一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承制造技术

本发明专利技术公开一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承，转子外从上往下依次地同轴套有上部轴向定子、上部环形永磁体、径向定子、下部环形永磁体和下部轴向定子，上部轴向定子和下部轴向定子均是由上部圆盘、中部圆盘和接收盘沿轴向连接组成，每个上部圆盘的内端面均沿径向向内延伸一个锥形盘，在转子上下端面和对应的锥形盘之间设有小圆盘，小圆盘紧贴于对应的锥形盘的上下表面，上方的小圆盘位于转子上端面上方，下方的小圆盘位于转子下端面的下方；上下两个小圆盘与转子端面之间均留有轴向气隙，控制磁通通过回程气隙进入接收盘，轴向形成自回路，无需在转子上加装推力盘，优化转子转速且减小轴向磁场和径向磁场的耦合。

A three degree of freedom spherical hybrid magnetic bearing with axial self loop

The invention discloses a three-degree-of-freedom spherical hybrid magnetic bearing with an axial self-loop. The outer coaxial sleeve of the rotor has an upper axial stator, an upper ring permanent magnet, a radial stator, a lower ring permanent magnet and a lower axial stator in turn. The upper axial stator and the lower axial stator are composed of an upper disk and a middle disk. The inner end face of each upper disc extends inward along the radial direction. A small disc is arranged between the upper and lower end faces of the rotor and the corresponding conical disc. The small disc is close to the upper and lower surfaces of the corresponding conical disc. The small disc above is located above the upper end face of the rotor and the small disc below it. There is an axial air gap between the upper and lower small discs and the end face of the rotor. The control flux enters the receiving disc through the return air gap and forms a self-loop in the axial direction. It is unnecessary to install a thrust disc on the rotor to optimize the rotor speed and reduce the coupling between the axial magnetic field and the radial magnetic field.

【技术实现步骤摘要】
一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承
本专利技术涉及非机械接触磁悬浮轴承，特指一种三自由度球形混合磁轴承，是适用于车载飞轮电池悬浮支撑的混合磁轴承。
技术介绍
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，由于电动汽车空间有限，因此对飞轮电池的体积要求相对比较高。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。现有磁轴承在轴向控制的设计上，通常通过在转子上加装推力盘来实现，这样的设计不但加重了转子的质量而且在飞轮电池高速运转时也加大了旋转轴的摩擦和风阻损失；此外，推力盘会增加转子圆周线速度，限制了转子的最高转速。传统的三自由度混合磁轴承的定子是圆柱形结构，相应的转子也采用圆柱形。这种结构的磁轴承虽然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，不可避免会引起陀螺效应。由于车载飞轮电池装置在车辆启动、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，从而使飞轮轴或磁轴承受到很大的附加压力，因此现有的磁轴承结构很难避免陀螺效应的产生。
技术实现思路
本专利技术的目的是改进现有三自由度混合磁悬浮轴承的结构，解决其存在的体积过大、转子的最高转速有限制、易于产生陀螺效应等问题，提出一种结构紧凑、优化转子转速、集成度高的轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承。本专利技术一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承采用的技术方案是：其整体结构沿轴向上下对称，转子外从上往下依次地同轴套有上部轴向定子、上部环形永磁体、径向定子、下部环形永磁体和下部轴向定子，径向定子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一个径向控制线圈，所述的上部轴向定子和下部轴向定子的结构相同且上下对称布置，均是由上部圆盘、中部圆盘和接收盘沿轴向连接组成，中部圆盘的内径小于上部圆盘和接收盘，在中部圆盘的内侧形成轴向定子腔，上下两个轴向定子腔中均紧贴有轴向控制线圈；每个上部圆盘的内端面均沿径向向内延伸一个锥形盘，锥形盘的大端与所述的上部圆盘相接，上方的锥形盘的小端伸在转子上端面的上方，下方的锥形盘的小端伸在转子下端面的下方，在转子上下端面和对应的锥形盘之间设有小圆盘，小圆盘紧贴于对应的锥形盘的上下表面，上方的小圆盘位于转子上端面上方，下方的小圆盘位于转子下端面的下方；上下两个小圆盘与转子端面之间均留有轴向气隙；所述的上部环形永磁体和下部环形永磁体均轴向充磁且充磁方向相反。进一步地，小圆盘的内径等于锥形盘的内径，小圆盘的外径等于转子上端面外径且小于接收盘的内径。进一步地，转子的轴向正中间是中空圆柱体，中空圆柱体外侧壁为凸球面，所述的三个径向定子极的内端极靴内表面为凹球面，所述凹球面与所述凸球面的的球心重合、径向上相配且之间留有径向气隙。进一步地，所述的上部圆盘、中部圆盘和接收盘的外径相等，上部圆盘的内径小于接收盘的内径，上方的上部圆盘的下表面突出在转子上端面之上，下方的上部圆盘的上表面突出在转子下端面之下。本专利技术采用上述技术方案后，与现有技术相比的有益效果在于：1.本专利技术的轴向定子在靠近径向定子的一侧设置接收盘，在转子与接收盘之间建立了回程气隙，轴向控制线圈所产生的控制磁通通过回程气隙进入接收盘，轴向形成自回路，采用上下对称的两片轴向定子进行轴向控制，从而无需在转子上加装推力盘，由此减少了旋转轴的摩擦和风阻损耗，提高了轴向控制精度，更有利于转子的高速运行，优化转子转速，并且回程气隙长度的为径向气隙长度的一倍，从而大大地减小轴向磁场和径向磁场的耦合。2.本专利技术的定子和转子相对面都采用球面结构，当磁轴承产生偏转和偏移时，球面结构的径向定子及球面转子则可使电磁力指向转子球心，从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩，能够有效抑制陀螺效应的产生。并且，球面结构更有利于多维运动，更加有利于空间上进行定位和工作。另外，球面结构使得气隙磁场分布更加均匀和对称，便于对转子进行控制与分析，提高磁轴承的控制精度。3.本专利技术结构安排合理、紧凑、集成度高，有效减少了转子的轴向长度，更有利于抑制转子陀螺效应，简化了磁轴承的结构，缩小了体积，质量轻，机械加工简单，且容易实现，明显降低了加工成本。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为图1中径向定子的俯视图；图3为图1中转子的结构图；图4为图1中径向定子和转子的装配结构示意图；图5为图1中轴向定子的局部结构放大图；图6是图1的局部结构放大图；图7为图1中轴向定子和转子的装配结构局部示意图；图8为本专利技术静态被动悬浮的原理图；图9为本专利技术径向二自由度平衡控制的原理图；图10为本专利技术轴向单自由度平衡控制的原理图。图中：4.径向定子；7.转子；11.上部轴向定子；12.下部轴向定子；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.上部环形永磁体；32.下部环形永磁体；41、42、43径向定子极；51.上部隔磁铝环；52.下部隔磁铝环；71.转子上端柱体；61、62、63.径向控制线圈；72.转子下端柱体；73.转子中间圆柱体；111.上部轴向定子11的小圆盘；112.上部轴向定子11的锥形圆盘；113.上部轴向定子11的上部圆盘；114.上部轴向定子11的中部圆盘；115.上部轴向定子11的接收盘；121.下部轴向定子12的小圆盘；122.下部轴向定子12的锥形圆盘；123.下部轴向定子12的上部圆盘；124.下部轴向定子12的中部圆盘；125.下部轴向定子12的接收盘；411.凹球面；731.凸球面。具体实施方式参见图1，本专利技术整体是沿轴向上下对称的结构，轴向正中间是转子7，在转子7外从上往下依次地同轴套有上部轴向定子11、上部环形永磁体31、径向定子4、下部环形永磁体32、下部轴向定子12。并且，上部轴向定子11、上部环形永磁体31、径向定子4、下部环形永磁体32、下部轴向定子12的外径相同。径向定子4套在转子7正中间外部，上部轴向定子11和下部轴向定子12的结构完全相同且沿转子7中心上下对称布置，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的结构完全相同且沿转子7中心上下对称布置。参见图2，径向定子4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41、42、43。三个径向定子极41、42、43的上端面、下端面分别与径向定子4的轭部上端面、下端面平齐。在每个径向定子极41、42、43上绕有一个径向控制线圈，分别是径向控制线圈61、62、63。3个径向控制线圈61、62、63分别一一对应地绕制于径向定子极41、42、43上。如图3所示，转子7是在轴向上上下对称的结构，最中间是一个带有凸球面的中空的中间圆柱体73，中间中空圆柱体73外侧壁表面加工为凸球面731。上下两端各是相同的中空圆柱体，分别是上端柱体71和下端柱体72。在中间圆柱体73的上下两端面分别无缝连接上端柱体71的下端面和下端柱体72的上端面。上端柱体71和下端柱体72的内外半径相等。中间圆柱体73的内径和上端柱体71、下端柱体72的内径相等。中间圆柱体73的上端面的外径和下端面的外径分别与上端柱体71、下端柱体72的外径相等。如图4所示，三个径向定子极41、42、43的内端带有极靴，极靴内表面为凹球面。以径向定子极41为例，径向定子极41的极靴表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承，其整体结构沿轴向上下对称，转子（7）外从上往下依次地同轴套有上部轴向定子（11）、上部环形永磁体（31）、径向定子（4）、下部环形永磁体（32）和下部轴向定子（12），径向定子（4）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一个径向控制线圈，其特征是：所述的上部轴向定子（11）和下部轴向定子（12）的结构相同且上下对称布置，均是由上部圆盘、中部圆盘和接收盘沿轴向连接组成，中部圆盘的内径小于上部圆盘和接收盘，在中部圆盘的内侧形成轴向定子腔，上下两个轴向定子腔中均紧贴有轴向控制线圈；每个上部圆盘的内端面均沿径向向内延伸一个锥形盘，锥形盘的大端与所述的上部圆盘相接，上方的锥形盘的小端伸在转子（7）上端面的上方，下方的锥形盘的小端伸在转子（7）下端面的下方，在转子（7）上下端面和对应的锥形盘之间设有小圆盘，小圆盘紧贴于对应的锥形盘的上下表面，上方的小圆盘位于转子（7）上端面上方，下方的小圆盘位于转子（7）下端面的下方；上下两个小圆盘与转子（7）端面之间均留有轴向气隙；所述的上部环形永磁体（31）和下部环形永磁体（32）均轴向充磁且充磁方向相反。...

【技术特征摘要】
1.一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承，其整体结构沿轴向上下对称，转子（7）外从上往下依次地同轴套有上部轴向定子（11）、上部环形永磁体（31）、径向定子（4）、下部环形永磁体（32）和下部轴向定子（12），径向定子（4）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一个径向控制线圈，其特征是：所述的上部轴向定子（11）和下部轴向定子（12）的结构相同且上下对称布置，均是由上部圆盘、中部圆盘和接收盘沿轴向连接组成，中部圆盘的内径小于上部圆盘和接收盘，在中部圆盘的内侧形成轴向定子腔，上下两个轴向定子腔中均紧贴有轴向控制线圈；每个上部圆盘的内端面均沿径向向内延伸一个锥形盘，锥形盘的大端与所述的上部圆盘相接，上方的锥形盘的小端伸在转子（7）上端面的上方，下方的锥形盘的小端伸在转子（7）下端面的下方，在转子（7）上下端面和对应的锥形盘之间设有小圆盘，小圆盘紧贴于对应的锥形盘的上下表面，上方的小圆盘位于转子（7）上端面上方，下方的小圆盘位于转子（7）下端面的下方；上下两个小圆盘与转子（7）端面之间均留有轴向气隙；所述的上部环形永磁体（31）和下部环形永磁体（32）均轴向充磁且充磁方向相反。2.根据权利要求1所述的一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承，其特征是：小圆盘的内径等于锥形盘的内径，小圆盘的外径等于转子（7）上端面外径且小于接收盘的内径。3.根据权利要求1所述的一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承，其特征是：转子（7）的轴向正中间是中空圆柱体（73），中空圆柱体（73）外侧壁为凸球面（731），所述的三个径向定子极的内端极靴内表面为凹球面，所述凹球面（731）与所述凸球面的的球心重合、径向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，程玲，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32