相關(guān)申請的交叉引用

本公開要求2015年2月26日提交且標題為“magneticbearing”的美國專利申請?zhí)?2/121,443的權(quán)益，所述專利申請的公開內(nèi)容全部如其充分陳述地以引用方式并入本文。

背景技術(shù)：

本公開涉及磁軸承。更具體地，本公開涉及渦輪機中采用的電磁軸承。

在有源磁軸承中已存在相當(dāng)發(fā)達的技術(shù)。2011年7月7日公開的美國專利申請公布2011/0163622a1公開了一種提供徑向和軸向支撐的電磁軸承。對于軸向支撐，定子具有一對相對軸向磁極，所述軸向磁極通過軸向護鐵在外徑(od)處連結(jié)。軸向線圈周向地纏繞在護鐵內(nèi)側(cè)并構(gòu)建穿過軸向磁極和護鐵的磁通路徑，其中軸向磁極之間的內(nèi)側(cè)間隙被由所述間隙內(nèi)轉(zhuǎn)子層壓堆疊形成的致動器目標所橫跨。

在軸向線圈的徑向內(nèi)側(cè)，定子包括由層壓堆疊形成的徑向致動器磁極組件。這種層壓堆疊具有完整環(huán)圈外環(huán)部分和多個徑向向內(nèi)突起部，所述多個突起部中每一個被關(guān)聯(lián)的徑向控制線圈纏繞。一對永磁體環(huán)夾在徑向致動器磁極組件與軸向磁極之間，與徑向致動器磁極組件相鄰且位于其相對軸端處。

在相對側(cè)處構(gòu)建一對徑向磁通回路，其從致動器目標徑向開始穿過徑向磁極組件、軸向向外轉(zhuǎn)向穿過永磁體且然后徑向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向穿過關(guān)聯(lián)的軸向磁極，軸向向內(nèi)返回轉(zhuǎn)向以進入致動器目標的端部且然后徑向向外返回轉(zhuǎn)向。由此，相對符號的一對徑向磁通被軸向磁通回路包圍。

另一種四徑向磁極徑向軸承配置涉及徑向且周向而非軸向通過的磁通路徑。在此配置中，能夠在若干狀況之間進行切換。一組涉及采用穿過一對反向磁極的一個中心直徑分支和周向穿過圍繞另一對的相應(yīng)磁極的護鐵的兩個周向分支的磁通路徑。兩個對由此構(gòu)建了兩種可能的此類路徑，其中每個路徑有兩個可能方向。相應(yīng)地，另一組涉及第一磁通路徑分支徑向穿過一個磁極、周向轉(zhuǎn)向以穿過護鐵到達兩個相鄰磁極中的一者且然后徑向返回穿過所述相鄰磁極以在軸件中與第一分支相遇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開的一個方面涉及一種磁軸承，所述磁軸承包括：轉(zhuǎn)子，其被支撐以繞軸旋轉(zhuǎn)；定子，其從第一端延伸到第二端且包括：一個或多個第一永磁體；一個或多個第二永磁體，其極性與所述一個或多個第一永磁體的極性實質(zhì)上相對；至少三個徑向繞組；第一軸向繞組；第二軸向繞組；第一端磁極；以及第二端磁極。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少三個徑向繞組纏繞在至少一個中心磁芯上。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少一個中心磁芯包括中心層壓件。中心護鐵位于所述中心層壓件的徑向外側(cè)。第一端層壓件位于所述中心層壓件的軸向外側(cè)。第一端護鐵位于所述第一端層壓件的徑向外側(cè)。第二端層壓件與所述第一端層壓件相對地位于所述中心層壓件的軸向外側(cè)。第二端護鐵位于所述第二端層壓件的徑向外側(cè)。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少三個徑向繞組包括角度上按120°間隔偏移的三個徑向繞組。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少三個徑向繞組包括：第一對直徑上相對的徑向繞組；以及第二對直徑上相對的徑向繞組。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第二對徑向繞組正交于所述第一對。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一對徑向繞組和所述第二對徑向繞組各自包括第一徑向開口繞組和第二徑向開口繞組。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一對徑向繞組和所述第二對徑向繞組以及所述第一軸向繞組和所述第二軸向繞組中的每一個繞組電連接到相應(yīng)h橋放大器。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，一個或多個層壓堆疊延伸穿過所述第一對徑向繞組和所述第二對徑向繞組的磁芯。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，一個或多個第一端層壓堆疊和一個或多個第一端護鐵位于所述第一永磁體與第一端磁極之間。一個或多個第二端層壓堆疊和一個或多個第二端護鐵位于所述第二永磁體與第二端磁極之間。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一軸向繞組和所述第二繞組串聯(lián)連接以使電流沿相對角度方向通過。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述轉(zhuǎn)子包括承載軸向?qū)訅航饘僮o套的金屬磁芯。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一端磁極和第二端磁極在所述軸向?qū)訅航饘僮o套內(nèi)側(cè)徑向延伸。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述一個或多個第一永磁體是第一永磁體環(huán)以及所述一個或多個第二永磁體是第二永磁體環(huán)。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一永磁體環(huán)是第一連續(xù)完整環(huán)圈以及所述第二永磁體環(huán)是第二連續(xù)完整環(huán)圈。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述第一永磁體環(huán)包括至少三個周向分段以及所述第二永磁體環(huán)包括至少三個周向分段。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述定子還包括：位于所述一個或多個第一永磁體和所述一個或多個第二永磁體之間的中心護鐵；位于所述一個或多個第一永磁體軸向外側(cè)的第一端護鐵；以及位于所述一個或多個第二永磁體軸向外側(cè)的第二端護鐵。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，在居中地穿過所述至少三個徑向繞組中的一者的中心縱向半截面中：無關(guān)于方向的限制下的第一徑向磁通回路：徑向向外穿過所述定子的中心層壓件，從而在所述直徑上相對的繞組中的第一個內(nèi)穿行；在中心護鐵中軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向；軸向外側(cè)穿過所述一個或多個第一永磁體；在第一端護鐵內(nèi)徑向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；徑向向內(nèi)穿過第一端層壓堆疊；跳過徑向間隙以徑向穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊；軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向于所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊軸向內(nèi)側(cè)；徑向向外轉(zhuǎn)向以返回穿過所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊；并且跳過所述徑向間隙以完成所述第一徑向磁通回路。無關(guān)于方向的限制下的第一軸向磁通回路：徑向穿過所述第一端層壓堆疊；軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向穿過所述第一端護鐵；軸向向外通行、徑向向內(nèi)轉(zhuǎn)向并通行、且然后在第一端磁極內(nèi)軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向和通行；跳過所述第一端磁極與位于所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊軸向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙；徑向向外轉(zhuǎn)向以返回徑向向外穿過所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊；并且跳過所述徑向間隙以完成所述第一軸向回路。無關(guān)于方向的限制下的第一pm偏置軸向磁通回路：徑向向外穿過所述定子的中心層壓件，從而在所述直徑上相對的繞組中的第一個內(nèi)穿行；在所述中心護鐵中軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向；軸向外側(cè)穿過所述一個或多個第一永磁體；軸向外側(cè)穿過所述第一端護鐵；在所述第一端磁極內(nèi)徑向向內(nèi)且然后軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；跳過所述第一端磁極與位于所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊軸向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙；徑向向外轉(zhuǎn)向以返回穿過所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊；并且跳過所述徑向間隙以完成所述第一pm偏置軸向磁通回路。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，在所述中心縱向半截面中：第二徑向磁通回路安置為跨越橫向中心平面與所述第一徑向磁通回路在路徑上而未必在方向上具有軸向?qū)ΨQ性；第二徑向磁通回路安置為跨越橫向中心平面與所述第一軸向磁通回路在路徑上而未必在方向上具有軸向?qū)ΨQ性；以及第二pm偏置磁通回路安置為跨越橫向中心平面與所述第一pm偏置軸向磁通回路在路徑上而未必在方向上具有軸向?qū)ΨQ性。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，一種使用所述磁軸承的方法，其包括使電流流經(jīng)：所述至少三個徑向繞組；所述第一軸向繞組；所述第二軸向繞組，以便：通過同時對所述第一軸向繞組和所述第二徑向繞組加電來控制軸向力或位置；以及通過對所述至少三個徑向繞組加電來控制徑向力或位置。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少三個徑向繞組是通過至少兩個h橋放大器來進行加電，以及所述第一和第二軸向繞組是通過至少一個h橋放大器來進行加電。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，所述至少三個徑向繞組各通過相應(yīng)關(guān)聯(lián)的h橋放大器來進行加電以及所述第一和第二軸向繞組各通過相應(yīng)關(guān)聯(lián)的h橋放大器來進行加電。

在其他實施方案中的一個或多個實施方案中，一種機器包括所述軸承。

在附圖和下文描述中對一個或多個實施方案的詳情進行闡述。從所述描述和附圖以及從權(quán)利要求，將顯見到其他特征、目的和優(yōu)點。

附圖說明

圖1是壓縮機中的電磁軸承的部分局部示意的中心縱軸截面圖。

圖2是在圖1的線2-2處所截取的圖1軸承的橫向剖視圖。

圖3是沿著圖1的線3-3所截取的圖1軸承的橫向剖視圖。

圖4是圖1的軸承的斜視剖視圖。

圖5是居中地穿過第一對直徑上相對的徑向繞組的中心縱向截面中間磁通示意圖。

圖6是替代性電磁軸承的橫向剖視圖。

圖7是四徑向線圈實施方案中的線圈和傳感器的局部示意性端視圖。

圖8是用于對一個或多個線圈加電的h橋放大器的示意圖。

各個附圖中相似的參考編號和標示指示相似的元件。

具體實施方式

圖1示出集成的徑向/軸向單極軸承20，其具有轉(zhuǎn)子22和定子24。定子具有中心縱軸500。轉(zhuǎn)子具有中心縱軸502。軸500和502標稱為在正常情況下是重合的；但是，軸承可能吸收轉(zhuǎn)子軸相對于定子軸的輕微偏移。磁軸承可以用于其中定子安裝到壓縮機的外殼或殼體而轉(zhuǎn)子安裝到壓縮機的軸件的渦輪機(例如，壓縮機)中。橫向中心平面示出為510。出于示意性說明的目的，外殼或殼體示出為26且軸件示出為28。

軸承從第一端30延伸到第二端32。定子包括多個線圈(例如，金屬線繞組)。為了軸向支撐轉(zhuǎn)子，在第一端附近，定子包括環(huán)繞軸500、502的第一軸向線圈34。在第二端32附近，定子包括也環(huán)繞軸500、502的第二軸向線圈36。圍繞軸500、502的示例性軸向線圈可以串聯(lián)電連接或單獨地控制，以使通過它們的電流形成抵抗或助推永磁偏置磁場的軸向控制場。此永磁偏置磁場的方向取決于永磁體110、112的磁化。

在軸承任一端上的軸向線圈36、34可以沿相對方向周向地圍繞軸500、502纏繞。在這種情況中，線圈可以串聯(lián)連接或個別地控制，其中電流是沿著相對于軸500、502的相同圓周方向。如果軸向線圈36、34按相同圓周方向纏繞，則流經(jīng)軸向線圈的電流的方向必須是彼此相對的。軸向線圈可以串聯(lián)連接或利用適合的連接而個別地控制。

為了徑向支撐轉(zhuǎn)子，定子包括多個徑向線圈。示例性徑向線圈布置在按90°間隔圍繞轉(zhuǎn)子圓周空間分布的多個線圈中。示例性實施方案包括彼此正交的兩個直徑上相對的對。示例性6線圈實施方案應(yīng)具有角度間隔60°的三對線圈，并且依此類推。

第一對徑向線圈包括徑向線圈(繞組)40和42以及第二對包括徑向線圈44和46(圖2)。徑向線圈的繞組周向且軸向延伸以環(huán)繞徑向延伸的層壓件(層壓件)50、52、54、56，下文對此予以論述。示例性層壓件是軸向鋼層壓堆疊(例如，軟磁鋼或硅鐵)。使用層壓件相對于單個鋼板減少了渦流損耗。線圈內(nèi)的層壓件起到磁芯的作用。

徑向線圈40、42可以按相同或相對的方向進行纏繞，這取決于要助推或抵抗永磁體(pm)偏置磁通的控制電流的方向。相似的考慮適用于線圈46和44。

徑向線圈可以個別地進行控制或直徑上相對的線圈可以串聯(lián)連接以便進行徑向軸承的控制。如果徑向線圈的數(shù)量是奇數(shù)(最少三個磁極)，則線圈必須個別地控制，而如果徑向線圈的數(shù)量是偶數(shù)，則可以對其進行個別地控制或可以將直徑上相對的線圈串聯(lián)連接以便進行控制。

層壓件50、52、54、56中每一個從緊密靠近且面朝所述轉(zhuǎn)子的徑向內(nèi)側(cè)或內(nèi)徑(id)端60延伸到外側(cè)或外徑(od)端62。示例性od端62安裝到環(huán)繞所述軸的中心護鐵。示例性護鐵材料是鋼(例如，硅鋼或軟磁鋼)、非晶態(tài)粉末或鐵氧體。替代性方案可以具有以空氣或磁惰性材料(例如，塑料)替代護鐵的空芯配置。

但是，示例性中心護鐵被分段成與層壓件50、52、54、56中每一個關(guān)聯(lián)的相應(yīng)分段70、72、74、76。第一示例性安裝方式可以是粘合劑。替代性示例性安裝方式(圖2)可以是通過將護鐵或護鐵分段的內(nèi)徑(id)面80中的如軸向燕尾槽79的特征部件與沿著層壓件的od端62的互補燕尾突起81相互配接。示例性分段70、72、74、76各自具有外徑(od)面82，其組合以作為整體形成中心護鐵的外徑(od)表面。對于這種分段式中心護鐵，可以通過外套筒100將護鐵分段保持在一起(圖1，例如安裝在壓縮機或其他渦輪機的膛孔內(nèi))。有關(guān)層壓件的再一些變化可以包括四個層壓件50、52、54、56是從層壓件的外套筒部接近徑向向內(nèi)突起。由此，可以形成層壓件的每一片而具有與所述套筒對應(yīng)的部分和與每個向內(nèi)徑向突起對應(yīng)的部分。

除了層壓件50、52、54、56外，所述定子還包括同軸軸向彼此間隔開的第一永磁體環(huán)110(圖1)和第二永磁體環(huán)112。永磁體環(huán)具有相對的軸向極性。在本示例中，兩個磁體的北極朝內(nèi)向著橫向中心平面510，以及軸向相對的南極軸向朝外側(cè)/朝外。

每個環(huán)110、112具有內(nèi)徑(id)面、外徑(od)面和相對的軸向端面。環(huán)110和112安裝在中心護鐵的相對兩側(cè)(軸向兩端)。

磁體環(huán)110、112的軸向外側(cè)是外側(cè)層壓件和關(guān)聯(lián)的護鐵。這些層壓件和護鐵可以采用與中心層壓堆疊和護鐵相似的方式來形成，且其功能完成下文論述的磁通路徑。出于說明的目的，第一端層壓件(或多個第一端層壓件)示出為130以及第一端護鐵(或多個第一端護鐵)示出為132，而第二端層壓件(或多個第二端層壓件)示出為140以及第二端護鐵(或多個第二端護鐵)示出為142(例如，而不對這些層壓件和護鐵中的每一者的四個分段分別指派編號)。兩個相應(yīng)外側(cè)層壓件和護鐵組合的外側(cè)是相應(yīng)的端蓋或端磁極120、122。在本示例中，每個端磁極是單個周向件而非分段的。在其他實現(xiàn)中，例如可以將這些端磁極與外側(cè)護鐵集成。這些端磁極各自具有大致c形半橫截面，其具有徑向外側(cè)套筒部124、徑向延伸端網(wǎng)126和徑向內(nèi)側(cè)套筒部128。這界定了容納/接納關(guān)聯(lián)的軸向繞組34、36的環(huán)形通道。雖然示例性護鐵132、142示出為與相鄰磁極/端蓋120、122分開的部件，但是護鐵132、142中每一個可以與關(guān)聯(lián)的磁極/端蓋統(tǒng)一地作為一個部件來形成。在這種情況中，所述部件位于層壓件或磁芯130、140徑向外側(cè)的部分將被識別為護鐵。

轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子層壓堆疊150。轉(zhuǎn)子層壓堆疊從第一端152延伸到第二端154并且具有內(nèi)徑(id)面156和外徑(od)面158。

轉(zhuǎn)子層壓堆疊150可以直接安裝到壓縮機的軸件或可以安裝到套筒160上(例如，具有相對的第一和第二軸向端162、164、接納軸件28的由id表面156界定的內(nèi)膛孔以及安裝層壓堆疊150的od表面168)。

通過將徑向和軸向軸承組合在單個封裝中，可以實現(xiàn)若干優(yōu)點中的一個或多個優(yōu)點。這可以包括緊湊且重量輕的封裝。相較于前文提到的us2011/0163622a1的軸承，效率可以得以提高。這種提高的一個方面可以涉及減少磁通路徑在層壓件中的任何轉(zhuǎn)向。例如，可以通過非層壓件轉(zhuǎn)子材料160橫跨軸向磁極之間的id間隙。相較于具有雙軸向磁通的替代性配置，這能夠減少磁通路徑在層壓件中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向的數(shù)量，因為轉(zhuǎn)向?qū)⑽挥谳S件的金屬中或?qū)訅杭?nèi)側(cè)的套筒中。類似地，相對較薄的轉(zhuǎn)子層壓件允許徑向磁通的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子層壓件的內(nèi)側(cè)。這些徑向?qū)訅杭€將有助于減少轉(zhuǎn)子側(cè)上引發(fā)的渦電流損耗。徑向磁通的外側(cè)轉(zhuǎn)向還可以出現(xiàn)在徑向?qū)訅杭耐鈧?cè)。

圖5在居中地穿過第一對直徑上相對的徑向繞組的中心縱向截面中示出永磁體磁通回路的近似中線。這些磁通回路包括：(a)pm偏置軸向磁通回路530、532、534、536(與軸向支撐件關(guān)聯(lián))；(b)與第一對徑向繞組關(guān)聯(lián)且反映pm偏置磁通與線圈/電流誘發(fā)磁通的組合的徑向磁通回路540、542、544、546(與徑向支撐件關(guān)聯(lián))；以及(c)由關(guān)聯(lián)的軸向繞組誘發(fā)的軸向磁通回路550、552、554、556。在居中地穿過其他一對(或多對)徑向繞組的軸向截面中，將示出與此類其他一對(或多對)關(guān)聯(lián)的相似磁通回路。

示例性回路為：第一pm偏置軸向磁通回路530；與回路530軸向相對的第二pm偏置軸向磁通回路532；與回路530徑向相對的第三pm偏置軸向磁通回路534；與回路532徑向相對以及與回路534軸向相對的第四pm偏置軸向磁通回路536；第一徑向磁通回路540；與回路540軸向相對的第二徑向磁通回路542；與回路540徑向相對的第三徑向磁通回路544；與回路542徑向相對以及與回路544軸向相對的第四徑向磁通回路546；位于回路540軸向外側(cè)的第一軸向磁通回路550；與回路550軸向相對且位于回路542的軸向外側(cè)的第二軸向磁通回路552；與回路550徑向相對的第三軸向磁通回路554；以及與回路552徑向相對的第四軸向磁通回路556。

在所述截面圖中，第一pm偏置軸向磁通回路530：徑向向外穿過定子的中心層壓件50，從而在直徑上相對的繞組40、42中的第一個40內(nèi)穿行；在中心護鐵70中軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向；軸向外側(cè)穿過第一永磁體環(huán)110；軸向外側(cè)穿過第一端護鐵132；在第一端磁極120內(nèi)徑向向內(nèi)且然后軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；跳過第一端磁極與位于轉(zhuǎn)子層壓堆疊150軸向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子材料160的端部162之間的軸向間隙200(示出為202的與回路532和536關(guān)聯(lián)的對端間隙)；徑向向外轉(zhuǎn)向以返回徑向向外穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊150；以及跳過徑向間隙204(位于轉(zhuǎn)子層壓件150與定子中心層壓件50之間)以完成第一pm偏置軸向磁通回路。出于說明的目的，論述的方向僅圖示了分布的形狀，實際的磁通可能具有相對的符號/意義，如下文論述。

在所述截面圖中，第一徑向磁通回路540：徑向向外穿過定子的中心層壓件50，從而在所述直徑上相對的繞組中的第一個40內(nèi)穿行；在中心護鐵70中軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向；軸向外側(cè)穿過第一永磁體環(huán)110；在第一端護鐵132內(nèi)徑向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；徑向向內(nèi)穿過第一端層壓堆疊130；跳過所述徑向間隙(位于第一端層壓件與轉(zhuǎn)子層壓件之間)而徑向穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊150進入轉(zhuǎn)子非層壓材料160中；軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向于所述轉(zhuǎn)子層壓堆疊軸向內(nèi)側(cè)；徑向向外轉(zhuǎn)向以徑向返回穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊150；并且跳過徑向間隙204以完成所述第一徑向磁通回路。

在所述截面圖中，第一軸向磁通回路550：徑向穿過徑向?qū)訅杭?30；在軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向穿過護鐵132；在第一端磁極120內(nèi)徑向向內(nèi)且然后軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；跳過所述第一端磁極與位于轉(zhuǎn)子層壓堆疊150軸向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子材料160的端部162之間的軸向間隙200；徑向向外轉(zhuǎn)向以返回徑向向外穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊130；以及跳過徑向間隙204(位于轉(zhuǎn)子層壓件150與定子中心層壓件50之間)以完成第一軸向磁通回路。

在所述截面圖中，第一軸向磁通回路550：徑向穿過徑向?qū)訅杭?30；在軸向外側(cè)轉(zhuǎn)向穿過護鐵132；在第一端磁極120內(nèi)徑向向內(nèi)且然后軸向向內(nèi)轉(zhuǎn)向；跳過所述第一端磁極與位于轉(zhuǎn)子層壓堆疊150軸向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子材料160的端部162之間的軸向間隙200,徑向向外轉(zhuǎn)向以返回徑向向外穿過轉(zhuǎn)子層壓堆疊150；以及跳過徑向間隙204(位于轉(zhuǎn)子層壓件150與第一端層壓件130之間)以完成第一軸向磁通回路。

其他回路以類似方式穿過圖5截面圖的其象限中的部件。

對各個繞組加電可以用于改變回路中的磁通從而對轉(zhuǎn)子施加期望的校正性軸向力和徑向力。

圖5示出各個磁通回路，其中以箭頭指示一個示例性磁通方向。下文相對于圖示的那些方向論述操作，其中可能有與相對于所示的方向相反的設(shè)計變化或操作狀況。在永磁體的軸向向內(nèi)極性580、582的圖5示例中，按照永磁體極性所指示的，pm偏置軸向磁通回路530和536是逆時針的，而532和534是相對的(順時針)。

回路540、542、544和546示出為與圍繞它們的關(guān)聯(lián)pm軸向回路具有相同的磁通相互作用。因為這些回路反映pm與電流誘發(fā)磁通的組合，所以相應(yīng)線圈40或42可以按這種方式操作以便增強所示的自然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，使磁通方向與所示的方向反轉(zhuǎn))。

圖5還示出了泄漏磁通回路590。這些泄漏磁通部分地與磁體極性的不對稱性相關(guān)。精確的相對軸向極性將趨于使磁通回路最小化。一般來說，制造容差將限制精度?？梢宰鳛榫植炕蚱骄祦頊y量大致相對的定向。一般來說，值應(yīng)在精確相對的約45°內(nèi)，優(yōu)選地在約30°或約20°或約10°內(nèi)。還可設(shè)想高達90°的潛在更高不對稱性。類似地，制造容差可能影響兩個磁體的磁場強度。二者均應(yīng)在彼此的約10％內(nèi)。圖示的配置具有磁體尺寸和強度上以及線圈匝數(shù)和其他幾何因子上(跨越橫向中心平面)的大致軸向?qū)ΨQ性。但是，非對稱負載的設(shè)計可能導(dǎo)致磁體的尺寸和強度上的不對稱性或線圈匝數(shù)等的不對稱性。

電流誘發(fā)的軸向磁通回路550、552、554和556的磁通方向沒有對稱性?；芈?50和552示出為彼此處于相同方向(逆時針)以及回路554和556示出為彼此處于相同方向但是與回路550和552相對。

控制的示例是相對于圖5的示例性片定向以及圖2和圖5的x、y和z軸來論述的。

示例性徑向位移最初將結(jié)合沿著x軸的示例來隨意地進行論述，x軸居中徑向延伸穿過線圈/繞組40和42。在沒有軸向負載的情況下，線圈34和36中將沒有電流流動。在此狀況中，磁通回路550、552、554和556實際上將消失。這些回路中的磁通的示例性圖5所示箭頭方向與對線圈34、36賦能以便在z+方向上對轉(zhuǎn)子施加力關(guān)聯(lián)。

如果沒有徑向負載的情況(例如，處于零重力或如果軸件是垂直定向的或如果線圈是水平間隔的)，則將沒有對線圈40和42的基線賦能，以及對應(yīng)地將沒有沿著路徑540、542、544、546的磁通的電磁分量。由此，因為線圈44和46是水平間隔的，且沒有基線水平徑向負載，則線圈44和46將不會被基線賦能，并且不會沿著關(guān)聯(lián)的路徑產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的電磁磁通分量。

在圖示的示例中，施加于線圈540和542的電流將在所示方向上或與之相對的方向上產(chǎn)生磁通的電磁分量。如果沿所示的方向，則這將僅增大磁通的量值。如果沿相對的方向，則這可能減小組合的磁通的量值，但是在大多數(shù)期望的情況中，將不會導(dǎo)致與所示磁通方向的磁通方向凈反轉(zhuǎn)。

基線重力或其他負載將通過對適合的線圈賦能以提供反作用力來予以補償。在下文論述的示例中，轉(zhuǎn)子軸是水平的以及基線負載是x-方向上的重力負載。

參考圖5，如果由于外部負載或干擾使得轉(zhuǎn)子28在x+方向上從其全局中心線500位移，則控制器將通過在徑向線圈40中施加電流來減小徑向回路540和542中的磁通幅值而促使氣隙204中的局部磁通密度減小來對抗此情況。這將使得固定軸承部件50、70施加的局部吸力減到最小。同時，控制器將增大徑向線圈42中的電流以增大徑向回路544和546中的磁通幅值，從而促使氣隙204中的局部磁通密度增大。這將增大固定軸承部件52、72施加的局部吸力。如果轉(zhuǎn)子在x-方向上位移，則將施加相對方向上的類似控制。線圈40和42中的電流方向基于線圈繞組的方向來確定。

沿著y軸的位移采用與沿x軸的運動類似的方式進行控制，但是使用軸承部件54、74、56、76、44、46。線圈44和46中的電流方向基于線圈繞組的方向來確定。

參考圖5，如果由于外部負載或干擾使得轉(zhuǎn)子28在z+方向上從橫向中心平面510位移，則控制器將在軸向線圈34中施加電流以通過控制回路550中的磁通值來減小氣隙200中的磁通幅值(回路530和550的總和)。由此，如果已經(jīng)存在回路550圖示的方向上產(chǎn)生磁通的電流，則可以減小此電流或甚至使之反向。這將使得固定軸向軸承部件120施加的吸力減到最小。同時，控制器將控制線圈36中的電流以便通過控制回路552中的磁通值來增大氣隙202中的磁通幅值。在圖示的示例中，因為回路550和552的方向示出為假定z+方向上的基線力，所以首先僅通過減小線圈36中的電流量值來實現(xiàn)磁通值的增大，并且由此，減小552的回路磁通抵抗532的回路磁通的量。如果需要足夠的力，則可以將線圈36中的電流反向，從而使回路552中誘發(fā)的磁通方向反轉(zhuǎn)。這將增大由固定軸向軸承部件122施加的吸力。

如果轉(zhuǎn)子在z-方向上位移，則將施加相對方向上的類似控制。例如，如果從零軸向力基線開始，則在線圈34和36中引發(fā)電流以在所示方向上在回路550和552中產(chǎn)生磁通。如果有在z+方向上施加的基線力，則這些電流的量值將從其基線值起增加。線圈34和36中的電流方向基于線圈繞組的方向來確定。

此外，由于永磁體110和112的原因，定子中心護鐵70、72、74、76中出現(xiàn)聚磁效應(yīng)。因為磁體是在軸向上彼此相對磁化的，所以所得到的磁通線將產(chǎn)生在中心護鐵中近似位置586處出現(xiàn)的磁通集中/聚磁效應(yīng)。這還將構(gòu)成穿過框架26的某種泄漏磁通。磁通集中效應(yīng)導(dǎo)致穿過徑向?qū)訅杭?0和徑向氣隙204以助推徑向和軸向軸承功能的偏置磁通增大。此方法的優(yōu)點在于：(a)因為氣隙中的磁通的大部分是由永磁體的偏置磁通貢獻的，所以使轉(zhuǎn)子中心線502保持與軸500對準所需的控制磁通很小(這使得線圈尺寸和滿足控制功能的電流需求能夠更小)；(b)由于區(qū)域586中的磁通集中，使用更低能量密度的永磁體是可能的；(c)如果使用更高能量密度的永磁體，則區(qū)域586中增大的磁通集中能夠使得永磁體容積更低。

圖1還示出控制器200。所述控制器可以作為整體或系統(tǒng)(例如，制冷系統(tǒng))與渦輪機(例如，電動壓縮機)的控制器集成或由其提供。所述控制器可以從輸入裝置(例如，開關(guān)、鍵盤等)和傳感器(未示出，例如位于各種系統(tǒng)位置處且具體用于軸承控制的壓力傳感器和溫度傳感器、徑向位置傳感器(例如，相對于圖2和圖5的方向，安裝在軸承中的單個x傳感器和單個y傳感器)和軸向位置傳感器(例如，安裝在軸承中的單個z傳感器))接收用戶輸入。所述控制器可以經(jīng)由控制線路(例如，硬連接或無線通信路徑)耦合到傳感器和可控系統(tǒng)部件(例如，閥門、軸承、壓縮機電機、葉片致動器等)。所述控制器可以包括一個或多個：處理器；存儲器(例如，用于存儲供處理器運行來執(zhí)行操作方法的程序信息以及用于存儲由所述程序(或多個程序)使用或產(chǎn)生的數(shù)據(jù))；以及用于與輸入/輸出裝置和可控系統(tǒng)部件介接的硬件接口裝置(例如，端口)。

圖6示出具有三個徑向線圈及關(guān)聯(lián)的徑向磁極的替代性軸承配置。在本示例中，流經(jīng)三個徑向線圈的電流是可獨立控制的，以便提供完整二維徑向控制。徑向線圈和磁極按120°間隔圍繞中心線均勻地間隔開。三線圈/磁極配置是可行的最小配置。上文論述的四線圈實施方案可以提供計算上更簡單的控制。更大數(shù)目個線圈/磁極也是可能的。

圖6實施方案的磁通布置將與在中心縱向半截面中看到的四磁極實施方案的磁通類似(即，僅在一個徑向方向上而非在圖5中分別如中心線上方和下方的完整中心縱向截面中示出的兩個徑向方向上從中心線向外)。

其他變化涉及對所述永磁體周向地分段。在一些實施方案中，所述分段可以形成經(jīng)分段的整環(huán)(各分段之間基本沒有周向間隙)。但是，其他顯著實施方案涉及由間隙分隔的分段。例如，分段可以基本與層壓件50、52、54、56穿過關(guān)聯(lián)的徑向線圈40、42、44、46延伸的齒部在周向上共同延伸。護鐵可以通過類似方式來分段。例如，可以使用此方法形成模塊化系統(tǒng)，其中個別子單元包括：單個徑向線圈；將穿過其中延伸的層壓件；關(guān)聯(lián)的兩個永磁體；以及軸向連結(jié)兩個磁體的護鐵分段。用于構(gòu)成軸承的這些子單元的數(shù)量(3個或更多個)取決于所述軸承的徑向額定負載。例如，可以設(shè)想其中根據(jù)額定負載使用這些子單元中的3、4、5或6個子單元的系統(tǒng)。

基于這種一對分段的永磁體(替代性地表征為兩個周向永磁體陣列)，多種其他變化也是可能的。在基本變化中，這兩個周向陣列的每一個內(nèi)的所有磁體具有與此陣列中的其他磁體相同的極性，且這兩個陣列的極性彼此相對。在又一些其他變化中，子單元的兩個個別磁體的極性彼此相對，但是每個陣列中的磁體無需是相同極性的。由此，例如在4子組件示例中，子組件中的兩個可以具有一個極性定向以及另外兩個可以具有相對的極性定向。依據(jù)各情況，彼此相對的兩個子單元可以共享極性。

圖7示意性地示出徑向線圈40、42、44、46。所述線圈各自具有相應(yīng)的一對端子40-1、40-2；42-1、42-2；44-1、44-2；46-1、46-2。圖7還示意性地示出x位置傳感器820、y位置傳感器822和z位置傳感器824。類似地，示意性地示出軸向線圈34的端子34-1和34-2以及軸向線圈36的端子36-1和36-2。

在示例性四徑向線圈實施方案中，通過響應(yīng)于從傳感器820輸入的位置反饋控制線圈40和42中的電流來控制x軸位置/力。通過響應(yīng)于從傳感器822輸入的位置反饋控制線圈44和46中的電流來控制y軸位置/力。通過響應(yīng)于來自傳感器824的位置反饋控制線圈34和36中的電流來控制z軸位置/力。在示例性實施方案中，控制器200對線圈中每一個執(zhí)行個別控制。正如上文提到的，替代性地，可以將線圈中的一些或全部配對并以串聯(lián)或并聯(lián)方式加電。

圖8示出用于對一個或多個線圈加電的h橋放大器840。這可以由控制器200來控制或與控制器200集成。在一個示例中，每個h橋放大器840具有單個關(guān)聯(lián)的線圈且反之亦然。出于說明的目的，所述放大器示出為連接到線圈40。相似的放大器將以相似的方式耦合到其他線圈。放大器840具有并聯(lián)連接到電壓源844的兩個分支或分叉841和842。示例性電壓源844是恒定dc電壓源，并且可以被不同線圈的h橋放大器共享。

線圈的端子40-1和40-2跨越兩個分支841和842的中心位置連接。在每個分支的每一側(cè)(高電壓和低電壓)，端子40-1、40-2經(jīng)由相應(yīng)的開關(guān)裝置851、852、853、854和二極管861、862、863、864的并聯(lián)組合連接到電壓源。示例性開關(guān)裝置是柵控開關(guān)裝置，如絕緣柵雙極晶體管(igbt)或金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(mosfet)。

通過將二極管與開關(guān)并聯(lián)連接，二極管提供用于關(guān)聯(lián)的開關(guān)關(guān)斷/開路時的飛輪電流(耗散存儲在電感器中的能量的衰減電流)的路徑。這與衰減力關(guān)聯(lián)。

在第一示例性操作狀況中，開關(guān)851和854閉合以及開關(guān)852和853開路(第一開關(guān)狀態(tài))。電流從電壓源844的正端子經(jīng)第一分支/分叉高開關(guān)851流到端子40-1以及經(jīng)由線圈40流到端子40-2。從端子40-2，電流流經(jīng)第二分支/分叉低開關(guān)854而返回到電壓源負端子。

如果開關(guān)854保持閉合而開關(guān)851開路(第二開關(guān)狀態(tài))，則線圈中存儲的能量將促使飛輪電流以相同方向流經(jīng)所述線圈。但是，此電流從線圈流經(jīng)開關(guān)854，且然后經(jīng)第一分支/分叉低二極管862返回。衰減比率由線圈時間常量確定。如果存儲在電感器中的能量小，則電流幅值將在此階段完成之前減小到零。

如果接著使開關(guān)854開路(第三開關(guān)狀態(tài))，且如果存儲的能量尚未完全耗散，則電流將以相同的方向繼續(xù)流動，但是現(xiàn)在是從線圈40經(jīng)第二分支/分叉高二極管863返回到電壓源的正端子，且然后往回經(jīng)第一分支/分叉低二極管862返回到線圈。電流將繼續(xù)衰減，并且其量值可以達到零。

在切換回第一操作開關(guān)狀態(tài)時，電流將開始回升。線圈中的此電流幅值將是正的且依據(jù)線圈時間常量、供電電壓和開關(guān)事件的持續(xù)時間而增加。在此操作狀態(tài)期間，其還將在關(guān)聯(lián)的電感器中存儲能量。此增加可以從零開始或從非零值開始。因此，電流幅值隨系統(tǒng)循環(huán)通過開關(guān)狀態(tài)的上升和下降將產(chǎn)生平均值，所述平均值提供在軸承中產(chǎn)生力所需的期望參考值。

示例性操作涉及在這三種狀況之間順序地循環(huán)性切換。作為參考，三種狀態(tài)中每個的相應(yīng)時間指定為t1、t2和t3。這三者之總和是總切換周期且可以是固定的。開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷持續(xù)時間由其工作循環(huán)確定，所述工作循環(huán)與合成線圈中的平均電流所需的平均電壓成比例。

在穩(wěn)態(tài)循環(huán)(固定的t1、t2和t3)期間，跨越線圈的平均電壓由如下公式給出：

vl＝vdc*t1/(t1+t2)

其中vdc是dc源電壓。平均dc電流由如下公式給出：ix＝vl/r

其中r是線圈的電阻。

為了使電流瞬變保持處于極低值并且合成與所期望力成比例的dc電流，以極高速率(數(shù)千hz)重復(fù)上述操作。

假定10khz的頻率。周期由此為100微秒＝t1+t2+t3。由此可以通過控制t1、t2和t3來實現(xiàn)控制。原則上，其可以通過控制t1來控制。在一個示例中，第二和第三開關(guān)狀態(tài)之間的切換控制則確定t2和t3。例如，第二與第三開關(guān)狀態(tài)之間的切換可以在已發(fā)生給定電流或電壓衰減時發(fā)生。一個示例是在電流閾值等于控制器正在努力實現(xiàn)或維持的目標平均電流時。就此進程來說，t2通常將遠遠大于t3。當(dāng)給定循環(huán)上所測量的平均電流低于目標時，控制器可以對下一個循環(huán)增加t1(或如果有延遲的話，對下一個受控循環(huán)增加t1)?？梢园凑赵O(shè)定增量或基于實際值與目標值之間的差而計算的增量來增加。

對于涉及使電流按相對方向通過(即，從端子40-2到端子40-1地穿過線圈40)的操作，操作是類似的但涉及切換開關(guān)852和853而非開關(guān)851和854。各種二極管的作用由此與第一分支/分叉高二極管861以及第二分支/分叉低二極管864所起的作用類似地轉(zhuǎn)變。

與不同的替代性現(xiàn)有技術(shù)軸承相比，各種實現(xiàn)可以具有若干優(yōu)點中的一個或多個優(yōu)點。正如上文提到的，一些現(xiàn)有技術(shù)的徑向軸承使得磁通路徑深入到軸件中和/或周向穿行以穿過兩個角度上偏移的磁極。避免周向路徑減少了磁芯損耗。

本文描述和所附權(quán)利要求中使用“第一”、“第二”等僅僅是為了在權(quán)利要求內(nèi)進行區(qū)分，而未必指示相對或絕對重要性或時間次序。類似地，在權(quán)利要求中將一個元件識別為“第一”(或類似形式)不排除此類“第一”元件識別另一項權(quán)利要求中或本文描述中稱為“第二”(或類似形式)的元件。

在后跟包含si或其他單位的括弧標注以英制單位給出測量的情況中，括弧標注的單位是換算形式且不應(yīng)暗示英制單位中找不到的精確程度。

已經(jīng)描述了一個或多個實施方案。盡管如此，應(yīng)理解，可以進行多種修改。例如，當(dāng)應(yīng)用于現(xiàn)有基本系統(tǒng)時，此類配置或其關(guān)聯(lián)使用的細節(jié)可能影響具體實現(xiàn)的細節(jié)。相應(yīng)地，其他實施方案也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。