本发明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。
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，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。
技术实现要素：
本发明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。
本发明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。
本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比的有益效果在于：
1.本发明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.本发明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.本发明结构安排合理、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为本发明的结构示意图；
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为本发明静态被动悬浮的原理图；
图9为本发明径向二自由度平衡控制的原理图；
图10为本发明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，本发明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的极靴表面加工为凹球面411。三个径向定子极41、42、43内端的每个凹球面在径向上正对着转子7的中间圆柱体73外侧表面的凸球面731，凹球面和凸球面731之间保持0.5mm的径向气隙，凹球面和凸球面731在轴向上的厚度相等。当转子7处于平衡位置时，转子7的中间圆柱体73的凸球面731和径向定子极41、42、43的凹球面的球心重合。以图4中的径向定子极41与转子7的布置结构为例，径向定子极41的凹球面411与转子7的凸球面731在径向上相配，两者之间留有0.5mm径向间隙。
如图5的上部轴向定子11，上部轴向定子11和下部轴向定子12的结构完全相同但上下对称布置。以上部轴向定子11为例：上部轴向定子11的正中间是中部圆盘114，中部圆盘114的上表面无缝连接上部圆盘113，上表面无缝连接接收盘115。中部圆盘114与上部圆盘113、接收盘115的外径相等，但中部圆盘114的内径小于上部圆盘113和接收盘115，这样在中部圆盘114的内侧形成上部轴向定子腔14。上部圆盘113的内径比接收盘115的内径小，中部圆盘114的内径比上部圆盘113的内径小。接收盘115的内表面与转子7之间留在径向气隙。上部圆盘113的下表面高于转子7的上端面，也就是突出在转子7的上端面之上。上部圆盘113的内端面沿径向向内延伸锥形盘112，锥形盘112的锥角是30°。锥形盘112的大端与上部圆盘113相接，锥形盘112的小端伸在转子7上端面的上方，锥形盘112的小端下表面加工成平面，小端下表面的平面上固定连接小圆盘111，即小圆盘111上表面与锥形盘112的小端下表面上的平面贴合在一起，并且小圆盘111位于转子7上端面上方，小圆盘111安装在转子7上端面和锥形盘112之间，小圆盘111下表面与转子7上端面之间留有轴向气隙。小圆盘111的上表面与锥形盘112的上表面之间的夹角是15°。小圆盘111的内径等于锥形盘112的内径，小圆盘111的外径等于转子7的上端柱体71的外径，并且小圆盘111的外径小于接收盘115的内径。
如图1、5、6、7所示，由下方的上部圆盘123、中间的中部圆盘124和上方的接收盘125组成的下部轴向定子12，与上部轴向定子11结构相同但上下对称。因此，其上部圆盘123的上表面高于转子7的下端面，突出在转子7的下端面之下。上部圆盘123延伸的锥形盘122的小端伸在转子7下端面的下方，连接于锥形盘122小端上表面的小圆盘121的上表面与转子7下端面之间留有轴向气隙。在中部圆盘124的内侧形成的是下部轴向定子腔15。上部轴向定子腔14内装有上部轴向控制线圈21，上部轴向控制线圈21紧贴于上部圆盘123、中部圆盘114和接收盘115上。同样，在下部轴向定子腔15内安装下部轴向控制线圈22。接收盘115和接收盘125用导磁性能良好的材料电工纯铁。
在转子7的中间圆柱体73外，径向定子4在轴向上位于上部环形磁铁31和下部环形磁铁32之间。在上部轴向定子11和径向定子4之间固定叠压上部环形永磁体31，在下部轴向定子12和径向定子4之间固定叠下部压环形永磁体32。上部环形永磁体31内径大于上部轴向定子11的中部圆盘113的内径，下部环形永磁体32内径大于下部轴向定子12的中部圆盘123的内径。
上部环形磁体31内侧是上部隔磁铝环51，上部隔磁铝环51外壁紧贴在上部环形磁体31内壁上。上部隔磁铝环51叠压在上部轴向定子11和径向定子4之间，上部隔磁铝环51的上端面和上部轴向定子11的下端面重合，上部隔磁铝环51的下端面和径向定子4的上端面重合。上部隔磁铝环51的外径与上部部环形磁体31的内径相等，上部隔磁铝环51的内径与上部轴向定子11的中部圆盘114内径相等。下部隔磁铝环52叠压在下部轴向定子12和径向定子4之间，下部隔磁铝环52的下端面和下部轴向定子12的上端面重合，下部隔磁铝环52的上端面和径向定子4的下端面重合，下部隔磁铝环52的侧面紧贴下部环形磁体32内壁，下部隔磁铝环52的外径与下部环形磁体42的内径相等，下部隔磁铝环52的内径与下部轴向定子12的中部圆盘124内径相等。
上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的结构相同，均采用高性能稀土材料钕铁硼制成，均轴向充磁，上部环形永磁体31和下部环形永磁体32的充磁方向相反。
如图8所示，当转子7处于平衡位置时，上部轴向定子11的小圆盘111的下端面与转子7的上端柱体71上表面之间保持0.5mm的轴向气隙，上部轴向定子11的接收盘115的内壁与转子7的上端柱体71的外侧面保持1mm的回程气隙。转子7的上端柱体71的外径与上部轴向定子1的小圆盘111的外径相等。转子7的上端柱体71的内径比上部轴向定子1的小圆盘111的内径小。同样，下部轴向定子12的小圆盘121的上端面与转子7的下端柱体72在轴向上保持0.5mm的轴向气隙，下部轴向定子12的接收盘125的内壁与转子7的下端柱体72的外壁在径向上保持1mm的回程气隙。转子7的下端柱体72的外径与下部轴向定子12的小圆盘121的外径相等。转子7的下端柱体72的内径比下部轴向定子12的小圆盘121的内径小。
本发明工作时，能实现转子7的静态被动悬浮、径向二自由度平衡及轴向单自由度平衡。在径向控制方面，给置于三磁极径向定子极41、42、43上的径向控制线圈61、62、63通以交流三相电，通过改变径向控制线圈61、62、63电流大小，实现了径向上两个自由度的精准控制。在轴向控制方面，上部轴向控制线圈21通以直流电与上部轴向定子11组成电磁铁，下部轴向控制线圈22通以直流电与下部轴向定子12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7的受力大小与方向，上下轴向控制线圈21、22所产生的控制磁通通过转子7与接收盘115、125之间的回程气隙进入接收盘115、125，轴向形成自回路，从而实现对轴向一个自由度的控制。具体如下：
1.静态被动悬浮的实现：参见图8，上部环形永磁体31产生的偏置磁通，下部环形永磁体32产生的偏置磁通，如图8中的虚线及其箭头所示，上部环形永磁体31产生的偏置磁通从上部环形永磁体31的N极开始分为两路，一路经过上部轴向定子11的接收盘115，上部轴向定子11的接收盘115的内壁与转子7的上端柱体71间的返回气隙进入转子7上端柱体71，转子7中间圆柱体73，径向定子4，最后回到上部环形永磁体31的S极；另一路经过经过上部轴向定子11的接收盘115，上部轴向定子12的中部圆盘114，上部轴向定子1的上部圆盘113，上部轴向定子11的锥形圆盘112，上部轴向定子11的小圆盘111，经过轴向定子1的小圆盘111的内壁与转子7的上端柱体71间的轴向气隙进入轴向气隙进入转子7上端柱体71，转子7中间圆柱体73，径向定子4，最后回到上部环形永磁体31的S极。下部环形永磁体32产生的偏置磁通从下部环形永磁体32的N极开始分为两路，一路经过下部轴向定子12的接收盘125，轴向定子12的接收盘125的内壁与转子7的下端柱体72间的返程气隙进入转子7下端柱体72，转子7中间圆柱体73，径向定子4，最后回到下部环形永磁体32的S极；另一路经过经过下部轴向定子12的接收盘125，下部轴向定子12的中部圆盘124，下部轴向定子12的上部圆盘123，下部轴向定子12的锥形圆盘122，下部轴向定子2的小圆盘121，经过轴向定子12的小圆盘121的内壁与转子7的下端柱体72间的轴向气隙进入转子7下端柱体72，转子7中间圆柱体73，径向定子4，最后回到下部环形永磁体52的S极。以径向定子极41为例，当转子7处于中心平衡位置时，转子7的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合。在径向上，转子7与径向定子4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41、42、43极靴表面之间的产生径向气息磁通完全相等，因此转子7在径向上受电磁力平衡，实现转子7径向稳定悬浮。轴向上，上轴向定子12的小圆盘121的内壁与转子7的上端柱体71间产生向下的气隙磁通，下轴向定子12的小圆盘121的内壁与转子7的下端柱体72间产生向上的气隙磁通，转子7受到轴向上的磁拉力总和与转子3重力平衡，实现转子7轴向稳定悬浮。
2.径向二自由度平衡的实现：参见图9，当转子7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41、42、43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41、42、43通电，产生的控制磁通如图9中粗实线及其箭头所示，上部环形永磁体31，下部环形永磁体32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41，43偏置磁通和控制磁通方向相反，而总磁通减弱。径向定子极42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7受到负方向的磁拉力F1而回到平衡位置。
3.轴向单自由度主动控制的实现：参见图10，上部轴向控制线圈21通以直流电，下部轴向控制线圈22通以直流电，当转子7在轴向上出现位置偏移时，通过改变控制电流的大小与方向，轴向控制线圈所产生的控制磁通通过转子与接收盘之间的回程气隙进入接收盘，轴向形成自回路，从而实现对轴向一个自由度的控制。通过改变上部轴向定子11的小圆盘111与转子7的上端柱体71之间的轴向气隙磁通的大小和下部轴向定子12的小圆盘121与转子7的下端柱体72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7回到轴向参考平衡位置。例如当转子7向下偏移时，通过上部轴向控制线圈21，下部轴向控制线圈22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，轴向控制磁通通过返回气隙，形成自回路，环形永磁体21，22产生的偏置磁通如图10中虚线及其箭头所示，可以看出轴向定子11的小圆盘111的内壁与转子7的上端柱体71间的轴向偏置磁通和轴向控制方向相反，向下磁通减弱，轴向定子12的小圆盘121的内壁与转子7的下端柱体72间的轴向偏置磁通和轴向控制方向相同方向沿轴向向上，所以转子7受到的合成电磁力FZ向上，将转子7拉回轴向平衡位置，因此，轴向上的一个自由度得到控制。