本發(fā)明涉及非機械接觸磁懸浮軸承，特指一種交直流五自由度混合磁軸承，適用于電動汽車的車載飛輪電池的磁懸浮支承。

背景技術(shù)：

目前，制約電動汽車發(fā)展的主要難題是車載動力電池的性能。車載飛輪電池是利用磁懸浮支承和飛輪的旋轉(zhuǎn)慣量來實現(xiàn)能量存儲的，其具有充電效率高、比功率大、質(zhì)量小、無污染和壽命長等優(yōu)勢?，F(xiàn)有飛輪電池通常是采用電磁-永磁混合型磁軸承作為飛輪轉(zhuǎn)子的支承，實現(xiàn)徑向和軸向五個自由度的懸浮。這種混合型磁軸承的定子是圓柱形結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子也采用圓柱形。采用這種結(jié)構(gòu)的磁軸承雖能保證飛輪電池的穩(wěn)定懸浮運行，但當(dāng)飛輪電池受到外界干擾時，不可避免會引起陀螺效應(yīng)。由于車載飛輪電池裝置在車輛啟動、急停、轉(zhuǎn)彎等動作時，都會引起飛輪軸在約束方向上受到很大的陀螺力矩，從而使飛輪軸或磁軸承受到很大的附加壓力，因此現(xiàn)有的磁軸承結(jié)構(gòu)很難避免陀螺效應(yīng)的產(chǎn)生。另外，現(xiàn)有磁軸承在軸向控制的設(shè)計上，通常通過在轉(zhuǎn)子上加裝推力盤來實現(xiàn)，這樣的設(shè)計不但加重了轉(zhuǎn)子的質(zhì)量而且在飛輪電池高速運轉(zhuǎn)時也加大了旋轉(zhuǎn)軸的摩擦和風(fēng)阻損失；此外，推力盤會增加轉(zhuǎn)子圓周線速度，限制了轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有飛輪電池用磁軸承存在的轉(zhuǎn)子質(zhì)量加重、易產(chǎn)生陀螺效應(yīng)等問題，提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕且能抑制陀螺效應(yīng)的車載飛輪電池用交直流五自由度雙球面混合磁軸承。

本發(fā)明一種車載飛輪電池用交直流五自由度雙球面混合磁軸承通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：轉(zhuǎn)子外同軸套有軸向定子和徑向定子，所述徑向定子由軛部連為一體的上、下部徑向定子同軸布置組成，上下軛部形成徑向定子極腔，上部徑向定子軛部上端和下部徑向定子軛部下端各自沿圓周方向均勻布置三個徑向定子極，每個徑向定子極的內(nèi)端表面均為凹球面，在每個徑向定子極上繞有徑向控制線圈；所述轉(zhuǎn)子最中間是中間圓柱體，上下兩端各是相同的上端柱體和下端柱體，中間圓柱體的上下兩端分別是連接上端柱體的上連接體和連接下端柱體的下連接體，上、下端柱體的側(cè)壁均為凸球面；上、下部徑向定子極內(nèi)端的每個凹球面上下對應(yīng)地正對著上、下端柱體的凸球面，凹球面和凸球面之間有氣隙，正對著的凹球面和凸球面的球心重合；所述中間圓柱體外固定嵌套軸向定子，軸向定子由結(jié)構(gòu)相同且同軸布置的圓盤形的上、下部軸向定子組成，上、下部軸向定子之間疊壓圓盤形的隔磁鋁環(huán)，上、下部軸向定子和隔磁鋁環(huán)的內(nèi)腔形成軸向定子腔，軸向定子腔內(nèi)是緊貼其內(nèi)壁的軸向控制線圈；上部軸向定子的上側(cè)和下部軸向定子的下側(cè)各裝有一個緊密疊壓在軸向定子和徑向定子極之間的環(huán)形永磁體，上、下部環(huán)形永磁體的結(jié)構(gòu)相同且均軸向充磁，充磁方向相反。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

1、本發(fā)明雙球面混合磁軸承的定子和轉(zhuǎn)子相對面都采用球面結(jié)構(gòu)，可有效減少磁軸承的軸向尺寸，當(dāng)磁軸承的轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)或偏移時，電磁力會指向轉(zhuǎn)子球心，從而降低定子磁極對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的干擾力矩，提高磁軸承的控制精度。定子和轉(zhuǎn)子的球面結(jié)構(gòu)還能夠消除陀螺效應(yīng)的產(chǎn)生，球面結(jié)構(gòu)更有利于多維運動，更加有利于空間上進行定位和工作，另外，球面結(jié)構(gòu)使得氣隙磁場分布更加均勻和對稱，便于對轉(zhuǎn)子進行控制與分析。

2、本發(fā)明充分利用磁軸承的徑向定子空間，將永磁體分別安裝在上徑向定子腔和下徑向定子腔中，減小了磁軸承的軸向尺寸，極大限度抑制了轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)，并且結(jié)構(gòu)進一步緊湊。

3、本發(fā)明在軸向控制方面采用了無推力盤的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，且減少了旋轉(zhuǎn)軸的摩擦和風(fēng)阻損失，更有利于轉(zhuǎn)子的高速運行，提高了軸向的控制精度。

4、本發(fā)明的軸向線圈空間大，因此可實現(xiàn)軸向的大承載力。

5、本發(fā)明采用五自由度集成結(jié)構(gòu)，集成度高，縮短了軸的長度，減小了飛輪電池的體積，節(jié)約了材料。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2為本發(fā)明的俯視圖；

圖3為圖1中徑向定子的局部結(jié)構(gòu)圖；

圖4為圖1中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)立體圖；

圖5為圖3中徑向定子和圖4中轉(zhuǎn)子的裝配結(jié)構(gòu)圖；

圖6為圖1中軸向定子的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖7為圖6中軸向定子和圖4中轉(zhuǎn)子的裝配結(jié)構(gòu)圖；

圖8為圖1中徑向定子、徑向控制線圈、軸向定子以及環(huán)形永磁體的裝配結(jié)構(gòu)主視圖；

圖9為本發(fā)明靜態(tài)被動懸浮的原理圖；

圖10為本發(fā)明徑向二自由度平衡控制的原理圖；

圖11為本發(fā)明徑向旋轉(zhuǎn)二自由度平衡控制的原理圖；

圖12為本發(fā)明軸向單自由度平衡控制的原理圖。

圖中：1.上部徑向定子；5.軸向定子；6.軸向控制線圈；7.轉(zhuǎn)子；8.下部徑向定子；11、12、13.上部徑向定子極；16.徑向定子極腔；17.軸向定子腔；21、22、23.上部徑向控制線圈；31.上部環(huán)形永磁體；32.下部環(huán)形永磁體；41.上部隔磁鋁環(huán)；42.隔磁鋁環(huán)；43.下部隔磁鋁環(huán)；51.上部軸向定子；52.下部軸向定子；53.大圓盤；54.中間圓環(huán)體；55.小圓盤；71.上端柱體；72.上連接體；73.中間圓柱體；74.下連接體；75.下端柱體；81、82、83.下部徑向定子極；91、92、93.下部徑向線圈；211.上凹球面；711.上凸球面；751.下凸球面；811.下凹球面。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本發(fā)明正中間是轉(zhuǎn)子7，在轉(zhuǎn)子7外同軸套有軸向定子5和徑向定子。

徑向定子由上部徑向定子1和下部徑向定子8組成，上部徑向定子1和下部徑向定子8沿轉(zhuǎn)子7的軸向上同軸布置。上部徑向定子1和下部徑向定子8的軛部沿轉(zhuǎn)子7的軸向上同軸上下布置，并且上下軛部連為一體，上下軛部形成一個中空圓柱體，該中空圓柱體的內(nèi)腔即是徑向定子極腔16。

上部徑向定子1的上端面和轉(zhuǎn)子7的上端面平齊，下部徑向定子8的下端面和轉(zhuǎn)子7的下端面平齊。

在徑向定子極腔16內(nèi)，上部徑向定子1的軛部上端和下部徑向定子8的的軛部下端各自沿圓周方向均勻布置三個徑向定子極，分別是三個上部徑向定子極11、12、13和三個下部徑向定子極81、82、83，三個上部徑向定子極11、12、13和三個下部徑向定子極81、82、83的形狀完全相同，上下投影重疊。三個上部徑向定子極11、12、13的上端面和上部徑向定子1的軛部上端面平齊，三個下部徑向定子極81、82、83的下端面和下部徑向定子8的軛部下端面平齊。在每個徑向定子極上繞有徑向控制線圈，分別是上部徑向控制線圈21、22、23和下部徑向線圈91、92、93，6個完全相同的徑向控制線圈一一對應(yīng)地繞制于上部徑向定子極11、12、13和下部徑向定子極81、82、83。

三個上部徑向定子極11、12、13和三個下部徑向定子極81、82、83的內(nèi)端都帶有極靴，極靴表面為凹球面。如圖3所示，僅以上部徑向定子極11和下部徑向定子極81為圖例說明：上部徑向定子極11的極靴表面加工為上凹球面111，下部徑向定子極81的極靴表面加工為下凹球面811。

如圖4所示，轉(zhuǎn)子7是在軸向上上下對稱的結(jié)構(gòu)，最中間是一個中間圓柱體73，上下兩端各是相同的中空的柱體，分別是上端柱體71和下端柱體75。在中間圓柱體73的上下兩端分別是連接上端柱體71的上連接體72和連接下端柱體75的下連接體74。上端柱體71和下端柱體75的側(cè)壁為凸球面結(jié)構(gòu)，上端柱體71的側(cè)壁是上凸球面711，下端柱體75的側(cè)壁是下凸球面751。整個轉(zhuǎn)子7在軸向上外徑由中間向兩端逐漸增大，中間圓柱體73的外徑要小于上連接體72和下連接體74的外徑，上連接體72和下連接體74的外徑與上端柱體71和下端柱體75的上下端面外徑相等。

如圖1所示，三個上部徑向定子極11、12、13和三個下部徑向定子極81、82、83內(nèi)端的每個凹球面上下對應(yīng)地在徑向上正對著轉(zhuǎn)子7的上端柱體71和下端柱體75的凸球面，凹球面和凸球面之間保持0.5mm的徑向氣隙，凹球面和凸球面在軸向上的厚度相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子7處于平衡位置時，轉(zhuǎn)子7的上凸球面711和上部徑向定子極11、12、13的凹球面的球心重合，轉(zhuǎn)子7的下凸球面751和下部徑向定子極81、82、83的凹球面的球心重合。圖5僅以上部徑向定子極11和下部徑向定子極81與轉(zhuǎn)子7的布置結(jié)構(gòu)為圖例說明：上部徑向定子極11的上凹球面211與轉(zhuǎn)子7的上凸球面711在徑向上相配，兩者之間留有0.5mm徑向間隙；下部徑向定子極81的下凹球面811與轉(zhuǎn)子7的下凸球面751在徑向上相配，兩者之間留有0.5mm徑向間隙。

如圖1所示，在轉(zhuǎn)子7的中間圓柱體73外，位于徑向定子極腔16內(nèi)的中間固定嵌套圓盤形的軸向定子5，軸向定子5在軸向上位于上部徑向控制線圈21、22、23和下部徑向線圈91、92、93之間，并且與徑向控制線圈不接觸。軸向定子5由上部軸向定子51和下部軸向定子52組成，上部軸向定子51和下部軸向定子52的結(jié)構(gòu)相同，都是圓盤形，沿中間圓柱體73的軸向上下同軸布置。在上部軸向定子51和下部軸向定子52之間固定疊壓一個圓盤形的隔磁鋁環(huán)42，上部軸向定子51、下部軸向定子52和隔磁鋁環(huán)42的外徑均與徑向定子極腔16的內(nèi)徑相同，并且均固定連接在徑向定子極腔16的內(nèi)壁上。上部軸向定子51、下部軸向定子52和隔磁鋁環(huán)42的內(nèi)腔形成軸向定子腔17，在軸向定子腔17內(nèi)通過線圈架同軸固定一個軸向控制線圈6，軸向控制線圈6緊貼軸向定子腔17的內(nèi)壁，且同套在中間圓柱體73外，與中間圓柱體73之間留有間隙。

如圖6和圖1所示，軸向定子5的上部軸向定子51和下部軸向定子52各由一個大圓盤53、一個中間圓環(huán)體54以及一個小圓盤55在軸向上依序連接組成。隔磁鋁環(huán)42疊壓在上下兩個相同的大圓盤53之間，隔磁鋁環(huán)42的內(nèi)外徑與大圓盤53的內(nèi)外徑對應(yīng)相等。大圓盤53端面經(jīng)中間圓環(huán)體54連接小圓盤55，中間圓環(huán)體54的內(nèi)徑等于大圓盤53的內(nèi)徑，中間圓環(huán)體54的外徑等于小圓盤55的外徑但遠(yuǎn)小于大圓盤53的外徑，小圓盤55的內(nèi)徑小于大圓盤53的內(nèi)徑，如此，在小圓盤55的外壁和大圓盤53的外壁之間形成臺階，具有徑向空隙。上部軸向定子51的小圓盤55的上端面距離上部徑向定子極11、12、13的軸向距離與下部軸向定子52的小圓盤55的下端面距離下部徑向定子極81、82、83的軸向距離相等。軸向控制線圈6緊貼在兩個中間圓環(huán)體54和兩個大圓盤53的內(nèi)壁上，當(dāng)軸向控制線圈6通電時，圓環(huán)體54內(nèi)能產(chǎn)生軸向控制磁場。

如圖7所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子7處于平衡位置時，上部軸向定子51的小圓盤55的上端面與轉(zhuǎn)子7的上連接體72的下端面在軸向上保持0.5mm的軸向氣隙。上部軸向定子51的小圓盤55的內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子7的上連接體72的外徑相等。同樣，下部軸向定子52的小圓盤55的下端面與轉(zhuǎn)子7的下連接體74的上端面在軸向上保持0.5mm的軸向氣隙，下部軸向定子52的小圓盤55的內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子7的下連接體74的外徑相等。

如圖8和圖1所示，在上部軸向定子51的大圓盤53的上側(cè)以及下部軸向定子52的大圓盤53的下側(cè)各安裝一個環(huán)形永磁體，分別是上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32的結(jié)構(gòu)相同，均采用高性能稀土材料釹鐵硼制成，均軸向充磁，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32的充磁方向相反，永磁體的s極相面對面。環(huán)形永磁體緊密疊壓在軸向定子5和徑向定子極之間，上部環(huán)形永磁體31疊壓在上部軸向定子51的大圓盤53和上部徑向定子極11、12、13之間，下部環(huán)形永磁體32疊壓在下部軸向定子52和下部徑向定子極81、82、83之間。上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32的內(nèi)徑大于小圓盤55的外徑，這樣就保證環(huán)形永磁體與軸向定子5的中間圓環(huán)體54和小圓盤55之間留有一定的徑向間隙，保證軸向定子5內(nèi)的軸向磁路不受環(huán)形永磁體的影響。

在一個環(huán)形永磁體外套有一個隔磁鋁環(huán)，隔磁鋁環(huán)同時固定嵌套在環(huán)形永磁體的外壁和徑向定子腔軸16的內(nèi)壁上。上部環(huán)形永磁體31外套有上部隔磁鋁環(huán)41，下部環(huán)形永磁體32外套有下部隔磁鋁環(huán)43，上部隔磁鋁環(huán)41和下部隔磁鋁環(huán)43的結(jié)構(gòu)完全相同，軸向高度與上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32相等。上部隔磁鋁環(huán)41和下部隔磁鋁環(huán)43先通過過盈配合分別緊密套在上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32的外壁上，再通過冷壓焊的方式與徑向定子腔軸16的內(nèi)壁緊密連接。環(huán)形永磁體和隔磁鋁環(huán)與上部徑向控制線圈21、22、23和下部徑向線圈91、92、93之間相互不接觸、不干渉。

本發(fā)明工作時，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子7的靜態(tài)被動懸浮、徑向二自由度平衡、徑向扭轉(zhuǎn)二自由度平衡以及軸向單自由度平衡。在軸向控制方面，軸向控制線圈通以直流電與軸向定子組成電磁鐵，通過改變控制直流電的大小和方向來改變軸向上轉(zhuǎn)子受力大小與方向，從而實現(xiàn)對軸向一個自由度的控制。在徑向控制方面，置于上下各一組三磁極徑向球面定子上的徑向控制線圈通以交流三相電，通過改變控制線圈電流大小，實現(xiàn)了徑向上四個自由度的精準(zhǔn)控制。具體如下：

靜態(tài)被動懸浮的實現(xiàn)：參見圖9，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32產(chǎn)生的偏置磁通如圖10中的虛線及箭頭所示，上部環(huán)形永磁體31產(chǎn)生的偏置磁通從上部環(huán)形永磁體31的n極開始經(jīng)過上部徑向定子極11，再依次經(jīng)過徑向氣隙、轉(zhuǎn)子7的上凸球面711、轉(zhuǎn)子7的上連接體72、軸向氣隙、軸向定子5的上部軸向定子51，最后回到上部永磁體31的s極。同樣，下部環(huán)形永磁體32產(chǎn)生的偏置磁通從下部環(huán)形永磁體32的n極開始經(jīng)過下部徑向定子極81，再依次經(jīng)過徑向氣隙、轉(zhuǎn)子7的下凸球面751、轉(zhuǎn)子7的下連接體74、軸向氣隙、軸向定子5的下部軸向定子52，最后回到下部環(huán)形永磁體32的s極。當(dāng)轉(zhuǎn)子7處于中心平衡位置時，轉(zhuǎn)子7的中心軸與磁軸承的軸向中心軸重合，在徑向上，轉(zhuǎn)子7的上端柱體71和下端柱體75的凸球面與上部徑向定子極11和下部徑向定子極81的凹球面之間的氣息磁通完全相等，因此轉(zhuǎn)子7在徑向上受電磁力平衡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子7徑向穩(wěn)定懸浮。軸向上，上部軸向定子51與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通和下部軸向定子52與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通完全相等，轉(zhuǎn)子7在軸向上受到的電磁力平衡，因此，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子7軸向穩(wěn)定懸浮。

徑向二自由度平衡的實現(xiàn)：參見圖10，當(dāng)轉(zhuǎn)子7在徑向二自由度x、y受到干擾而偏離平衡位置時，對上部徑向控制線圈21、22、23與下部徑向控制線圈91、92、93通電，產(chǎn)生的單磁通指向與位置偏移相反的方向，產(chǎn)生相應(yīng)的徑向控制磁懸浮力，使轉(zhuǎn)子7回到徑向平衡位置。假設(shè)轉(zhuǎn)子7在徑向y軸正方向上受到擾動而偏移平衡位置，上部徑向控制線圈21、22、23與下部徑向控制線圈91、92、93通電，產(chǎn)生的控制磁通如圖10是粗實線及箭頭所示，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32產(chǎn)生的偏置磁通如圖10中的虛線及箭頭所示，經(jīng)過上部徑向定子極11、13以及下部徑向定子極81、83中的偏置磁通和控制磁通方向相反，而總磁通減弱。上部徑向定子極22、下部徑向定子極82中的偏置磁通和控制磁通方向相同，進而總磁通增強，使得徑向在y軸負(fù)方向上的單磁通加強，轉(zhuǎn)子7受到y(tǒng)負(fù)方向的磁拉力f1、f2而回到平衡位置。

徑向扭轉(zhuǎn)二自由度平衡的實現(xiàn)：參見圖11，當(dāng)轉(zhuǎn)子7在徑向扭轉(zhuǎn)二自由度（）受到干擾而偏離平衡位置時，對上部徑向控制線圈21、22、23與下部徑向控制線圈91、92、93通電，其產(chǎn)生的單磁通指向與位置偏移相反的方向，產(chǎn)生扭矩，使轉(zhuǎn)子7回到徑向平衡位置。假設(shè)轉(zhuǎn)子7受到擾動在y正方向上發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)角度為，由上部徑向控制線圈21、22、23通電后產(chǎn)生的控制磁通如圖11中粗實線及箭頭所示，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32產(chǎn)生的偏置磁通如圖11中的虛線及箭頭所示，可以看出，上部徑向定子極21、23中的偏置磁通和控制磁通方向相反，上部徑向定子極21、23中的總磁通減弱，而上部徑向定子極22中的轉(zhuǎn)子偏置磁通和控制磁通方向相同，總磁通增強，轉(zhuǎn)子7會受到y(tǒng)負(fù)方向的磁拉力f1。下部徑向控制線圈91、92、93通電后，經(jīng)過下部徑向定子極81、83中的偏置磁通和控制磁通方向相同，經(jīng)過下部徑向定子極81、83中總磁通增強，而經(jīng)過下部徑向定子極82偏置磁通和控制磁通方向相反，進而總磁通減弱，轉(zhuǎn)子7受到下部徑向定子極81、83的磁拉力f3、f4，其合成磁拉力f2指向y正方向，因此轉(zhuǎn)子7受到恢復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)子7回到平衡位置。

軸向單自由度主動控制的實現(xiàn)：參見圖12，軸向控制線圈6通以直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子7在軸向上出現(xiàn)位置偏移時，通過改變直流控制電流的大小與方向，通過改變上部軸向定子51與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通和下部軸向定子52與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通的大小，在軸向氣隙處產(chǎn)生磁吸力使轉(zhuǎn)子7回到軸向參考平衡位置。例如當(dāng)轉(zhuǎn)子7向上偏移時，通過軸向控制線圈6加載軸向控制電流產(chǎn)生的軸向控制磁通如圖12中粗實線及箭頭所示，上部環(huán)形永磁體31和下部環(huán)形永磁體32產(chǎn)生的偏置磁通如圖12中虛線及箭頭所示，可以看出經(jīng)過上部軸向定子51與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通方向相反，經(jīng)過下部軸向定子52與轉(zhuǎn)子7之間的軸向氣隙磁通方向相同，上部軸向定子51與轉(zhuǎn)子7之間的合成氣隙磁通小于下部軸向定子52與轉(zhuǎn)子7之間的合成氣隙磁通。由此，轉(zhuǎn)子7受到的合成電磁力fz向下，將轉(zhuǎn)子7拉回軸向平衡位置，因此，軸向上的一個自由度得到控制。

根據(jù)以上所述便可以實現(xiàn)本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。