CN107257889B

CN107257889B - 磁轴承

Info

Publication number: CN107257889B
Application number: CN201680012346.0A
Authority: CN
Inventors: J.K.坦古杜; P.M.克什尔萨加
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: CN107257889A; EP3262310B1; WO2016137775A1; US20180238387A1; EP3262310A1; US10767691B2

Abstract

一种磁轴承(20)，其包括：转子(22)，所述转子被支撑以绕轴(502)旋转；定子(24)，所述定子从第一端(30)延伸到第二端(32)且包括：一个或多个第一永磁体(110)；一个或多个第二永磁体(112)，其极性与所述一个或多个第一永磁体的极性实质上相对；至少三个径向绕组(40、42、44、46)；第一轴向绕组(34)；第二轴向绕组(36)；第一端磁极(120)；以及第二端磁极(122)。

Description

磁轴承

相关申请的交叉引用

本公开要求2015年2月26日提交且标题为“Magnetic Bearing”的美国专利申请号62/121,443的权益，所述专利申请的公开内容全部如其充分陈述地以引用方式并入本文。

背景技术

本公开涉及磁轴承。更具体地，本公开涉及涡轮机中采用的电磁轴承。

在有源磁轴承中已存在相当发达的技术。2011年7月7日公开的美国专利申请公布2011/0163622A1公开了一种提供径向和轴向支撑的电磁轴承。对于轴向支撑，定子具有一对相对轴向磁极，所述轴向磁极通过轴向护铁在外径(OD)处连结。轴向线圈周向地缠绕在护铁内侧并构建穿过轴向磁极和护铁的磁通路径，其中轴向磁极之间的内侧间隙被由所述间隙内转子层压堆叠形成的致动器目标所横跨。

在轴向线圈的径向内侧，定子包括由层压堆叠形成的径向致动器磁极组件。这种层压堆叠具有完整环圈外环部分和多个径向向内突起部，所述多个突起部中每一个被关联的径向控制线圈缠绕。一对永磁体环夹在径向致动器磁极组件与轴向磁极之间，与径向致动器磁极组件相邻且位于其相对轴端处。

在相对侧处构建一对径向磁通回路，其从致动器目标径向开始穿过径向磁极组件、轴向向外转向穿过永磁体且然后径向内侧转向穿过关联的轴向磁极，轴向向内返回转向以进入致动器目标的端部且然后径向向外返回转向。由此，相对符号的一对径向磁通被轴向磁通回路包围。

另一种四径向磁极径向轴承配置涉及径向且周向而非轴向通过的磁通路径。在此配置中，能够在若干状况之间进行切换。一组涉及采用穿过一对反向磁极的一个中心直径分支和周向穿过围绕另一对的相应磁极的护铁的两个周向分支的磁通路径。两个对由此构建了两种可能的此类路径，其中每个路径有两个可能方向。相应地，另一组涉及第一磁通路径分支径向穿过一个磁极、周向转向以穿过护铁到达两个相邻磁极中的一者且然后径向返回穿过所述相邻磁极以在轴件中与第一分支相遇。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种磁轴承，所述磁轴承包括：转子，其被支撑以绕轴旋转；定子，其从第一端延伸到第二端且包括：一个或多个第一永磁体；一个或多个第二永磁体，其极性与所述一个或多个第一永磁体的极性实质上相对；至少三个径向绕组；第一轴向绕组；第二轴向绕组；第一端磁极；以及第二端磁极。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少三个径向绕组缠绕在至少一个中心磁芯上。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少一个中心磁芯包括中心层压件。中心护铁位于所述中心层压件的径向外侧。第一端层压件位于所述中心层压件的轴向外侧。第一端护铁位于所述第一端层压件的径向外侧。第二端层压件与所述第一端层压件相对地位于所述中心层压件的轴向外侧。第二端护铁位于所述第二端层压件的径向外侧。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少三个径向绕组包括角度上按120°间隔偏移的三个径向绕组。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少三个径向绕组包括：第一对直径上相对的径向绕组；以及第二对直径上相对的径向绕组。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第二对径向绕组正交于所述第一对。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组各自包括第一径向开口绕组和第二径向开口绕组。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组以及所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组中的每一个绕组电连接到相应H桥放大器。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一个或多个层压堆叠延伸穿过所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组的磁芯。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一个或多个第一端层压堆叠和一个或多个第一端护铁位于所述第一永磁体与第一端磁极之间。一个或多个第二端层压堆叠和一个或多个第二端护铁位于所述第二永磁体与第二端磁极之间。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一轴向绕组和所述第二绕组串联连接以使电流沿相对角度方向通过。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述转子包括承载轴向层压金属护套的金属磁芯。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一端磁极和第二端磁极在所述轴向层压金属护套内侧径向延伸。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述一个或多个第一永磁体是第一永磁体环以及所述一个或多个第二永磁体是第二永磁体环。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一永磁体环是第一连续完整环圈以及所述第二永磁体环是第二连续完整环圈。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述第一永磁体环包括至少三个周向分段以及所述第二永磁体环包括至少三个周向分段。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述定子还包括：位于所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体之间的中心护铁；位于所述一个或多个第一永磁体轴向外侧的第一端护铁；以及位于所述一个或多个第二永磁体轴向外侧的第二端护铁。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，在居中地穿过所述至少三个径向绕组中的一者的中心纵向半截面中：无关于方向的限制下的第一径向磁通回路：径向向外穿过所述定子的中心层压件，从而在所述直径上相对的绕组中的第一个内穿行；在中心护铁中轴向外侧转向；轴向外侧穿过所述一个或多个第一永磁体；在第一端护铁内径向向内转向；径向向内穿过第一端层压堆叠；跳过径向间隙以径向穿过转子层压堆叠；轴向向内转向于所述转子层压堆叠轴向内侧；径向向外转向以返回穿过所述转子层压堆叠；并且跳过所述径向间隙以完成所述第一径向磁通回路。无关于方向的限制下的第一轴向磁通回路：径向穿过所述第一端层压堆叠；轴向外侧转向穿过所述第一端护铁；轴向向外通行、径向向内转向并通行、且然后在第一端磁极内轴向向内转向和通行；跳过所述第一端磁极与位于所述转子层压堆叠轴向内侧的转子之间的轴向间隙；径向向外转向以返回径向向外穿过所述转子层压堆叠；并且跳过所述径向间隙以完成所述第一轴向回路。无关于方向的限制下的第一PM偏置轴向磁通回路：径向向外穿过所述定子的中心层压件，从而在所述直径上相对的绕组中的第一个内穿行；在所述中心护铁中轴向外侧转向；轴向外侧穿过所述一个或多个第一永磁体；轴向外侧穿过所述第一端护铁；在所述第一端磁极内径向向内且然后轴向向内转向；跳过所述第一端磁极与位于所述转子层压堆叠轴向内侧的转子之间的轴向间隙；径向向外转向以返回穿过所述转子层压堆叠；并且跳过所述径向间隙以完成所述第一PM偏置轴向磁通回路。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，在所述中心纵向半截面中：第二径向磁通回路安置为跨越横向中心平面与所述第一径向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性；第二径向磁通回路安置为跨越横向中心平面与所述第一轴向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性；以及第二PM偏置磁通回路安置为跨越横向中心平面与所述第一PM偏置轴向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一种使用所述磁轴承的方法，其包括使电流流经：所述至少三个径向绕组；所述第一轴向绕组；所述第二轴向绕组，以便：通过同时对所述第一轴向绕组和所述第二径向绕组加电来控制轴向力或位置；以及通过对所述至少三个径向绕组加电来控制径向力或位置。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少三个径向绕组是通过至少两个H桥放大器来进行加电，以及所述第一和第二轴向绕组是通过至少一个H桥放大器来进行加电。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，所述至少三个径向绕组各通过相应关联的H桥放大器来进行加电以及所述第一和第二轴向绕组各通过相应关联的H桥放大器来进行加电。

在其他实施方案中的一个或多个实施方案中，一种机器包括所述轴承。

在附图和下文描述中对一个或多个实施方案的详情进行阐述。从所述描述和附图以及从权利要求，将显见到其他特征、目的和优点。

附图说明

图1是压缩机中的电磁轴承的部分局部示意的中心纵轴截面图。

图2是在图1的线2-2处所截取的图1轴承的横向剖视图。

图3是沿着图1的线3-3所截取的图1轴承的横向剖视图。

图4是图1的轴承的斜视剖视图。

图5是居中地穿过第一对直径上相对的径向绕组的中心纵向截面中间磁通示意图。

图6是替代性电磁轴承的横向剖视图。

图7是四径向线圈实施方案中的线圈和传感器的局部示意性端视图。

图8是用于对一个或多个线圈加电的H桥放大器的示意图。

各个附图中相似的参考编号和标示指示相似的元件。

具体实施方式

图1示出集成的径向/轴向单极轴承20，其具有转子22和定子24。定子具有中心纵轴500。转子具有中心纵轴502。轴500和502标称为在正常情况下是重合的；但是，轴承可能吸收转子轴相对于定子轴的轻微偏移。磁轴承可以用于其中定子安装到压缩机的外壳或壳体而转子安装到压缩机的轴件的涡轮机(例如，压缩机)中。横向中心平面示出为510。出于示意性说明的目的，外壳或壳体示出为26且轴件示出为28。

轴承从第一端30延伸到第二端32。定子包括多个线圈(例如，金属线绕组)。为了轴向支撑转子，在第一端附近，定子包括环绕轴500、502的第一轴向线圈34。在第二端32附近，定子包括也环绕轴500、502的第二轴向线圈36。围绕轴500、502的示例性轴向线圈可以串联电连接或单独地控制，以使通过它们的电流形成抵抗或助推永磁偏置磁场的轴向控制场。此永磁偏置磁场的方向取决于永磁体110、112的磁化。

在轴承任一端上的轴向线圈36、34可以沿相对方向周向地围绕轴500、502缠绕。在这种情况中，线圈可以串联连接或个别地控制，其中电流是沿着相对于轴500、502的相同圆周方向。如果轴向线圈36、34按相同圆周方向缠绕，则流经轴向线圈的电流的方向必须是彼此相对的。轴向线圈可以串联连接或利用适合的连接而个别地控制。

为了径向支撑转子，定子包括多个径向线圈。示例性径向线圈布置在按90°间隔围绕转子圆周空间分布的多个线圈中。示例性实施方案包括彼此正交的两个直径上相对的对。示例性6线圈实施方案应具有角度间隔60°的三对线圈，并且依此类推。

第一对径向线圈包括径向线圈(绕组)40和42以及第二对包括径向线圈44和46(图2)。径向线圈的绕组周向且轴向延伸以环绕径向延伸的层压件(层压件)50、52、54、56，下文对此予以论述。示例性层压件是轴向钢层压堆叠(例如，软磁钢或硅铁)。使用层压件相对于单个钢板减少了涡流损耗。线圈内的层压件起到磁芯的作用。

径向线圈40、42可以按相同或相对的方向进行缠绕，这取决于要助推或抵抗永磁体(PM)偏置磁通的控制电流的方向。相似的考虑适用于线圈46和44。

径向线圈可以个别地进行控制或直径上相对的线圈可以串联连接以便进行径向轴承的控制。如果径向线圈的数量是奇数(最少三个磁极)，则线圈必须个别地控制，而如果径向线圈的数量是偶数，则可以对其进行个别地控制或可以将直径上相对的线圈串联连接以便进行控制。

层压件50、52、54、56中每一个从紧密靠近且面朝所述转子的径向内侧或内径(ID)端60延伸到外侧或外径(OD)端62。示例性OD端62安装到环绕所述轴的中心护铁。示例性护铁材料是钢(例如，硅钢或软磁钢)、非晶态粉末或铁氧体。替代性方案可以具有以空气或磁惰性材料(例如，塑料)替代护铁的空芯配置。

但是，示例性中心护铁被分段成与层压件50、52、54、56中每一个关联的相应分段70、72、74、76。第一示例性安装方式可以是粘合剂。替代性示例性安装方式(图2)可以是通过将护铁或护铁分段的内径(ID)面80中的如轴向燕尾槽79的特征部件与沿着层压件的OD端62的互补燕尾突起81相互配接。示例性分段70、72、74、76各自具有外径(OD)面82，其组合以作为整体形成中心护铁的外径(OD)表面。对于这种分段式中心护铁，可以通过外套筒100将护铁分段保持在一起(图1，例如安装在压缩机或其他涡轮机的膛孔内)。有关层压件的再一些变化可以包括四个层压件50、52、54、56是从层压件的外套筒部接近径向向内突起。由此，可以形成层压件的每一片而具有与所述套筒对应的部分和与每个向内径向突起对应的部分。

除了层压件50、52、54、56外，所述定子还包括同轴轴向彼此间隔开的第一永磁体环110(图1)和第二永磁体环112。永磁体环具有相对的轴向极性。在本示例中，两个磁体的北极朝内向着横向中心平面510，以及轴向相对的南极轴向朝外侧/朝外。

每个环110、112具有内径(ID)面、外径(OD)面和相对的轴向端面。环110和112安装在中心护铁的相对两侧(轴向两端)。

磁体环110、112的轴向外侧是外侧层压件和关联的护铁。这些层压件和护铁可以采用与中心层压堆叠和护铁相似的方式来形成，且其功能完成下文论述的磁通路径。出于说明的目的，第一端层压件(或多个第一端层压件)示出为130以及第一端护铁(或多个第一端护铁)示出为132，而第二端层压件(或多个第二端层压件)示出为140以及第二端护铁(或多个第二端护铁)示出为142(例如，而不对这些层压件和护铁中的每一者的四个分段分别指派编号)。两个相应外侧层压件和护铁组合的外侧是相应的端盖或端磁极120、122。在本示例中，每个端磁极是单个周向件而非分段的。在其他实现中，例如可以将这些端磁极与外侧护铁集成。这些端磁极各自具有大致C形半横截面，其具有径向外侧套筒部124、径向延伸端网126和径向内侧套筒部128。这界定了容纳/接纳关联的轴向绕组34、36的环形通道。虽然示例性护铁132、142示出为与相邻磁极/端盖120、122分开的部件，但是护铁132、142中每一个可以与关联的磁极/端盖统一地作为一个部件来形成。在这种情况中，所述部件位于层压件或磁芯130、140径向外侧的部分将被识别为护铁。

转子包括转子层压堆叠150。转子层压堆叠从第一端152延伸到第二端154并且具有内径(ID)面156和外径(OD)面158。

转子层压堆叠150可以直接安装到压缩机的轴件或可以安装到套筒160上(例如，具有相对的第一和第二轴向端162、164、接纳轴件28的由ID表面156界定的内膛孔以及安装层压堆叠150的OD表面168)。

通过将径向和轴向轴承组合在单个封装中，可以实现若干优点中的一个或多个优点。这可以包括紧凑且重量轻的封装。相较于前文提到的US2011/0163622A1的轴承，效率可以得以提高。这种提高的一个方面可以涉及减少磁通路径在层压件中的任何转向。例如，可以通过非层压件转子材料160横跨轴向磁极之间的ID间隙。相较于具有双轴向磁通的替代性配置，这能够减少磁通路径在层压件中出现转向的数量，因为转向将位于轴件的金属中或层压件内侧的套筒中。类似地，相对较薄的转子层压件允许径向磁通的内侧转向出现在转子层压件的内侧。这些径向层压件还将有助于减少转子侧上引发的涡电流损耗。径向磁通的外侧转向还可以出现在径向层压件的外侧。

图5在居中地穿过第一对直径上相对的径向绕组的中心纵向截面中示出永磁体磁通回路的近似中线。这些磁通回路包括：(a)PM偏置轴向磁通回路530、532、534、536(与轴向支撑件关联)；(b)与第一对径向绕组关联且反映PM偏置磁通与线圈/电流诱发磁通的组合的径向磁通回路540、542、544、546(与径向支撑件关联)；以及(c)由关联的轴向绕组诱发的轴向磁通回路550、552、554、556。在居中地穿过其他一对(或多对)径向绕组的轴向截面中，将示出与此类其他一对(或多对)关联的相似磁通回路。

示例性回路为：第一PM偏置轴向磁通回路530；与回路530轴向相对的第二PM偏置轴向磁通回路532；与回路530径向相对的第三PM偏置轴向磁通回路534；与回路532径向相对以及与回路534轴向相对的第四PM偏置轴向磁通回路536；第一径向磁通回路540；与回路540轴向相对的第二径向磁通回路542；与回路540径向相对的第三径向磁通回路544；与回路542径向相对以及与回路544轴向相对的第四径向磁通回路546；位于回路540轴向外侧的第一轴向磁通回路550；与回路550轴向相对且位于回路542的轴向外侧的第二轴向磁通回路552；与回路550径向相对的第三轴向磁通回路554；以及与回路552径向相对的第四轴向磁通回路556。

在所述截面图中，第一PM偏置轴向磁通回路530：径向向外穿过定子的中心层压件50，从而在直径上相对的绕组40、42中的第一个40内穿行；在中心护铁70中轴向外侧转向；轴向外侧穿过第一永磁体环110；轴向外侧穿过第一端护铁132；在第一端磁极120内径向向内且然后轴向向内转向；跳过第一端磁极与位于转子层压堆叠150轴向内侧的转子材料160的端部162之间的轴向间隙200(示出为202的与回路532和536关联的对端间隙)；径向向外转向以返回径向向外穿过转子层压堆叠150；以及跳过径向间隙204(位于转子层压件150与定子中心层压件50之间)以完成第一PM偏置轴向磁通回路。出于说明的目的，论述的方向仅图示了分布的形状，实际的磁通可能具有相对的符号/意义，如下文论述。

在所述截面图中，第一径向磁通回路540：径向向外穿过定子的中心层压件50，从而在所述直径上相对的绕组中的第一个40内穿行；在中心护铁70中轴向外侧转向；轴向外侧穿过第一永磁体环110；在第一端护铁132内径向向内转向；径向向内穿过第一端层压堆叠130；跳过所述径向间隙(位于第一端层压件与转子层压件之间)而径向穿过转子层压堆叠150进入转子非层压材料160中；轴向向内转向于所述转子层压堆叠轴向内侧；径向向外转向以径向返回穿过转子层压堆叠150；并且跳过径向间隙204以完成所述第一径向磁通回路。

在所述截面图中，第一轴向磁通回路550：径向穿过径向层压件130；在轴向外侧转向穿过护铁132；在第一端磁极120内径向向内且然后轴向向内转向；跳过所述第一端磁极与位于转子层压堆叠150轴向内侧的转子材料160的端部162之间的轴向间隙200；径向向外转向以返回径向向外穿过转子层压堆叠130；以及跳过径向间隙204(位于转子层压件150与定子中心层压件50之间)以完成第一轴向磁通回路。

在所述截面图中，第一轴向磁通回路550：径向穿过径向层压件130；在轴向外侧转向穿过护铁132；在第一端磁极120内径向向内且然后轴向向内转向；跳过所述第一端磁极与位于转子层压堆叠150轴向内侧的转子材料160的端部162之间的轴向间隙200,径向向外转向以返回径向向外穿过转子层压堆叠150；以及跳过径向间隙204(位于转子层压件150与第一端层压件130之间)以完成第一轴向磁通回路。

其他回路以类似方式穿过图5截面图的其象限中的部件。

对各个绕组加电可以用于改变回路中的磁通从而对转子施加期望的校正性轴向力和径向力。

图5示出各个磁通回路，其中以箭头指示一个示例性磁通方向。下文相对于图示的那些方向论述操作，其中可能有与相对于所示的方向相反的设计变化或操作状况。在永磁体的轴向向内极性580、582的图5示例中，按照永磁体极性所指示的，PM偏置轴向磁通回路530和536是逆时针的，而532和534是相对的(顺时针)。

回路540、542、544和546示出为与围绕它们的关联PM轴向回路具有相同的磁通相互作用。因为这些回路反映PM与电流诱发磁通的组合，所以相应线圈40或42可以按这种方式操作以便增强所示的自然PM磁通方向或者部分地抵抗或完全抵抗自然PM磁通方向(即，使磁通方向与所示的方向反转)。

图5还示出了泄漏磁通回路590。这些泄漏磁通部分地与磁体极性的不对称性相关。精确的相对轴向极性将趋于使磁通回路最小化。一般来说，制造容差将限制精度。可以作为局部或平均值来测量大致相对的定向。一般来说，值应在精确相对的约45°内，优选地在约30°或约20°或约10°内。还可设想高达90°的潜在更高不对称性。类似地，制造容差可能影响两个磁体的磁场强度。二者均应在彼此的约10％内。图示的配置具有磁体尺寸和强度上以及线圈匝数和其他几何因子上(跨越横向中心平面)的大致轴向对称性。但是，非对称负载的设计可能导致磁体的尺寸和强度上的不对称性或线圈匝数等的不对称性。

电流诱发的轴向磁通回路550、552、554和556的磁通方向没有对称性。回路550和552示出为彼此处于相同方向(逆时针)以及回路554和556示出为彼此处于相同方向但是与回路550和552相对。

控制的示例是相对于图5的示例性片定向以及图2和图5的X、Y和Z轴来论述的。

示例性径向位移最初将结合沿着X轴的示例来随意地进行论述，X轴居中径向延伸穿过线圈/绕组40和42。在没有轴向负载的情况下，线圈34和36中将没有电流流动。在此状况中，磁通回路550、552、554和556实际上将消失。这些回路中的磁通的示例性图5所示箭头方向与对线圈34、36赋能以便在Z+方向上对转子施加力关联。

如果没有径向负载的情况(例如，处于零重力或如果轴件是垂直定向的或如果线圈是水平间隔的)，则将没有对线圈40和42的基线赋能，以及对应地将没有沿着路径540、542、544、546的磁通的电磁分量。由此，因为线圈44和46是水平间隔的，且没有基线水平径向负载，则线圈44和46将不会被基线赋能，并且不会沿着关联的路径产生关联的电磁磁通分量。

在图示的示例中，施加于线圈540和542的电流将在所示方向上或与之相对的方向上产生磁通的电磁分量。如果沿所示的方向，则这将仅增大磁通的量值。如果沿相对的方向，则这可能减小组合的磁通的量值，但是在大多数期望的情况中，将不会导致与所示磁通方向的磁通方向净反转。

基线重力或其他负载将通过对适合的线圈赋能以提供反作用力来予以补偿。在下文论述的示例中，转子轴是水平的以及基线负载是X-方向上的重力负载。

参考图5，如果由于外部负载或干扰使得转子28在X+方向上从其全局中心线500位移，则控制器将通过在径向线圈40中施加电流来减小径向回路540和542中的磁通幅值而促使气隙204中的局部磁通密度减小来对抗此情况。这将使得固定轴承部件50、70施加的局部吸力减到最小。同时，控制器将增大径向线圈42中的电流以增大径向回路544和546中的磁通幅值，从而促使气隙204中的局部磁通密度增大。这将增大固定轴承部件52、72施加的局部吸力。如果转子在X-方向上位移，则将施加相对方向上的类似控制。线圈40和42中的电流方向基于线圈绕组的方向来确定。

沿着Y轴的位移采用与沿X轴的运动类似的方式进行控制，但是使用轴承部件54、74、56、76、44、46。线圈44和46中的电流方向基于线圈绕组的方向来确定。

参考图5，如果由于外部负载或干扰使得转子28在Z+方向上从横向中心平面510位移，则控制器将在轴向线圈34中施加电流以通过控制回路550中的磁通值来减小气隙200中的磁通幅值(回路530和550的总和)。由此，如果已经存在回路550图示的方向上产生磁通的电流，则可以减小此电流或甚至使之反向。这将使得固定轴向轴承部件120施加的吸力减到最小。同时，控制器将控制线圈36中的电流以便通过控制回路552中的磁通值来增大气隙202中的磁通幅值。在图示的示例中，因为回路550和552的方向示出为假定Z+方向上的基线力，所以首先仅通过减小线圈36中的电流量值来实现磁通值的增大，并且由此，减小552的回路磁通抵抗532的回路磁通的量。如果需要足够的力，则可以将线圈36中的电流反向，从而使回路552中诱发的磁通方向反转。这将增大由固定轴向轴承部件122施加的吸力。

如果转子在Z-方向上位移，则将施加相对方向上的类似控制。例如，如果从零轴向力基线开始，则在线圈34和36中引发电流以在所示方向上在回路550和552中产生磁通。如果有在Z+方向上施加的基线力，则这些电流的量值将从其基线值起增加。线圈34和36中的电流方向基于线圈绕组的方向来确定。

此外，由于永磁体110和112的原因，定子中心护铁70、72、74、76中出现聚磁效应。因为磁体是在轴向上彼此相对磁化的，所以所得到的磁通线将产生在中心护铁中近似位置586处出现的磁通集中/聚磁效应。这还将构成穿过框架26的某种泄漏磁通。磁通集中效应导致穿过径向层压件50和径向气隙204以助推径向和轴向轴承功能的偏置磁通增大。此方法的优点在于：(a)因为气隙中的磁通的大部分是由永磁体的偏置磁通贡献的，所以使转子中心线502保持与轴500对准所需的控制磁通很小(这使得线圈尺寸和满足控制功能的电流需求能够更小)；(b)由于区域586中的磁通集中，使用更低能量密度的永磁体是可能的；(c)如果使用更高能量密度的永磁体，则区域586中增大的磁通集中能够使得永磁体容积更低。

图1还示出控制器200。所述控制器可以作为整体或***(例如，制冷***)与涡轮机(例如，电动压缩机)的控制器集成或由其提供。所述控制器可以从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如位于各种***位置处且具体用于轴承控制的压力传感器和温度传感器、径向位置传感器(例如，相对于图2和图5的方向，安装在轴承中的单个X传感器和单个Y传感器)和轴向位置传感器(例如，安装在轴承中的单个Z传感器))接收用户输入。所述控制器可以经由控制线路(例如，硬连接或无线通信路径)耦合到传感器和可控***部件(例如，阀门、轴承、压缩机电机、叶片致动器等)。所述控制器可以包括一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储供处理器运行来执行操作方法的程序信息以及用于存储由所述程序(或多个程序)使用或产生的数据)；以及用于与输入/输出装置和可控***部件介接的硬件接口装置(例如，端口)。

图6示出具有三个径向线圈及关联的径向磁极的替代性轴承配置。在本示例中，流经三个径向线圈的电流是可独立控制的，以便提供完整二维径向控制。径向线圈和磁极按120°间隔围绕中心线均匀地间隔开。三线圈/磁极配置是可行的最小配置。上文论述的四线圈实施方案可以提供计算上更简单的控制。更大数目个线圈/磁极也是可能的。

图6实施方案的磁通布置将与在中心纵向半截面中看到的四磁极实施方案的磁通类似(即，仅在一个径向方向上而非在图5中分别如中心线上方和下方的完整中心纵向截面中示出的两个径向方向上从中心线向外)。

其他变化涉及对所述永磁体周向地分段。在一些实施方案中，所述分段可以形成经分段的整环(各分段之间基本没有周向间隙)。但是，其他显著实施方案涉及由间隙分隔的分段。例如，分段可以基本与层压件50、52、54、56穿过关联的径向线圈40、42、44、46延伸的齿部在周向上共同延伸。护铁可以通过类似方式来分段。例如，可以使用此方法形成模块化***，其中个别子单元包括：单个径向线圈；将穿过其中延伸的层压件；关联的两个永磁体；以及轴向连结两个磁体的护铁分段。用于构成轴承的这些子单元的数量(3个或更多个)取决于所述轴承的径向额定负载。例如，可以设想其中根据额定负载使用这些子单元中的3、4、5或6个子单元的***。

基于这种一对分段的永磁体(替代性地表征为两个周向永磁体阵列)，多种其他变化也是可能的。在基本变化中，这两个周向阵列的每一个内的所有磁体具有与此阵列中的其他磁体相同的极性，且这两个阵列的极性彼此相对。在又一些其他变化中，子单元的两个个别磁体的极性彼此相对，但是每个阵列中的磁体无需是相同极性的。由此，例如在4子组件示例中，子组件中的两个可以具有一个极性定向以及另外两个可以具有相对的极性定向。依据各情况，彼此相对的两个子单元可以共享极性。

图7示意性地示出径向线圈40、42、44、46。所述线圈各自具有相应的一对端子40-1、40-2；42-1、42-2；44-1、44-2；46-1、46-2。图7还示意性地示出X位置传感器820、Y位置传感器822和Z位置传感器824。类似地，示意性地示出轴向线圈34的端子34-1和34-2以及轴向线圈36的端子36-1和36-2。

在示例性四径向线圈实施方案中，通过响应于从传感器820输入的位置反馈控制线圈40和42中的电流来控制X轴位置/力。通过响应于从传感器822输入的位置反馈控制线圈44和46中的电流来控制Y轴位置/力。通过响应于来自传感器824的位置反馈控制线圈34和36中的电流来控制Z轴位置/力。在示例性实施方案中，控制器200对线圈中每一个执行个别控制。正如上文提到的，替代性地，可以将线圈中的一些或全部配对并以串联或并联方式加电。

图8示出用于对一个或多个线圈加电的H桥放大器840。这可以由控制器200来控制或与控制器200集成。在一个示例中，每个H桥放大器840具有单个关联的线圈且反之亦然。出于说明的目的，所述放大器示出为连接到线圈40。相似的放大器将以相似的方式耦合到其他线圈。放大器840具有并联连接到电压源844的两个分支或分叉841和842。示例性电压源844是恒定DC电压源，并且可以被不同线圈的H桥放大器共享。

线圈的端子40-1和40-2跨越两个分支841和842的中心位置连接。在每个分支的每一侧(高电压和低电压)，端子40-1、40-2经由相应的开关装置851、852、853、854和二极管861、862、863、864的并联组合连接到电压源。示例性开关装置是栅控开关装置，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。

通过将二极管与开关并联连接，二极管提供用于关联的开关关断/开路时的飞轮电流(耗散存储在电感器中的能量的衰减电流)的路径。这与衰减力关联。

在第一示例性操作状况中，开关851和854闭合以及开关852和853开路(第一开关状态)。电流从电压源844的正端子经第一分支/分叉高开关851流到端子40-1以及经由线圈40流到端子40-2。从端子40-2，电流流经第二分支/分叉低开关854而返回到电压源负端子。

如果开关854保持闭合而开关851开路(第二开关状态)，则线圈中存储的能量将促使飞轮电流以相同方向流经所述线圈。但是，此电流从线圈流经开关854，且然后经第一分支/分叉低二极管862返回。衰减比率由线圈时间常量确定。如果存储在电感器中的能量小，则电流幅值将在此阶段完成之前减小到零。

如果接着使开关854开路(第三开关状态)，且如果存储的能量尚未完全耗散，则电流将以相同的方向继续流动，但是现在是从线圈40经第二分支/分叉高二极管863返回到电压源的正端子，且然后往回经第一分支/分叉低二极管862返回到线圈。电流将继续衰减，并且其量值可以达到零。

在切换回第一操作开关状态时，电流将开始回升。线圈中的此电流幅值将是正的且依据线圈时间常量、供电电压和开关事件的持续时间而增加。在此操作状态期间，其还将在关联的电感器中存储能量。此增加可以从零开始或从非零值开始。因此，电流幅值随***循环通过开关状态的上升和下降将产生平均值，所述平均值提供在轴承中产生力所需的期望参考值。

示例性操作涉及在这三种状况之间顺序地循环性切换。作为参考，三种状态中每个的相应时间指定为t₁、t₂和t₃。这三者之总和是总切换周期且可以是固定的。开关的导通和关断持续时间由其工作循环确定，所述工作循环与合成线圈中的平均电流所需的平均电压成比例。

在稳态循环(固定的t₁、t₂和t₃)期间，跨越线圈的平均电压由如下公式给出：

V_L＝V_DC*t₁/(t₁+t₂)

其中V_DC是DC源电压。平均DC电流由如下公式给出：I_X＝V_L/R

其中R是线圈的电阻。

为了使电流瞬变保持处于极低值并且合成与所期望力成比例的DC电流，以极高速率(数千Hz)重复上述操作。

假定10kHz的频率。周期由此为100微秒＝t₁+t₂+t₃。由此可以通过控制t₁、t₂和t₃来实现控制。原则上，其可以通过控制t₁来控制。在一个示例中，第二和第三开关状态之间的切换控制则确定t₂和t₃。例如，第二与第三开关状态之间的切换可以在已发生给定电流或电压衰减时发生。一个示例是在电流阈值等于控制器正在努力实现或维持的目标平均电流时。就此进程来说，t₂通常将远远大于t₃。当给定循环上所测量的平均电流低于目标时，控制器可以对下一个循环增加t₁(或如果有延迟的话，对下一个受控循环增加t₁)。可以按照设定增量或基于实际值与目标值之间的差而计算的增量来增加。

对于涉及使电流按相对方向通过(即，从端子40-2到端子40-1地穿过线圈40)的操作，操作是类似的但涉及切换开关852和853而非开关851和854。各种二极管的作用由此与第一分支/分叉高二极管861以及第二分支/分叉低二极管864所起的作用类似地转变。

与不同的替代性现有技术轴承相比，各种实现可以具有若干优点中的一个或多个优点。正如上文提到的，一些现有技术的径向轴承使得磁通路径深入到轴件中和/或周向穿行以穿过两个角度上偏移的磁极。避免周向路径减少了磁芯损耗。

本文描述和所附权利要求中使用“第一”、“第二”等仅仅是为了在权利要求内进行区分，而未必指示相对或绝对重要性或时间次序。类似地，在权利要求中将一个元件识别为“第一”(或类似形式)不排除此类“第一”元件识别另一项权利要求中或本文描述中称为“第二”(或类似形式)的元件。

在后跟包含SI或其他单位的括弧标注以英制单位给出测量的情况中，括弧标注的单位是换算形式且不应暗示英制单位中找不到的精确程度。

已经描述了一个或多个实施方案。尽管如此，应理解，可以进行多种修改。例如，当应用于现有基本***时，此类配置或其关联使用的细节可能影响具体实现的细节。相应地，其他实施方案也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种磁轴承（20），其包括：

转子（22），其被支撑以绕轴（502）旋转；

定子（24），其从第一端（30）延伸到第二端（32）且包括：

一个或多个第一永磁体（110）；

一个或多个第二永磁体（112），其极性与所述一个或多个第一永磁体的极性实质上相对；

至少三个径向绕组（40、42、44、46），以用于径向支撑所述转子；

第一轴向绕组（34），以用于轴向支撑所述转子；

第二轴向绕组（36），以用于轴向支撑所述转子；

第一端磁极（120）；以及

第二端磁极（122），

其中：

所述转子包括承载轴向层压金属护套（150）的金属磁芯（160、28）；并且

所述第一端磁极和第二端磁极在所述轴向层压金属护套的内径表面的内侧径向延伸。

2.根据权利要求1所述的磁轴承，其中：

所述至少三个径向绕组（40、42、44、46）缠绕在至少一个中心磁芯（50、52、54、56）上。

3.根据权利要求2所述的磁轴承，其中：

所述至少一个中心磁芯包括中心层压件（50、52、54、56）；

中心护铁（70、72、74、76）位于所述中心层压件的径向外侧；

第一端层压件（130）位于所述中心层压件的轴向外侧；

第一端护铁（132）位于所述第一端层压件的径向外侧；

第二端层压件（140）与所述第一端层压件相对地位于所述中心层压件的轴向外侧；以及

第二端护铁（142）位于所述第二端层压件的径向外侧。

4.根据权利要求1所述的磁轴承，其中所述至少三个径向绕组包括：

直径上相对的第一对径向绕组（40、42）；以及

直径上相对的第二对径向绕组（44、46），所述第二对径向绕组正交于所述第一对径向绕组。

5.根据权利要求4所述的磁轴承，其中所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组各自包括：

第一径向开口绕组（40、44）；以及

第二径向开口绕组（42、46）。

6.根据权利要求5所述的磁轴承，其中：

所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组以及所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组中的每一个绕组电连接到相应H桥放大器。

7.根据权利要求4所述的磁轴承，其还包括：

一个或多个层压堆叠（50、52、54、56），其延伸穿过所述第一对径向绕组和所述第二对径向绕组的磁芯。

8.根据权利要求1所述的磁轴承，其还包括：

位于所述第一永磁体与第一端磁极之间的一个或多个第一端层压堆叠（130）和一个或多个第一端护铁（132），以及

位于所述第二永磁体与第二端磁极之间的一个或多个第二端层压堆叠（140）和一个或多个第二端护铁（142）。

9.根据权利要求1所述的磁轴承，其中：

所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组串联连接以使电流沿相对角度方向通过。

10.根据权利要求1所述的磁轴承，其中：

所述一个或多个第一永磁体是第一永磁体环；以及

所述一个或多个第二永磁体是第二永磁体环。

11.根据权利要求10所述的磁轴承，其中：

所述第一永磁体环是第一连续完整环圈；以及

所述第二永磁体环是第二连续完整环圈。

12.根据权利要求10所述的磁轴承，其中：

所述第一永磁体环包括至少三个周向分段；以及

所述第二永磁体环包括至少三个周向分段。

13.根据权利要求1所述的磁轴承，其中所述定子还包括：

中心护铁（70、72、74、76），其位于所述一个或多个第一永磁体和所述一个或多个第二永磁体之间；

第一端护铁（132），其位于所述一个或多个第一永磁体轴向外侧；以及

第二端护铁（142），其位于所述一个或多个第二永磁体轴向外侧。

14.一种磁轴承（20），其包括:

转子（22），其被支撑以绕轴（502）旋转；

定子（24），其从第一端（30）延伸到第二端（32）且包括：

一个或多个第一永磁体（110）；

第一轴向绕组（34），以用于轴向支撑所述转子；

第二轴向绕组（36），以用于轴向支撑所述转子；

第一端磁极（120）；以及

第二端磁极（122），

其中在居中地穿过所述至少三个径向绕组中的一者的中心纵向半截面中：

无有关方向的限制下的第一径向磁通回路（540、542、544、546）：

径向向外穿过所述定子的中心层压件，从而在所述至少三个径向绕组中的所述一者内通过；

在中心护铁中轴向外侧转向；

轴向外侧穿过所述一个或多个第一永磁体；

在第一端护铁内径向向内转向；

径向向内穿过第一端层压堆叠；

跳过径向间隙以径向穿过转子层压堆叠；

轴向向内转向于所述转子层压堆叠轴向内侧；

径向向外转向以返回穿过所述转子层压堆叠；以及

跳过所述径向间隙以完成所述第一径向磁通回路；

无有关方向的限制下的第一轴向磁通回路（550、552、554、556）：

径向穿过所述第一端层压堆叠；

轴向外侧转向穿过所述第一端护铁；

轴向向外通行、径向向内转向并通行、且然后在所述第一端磁极内轴向向内转向和通行；

跳过所述第一端磁极与位于所述转子层压堆叠轴向内侧的所述转子之间的轴向间隙；

径向向外转向以返回径向向外穿过所述转子层压堆叠；以及

跳过所述径向间隙以完成所述第一轴向磁通回路；以及

无有关方向的限制下的第一PM偏置轴向磁通回路（530、532、534、536）：

径向向外穿过所述定子的所述中心层压件，从而在所述至少三个径向绕组中的所述一者内通过；

在所述中心护铁中轴向外侧转向；

轴向外侧穿过所述一个或多个第一永磁体；

轴向外侧穿过所述第一端护铁；

在所述第一端磁极内径向向内且然后轴向向内转向；

跳过所述第一端磁极与位于所述转子层压堆叠的轴向内侧的所述转子之间的轴向间隙；

径向向外转向以返回穿过所述转子层压堆叠；以及

跳过所述径向间隙以完成所述第一PM偏置轴向磁通回路。

15.根据权利要求14所述的磁轴承，其中在所述中心纵向半截面中：

第二径向磁通回路安置为跨越横向中心平面与所述第一径向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性；

第二轴向磁通回路安置为跨越所述横向中心平面与所述第一轴向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性；以及

第二PM偏置轴向磁通回路安置为跨越所述横向中心平面与所述第一PM偏置轴向磁通回路在路径上而未必在方向上具有轴向对称性。

16.一种用于使用根据权利要求1所述的磁轴承的方法，所述方法包括使电流流经：

所述至少三个径向绕组；

所述第一轴向绕组；

所述第二轴向绕组，

以便：

通过同时对所述第一轴向绕组和所述第二轴向绕组加电来控制轴向力或位置；以及

通过对所述至少三个径向绕组加电来控制径向力或位置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

通过至少两个H桥放大器对所述至少三个径向绕组加电；以及

通过至少一个H桥放大器对所述第一和第二轴向绕组加电。

18.根据权利要求16所述的方法，其中：

通过相应关联的H桥放大器对所述至少三个径向绕组每个加电；以及

通过相应关联的H桥放大器对所述第一和第二轴向绕组每个加电。

19.一种包括根据权利要求1所述的轴承的机器。