CN107218298A - 一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，转子外从上往下依次同轴套有径向定子、恒流源定子和轴向定子；恒流源定子上端面和下端面分别与径向定子轭部和轴向定子固定相接，恒流源定子内装有恒流源线圈；转子下端紧密套有拉力盘，轴向定子内腔中置放紧贴其内壁的轴向控制线圈；径向定子轭部沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上绕有径向控制线圈，每个径向定子极的内端极靴内表面为凹球面，转子的凸球体的侧面是凸球面，凹球面在径向上正对着凸球面，采用恒流源定子代替永磁体以提供偏置磁通，既可提供径向偏置磁通，也可提供轴向偏置磁通；定转子都采用球面结构，降低定子磁极对转子产生的干扰力矩。

Description

一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承

技术领域

本发明涉及非机械接触式磁悬浮轴承，特指一种恒流源偏置三自由度混合磁轴承，对车载飞轮电池悬浮支撑。

背景技术

目前制约电动汽车发展的主要难题是车载动力电池的性能，车载飞轮电池是利用磁悬浮支承和飞轮的旋转惯量来实现能量存储的，其充电效率高、比能量、比功率大，质量小且无污染。由于电动汽车空间有限，对飞轮电池的体积的要求就相对比较高，而磁悬浮轴承是对飞轮电池提供支撑的关键部件，其体积大小直接影响飞轮电池的体积。期刊：《机械设计与制造》，卷期号1001-3997（2007）06-0057-03，作者：朱熀秋、陈艳、谢意志，名称为磁悬浮轴承结构与磁路分析，介绍了现有的磁悬浮混合轴承大致可分为两种基本结构：径向磁路与轴向磁路各居一侧型与径向磁路居中，轴向磁路两侧型。这两种结构的磁悬浮混合轴承的轴向定子采用双片结构，即拉力盘两侧各一片。这种结构无疑增加了磁轴承的体积及质量。

恒流源偏置磁轴承是利用功率放大器使偏置绕组通过恒定的电流提供偏置磁通的，它结合了永磁偏置磁悬浮轴承的低功耗和传统主动磁悬浮轴承结构简单的特点，相对于永磁偏置磁悬浮轴承，其偏置磁场是可控的。目前，关于恒流源偏置磁轴承的相关结构，要么只涉及径向结构的磁轴承，要么只涉及轴向结构的磁轴承，而现有的混合磁轴承都是通过永磁体，既提供轴向偏置磁通，也提供径向偏置磁通。

传统的磁悬浮混合磁轴承的磁轴承径向定子通常采用柱面，相应的磁轴承转子也采用圆柱轴，采用这种结构的磁轴承虽能保证飞轮电池的稳定悬浮运行，但当飞轮电池装置受到外界干扰时，这类柱面设计不可避免会引起陀螺效应。由于车载飞轮电池装置在遇到启动、急停、转弯等动作时，都会引起飞轮轴在约束方向上收到很大的陀螺力矩，从而使飞轮轴或飞轮轴承受到很大的附加压力，因此常规的设计思路很难避免陀螺效应的产生。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种体积小、结构紧凑、集成度高、陀螺效应得到有效抑制的车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承。

本发明采用的技术方案是：本发明正中间是转子，转子外从上往下依次同轴套有径向定子、恒流源定子和轴向定子；恒流源定子是环形结构，上端面和下端面分别与径向定子轭部和轴向定子固定相接，恒流源定子内装有恒流源线圈；转子下端紧密套有拉力盘，轴向定子位于拉力盘上方且轴向定子下端面与拉力盘上端面之间留有轴向气隙，轴向定子内腔中置放紧贴其内壁的轴向控制线圈；径向定子轭部沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上绕有径向控制线圈，每个径向定子极的内端极靴内表面为凹球面；转子是由凸球体和圆柱体上下连接而成，凸球体的侧面是凸球面，每个径向定子的凹球面在径向上正对着该凸球面且其间留有径向气隙。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明采用环形的恒流源定子代替永磁体以提供偏置磁通，在结构上位于径向定子和轴向定子之间，既可以提供径向偏置磁通，也可以提供轴向偏置磁通。并且只需要一个功率放大器来提供偏置电流，减小了功放的体积，降低了功耗。

2、本发明径向定子极采用球面结构，球面结构能够消除转子陀螺效应的产生。此外，从运动学上讲，球面结构更有利于多维运动，有利于空间上进行定位和工作。另外，球面结构使得气隙磁场分布更加均匀、对称，便于对转子进行控制与分析。

3、本发明所提出的定转子都采用球面结构，当转子发生偏转或偏移时，电磁力会指向转子球心，从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩，提高磁轴承的控制精度。

4、本发明轴向定子采用单片结构，结构安排合理、紧凑、集成度高，简化了磁轴承的结构，节约材料，降低成本，缩小体积，减轻了磁轴承的质量。

附图说明

图1为本发明的立体结构图；

图2为图1的内部结构剖视图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2中径向定子的局部结构图；

图5为图2中转子结构立体图；

图6为图4中径向定子和图4中转子的装配结构图；

图7为图2中轴向定子的立体结构图；

图8为图7中轴向定子和图4中转子的装配结构图；

图9为图2中恒流源定子的立体结构图；

图10为本发明工作时的静态被动悬浮的原理图；

图11为本发明工作时的径向二自由度平衡控制的原理图；

图12为本发明工作时的轴向单自由度平衡控制的原理图。

图中：1.径向定子；11,12,13.径向定子极；21,22,23.径向控制线圈；3.线圈架；4.恒流源定子；5.恒流源偏置线圈；6.轴向定子；61.大圆环体；62.圆盘；63.小圆环体；7.轴向控制线圈；8.拉力盘；9.转子；91.凸球体；92.圆柱体；111.凹球面；911.凸球面。

具体实施方式

参见图1、图2和图3所示，本发明正中间是转子9，在转子9外从上往下依次同轴套有径向定子1、恒流源定子4以及轴向定子6。

径向定子1的轭部为中空圆柱体，径向定子1的轭部沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，分别是径向定子极11、12、13。三个径向定子极11、12、13的上端面、下端面分别与径向定子1的轭部上端面、下端面平齐。在每个径向定子极11、12、13上绕有径向控制线圈，分别是径向控制线圈21、22、23。3个完全相同的径向控制线圈21、22、23一一对应地绕制于径向定子极11、12、13上。三个径向定子极11、12、13的内端带有极靴，极靴内表面为凹球面。

如图4所示，仅以径向定子极11为图例说明：径向定子极11的极靴表面加工为凹球面111。此外径向定子1采用硅钢片叠压而成。

如图5所示，转子9是由凸球体91和圆柱体92上下连接而成，凸球体91的侧面是凸球面911，凸球体91的上下端面的外径等于圆柱体92的外径。转子9的下端即圆柱体92的下端通过过盈配合紧密套一个盘状拉力盘8，拉力盘8的下端面与转子9的下端面平齐，且拉力盘8的轴向厚度远小于转子9的轴向长度。

如图2所示，三个部径向定子极11、12、13内端的每个凹球面在径向上正对着转子9的凸球体91的凸球面911。凹球面和凸球面911之间保持0.5mm的径向气隙，凹球面和凸球面911在轴向上的厚度相等。当转子9处于平衡位置时，转子9的凸球面911和径向定子极11、12、13的凹球面的球心重合。

图6仅以径向定子极11与转子9的布置结构为图例说明：径向定子极11的凹球面111与转子9的凸球面911在径向上相配，两者之间留有0.5mm径向间隙。

如图7所示，轴向定子6是由大圆环体61、圆盘62以及一个小圆环体63在轴向上依序上下固定连接组成。大圆环体61的外径等于圆盘62的外径，小圆环体63的内径等于圆盘62的内径，大圆环体61的内径大于小圆环体63的外径。如此，在大圆环体61的内壁和小圆环体63的内壁之间形成台阶通孔，具有径向空隙。结合图1，大圆环体61的内腔中置放轴向控制线圈7，轴向控制线圈7紧贴在大圆环体61的内壁上，当轴向控制线圈6通电时，大圆环体61内能产生轴向控制磁场。

如图8所示，轴向定子6套在转子9外，位于拉力盘8上方。当转子9处于平衡位置时，轴向定子6的下端面即小圆环体63的下端面与拉力盘8的上端面在轴向上保持0.5mm的轴向气隙。轴向定子6的小圆环体63的内径大于转子9的外径3mm，这样就可保证足够大的气隙磁阻，避免转子9对小圆环体63中轴向磁场的影响。

如图9和图2所示，恒流源定子4是环形结构，套在转子9外并且叠压在径向定子1和轴向定子6之间。恒流源定子4的上端面与径向定子1轭部下端面固定相连接，恒流源定子4的下端面和轴向定子6的大圆环体61的上端面固定相接。恒流源定子4、径向定子1的轭部以及轴向定子6的大圆环体61的内径、外径对应地都相等。在恒流源定子4内安装恒流源线圈5，恒流源线圈5通过环形的线圈架3固定连接恒流源定子4。环形的线圈架3沿恒流源定子4的内壁安装，恒流源线圈5安装在线圈架3中。线圈架3与径向控制线圈21、22、23以及轴向控制线圈7之间相互不接触、不干渉。

本发明工作时，能实现转子9的静态被动悬浮、径向二自由度平衡及轴向单自由度平衡。在轴向控制方面，轴向控制线圈7通以直流电与轴向定子6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9的受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制。在径向控制方面，置于三磁极径向定子极11、12、13上的径向控制线圈21、22、23通以交流三相电，通过改变径向控制线圈21、22、23的电流大小，实现了径向上两个自由度的精准控制。具体如下：

静态被动悬浮的实现：参见图10，恒流源线圈5通以电流，在恒流源定子4中产生恒定的磁场，恒流源定子4中的磁通方向沿轴向向上，此时恒流源定子4相当于一个永磁体，磁力线从恒流源定子4的上端面出发，依次经过径向定子1，径向气隙，转子9，拉力盘8，轴向气隙，轴向定子6，最后回到恒流源定子4的下端面。以径向定子极11为例，当转子9处于中心平衡位置时，转子9的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合，在径向上，转子9的柱体91的凸球面911与径向定子极11的凹球面之间的产生径向气息磁通。这样，转子9的柱体91的凸球面911与径向定子极11、12、13凹球面之间的产生径向气息磁通完全相等，因此转子9在径向上受电磁力平衡，实现转子9径向稳定悬浮。轴向上，轴向定子6与拉力盘8间产生轴向气隙磁通，轴向定子6受到轴向上的磁拉力与转子9重力平衡，实现转子9的轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图11，当转子9在径向二自由度X、Y受到干扰而偏离平衡位置时，对径向控制线圈21、22、23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9回到径向平衡位置。假设转子9在径向X轴正方向上受到扰动而偏移平衡位置，径向控制线圈21、22、23通电，产生的控制磁通如图11中粗实线及其箭头所示，恒流源定子4产生的偏置磁通如图11中的虚线及其箭头所示，经过径向定子极11、13中的偏置磁通和控制磁通方向相反，而总磁通减弱。径向定子极12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X轴负方向上的单磁通加强，转子9受到负方向的磁拉力F1而回到平衡位置。

轴向单自由度主动控制的实现：参见图12，轴向控制线圈7通以直流电，当转子9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，通过改变轴向定子6与拉力盘8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9回到轴向参考平衡位置。例如当转子9向下偏移时，通过轴向控制线圈7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，恒流源定子4产生的偏置磁通如图12中虚线及箭头所示，可以看出经过轴向定子6与拉力盘8之间的轴向气隙偏置磁通和轴向控制方向相同，方向沿轴向向上，轴向定子6与拉力盘8之间的轴向气隙磁通增强。由此，转子9受到的合成电磁力F_Z向上，将转子9拉回轴向平衡位置，因此，轴向上的一个自由度得到控制。

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。

Claims (8)

1.一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，正中间是转子（9），其特征是：转子（9）外从上往下依次同轴套有径向定子（1）、恒流源定子（4）和轴向定子（6）；恒流源定子（4）是环形结构，上端面和下端面分别与径向定子（1）轭部和轴向定子（6）固定相接，恒流源定子（4）内装有恒流源线圈（5）；转子（9）下端紧密套有拉力盘（8），轴向定子（6）位于拉力盘（8）上方且轴向定子（6）下端面与拉力盘（8）上端面之间留有轴向气隙，轴向定子（6）内腔中置放紧贴其内壁的轴向控制线圈（7）；径向定子（1）轭部沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上绕有径向控制线圈，每个径向定子极的内端极靴内表面为凹球面；转子（9）是由凸球体（91）和圆柱体（92）上下连接而成，凸球体（91）的侧面是凸球面（911），每个径向定子（1）的凹球面在径向上正对着该凸球面（911）且其间留有径向气隙。

2.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：轴向定子（6）是由大圆环体（61）、圆盘（62）以及一个小圆环体（63）在轴向上依序上下固定连接组成，大圆环体（61）的外径等于圆盘（62）的外径，小圆环体（63）的内径等于圆盘（62）的内径，大圆环体（61）的内径大于小圆环体（63）的外径；大圆环体（61）的内腔中置放紧贴大圆环体（61）内壁的轴向控制线圈（7）。

3.根据权利要求2所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：恒流源定子（4）、径向定子（1）轭部以及大圆环体（61）的内径、外径对应地都相等。

4.根据权利要求2所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：小圆环体（63）的内径大于转子（9）的外径。

5.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：转子（9）的圆柱体（92）下端紧密套有拉力盘（8），拉力盘（8）的下端面与圆柱体（92）的下端面平齐。

6.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：凹球面和凸球面（911）在轴向上的厚度相等，当转子（9）处于平衡位置时，凸球面（911）和凹球面的球心重合。

7.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：恒流源线圈（5）通过环形的线圈架（3）固定连接恒流源定子（4）。

8.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用恒流源偏置三自由度球面混合磁轴承，其特征是：三个径向定子极的上端面、下端面分别与径向定子（1）轭部上端面、下端面对应地平齐。