的台阶面至环形凸台的一侧形成用于容纳第二径向竖直定子组件的安装空间。
进一步地，第一径向竖直定子具有多个第一定子齿，各第一定子齿设置有第一径向竖直绕组，各第一径向竖直绕组独立地控制以使各第一径向竖直绕组产生独立的径向竖直控制磁场，和/或第二径向竖直定子具有多个第二定子齿，各第二定子齿设置有第二径向竖直绕组，各第二径向竖直绕组独立地控制以使各第二径向竖直绕组产生独立的径向竖直控制磁场，和/或第一径向水平定子具有多个第三定子齿，各第三定子齿设置有第一径向水平绕组，各第一径向水平绕组独立地控制以使各第一径向水平绕组产生独立的径向水平控制磁场，和/或第二径向水平定子具有多个第四定子齿，各第四定子齿设置有第二径向水平绕组，各第二径向水平绕组独立地控制以使各第二径向水平绕组产生独立的径向水平控制磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括磁悬浮轴承组件，磁悬浮轴承组件为上述的磁悬浮轴承组件。
根据本发明的另一方面，提供了一种压缩机，包括磁悬浮轴承组件，磁悬浮轴承组件为上述的磁悬浮轴承组件。
应用本发明的技术方案，通过在外定子铁芯内设置有永磁体，而且分别在永磁体的两侧设置第一定子组件和第二定子组件，同时将定子组件和第二定子组件产生的控制磁场设置成是独立的控制方式，这样设置能够使得第一定子组件和第二定子组件产生的磁路互补耦合，起到简化径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承组件径向控制的稳定性与可靠性。这样设置能够使得磁悬浮轴承组件实现转轴的径向、轴向自由度多绕组控制，有效地避免出现单一绕组控制故障时，磁悬浮系统处于无控制状态，进一步提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第一实施例的结构示意图；
图2示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的径向竖直控制磁场的示意图；
图3示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第二实施例的结构示意图；
图4示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的径向水平控制磁场的示意图；
图5示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第三实施例的结构示意图；
图6示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的实施例的爆炸结构示意图；
图7示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转子组件的实施例的结构示意图；
图8示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的实施例的剖视结构示意图；
图9示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的实施例的结构示意图；
图10示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第一状态下的受力分析示意图；
图11示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第二状态下的受力分析示意图；
图12示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第三状态下的受力分析示意图；
图13示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的转轴的第四状态下的受力分析示意图；
图14示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第四实施例的结构示意图；
图15示出了图14中A-A向的剖视结构示意图；
图16示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第五实施例的结构示意图；
图17示出了根据本发明的磁悬浮轴承组件的第五实施例的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、外定子铁芯；
11、永磁体；12、环形凸台；13、第一环形台阶；14、第二环形台阶；15、第一环形凸起；16、第二环形凸起；
20、第一径向竖直定子组件；
21、第一径向竖直定子；211、第一定子齿；
22、第一径向竖直绕组；23、第一隔磁环；
30、第二径向竖直定子组件；
31、第二径向竖直定子；311、第二定子齿；
32、第二径向竖直绕组；33、第二隔磁环；
40、转子组件；
41、转轴；42、径向竖直转子；43、第一径向水平转子；44、第二径向水平转子；
50、第一径向水平定子组件；
51、第一径向水平定子；511、第三定子齿；52、第一径向水平绕组；
60、第二径向水平定子组件；
61、第二径向水平定子；611、第四定子齿；62、第二径向水平绕组；
70、精密螺帽；
80、第一导磁环；
90、第二导磁环。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
结合图1至图13所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种磁悬浮轴承组件。
具体地，该磁悬浮轴承组件包括外定子铁芯10、第一定子组件、第二定子组件、转子组件40。外定子铁芯10内设置有永磁体11。第一定子组件设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第一侧。第二定子组件设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第二侧，第一定子组件与第二定子组件相对地设置。转子组件40设置于外定子铁芯10内，转子组件40包括转轴41。其中，第一定子组件和第二定子组件用于产生独立的控制磁场，永磁体11产生偏置磁场，控制磁场用于控制偏置磁场以控制转轴41沿Y轴做平移运动、绕Y轴转动、沿X轴做平移运动、绕X轴转动和/或沿Z轴做平移运动，X轴、Y轴沿转轴41的径向方向，Z轴为转轴41的轴线方向。
在本实施例中，通过在外定子铁芯内设置有永磁体，而且分别在永磁体的两侧设置第一定子组件和第二定子组件，同时将定子组件和第二定子组件产生的控制磁场设置成是独立的控制方式，这样设置能够使得第一定子组件和第二定子组件产生的磁路互补耦合，起到简化径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承组件径向控制的稳定性与可靠性。这样设置能够使得磁悬浮轴承组件实现转轴的径向、轴向自由度多绕组控制，有效地避免出现单一绕组控制故障时，磁悬浮系统处于无控制状态，进一步提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。
进一步地，第一定子组件包括第一径向竖直定子组件20。第一径向竖直定子组件20设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第一侧。第二定子组件包括第二径向竖直定子组件30。第二径向竖直定子组件30设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第二侧，第一径向竖直定子组件20与第二径向竖直定子组件30相对地设置；转子组件40，转子组件40设置于外定子铁芯10内，转子组件40包括转轴41；其中，第一径向竖直定子组件20和第二径向竖直定子组件30用于产生独立的径向竖直控制磁场。
在本实施例中，通过在外定子铁芯10内设置有永磁体11，而且分别在永磁体11的两侧设置第一径向竖直定子组件20和第二径向竖直定子组件30，同时将第一径向竖直定子组件20和第二径向竖直定子组件30产生的径向竖直控制磁场是独立的，这样设置能够使得第一径向竖直定子组件20和第二径向竖直定子组件30产生的磁路互补耦合，起到简化径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承组件径向控制的稳定性与可靠性。这样设置能够使得磁悬浮轴承组件实现转轴41的径向、轴向自由度多绕组控制，有效地避免出现单一绕组控制故障时，磁悬浮系统处于无控制状态，进一步提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。
如图1和图6所示，第一径向竖直定子组件20包括第一径向竖直定子21和第一径向竖直绕组22。第一径向竖直定子21为环形结构，第一径向竖直定子21设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第一侧，第一径向竖直定子21的内圆上设置有第一定子齿211。第一径向竖直绕组22绕设于第一定子齿211上。其中，第一定子齿211为两个，各第一定子齿211上均设置有第一径向竖直绕组22，两个第一定子齿211相对地设置。这样设置能够有效地提高第一径向竖直定子组件20的性能。当然，也可以根据需要，将第一定子齿211的个数设置成其他数目方式。
如图1所示，第一径向竖直定子组件20还包括第一隔磁环23。第一隔磁环23设置于外定子铁芯10内，且第一隔磁环23套设于第一径向竖直定子21的外周面上。这样设置能够避免第一径向竖直定子21与外定子铁芯10之间发生漏磁影响径向偏置磁场C1的强度。
进一步地，第二径向竖直定子组件30包括第二径向竖直定子31、第二径向竖直绕组32。第二径向竖直定子31为环形结构，第二径向竖直定子31设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11的第二侧。第二径向竖直定子31与第一径向竖直定子21同轴地设置，第二径向竖直定子31的内圆上设置有第二定子齿311。第二径向竖直绕组32绕设于第二定子齿311上。其中，第二定子齿311为两个，各第二定子齿311上均设置有第二径向竖直绕组32，两个第二定子齿311相对地设置。这样设置能够有效地提高第二径向竖直定子组件30的性能。第二定子齿311的个数不限于设置两个的方式。
为了进一步地提高径向偏置磁场C1的强度，第二径向竖直定子组件30还包括第二隔磁环33。第二隔磁环33设置于外定子铁芯10内，且第二隔磁环33套设于第二径向竖直定子31的外周面上。
如图3所示，第一定子组件还包括第一径向水平定子组件50。第二定子组件包括第二径向水平定子组件60。第一径向水平定子组件50设置于外定子铁芯10的第一端内并位于第一径向竖直定子组件20的外侧。第二径向水平定子组件60设置于外定子铁芯10的第二端内并位于第二径向竖直定子组件30的外侧。其中，第一径向水平定子组件50和第二径向水平定子组件60用于产生独立的径向水平控制磁场，永磁体11产生偏置磁场，控制磁场用于控制偏置磁场以控制转轴41沿X轴或Z轴做平移运动，或者控制转轴41绕Y轴转动。即在本实施例中，结合外定子铁芯10、永磁体11、第一径向竖直定子组件20、第二径向竖直定子组件30和转子组件40，能够实现对转轴41进行五自由度控制，有效地提高了转轴41的稳定性和可靠性。
具体地，第一径向水平定子组件50包括第一径向水平定子51、第一径向水平绕组52。第一径向水平定子51为环形结构，第一径向水平定子51设置于外定子铁芯10的第一端内并位于第一径向竖直定子组件20的轴向方向的外侧，第一径向水平定子51的内圆上设置有第三定子齿511。第一径向水平绕组52绕设于第三定子齿511上。其中，第三定子齿511为两个，两个第三定子齿511相对地设置。当然，也可以将第三定子齿511的个数设置成不仅为两个的方式。
优选地，第三定子齿511的沿第一径向水平定子51的几何中心线与第一定子齿211的沿第一径向竖直定子21的几何中心线相垂直地设置。这样设置能够使得在转轴41的轴向方式，使得第一定子齿211与第三定子齿511错开地设置，这样设置能够通过调整第一定子齿211与第三定子齿511上形成的磁路的磁通强度来及时纠正转轴41的悬浮状态，进一步地提高了转轴41转动时的稳定性。
第二径向水平定子组件60包括第二径向水平定子61、第二径向水平绕组62。第二径向水平定子61为环形结构，第二径向水平定子61设置于外定子铁芯10的第二端内并位于第二径向竖直定子组件30的轴向方向的外侧。第二径向水平定子61的内圆上设置有第四定子齿611。第二径向水平绕组62绕设于第四定子齿611上。其中，第四定子齿611为两个，两个第四定子齿611相对地设置。在本实施例中，第四定子齿611也可以设置成其他个数的方式。
优选地，第四定子齿611的沿第二径向水平定子61的几何中心线与第二定子齿311的沿第二径向竖直定子31的几何中心线相垂直地设置。这样设置能够使得在转轴41的轴向方式，使得第二定子齿311与第四定子齿611错开地设置，这样设置能够通过调整第二定子齿311与第四定子齿611上形成的磁路的磁通强度来及时纠正转轴41的悬浮状态，进一步地提高了转轴41转动时的稳定性。
如图7所示，转子组件40包括径向竖直转子42。第一径向竖直定子21、外定子铁芯10和第二径向竖直定子31的内圆形成用于安装径向竖直转子42，径向竖直转子42与第一径向竖直定子21、外定子铁芯10和第二径向竖直定子31相配合地设置，转轴41穿设于径向竖直转子42内。这样设置能够提高该磁悬浮轴承组件的稳定性和可靠性。
进一步地，转子组件40还包括第一径向水平转子43、第二径向水平转子44。第一径向水平转子43设置于外定子铁芯10的第一端内，并位于第一径向水平定子51的轴向方向的外侧。第一径向水平转子43与第一径向水平定子51相配合地设置。第二径向水平转子44设置于外定子铁芯10的第二端内，并位于第二径向水平定子61的轴向方向的外侧。第二径向水平转子44与第二径向水平定子61相配合地设置，转轴41穿设于第一径向水平转子43和第二径向水平转子44内。其中，转轴41的端部通过精密螺帽锁紧。
第一径向水平转子43和第二径向水平转子44中的至少一个的横截面的直径沿转轴41的方向向外逐渐增加地设置。如图7所示，第一径向水平转子43和第二径向水平转子44均为锥台结构，这样设置使得第一径向水平转子43、第二径向水平转子44与第一径向水平定子51、第二径向水平定子61之间形成与转轴的轴向具有倾斜角的气隙结构，这样设置能够通过控制第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62通入电流的大小来实现对转轴41的轴向方向进行控制，有效地提高了该磁悬浮轴承的实用性。
如图5所示，在本申请的另一个实施例中，第一径向水平转子43和第二径向水平转子44为等径结构，第一径向水平转子43和第二径向水平转子44与第一径向水平定子51、第二径向水平定子61之间形成沿轴向方向等距离的气隙结构。
优选地，第一径向水平定子51、第二径向水平定子61与外定子铁芯10一体设置成型。这样设置能够进一步地提高磁悬浮轴承组件的稳定性。
进一步地，外定子铁芯10的中部设置有环形凸台12。永磁体11的外周面贴设于环形凸台12的内圆上，永磁体11的朝向外定子铁芯10的外表面一侧为N极，永磁体11的朝向转轴41的一侧为S极。这样设置能够使得永磁体11与第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62相配合以形成用于控制转轴41的径向水平偏置磁场C5。
其中，环形凸台12的轴向方向的高度与永磁体11的轴向方向的高度相同。这样设置能够提高永磁体11的安装稳定性。
如图6和图8所示，外定子铁芯10的第一端内设置有第一环形台阶13。第一环形台阶13的台阶面至外定子铁芯10端部之间形成用于容纳第一径向水平定子组件50的安装空间。第一环形台阶13的台阶面至环形凸台12的一侧形成用于容纳第一径向竖直定子组件20的安装空间。外定子铁芯10的第二端内设置有第二环形台阶14。第二环形台阶14的台阶面至外定子铁芯10端部之间形成用于容纳第二径向水平定子组件60的安装空间。第二环形台阶14的台阶面至环形凸台12的一侧形成用于容纳第二径向竖直定子组件30的安装空间。这样设置能够使得该磁悬浮轴承组件的结构更加紧凑，能够有效地缩短磁悬浮轴承组件的轴向高度。
进一步地，第一径向竖直定子21具有多个第一定子齿211。各第一定子齿211设置有第一径向竖直绕组22，各第一径向竖直绕组22独立地控制以使各第一径向竖直绕组22产生独立的径向竖直控制磁场。第二径向竖直定子31具有多个第二定子齿311，各第二定子齿311设置有第二径向竖直绕组32，各第二径向竖直绕组32独立地控制以使各第二径向竖直绕组32产生独立的径向竖直控制磁场。第一径向水平定子51具有多个第三定子齿511，各第三定子齿511设置有第一径向水平绕组52，各第一径向水平绕组52独立地控制以使各第一径向水平绕组52产生独立的径向水平控制磁场。第二径向水平定子61具有多个第四定子齿611，各第四定子齿611设置有第二径向水平绕组62，各第二径向水平绕组62独立地控制以使各第二径向水平绕组62产生独立的径向水平控制磁场。各个定子齿上的绕组采用独立控制的方式，使得当其中某一个定子齿上的绕组失效时，可以通过增加另一个定子齿的接入电流，或者是同时增加其余的定子齿的接入电流来产生足够强度的控制磁场，同样起到稳定控制转轴的作用。
上述实施例中的磁悬浮轴承组件还可以用于电机设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括磁悬浮轴承组件，磁悬浮轴承组件为上述实施例中的磁悬浮轴承组件。
上述实施例中的磁悬浮轴承组件还可以用于压缩机设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种压缩机，包括磁悬浮轴承组件，磁悬浮轴承组件为上述实施例中的磁悬浮轴承组件。
具体地，为了解决现有技术五自由度悬浮系统中，两径向轴承与轴向轴承并列排布设置，导致五自由度悬浮系统的轴向空间增大，转子轴向长度伸长，挠性增大、径向永磁偏置轴承的径向水平与径向竖直的控制磁场相互耦合异常、简化磁悬浮系统的控制逻辑、磁悬浮轴承控制系统的稳定性与可靠性差的问题，本申请提出了一种新的磁路解耦五自由度磁悬浮轴承组件，
如图9所示，转轴实现五自由度悬浮即实现转轴围绕Y轴的转动，延Y轴(径向竖直方向)的平动，围绕X轴的转动，延X轴(径向水平方向)的平动，延Z轴(轴向方向)平动的五自由度方向控制。
如图1、图3所示，永磁体11，外定子铁芯10，第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31，第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32，径向竖直转子42组成径向竖直方向两自由度控制系统，实现转轴41延Y轴方向平动，围绕X轴转动。永磁体11，外定子铁芯10，第一径向水平定子51、第二径向水平定子61，第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62，第一径向水平转子43、第二径向水平转子44、径向竖直转子42组成轴向-径向水平方向三自由度控制系统，实现转轴41沿X、Z轴方向平动，围绕Y轴转动。五自由度磁悬浮轴承双径向-轴向一体化结构，缩小磁悬浮系统轴向占用空间，缩短转轴长度，径向竖直与水平控制磁场相互独立，互不耦合，实现转轴径向与水平的独立调控，从而简化磁悬浮系统的控制逻辑，提高系统的稳定性与可靠性。
转轴实现径向竖直两自由度悬浮控制即沿Y轴平动，围绕X轴转动工作原理如图1所示，永磁体11(外侧为N极，内侧为S极)产生径向竖直偏置磁场C1经过永磁体11左右两端的第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31，并与径向竖直转子42构成闭合回路，在第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31与径向竖直转子42主气隙之间形成偏置磁通，当转轴处于平衡位置时，竖直方向上、下主气隙间的偏置磁通相同，转轴会处于平衡状态。其中，当转轴41承受冲击沿Y轴(竖直方向)向下偏移时，竖直方向上侧间隙增大，下侧间隙减小，导致上主气隙中的偏置磁通减小，下主气隙中的偏置磁通增大，因当磁极面积一定时，磁场吸力大小与磁通的平方成正比，向下吸力大于向上吸力，无外界控制，转轴持续向下偏移，无法回到平衡位置。第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32通入相同控制电流产生控制磁场，经过第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31，径向竖直转子42构成闭环回路，形成径向竖直控制磁场C2，增大上侧主气隙中偏置磁通，减小下侧主气隙中偏置磁通，实现向上吸力大于向下吸力，转轴41向上偏移，恢复平衡位置，径向竖直控制绕组停止通电，实现转轴41沿Y轴方向平动控制。当转轴承受冲击围绕X轴顺时针旋转冲击时，第一径向竖直定子21与径向竖直转子42之间的主气隙磁通发生变化，上侧气隙磁通增大，下侧气隙磁通减小，转轴41承受向上吸力，第二径向竖直定子31与径向竖直转子42之间的主气隙发生变化，上侧气隙磁通减小，下侧气隙磁通增大，转轴承受向下吸力，左、右两端吸力将形成一个顺时针方向转矩，转轴41持续顺时针旋转，无法恢复平衡。第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32通入方向相反的控制电流，实现转轴41左端上侧磁通减小，下侧磁通增大，转轴41左端承受向下吸力，转轴41右端上侧磁通增大，下侧磁通减小，转轴41右端承受向上吸力，转轴41承受逆时针转矩，逐渐恢复至平衡位置，径向竖直控制绕组停止通电，实现转轴围绕X轴旋转控制。
转轴实现延轴向-径向水平自由度即沿X轴(径向水平)移动，围绕Y轴转动，轴向方向移动控制的工作原理如现有技术图1、图3所示，永磁体11产生偏置磁场，通过外定子铁芯10、左、右两端的第一径向水平定子51、第二径向水平定子61、第一径向水平转子43、第二径向水平转子44、径向竖直转子42构成闭合回路，形成轴向径向水平偏置磁场C3，如图10所示，第一径向水平定子51、第二径向水平定子61对第一径向水平转子43、第二径向水平转子44的吸力分别为F1、F2、F3、F4，当转轴41处于平衡位置时，F1、F2、F3、F4大小相等，方向不同，转轴41总受力为零，保持平衡状态。其中，当转轴41发生径向水平(X轴)向下移动时，左、右两端下侧间隙减小，磁通增大，上端间隙增大，磁通减小，使转轴41两端均产生向下的吸力(F1＝F3
采用该结构的磁悬浮轴承组件，解决了现有技术中采用双径向轴承-轴向轴承并列排布，造成磁悬浮系统轴向跨距大、转轴长度长，挠性大，控制元器件多，磁悬浮系统材料成本高的问题。采用现有技术中的轴承结构，径向水平、竖直自由度控制磁路耦合，使得控制逻辑复杂，且径向、轴向自由度控制绕组功能单一，控制系统可靠性低。
采用本申请的磁悬浮轴承组件，双径向轴承-轴向轴承一体化结构，轴向-径向水平定子磁极具有锥形角度，产生出力可控制转轴轴向自由度与径向水平自由度。这样设置使得磁悬浮轴承组件的轴向空间小，转轴长度短，挠性小，整个悬浮系统共用一个永磁体11，轴向-径向水平自由度共用一套控制元器件，降低元器件数量，磁悬浮系统材料成本低。双径向采用一体化结构，双径向磁极对转轴实现四自由度悬浮，利用磁极边缘效应，对转轴41进行轴向控制，实现转轴41五自由度悬浮，降低元器件数量，节约轴向轴承材料成本及占用空间。径向水平、竖直自由度控制系统相独立地设置，使得径向水平与竖直方向自由度控制磁路相互独立，互不耦合，简化径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承径向控制的稳定性与可靠性。径向、轴向自由度多绕组控制，避免出现单一绕组控制故障时，磁悬浮系统处于无控制状态，从而提高磁悬浮系统的稳定性与可靠性。
进一步地，双径向-轴向磁悬浮轴承一体化结构，轴向-径向水平定子呈锥形磁极，产生出力可控制转轴轴向移动与径向水平移动，实现径向水平自由度与轴向自由度共用一套控制元件，缩减磁悬浮轴向占用空间，转轴长度短，挠性小，降低元器件数量，节约材料成本。如图5所示，双径向磁极对转轴41实现四自由度悬浮，利用磁极边缘效应，实现对转轴41的轴向控制，实现转轴五自由度悬浮，降低元器件数量，节约轴向轴承材料成本及占用空间。
如图14所示，在本申请的实施例中，还提供了一种径向四自由度的控制磁极轴向排布的轴承组件结构，采用本实施例的磁悬浮组件的控制磁场互不耦合，相互独立，简化了径向自由度控制逻辑，提高磁悬浮轴承径向控制的稳定性。
具体地，如图14至图17所示，在本申请的另一个实施例中，磁悬浮轴承组件包括外定子铁芯10、第一径向竖直定子组件20、第一径向水平定子组件50、转子组件40。外定子铁芯10的第一端内设置有永磁体11。第一径向竖直定子组件20设置于外定子铁芯10的第二端内。第一径向水平定子组件50设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11和第一径向竖直定子组件20之间。转子组件40设置于外定子铁芯10内，转子组件40包括转轴41。其中，第一径向竖直定子组件20和第一径向水平定子组件50用于产生独立的控制磁场，通过永磁体11、第一径向竖直定子组件20、以及第一径向水平定子组件50产生的控制磁场，控制转轴41沿预设方向移动。
在本实施例中，通过在外定子铁芯10内设置永磁体11、第一径向竖直定子组件20、第一径向水平定子组件50和转子组件40，且将第一径向竖直定子组件20和第一径向水平定子组件50设置成用于产生独立的控制磁场的方式，这样设置能够避免磁悬浮轴承组件内部发生耦合，且采用该结构的磁悬浮轴承组件的内部紧凑，降低了该磁悬浮轴承组件的轴向高度，有效地提高了该磁悬浮轴承组件的稳定性和可靠性。
具体地，第一径向竖直定子组件20包括第一径向竖直定子21、第一径向竖直绕组22。第一径向竖直定子21为环形结构，第一径向竖直定子21设置于外定子铁芯10的第二端内并位于永磁体11的一侧，第一径向竖直定子21的内圆上设置有第一定子齿211。第一径向竖直绕组22绕设于第一定子齿211上。在本实施例中，第一定子齿211为两个，各第一定子齿211上均设置有第一径向竖直绕组22，两个第一定子齿211相对地设置。第一径向水平定子组件50包括第一径向水平定子51、第一径向水平绕组52。第一径向水平定子51为环形结构，第一径向水平定子51设置于外定子铁芯10内并位于永磁体11和第一径向竖直定子21之间，第一径向水平定子51与第一径向竖直定子21同轴地设置，第一径向水平定子51的内圆上设置有第三定子齿511。第一径向水平绕组52绕设于第三定子齿511上。第三定子齿511优选为两个，各第三定子齿511上均设置有第一径向水平绕组52，两个第三定子齿511相对地设置。
为了进一步地提高磁悬浮组件的可靠性，如图14所示，磁悬浮轴承组件还包括隔磁环53。隔磁环53设置于外定子铁芯10内，且隔磁环53套设于第一径向水平定子51的外周面上。在本实施例中，外定子铁芯10的第一端至外定子铁芯10的第二端的内周面上设置有第一环形凸起15和第二环形凸起16。第一环形凸起15的内径小于第二环形凸起16的内径，永磁体11为环形结构，永磁体11的外圆与第一环形凸起15的内圆相贴合地设置，第一径向水平定子51设置于第二环形凸起16的内周面形成的环形空腔内，且第一径向水平定子51与第一环形凸起15的内侧台阶面具有距离地设置，第一径向竖直定子21设置于外定子铁芯10内并位于第二环形凸起16的台阶面的一侧，且第一径向竖直定子21与第二环形凸起16的台阶面具有距离地设置。这样设置能够进一步地提高磁悬浮组件的稳定性。
磁悬浮轴承组件还包括第一导磁环80和第二导磁环90，第一导磁环80设置于外定子铁芯10内，并位于第一环形凸起15和第一径向水平定子51之间，第二导磁环90设置于外定子铁芯10内，并位于第一径向竖直定子21和第二环形凸起16之间。
其中，第一定子齿211为多个，各第一定子齿211上的第一径向竖直绕组22独立地产生控制磁场，当其中一个第一径向竖直绕组22出现故障时，可增加其余至少一个的第一径向竖直绕组22的接入电流以产生预设强度的磁场，第三定子齿511为多个，各第三定子齿511上的第一径向水平绕组52独立地产生控制磁场，当其中一个第一径向水平绕组52出现故障时，可增加其余至少一个的第一径向水平绕组52的接入电流以产生预设强度的磁场。
如图1、图9所示，径向、轴向自由度多绕组控制，定子磁极上的控制绕组相互独立，某一定子上的绕组出故障时，同一定子上的另一控制绕组只需增大控制电流可产生相同的控制磁场，行使相应的控制功能，提高磁悬浮轴承径向控制的可靠性。
具体地，磁路解耦五自由度磁悬浮轴承如图8所示，双径向-轴向一体化系统对转轴五自由度进行控制，实现转轴五自由度控制的组件由转轴41、径向竖直转子42，第一径向水平转子43、第二径向水平转子44、精密螺帽70，第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62、第一径向水平定子51、第二径向水平定子61、第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32、第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31、第一隔磁环23、第二隔磁环33，外定子铁芯10，永磁体11组成。永磁体11通过粘胶或热套的方式内嵌于外定子铁芯10内，外定子铁芯10内侧有凸台(该凸台可以是环形结构即环形凸台12，也可以是半圆形结构)对永磁体进行轴向定位，隔磁环通过粘胶的方式分别安装于外定子铁芯10的两侧内壁上，外定子铁芯10内壁有环型凹槽对隔磁环进行轴向与径向定位，第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32分别通过粘胶和绑扎的工艺固定于第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31上组成径向竖直定子组件，径向竖直定子组件通过热套和螺钉紧固的方式内嵌于外定子铁芯10内的两侧。优选地，外定子铁芯10两侧存在四个凸台对径向竖直定子组件进行轴向定位，第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62分别缠绕于第一径向水平定子51、第二径向水平定子61上，通过粘胶和绑扎工艺实现绕组与外定子铁芯10的固定组成轴向-径向水平定子组件，轴向-径向水平定子组件通过热套和螺钉固定的方式安装于外定子铁芯10两侧，外定子铁芯10两侧存在凸台实现对轴向-径向水平定子组件进行轴向固定，通过上述装配工艺完成五自由度磁悬浮轴承定子组件的固定安装。径向竖直转子42通过热套方式由左端安装于转轴41上，转轴41右端凸型台阶对径向竖直转子42轴向定位，第一径向水平转子热套于转轴左端，右侧面与径向竖直转子42左侧面紧密贴合，通过精密螺帽实现轴向固定安装。从磁悬浮轴承定子组件左端进行入轴安装，完成入轴后，将第二径向水平转子由右端热套在转轴上，与径向竖直转子42紧密贴合，实现轴向定位，通过精密螺帽对第二径向水平转子锁紧固定，完成整个五自由度磁悬浮轴承的安装实施。
由外定子铁芯10，永磁体，第一径向竖直绕组22、第二径向竖直绕组32、第一径向竖直定子21、第二径向竖直定子31、径向竖直转子42组成径向竖直两自由度悬浮系统，实现转轴41沿Y轴平移及围绕X轴旋转控制，工作原理如图3所示，永磁体产生偏置磁场，在两端径向竖直定子与转子之间产生偏置磁通，两端径向竖直控制绕组产生相互独立的控制磁场，独立控制转轴两端的位移方式，简化控制逻辑，提高悬浮系统的稳定性，两端控制绕组均是多绕组控制，当一个绕组失效，另一绕组可调高控制电流，产生相同的控制磁场，实现转轴的需求调控，提高悬浮系统的可靠性，实现转轴41沿Y轴方向的平动及围绕X轴的转动控制。
由外定子铁芯10，永磁体11(永磁体为环形结构)，第一径向水平绕组52、第二径向水平绕组62、第一径向水平定子51、第二径向水平定子61、第一径向水平转子43、第二径向水平转子44，径向竖直转子42组成轴向-径向三自由度磁悬浮系统，实现转轴41沿X轴、Z轴平动及围绕Y轴的旋转控制，控制原理如图3所示，永磁体产生偏置磁场，在两端轴向-径向水平定子与轴向-径向水平转子之间产生偏置磁通，两端控制绕组产生相互独立的控制磁场，独立控制转轴两端的载荷大小，分别产生如图10至图13中的载荷方式，实现转轴41沿X轴方向平动，Z轴方向平动及围绕Y轴旋转控制。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 磁悬浮轴承组件、电机及压缩机
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