CN107289004B - 一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，转子外同轴套有径向定子和轴向定子，转子最中间是粗圆柱体，粗圆柱体的上下两端各通过一个圆台体平滑连接一个细圆柱体，上下圆台体侧壁是凸锥球面，径向定子由在轴向上下对称布置的上下部径向定子组成，上下部径向定子的轭部各自沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上都绕有径向控制线圈，每径向定子极的极靴表面是正对着凸锥球面且其间留有径向气隙的凹锥球面，轴向定子由上下对称布置的上下部轴向定子组成，在上下部径向定子之间紧密叠压环状永磁体；定转子都采用锥球面结构，气隙磁场分布更加均匀，有利于多维运动，能有效抑制陀螺效应的产生。

Description

一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承

技术领域

本发明涉及非机械接触的磁悬浮轴承，特指用于车载飞轮电池支承的交直流五自由度混合磁轴承。

背景技术

电动汽车具有高效节能，低噪声，零排放等优点，其规模化应用有助于解决目前环境污染、资源短缺等问题。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、无污染且寿命长，现有的飞轮电池通常是采用电磁和永磁混合型磁轴承作为飞轮转子的支承，实现径向、轴向五个自由度的悬浮控制。

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，介绍了按一个磁悬浮轴承对悬浮转子施加的受控自由度可分为单自由度、二自由度和三自由度磁悬浮轴承，这几种不同的轴承进行不同的组合可构成四自由度、五自由度磁悬浮轴承支撑系统。由此看来，现有技术要实现悬浮转子在五个自由度上的稳定悬浮，需用到两个磁悬浮轴承进行组合。然后由于电动汽车对车载飞轮电池安装空间有限制，这样的组合势必影响飞轮的体积和重量。此外，这类磁轴承的径向定子采用柱面结构，相应的磁轴承转子也采用圆柱轴结构，这种结构的磁轴承虽能保证飞轮电池的稳定悬浮运行，但当飞轮电池受到外界干扰时，这类柱面设计结构不可避免会引起陀螺效应。由于车载飞轮电池在遇到启动、急停、转弯等动作时，都会引起飞轮轴在约束方向上受到很大的陀螺力矩，从而使飞轮轴受到很大的附加压力，因此常规的磁悬浮轴承支撑结构不能避免车载飞轮电池的陀螺效应的产生。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的磁悬浮轴承支撑结构不能避免车载飞轮电池产生陀螺效应的问题，提出一种结构简单、集成度高、体积小、抗干扰能力强、能避免陀螺效应产生的新型车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承。

本发明一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承通过以下技术方案实现：转子外同轴套有径向定子和轴向定子，所述转子最中间是粗圆柱体，粗圆柱体的上下两端各通过一个圆台体平滑连接一个细圆柱体，上圆台体侧壁是上凸锥球面，下圆台体侧壁是下凸锥球面；所述径向定子由在轴向上下对称布置的上部径向定子和下部径向定子组成，上部径向定子和下部径向定子的轭部各自沿圆周方向均匀布置三个上部径向定子极和下部径向定子极，每个上部和下部径向定子极上都绕有径向控制线圈，每个上部径向定子极的极靴表面是正对着所述上凸锥球面且其间留有径向气隙的上凹锥球面，每个下部径向定子极的极靴表面是正对着所述下凸锥球面且其间留有径向气隙的下凹锥球面；所述轴向定子由上下对称布置的上部轴向定子和下部轴向定子组成，上部轴向定子和下部轴向定子各自与上部径向定子和下部径向定子轭部紧密连接，上部轴向定子和下部轴向定子内各自置放一个轴向控制线圈；在上部径向定子和下部径向定子之间紧密叠压一个环状永磁体。

进一步地，上部轴向定子同轴套在转子的上细圆柱体的外部，下部轴向定子同轴套在转子5的下细圆柱体的外部，上部轴向控制线圈和下部轴向控制线圈分别对应地同轴套在转子的上细圆柱体和下细圆柱体外，与转子之间有径向间隙，上部轴向控制线圈和下部轴向控制线圈与各自所在轴向定子腔的内壁紧密接触；上部轴向定子顶端高出转子顶端，下部轴向定子的底端低于转子底端。

本发明的优点是：

1、本发明采用五自由度集成结构，集成度高，缩短了轴向的长度，减小了飞轮电池的体积和质量，节约了材料，并有效地抑制了转子的陀螺效应。

2、本发明的磁极采用锥球面结构，与传统混合磁轴承相比，锥球面结构不但使气隙长度变长，气隙磁场分布更加均匀，漏磁通减少，而且，从运动学上讲，锥球形结构更有利于多维运动，更有利于空间上进行定位和工作，因此锥球形结构能有效抑制陀螺效应的产生。

3、本发明的定转子都采用锥球面结构，可有效减少磁轴承的轴向尺寸，当磁轴承的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、本发明在轴向控制方面采用了无推力盘的转子结构，这种结构降低了转子的质量，且减少了转轴的摩擦和风阻损失，更有利于转子的高速运行。

5、本发明采用轴向定子布置在外侧、径向定子布置在内侧的结构布局，这样轴向定子既可以作为轴向磁路的通路，又可以作为磁轴承外壳，进一步减少了磁轴承的体积与质量。

附图说明

图1为本发明的内部结构剖视图；

图2为图1中上下径向定子、环状永磁体和转子的结构装配图；

图3为图2的俯视图；

图4为图1中上下两个径向定子的立体图；

图5为图1中转子结构立体图；

图6为图1径向定子和转子的装配图；

图7为图1中上部轴向定子的立体结构图；

图8为图7中上下两个轴向定子和图5中转子的装配结构图；

图9为本发明静态被动悬浮的原理图；

图10为本发明径向二自由度平衡控制的原理图；

图11为本发明径向旋转二自由度平衡控制的原理图；

图12为本发明轴向单自由度平衡控制的原理图。

图中：1.上部轴向定子；3.上部径向定子；5.转子；6.环状永磁体；7.下部径向定子；9.下部轴向定子；11.大圆盘；12.圆环体；13.小圆盘；14上部轴向定子腔；15下部轴向定子腔；21.上部轴向控制线圈；22.下部轴向控制线圈；31、32、33.上部径向定子极；41、42、43.上部径向控制线圈；51.上细圆柱体；52.上圆台体；53.粗圆柱体；54.下圆台体；55.下细圆柱体；71、72、73.下部径向定子极；81、82、83.下部径向控制线圈；311、321、331.上凹锥球面；511.上凸锥球面；541.下凸锥球面；711，721，731.下凹锥球面。

具体实施方式

参见图1，本发明正中间是转子5，在转子5外同轴套有径向定子和轴向定子。

参见图1、图2及图3所示，径向定子由上部径向定子3和下部径向定子7组成，上部径向定子3和下部径向定子7沿转子5的轴向上同轴布置并且在轴向上下对称布置。上部径向定子3和下部径向定子7的轭部沿转子5的轴向上同轴上下布置，上部径向定子3的轭部和下部径向定子7的轭部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31、32、33和三个下部径向定子极71、72、73，三个上部径向定子极31、32、33和三个下部径向定子极71、72、73的形状完全相同，上下投影重叠。三个上部径向定子极31、32、33的上端面和下端面分别与上部径向定子3的轭部上下两端面平齐，三个下部径向定子极71、72、73的上端面和下端面分别与下部径向定子7的上下两端面平齐。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41、42、43和下部径向控制线圈81、82、83，6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31、32、33和下部径向定子极71、72、73上。

三个上部径向定子极31、32、33和三个下部径向定子极71、72、73的内端都带有极靴，极靴表面为凹锥球面，三个上部径向定子极31、32、33中的每个凹锥球面的上端是小端，下端是大端，三个下部径向定子极71、72、73中的每个凹锥球面的上端是大端，下端是小端。如图4所示，上部径向定子极31、31、32、33的极靴表面分别加工为上凹锥球面311、321、331，下部径向定子极71、72、73的极靴表面分别加工为下凹锥球面711、721、731，上凹锥球面311、321、331和下凹锥球面711、721、731在轴向上下对称布置。

如图5所示，转子5是轴向上是上下对称的结构，最中间是一个中空的粗圆柱体53，粗圆柱体53的上下两端各通过一个中空的圆台体平滑连接一个中空的细圆柱体。粗圆柱体53的外径大于细圆柱体的外径，但粗圆柱体53、圆台体和细圆柱体中间孔的内径均相等。具体是：粗圆柱体53的上端同轴平滑连接上圆台体52的下端，上圆台体52的上端同轴平滑连接上细圆柱体51，粗圆柱体53的下端同轴平滑连接下圆台体54的上端，下圆台体54的下端同轴平滑连接下细圆柱体55。上圆台体52的上端是小端，外径等于细圆柱体的外径，上圆台体52的下端是大端，外径等于粗圆柱体42的外径。下圆台体54的上端是大端，外径等于等于粗圆柱体53的外径；下圆台体54的下端是小端，外径等于细圆柱体的外径。上圆台体52和下圆台体54相对粗圆柱体53的中心上下对称布置。上圆台体52的侧壁为凸锥球面结构，即上凸锥球面511，下圆台体54的侧壁也是凸锥球面结构，即下凸锥球面541。

结合图1至图6，上圆台体52的上凸锥球面511正对着上部径向定子极31、32、33的上凹锥球面311、321、331，其间留有0.5mm的径向气隙。下圆台体54的下凸锥球面541正对着下部径向定子极71、72、73的下凹锥球面711、721、731，其间留有0.5mm的径向气隙。上圆台体52、下圆台体54与上部径向定子极31、32、33、三个下部径向定子极71、72、73在轴向上的厚度均相等，即上圆台体52、下圆台体54与上部径向定子3和下部径向定子7在轴向上的厚度均相等。

当转子5处于平衡位置时，转子5的上凸锥球面511和上部径向定子3的上部定子极31、32、33的上凹锥球面311、321、331的球心重合，转子5的下凸锥球面541和下部径向定子7的下部定子极71、72、73的下凹锥球面711、721、731的球心重合。

如图1所示，轴向定子分为上部轴向定子1和下部轴向定子9，上部轴向定子1和下部轴向定子9形状完全相同，上下对称布置，分别通过叠压的方式与上部径向定子3和下部径向定子7的轭部紧密连接。上部轴向定子1在上部径向定子3的正上方，且同轴套在转子5外，下部轴向定子9在下部径向定子7的正下方，也同轴套在转子5外。

如图7所示，上部轴向定子1是由一个大圆盘11、一个小圆盘13以及一个圆环体12连接而成。大圆盘11的外径等于圆环体12的外径，并且大圆盘11的下端面与圆环体12的上端面相连接，小圆盘13的外壁与圆环体12的内壁相连接，小圆盘13的外径等于圆环体12的内径。小圆盘13的上端面与大圆盘11的下端面保持一定的轴向距离，以保证大圆盘11、小圆盘13以及圆环体12之间形成一个腔室，分别是上部轴向定子腔14和下部轴向定子腔15，如图1中所示，上部轴向定子腔14和下部轴向定子腔15用来安装轴向控制线圈。同时，小圆盘13的下端面与圆环体12的下端面保持一定的轴向距离，以保证小圆盘13的下端面与径向控制线圈不接触。下部轴向定子9的结构和上部轴向定子1相同，只不过在轴向上与上部轴向定子1上下对称地安装。

图8所示，上部轴向定子1同轴套在转子5的上细圆柱体51的外部，下部轴向定子9同轴套在转子5的下细圆柱体55的外部。上部轴向定子1中的大圆盘11的下端面与上细圆柱体51的上端面平齐，因此上部轴向定子1顶端高出转子5顶端，正好高出大圆盘11的轴向厚度。下部轴向定子9的大圆盘11的上端面与转子5的下下细圆柱体55下端面平齐，因此下部轴向定子9的底端低于转子5底端，正好低出大圆盘11的轴向厚度。大圆盘11内径等于转子5的上细圆柱体51和下细圆柱体55的外径，小圆盘13的内径小于上细圆柱体51和下细圆柱体55的外径，小圆盘13内壁与上细圆柱体51和下细圆柱体55的外壁之间留有0.5mm的径向气隙。

再结合图1，上部轴向定子1的圆环体12的下表面与上部径向定子3轭部上表面紧密连接，下部轴向定子9的圆环体12的上表面与下部径向定子7轭部下表面紧密连接，并且上部轴向定子1的外径和上部径向定子3的外径、下部轴向定子9的外径和下部径向定子7的外径均相等。圆环体12的内径和外径分别与上部径向定子3和下部径向定子7的轭部的内外径相等。上部轴向定子1的小圆盘13的下表面不与上部径向控制线圈41、42、43相互接触。下部轴向定子9的小圆盘13的上表面不与下部径向控制线圈81、82、83相互接触。上部轴向定子1的圆环体12内壁与上部径向控制线圈41、42、43不接触、不干涉。上部轴向定子9的圆环体12内壁与下部径向控制线圈81、82、83不接触、不干涉。

结合图1，在上部轴向定子腔14和下部轴向定子腔15中各置放一个轴向控制线圈，分别对应的是上部轴向控制线圈21和下部轴向控制线圈22。上部轴向控制线圈21和下部轴向控制线圈22分别同轴套在转子5的上细圆柱体51和下细圆柱体55外，与转子5之间有一定的径向间隙。上部轴向控制线圈21和下部轴向控制线圈22与各自所在轴向定子腔的圆环体12的内壁紧密接触，当上部轴向控制线圈21和下部轴向控制线圈22通电时，分别能在各自所在轴向定子腔的圆环体12内产生轴向控制磁场。

参见图1和图2所示，在上部径向定子3和下部径向定子7之间紧密叠压一个环状永磁体6，环状永磁体6的上端面与上部径向定子3轭部下端面相连接，环状永磁体6的下端面与上部径向定子3轭部上端面相连接。环状永磁体6的外径等于上部径向定子3和下部径向定子7的外径，环状永磁体6的内径等于上部径向定子3和下部径向定子7的轭部的内径。环状永磁体6沿轴向充磁，上端是N极，下端是S极。

本发明工作时，能实现转子5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，对上部轴向控制线圈21和下部轴向控制线圈22通以直流电与上部轴向定子1和下部轴向定子9组成电磁铁，通过改变直流电的大小和方向来改变转子5在轴向上的受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制。在径向控制方面，对置于转子5的上下侧各一组三磁极上部径向定子3和下部径向定子7的上部径向控制线圈41、42、43和下部径向控制线圈81、82、83通以交流三相电，通过改变径向控制线圈的电流大小，实现了径向上四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9，环形永磁体6产生的偏置磁通如虚线及其箭头所示，环形永磁体6产生的偏置磁通从环形永磁体6的N极开始经过上部径向定子极31，在上部径向定子3中分为两路，一路依次经过上部径向定子极31、上部径向气隙、转子5、下部径向气隙、下部径向定子极71，最后回到环形永磁体6的S极。另一路依次进入上部轴向定子1、上部轴向气隙、转子5、下部轴向定子9的大圆盘11、下部轴向气隙，下部轴向定子9和下部径向定子71，最后回到环形永磁体6的S极。当转子5处于中心平衡位置时，转子5的中心轴与磁轴承的轴向中心轴Z重合。在径向上，转子5的上圆台体52和下圆台体54的凸锥球面与上部径向定子极31和下部径向定子极71的凹锥球面之间的气隙磁通完全相等，因此转子5在径向上受电磁力平衡，实现转子5径向稳定悬浮。轴向上，上部轴向定子1的圆环体12的内壁与转子5上端面之间的轴向气隙磁通和下部轴向定子9的圆环体12的内壁与转子5下端面之间的轴向气隙磁通完全相等，转子5在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现转子5轴向上的稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图10，当转子5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41、42、43与下部径向控制线圈81，82，83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5回到径向平衡位置。假设转子5在径向X轴正方向上受到扰动而偏移平衡位置，上部径向控制线圈41、42、43与下部径向控制线圈81，82，83通电，产生的控制磁通如图10中粗实线及其箭头所示，环形永磁体6产生的偏置磁通如图10中的虚线及其箭头所示，经过上部径向定子极31、33以及下部径向定子极71、73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32、下部径向定子极72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5受到X负方向的磁拉力F1、F2而回到平衡位置。

径向扭转二自由度平衡的实现：参见图11，当转子5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41、42、43与下部径向控制线圈81、82、83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5回到径向平衡位置。假设转子5受到扰动在X正方向上发生扭转，扭转角度为，由上部径向控制线圈41、42、43通电后产生的控制磁通如图11中粗实线及其箭头所示，环形永磁体6产生的偏置磁通如图11中的虚线及其箭头所示，可以看出，上部径向定子极31、33中的偏置磁通和控制磁通方向相反，上部径向定子极31、33中的总磁通减弱，而上部径向定子极32中的转子偏置磁通和控制磁通方向相同，总磁通增强，转子5会受到X负方向的磁拉力F1。下部径向控制线圈81、82、83通电后，经过下部径向定子极71、73中的偏置磁通和控制磁通方向相同，经过下部径向定子极71、73中总磁通增强，而经过下部径向定子极72偏置磁通和控制磁通方向相反，进而总磁通减弱，转子5受到下部径向定子极71、73的磁拉力F3、F4，其合成磁拉力F2指向X正方向，因此转子5受到恢复扭转力矩使转子5回到平衡位置。

轴向单自由度主动控制的实现：参见图12，对上部轴向控制线圈21以及下部轴向控制线圈22通以直流电，当转子5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来改变上部轴向定子1与转子5之间的轴向气隙磁通和下部轴向定子9与转子5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5回到轴向参考平衡位置。例如当转子5向下偏移时，通过上部轴向控制线圈21以及下部轴向控制线圈22加载轴向控制电流产生的轴向控制磁通如图12中粗实线及其箭头所示，环形永磁体6产生的偏置磁通如图12中虚线及其箭头所示，可以看出经过上部轴向定子1与转子5之间的轴向气隙磁通方向相同，经过下部轴向定子9与转子5之间的轴向气隙磁通方向相反，上部轴向定子1与转子5之间的合成气隙磁通大于下部轴向定子9与转子5之间的合成气隙磁通。由此，转子5受到的合成电磁力F_Z向上，将转子5拉回轴向平衡位置，因此，轴向上的一个自由度得到控制。

Claims (7)

1.一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，转子（5）外同轴套有径向定子和轴向定子，其特征是：所述转子（5）最中间是粗圆柱体（53），粗圆柱体（53）的上下两端各通过一个圆台体平滑连接一个细圆柱体，上圆台体（52）侧壁是上凸锥球面（511），下圆台体（54）侧壁是下凸锥球面（541）；所述径向定子由在轴向上下对称布置的上部径向定子（3）和下部径向定子（7）组成，上部径向定子（3）和下部径向定子（7）的轭部各自沿圆周方向均匀布置三个上部径向定子极（31、32、33）和下部径向定子极（71、72、73），每个上部和下部径向定子极上都绕有径向控制线圈，每个上部径向定子极（31、32、33）的极靴表面是正对着所述上凸锥球面（511）且其间留有径向气隙的上凹锥球面（311、321、331），每个下部径向定子极（71、72、73）的极靴表面是正对着所述下凸锥球面（541）且其间留有径向气隙的下凹锥球面（711、721、731）；所述轴向定子由上下对称布置的上部轴向定子（1）和下部轴向定子（9）组成，上部轴向定子（1）和下部轴向定子（9）各自与上部径向定子（3）和下部径向定子（7）轭部紧密连接，上部轴向定子（1）和下部轴向定子（9）内各自置放一个轴向控制线圈（21、22）；在上部径向定子（3）和下部径向定子（7）之间紧密叠压一个环状永磁体（6）。

2.根据权利要求1所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：上部轴向定子（1）同轴套在转子（5）的上细圆柱体（51）的外部，下部轴向定子（9）同轴套在转子（5）的下细圆柱体（55）的外部，上部轴向控制线圈（21）和下部轴向控制线圈（22）分别对应地同轴套在转子（5）的上细圆柱体（51）和下细圆柱体（55）外，与转子（5）之间有径向间隙，上部轴向控制线圈（21）和下部轴向控制线圈（22）与各自所在轴向定子腔的内壁紧密接触；上部轴向定子（1）顶端高出转子（5）顶端，下部轴向定子（9）的底端低于转子（5）底端。

3.根据权利要求1所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：上部径向定子（3）的三个上部径向定子极（31、32、33）和下部径向定子（7）的三个下部径向定子极（71、72、73）的上下投影重叠。

4.根据权利要求1所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：上凸锥球面（511）、上凹锥球面（311、321、331）的上端是小端、下端是大端且球心重合、轴向厚度均相等；下凸锥球面（541）、下凹锥球面（711、721、731）的上端是大端、下端是小端且球心重合、轴向厚度均相等。

5.根据权利要求1所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：上部轴向定子（1）由一个大圆盘（11）、一个小圆盘（13）以及一个圆环体（12）连接而成，大圆盘（11）外径等于圆环体（12）外径，大圆盘（11）下端面与圆环体（12）上端面连接，小圆盘（13）外壁与圆环体（12）内壁相连接；小圆盘（13）的上端面与大圆盘（11）的下端面有轴向距离，之间形成置放有轴向控制线圈（21）的上部轴向定子腔（14），小圆盘（13）的下端面与圆环体（12）的下端面有轴向距离。

6.根据权利要求5所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：上部轴向定子（1）的圆环体（12）的下表面与上部径向定子（3）轭部上表面紧密连接，下部轴向定子（9）的圆环体（12）的上表面与下部径向定子（7）轭部下表面紧密连接，上部轴向定子（1）、上部径向定子（3）、下部轴向定子（9）和下部径向定子（7）的外径均相等。

7.根据权利要求1所述一种车载飞轮电池用交直流五自由度锥球面混合磁轴承，其特征是：环状永磁体（6）的外径等于上部径向定子（3）和下部径向定子（7）的外径，环状永磁体（6）的内径等于上部径向定子（3）和下部径向定子（7）的轭部的内径，环状永磁体（6）沿轴向充磁，上端是N极，下端是S极。