本發(fā)明涉及非機械接觸式磁懸浮軸承，特指一種恒流源偏置三自由度混合磁軸承，對車載飛輪電池懸浮支撐。

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，其充電效率高、比能量、比功率大，質(zhì)量小且無污染。由于電動汽車空間有限，對飛輪電池的體積的要求就相對比較高，而磁懸浮軸承是對飛輪電池提供支撐的關(guān)鍵部件，其體積大小直接影響飛輪電池的體積。期刊：《機械設(shè)計與制造》，卷期號1001-3997（2007）06-0057-03，作者：朱熀秋、陳艷、謝意志，名稱為磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)與磁路分析，介紹了現(xiàn)有的磁懸浮混合軸承大致可分為兩種基本結(jié)構(gòu)：徑向磁路與軸向磁路各居一側(cè)型與徑向磁路居中，軸向磁路兩側(cè)型。這兩種結(jié)構(gòu)的磁懸浮混合軸承的軸向定子采用雙片結(jié)構(gòu)，即拉力盤兩側(cè)各一片。這種結(jié)構(gòu)無疑增加了磁軸承的體積及質(zhì)量。

恒流源偏置磁軸承是利用功率放大器使偏置繞組通過恒定的電流提供偏置磁通的，它結(jié)合了永磁偏置磁懸浮軸承的低功耗和傳統(tǒng)主動磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)簡單的特點，相對于永磁偏置磁懸浮軸承，其偏置磁場是可控的。目前，關(guān)于恒流源偏置磁軸承的相關(guān)結(jié)構(gòu)，要么只涉及徑向結(jié)構(gòu)的磁軸承，要么只涉及軸向結(jié)構(gòu)的磁軸承，而現(xiàn)有的混合磁軸承都是通過永磁體，既提供軸向偏置磁通，也提供徑向偏置磁通。

傳統(tǒng)的磁懸浮混合磁軸承的磁軸承徑向定子通常采用柱面，相應(yīng)的磁軸承轉(zhuǎn)子也采用圓柱軸，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)飛輪電池裝置受到外界干擾時，這類柱面設(shè)計不可避免會引起陀螺效應(yīng)。由于車載飛輪電池裝置在遇到啟動、急停、轉(zhuǎn)彎等動作時，都會引起飛輪軸在約束方向上收到很大的陀螺力矩，從而使飛輪軸或飛輪軸承受到很大的附加壓力，因此常規(guī)的設(shè)計思路很難避免陀螺效應(yīng)的產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、陀螺效應(yīng)得到有效抑制的車載飛輪電池用恒流源偏置三自由度球面混合磁軸承。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明正中間是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外從上往下依次同軸套有徑向定子、恒流源定子和軸向定子；恒流源定子是環(huán)形結(jié)構(gòu)，上端面和下端面分別與徑向定子軛部和軸向定子固定相接，恒流源定子內(nèi)裝有恒流源線圈；轉(zhuǎn)子下端緊密套有拉力盤，軸向定子位于拉力盤上方且軸向定子下端面與拉力盤上端面之間留有軸向氣隙，軸向定子內(nèi)腔中置放緊貼其內(nèi)壁的軸向控制線圈；徑向定子軛部沿圓周方向均勻布置三個徑向定子極，每個徑向定子極上繞有徑向控制線圈，每個徑向定子極的內(nèi)端極靴內(nèi)表面為凹球面；轉(zhuǎn)子是由凸球體和圓柱體上下連接而成，凸球體的側(cè)面是凸球面，每個徑向定子的凹球面在徑向上正對著該凸球面且其間留有徑向氣隙。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

1、本發(fā)明采用環(huán)形的恒流源定子代替永磁體以提供偏置磁通，在結(jié)構(gòu)上位于徑向定子和軸向定子之間，既可以提供徑向偏置磁通，也可以提供軸向偏置磁通。并且只需要一個功率放大器來提供偏置電流，減小了功放的體積，降低了功耗。

2、本發(fā)明徑向定子極采用球面結(jié)構(gòu)，球面結(jié)構(gòu)能夠消除轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)的產(chǎn)生。此外，從運動學(xué)上講，球面結(jié)構(gòu)更有利于多維運動，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、對稱，便于對轉(zhuǎn)子進行控制與分析。

3、本發(fā)明所提出的定轉(zhuǎn)子都采用球面結(jié)構(gòu)，當(dāng)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。

4、本發(fā)明軸向定子采用單片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安排合理、緊湊、集成度高，簡化了磁軸承的結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，降低成本，縮小體積，減輕了磁軸承的質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3為圖2的俯視圖；

圖4為圖2中徑向定子的局部結(jié)構(gòu)圖；

圖5為圖2中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)立體圖；

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

圖7為圖2中軸向定子的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖8為圖7中軸向定子和圖4中轉(zhuǎn)子的裝配結(jié)構(gòu)圖；

圖9為圖2中恒流源定子的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖10為本發(fā)明工作時的靜態(tài)被動懸浮的原理圖；

圖11為本發(fā)明工作時的徑向二自由度平衡控制的原理圖；

圖12為本發(fā)明工作時的軸向單自由度平衡控制的原理圖。

圖中：1.徑向定子；11,12,13.徑向定子極；21,22,23.徑向控制線圈；3.線圈架；4.恒流源定子；5.恒流源偏置線圈；6.軸向定子；61.大圓環(huán)體；62.圓盤；63.小圓環(huán)體；7.軸向控制線圈；8.拉力盤；9.轉(zhuǎn)子；91.凸球體；92.圓柱體；111.凹球面；911.凸球面。

具體實施方式

參見圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明正中間是轉(zhuǎn)子9，在轉(zhuǎn)子9外從上往下依次同軸套有徑向定子1、恒流源定子4以及軸向定子6。

徑向定子1的軛部為中空圓柱體，徑向定子1的軛部沿圓周方向均勻布置三個徑向定子極，分別是徑向定子極11、12、13。三個徑向定子極11、12、13的上端面、下端面分別與徑向定子1的軛部上端面、下端面平齊。在每個徑向定子極11、12、13上繞有徑向控制線圈，分別是徑向控制線圈21、22、23。3個完全相同的徑向控制線圈21、22、23一一對應(yīng)地繞制于徑向定子極11、12、13上。三個徑向定子極11、12、13的內(nèi)端帶有極靴，極靴內(nèi)表面為凹球面。

如圖4所示，僅以徑向定子極11為圖例說明：徑向定子極11的極靴表面加工為凹球面111。此外徑向定子1采用硅鋼片疊壓而成。

如圖5所示，轉(zhuǎn)子9是由凸球體91和圓柱體92上下連接而成，凸球體91的側(cè)面是凸球面911，凸球體91的上下端面的外徑等于圓柱體92的外徑。轉(zhuǎn)子9的下端即圓柱體92的下端通過過盈配合緊密套一個盤狀拉力盤8，拉力盤8的下端面與轉(zhuǎn)子9的下端面平齊，且拉力盤8的軸向厚度遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子9的軸向長度。

如圖2所示，三個部徑向定子極11、12、13內(nèi)端的每個凹球面在徑向上正對著轉(zhuǎn)子9的凸球體91的凸球面911。凹球面和凸球面911之間保持0.5mm的徑向氣隙，凹球面和凸球面911在軸向上的厚度相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子9處于平衡位置時，轉(zhuǎn)子9的凸球面911和徑向定子極11、12、13的凹球面的球心重合。

圖6僅以徑向定子極11與轉(zhuǎn)子9的布置結(jié)構(gòu)為圖例說明：徑向定子極11的凹球面111與轉(zhuǎn)子9的凸球面911在徑向上相配，兩者之間留有0.5mm徑向間隙。

如圖7所示，軸向定子6是由大圓環(huán)體61、圓盤62以及一個小圓環(huán)體63在軸向上依序上下固定連接組成。大圓環(huán)體61的外徑等于圓盤62的外徑，小圓環(huán)體63的內(nèi)徑等于圓盤62的內(nèi)徑，大圓環(huán)體61的內(nèi)徑大于小圓環(huán)體63的外徑。如此，在大圓環(huán)體61的內(nèi)壁和小圓環(huán)體63的內(nèi)壁之間形成臺階通孔，具有徑向空隙。結(jié)合圖1，大圓環(huán)體61的內(nèi)腔中置放軸向控制線圈7，軸向控制線圈7緊貼在大圓環(huán)體61的內(nèi)壁上，當(dāng)軸向控制線圈6通電時，大圓環(huán)體61內(nèi)能產(chǎn)生軸向控制磁場。

如圖8所示，軸向定子6套在轉(zhuǎn)子9外，位于拉力盤8上方。當(dāng)轉(zhuǎn)子9處于平衡位置時，軸向定子6的下端面即小圓環(huán)體63的下端面與拉力盤8的上端面在軸向上保持0.5mm的軸向氣隙。軸向定子6的小圓環(huán)體63的內(nèi)徑大于轉(zhuǎn)子9的外徑3mm，這樣就可保證足夠大的氣隙磁阻，避免轉(zhuǎn)子9對小圓環(huán)體63中軸向磁場的影響。

如圖9和圖2所示，恒流源定子4是環(huán)形結(jié)構(gòu)，套在轉(zhuǎn)子9外并且疊壓在徑向定子1和軸向定子6之間。恒流源定子4的上端面與徑向定子1軛部下端面固定相連接，恒流源定子4的下端面和軸向定子6的大圓環(huán)體61的上端面固定相接。恒流源定子4、徑向定子1的軛部以及軸向定子6的大圓環(huán)體61的內(nèi)徑、外徑對應(yīng)地都相等。在恒流源定子4內(nèi)安裝恒流源線圈5，恒流源線圈5通過環(huán)形的線圈架3固定連接恒流源定子4。環(huán)形的線圈架3沿恒流源定子4的內(nèi)壁安裝，恒流源線圈5安裝在線圈架3中。線圈架3與徑向控制線圈21、22、23以及軸向控制線圈7之間相互不接觸、不干渉。

本發(fā)明工作時，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子9的靜態(tài)被動懸浮、徑向二自由度平衡及軸向單自由度平衡。在軸向控制方面，軸向控制線圈7通以直流電與軸向定子6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9的受力大小與方向，從而實現(xiàn)對軸向一個自由度的控制。在徑向控制方面，置于三磁極徑向定子極11、12、13上的徑向控制線圈21、22、23通以交流三相電，通過改變徑向控制線圈21、22、23的電流大小，實現(xiàn)了徑向上兩個自由度的精準(zhǔn)控制。具體如下：

靜態(tài)被動懸浮的實現(xiàn)：參見圖10，恒流源線圈5通以電流，在恒流源定子4中產(chǎn)生恒定的磁場，恒流源定子4中的磁通方向沿軸向向上，此時恒流源定子4相當(dāng)于一個永磁體，磁力線從恒流源定子4的上端面出發(fā)，依次經(jīng)過徑向定子1，徑向氣隙，轉(zhuǎn)子9，拉力盤8，軸向氣隙，軸向定子6，最后回到恒流源定子4的下端面。以徑向定子極11為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子9處于中心平衡位置時，轉(zhuǎn)子9的中心軸與磁軸承的軸向中心軸重合，在徑向上，轉(zhuǎn)子9的柱體91的凸球面911與徑向定子極11的凹球面之間的產(chǎn)生徑向氣息磁通。這樣，轉(zhuǎn)子9的柱體91的凸球面911與徑向定子極11、12、13凹球面之間的產(chǎn)生徑向氣息磁通完全相等，因此轉(zhuǎn)子9在徑向上受電磁力平衡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子9徑向穩(wěn)定懸浮。軸向上，軸向定子6與拉力盤8間產(chǎn)生軸向氣隙磁通，軸向定子6受到軸向上的磁拉力與轉(zhuǎn)子9重力平衡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子9的軸向穩(wěn)定懸浮。

徑向二自由度平衡的實現(xiàn)：參見圖11，當(dāng)轉(zhuǎn)子9在徑向二自由度x、y受到干擾而偏離平衡位置時，對徑向控制線圈21、22、23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9回到徑向平衡位置。假設(shè)轉(zhuǎn)子9在徑向x軸正方向上受到擾動而偏移平衡位置，徑向控制線圈21、22、23通電，產(chǎn)生的控制磁通如圖11中粗實線及其箭頭所示，恒流源定子4產(chǎn)生的偏置磁通如圖11中的虛線及其箭頭所示，經(jīng)過徑向定子極11、13中的偏置磁通和控制磁通方向相反，而總磁通減弱。徑向定子極12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x軸負(fù)方向上的單磁通加強，轉(zhuǎn)子9受到負(fù)方向的磁拉力f1而回到平衡位置。

軸向單自由度主動控制的實現(xiàn)：參見圖12，軸向控制線圈7通以直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子9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，通過改變軸向定子6與拉力盤8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9回到軸向參考平衡位置。例如當(dāng)轉(zhuǎn)子9向下偏移時，通過軸向控制線圈7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，恒流源定子4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)過軸向定子6與拉力盤8之間的軸向氣隙偏置磁通和軸向控制方向相同，方向沿軸向向上，軸向定子6與拉力盤8之間的軸向氣隙磁通增強。由此，轉(zhuǎn)子9受到的合成電磁力fz向上，將轉(zhuǎn)子9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)。