CN107448474B - 一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，圆柱体的转子外同轴套有轴向定子和径向定子，径向定子由沿轴向上同轴布置且轭部连为一体的上部径向定子和下部径向定子组成，上下轭部形成径向定子极腔；上部径向定子的轭部上端和下部径向定子的轭部下端各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；每个径向定子极内端表面为正对着转子的圆弧柱面；轴向定子同轴套在转子外正中间，轴向定子腔内是紧贴其内壁且套在转子外的轴向控制线圈，转子正中间外紧密套有拉力盘，轴向定子与拉力盘之间有轴向气隙，轴向定子外的正中间同轴紧密套环形永磁体；采用五自由度集成结构，缩短了轴的长度，有效抑制转子的陀螺效应。

Description

一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承

技术领域

本发明属于非机械接触式磁悬浮轴承，特别适用于对车载飞轮电池的悬浮支撑。

背景技术

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，其具有充电效率高、比能量、比功率大、质量小、无污染寿命长等优势。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。磁轴承作为飞轮电池的支撑部件，其大小对于飞轮电池的体积影响很大。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，磁悬浮轴承结构与磁路分析，介绍了现有的磁悬浮轴承按受控自由度大致可分为单自由度磁悬浮轴承、径向二自由度磁悬浮轴承以及三自由度径向-轴向混合磁轴承。通过以上几种进行不同组合可构成四自由度、五自由度磁悬浮支撑系统。因此传统飞轮电池在空间上实现五自由度稳定悬浮通常通过至少两个磁悬浮轴承的非接触式支撑被固定在真空空间内。这样，飞轮主轴的长度相对较长，势必会导致飞轮电池的体积过大，同时，飞轮主轴的长度是影响转轴所受陀螺力矩的重要因素。由于磁轴承在车载飞轮电池中除承受飞轮转子自身重量外，还承受飞轮受高速旋转飞轮产生的陀螺效应力。因此，必须缩短飞轮主轴的长度，才能有效减少车载飞轮电池的陀螺效应。

发明内容

本发明的目的为减小车载飞轮电池的体积对电动汽车空间的影响，同时减少在复杂路况下飞轮电池的陀螺效应，提出一种轴向长度相对较短、集成度高、陀螺效应得到有效抑制的新型车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：圆柱体的转子外同轴套有轴向定子和径向定子，所述径向定子由沿轴向上同轴布置且轭部连为一体的上部径向定子和下部径向定子组成，上下轭部形成径向定子腔；在径向定子腔内，上部径向定子的轭部上端和下部径向定子的轭部下端各自沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上绕有径向控制线圈；每个径向定子极内端表面为正对着转子的圆弧柱面，圆弧柱面与转子间有径向气隙；轴向定子位于径向定子腔内，同轴套在转子外的正中间，轴向定子具有轴向定子腔，轴向定子腔内是紧贴其内壁且套在转子外的轴向控制线圈；转子的正中间外紧密套有拉力盘，轴向定子与拉力盘之间有轴向气隙；轴向定子外的正中间同轴紧密套一个环形永磁体，环形永磁体径向充磁且与径向定子腔的内壁紧密连接。

进一步地，轴向定子由两个相同的圆盘、一个大圆环体及两个相同的小圆环体而成，圆盘的外径与大圆环体的外径相等，圆盘的内径与小圆环体的内径相等，大圆环体的内径大于小圆环体的外径，两个圆盘沿轴向上下面对面分布且之间同轴连接大圆环体，两个小圆环体同轴套大圆环体内，一个小圆环体一端连接一个圆盘，另一端之间留有轴向距离，这一轴向距离大于拉力盘的轴向厚度，小圆环体和大圆环体之间形成轴向定子腔。

更进一步地，拉力盘的外径大于小圆环体的外径，拉力盘的外边缘伸在轴向定子腔中。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

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

（2）由于本发明五自由度集成结构决定了飞轮电池的结构，即飞轮安装于磁轴承上方，电机设置的磁轴承下方，因此系统对磁轴承的轴向悬浮力要求高，承载力大。由于本发明轴向线圈空间大，因此可实现轴向的大承载力。

（3）本发明采用上下各一组径向三极式定子结构，不仅简化了定子结构，增大了径向定子的绕线空间，而且每极固定一集中式绕组，采用三相逆变器对三相控制线圈提供电流，因而上下径向四个自由度的控制，只需两路三相逆变功放电路即可，大大减少了功放的体积与成本。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定子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.

（4）本发明实现了轴向偏置磁通与径向偏置磁通数量大小上完全相等，互不影响，轴向控制磁路居中，径向控制磁路居于两侧，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。

（5）本发明充分利用了径向定子空间，将轴向定子置于径向定子之间，由此轴向控制线圈也随之放在径向定子腔内，减小了磁轴承的轴向尺寸，极大限度减少转子的陀螺效应，并且结构进一步紧凑。

（6）本发明中的充磁永磁体加装于轴向定子外壁与径向定子腔内壁之间，而不是安装于径向定子腔壁中，使得定子腔一体成形，简化了加工工艺，优化了磁轴承的结构、降低了制作成本。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中转子结构缩小立体图；

图4为图1中径向定子和转子的局部结构缩小装配图；

图5为图1中轴向定子主视图；

图6为图1中轴向定子和转子的装配结构缩小主视图；

图7为图1中径向定子、轴向定子以及环形永磁体的装配结构图；

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为本发明工作时径向旋转二自由度平衡控制的原理图；

图11为本发明工作时轴向单自由度平衡控制的原理图。

图中：1.上部径向定子；11,12,13.上部径向定子极；21,22,23.上部径向控制线圈；31,32,33.下径向控制线圈；4.轴向定子；41.圆盘；42.大圆环体；43.小圆环体；5.环形永磁体；6.轴向控制线圈；7.拉力盘；8.转子；9.下部径向定子；91,92,93.下部径向定子极；14.径向定子腔；15.轴向定子腔。

具体实施方式

参见图1图2所示，本发明正中间是转子8，在转子8外同轴套有轴向定子4和径向定子。径向定子由上部径向定子1和下部径向定子9组成，上部径向定子1和下部径向定子9沿转子8的轴向上同轴布置。上部径向定子1和下部径向定子9的轭部沿转子8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腔14。

上部径向定子1的上端面和转子8的上端面平齐，下部径向定子9的下端面和转子8的下端面平齐。

在径向定子腔14内，上部径向定子1的轭部上端和下部径向定子8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91、92、93，三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极91、92、93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91、92、93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31、32、33，6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91、92、93上。

三个上部径向定子极11、12、13和三个下部径向定子极91、92、93的内端都带有极靴，极靴表面为圆弧柱面。当转子8处于径向平衡状态时，上部径向定子极11、12、13和下部径向定子极91、92、93的极靴表面正对着的转子8柱面外壁，其间保持0.5mm的径向气隙。

如图3所示，转子8为圆柱体，在转子8的正中间外套有拉力盘7，拉力盘7为圆盘体，拉力盘7以过盈配合的方式紧密套在转子8上，拉力盘7的上端面到转子8上端面的距离等于拉力盘7的下端面到转子8下端面的距离。

图4仅以上部径向定子极11和下部径向定子极91与转子8的布置结构为图例说明：当转子8处于径向平衡位置时，上部径向定子极11的极靴表面到转子8的柱面间保持0.5mm的径向气隙，下部径向定子极91的极靴表面到转子8的柱面间也保持0.5mm的径向气隙，分别是上部径向气隙和下部径向气隙。

如图1所示，轴向定子4位于径向定子腔14内，轴向定子4为中空圆柱形，同轴套在转子8外的正中间。轴向定子4在轴向上位于上部径向控制线圈21、22、23和下部径向线圈31、32、33之间的正中间，并且与径向控制线圈不接触。轴向定子4的上表面到上部径向定子极11、12、13下表面的距离等于轴向定子4的上表面到下部径向定子极91、92、93的距离。

如图5所示，轴向定子4由两个相同的圆盘41、一个大圆环体42及两个相同的小圆环体43连接而成。圆盘41的外径与大圆环体42的外径相等，圆盘41的内径与小圆环体43的内径相等，大圆环体42的内径大于小圆环体43的外径。两个圆盘41沿轴向上下面对面分布，在两个圆盘41之间同轴连接大圆环体42。两个小圆环体43同轴套大圆环体42内，且沿轴向上下面对面分布，一个小圆环体43一端连接一个圆盘41，另一端之间留有一定的轴向距离，并且这一距离大于拉力盘7的轴向厚度1mm，可以容纳拉力盘7伸在两个小圆环体43之间。小圆环体43同轴套大圆环体42后，由于大圆环体42的内径大于小圆环体43的外径，所以两者之间形成了一个轴向定子腔15。

拉力盘7的外径要大于小圆环体43的外径，拉力盘7的外边缘伸在轴向定子腔15中。

再由图1所示，在轴向定子腔15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15的内壁，且同套在转子8外，与拉力盘7之间留有径向间隙。

如图6所示，当转子8处于平衡位置时，轴向定子4沿轴向上下分布两个小圆环体43分别与拉力盘7的上端面和下端面保持0.5mm的轴向间隙。两个小圆环体43的内壁与转子8保持1mm的径向间隙。

如图1所示，在轴向定子4外的正中间同轴紧密套一个环形永磁体5，环形永磁体5采用高性能稀土材料钕铁硼制成，径向充磁，径向的外端是N极，内端是S极。环形永磁体5通过过盈配合外套在轴向定子4的大圆环体42上，再通过冷压焊的方式与径向定子腔14的内壁紧密连接。在轴向上，环形永磁体5处于上部径向磁极11、12、13与下部径向定子极91、92、93之间，并且，环形永磁体5的上表面到上部径向磁极11、12、13的下表面的距离等于环形永磁体5的下表面到下部径向磁极91、92、93的下表面的距离。环形永磁体5的内径等于轴向定子4的大圆环体41的外径，环形永磁体5的外径等于径向定子腔14的内径。环形永磁体5的轴向厚度要小于轴向定子4的轴向厚度。

如图7所示，以上部径向定子极11和下部径向定子极91为例说明：轴向定子4与环形永磁体5都处于上部径向定子极11和下部径向定子极91之间，轴向定子4的上下两个圆盘41到对应地的上部径向定子极11下表面和下部径向定子极91的上表面的距离相等。环形永磁体5的上表面到上部径向定子极11的下表面的距离也等于环形永磁体5的下表面到下部径向定子极91的下表面的距离。在径向上，环形永磁体5紧密连接在径向定子腔14和轴向定子4的大圆环体42的外壁之间。

本发明工作时，能实现转子8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定子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：

静态被动悬浮的实现：参见图8，环形永磁体5产生的偏置磁通从环形永磁体7的N极出发经过径向定子腔14的外壁分为两路：一路经过上部径向定子极11，再依次进入径向气隙、转子8、拉力盘7、上部轴向气隙、轴向定子4，最后回到环形永磁体5的S极。另一路经过下部径向定子极91，再依次进入径向气隙、转子8、拉力盘7、下部轴向气隙、轴向定子4，最后回到环形永磁体5的S极。当转子8处于中心平衡位置时，转子8的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合。在径向上，上部径向定子极11和下部径向定子极91与转子8之间的气隙磁通完全相等。因此转子8在径向上受电磁力平衡，实现转子8径向稳定悬浮。在径向上，拉力盘7与轴向定子4间的上部轴向磁通和下部轴向磁通相等，拉力盘7在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现了转子8轴向上的稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图9，当转子8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31、32、33通电，其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8回到径向平衡位置。假设转子8在径向X轴负方向上受到扰动而偏移平衡位置，对上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈31、32、33通电，产生的控制磁通如图9中粗实线及箭头所示，环形永磁体5产生的偏置磁通如图9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91、93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12、下部径向定子极92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8受到X负方向的磁拉力F1、F2而回到平衡位置。

径向扭转二自由度的实现：参见图10，当转子8在径向扭转二自由度（）受到干扰而偏离平衡位置时，依然根据上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈31、32、33被通电后，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8回到径向平衡位置。假设转子8受到扰动，在X正方向上发生扭转，扭转角度为，上部径向控制线圈21、22、23与下部径向控制线圈31、32、33被通电后产生的控制磁通如图10中粗实线及箭头所示，环形永磁体5产生的偏置磁通如图10中的虚线及箭头所示，可以看出，上部径向定子极11、13中的偏置磁通和控制磁通方向相反，上部径向定子极11、13中的总磁通减弱，而上部径向定子极12中的转子偏置磁通和控制磁通方向相同，总磁通增强，转子8受到X负方向的磁拉力F1。下部径向控制线圈31、32、33通电后，经过下部径向定子极91、93中的偏置磁通和控制磁通方向相同，经过下部径向定子极91、93中总磁通增强，而经过下部径向定子极92偏置磁通和控制磁通方向相反，进而总磁通减弱，转子8到下部径向定子极91、93的磁拉力F3、F4，其合成磁拉力F2指向X正方向，因此转子8受到恢复扭转力矩使转子8回到平衡位置。

参见图11，对轴向控制线圈6通以直流电，当转子8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，进而改变拉力盘7与轴向定子4间的下上各处轴向气隙的大小。在轴向气隙处产生磁吸力使拉力盘7回到轴向参考平衡位置。例如，当拉力盘7向上偏移时，改变轴向控制线圈6内部电流的大小或方向，就会使得上部轴向气隙中轴向控制磁通与偏执磁通方向相反，上部轴向磁通减弱，下部轴向气隙中轴向控制磁通与偏执磁通方向相同，下部轴向磁通增强。这样，上部轴向气隙磁通小于下部轴向气隙磁通的大小。由此，转子8受到的合成电磁力F_Z向下，将转子8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五自由度混合磁轴承，圆柱体的转子（8）外同轴套有轴向定子（4）和径向定子，其特征是：所述径向定子由沿轴向上同轴布置且轭部连为一体的上部径向定子（1）和下部径向定子（9）组成，上下轭部形成径向定子腔（14）；在径向定子腔（14）内，上部径向定子（1）的轭部上端和下部径向定子（9）的轭部下端各自沿圆周方向均匀布置三个径向定子极，每个径向定子极上绕有径向控制线圈；每个径向定子极内端表面为正对着转子（8）的圆弧柱面，圆弧柱面与转子（8）间有径向气隙；所述轴向定子（4）位于径向定子腔（14）内，同轴套在转子（8）外的正中间，轴向定子（4）具有轴向定子腔（15），轴向定子腔（15）内是紧贴其内壁且套在转子（8）外的轴向控制线圈（6）；转子（8）的正中间外紧密套有拉力盘（7），轴向定子（4）与拉力盘（7）之间有轴向气隙；轴向定子（4）外的正中间同轴紧密套一个环形永磁体（5），环形永磁体（5）径向充磁且与径向定子腔（14）的内壁紧密连接。

2.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，其特征是：轴向定子（4）由两个相同的圆盘（41）、一个大圆环体（42）及两个相同的小圆环体（43）而成，圆盘（41）的外径与大圆环体（42）的外径相等，圆盘（41）的内径与小圆环体（43）的内径相等，大圆环体（42）的内径大于小圆环体（43）的外径，两个圆盘（41）沿轴向上下面对面分布且之间同轴连接大圆环体（42），两个小圆环体（43）同轴套大圆环体（42）内，一个小圆环体（43）一端连接一个圆盘（41），另一端之间留有轴向距离，这一轴向距离大于拉力盘（7）的轴向厚度，小圆环体（43）和大圆环体（42）之间形成轴向定子腔（15）。

3.根据权利要求2所述的一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，其特征是：拉力盘（7）的外径大于小圆环体（43）的外径，拉力盘（7）的外边缘伸在轴向定子腔（15）中。

4.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，其特征是：环形永磁体（5）的轴向厚度小于轴向定子（4）的轴向厚度。

5.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，其特征是：上部径向定子（1）的上端面和转子（8）的上端面平齐，下部径向定子（9）的下端面和转子（8）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五自由度混合磁轴承，其特征是：三个上部径向定子极和三个下部径向定子极的形全相同，上下投影重叠。

7.根据权利要求1所述的一种车载飞轮电池用五自由度混合磁轴承，其特征是：三个上部径向定子极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的下端面和下部径向定子（9）的轭部下端面平齐。