CN114857171B - 一种外转子径向解耦混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转子径向解耦混合磁轴承，包括：安装座、转子系统和定子系统，安装座内构造成安装空间；转子系统设置在安装空间内，转子系统内构造成定子安装腔；定子系统设置在定子安装腔内，定子系统包括定子安装座、第一定子铁心、第二定子铁心、永磁体安装座、第一永磁体和第二永磁体，第一定子铁心上绕制有第一定子绕组；第二定子铁心上绕制有第二定子绕组；第一定子铁心磁极的外表面、第二定子铁心磁极的外表面与转子系统的内表面之间形成气隙。本发明的外转子径向解耦混合磁轴承消除了偏置电流，降低了磁轴承的功耗，有效提高了磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制。

Description

一种外转子径向解耦混合磁轴承

技术领域

本发明涉及非接触磁悬浮轴承技术领域，尤其涉及一种外转子径向解耦混合磁轴承。

背景技术

目前主动磁轴承按偏置磁通的产生方式可分为纯电磁磁轴承和永磁偏置磁轴承，前者通过偏置电流产生偏置磁场，电流较大，功耗较高。永磁偏置磁轴承利用永磁体提供偏置磁场，通过与控制电流产出的控制磁场正反向叠加，实现转子的无接触悬浮支承，可大大减小磁轴承定子绕组电流，降低功放损耗，同时减少了线圈匝数，缩小了磁轴承体积，降低了重量，广泛应用于磁悬浮鼓风机、磁悬浮电机、磁悬浮储能飞轮、磁悬浮偏置动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高速运动场合。

其中，现有的永磁偏置径向磁轴承的X轴磁路通道与Y轴磁路通道存在磁力和磁路耦合。该类磁轴承提高了控制系统的复杂性，降低了磁轴承的控制精度。现有专利中，ZL200510011530.7-一种永磁偏置内转子径向磁轴承、ZL200511690.1-一种永磁偏置内转子径向磁轴承和ZL200510086832.0-一种低功耗永磁偏置外转子混合径向磁轴承均采用第二气隙实现磁轴承X轴磁路通道与Y轴磁路通道解耦，但第二气隙的存在极大增加了电磁磁路的磁阻，提高了磁轴承的功耗。此外，专利ZL202110754274.X提出一种径向解耦混合磁轴承，该专利中通过空间结构错位实现永磁磁路与电磁磁路解耦，但其方案X轴通道与Y轴通道不在同一平面内，径向偏转控制时存在磁力夹角，导致磁轴承控制精度偏低。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题，本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的外转子径向解耦混合磁轴承。具体地，本发明提供一种消除了偏置电流，降低了磁轴承的功耗，有效提高了磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制的外转子径向解耦混合磁轴承。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种外转子径向解耦混合磁轴承，包括：安装座、转子系统和定子系统，所述安装座内构造成安装空间；

所述转子系统设置在所述安装空间内，所述转子系统内构造成定子安装腔；

所述转子系统包括安装座、第一转子导磁环、第二转子导磁环和转子永磁体；

所述第一转子导磁环位于所述安装座径向内侧的上部；

所述第二转子导磁环位于所述安装座径向内侧的下部；

所述转子永磁体设置在所述安装座径向内侧的中段位置，其中，所述转子永磁体的顶面与第一转子导磁环的底面抵接，所述转子永磁体的底面与所述第二转子导磁环的顶面抵接；

所述定子系统设置在所述定子安装腔内，所述定子系统包括定子安装座、第一定子铁心、第二定子铁心、永磁体安装座、第一永磁体和第二永磁体，所述定子安装座设置在所述定子安装腔的中轴线上；

所述第一定子铁心的个数为两个，且间隔设置在所述定子安装座的径向外侧的上部和下部，所述第一定子铁心上绕制有第一定子绕组；

所述第二定子铁心的个数为两个，且间隔设置在所述定子安装座的径向外侧的上部和下部，所述第二定子铁心上绕制有第二定子绕组，其中，位于上部的所述第一定子铁心和上部的所述第二定子铁心通过第一定子隔磁套间隔开，位于下部的所述第一定子铁心和下部的所述第二定子铁心通过第二定子隔磁套间隔开；

所述永磁体安装座套设于所述定子安装座上，并位于两个所述第一定子铁心之间；

所述第一永磁体的个数为两个，两个所述第一永磁体沿X轴方向分别嵌设于所述永磁体安装座的径向外侧；

所述第二永磁体的个数为两个，两个所述第二永磁体沿Y轴方向分别嵌设于所述永磁体安装座的径向外侧；

其中，所述第一定子铁心磁极的外表面、所述第二定子铁心磁极的外表面与所述转子系统的内表面之间形成气隙。

其中，所述转子系统还包括转子锁母；

所述转子锁母的顶面与所述第二转子导磁环的底面抵接，其中，所述转子锁母与所述安装座螺纹连接。

其中，所述安装座、所述转子锁母、所述定子安装座、所述第一定子隔磁套、所述第二定子隔磁套、所述永磁体安装座均由隔磁材料制成。

其中，所述第一定子铁心、所述第二定子铁心、所述第一转子导磁环、所述第二转子导磁环均为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料制成。

其中，所述气隙的间距为0.5mm；

所述气隙包括第一气隙和第二气隙；

其中，位于上部的第一定子铁心磁极的外表面和所述第二定子铁心的磁极的外表面与所述第一转子导磁环的内表面之间均形成所述第一气隙；

位于下部的第一定子铁心磁极的外表面和所述第二定子铁心的磁极的外表面与所述第二转子导磁环的内表面之间均形成所述第二气隙。

其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体均由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且均为轴向充磁，所述第一永磁体的充磁方向为上N下S，所述第二永磁体的充磁方向为上S下N；或者，

所述第一永磁体的充磁方向为上S下N，所述第二永磁体的充磁方向为上N下S；

所述转子永磁体由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且为轴向充磁，所述转子永磁体的充磁方向为上N下S或上S下N。

其中，所述定子安装座的上端设有朝向所述定子安装腔内侧延伸的定子安装凸起，其中，上部的所述第一定子铁心的顶面、所述第二定子铁心的顶面均与所述定子安装凸起的底面抵接。

其中，所述定子系统还包括定子锁母；

所述定子锁母的顶面与位于下部的所述第一定子铁心的底面和所述第二定子铁心的底面抵接，其中，所述定子锁母螺纹连接于所述定子安装座的径向外侧，所述定子锁母由隔磁材料制成。

其中，所述第一定子绕组和所述第二定子绕组均由线径为0.2mm的漆包线绕制而成，所述第一定子绕组和所述第二定子绕组的匝数均为150～200匝。

本发明的外转子径向解耦混合磁轴承，利用沿不同方向设置的第一永磁体和第二永磁体提供偏置磁通，并与控制电流产生的控制磁通在磁极处完成X轴正/负方向、以及Y轴正/负方向上的叠加，消除了偏置电流，能有效减少定子绕组的匝数，降低了电磁电路的电感，提高了磁轴承的动态响应能力。另一方面，位于上部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第一定子隔磁套间隔开，位于下部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第二定子隔磁套间隔开，使得第一定子铁心和第二定子铁心在物理空间中的嵌套和间隔，从而实现了X轴磁路通道与Y轴磁路通道的磁力与磁力的解耦设计，提高了磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。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，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承的剖视图；

图2示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承沿径向X轴方向的剖视图；

图3示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承沿径向Y轴方向的剖视图；

图4示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中定子系统沿径向X轴方向的剖视图；

图5示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中定子系统沿径向Y轴方向的剖视图；

图6示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中转子系统的剖视图；

图7示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中第一定子铁心的立体图；

图8示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中第二定子铁心的立体图；

图9示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中第一定子隔磁套和第二定子隔磁套的立体图。

图10示例性地示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承中永磁体安装座的立体图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。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任意组合。

下面结合附图，对本发明的外转子径向解耦混合磁轴承进行详细描述。需要说明的是，下述任意实施例中的X轴和Y轴为同一水平面上相互垂直的两个方向。

图1示出了本发明的一种外转子径向解耦混合磁轴承的一种结构示意图，为更清晰的体现该混合磁轴承的结构，图1采用了剖面示意图对该混合磁轴承的内部结构进行了局部示意。

参照图1所示，本公开一示例性的实施例提供了一种外转子径向解耦混合磁轴承，该混合磁轴承包括：安装座1、转子系统2和定子系统3。

安装座1内部构造成安装空间（图中未示出），其中，以垂直于X轴或Y轴的平面为纵截面，该安装空间的纵截面形状可以包括但不限于圆形。

在一个示例中，安装座1的上端设有朝向安装空间内侧延伸设置的第一安装凸起101（参照图6）。具体的，第一安装凸起101的边缘朝向安装座1的中心轴线方向延伸设置。其中，该第一安装凸起101用于为转子系统2的一端提供止挡结构，第一安装凸起101与用于固定转子系统2的固定件配合使用。本示例中，固定件可以包括转子锁母24，以便快速便捷完成对转子系统2的安装或拆卸。

参照图1所示，转子系统2设置在安装空间内，其中，转子系统2的外表面可以与安装空间的部分内壁抵接，转子系统2的内表面围合成定子安装腔（图中未示出），即转子系统2内构造成定子安装腔。

参照图1所示，定子系统3设置在定子安装腔内，其中，定子系统3包括定子安装座4、第一定子铁心5、第二定子铁心6、永磁体安装座7、第一永磁体8和第二永磁体9。

定子安装座4设置在定子安装腔的中轴线上，定子安装座4与转子系统2间隔设置。

参照图2和图4所示，第一定子铁心5的个数为两个，两个第一定子铁心5沿X轴方向设置，且间隔设置在定子安装座4径向外侧的上部和下部。其中，为了便于理解，下面实施例中，将上部的第一定子铁心5以X轴上定子铁心51为例进行阐述，将下部的第一定子铁心5以X轴下定子铁心52为例进行阐述。

X轴上定子铁心51位于定子安装座4的径向外侧的上方，X轴上定子铁心51的部分内表面与定子安装座4的外表面抵接。X轴下定子铁心52位于定子安装座4的径向外侧的下方，X轴下定子铁心52的部分内表面与定子安装座4的外表面抵接。以图1中所示方位为例，X轴上定子铁心51与X轴下定子铁心52沿Z轴方向间隔设置。

在一个示例中，参照图2和图7所示，X轴上定子铁心51和X轴下定子铁心52结构一致，且相对设置。其中，X轴上定子铁心51和X轴下定子铁心52均包括第一环形部53和第一卡接凸起54，第一环形部53内构造成第一圆形通孔55，该第一圆形通孔55用于套设于定子安装座4上，第一圆形通孔55的内壁与定子安装座4的外表面抵接；第一卡接凸起54的个数为两个，并沿X轴方向设置。每个第一卡接凸起54的顶部的外边缘设置有一个用于绕制定子绕组的第一凸起56。

在X轴上定子铁心51的两个第一凸起56和X轴下定子铁心52的两个第一凸起56上均绕制第一定子绕组10（参照图4）。其中，第一定子绕组10通过环氧树脂胶固化安装。在一个可选的示例中，X轴上定子铁心51和X轴下定子铁心52上的第一定子绕组10由线径为0.2mm的漆包线绕制而成。在本示例中，第一定子绕组10的匝数为150～200匝，相比较于现有技术中的定子绕组的匝数，第一定子绕组10的匝数明显减少，从而降低了电磁回路的电感，提高了磁轴承的动态响应能力。

参照图3和图5所示，第二定子铁心6的个数为两个，两个第二定子铁心6沿Y轴方向设置，且间隔设置在定子安装座4径向外侧的上部和下部。其中，为了便于理解，下面实施例中，将上部的第二定子铁心6以Y轴上定子铁心61为例进行阐述，将下部的第二定子铁心6以Y轴下定子铁心62为例进行阐述。

Y轴上定子铁心61位于定子安装座4的径向外侧的上方，Y轴上定子铁心61的部分内表面与定子安装座4的外表面抵接。其中，X轴上定子铁心51与Y轴上定子铁心61通过第一定子隔磁套11间隔开，第一定子隔磁套11位于X轴上定子铁心51的径向内侧的轴向（沿Z轴方向）下方。

Y轴下定子铁心62位于定子安装座4的径向外侧的下方，Y轴下定子铁心62的部分内表面与定子安装座4的外表面抵接。以图1中所示方位为例，Y轴上定子铁心61与Y轴下定子铁心62沿Z轴方向间隔设置。

X轴下定子铁心52与Y轴下定子铁心62通过第二定子隔磁套12间隔开，第二定子隔磁套12位于X轴下定子铁心52的径向内侧的轴向（沿Z轴方向）上方。

需要说明的是，参照图9所示，第一定子隔磁套11和第二定子隔磁套12的结构相同，且沿Z轴相对设置。其中，第一定子隔磁套11和第二定子隔磁套12均包括第三环形部102和隔离凸起。第三环形部102内构造成第三圆形通孔103，第三圆形通孔103用于套设于定子安装座4上，第三圆形通孔103的内壁与定子安装座4的外表面抵接。其中，隔离凸起包括第一隔离凸起104和第二隔离凸起105。第一隔离凸起104的个数为两个，两个第一隔离凸起104沿X轴方向设置在第三环形部102的顶面，用于在物理空间上对X轴上定子铁心51和Y轴上定子铁心61之间进行隔离。第二隔离凸起105的个数为两个，两个第二隔离凸起105沿Y轴方向设置在第三环形部102的底面，用于在物理空间上对X轴下定子铁心52和Y轴下定子铁心62之间进行隔离。需要说明的是，第一隔离凸起104和第二隔离凸起105的结构不同。

在一个示例中，参照图8所示，Y轴上定子铁心61和Y轴下定子铁心62结构一致，且相对设置。其中，Y轴上定子铁心61和Y轴下定子铁心62均包括第二环形部63和第二卡接凸起64。第二环形部63内构造成第二圆形通孔65，该第二圆形通孔65的内壁与定子安装座4的外表面抵接。第二卡接凸起64的个数为两个，并沿Y轴方向设置。

每个第二卡接凸起64的顶部的外边缘设置有一个用于绕制定子绕组的第二凸起66。其中，第二凸起66的底面与第二环形部63的顶面平齐，第二凸起66的顶面沿朝向远离第二环形部63的顶面延伸，并伸出预定距离，从而可以在第二凸起66上绕制定子绕组。

在Y轴上定子铁心61的两个第二凸起66和Y轴下定子铁心62的两个第二凸起66上均绕制第二定子绕组13（参照图5）。其中，第二定子绕组13通过环氧树脂胶固化安装。在一个可选的示例中，Y轴上定子铁心61和Y轴下定子铁心62上的第二定子绕组13由线径为0.2mm的漆包线绕制而成，相比较于现有技术中的定子绕组的匝数，在本示例中，第二定子绕组13的匝数为150～200匝，从而有效减少了第二定子绕组13的匝数，降低了电磁回路的电感，提高了磁轴承的动态响应能力。

永磁体安装座7套设于定子安装座4上，并且，永磁体安装座7位于X轴上定子铁心51和X轴下定子铁心52之间。也就是说，永磁体安装座7的顶面与X轴上定子铁心51中的第一环形部53的底面抵接，永磁体安装座7的部分外侧壁与X轴上定子铁心51中的第一卡接凸起54的外侧壁抵接。永磁体安装座7的底面与X轴下定子铁心52中的第一环形部53的顶面抵接，永磁体安装座7的部分外侧壁与X轴下定子铁心52中的第一卡接凸起54的外侧壁抵接。

其中，X轴上定子铁心51中的第一卡接凸起54和X轴下定子铁心52中的第一卡接凸起54之间可以用于放置永磁体等。

参照图10所示，在一个示例中，永磁体安装座7包括环形本体71和第二安装凸起72。其中，第二安装凸起72的个数为四个，并均匀设置在环形本体71的外表面上，四个第二安装凸起72将环形本体71的外表面划分为四个凹槽，该四个凹槽包括沿X轴方向设置的两个第一凹槽73、以及沿Y轴方向设置的两个第二凹槽74。

需要说明的是，沿Z轴方向（参照图1至图6中示出的方位），第一凹槽73的顶部可以和X轴上定子铁心51的部分第一卡接凸起54卡接，第一凹槽73的底部可以和X轴下定子铁心52的部分第一卡接凸起54卡接。

沿Z轴方向，第二凹槽74的顶部可以和Y轴上定子铁心61的部分第二卡接凸起64卡接，第二凹槽74的底部可以和Y轴下定子铁心62的部分第二卡接凸起64卡接。

参照图1、图2和图10所示，第一永磁体8的个数为两个，并分别嵌设于永磁体安装座7的径向外侧。其中，为了便于理解，下面实施例中，将两个第一永磁体8分别以X轴正永磁体81和X轴负永磁体82为例进行阐述。X轴正永磁体81和X轴负永磁体82设置在两个第一凹槽73内。X轴正永磁体81的顶面以及X轴负永磁体82的顶面分别与X轴上定子铁心51的两个第一卡接凸起54的底面抵接，X轴正永磁体81的底面和X轴负永磁体82的底面分别与X轴下定子铁心52的两个第一卡接凸起54的顶面抵接。

参照图1、图3、图8和图10所示，第二永磁体9的个数为两个，并分别嵌设于永磁体安装座7的径向外侧。其中，为了便于理解，下面实施例中，将两个第二永磁体9分别以Y轴正永磁体91和Y轴负永磁体92为例进行阐述。Y轴正永磁体91和Y轴负永磁体92设置在两个第二凹槽74内。Y轴正永磁体91的顶面和Y轴负永磁体92的顶面分别与Y轴上定子铁心61的两个第二卡接凸起64的底面抵接，Y轴正永磁体91的底面和Y轴负永磁体92的底面分别与Y轴下定子铁心62的两个第二卡接凸起64的顶面抵接。

参照图1至图3所示，在第一定子铁心5磁极的内表面、第二定子铁心6磁极的内表面与转子系统2的内表面之间形成气隙14。即，X轴上定子铁心51磁极的内表面与转子系统2的内表面、X轴下定子铁心52磁极的内表面和转子系统2的内表面、Y轴上定子铁心61磁极的内表面与转子系统2的内表面、Y轴下定子铁心62磁极的内表面和转子系统2的内表面之间均形成气隙14。

本实施例的外转子径向解耦混合磁轴承中，利用沿不同方向设置的第一永磁体和第二永磁体提供偏置磁通，并与控制电流产生的控制磁通在磁极处完成X轴正/负方向、以及Y轴正/负方向上的叠加，消除了偏置电流，能有效减少定子绕组的匝数，降低了电磁电路的电感，提高了磁轴承的动态响应能力。另一方面，位于上部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第一定子隔磁套间隔开，位于下部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第二定子隔磁套间隔开，使得第一定子铁心和第二定子铁心在物理空间中的嵌套和间隔，从而实现了X轴磁路通道与Y轴磁路通道的磁力与磁力的解耦设计，提高了磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制。

参照图1、图2和图6所示，在一些实施例中，转子系统2包括第一转子导磁环21、第二转子导磁环22和转子永磁体23。

第一转子导磁环21位于安装座1径向内侧的上部。其中，第一转子导磁环21的顶面与第一安装凸起101的底面抵接，第一转子导磁环21的底面与转子永磁体23的顶面抵接。

第二转子导磁环22位于安装座1径向内侧的下部。其中，第二转子导磁环22的顶面与转子永磁体23的底面抵接。

转子永磁体23设置在安装座1径向内侧的中段位置处，转子永磁体23的顶面与第一转子导磁环21的底面抵接，转子永磁体23的底面与第二转子导磁环22的顶面抵接。

其中，第一转子导磁环21的内表面与X轴上定子铁心51的外表面之间间隔第一预定距离。第二转子导磁环22的内表面与X轴下定子铁心52的外表面之间间隔第二预定距离，第一预定距离与第二预定距离可以相同。转子永磁体23的内表面和第一永磁体8、第二永磁体9的外表面之间间隔第三预定距离，第三预定距离与第一预定距离或第二预定距离不同。

本实施例中，通过在安装座径向内侧设置转子永磁体，配合第一永磁体和第二永磁体，从而形成一种内外双永磁体结构，有效提高了磁轴承的刚度，降低了磁轴承的功耗。

参照图1和图6所示，在一些实施例中，转子系统2还包括转子锁母24。其中，转子锁母24的顶面与第二转子导磁环22的底面抵接。转子锁母24与安装座1的径向内侧螺纹连接。

本实施例中，利用转子锁母可以将第一转子导磁环、转子永磁体和第二转子导磁环固定在安装座内的安装空间中，提高了混合磁轴承的安装或拆卸效率。

参照图1所示，在一些实施例中，安装座1、转子锁母24、定子安装座4、第一定子隔磁套11、第二定子隔磁套12和永磁体安装座7均由隔磁材料制成，例如，7075超硬铝或7050超硬铝棒材材料。

参照图1至图3所示，在一些实施例中，第一定子铁心5（包括X轴上定子铁心51和X轴下定子铁心52）、第二定子铁心6（包括Y轴上定子铁心61和Y轴下定子铁心62）、第一转子导磁环21、第二转子导磁环22均为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料制备而成。

参照图1和图2所示，在一些实施例中，气隙14的间距为0.5mm。其中，气隙14包括第一气隙141和第二气隙142。

参照图2和图3所示，位于上部的第一定子铁心5（即X轴上定子铁心51）的外表面、位于上部的第二定子铁心6（即Y轴上定子铁心61）的外表面和第一转子导磁环21的内表面之间均形成第一气隙141。

位于下部的第一定子铁心5（即X轴下定子铁心52）的外表面、位于下部的第二定子铁心6（即Y轴下定子铁心62）的外表面和第二转子导磁环22的内表面之间均形成第二气隙142。

参照图2和图3所示，在一些实施例中，第一永磁体8（包括X轴正永磁体81和X轴负永磁体82）、第二永磁体9（包括Y轴正永磁体91和Y轴负永磁体92）均由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且均为轴向充磁。其中，第一永磁体8的充磁方向依次为：

X轴正永磁体81、X轴负永磁体82的充磁方向为上N下S，Y轴正永磁体91和Y轴负永磁体92的充磁方向为上S下N；或者，

X轴正永磁体81、X轴负永磁体82的充磁方向为上S下N，Y轴正永磁体91和Y轴负永磁体92的充磁方向为上N下S。

转子永磁体23由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且为轴向充磁。转子永磁体23的充磁方向为上N下S或上S下N。

参照图4和图5所示，在一些实施例中，为了便于将定子系统3固定在定子安装腔内，在定子安装座4的上端设置有朝向定子安装腔内侧延伸的定子安装凸起41，其中，X轴上定子铁心51的顶面以及Y轴上定子铁心61的顶面均与定子安装凸起41的底面抵接。

参照图1至图3所示，在定子系统3内还包括定子锁母15。定子锁母15的顶面与X轴下定子铁心52的底面和Y轴下定子铁心62的底面抵接。定子锁母15螺纹连接于定子安装座4的径向外侧，从而利用定子锁母15将X轴上定子铁心51、Y轴上定子铁心61、第一定子隔磁套11、永磁体安装座7、X轴下定子铁心52、第二定子隔磁套12、Y轴下定子铁心62固定在定子安装腔内。

其中，定子锁母15由隔磁材料制成，例如，7075超硬铝或7050超硬铝棒材材料。

参照图1至图10所示，本发明的外转子径向解耦混合磁轴承的工作原理为：

通过调节该混合磁轴承的第一定子隔磁套11和第二定子隔磁套12将第一定子铁心5和第二定子铁心6安装在定子安装腔内指定的空间位置，从而实现了磁轴承X轴上定子铁心51、X轴下定子铁心52和Y轴上定子铁心61、Y轴下定子铁心62在物理空间中的嵌套和间隔结构，将X轴磁路通道和Y轴磁路通道进行解耦设计，进而分别实现了混合磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制。

利用X轴正永磁体81、X轴负永磁体82、Y轴正永磁体91、Y轴负永磁体92以及转子永磁体23形成一种内外双永磁体结构，从而提供永磁偏置磁场，承担混合磁轴承所受的径向力，第一定子绕组10和第二定子绕组13所产生的控制磁场与上述永磁体产生的偏置磁场正向/反向叠加，保持混合磁轴承中定子系统3和和转子系统2之间气隙14的均匀，从而实现转子的无接触悬浮支承。

参照图1和图2中虚线所示，本发明的混合磁轴承的磁路，以X轴磁路为例，其X轴正向永磁路径为：

磁通从X轴正永磁体81的N极出发，依次通过X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴正向位置处的第一凸起56）、第二气隙142、第二转子导磁环22、转子永磁体23、第一转子导磁环21、第一气隙141、X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极（即X轴上定子铁心51处于X轴正向位置处的第一凸起56）后回到X轴正永磁体81的S极，形成混合磁轴承X轴正向方向的永磁磁路。

其X轴负向永磁路径为：磁通从X轴负永磁体82的N极出发，依次通过X轴下定子铁心52的负向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴负向位置处的第一凸起56）、第二气隙142、第二转子导磁环22、转子永磁体23、第一转子导磁环21、第一气隙141、X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极（即X轴上定子铁心51处于X轴负向位置处的第一凸起56）后回到X轴负永磁体82的S极，形成混合磁轴承X轴负向方向的永磁磁路。

参照图1和图2中实线所示，本发明的混合磁轴承的电磁磁路，以X轴电磁磁路为例，其X轴上电磁路径为：

X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴正向位置处的第一凸起56）经过第一气隙141到第一转子导磁环21，通过环状磁路、第一气隙141达到X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴负向位置处的第一凸起56），再通过环状磁路回到X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴正向位置处的第一凸起56），形成混合磁轴承X轴上电磁磁路。

其X轴下电磁路径为：

X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴正向位置处的第一凸起56）经过第二气隙142到第二转子导磁环22，通过环状磁路、第二气隙142达到X轴下定子铁心52的X轴负向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴负向位置处的第一凸起56），再通过环状磁路回到X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴正向位置处的第一凸起56），形成混合磁轴承X轴下电磁磁路。

其中，当混合磁轴承的转子系统2处于平衡位置时，混合磁轴承中的八个磁极面处的电磁吸力大小相等，混合磁轴承转子系统所受的电磁合力为零。

以X轴方向平动控制为例，当转子系统2沿X轴正向偏离平衡位置时，X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴正向位置处的第一凸起56）与第一转子导磁环21之间的第一气隙141的宽度、以及X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴正向位置处的第一凸起56）与第二转子导磁环22之间的第二气隙的宽度均减小。X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴负向位置处的第一凸起56）与第一转子导磁环21之间的第一气隙141的宽度、以及X轴下定子铁心52的X轴负向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴负向位置处的第一凸起56）与第二转子导磁环22之间的第二气隙142的宽度均增大。此时，X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极处的第一定子绕组10和X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极处的第二定子绕组13内的电流均减小，而X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极处的第一定子绕组10和X轴下定子铁心52的X轴负向定子磁极处的第二定子绕组13内的电流均增大，混合磁轴承中产生沿X轴负方向的电磁合力，从而将转子系统2调回至平衡位置。

当转子系统2沿X轴负向偏离平衡位置时，X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴正向位置处的第一凸起56）与第一转子导磁环21之间的第一气隙141的宽度、以及X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴正向位置处的第一凸起56）与第二转子导磁环22之间的第二气隙的宽度均增加。X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极（即X轴上定子铁心51中处于X轴负向位置处的第一凸起56）与第一转子导磁环21之间的第一气隙141的宽度、以及X轴下定子铁心52的X轴负向定子磁极（即X轴下定子铁心52中处于X轴负向位置处的第一凸起56）与第二转子导磁环22之间的第二气隙142的宽度均减小。此时，X轴上定子铁心51的X轴正向定子磁极处的第一定子绕组10和X轴下定子铁心52的X轴正向定子磁极处的第二定子绕组13内的电流均增加，而X轴上定子铁心51的X轴负向定子磁极处的第一定子绕组10和X轴下定子铁心52的X轴负向定子磁极处的第二定子绕组13内的电流均减小，混合磁轴承中产生沿X轴正方向的电磁合力，从而将转子系统2调回至平衡位置。

本实施例的外转子混合磁轴承中，利用沿不同方向设置的第一永磁体和第二永磁体提供偏置磁通，并与控制电流产生的控制磁通在磁极处完成X轴正/负方向、以及Y轴正/负方向上的叠加，消除了偏置电流，能有效减少定子绕组的匝数，降低了电磁电路的电感，提高了磁轴承的动态响应能力。

另一方面，位于上部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第一定子隔磁套间隔开，位于下部的第一定子铁心和第二定子铁心通过第二定子隔磁套间隔开，使得第一定子铁心和第二定子铁心在物理空间中的嵌套和间隔，从而实现了X轴磁路通道与Y轴磁路通道的磁力与磁力的解耦设计，提高了磁轴承X轴和Y轴的高精度平动控制。

又一方面，通过在安装座径向内侧设置转子永磁体，配合第一永磁体和第二永磁体，从而形成一种内外双永磁体结构，有效提高了磁轴承的刚度，降低了磁轴承的功耗。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，包括：安装座（1）、转子系统（2）和定子系统（3），所述安装座（1）内构造成安装空间；

所述转子系统（2）设置在所述安装空间内，所述转子系统（2）内构造成定子安装腔；

所述转子系统（2）包括第一转子导磁环（21）、第二转子导磁环（22）和转子永磁体（23）；

所述第一转子导磁环（21）位于所述安装座（1）径向内侧的上部；

所述第二转子导磁环（22）位于所述安装座（1）径向内侧的下部；

所述转子永磁体（23）设置在所述安装座（1）径向内侧的中段位置，其中，所述转子永磁体（23）的顶面与第一转子导磁环（21）的底面抵接，所述转子永磁体（23）的底面与所述第二转子导磁环（22）的顶面抵接；

所述定子系统（3）设置在所述定子安装腔内，所述定子系统（3）包括定子安装座（4）、第一定子铁心（5）、第二定子铁心（6）、永磁体安装座（7）、第一永磁体（8）和第二永磁体（9），所述定子安装座（4）设置在所述定子安装腔的中轴线上；

所述第一定子铁心（5）的个数为两个，且间隔设置在所述定子安装座（4）的径向外侧的上部和下部，所述第一定子铁心（5）上绕制有第一定子绕组（10）；

所述第二定子铁心（6）的个数为两个，且间隔设置在所述定子安装座（4）的径向外侧的上部和下部，所述第二定子铁心（6）上绕制有第二定子绕组（13），其中，位于上部的所述第一定子铁心（5）和上部的所述第二定子铁心（6）通过第一定子隔磁套（11）间隔开，位于下部的所述第一定子铁心（5）和下部的所述第二定子铁心（6）通过第二定子隔磁套（12）间隔开；

所述永磁体安装座（7）套设于所述定子安装座（4）上，并位于两个所述第一定子铁心（5）之间；

所述第一永磁体（8）的个数为两个，两个所述第一永磁体（8）沿X轴方向分别嵌设于所述永磁体安装座（7）的径向外侧；

所述第二永磁体（9）的个数为两个，两个所述第二永磁体（9）沿Y轴方向分别嵌设于所述永磁体安装座（7）的径向外侧；

其中，所述第一定子铁心（5）磁极的外表面、所述第二定子铁心（6）磁极的外表面与所述转子系统（2）的内表面之间形成气隙（14）；

所述定子安装座（4）的上端设有朝向所述定子安装腔内侧延伸的定子安装凸起（41），其中，上部的所述第一定子铁心（5）的顶面、所述第二定子铁心（6）的顶面均与所述定子安装凸起（41）的底面抵接；

所述定子系统（3）还包括定子锁母（15），所述定子锁母（15）的顶面与位于下部的所述第一定子铁心（5）的底部和所述第二定子铁心（6）的底面抵接，所述定子锁母（15）螺纹连接于所述定子安装座（4）的径向外侧。

2.如权利要求1所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述转子系统（2）还包括转子锁母（24）；

所述转子锁母（24）的顶面与所述第二转子导磁环（22）的底面抵接，其中，所述转子锁母（24）与所述安装座（1）螺纹连接。

3.如权利要求2所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述安装座（1）、所述转子锁母（24）、所述定子安装座（4）、所述第一定子隔磁套（11）、所述第二定子隔磁套（12）、所述永磁体安装座（7）均由隔磁材料制成。

4.如权利要求1所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述第一定子铁心（5）、所述第二定子铁心（6）、所述第一转子导磁环（21）、所述第二转子导磁环（22）均为高饱和磁密的1J22棒材或电工纯铁DT4C材料制成。

5.如权利要求1所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述气隙（14）的间距为0.5mm；

所述气隙（14）包括第一气隙（141）和第二气隙（142）；

其中，位于上部的第一定子铁心（5）磁极的外表面和所述第二定子铁心（6）的磁极的外表面与所述第一转子导磁环（21）的内表面之间均形成所述第一气隙（141）；

位于下部的第一定子铁心（5）磁极的外表面和所述第二定子铁心（6）的磁极的外表面与所述第二转子导磁环（22）的内表面之间均形成所述第二气隙（142）。

6.如权利要求1所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述第一永磁体（8）和所述第二永磁体（9）均由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且均为轴向充磁，所述第一永磁体（8）的充磁方向为上N下S，所述第二永磁体（9）的充磁方向为上S下N；或者，

所述第一永磁体（8）的充磁方向为上S下N，所述第二永磁体（9）的充磁方向为上N下S；

所述转子永磁体（23）由钕铁硼合金或钐钴合金硬磁材料制成，且为轴向充磁，所述转子永磁体（23）的充磁方向为上N下S或上S下N。

7.如权利要求1所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，

所述定子锁母（15）由隔磁材料制成。

8.如权利要求1-7任一项所述的外转子径向解耦混合磁轴承，其特征在于，所述第一定子绕组（10）和所述第二定子绕组（13）均由线径为0.2mm的漆包线绕制而成，所述第一定子绕组（10）和所述第二定子绕组（13）的匝数均为150～200匝。

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