[0024] 参见图1和图2，本发明正中间是转子7，在转子7外同轴套有轴向定子5和径向定子。
[0025] 径向定子由上部径向定子1和下部径向定子8组成，上部径向定子1和下部径向定子8沿转子7的轴向上同轴布置。上部径向定子1和下部径向定子8的轭部沿转子7的轴向上同轴上下布置，并且上下轭部连为一体，上下轭部形成一个中空圆柱体，该中空圆柱体的内腔即是径向定子极腔16。
[0026] 上部径向定子1的上端面和转子7的上端面平齐，下部径向定子8的下端面和转子7的下端面平齐。
[0027] 在径向定子极腔16内，上部径向定子1的轭部上端和下部径向定子8的的轭部下端各自沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，分别是三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极81、82、83，三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极81、82、83的形状完全相同，上下投影重叠。三个上部径向定子极11、12、13的上端面和上部径向定子1的轭部上端面平齐，三个下部径向定子极81、82、83的下端面和下部径向定子8的轭部下端面平齐。在每个径向定子极上绕有径向控制线圈，分别是上部径向控制线圈21、22、23和下部径向线圈91、92、93，6个完全相同的径向控制线圈一一对应地绕制于上部径向定子极11、12、13和下部径向定子极81、82、83。
[0028] 三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极81、82、83的内端都带有极靴，极靴表面为凹球面。如图3所示，仅以上部径向定子极11和下部径向定子极81为图例说明：上部径向定子极11的极靴表面加工为上凹球面111，下部径向定子极81的极靴表面加工为下凹球面811。
[0029] 如图4所示，转子7是在轴向上上下对称的结构，最中间是一个中间圆柱体73，上下两端各是相同的中空的柱体，分别是上端柱体71和下端柱体75。在中间圆柱体73的上下两端分别是连接上端柱体71的上连接体72和连接下端柱体75的下连接体74。上端柱体71和下端柱体75的侧壁为凸球面结构，上端柱体71的侧壁是上凸球面711，下端柱体75的侧壁是下凸球面751。整个转子7在轴向上外径由中间向两端逐渐增大，中间圆柱体73的外径要小于上连接体72 和下连接体74的外径，上连接体72 和下连接体74的外径与上端柱体71和下端柱体75的上下端面外径相等。
[0030] 如图1所示，三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极81、82、83内端的每个凹球面上下对应地在径向上正对着转子7的上端柱体71和下端柱体75的凸球面，凹球面和凸球面之间保持0.5mm的径向气隙，凹球面和凸球面在轴向上的厚度相等。当转子7处于平衡位置时，转子7的上凸球面711和上部径向定子极11、12、13的凹球面的球心重合，转子7的下凸球面751和下部径向定子极81、82、83的凹球面的球心重合。图5仅以上部径向定子极11和下部径向定子极81与转子7的布置结构为图例说明：上部径向定子极11的上凹球面111与转子7的上凸球面711在径向上相配，两者之间留有0.5mm径向间隙；下部径向定子极81的下凹球面811与转子7的下凸球面751在径向上相配，两者之间留有0.5mm径向间隙。
[0031] 如图1所示，在转子7的中间圆柱体73外，位于径向定子极腔16内的中间固定嵌套圆盘形的轴向定子5，轴向定子5在轴向上位于上部径向控制线圈21、22、23和下部径向线圈91、92、93之间，并且与径向控制线圈不接触。轴向定子5由上部轴向定子51和下部轴向定子
52组成，上部轴向定子51和下部轴向定子52的结构相同，都是圆盘形，沿中间圆柱体73的轴向上下同轴布置。在上部轴向定子51和下部轴向定子52之间固定叠压一个圆盘形的隔磁铝环42，上部轴向定子51、下部轴向定子52和隔磁铝环42的外径均与径向定子极腔16的内径相同，并且均固定连接在径向定子极腔16的内壁上。上部轴向定子51、下部轴向定子52和隔磁铝环42的内腔形成轴向定子腔17，在轴向定子腔17内通过线圈架同轴固定一个轴向控制线圈6，轴向控制线圈6紧贴轴向定子腔17的内壁，且同套在中间圆柱体73外，与中间圆柱体
73之间留有间隙。
[0032] 如图6和图1所示，轴向定子5的上部轴向定子51和下部轴向定子52各由一个大圆盘53、一个中间圆环体54以及一个小圆盘55在轴向上依序连接组成。隔磁铝环42叠压在上下两个相同的大圆盘53之间，隔磁铝环42的内外径与大圆盘53的内外径对应相等。大圆盘53端面经中间圆环体54连接小圆盘55，中间圆环体54的内径等于大圆盘53的内径，中间圆环体54的外径等于小圆盘55的外径但远小于大圆盘53的外径，小圆盘55的内径小于大圆盘
53的内径，如此，在小圆盘55的外壁和大圆盘53的外壁之间形成台阶，具有径向空隙。上部轴向定子51的小圆盘55的上端面距离上部径向定子极11、12、13的轴向距离与下部轴向定子52的小圆盘55的下端面距离下部径向定子极81、82、83的轴向距离相等。轴向控制线圈6紧贴在两个中间圆环体54和两个大圆盘53的内壁上，当轴向控制线圈6通电时，圆环体54内能产生轴向控制磁场。
[0033] 如图7所示，当转子7处于平衡位置时，上部轴向定子51的小圆盘55的上端面与转子7的上连接体72的下端面在轴向上保持0.5mm的轴向气隙。上部轴向定子51的小圆盘55的内径与转子7的上连接体72的外径相等。同样，下部轴向定子52的小圆盘55的下端面与转子7的下连接体74的上端面在轴向上保持0.5mm的轴向气隙，下部轴向定子52的小圆盘55的内径与转子7的下连接体74的外径相等。
[0034] 如图8和图1所示，在上部轴向定子51的大圆盘53的上侧以及下部轴向定子52的大圆盘53的下侧各安装一个环形永磁体，分别是上部环形永磁体31和下部环形永磁体32，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的结构相同，均采用高性能稀土材料钕铁硼制成，均轴向充磁，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的充磁方向相反，永磁体的S极相面对面。环形永磁体紧密叠压在轴向定子5和径向定子极之间，上部环形永磁体31叠压在上部轴向定子51的大圆盘53和上部径向定子极11、12、13之间，下部环形永磁体32叠压在下部轴向定子52和下部径向定子极81、82、83之间。上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的内径大于小圆盘55的外径，这样就保证环形永磁体与轴向定子5的中间圆环体54和小圆盘55之间留有一定的径向间隙，保证轴向定子5内的轴向磁路不受环形永磁体的影响。
[0035] 在一个环形永磁体外套有一个隔磁铝环，隔磁铝环同时固定嵌套在环形永磁体的外壁和径向定子腔轴16的内壁上。上部环形永磁体31外套有上部隔磁铝环41，下部环形永磁体32外套有下部隔磁铝环43，上部隔磁铝环41和下部隔磁铝环43的结构完全相同，轴向高度与上部环形永磁体31和下部环形永磁体32相等。上部隔磁铝环41和下部隔磁铝环43先通过过盈配合分别紧密套在上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的外壁上，再通过冷压焊的方式与径向定子腔轴16的内壁紧密连接。环形永磁体和隔磁铝环与上部径向控制线圈21、22、23和下部径向线圈91、92、93之间相互不接触、不干渉。
[0036] 本发明工作时，能实现转子7的静态被动悬浮、径向二自由度平衡、径向扭转二自由度平衡以及轴向单自由度平衡。在轴向控制方面，轴向控制线圈通以直流电与轴向定子组成电磁铁，通过改变控制直流电的大小和方向来改变轴向上转子受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制。在径向控制方面，置于上下各一组三磁极径向球面定子上的径向控制线圈通以交流三相电，通过改变控制线圈电流大小，实现了径向上四个自由度的精准控制。具体如下：
[0037] 静态被动悬浮的实现：参见图9，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32产生的偏置磁通如图10中的虚线及箭头所示，上部环形永磁体31产生的偏置磁通从上部环形永磁体31的N极开始经过上部径向定子极11，再依次经过径向气隙、转子7的上凸球面711、转子7的上连接体72、轴向气隙、轴向定子5的上部轴向定子51，最后回到上部永磁体31的S极。同样，下部环形永磁体32产生的偏置磁通从下部环形永磁体32的N极开始经过下部径向定子极
81，再依次经过径向气隙、转子7的下凸球面751、转子7的下连接体74、轴向气隙、轴向定子5的下部轴向定子52，最后回到下部环形永磁体32的S极。当转子7处于中心平衡位置时，转子
7的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合，在径向上，转子7的上端柱体71和下端柱体75的凸球面与上部径向定子极11和下部径向定子极81的凹球面之间的气息磁通完全相等，因此转子7在径向上受电磁力平衡，实现转子7径向稳定悬浮。轴向上，上部轴向定子51与转子7之间的轴向气隙磁通和下部轴向定子52与转子7之间的轴向气隙磁通完全相等，转子7在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现转子7轴向稳定悬浮。
[0038] 径向二自由度平衡的实现：参见图10，当转子7在径向二自由度X、Y受到干扰而偏离平衡位置时，对上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈91、92、93通电，产生的单磁通指向与位置偏移相反的方向，产生相应的径向控制磁悬浮力，使转子7回到径向平衡位置。假设转子7在径向Y轴正方向上受到扰动而偏移平衡位置，上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈91、92、93通电，产生的控制磁通如图10是粗实线及箭头所示，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32产生的偏置磁通如图10中的虚线及箭头所示，经过上部径向定子极11、13以及下部径向定子极81、83中的偏置磁通和控制磁通方向相反，而总磁通减弱。上部径向定子极22、下部径向定子极82中的偏置磁通和控制磁通方向相同，进而总磁通增强，使得径向在Y轴负方向上的单磁通加强，转子7受到Y负方向的磁拉力F1、F2而回到平衡位置。
[0039] 径向扭转二自由度平衡的实现：参见图11，当转子7在径向扭转二自由度（）受到干扰而偏离平衡位置时，对上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈91、92、93通电，其产生的单磁通指向与位置偏移相反的方向，产生扭矩，使转子7回到径向平衡位置。假设转子7受到扰动在Y正方向上发生扭转，扭转角度为 ，由上部径向控制线圈21、
22、23通电后产生的控制磁通如图11中粗实线及箭头所示，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32产生的偏置磁通如图11中的虚线及箭头所示，可以看出，上部径向定子极21、23中的偏置磁通和控制磁通方向相反，上部径向定子极21、23中的总磁通减弱，而上部径向定子极22中的转子偏置磁通和控制磁通方向相同，总磁通增强，转子7会受到Y负方向的磁拉力F1。下部径向控制线圈91、92、93通电后，经过下部径向定子极81、83中的偏置磁通和控制磁通方向相同，经过下部径向定子极81、83中总磁通增强，而经过下部径向定子极82偏置磁通和控制磁通方向相反，进而总磁通减弱，转子7受到下部径向定子极81、83的磁拉力F3、F4，其合成磁拉力F2指向Y正方向，因此转子7受到恢复扭转力矩使转子7回到平衡位置。
[0040] 轴向单自由度主动控制的实现：参见图12，轴向控制线圈6通以直流电，当转子7在轴向上出现位置偏移时，通过改变直流控制电流的大小与方向，通过改变上部轴向定子51与转子7之间的轴向气隙磁通和下部轴向定子52与转子7之间的轴向气隙磁通的大小，在轴向气隙处产生磁吸力使转子7回到轴向参考平衡位置。例如当转子7向上偏移时，通过轴向控制线圈6加载轴向控制电流产生的轴向控制磁通如图12中粗实线及箭头所示，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32产生的偏置磁通如图12中虚线及箭头所示，可以看出经过上部轴向定子51与转子7之间的轴向气隙磁通方向相反，经过下部轴向定子52与转子7之间的轴向气隙磁通方向相同，上部轴向定子51与转子7之间的合成气隙磁通小于下部轴向定子52与转子7之间的合成气隙磁通。由此，转子7受到的合成电磁力FZ向下，将转子7拉回轴向平衡位置，因此，轴向上的一个自由度得到控制。
[0041] 根据以上所述便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
