具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，磁悬浮轴承包括轴向磁场控制部、径向磁场控制部和转子组件，径向磁场控制部的两端分别设置有轴向磁场控制部，转子组件包括转子铁芯2，轴向磁场控制部包括与转子铁芯2的端面相对设置的轴向控制端，轴向控制端设置有轴向控制绕组3，径向磁场控制部包括与转子铁芯2的外周面相对设置的径向控制端，径向控制端设置有径向控制绕组4，两端的轴向磁场控制部与径向磁场控制部之间分别设置有永磁体1，永磁体1为该永磁体1所在端的轴向磁场控制部提供偏置磁场，两端的永磁体1共同为径向磁场控制部提供偏置磁场。

本申请实施例的磁悬浮轴承，使得提供偏置磁场的永磁体1分离设计，一端的永磁体1为该端的轴向控制绕组3提供轴向偏置磁场，另一端的永磁体1为另一端的轴向控制绕组3提供轴向偏置磁场，两个永磁体1共同提供径向偏置磁场，能够避免前后轴向控制磁场过大导致的轴向控制磁场相互干扰问题，使得前后轴向控制磁场分离，互不干扰，实现前后轴向控制系统独立，简化控制逻辑，提高系统稳定性，此外，轴向磁场控制部的轴向出力不受永磁体1限制，在满足控制绕组、导磁材料的性能条件下，可持续增大轴向载荷。

该磁悬浮轴承利用轴向磁场控制部控制转子组件的轴向位移，利用径向磁场控制部控制转子组件的径向位移，同时使得位于转子组件同一端的轴向磁场控制部和径向磁场控制部共用一个永磁体1，利用一个永磁体1同时形成径向偏置磁场和轴向偏置磁场，实现了磁悬浮轴承的轴向和径向位移控制的集成设计，使得电机转子组件的径向和轴向受力位置集成，因此可以有效缩短转子组件的轴向长度，简化转子结构，提高转轴固有频率，提升转子组件的极限转速。

在本实施例中，由于轴向磁场控制部和径向磁场控制部共用一个永磁体1，永磁体1可以同时提供轴向和径向偏置磁场，因此可以节省永磁体的用量，提高永磁体1的利用效率，节约成本。此外，由于永磁体1的数量减少，因此也能够节省永磁体的占用空间，进一步实现磁悬浮轴承的小型化设计，使得磁悬浮轴承的结构更加紧凑。

在本实施例中，轴向控制绕组3套设在转轴外，并且设置在轴向控制端，轴向磁场控制部通过轴向控制绕组3与转子铁芯2形成轴向控制磁场，因此可以利用转子铁芯2提供止推作用，无需设置单独的止推轴承，能够简化转轴结构，提高转轴运行的可靠性与稳定性。

一般而言，对于转子组件的径向位移调节主要为竖直方向和水平方向，因此，径向磁场控制部也相应设计为四个部分，上下两个部分为一组，实现对转子组件的竖直方向位移调节，左右两个部分为一组，实现对转子组件的水平方向位移调节，从而使得磁悬浮轴承的位移调节灵活方便。

在本申请的实施例中，轴向磁场控制部、永磁体1和径向磁场控制部结合在一起，三者之间相当于组合成了一个整体，因此相当于形成了径向轴承和轴向轴承的一体化结构，受力位置也形成集成化结构，有效减小三者在转子组件轴向方向上的占用长度，进而可以缩短转子组件轴向长度，简化转组组件结构，提高转轴固有频率，提升转子极限速度。

在一个实施例中，永磁体1设置在轴向磁场控制部的外周侧，径向磁场控制部设置在永磁体1的外周侧。在本实施例中，由于轴向磁场控制部、永磁体1和径向磁场控制部沿着径向依次排布，且三者之间相互贴合，因此能够合理对三者之间的位置进行布局，有效减小三者在转子组件轴向方向上的占用长度，进而可以进一步缩短转子组件轴向长度，简化转组组件结构，提高转轴固有频率，提升转子极限速度。

在一个实施例中，轴向磁场控制部、永磁体1和径向磁场控制部也可以沿着轴向依次排布，且紧密贴合在一起，也能够从一定程度上减小三者在转子组件轴向方向上的占用长度。

在一个实施例中，轴向磁场控制部还包括轴向铁芯5，轴向铁芯5与转子铁芯2的端面相对设置，轴向控制绕组3设置在轴向铁芯5朝向转子铁芯2的一端。轴向铁芯5朝向转子铁芯2的端面上设置有环形线槽8，轴向控制绕组3安装在环形线槽8内，环形线槽8的侧壁能够形成导磁通道，使得磁力线经轴向铁芯5到达转子铁芯2，形成轴向推力，进而可以调整转子组件的轴向位置。

在一个实施例中，轴向铁芯5包括导磁板6，导磁板6设置有朝向转子铁芯2凸出的环形凸起7，环形凸起7上设置有环形线槽8，轴向控制绕组3设置在环形线槽8内，永磁体1设置在导磁板6的外周侧。在本实施例中，导磁板6用于与永磁体1进行配合，形成径向方向的导磁路径，使得永磁体1所产生的轴向偏置磁场能够经导磁板6到达环形凸起7，然后经环形凸起7到达转子铁芯2，从而形成封闭的磁路结构，可以对转子组件的轴向位置进行调节。通过设置环形凸起7，能够利用环形凸起7的结构对磁力线进行规整，使得轴向铁芯5与转子铁芯2之间所产生的轴向作用力更加集中，作用位置更加精确，能够更加方便地保证转子铁芯2的两端轴向作用位置的一致性。此外，环形凸起7上的环形线槽8的内外圈侧壁能够形成内外两层导磁通道，能够对磁路进行分隔，进一步使得轴向控制磁场之间以及轴向控制磁场与径向控制磁场之间相互独立，互不干涉。

在一个实施例中，环形凸起7形成有第一轴向控制磁极和第二轴向控制磁极，轴向磁场控制部产生的控制磁场经过第一轴向控制磁极、转子铁芯2和第二轴向控制磁极形成轴向控制磁场。

本实施例中，磁悬浮轴承通过转子铁芯2两侧的永磁体1分别对左、右轴向轴承提供偏置磁场，两侧的永磁体1共同对径向轴承提供偏置磁场，左、右轴向控制磁场相互对立，互不干扰。

在一个实施例中，第一轴向控制磁极的半径小于第二轴向控制磁极的半径，在轴向方向上，第一轴向控制磁极与转子铁芯2的气隙距离为L1，第二轴向控制磁极与转子铁芯2的气隙距离为L2，且L1大于L2。

在本实施例中，环形凸起7包括内环和外环，其中内环形成第一轴向控制磁极，外环形成第二轴向控制磁极。

第二轴向控制磁极与转子铁芯2距离小于第一轴向控制磁极，两侧永磁体1产生偏置磁场，仅通过第二轴向控制磁极、转子铁芯2、径向铁芯、导磁环10构成回路，在第二轴向控制磁极与转子铁芯2的轴向气隙处形成偏置磁通，轴向控制磁场调节此气隙处的偏置磁通，实现转子轴向悬浮控制。

第二轴向控制磁极与第一轴向控制磁极高度不一致，因此将第一轴向控制磁极与转子铁芯2的气隙距离设置为大于第二轴向控制磁极与转子铁芯2的气隙距离，可避免转子组件与轴向控制磁极紧密贴合时，轴向控制磁极绕组线槽内的气压过小，外界气压过大，转子组件与磁极难以分离的问题。

在一个实施例中，第二轴向控制磁极的半径小于转子铁芯2的半径。

第二轴向控制磁极的半径小于转子铁芯2，可充分利用轴向控制磁极的出力面积，提高产品的材料利用率，若第二轴向控制磁极过大于转子铁芯2，与径向铁芯平齐，则会存在径向铁芯承受轴向载荷，径向铁芯叠片遭受破坏风险。

在一个实施例中，径向磁场控制部包括径向铁芯9和设置在径向铁芯9的轴向两端的导磁环10，导磁环10设置在永磁体1的外周侧，径向铁芯9套设在转子铁芯2外，径向铁芯9包括径向齿11，径向控制绕组4缠绕在径向齿11上。在本实施例中，导磁环10与永磁体1配合，形成径向偏置磁场的导磁通道，将永磁体1产生的磁力线导引至径向铁芯9处，然后通过径向铁芯9到达转子铁芯2，形成径向作用力，径向控制绕组4缠绕在径向齿11上，能够形成控制磁场，调节径向作用力大小，进而实现对转子组件的径向位置调节。

对于径向轴承而言，主要用于调节转子组件的径向位置，因此，需要保证磁力线的流动集中在径向方向上，而永磁体1产生的磁力线在到达径向铁芯9之后，会分成两个部分，一部分磁力线会从径向齿11处到达转子铁芯2，形成径向作用力，另一部分磁力线会沿着径向铁芯9的周向流动，沿着径向铁芯9的周向流动流动的多个不同区域的磁力线由于方向相反，会导致磁力线相互抵消，不仅会影响永磁体1产生有效的径向偏置磁场，而且也难以保证径向铁芯9产生有效的径向作用，难以对转子组件形成有效的径向调节作用，因此，为了避免此种情况的出现，需要对径向铁芯9进行分段，隔断相邻铁芯段之间的磁力线，使得磁力线集中于径向齿11，从而形成有效的径向磁场，对转子组件形成有效的径向调节。

在一个实施例中，径向铁芯9沿周向分成多个铁芯段，多个铁芯段之间通过隔磁结构进行隔磁。在本实施例中，每个铁芯段包括三个径向齿11，三个径向齿11的宽度不同，其中位于中间位置的径向齿11的齿宽大于或等于两侧的两个径向齿11的宽度之和，既能够保证三个径向齿11可以形成两个完成的封闭磁路，提供更大的径向作用力，又能够保证中间的径向齿11有足够的宽度，可以容纳足够的磁力线通过，提高永磁体1的利用率。作为一个优选的实施例，中间的径向齿11的宽度为两侧的两个径向齿11的宽度之和，且两侧的两个径向齿11的宽度相等，可以进一步提高径向铁芯9的各铁芯段的径向作用力的平衡。

在一个实施例中，隔磁结构包括隔磁板12，隔磁板12间隔设置在相邻的两个铁芯段之间。在本实施例中，隔磁板12为平板结构，且板面形状与铁芯段的轭部截面形状一致，从而能够形成良好的磁场隔断效果，同时也可以使得铁芯段组合在一起之后，仍然是一个完整的环形铁芯结构。

在一个实施例中，铁芯段与隔磁板12之间可以通过粘接固定，也可以通过其他方式将铁芯段与隔磁板12之间固定连接在一起，此种情况下，导磁环10可以直接与铁芯段进行接触，传导磁力线。为了保证导磁环10的磁力线传递位置准确，并且能够有效形成多个闭合磁路，优选地，导磁环10朝向铁芯段的端部设置有多个导磁凸起14，导磁凸起14与铁芯段一一对应设置，每个导磁凸起14的周向宽度不大于各个铁芯段中间的径向齿11的周向宽度，且每个导磁凸起14均与中间的径向齿11对应设置。

在一个实施例中，隔磁结构还包括隔磁环13，隔磁环13间隔设置在导磁环10和径向铁芯9之间，隔磁板12设置在隔磁环13上，隔磁环13上设置有避让槽15，导磁环10上设置有导磁凸起14，导磁凸起14设置在避让槽15内，导磁环10通过导磁凸起14与径向铁芯9之间形成导磁通道。在本实施例中，隔磁环13能够隔断导磁环10和径向铁芯9之间的磁力线，永磁体1所产生的径向偏置磁场只能够经由导磁凸起14到达径向铁芯9，产生闭合磁路，通过设置隔磁环13，并且在隔磁环13上设置避让槽15，导磁环10上设置穿过避让槽15的导磁凸起14，能够精确控制磁力线流动方向，对于径向铁芯9的径向调节作用控制更加精确。

在一个实施例中，隔磁板12沿隔磁环13的周向均匀间隔排布，避让槽15沿隔磁环13的周向均匀间隔排布，隔磁板12和避让槽15沿隔磁环13的周向交替排布。这种结构设计能够避免避让槽15的设置位置与隔磁环13的设置位置发生冲突，保证避让槽15与隔磁板12沿隔磁环13的周向位置排布的合理性，从而更加有效地实现对转子组件的径向位置调节。

在一个实施例中，隔磁板12与隔磁环13一体成型，既能够利用隔磁板12与隔磁环13之间的一体成型结构降低加工难度，提高加工效率，而且可以有效保证隔磁板12与隔磁环13之间的结构强度。此外，隔磁板12固定在隔磁环13上，也能够方便进行各个铁芯段的安装固定，利用隔磁环13为径向铁芯提供安装结构。

在一个实施例中，避让槽15沿周向位于相邻的两个隔磁板12的中间位置，可以使得隔磁板12与导磁凸起14沿隔磁环13的周向均匀排布，从而使得隔磁部和导磁部均匀分布，进而保证径向铁芯9对转子铁芯2所施加的径向力沿周向均匀分布。

在一个实施例中，径向铁芯9沿周向分成四个铁芯段，四个铁芯段分成相对设置的两组，其中一组铁芯段沿竖直方向设置以调节转子组件的上下位置，另一组铁芯段沿水平方向设置以调节转子组件的水平位置。四个铁芯段的结构相同，从而使得四个铁芯段沿着周向呈均匀分布结构，每个铁芯段在未施加径向控制磁场时，在相同电流作用下对于转子铁芯2的径向作用力是相同的，能够提高受力作用的一致性，如此一来，径向控制磁场对于转子铁芯2的受力控制更加精确，径向位置调节更加准确可靠。

在一个实施例中，四个铁芯段沿径向铁芯的周向均匀排布，且两个铁芯段位于上侧，两个铁芯段位于下侧，位于上侧的两个铁芯段和位于下侧的两个铁芯段关于水平面对称，由于四个铁芯段沿周向均匀分布，因此位于径向铁芯的水平直径第一端的两个铁芯段和位于径向铁芯的水平直径第二端的两个铁芯段也是关于竖直面对称的，从而使得四个铁芯段两两一组，在通入电流相同的情况下，能够对转子铁芯2施加同样大小方向相反的作用力，使得转子铁芯2保持在中间位置，提高了径向铁芯对转子铁芯2的径向位置调节的精度。

在本实施例中，每个径向铁芯段均形成E型磁极，能够实现径向水平与径向竖直控制系统相关独立，互不干扰，简化控制逻辑，提高悬浮系统的可靠性与稳定性。

在一个实施例中，永磁体1为环形结构，套设在轴向铁芯5的导磁板6外，并与导磁板6之间为过盈配合，导磁环10套设在永磁体1外，并与永磁体1之间形成过盈配合，从而使得轴向磁场控制部、永磁体1和径向磁场控制部形成固定在一起的一体式结构。

转子组件的两端分别设置有轴向磁场控制部，转子组件两端的轴向磁场控制部分离设计，独立控制。前后两个轴向轴承分离设计，且具有独立的处理系统，可以使得轴向轴承的极限载荷不受永磁体1的磁场限制，在轴向控制绕组3与导磁材料的性能条件下，能够根据需求持续提高轴向出力，从而降低永磁体的材料成本，提高磁悬浮轴承的性能。

在一个实施例中，轴向磁场控制部和径向磁场控制部相互独立，互不干扰，共用一个永磁体1，有效缩短轴向占用空间，减少零件数量，节约材料成本。

在本实施例中，转轴的前后两端分别设置有独立控制的轴向磁场控制部和径向磁场控制部，可以利用轴向磁场控制部实现轴向方向位置调节，利用径向磁场控制部实现竖直方向、水平方向等多个自由度调节，因此能够实现电机转子的三自由度悬浮控制。

在一个实施例中，磁悬浮轴承还包括壳体16，轴向磁场控制部、径向磁场控制部和永磁体1固定安装在壳体16内。在本实施例中，壳体16包括端盖和外筒，其中端盖上设置有轴孔，供主轴穿过，轴向铁芯5、永磁体1和导磁环10均与端盖配合，形成轴向止挡，外筒套设在导磁环10、隔磁环13以及径向铁芯9外，能够对导磁环10、隔磁环13以及径向铁芯9形成安装固定。端盖的内孔孔径小于轴向铁芯5的导磁板6的外径，可以通过端盖对导磁板6的轴向位置进行限定，防止导磁板6从端盖的轴孔脱出，外筒的轴向长度大于或等于导磁环10、隔磁环13以及径向铁芯9组合后的总的轴向长度，从而能够将导磁环10、隔磁环13以及径向铁芯9均包含在内，也能够利用壳体16对导磁环10、隔磁环13以及径向铁芯9形成防护。

由于轴向轴承和径向轴承均安装固定在壳体16内，因此能够通过壳体16形成结构稳定的轴向-径向一体化磁悬浮结构，结构稳定性更好。

在本实施例中，位于前端的壳体16、轴向轴承、永磁体1和径向轴承形成前轴承结构，位于后端的壳体16、轴向轴承、永磁体1和径向轴承形成后轴承结构，两个轴承结构分离设计，相互独立，能够进一步提高转子铁芯的位置调节的灵活性。

磁悬浮轴承的组装过程如下：

导磁环10提供热套及螺钉连接的方式固定于壳体16内部，实现径向与轴向定位。轴向控制绕组3通过灌封及自攻螺纹连接的方式内嵌于轴向铁芯5的凹槽内部，实现轴向控制绕组3的轴向与径向定位，构成轴向轴承组件。径向控制绕组4缠绕于径向铁芯9的主磁极上，通过绕线及浸漆的方式进行固定，构成径向轴承组件，径向轴承组件镶嵌于隔磁结构上，构成径向轴承总成。壳体16加热膨胀，轴向轴承、永磁体1、径向轴承依次安装于壳体16内部，实现轴承组件的径向定位，通过螺纹连接实现轴承组件的轴向定位，构成前轴向-径向轴承组件，同理后轴向-径向轴承组件安装工艺相同。前、后轴向-径向轴承组件分别安装至转子铁芯2的两端，实现新型无推力轴承五自由度磁悬浮轴承安装。

下面结合图1至图4对本申请实施例的磁悬浮轴承的工作原理进行说明。

如图1和2所示，环形的永磁体1产生偏置磁场，通过轴向铁芯5的上磁极、转子铁芯2、径向铁芯9、导磁环10构成闭合回路，形成轴向-径向偏置磁场。轴向-径向偏置磁场在转子铁芯2与轴向铁芯5上磁极的气隙中形成轴向偏置磁通、在转子铁芯2与径向铁芯9的气隙中形成径向偏置磁通。轴向控制绕组3通入控制电流，形成控制磁场通过轴向铁芯5的上、下磁极与转子铁芯2形成闭合回路，构成轴向控制磁场，调节轴向气隙内的磁密，实现转子铁芯2轴向悬浮控制。径向控制绕组4通入控制电流，产生控制磁场通过径向铁芯9主磁极、转子铁芯2、径向铁芯9两侧副磁极构成闭合回路，形成径向控制磁场，调节径向铁芯9与转子铁芯2的磁极间隙处的磁密，实现转子组件的径向两个自由度的悬浮控制，从而实现电机转子的三自由度悬浮。径向轴承与轴向铁芯一体化结构，电机转子径向-轴向受力位置集成，有效减短转子轴向长度，简化转子结构，提高转轴固有频率，提升转子极限转速。前、后轴向铁芯分离，互不干扰，轴向出力不受永磁体限制，在满足控制绕组、导磁材料的性能条件下，可持续增大轴向载荷。

当转轴位于轴向平衡位置时，转子铁芯2与左、右轴向铁芯5间隙处的磁密相同，转子受均衡负载。当转轴承受向左冲击负载时，转轴向左侧偏移，转子铁芯2与左侧轴向铁芯5的间隙减小，左侧偏置磁密增大，右侧间隙增大，右侧偏置磁密减小，左侧轴向铁芯5对转子铁芯2的轴向吸力大于右侧轴向铁芯5，无外界控制，转轴将持续向左侧偏移。左侧控制电流减小、右侧控制电流增大，调节左、右气隙处的偏置磁密，使右侧气隙中的磁密大于左侧，转轴将向右侧偏移，如若轴向向左的负载较大，左侧控制电流减少至0后，停止减小，右侧控制电流可持续增加，直至平衡轴向负载，从而转轴向右偏移，直至平衡位置，实现轴向自由度的悬浮控制。

当转轴位于径向平衡位置时，转子铁芯2与径向铁芯9的上、下磁极的间隙相同，偏置磁场在间隙内的磁密相同，径向铁芯9的上、下磁极对转子铁芯2的吸力相同，转子铁芯2持续位于平衡位置。当转轴承受竖直向下冲击载荷时，转轴向下偏移，上侧间隙变大，下侧间隙变小，下侧间隙的磁密大于上侧间隙磁密，径向铁芯9对转子铁芯2向下的吸力大于向上的吸力，无外界调控，转轴将持续向下偏移。径向控制绕组4通入控制电流产生控制磁场，增大上侧间隙内的磁密，减小下侧间隙内的磁密，使径向铁芯9对转子铁芯2向上的吸力大于向下的吸力，电机转子向上偏移，直至平衡位置，实现前、后径向四自由度的悬浮控制。

根据本申请的实施例，电机包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的实施例，压缩机包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

根据本申请的实施例，空调器包括磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承为上述的磁悬浮轴承。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。