CN107387558B - 一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，转子外从上往下依次地同轴套有径向定子、永磁体和单片的轴向定子，轴向定子外套有拉力盘，拉力盘与转子同轴固定连接；径向定子的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，三个径向定子极的内端表面是圆弧柱面，该圆柱面与转子之间留有径向气隙；轴向定子内部装有轴向控制线圈，轴向控制线圈紧贴轴向定子的内壁，轴向定子的下端面与拉力盘内底面之间留有轴向气隙；环形永磁体轴向充磁且固定连接径向定子下端和轴向定子上端；径向定子采用单片结构，简化了磁轴承的结构，减轻了磁轴承的质量，降低功耗。

Description

一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承

技术领域

本发明涉及一种非机械接触式磁悬浮轴承，特指一种用于车载飞轮电池悬浮支撑的混合磁轴承。

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，质量小而且无污染。由于电动汽车空间有限，因此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。

传统交直流混合磁轴承采用径向定子为四极式，由直流偏置电流或永磁体产生偏置磁场，其缺点是功放体积过大，损耗大，成本高。相较于径向定子采用四极式结构，径向定子采用三极式结构，不仅增大了绕线的空间，而且径向两自由度的控制只需要一路三相逆变功放电路，大大减少了其功放、体积与成本。

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，介绍了现有的三极式磁悬浮混合轴承，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。这两种结构的三极式磁悬浮混合轴承的轴向定子大多采用双片结构，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。

发明内容

本发明的目的是为简化现有三极式磁悬浮混合轴承的结构，对现有三极式磁悬浮混合轴承的结构进行优化，提出一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，结构更加简洁、紧凑，并且具有质量轻、体积小、效率高及成本低等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明正中间是转子，转子外从上往下依次地同轴套有径向定子、永磁体和单片的轴向定子，轴向定子外套有拉力盘，拉力盘与转子同轴固定连接；径向定子的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，三个径向定子极的内端表面是圆弧柱面，该圆柱面与转子之间留有径向气隙；轴向定子内部装有轴向控制线圈，轴向控制线圈紧贴轴向定子的内壁，轴向定子的下端面与拉力盘内底面之间留有轴向气隙；环形永磁体轴向充磁且固定连接径向定子下端和轴向定子上端。

进一步地，拉力盘是由最上端的小圆盘、中间的圆环体以及最下的大圆盘固定连接而成，大圆盘的下端面与圆环体的下端面平齐，圆环体的外径等于小圆盘的外径，圆环体内径等于大圆盘的内径且大于小圆盘的内径，大圆盘的内径等于转子的外径，拉力盘通过大圆盘与转子过盈配合。

更进一步地，轴向定子是由一个大圆环体、圆盘以及一个小圆环体在轴向上从上至下依序同轴连接组成，大圆环体的外径等于圆盘的外径，小圆环体的内径等于圆盘的内径，大圆环体的内径大于小圆环体的外径，轴向控制线圈装在大圆环体内腔中且紧贴大圆环体的内壁；小圆环体下端面与拉力盘的大圆盘上端面在轴向上保持轴向气隙。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、径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，提高设备效率，降低功耗。

2、径向定子采用单片结构不仅悬浮力稳定，而且磁路简单。由永磁体提供偏置磁通，偏置磁通是单回路。在轴向控制方面，轴向控制线圈通以直流电与单片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吸力盘受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制；在径向控制方面，径向线圈通三相交流电，通过改变控制线圈电流大小，实现了径向上两个自由度的控制。实现了轴向偏置磁通与径向上偏置磁通数量大小上完全相等，互不影响且轴向控制磁路与径向控制磁路各居一侧，方向上轴向控制磁路与径向控制磁路成90度正交，无耦合影响。

3、径向采用三极式磁轴承定子结构，仅需一个三相逆变器控制径向两自由度，因此减小了功放的体积，降低功放的成本。

附图说明

图1为本发明的内部结构剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中转子与拉力盘装配放大图；

图4为图3中转子与拉力盘和径向定子局部结构装配图；

图5为图1中轴向定子的立体结构放大图；

图6为图5中轴向定子与图3中转子与拉力盘装配结构图；

图7为图1中径向定子、径向控制线圈、轴向定子以及环形永磁体的局部结构装配图；

图8为本发明工作时静态被动悬浮的原理图；

图9为本发明工作时径向二自由度平衡控制的原理图；

图10为本发明工作时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.转子；4.永磁体；5.轴向控制线圈；6.单片轴向定子；61.大圆环体；62.圆盘；63.小圆环体；7.拉力盘；71.小圆盘；72.圆环体；73.大圆盘。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明正中间是转子3，在转子3外从上往下依次地同轴套有径向定子1、永磁体4、单片轴向定子6，轴向定子6外套拉力盘7，拉力盘7与转子3同轴固定连接。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。三个部径向定子极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一一对应地绕制于径向部径向定子极11、12、13上。三个径向定子极11、12、13的内端带有极靴，极靴内表面为圆弧柱面。

如图3所示，拉力盘7通过过盈配合紧密套在转子3外。拉力盘7是由小圆盘71、圆环体72以及大圆盘73连接而成。最上端是小圆盘71，中间是圆环体72，最下端是大圆盘73，圆环体72的上端固定连接小圆盘71，下端固定连接大圆盘73，大圆盘73的下端面与圆环体72的下端面平齐。圆环体72的外径等于小圆盘71的外径，圆环体72内径等于大圆盘73的内径且大于小圆盘71的内径。大圆盘73的内径等于转子3的外径，整个拉力盘7通过大圆盘73与转子3过盈配合。

如图1所示，三个径向定子极11、12、13的极靴圆弧柱面在径向上正对着转子3。三个径向定子极11、12、13的上端面与转子3的上端面平齐，即转子3的上端面与径向定子1的上端面平齐。当转子3处于平衡状态时，极靴圆弧柱面与转子3面之间保持0.5mm的径向气隙。

图4仅以径向定子极11与转子3的布置结构为图例说明：径向定子极11的极靴内表面与转子3在径向上相配，两者之间留有0.5mm径向间隙。径向定子极11的上表面与转子3的上端面平齐。

如图5所示，轴向定子6是由一个大圆环体61、圆盘62以及一个小圆环体63在轴向上从上至下依序同轴连接组成。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的内壁之间具有径向空隙。结合图1，在大圆环体61内腔中安装轴向控制线圈5，轴向控制线圈5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6所示，轴向定子6整体套在转子3外和套在拉力盘7内部，轴向定子6的大圆环体61的外径小于拉力盘7的小圆盘71的内径约0.5mm，轴向定子6上端面与拉力盘7上端面平齐，即轴向定子6的大圆环体61的上端面与拉力盘7的小圆盘71的上端面平齐。

当转子3处于平衡位置时，轴向定子6的下端面与拉力盘7内底面之间在轴向上保持0.5mm的轴向气隙，即小圆环体63下端面与拉力盘7的大圆盘73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3外径约3mm，这样就可保证足够大的气隙磁阻，避免转子3对小圆环体63中轴向磁场的影响。

如图7和图1所示，环形永磁体4叠压在径向定子1和轴向定子6之间，环形永磁体4轴向充磁，上端是N极，下端是S极。环形永磁体4的上端面与径向定子1轭部下端面固定相接，环形永磁体4的下端面与轴向定子6的上端面即大圆环体61上端面固定相接，这样使径向定子1、环形永磁体4和轴向定子6固定成一个整体，且环形永磁体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、外径都分别对应地相等。

本发明工作时，能实现转子3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5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3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8，环形永磁体4产生的偏置磁通如图8中的虚线及其箭头所示，环形永磁体4产生的偏置磁通从环形永磁体4的N极开始经过径向定子极11、径向气隙、转子3、然后进入拉力盘7，在拉力盘7中分为两路，一路经过轴向气隙进入轴向定子6，最后回到环形永磁体4的S极；另一路经过拉力盘7的小圆盘71内壁与轴向定子6的大圆环体61间的气隙进入轴向定子6，最后回到环形永磁体4的S极。以径向定子极11为例，当转子3处于中心平衡位置时，转子3的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合，在径向上，转子3与径向定子极11极靴表面之间产生径向气息磁通。这样，转子3与径向定子极11、12、13极靴表面之间的产生径向气息磁通完全相等，因此转子3在径向上受电磁力平衡，实现转子3径向稳定悬浮。轴向上，轴向定子6与拉力盘7间产生轴向气隙磁通，转子3受到轴向上的磁拉力与转子3重力平衡，实现转子3轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图9，当转子3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3回到径向平衡位置。假设转子3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9 中粗实线及其箭头所示，环形永磁体4产生的偏置磁通如图9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3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10，轴向控制线圈5通以直流电，当转子3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3回到轴向参考平衡位置。例如当转子3向下偏移时，通过轴向控制线圈5加载轴向控制电流，产生的轴向控制磁通如图10中粗实线及箭头所示，环形永磁体4产生的偏置磁通如图10中虚线及其箭头所示，可以看出经过轴向定子6与拉力盘7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7之间的轴向气隙磁通增强。由此，转子3受到的合成电磁力F_Z向上，将转子3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 (7)

1.一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，正中间是转子（3），其特征是：转子（3）外从上往下依次地同轴套有径向定子（1）、永磁体（4）和单片的轴向定子（6），轴向定子（6）外套有拉力盘（7），拉力盘（7）与转子（3）同轴固定连接；径向定子（1）的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，三个径向定子极的内端表面是圆弧柱面，该圆弧柱面与转子（3）之间留有径向气隙；轴向定子（6）内部装有轴向控制线圈（5），轴向控制线圈（5）紧贴轴向定子（6）的内壁，轴向定子（6）的下端面与拉力盘（7）内底面之间留有轴向气隙；环形永磁体（4）轴向充磁且固定连接径向定子（1）下端和轴向定子（6）上端。

2.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：拉力盘（7）是由最上端的小圆盘（71）、中间的圆环体（72）以及最下端的大圆盘（73）固定连接而成，大圆盘（73）的下端面与圆环体（72）的下端面平齐，圆环体（72）的外径等于小圆盘（71）的外径，圆环体（72）内径等于大圆盘（73）内径且大于小圆盘（71）内径，大圆盘（73）内径等于转子（3）外径，拉力盘（7）通过大圆盘（73）与转子（3）过盈配合。

3.根据权利要求2所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：轴向定子（6）是由一个大圆环体（61）、圆盘（62）以及一个小圆环体（63）在轴向上从上至下依序同轴连接组成，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，轴向控制线圈（5）装在大圆环体（61）内腔中且紧贴大圆环体（61）的内壁；小圆环体（63）下端面与拉力盘（7）的大圆盘（73）上端面在轴向上保持有轴向气隙。

4.根据权利要求3所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：小圆环体（63）的内径大于转子（3）外径。

5.根据权利要求3所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：环形永磁体（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、外径分别对应地相等。

6.根据权利要求3所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：大圆环体（61）的外径小于拉力盘（7）的小圆盘（71）的内径，大圆环体（61）的上端面与小圆盘（71）的上端面平齐。

7.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用交直流三自由度轴向单片混合磁轴承，其特征是：三个径向定子极上端面、下端面分别与径向定子（1）的轭部上端面、下端面平齐，径向定子极（11）的上端面与转子（3）的上端面平齐。