一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机的制作方法

本发明公开了一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，属于磁悬浮电机的技术领域。

背景技术：

由于能源和环境问题，电动汽车得到空前快速发展，动力电池是其动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。蓄电池作为独立动力源难以满足车辆频繁启停瞬时大功率(车辆启动加速时所需峰值功率为匀速行驶时的30倍)充放电工程要求，且其性能和寿命受车辆运行环境温度、充放电深度和循环次数限制。飞轮电池以其高频次大功率、节能高效率、安全长寿命、绿色环保等优点受到国内外高度重视，但目前尚存在诸多技术难题制约其在车载工况下的实际工程应用，其中悬浮支承和高速运行问题尤为突出。

磁轴承支承可降低飞轮电池损耗，但系统结构复杂、临界转速受限且故障率高。近年来兴起的磁悬浮电机(又称无轴承电机)技术结合了磁轴承与电机的双重优点，可简化系统结构，提高临界转速、提升系统集成度与可靠性，在飞轮电池领域具备独特优势。日本学者提出将磁轴承与飞轮电机合二为一形成飞轮电池用磁悬浮飞轮电机的设想，其研究成果表明，采用磁悬浮飞轮电机增加了系统结构紧凑性，而且降低了绕组损耗以及摩擦损耗，提高了待机时间；同时还能有效削弱振动幅度以及系统噪音，提高了系统运行可靠性与使用寿命。另外相比异步电机、永磁电机，开关磁阻电机具备调速范围宽、效率平台宽、以及结构简单可靠、机械强度大等优点，更加适合高速、超高速运行的飞轮，且这些优点与磁悬浮技术结合，形成磁悬浮开关磁阻电机，具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的优点，这使其在飞轮电池领域的潜在工程应用价值尤为突出。但纵观国内外，目前磁悬浮电机的实际工程应用普及程度并不高，究其原因主要是电机内部绕组-磁路-电磁力均存在复杂的电磁强耦合关系，电机分析与高速控制难度大，这已经成为制约该项技术进入工程应用的主要瓶颈。同时用于车载飞轮电池，有限的车辆安装空间以及复杂的车辆行驶环境和道路工况使其面临强陀螺效应和外部扰动干扰以及可靠性问题。

综上可见，现有磁悬浮电机用于电动汽车飞轮电池领域时，在结构、机理和功能上还存在不足，因此有必要针对车载工况，结合飞轮电池具体应用有针对性地设计新结构。

技术实现要素：

本发明针对车载工况下飞轮电池高集成、强抗扰和高可靠的运行性能要求，提出一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机。该电机既实现了飞轮、电机和支承系统的高度集成，又达到了电磁转矩和悬浮力在磁路上的解耦；且通过定转子磁极球面型设计，提升气隙磁密在径向、轴向和周向上的全域均匀性，实现飞轮电池在悬浮支承刚度和精度上双重提升，同时使得各磁极下的悬浮力过转子球心，克服平动悬浮对扭动悬浮的影响，满足车载飞轮转子陀螺效应抑制和强抗扰的要求；另外通过定转子对称永磁设计，在不增加系统体积和空间基础上，降低飞轮电池悬浮支承功耗，提升飞轮电池待机时间、运行效率和可靠性。

本发明所采用的技术方案是:

一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，包括飞轮、转子和定子，转子包括转子A相球面铁心、转子B相球面铁心、转子永磁体、转子A相导磁环、转子B相导磁环；定子包括定子A相球面铁心、定子B相球面铁心、定子永磁体、定子A相导磁环、定子B相导磁环、定子套筒；

转子A相球面铁心、转子B相球面铁心外侧分别固定转子A相导磁环、转子B相导磁环，转子A相导磁环和转子B相导磁环之间夹装转子永磁体，转子永磁体、转子A相导磁环、转子B相导磁环安装在飞轮内侧，与飞轮固定为一个整体；

定子A相球面铁心、定子B相球面铁心内侧分别固定在定子A相导磁环、定子B相导磁环上，定子A相导磁环和定子B相导磁环之间夹装定子永磁体，定子永磁体、定子A相导磁环和定子B相导磁环安装固定在定子套筒外侧，与定子套筒固定为一个整体；

转子A相球面铁心、转子B相球面铁心内侧与定子A相球面铁心、定子B相球面铁心留有间隙，形成A相气隙和B相气隙。

进一步，本发明A相转子球面铁心和B相转子球面铁心内侧等间隔设置12个转子极，定子A相球面铁心和定子B相球面铁心上分别设有八个窄齿转矩极和四个宽齿悬浮极，转矩极和悬浮极之间安装隔磁体,转矩极和悬浮极上分别绕有转矩控制线圈和悬浮控制线圈，八个窄齿转矩极上的转矩控制线圈相互串联构成相转矩绕组，四个宽齿悬浮极上的悬浮控制线圈两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组。

进一步，本发明定子A相球面铁心和定子B相球面铁心上的八个窄齿转矩极和四个宽齿悬浮极的磁极均采用极靴结构，宽齿悬浮极的极靴宽度是一个转子极距，转子A相球面铁心内侧的12个转子极和转子B相球面铁心内侧的12个转子极沿圆周方向错开一定机械角度。

进一步，本发明定子A相球面铁心和定子B相球面铁心的悬浮极和转矩极的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合；所述的转子A相球面铁心和转子B相球面铁心的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合；在转子处于平衡位置时，定子A相、B相球面铁心的球心和转子A相、B相球面铁心的球心完全重合。

进一步，本发明的转子永磁体和定子永磁体均采用轴向充磁，且转子永磁体充磁方向和定子永磁体的充磁方向相反，为悬浮力产生提供永磁偏置磁通。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1) 集成度高。电机转子叠压封装在飞轮内侧，电机与飞轮合二为一，可以提高轴向空间利用率与飞轮临界转速，缩小整机体积，且采用轴向结构，一台电机利用轴向分布的两相绕组同时实现能量转换与飞轮转子五自由度悬浮支承，减小两端采用机械或电磁轴承固有的动、静态损耗，同时改善系统的动力特性和稳定性，提高电机瞬时功率。

(2)高精大承载力。电机定转子磁极采用球面构型，有效提升气隙磁密在轴向、径向和周向上的全域均匀性，提升飞轮转子悬浮定位精度；同时悬浮极的极宽是一个转子极距，在转子旋转过程中转子极与悬浮极的对齐面积始终等于转子极宽，在给定悬浮电流任意转子位置下产生的径向力恒定，因此有效克服磁悬浮电机的悬浮力产生死区问题，提升飞轮转子支承刚度和承载力，实现飞轮电机支承刚度和精度的双重提升。

(3)抑制陀螺效应。定转子磁极面采用球面设计，使飞轮转子在各磁极处所受的悬浮力始过转子球心且飞轮绕定子球心任意角度旋转运动，实现了飞轮“无轴”支承，克服传统支承因各磁极处电磁力不相等时而产生的扭动干扰力矩，达到飞轮转子平动悬浮和扭动悬浮的解耦，进而从结构上克服陀螺力矩的产生，抑制飞轮转子的陀螺效应作用。

(4)结构解耦/可控性好。电机定子分设转矩极和悬浮极，并在转矩极和悬浮极之间安装隔磁体，使得转矩控制磁通与悬浮控制磁通彼此独立，从结构上克服了悬浮力与电磁转矩之间的耦合问题，实现飞轮转子各自由度悬浮控制与电机输出转矩和功率控制的彼此独立，从而大大简化控制算法，提升飞轮电池车载工况下的系统可控性。

(5)待机功耗低。该飞轮电机定转子采用轴向反向充磁的对称双永磁体，在径向上为悬浮力的产生提供偏置磁通，降低了产生同样大小悬浮力所需电流，在轴向上实现飞轮转子重量卸载，有益于实现飞轮转子超低功耗的五自由度悬浮，大幅提升飞轮电池待机时间和能量转换效率，同时克服车载恶劣环境(高温、强振动)下单边定子或转子永磁失磁和去磁降低系统可靠性问题。

(6) 极靴结构，在不影响电机磁饱和和输出性能基础上，进一步增大槽空间，增强悬浮和转矩出力，同时减小高速下的涡流损耗和等效阻力矩。

本发明既实现了飞轮、电机和支承系统的高度集成，又达到了电磁转矩和悬浮力在磁路上的解耦；且通过定转子磁极球面型设计，提升气隙磁密在径向、轴向和周向上的全域均匀性，实现飞轮电池在悬浮支承刚度和精度上双重提升，同时使得各磁极下的悬浮力过转子球心，满足车载飞轮转子陀螺效应抑制和强抗扰的要求；另外通过定转子对称双永磁设计，在不增加系统体积和空间基础上，大幅降低飞轮电池悬浮支承功耗，提升飞轮电池待机时间、运行效率和可靠性，更好地满足车载飞轮电池“高集成、低功耗、强抗扰”的一致性要求。

附图说明

图1 是本发明电机结构轴向截面示意图。

图2 是本发明电机结构A相径向截面示意图及其径向磁路。

图3 是本发明电机轴向磁路图。

其中：1-飞轮；2-转子A相球面铁心；3-转子B相球面铁心；4-转子永磁体；5-转子A相导磁环；6-转子B相导磁环；7-定子A相球面铁心；8-定子B相球面铁心；9-定子永磁体；10-定子A相导磁环；11-定子B相导磁环；12-定子套筒；13-A相气隙；14-B相气隙；15-转子极；16-转矩极；17-悬浮极；18-隔磁体；19-转矩控制线圈；20-悬浮控制线圈；21-永磁偏置磁通；22-悬浮控制磁通；23-转矩控制磁通。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示，一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，包括飞轮1、转子和定子，转子包括转子A相球面铁心2、转子B相球面铁心3、转子永磁体4、转子A相导磁环5、转子B相导磁环6；转子A相球面铁心2、转子B相球面铁心3外侧分别固定转子A相导磁环5、转子B相导磁环6，转子A相导磁环5和转子B相导磁环6之间夹装转子永磁体4，转子永磁体4、转子A相导磁环5、转子B相导磁环6安装在飞轮1内侧，与飞轮1固定为一个整体；

定子包括定子A相球面铁心7、定子B相球面铁心8、定子永磁体9、定子A相导磁环10、定子B相导磁环11、定子套筒12；定子A相球面铁心7、定子B相球面铁心8内侧分别固定在定子A相导磁环10、定子B相导磁环11上，定子A相导磁环10和定子B相导磁环11之间夹装定子永磁体9，定子永磁体9、定子A相导磁环10和定子B相导磁环11安装固定在定子套筒12外侧，与定子套筒12固定为一个整体；

转子A相球面铁心2、转子B相球面铁心3内侧与定子A相球面铁心7、定子B相球面铁心8留有间隙，形成A相气隙13和B相气隙14。

如图1所示，本发明的定子A相球面铁心7和定子B相球面铁心8的悬浮极和转矩极的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合；所述的转子A相球面铁心2和转子B相球面铁心3的磁极球面半径相等，且两者的球心完全重合；在转子处于平衡位置时，定子A相、B相球面铁心的球心和转子A相、B相球面铁心的球心完全重合。

如图1所示，本发明的转子永磁体4和定子永磁体9均采用轴向充磁，且转子永磁体4充磁方向和定子永磁体9的充磁方向相反，为悬浮力产生提供永磁偏置磁通21。

如图2所示，本发明所述轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，A相转子球面铁心2和B相转子球面铁心3内侧等间隔设置12个转子极15，定子A相球面铁心7和定子B相球面铁心8上分别设有八个窄齿转矩极16和四个宽齿悬浮极17，转矩极16和悬浮极17上分别绕有转矩控制线圈19和悬浮控制线圈20，八个窄齿转矩极16上的转矩控制线圈19相互串联构成相转矩绕组，四个宽齿悬浮极17上的悬浮控制线圈20两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组；悬浮绕组通电流产生两极悬浮控制磁通22；转矩绕组通电流产生四极转矩控制磁通23；转矩极16和悬浮极17之间安装隔磁体18，实现悬浮控制磁通22和转矩控制磁通23彼此独立。所述的定子A相球面铁心7和定子B相球面铁心8上的八个窄齿转矩极16和四个宽齿悬浮极17的磁极均采用极靴结构，宽齿悬浮极17的极靴宽度是一个转子极距，转子A相球面铁心2内侧的十二个转子极和转子B相球面铁心3内侧的十二个转子极沿圆周方向错开一定机械角度，实现自启动。

如图2所示，本发明所述轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，悬浮控制磁通22只经过正对两个悬浮极17、两段气隙和两段转子极15形成闭合回路，不经过转矩极16，即不铰链转矩绕组19；转矩控制磁通23只经过相邻两个转矩极16、两段气隙和转子极15形成闭合回路，不经过悬浮极17，即不铰链悬浮绕组20，且其为短磁路结构，因此转矩控制磁通23与悬浮控制磁通22彼此独立。

如图3所示，本发明永磁偏置磁通21的磁通路径为：定子永磁体9的N极出发→定子A相导磁环10→定子A相球面铁心7的悬浮极→A相气隙13→转子A相球面铁心2→转子A相导磁环5→转子永磁体4的S极→转子永磁体4的N极→转子B相导磁环6→转子B相球面铁心3→B相气隙→定子B相球面铁心8的悬浮极→定子B相导磁环→回到定子永磁体9的S极。永磁偏置磁通21同时经过定子A相和B相球面铁心的八个悬浮极、转子A相和B相球面铁心以及A相和B相气隙形成回路，为悬浮力产生提供偏置磁通，且在整个磁路中，永磁偏置磁通21在隔磁体18的作用下，不经过定子A相和B相球面铁心的转矩极，因而永磁偏置磁通21与转矩控制磁通23相互解耦。

本发明采用轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机新型拓扑结构，既实现了飞轮、电机和支承系统的高度集成，又达到了电磁转矩和悬浮力在磁路上的解耦；且通过定转子磁极球面型设计，提升气隙磁密在径向、轴向和周向上的全域均匀性，实现飞轮电池在悬浮支承刚度和精度上双重提升，同时使得各磁极下的悬浮力过转子球心，满足车载飞轮转子陀螺效应抑制和强抗扰的要求；另外通过定转子对称双永磁设计，在不增加系统体积和空间基础上，降低飞轮系统悬浮支承功耗，提升系统待机时间、运行效率和可靠性，更好地满足车载飞轮电池“高集成、低功耗、强抗扰”的一致性要求。