CN116545137A - 磁悬浮定转子结构、磁悬浮电动机、发电机 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种磁悬浮定转子结构、磁悬浮电动机、发电机，磁悬浮定转子结构包括：至少一个多段式定子，各多段式定子包含轴向间隔设置的两个以上的定子节段；和，至少一个多段式转子，各多段式转子包含两个以上的转子节段，各定子节段的内侧或外侧嵌套设置有与定子节段径向隔开的一转子节段，转子节段和定子节段中的一者包含有磁钢，另一者包含有线圈绕组，定子节段与转子节段共同限定出能提供轴向力的磁悬浮轴承；任意相邻定子节段之间或者任意相邻转子节段之间沿轴向间隔第一间距，嵌套设置的定子节段与转子节段之间沿径向间隔第二间距，第一间距的取值大于等于第二间距的取值。本磁悬浮定转子结构，能实现较大的磁悬浮刚度。

Description

磁悬浮定转子结构、磁悬浮电动机、发电机

技术领域

本申请涉及定转子结构领域，特别涉及一种磁悬浮定转子结构、一种磁悬浮电动机和一种发电机。

背景技术

定转子结构是发电机、电动机等设备的常见组成部分。现有大部分定转子结构中，定子与转子之间通过轴承来限制轴向相对运动，对于竖立放置使用的定转子结构，该轴承还进一步承载定子或转子的重力，轴承损耗较严重。

对此，现有技术提出一种由定子与转子构成无源轴向磁悬浮轴承的磁悬浮定转子结构，通过该定子与该转子之间的磁悬浮力对定子与转子轴向限位。

在实现本发明的过程中，发明人发现，对此类由定子与转子构成无源轴向磁悬浮轴承的磁悬浮定转子结构，即便磁悬浮定转子结构的直径和长度达到0.5米以上，若要进一步满足对磁悬浮定转子结构竖立放置使用时的重力支撑需求，须定子与转子之间轴向偏移量达到几十毫米以上，然而，过大的轴向偏移量会导致磁悬浮定转子结构的输出功率极大减小，且还增加了磁悬浮定转子结构的体积、重量及成本，得不偿失。

发明内容

本申请的一个目的在于提出一种磁悬浮定转子结构，结构简单，且磁悬浮刚度高，可应用于竖立放置使用的场景。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

本申请一个方面的技术方案提出了一种磁悬浮定转子结构，包括：至少一个多段式定子，各所述多段式定子包含有两个以上的定子节段，所述定子节段轴向间隔设置；和，至少一个多段式转子，各所述多段式转子包含有两个以上的转子节段，各所述定子节段的内侧或外侧嵌套设置有与所述定子节段径向隔开的一所述转子节段，所述转子节段和所述定子节段中的一者包含有磁钢，另一者包含有线圈绕组，嵌套设置的所述定子节段与所述转子节段共同限定出能提供轴向力的磁悬浮轴承；其中，任意相邻所述定子节段之间或者任意相邻所述转子节段之间沿轴向间隔第一间距，嵌套设置的所述定子节段与所述转子节段之间沿径向间隔第二间距，所述第一间距的取值大于等于所述第二间距的取值，所述磁悬浮定转子结构竖立放置使用。

根据本申请的一些技术方案，所述定子节段和所述转子节段的轴向长度相同；所述第一间距的取值为所述第二间距的取值的1倍～2倍。

根据本申请的一些技术方案，所述第一间距的取值小于每个所述定子节段或转子节段的轴向长度的第一预设倍数，所述第一预设倍数的取值范围为5～10。

根据本申请的一些技术方案，所述磁悬浮定转子结构还包括：一转动轴，所述转子节段均固定在所述转动轴上，所述转动轴的两端设置一对转动轴承，两个所述转动轴承之间设置所述转子节段，所述转动轴承垂直放置，所述定子节段和所述转子节段的轴向长度相同，当所述多段式定子和所述多段式转子通过所述转动轴承嵌套固定设置，所述转子节段与所述定子节段之间沿轴向错位偏移第三间距，所述第三间距的取值大于零，且小于所述第一间距的第二预设倍数，所述第二预设倍数的取值小于1。

根据本申请的一些技术方案，所述多段式转子或所述多段式定子中包含有所述磁钢者的相应节段之间沿圆周方向互相错位设置，和\或，所述转子节段或所述定子节段中包含有所述磁钢者沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度，所述预设偏移角度为360度与预设值之比，所述预设值为电机磁极对数、电机的槽数和转子节段数量之积。

根据本申请的一些技术方案，各所述定子节段上沿圆周向方向间隔设置有多个齿部，任意相邻所述齿部之间形成用于容纳所述线圈绕组的一绕线槽，其中，轴向相邻所述定子节段的所述齿部之间错位设置；或各所述转子节段上沿圆周向方向间隔设置有多个齿部，任意相邻所述齿部之间形成用于容纳所述线圈绕组的一绕线槽，其中，轴向相邻所述转子节段的所述齿部之间错位设置。

根据本申请的一些技术方案，各所述转子节段包含多个所述磁钢，所述磁悬浮定转子结构还包括：具有内侧面的至少一个筒体，同一所述转子节段的多个所述磁钢沿圆周向方向间隔设置在所述筒体的内侧面上，同一所述筒体上搭载有至少两个所述转子节段，相邻所述转子节段的所述磁钢之间沿轴向间隔所述第一间距；同一所述转子节段的多个所述磁钢所围成的空间内容纳有一所述定子节段，所述定子节段的侧表面与所述磁钢位置对应，且所述定子节段的侧表面与所述磁钢之间沿径向隔开所述第二间距。

根据本申请的一些技术方案，相邻所述转子节段的所述磁钢之间错位设置；每个所述转子节段的轴向长度等于与之嵌套的所述定子节段的轴向长度；所述筒体的轴向两端分别设有朝外侧延伸设置的凸沿，所述凸沿用于与风叶的连接部相连。

根据本申请的一些技术方案，用于设置线圈绕组的多个所述转子节段或多个所述定子节段中，每个节段均采用多段式结构，每个节段包括多片相同厚度的铁芯冲片，每片所述铁芯冲片沿周向设置多个齿，多片所述铁芯冲片叠加设置，多个齿沿轴向排列以叠加形成所述齿部。

本申请另一个方面的技术方案提出了一种磁悬浮电动机，包括：上述任一技术方案中所述的磁悬浮定转子结构，所述磁悬浮定转子结构竖立放置，所述磁悬浮定转子结构的所述线圈绕组设置在所述磁悬浮定转子结构的所述多段式定子或所述多段式转子上，所述线圈绕组设置有输入接口，当所述线圈绕组通电能驱动所述多段式转子相对于所述多段式定子转动。

本申请另一个方面的技术方案提出了一种发电机，包括：上述任一技术方案中所述的磁悬浮定转子结构，所述磁悬浮定转子结构竖立放置，所述磁悬浮定转子结构的所述线圈绕组设置在所述磁悬浮定转子结构的所述多段式定子或所述多段式转子上；和，风叶，与所述多段式转子的其中一个转子节段相连，或与所述多段式转子沿轴向依次排列设置的至少两个转子节段相连；其中，所述线圈绕组设置有输出接口，所述线圈绕组能够响应于所述多段式转子与所述多段式定子之间的相对转动而产生感应电流。

根据本申请的一些技术方案，所述多段式定子的每一定子节段设置有绕线槽，一部分所述线圈绕组位于所述定子节段的绕线槽中，其中，所述发电机的每极每相槽数q、虚槽数Z、极数2P、相数m之间满足：q＝z/(2P×m)≤1/2。

本申请中，定子和转子均为分段式结构，分段式定子包含轴向间隔设置的两个以上定子节段，分段式转子包含两个以上转子节段，定子节段与转子节段之间一对一地嵌套设置，轴向相邻定子节段之间或者轴向相邻转子节段之间间隔第一间距，彼此嵌套的定子节段与转子节段之间径向隔开第二间距，并且第一间距大于第二间距。这样，磁悬浮定转子结构的磁悬浮刚度基本可与定子节段或转子节段数量呈正相关变化，且磁悬浮刚度随节段数量增多而增大，这使得磁悬浮定转子结构可以以较小的轴向磁悬浮有效工作范围实现较大的轴向支撑力，以满足磁悬浮定转子结构竖立放置使用情况下的轴向支撑力需求，解决轴承损耗问题，同时避免各嵌套设置的定子节段与转子节段之间轴向偏移量过大，实现磁悬浮定转子结构竖立使用场景条件与磁悬浮定转子结构的输出功率、体积、重量、成本之间的有效兼顾。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1是本申请一实施例中磁悬浮电动机的纵截面结构示意图。

图2是本申请一实施例中发电机的纵截面结构示意图。

图3是本申请一实施例中发电机的立体结构示意图。

图4是本申请一实施例中多段式定子的横截面结构示意图。

图5是本申请一实施例中多段式转子的横截面结构示意图。

图6是本申请一实施例中磁悬浮定转子结构的轴侧结构示意图。

图7是图6中一铁芯的横截面结构示意图。

图8是图6中所示铁芯和与之相邻的一铁芯的轴侧结构示意图。

图9是本申请一实施例中磁悬浮定转子单元的纵截面结构示意图。

图10是本申请一实施例中线圈绕组的展开结构示意图。

附图标记说明如下：

100、磁悬浮电动机；10、磁悬浮定转子结构；11、定子节段；111、磁钢；12、转子节段；121、铁芯；122、线圈绕组；13、转动轴；141、转动轴承；142、转动轴承；20、壳体；21、筒节；22、法兰边；31、第一端盖；32、第二端盖；40、连接件；50、基座；60、底盖；

200、发电机；

10a、磁悬浮定转子结构；11a、定子节段；111a、铁芯；112a、线圈绕组；13a、芯轴；141a、转动轴承；142a、转动轴承；15a、筒体；151a、凸沿；31a、第一端盖；32a、第二端盖；40a、连接件；50a、基座；60a、底盖；70、风叶；12a、转子节段；121a、磁钢；

110b、多段式定子；111b1、磁钢；111b2、磁钢；21b、筒节；

120c、多段式转子；121c1、磁钢；121c2、磁钢；13c、转动轴；

111e、磁钢；121e、铁芯；1211e、齿部；1211ex、齿部；1212e、环体部；1213e、绕线槽；122e、线圈绕组；21e、筒节；

300、磁悬浮定转子单元；

11f、定子节段；111f、铁芯；1111f、齿部；1112f、环体部；112f、线圈绕组；12f、转子节段；121f、磁钢；15f、筒体。

具体实施方式

尽管本申请可以容易地表现为不同形式的实施方式，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施方式，同时可以理解的是本说明书应视为是本申请原理的示范性说明，而并非旨在将本申请限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本申请的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本申请的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的***设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施方式中，方向的指示(诸如上、下、内、外、左、右、前、后等)用于解释本申请的各种元件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些元件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些元件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本申请的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

以下结合本说明书的附图，对本申请的较佳实施方式予以进一步地详尽阐述。

具体实施例1(如图1所示)：

本具体实施例提供了一种磁悬浮电动机100，磁悬浮电动机100可适用于将电能转化成动能进行输出。

其中，磁悬浮电动机100能被竖立地放置使用，也即，磁悬浮电动机100能被轴向Ay平行于重力方向地放置使用，相应地，此使用状态下，磁悬浮电动机100的径向Ar大致垂直于重力方向。

磁悬浮电动机100包括：磁悬浮定转子结构10、壳体20、第一端盖31、第二端盖32等。

壳体20嵌套在磁悬浮定转子结构10的外侧，第一端盖31设置在壳体20的轴向的一端，第二端盖32设置在壳体20的轴向另一端。利用壳体20与壳体20两端的第一端盖31及第二端盖32，可以对壳体20内部的磁悬浮定转子结构10进行包络防护和装载支撑。

磁悬浮定转子结构10包括：至少一个多段式定子、至少一个多段式转子、一转动轴13、一对转动轴承141、142。

多段式转子与多段式定子之间嵌套设置。其中，多段式转子和多段式定子的轴向大致一致，两者的轴向可参照理解为轴向Ay。相应于磁悬浮电动机100竖立地放置使用，磁悬浮定转子结构10也是可竖立放置使用的，即磁悬浮定转子结构10可以呈轴向Ay大致平行于重力方向地放置使用，相应地，此竖立放置使用的状态下，磁悬浮定转子结构10的径向Ar(径向Ar也即多段式转子的径向和/或多段式定子的径向)大致垂直于重力方向。

转动轴13的轴向大致平行或重合于轴向Ay，转动轴13的轴向两端设置一对转动轴承141、142，各转动轴承141、142均垂直放置，各转动轴承141、142的内圈与转动轴13固定，转动轴承141的外圈与第一端盖31固定，转动轴承142的外圈与第二端盖32固定，转动轴承141、142用于第一端盖31和第二端盖32与转动轴13之间的径向约束。当然，其他实施例中，各转动轴承141、142的外圈也可固定于壳体20，以使转动轴承141、142用于壳体20与转动轴13之间的径向约束。

多段式转子固定在两转动轴承141、142之间的转动轴13上，多段式定子固定在壳体20、第一端盖31、第二端盖32中的任意一者或多者上。当磁悬浮电动机100通电，多段式转子在由电能转化而来的磁力驱动下相对多段式转子转动，以实现驱动转动轴13相对壳体20旋转，使转动轴13通过转动以输出动能。

更详细地，转动轴13具体可为圆柱形的空心轴，这样，可在保障转动轴13刚度的前提下，减少转动轴13重量，提升磁悬浮电动机100的能效。当然，本设计并不局限于此，在其他实施例中，转动轴13可以为实心轴，或者，转动轴13的形状可以设置成空心或实心的方形、半圆形、矩形、多边形等。

各多段式转子被分段划分成沿轴向Ay间隔设置的两个以上的转子节段12。其中，转子节段12的具体数量也不限制，既可以为图1示意出的4个，在其他实施例中，转子节段12的具体数量也可以为2个、3个、5个甚至超过5个。

各转子节段12穿套在该转动轴13的外侧并分别与转动轴13固定，相邻转子节段12之间沿转动轴13保持第一间距λ。

进一步地，各转子节段12分别包含一铁芯121和一线圈绕组122，线圈绕组122用于电连接至外部电源，当线圈绕组122接通电源，线圈绕组122的周围会形成磁场以用于驱动转子节段12相对定子节段11转动。其中，多个转子节段12的铁芯121轴向间隔地设置在转动轴13上，各铁芯121与转动轴13之间均固定设置，相邻铁芯121之间间隔第一间距λ。各转子节段12的线圈绕组122设置在其铁芯121上。

可替换地，在其他实施例中，也可设置各转子节段12分别包含一铁芯121，轴向相邻转子节段12以铁芯121之间的轴向间距作为第一间距λ，多段式转子还包括不分段的一线圈绕组122，该线圈绕组122设置在轴向排列的多个铁芯121上，这样可以进一步减少绕组端部的数量，简化产品结构。

各多段式定子被分段划分成沿轴向Ay间隔设置的两个以上的定子节段11。其中，定子节段11的具体数量不限制，既可以为图1中示意出的4个，在其他实施例中，定子节段11的具体数量也可以为2个、3个、5个甚至超过5个。

各个定子节段11固设在壳体20的内周面上，较佳地，定子节段11的数量与转子节段12的数量相同，一定子节段11嵌套在一转子节段12的外侧。如此，由于壳体20与第一端盖31及第二端盖32固定，则转接在转动轴13与第一端盖31或第二端盖32之间的转动轴承141、142相应地为转子节段12与定子节段11提供径向约束，实现多段式定子和多段式转子通过转动轴承141、142嵌套固定设置。

进一步地，如图1所示，各定子节段11具体包括多个磁钢111，多个磁钢111周向间隔地排列设置在转子节段12的外周侧。通过磁钢111与接通于电源的线圈绕组122之间磁感应可形成用以驱动转子节段12转动的力矩，实现将电能转化成动能。

结合上述说明可以理解，本设计中多段式定子实质为轴向分段的多段式结构，该轴向分段中的“轴向”是指当转动轴13垂直放置时，多段式定子中的各个定子节段11沿转动轴13的轴向(也即转动轴13垂直放置时的重力方向)分段设置。因此，对于每一个轴向分段的定子节段11，该定子节段11的磁钢本身就可以构成一个磁场用于发电或电机转动，因此，每段定子节段11本身其实可以是沿转动轴13的周向排列的多个磁钢111组成的集合体。本发明提到的轴向分段在于考虑多个定子节段11沿转动轴13的轴向分段设置，并不影响或干扰作为单个独立定子节段11本身作为磁场提供的载体所采用的方式，也就是作为单个独立的定子节段11本身可以采用常规的方式来实现磁钢111的固定。

可选地，为实现磁钢111的稳定装配，各定子节段11的多个磁钢111均分别固定在壳体20上。更具体地，壳体20包括圆筒形的筒节21，各定子节段11的多个磁钢111沿周向间距地固定设置在筒节21的内周面上。

可选地，筒节21具体为导磁薄壁钢管。磁钢111为钕铁硼、铁氧体、粘接钕铁硼、塑料钕铁硼中一种或多种组合材质的矩形的块体，磁钢111的长度方向大致平行于轴向Ay，各磁钢111的宽度方向大致沿磁钢111之间的排列方向，磁钢111充磁后其一个侧面粘接在筒节21的内周面上，工艺简单且成本低廉。

较佳地，为进一步方便筒节21与磁钢111之间的装配，本设计的壳体20采用多段式筒节21的结构，也即，壳体20包括轴向排列设置的2个以上筒节21，各筒节21的轴向两端分别设置沿径向Ar朝外延伸的法兰边22，各筒节21的内周面上轴向间隔地设置有两排磁钢111，每排磁钢111具体包括沿筒节21的内周面的圆周方向间隔排列设置的多个磁钢111，每排磁钢111作为一定子节段11，这样，方便从筒节21的轴向两个端口分别粘接两排磁钢111，更容易保障装配的精确性。相邻筒节21的法兰边22靠在一起并通过连接件40(例如螺栓、螺钉等)固定，位于轴向端部位置处的筒节21通过法兰边22与第一端盖31或第二端盖32连接，具有结构简单，组装方便的优点。

较佳地，任意相邻定子节段11之间也设置成沿轴向Ay间隔第一间距λ，也即如任意相邻两排磁钢111之间也设置成沿轴向Ay隔开第一间距λ，这可使得定子节段11的轴向排列更契合于转子节段12的轴向排列，使各对相邻转子节段12的轴向间距大致均匀，各对相邻定子节段11的轴向间距大致均匀，各对嵌套设置的转子节段12与定子节段11之间的轴向偏移量大致均匀，所形成的各磁悬浮轴承的轴向支撑力大致均匀。

进一步地，各转子节段12和与之嵌套的定子节段11之间沿径向Ar隔开第二间距δ。更详细地，转子节段12的铁芯121和线圈绕组122中的一者位于转子节段12的外端从而限定出转子节段12的外边缘，其中，转子节段12的铁芯121和线圈绕组122中靠外的一者与定子节段11的各个磁钢111之间沿径向Ar间隔第二间距δ。第二间距δ可提供转子节段12与定子节段11之间的气隙，且避免转子节段12与定子节段11之间相对转动出现干涉。

具体例如，第二间距δ为铁芯121的外径与转子永磁体(即磁钢111)的内径之间的气隙。

其中，任意相邻定子节段11之间的第一间距λ的取值大于等于各转子节段12与定子节段11之间的第二间距δ的取值。如此，竖立地放置使用的磁悬浮定转子结构10，其多段式定子的各定子节段11与多段式转子的各转子节段12之间通过转动轴13两端的转动轴承141、142实现径向分量为零，通过铁芯121与磁钢111之间的磁性吸力形成轴向分量，该轴向分量用于克服多段式转子和多段式定子中一者(如多段式转子)的重量以及其上的负载(如转动轴13、与转动轴13连接的被驱动物)的重量，以卸载重力，支撑转子节段12回转，并减少转动轴承141、142的轴向损耗，以及减少磁悬浮电动机100的机械摩擦力，延长磁悬浮电动机100的寿命。

通过磁性吸力所形成的该轴向分量的作用被称为：轴向被动磁悬浮的作用。其中，轴向被动磁悬浮的力能指标用磁悬浮刚度K(Nm/mm)来表示，它表示相对运动物体(如定子与转子)之间轴向偏离1mm后产生恢复力的大小。一般来说，磁悬浮刚度不大，而依靠加长定子和转子的轴向长度来提高磁悬浮刚度的方式效果不明显，且难以实用。

本结构中，将多段式转子和多段式定子分别分段设置成多个节段，使得磁悬浮定转子结构10整体形成轴向排列的两个以上磁悬浮轴承，以及设置第一间距λ的取值略大于等于第二间距δ的取值。这样，对于铁芯121的实际有效长度影响非常小，而磁悬浮定转子结构10的磁悬浮刚度基本与定子节段11或转子节段12数量呈正相关变化，或者说，磁悬浮定转子结构10的磁悬浮刚度基本与定子节段11和转子节段12所构成的磁悬浮轴承的数量呈正相关变化，也即，定子节段11和转子节段12所构成的磁悬浮轴承的数量越多，磁悬浮定转子结构10的磁悬浮刚度越大。

由于本结构中多段式定子和多段式转子分别分段划分成两个以上节段，相应使得磁悬浮定转子结构10的磁悬浮刚度随节段数量的增多而增大，磁悬浮定转子结构10可以以较小的轴向磁悬浮有效工作范围实现较大的轴向支撑力，以满足磁悬浮电动机100竖立放置使用情况下的轴向支撑力需求，更好地解决转动轴承141损耗问题，同时避免各嵌套设置的定子节段11与转子节段12之间轴向偏移量过大，实现了磁悬浮定转子结构10竖立使用场景条件与磁悬浮定转子结构10的输出功率、体积、重量、成本之间的有效兼顾。

更进一步地，定子节段11的轴向长度L2与转子节段12的轴向长度L1相等。且定子节段11的轴向两端与转子节段12的轴向两端对齐。如此可以产生最大的轴向被动磁悬浮刚度。更具体如，铁芯121的轴向长度与磁钢111的轴向长度相等，且两者的轴向两端对齐。

较佳地，第一间距λ的取值为第二间距δ的取值的1倍～2倍，且第一间距λ小于转子节段12的轴向长度L1的第一预设倍数，第一预设倍数的取值范围为5～10。也即λ＜kL1，k为第一预设倍数，且k的取值范围为5～10。如此，磁悬浮定转子结构10的轴向磁悬浮刚度与转子节段12的数量基本成正比，磁悬浮定转子结构10的磁悬浮刚度可随转子节段12的数量成倍增加，对磁悬浮刚度提升作用更明显高效，保障磁悬浮定转子结构10输出功率的同时，可提供更大的轴向磁悬浮支撑力，从而可更好地适用于磁悬浮定转子结构10竖立放置使用的场景。

更进一步地，当多段式定子和多段式转子通过转动轴承141、142嵌套固定设置时，转子节段12与定子节段11之间沿轴向错位偏移第三间距β。即当多段式定子和多段式转子通过转动轴承141嵌套固定设置时，嵌套设置的定子节段11与转子节段12中，磁钢111与铁芯121这两者轴向错位偏离第三间距β。其中，第三间距β的取值大于零且小于第一间距λ的第二预设倍数，第二预设倍数的取值小于1。这样，有效地控制了定子节段11与转子节段12之间轴向偏离量被约束为小于第一间距λ，在实现定子节段11与转子节段12之间轴向磁悬浮力卸载重力的同时，有效保障定子节段11与转子节段12之间的正对面积，保障磁悬浮电动机100的输出功率。

可选地，第三间距β的取值范围为0～0.95λ。

较佳地，第三间距β的取值为0.5λ。

更详细地，本设计对定子和转子均分段设计以提高磁悬浮刚度的原理如下：

由于磁悬浮刚度与电磁气隙的面积的大小以及轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率正相关，可以简化表示为磁悬浮刚度：K＝ηαBπD1L1，对于外转子电动机，其中，B为气隙磁密；D1为定子节段11的外径；D2为转子节段12的内径；电动机的电磁气隙即第二间距为：δ＝(D2-D1)/2；L1为定子节段11的轴向长度；L2为转子节段12的轴向长度，其中，L1＝L2；α为磁悬浮刚度常数(与磁钢111形状、齿槽结构、材料等参数有关)；η为轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率。

对于外转子电动机，当满足条件(D2+2δ)＝D1≈D2，(L2-δ)≈L2时，轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率η＝[πD1 L1-αBπ(D1+2δ)(L2-δ)]/(πD1L1)≈1，且η小于1。

而对于内转子电动机(如附图1)，D1为定子节段11的内径；D2为转子节段12的外径；当满足条件(D2+2δ)＝D1≈D2，(L2-δ)≈L2时，轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率η＝[πD1 L1-αBπ(D2+2δ)(L2-δ)]/(πD1L1)≈1，且η小于1。

其中，由于轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率η的表达式的分子与分母都与L1有关，当本结构的分段间隙λ(即第一间距λ)等于或略大于电磁气隙δ(即第二间距δ)时，本结构满足λ远远小于L1，此时，轴向偏离后电磁气隙的面积的变化率η近似为1。因此，当分段间隙λ(即第一间距λ)等于或略大于电磁气隙δ(即第二间距δ)时，轴向磁悬浮刚度与分段数n几乎成正比，可实现使磁悬浮定转子结构10在此分段设计之后的轴向被动磁悬浮的最大磁悬浮刚度近似为：0.95nK，其中，n为转子节段12的数量，K为单个转子节段12和与之嵌套的定子节段11所构造出的磁悬浮轴承的磁悬浮刚度，K的单位是(Nm/mm)。相应地，轴向磁悬浮的有效工作范围减小为：0.95λ，具体地，可通过调节转动轴13两端的转动轴承141的位置，以相应调节各定子节段11与各转子节段12之间的轴向偏移量，实为调整磁悬浮定转子结构10的承载能力，定子节段11与转子节段12之间的轴向偏移量的调整范围为0～0.95λ。其中，当定子节段11与转子节段12之间的轴向偏移量为0.5λ时，磁悬浮可提供最大承载能力。

通过本实施例中定子与转子的分段设计，第一间距λ略大于等于定子节段11与转子节段12之间的径向气隙(即第二间距δ)，这对铁芯121的实际有效长度及线圈绕组122实际有效长度影响非常小，对输出功率几乎不产生影响或影响可以忽略。可满足磁悬浮电动机100竖立放置使用状态下的重力卸载需求，减少转动轴承141、142损耗，同时也兼顾地保障了磁悬浮定转子结构10输出功率、体积、重量、成本等。

更进一步地，如图1所示，在转动轴13的轴向底端位置设置有一底盖60，该底盖60将转动轴承141、142的内圈压靠在转动轴13的轴肩上，在转动轴13的轴向底端还设置有一基座50，底盖60的底端与基座50通过螺纹件固定在一起，以利用基座50于底部支撑磁悬浮电动机100。

当然，本设计也并不局限于此，在其他实施例中，也可以将定子节段11与转子节段12互换，具体如将铁芯121及线圈绕组122设置在壳体20上作为定子节段11，将磁钢111设置在转动轴13上作为转子节段12。

具体实施例2(如图2和图3所示)：

本具体实施例提供了一种发电机200，发电机200可适用于将旋转运动输入的动能转化成电能进行输出。

其中，发电机200能被竖立地放置使用，也即，发电机200能被轴向Ay平行于重力方向地放置使用，相应地，此使用状态下，发电机200的径向Ar大致垂直于重力方向。

发电机200包括：风叶70、磁悬浮定转子结构10a、筒体15a、第一端盖31a、第二端盖32a等。

筒体15a嵌套在磁悬浮定转子结构10a的外侧，第一端盖31a设置在筒体15a的轴向的一端，第二端盖32a设置在筒体15a的轴向另一端。利用筒体15a与筒体15a两端的第一端盖31a及第二端盖32a，可以对筒体15a内部的磁悬浮定转子结构10a包络防护和装载支撑。如图2和图3所示，风叶70与筒体15a、第一端盖31a、第二端盖32a中的至少一者固定，风叶70在外力(如风力)驱动下可带动筒体15a转动，筒体15a与磁悬浮定转子结构10a相连，通过磁悬浮定转子结构10a将筒体15a转动的动能转化成电能进行输出。

如图2所示，磁悬浮定转子结构10a包括：至少一个多段式定子、至少一个多段式转子、一芯轴13a、一对转动轴承141a、142a。

多段式转子与多段式定子之间嵌套设置。其中，多段式转子和多段式定子的轴向大致一致，两者的轴向可参照理解为轴向Ay。相应于发电机200竖立地放置使用，磁悬浮定转子结构10a也是可竖立放置使用的，即磁悬浮定转子结构10a可以呈轴向Ay大致平行于重力方向地放置使用，相应地，此竖立放置使用的状态下，磁悬浮定转子结构10a的径向Ar(径向Ar也即多段式转子的径向和/或多段式定子的径向)大致垂直于重力方向。

芯轴13a的轴向大致平行或重合于轴向Ay，芯轴13a的轴向两端设置一对转动轴承141a、142a，各转动轴承141a、142a均垂直放置，各转动轴承141a、142a的内圈与芯轴13a固定，转动轴承141a的外圈与第一端盖31a固定，转动轴承142a的外圈与第二端盖32a固定。转动轴承141a、142a用于第一端盖31a和第二端盖32a与芯轴13a之间的径向约束。当然，其他实施例中，各转动轴承141a、142a的外圈也可固定于筒体15a，以使转动轴承141a、142a用于筒体15a与芯轴13a之间的径向约束。

多段式定子固定在两转动轴承141a、142a之间的芯轴13a上，多段式转子固定在筒体15a、第一端盖31a、第二端盖32a中的任意一者或多者上。当风叶70被风力等外力驱动，风叶70会带动筒体15a及筒体15a上的多段式转子相对于多段式定子及芯轴13a转动，通过多段式转子与多段式定子之间相对转动产生感应电流以实现发电。

更详细地，芯轴13a具体可为圆柱形的空心轴。当然，本设计并不局限于此，在其他实施例中，芯轴13a可以为实心轴，或者，芯轴13a的形状可以设置成空心或实心的方形、半圆形、矩形、多边形等。

各多段式定子被分段划分成沿轴向Ay间隔设置的两个以上的定子节段11a。其中，定子节段11a的具体数量也不限制，既可以为图2示意出的4个，在其他实施例中，定子节段11a的具体数量也可以为2个、3个、5个甚至超过5个。

各定子节段11a穿套在该芯轴13a的外侧并分别与芯轴13a固定，相邻定子节段11a之间沿芯轴13a保持第一间距λ。

进一步地，各定子节段11a分别包含一铁芯111a和一线圈绕组112a。线圈绕组112a设置有至少一个输出接口，输出接口用于输出通过多段式转子与多段式定子相对转动而产生感应电流。多个定子节段11a的铁芯111a沿轴向Ay间隔地设置在芯轴13a上，各铁芯111a与芯轴13a之间均固定设置，相邻铁芯111a之间间隔第一间距λ。各定子节段11a的线圈绕组112a设置在其铁芯111a上。

可替换地，在其他实施例中，也可设置各定子节段11a分别包含一铁芯111a，轴向相邻定子节段11a以铁芯111a之间的轴向间距作为第一间距λ，多段式定子还包括不分段的一线圈绕组112a，该线圈绕组112a设置在轴向排列的多个铁芯111a上，这样可以进一步减少绕组端部的数量，简化产品结构。更由于线圈绕组112a覆盖第一间距λ，因此，线圈绕组112a的实际有效长度不变，使得输出功率进一步优化。

各多段式转子被分段划分成沿轴向Ay间隔设置的两个以上的转子节段12a。其中，转子节段12a的具体数量不限制，既可以为图2中示意出的4个，在其他实施例中，转子节段12a的具体数量也可以为2个、3个、5个甚至超过5个。

各个转子节段12a固设在筒体15a的内周面上，较佳地，转子节段12a的数量与定子节段11a的数量相同，一转子节段12a嵌套在一定子节段11a的外侧。如此，由于筒体15a与第一端盖31a及第二端盖32a固定，则转接在芯轴13a与第一端盖31a或第二端盖32a之间的转动轴承141a、142a相应地为定子节段11a与转子节段12a提供径向约束，实现多段式定子和多段式转子通过转动轴承141a、142a嵌套固定设置。

进一步地，如图2所示，各转子节段12a具体包括多个磁钢121a，多个磁钢121a周向间隔地排列设置在定子节段11a的外周侧。通过相对转动的磁钢121a与线圈绕组112a之间磁感应可使得线圈绕组112a内产生感应电流以实现发电。

为实现磁钢121a的稳定装配，各转子节段12a的多个磁钢121a均分别固定在筒体15a上。更具体地，筒体15a包括圆环形的侧壁，各转子节段12a的多个磁钢121a沿周向间距地固定设置在侧壁的内周面上。

可选地，筒体15a具体为导磁薄壁钢管，导磁薄壁钢管可以是无缝钢管、卷管等。磁钢121a为钕铁硼、铁氧体、粘接钕铁硼、塑料钕铁硼中一种或多种组合材质的矩形的块体，磁钢121a的长度方向大致平行于轴向Ay，各磁钢121a的宽度方向大致沿磁钢121a之间的排列方向，磁钢121a充磁后其一个侧面粘接在筒体15a的内周面上，工艺简单且成本低廉。

较佳地，为进一步方便筒体15a与磁钢121a之间的装配，本发电机200包含轴向排列设置的2个以上筒体15a，如图2和图3所示，各筒体15a的轴向两端分别设置沿径向Ar朝外延伸的凸沿151a，各筒体15a的内周面上轴向间隔地设置有至少两排磁钢121a，每排磁钢121a具体包括沿筒体15a内周面的圆周方向间隔排列设置的多个磁钢121a，每排磁钢121a作为一转子节段12a，这样，方便从筒体15a的轴向两个端口分别粘接两排磁钢121a，更容易保障装配的精确性。相邻筒体15a的凸沿151a靠在一起并通过连接件40a(例如螺栓、螺钉等)固定，位于轴向端部位置处的筒体15a通过凸沿151a与第一端盖31a或第二端盖32a连接，具有结构简单，组装方便的优点。

更进一步地，如图2所示，在风叶70上沿轴向间隔地设置有两个臂，这两个臂与筒体15a轴向两端的两个凸沿151a一对一地通过连接件40a(例如螺栓、螺钉等)紧固连接。

较佳地，相邻转子节段12a的磁钢121a之间错位设置，更具体如，相邻转子节段12a的磁钢121a之间错位设置。

较佳地，任意相邻转子节段12a之间也设置成沿轴向Ay间隔第一间距λ，也即如任意相邻两排磁钢121a之间也设置成沿轴向Ay隔开第一间距λ，这可使得转子节段12a的轴向排列更契合于定子节段11a的轴向排列，使各对相邻定子节段11a的轴向间距大致均匀，各对相邻转子节段12a的轴向间距大致均匀，各对嵌套设置的定子节段11a与转子节段12a之间的轴向偏移量大致均匀，所形成的各磁悬浮轴承的轴向支撑力大致均匀。

进一步地，各定子节段11a和与之嵌套的转子节段12a之间沿径向Ar隔开第二间距δ。更详细地，定子节段11a的铁芯111a和线圈绕组112a中的一者位于定子节段11a的外端从而限定出定子节段11a的外边缘，其中，定子节段11a的铁芯111a和线圈绕组112a中靠外的一者与转子节段12a的各个磁钢121a之间沿径向Ar间隔第二间距δ。第二间距δ可提供定子节段11a与转子节段12a之间的气隙，且避免定子节段11a与转子节段12a之间相对转动出现干涉。

其中，任意相邻转子节段12a之间的第一间距λ的取值大于等于各定子节段11a与转子节段12a之间的第二间距δ的取值。如此，竖立地放置使用的磁悬浮定转子结构10a，其多段式定子的各定子节段11a与多段式转子的各转子节段12a之间通过芯轴13a两端的转动轴承141a、142a实现径向分量为零，通过铁芯111a与磁钢121a之间的磁性吸力形成轴向分量，该轴向分量用于克服多段式转子和多段式定子中一者的重量(如多段式转子)以及其上的负载(如筒体15a、风叶70等)的重量，以卸载重力，支撑转子节段12a回转，并减少转动轴承141a、142a的轴向损耗，以及减少发电机200的机械摩擦力，延长发电机200的寿命。

本结构将多段式转子和多段式定子分别分段设置成多个节段，使得磁悬浮定转子结构10a整体形成轴向排列的两个以上磁悬浮轴承，以及设置第一间距λ的取值略大于等于第二间距δ的取值。这样，磁悬浮定转子结构10a的磁悬浮刚度基本与转子节段12a或定子节段11a数量呈正相关变化，或者说，磁悬浮定转子结构10a的磁悬浮刚度基本与转子节段12a和定子节段11a所构成的磁悬浮轴承的数量呈正相关变化，也即，转子节段12a和定子节段11a所构成的磁悬浮轴承的数量越多，磁悬浮定转子结构10a的磁悬浮刚度越大。

由于本结构中多段式定子和多段式转子分别分段划分成两个以上节段，相应使得磁悬浮定转子结构10a的磁悬浮刚度随节段数量的增多而增大，磁悬浮定转子结构10a可以以较小的轴向磁悬浮有效工作范围实现较大的轴向支撑力，以满足发电机200竖立放置使用情况下的轴向支撑力需求，更好地解决轴承损耗问题，同时避免各嵌套设置的转子节段12a与定子节段11a之间轴向偏移量过大，实现了磁悬浮定转子结构10a竖立使用场景条件与磁悬浮定转子结构10a的输出功率、体积、重量、成本之间的有效兼顾。

更进一步地，定子节段11a的轴向长度L2与转子节段12a的轴向长度L1相等。且定子节段11a的轴向两端与转子节段12a的轴向两端对齐。如此可以产生最大的轴向被动磁悬浮刚度。更具体如，铁芯111a的轴向长度与磁钢121a的轴向长度相等，且两者的轴向两端对齐。

更进一步地，当定子节段11a和转子节段12a的数量均大于等于4，可进一步使得磁悬浮刚度趋于最大化，并使得定子节段11a与转子节段12a之间的轴向偏移量保持在小于0.5mm的水平，较大程度地保障磁悬浮定转子结构10a的输出功率。如此，通过本结构的轴向被动磁悬浮，回转体的重量(如多段式转子的重量)基本可以忽略，所以，轴承摩擦力很小，有利于微风启动旋转发电。

第一间距λ的取值为第二间距δ的取值的1倍～2倍，且第一间距λ小于定子节段11a的轴向长度L1的第一预设倍数，第一预设倍数的取值范围为5～10。也即λ＜kL1，k为第一预设倍数，且k的取值范围为5～10。如此，磁悬浮定转子结构10a的轴向磁悬浮刚度与定子节段11a的数量基本成正比，磁悬浮定转子结构10a的磁悬浮刚度可随定子节段11a的数量成倍增加，对磁悬浮刚度提升作用更明显高效，保障磁悬浮定转子结构10a输出功率的同时，可提供更大的轴向磁悬浮支撑力，从而可更好地适用于磁悬浮定转子结构10a竖立放置使用的场景。

更进一步地，当多段式定子和多段式转子通过转动轴承141a、142a嵌套固定设置时，定子节段11a与转子节段12a之间沿轴向错位偏移第三间距β。即当多段式定子和多段式转子通过转动轴承141a嵌套固定设置时，嵌套设置的转子节段12a与定子节段11a中，磁钢121a与铁芯111a这两者轴向错位偏离第三间距β。其中，第三间距β的取值大于零且小于第一间距λ的第二预设倍数，第二预设倍数的取值小于1。这样，有效地控制了转子节段12a与定子节段11a之间轴向偏离量被约束为小于第一间距λ，在实现转子节段12a与定子节段11a之间轴向磁悬浮力卸载重力的同时，有效保障转子节段12a与定子节段11a之间的正对面积，保障发电机200的输出功率。

可选地，第三间距β的取值范围为0～0.95λ。

较佳地，第三间距β的取值为0.5λ。

本设计对定子和转子均分段设计以提高磁悬浮刚度的原理与上述磁悬浮电动机相同，此处不再重复。

更进一步地，如图2所示，在芯轴13a的轴向底端位置设置有一底盖60a，该底盖60a将轴承的内圈压靠在芯轴13a的轴肩上，在芯轴13a的轴向底端还设置有一基座50a，底盖60a的底端与基座50a通过螺纹件固定在一起，以利用基座50a于底部支撑发电机200。

进一步举例地，该发电机200为垂直翼轴向磁悬浮外转子风力发电机200，其芯轴13a上套装分成多段的铁芯111a，该铁芯111a是无槽铁芯111a，该无槽铁芯111a的外表面贴有线圈绕组112a，该线圈绕组112a具体为三相电机定子绕组。该风力发电机200的芯轴13a、多段的定子铁芯111a、三相电机定子绕组，以及风力发电机200的基座50a构成该风力发电机200的主要组成部分。该风力发电机200原则上不存在定位力矩，因此，更有利于微风启动旋转发电。为了避免了绕组端部交叉重叠，并且让绕组系数最大，本具体实施例提供的发电机200设置成每极每相槽数q＝Z/(2Pm)≤1/2的分数槽集中绕组电机，详细地，在多段式定子的每一定子节段11a设置绕线槽，一部分线圈绕组112a位于定子节段11a的绕线槽中，其中，发电机200的每极每相槽数q、虚槽数Z、极数2P、相数m之间满足：q＝z/(2P×m)≤1/2。其中，发电机200的槽极数如下：

虚槽数Z＝9N，极数2P＝8N或极数2P＝10N，绕组系数为0.945；

虚槽数Z＝15N，极数2P＝14N或极数2P＝16N，绕组系数为0.951；

虚槽数Z＝21N，极数2P＝20N或极数2P＝22N，绕组系数为0.953；

虚槽数Z＝27N，极数2P＝26N或极数2P＝28N，绕组系数为0.954；

其中N＝2，3，4，5，6，7，8，9，10，......大于或等于2的自然数。

附图10示意出了当N＝2，虚槽数Z＝9N＝18，2P＝8N＝16或2P＝10N＝20的风力发电机200的绕组展开图。

进一步地，虚槽数Z越大，为了减小铁芯111a的涡流损耗，该铁芯111a的材料可选自于硅钢片、薄铁片、铁氧体或微晶硅、SMC复合软磁材料等软磁材料。

进一步地，三相电机定子绕组的三相输出线缆通过芯轴13a最下部的侧壁上的引线孔引出至风力发电机200基座50a外的输出接口。

可替换地，在其他实施例中，本发电机200也可为铁芯111a带有齿槽的垂直翼轴向磁悬浮外转子风力发电机200，也即，该发电机200的铁芯111a上设置有齿部，线圈绕组112a设置在相邻齿部之间的绕线槽内，该发电机200为每极每相槽数q＝Z/(2Pm)≤1/2的分数槽集中绕组电机，其中，Z是槽数，2P是极数，m是相数。该发电机200的槽极数如下：

槽数Z＝9N，极数2P＝8N或极数2P＝10N，绕组系数为0.945；

槽数Z＝15N，极数2P＝14N或极数2P＝16N，绕组系数为0.951；

槽数Z＝21N，极数2P＝20N或极数2P＝22N，绕组系数为0.953；

槽数Z＝27N，极数2P＝26N或极数2P＝28N，绕组系数为0.954；

其中N＝2，3，4，5，6，7，8，9，10，......为自然数。

其中，槽数Z越大，越适合构成外径越大的风力发电机200，风力发电机200的功率容量也越大，通过本设计的结构，可实现垂直翼轴向磁悬浮外转子风力发电机200的功率容量上限能超过兆瓦。

当然，本设计也并不局限于此，在其他实施例中，也可以将定子节段11a与转子节段12a互换，具体如将铁芯111a及线圈绕组112a设置在筒体15a上作为转子节段12a，将磁钢121a设置在芯轴13a上作为定子节段11a。

进一步地，发电机200还包括逆变器，线圈绕组112a的输出接口连接至该逆变器，可以将风力发电机200输出的三相交流电逆变成所需要的直流电压或交流电压值。且利用逆变器的阻尼电流，可使风叶70处产生强大的反向力矩以阻尼强风，提供阻尼限速功能。

发电机200利用磁悬浮力来卸载立式的磁悬浮定转子结构的回转体(如多段式转子)的重量，并且发电机200通过本实施例中定子与转子的分段设计，第一间距λ略大于等于定子节段11a与转子节段12a之间的径向气隙(即第二间距δ)，这对铁芯111a的实际有效长度及线圈绕组112a实际有效长度影响非常小，对输出功率几乎不产生影响或影响可以忽略，但却极大提高了轴向磁悬浮刚度。这对于大外径的大型风力发电机而言，即使多段式转子及风叶70自重超过数千公斤，由于轴向磁悬浮刚度很大，轴向偏移依然可以控制在小于1.0mm以内，因此，实现满足发电机200竖立放置使用状态下的重力卸载需求，及减少转动轴承141a、142a损耗，同时也兼顾地保障了磁悬浮定转子结构10a输出功率、体积、重量、成本等。

具体实施例3(如图4所示)：

图4示出了一筒节21b以及设置在该筒节21b上的多段式定子110b。

更详细地，如图4所示，该筒节21b的内周面沿轴向间隔地设置有至少两排磁钢。其中一排磁钢作为多段式定子110b的一定子节段，该排磁钢具体包括沿圆周方向间隔设置的多个磁钢111b1。另一排磁钢作为多段式定子110b的另一定子节段，该排磁钢具体包括沿圆周方向间隔设置的多个磁钢111b2。其中，在该筒节21b的轴向上，这相邻两排磁钢之间是错位设置的，具体而言，所述的错位设置可以理解成其中一排磁钢的各磁钢与另一排磁钢的各磁钢不是轴向完全正对的，而是其中一排磁钢的各磁钢完全地或部分地对应于另一排磁钢的周向相邻两磁钢之间的空位。这样可大幅减小的定位力矩。

较佳地，相邻两排磁钢之间沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度θ1，该预设偏移角度θ1＝360°/(PZn)，其中，P为电机磁极对数；Z为电机的槽数；n为转子节段或定子节段的数量。这样可减小多段式定子110b的定位力矩2～100倍，以解决分段设计当中的段间定位力矩较大的问题。

较佳地，任意相邻两排磁钢之间沿圆周方向相互错位设置0.5度～1度。

优选地，任意相邻两排磁钢之间沿圆周方向相互错位设置0.703度。这样可实现使每个定子节段的定位力矩小于0.017Nm，良好地解决分段设计当中的段间定位力矩较大的问题。

可选地，本具体实施例所述的多段式定子110b及筒节21b，可以以不冲突的方式结合于具体实施例1所述的磁悬浮电动机当中。例如，本筒节21b相当于磁悬浮电动机的筒节21b，相应地，包含铁芯及线圈绕组的多段式转子设置在转动轴上。通过将轴向相邻磁钢111b1、111b2错位设置，可减小定位力矩，使磁悬浮电动机可微电流启动。

当然，可替换地，本具体实施例3所示的结构也可用作多段式转子，进一步地，可将该多段式转子以不冲突的方式应用于具体实施例2中所述的发电机，这时，本筒节21b相当于发电机的筒体，磁钢111b1、111b2设置在筒体上作为其中两转子节段，相应地，包含铁芯和线圈绕组的多段式定子110b设置在发电机的芯轴13a上。通过将轴向相邻磁钢111b1、111b2错位设置，可减小定位力矩，使发电机可微风启动发电。

具体实施例4(如图5所示)：

图5示出了一转动轴13c以及设置在该转动轴13c上的多段式转子120c。

更详细地，如图5所示，在该转动轴13c上沿轴向间隔地设置有至少两排磁钢。其中一排磁钢作为多段式转子120c的一转子节段，该排磁钢具体包括沿圆周方向间隔设置的多个磁钢121c1。另一排磁钢作为多段式转子120c的另一转子节段，该排磁钢具体包括沿圆周方向间隔设置的多个磁钢121c2。其中，在该转动轴13c的轴向Ay上，这相邻两排磁钢121c1、121c2之间是错位设置的，具体而言，所述的错位设置可以理解成其中一排磁钢的各磁钢与另一排磁钢的各磁钢不是轴向完全正对的，而是其中一排磁钢的各磁钢完全地或部分地对应于另一排磁钢的周向相邻两磁钢之间的空位。这样可以减小多段式转子120c的定位力矩。

较佳地，相邻两排磁钢121c1、121c2之间沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度θ1，该预设偏移角度θ1＝360°/(PZn)，其中，P为电机磁极对数；Z为电机的槽数；n为转子节段或定子节段的数量。这样可减小多段式定子的定位力矩2～100倍，以解决分段设计当中的段间定位力矩较大的问题。

较佳地，任意相邻两排磁钢之间沿圆周方向相互错位设置0.5度～1度。

优选地，任意相邻两排磁钢之间沿圆周方向相互错位设置0.703度。这样可实现使每个定子节段的定位力矩小于0.017Nm，良好地解决分段设计当中的段间定位力矩较大的问题。

可选地，本具体实施例所述的多段式转子120c及转动轴13c，可以以不冲突的方式结合于具体实施例1所述的磁悬浮电动机当中。例如，本转动轴13c相当于磁悬浮电动机的转动轴13c，包含磁钢121c1、121c2的多段式转子120c设置在转动轴13c上，相应地，包含铁芯及线圈绕组的多段式定子设置在壳体上。通过将轴向相邻磁钢121c1、121c2错位设置，可减小定位力矩，利于磁悬浮电动机微电流启动。

当然，可替换地，本具体实施例4所示的结构也可用作多段式定子，进一步地，可将该多段式定子以不冲突的方式应用于具体实施例2中所述的发电机，这时，本转动轴13c相当于发电机的芯轴13a，包含磁钢121c1、121c2的多段式定子设置在芯轴13a上，相应地，包含铁芯及线圈绕组的多段式转子120c设置在筒体上。通过将轴向相邻磁钢121c1、121c2错位设置，可减小定位力矩，利于发电机微风启动发电。

具体实施例5(如图6至图8所示)：

图6示出了一种磁悬浮定转子结构的轴侧视示意图。

磁悬浮定转子结构包括至少一多段式定子和至少一多段式转子，各多段式定子包括两个以上轴向间隔设置的定子节段，各多段式转子包括两个以上轴向间隔设置的转子节段。

如图6所示，定子节段和转子节段中的一者包含筒节21e以及沿圆周方向间隔地设置在筒节21e的内周面上的多个磁钢111e。

如图6和图7所示，定子节段和转子节段中的另一者包含一铁芯121e，该铁芯121e包括一环体部1212e和在环体部1212e上沿圆周向方向间隔设置的多个齿部1211e，任意相邻齿部1211e之间形成用于容纳线圈绕组122e的一绕线槽1213e。

图8示出了轴向相邻两个定子节段的轴侧视图，更具体如示出了轴向相邻两个铁芯121e的轴侧视图。

如图8所示，轴向相邻铁芯121e的齿部1211e之间错位设置。具体而言，所述的错位设置可以理解成其中一铁芯121e的各齿部1211e与相邻另一铁芯121e的各齿部1211ex不是轴向完全正对的，而是其中一铁芯121e的各齿部1211e完全地或部分地对应于另一铁芯121e的相邻齿部1211ex之间的绕线槽1213e。这样可以减小多段式转子的定位力矩。

较佳地，如图8所示，轴向相邻的齿部1211e与齿部1211ex之间沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度θ2，预设偏移角度θ2＝360°/(PZn)，其中，P为电机磁极对数；Z为电机的槽数；n为转子节段或定子节段的数量。

也即，该磁悬浮定转子结构可应用于有槽电动机或有槽发电机，通过设置轴向相邻的齿部1211e与齿部1211ex之间沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度θ2，可减小定位力矩，实现电动机微电流启动或发电机微风启动发电。

具体实施例6(如图9所示)：

本具体实施例提供了一种磁悬浮定转子单元300，该磁悬浮定转子单元300包括多个磁钢121f、一筒体15f、一铁芯111f及一线圈绕组112f。

该筒体15f包含一侧壁，该侧壁围成两端贯穿的环形，多个磁钢121f间隔地固设在筒体15f的内周面上。更详细地，多个磁钢121f在筒体15f的内周面上沿轴向Ay间隔地排列设置成多排磁钢121f组，且每排磁钢121f组包含沿圆周方向间隔地排列的多个磁钢121f。其中，轴向相邻两排磁钢121f组的各磁钢121f之间是轴向对应的，或者轴向相邻两排磁钢121f组的各磁钢121f之间是错位的。

铁芯111f包括一环体部1112f和设置在该环体部1112f上的多个齿部1111f，多个齿部1111f沿轴向Ay间隔地排列设置成多排齿组，其中，相邻两排齿组之间沿轴向Ay间隔第一间距λ。每排齿组包含沿圆周方向间隔地排列的多个齿部1111f。其中，轴向相邻两排齿组的各齿部1111f之间是轴向对应的，或者轴向相邻两排齿组的各齿部1111f之间是错位的。

线圈绕组112f设置在铁芯111f的多个齿部1111f上，且容纳在周向相邻两个齿部1111f之间。

筒体15f嵌套在铁芯111f的外侧，每排磁钢121f组嵌套在每排齿组的外周侧。其中，嵌套设置的磁钢121f组的磁钢121f与齿组的齿部1111f之间沿径向Ar间隔第二间距δ，其中，第一间距λ略大于第二间距δ。且嵌套设置的磁钢121f组的磁钢121f与齿组的齿部1111f之间沿轴向Ay偏移第三间距β，其中，第三间距β的取值大于零，且小于第一间距λ的第二预设倍数，该第二预设倍数的取值小于1。如此，该磁悬浮定转子单元300的各磁钢121f组与齿组共同限定出能提供轴向支撑力的磁悬浮轴承，且具有磁悬浮刚度大的优点，可满足于磁悬浮定转子单元300竖立放置使用时(即轴向Ay平行于重力方向时)的重力卸载需求。

进一步地，筒体15f的轴向长度等于铁芯111f的轴向长度，且筒体15f的轴向两端与铁芯111f的轴向两端均平齐地设置。第一间距λ的取值为第二间距δ的取值的1倍～2倍。且第一间距λ的取值小于单个磁钢121f的轴向尺寸的5～10倍，或小于单个齿部1111f的轴向尺寸的5～10倍。如此，磁悬浮定转子单元300的轴向最大磁悬浮刚度可近似为：0.95nK，n为转子节段12f的数量，K为单个转子节段12f和与之嵌套的定子节段11f所构造出的磁悬浮轴承的磁悬浮刚度，K的单位是(Nm/mm)，实现磁悬浮定转子单元300的轴向磁悬浮刚度可大致随着磁钢121f组数量或齿组的数量成倍数地增加，相应地，轴向磁悬浮的有效工作范围减小为：0.95λ，使得磁悬浮定转子结构可提供更大的轴向支撑力，以充分满足磁悬浮电动机竖立放置使用时的轴向支撑需求，减少转动轴承损耗，同时也兼顾地保障了磁悬浮定转子结构输出功率、体积、重量、成本等。

具体实施例7：

提供了一种磁悬浮设备，该磁悬浮设备为磁悬浮电动机或发电机，其中，磁悬浮设备具体包括1个或2个以上如具体实施例6中所述的磁悬浮定转子单元300。其中，对于磁悬浮电动机，磁悬浮电动机用于输出转矩的输出轴可与多个磁悬浮定转子单元300的筒体15f或铁芯111f分别连接，对于发电机，发电机包括一个或多个风叶，其中，每个风叶与一个或多个筒体15f或一个或多个铁芯111f分别连接。

举例地，对于兆瓦极风力发电机，其直径和长度都比较大，且重量也比较大，为了提高磁悬浮刚度，自然分段数(也即齿组的数量和磁钢121f组的数量)也会很大，为了制造方便，可以沿轴向分成2个以上磁悬浮定转子单元300。

进一步地，对于磁悬浮定转子单元300的数量为2个以上的情况，磁悬浮定转子单元300沿轴向排列设置，其中，相邻磁悬浮定转子单元300的磁钢121f组之间沿轴向Ay具有第一间距λ，和/或相邻磁悬浮定转子单元300的齿组之间沿轴向Ay具有第一间距λ。

进一步地，相邻磁悬浮定转子单元300的磁钢121f之间沿圆周方向错位设置。较佳地，相邻磁悬浮定转子单元300的磁钢121f之间沿圆周方向错位设置预设偏移角度，该预设偏移角度为360度与预设值之比，预设值为电机磁极对数P、电机的槽数Z和转子节段12f或定子节段11f数量n这三者之积。

进一步地，相邻磁悬浮定转子单元300的齿部1111f之间沿圆周方向错位设置。较佳地，相邻磁悬浮定转子单元300的齿部1111f之间沿圆周方向错位设置预设偏移角度，该预设偏移角度为360度与预设值之比，预设值为电机磁极对数、电机的槽数和转子节段12f数量之积。

具体举例地，本磁悬浮设备采用36槽40极分数槽集中绕组电机，各磁悬浮定转子单元300的齿组与磁钢121f组构成无源轴向磁悬浮轴承。各磁悬浮定转子单元300的齿组和磁钢121f组均采用轴向分成6段的分段式结构，6段中的每段齿组与磁钢121f组能产生5Kg/mm的轴向刚度，6段总的轴向刚度为：30Kg/mm。相邻磁悬浮定转子单元300之间沿圆周方向互错0.703度，以大幅度减小定位力矩，每个磁悬浮定转子单元300的定位力矩小于0.017Nm，每个磁悬浮定转子单元300的发电功率约1KW，优选磁悬浮设备包括10个磁悬浮定转子单元300，通过10个磁悬浮定转子单元300构成兆瓦级风力发电机或磁悬浮电动机，且实现总定位力矩小于0.17Nm，使得磁悬浮电动机可微电流启动或使发电机微风启动发电。

且通过分段形成磁悬浮定转子单元300，磁悬浮设备包含多个磁悬浮定转子单元300的结构形式，极大地简化了制造和安装的工艺性，更适合于现场拼装大型发电机或电动机的场景，并且实现降低产品成本。

上述任一具体实施例中，进一步地，用于设置线圈绕组的多个转子节段或多个定子节段中，每个节段均采用多段式结构，每个节段包括多片相同厚度的铁芯冲片，每片铁芯冲片沿周向设置多个齿，多片铁芯冲片叠加设置，多个齿沿轴向排列以叠加形成齿部。这样，可明显降低磁悬浮定转子结构的组装工艺难度，提高磁悬浮定转子结构安装一致性，通过铁芯冲片叠加设置的结构，可进一步降低齿槽转矩，改善气隙磁密及反电势波形，降低磁悬浮定转子结构的振动及噪声。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种磁悬浮定转子结构，其特征在于，包括：

至少一个多段式定子，各所述多段式定子包含有两个以上的定子节段，所述定子节段轴向间隔设置；和，

至少一个多段式转子，各所述多段式转子包含有两个以上的转子节段，各所述定子节段的内侧或外侧嵌套设置有与所述定子节段径向隔开的一所述转子节段，所述转子节段和所述定子节段中的一者包含有磁钢，另一者包含有线圈绕组，嵌套设置的所述定子节段与所述转子节段共同限定出能提供轴向力的磁悬浮轴承；

其中，任意相邻所述定子节段之间或者任意相邻所述转子节段之间沿轴向间隔第一间距，嵌套设置的所述定子节段与所述转子节段之间沿径向间隔第二间距，所述第一间距的取值大于等于所述第二间距的取值，所述磁悬浮定转子结构竖立放置使用。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，所述定子节段和所述转子节段的轴向长度相同；所述第一间距的取值为所述第二间距的取值的1倍～2倍。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，

所述第一间距的取值小于每个所述定子节段或转子节段的轴向长度的第一预设倍数，所述第一预设倍数的取值范围为5～10。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，还包括：

一转动轴，所述转子节段均固定在所述转动轴上，所述转动轴的两端设置一对转动轴承，两个所述转动轴承之间设置所述转子节段，所述转动轴承垂直放置，所述定子节段和所述转子节段的轴向长度相同，当所述多段式定子和所述多段式转子通过所述转动轴承嵌套固定设置，所述转子节段与所述定子节段之间沿轴向错位偏移第三间距，所述第三间距的取值大于零，且小于所述第一间距的第二预设倍数，所述第二预设倍数的取值小于1。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，

所述多段式转子或所述多段式定子中包含有所述磁钢者的相应节段之间沿圆周方向互相错位设置，和\或，所述转子节段或所述定子节段中包含有所述磁钢者沿圆周方向互相错位设置预设偏移角度，所述预设偏移角度为360度与预设值之比，所述预设值为电机磁极对数、电机的槽数和转子节段数量之积。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，

各所述定子节段上沿圆周向方向间隔设置有多个齿部，任意相邻所述齿部之间形成用于容纳所述线圈绕组的一绕线槽，其中，轴向相邻所述定子节段的所述齿部之间错位设置；或

各所述转子节段上沿圆周向方向间隔设置有多个齿部，任意相邻所述齿部之间形成用于容纳所述线圈绕组的一绕线槽，其中，轴向相邻所述转子节段的所述齿部之间错位设置。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，各所述转子节段包含多个所述磁钢，所述磁悬浮定转子结构还包括：

具有内侧面的至少一个筒体，同一所述转子节段的多个所述磁钢沿圆周向方向间隔设置在所述筒体的内侧面上，同一所述筒体上搭载有至少两个所述转子节段，相邻所述转子节段的所述磁钢之间沿轴向间隔所述第一间距；

同一所述转子节段的多个所述磁钢所围成的空间内容纳有一所述定子节段，所述定子节段的侧表面与所述磁钢位置对应，且所述定子节段的侧表面与所述磁钢之间沿径向隔开所述第二间距。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮定转子结构，其特征在于，

相邻所述转子节段的所述磁钢之间错位设置；

每个所述转子节段的轴向长度等于与之嵌套的所述定子节段的轴向长度；

所述筒体的轴向两端分别设有朝外侧延伸设置的凸沿，所述凸沿用于与风叶的连接部相连。

9.一种磁悬浮电动机，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任一项所述的磁悬浮定转子结构，所述磁悬浮定转子结构竖立放置，所述磁悬浮定转子结构的所述线圈绕组设置在所述磁悬浮定转子结构的所述多段式定子或所述多段式转子上，所述线圈绕组设置有输入接口，当所述线圈绕组通电能驱动所述多段式转子相对于所述多段式定子转动。

10.一种发电机，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任一项所述的磁悬浮定转子结构，所述磁悬浮定转子结构竖立放置，所述磁悬浮定转子结构的所述线圈绕组设置在所述磁悬浮定转子结构的所述多段式定子或所述多段式转子上；和，

风叶，与所述多段式转子的其中一个转子节段相连，或与所述多段式转子沿轴向依次排列设置的至少两个转子节段相连；

其中，所述线圈绕组设置有输出接口，所述线圈绕组能够响应于所述多段式转子与所述多段式定子之间的相对转动而产生感应电流。