夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池及工作方法技术

本发明专利技术公开一种夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池及工作方法，真空室内部正中央是立式转轴，立式转轴的轴向正中间同轴设置盘式飞轮电机，盘式飞轮电机的正上方和正下方各同轴装有一个结构相同、相对于盘式飞轮电机在轴向上下对称布置且空套在立式转轴外的盘形磁轴承，每个盘形磁轴承上绕有一组径向控制线圈；盘式飞轮电机由一个定子、两个转子和两组永磁体组成，定子位于盘式飞轮电机的正中间且同轴空套在立式转轴外，2个转子分别对称布置于定子的上下两侧且同轴固定套接在立式转轴上；2个转子在背对着定子的表面上均沿沿圆周方向贴有一组永磁体，飞轮电池的整体结构为盘式结构，盘式磁轴承与盘式飞轮电机均为扁平结构，抑制转子的陀螺效应。

【技术实现步骤摘要】
夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池及工作方法
本专利技术涉及飞轮电池（也称飞轮储能装置）领域，尤其是一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮电池。
技术介绍
磁悬浮飞轮电池是一种高效、清洁、适合移动、以储存机械能代替储存电能的二次放电装置。它利用不接触的旋转飞轮储存能量，具有高比功率和比能量、充电快、高转速、寿命长以及环境友好等优点，广泛应用在交通运输、航空航天、电力能源等领域。磁悬浮飞轮电池的工作原理为：磁悬浮飞轮电池利用电力电子转换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮转子旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，以满足不同的需求。磁悬浮飞轮电池的拓扑结构主要由真空室、飞轮转子、电动机／发电机、磁轴承及保护轴承等组成。飞轮电池系统一般放置在高真空的密封机壳内，虽然通过提高真空度可以降低风损，但是稀薄的气体环境使系统散热功能减弱，导致转子的温度极易升高。另外，飞轮电池的待机损耗高（自放电率高），如停止充电，飞轮电池储存的能量在几到几十个小时内会自行耗尽。飞轮电池大部分时间工作在高速“待机”状态，因此飞轮电池的支承与传动系统应兼具低损耗、高可靠性的特点。再者，对于车用飞轮电池，汽车不同行驶状态及所行驶的道路状况均会导致陀螺效应的产生，所以轴承除了承受飞轮转子的自重外，还得承受陀螺力。尤其随着路况复杂度的增加导致陀螺效应更加明显，使得飞轮转子系统极易失稳。因此电动汽车用磁悬浮飞轮电池系统应兼具散热好、低损耗、高可靠性的特点。现有技术的飞轮电池拓扑结构通常采用主动/被动/混合磁轴承支承立式主轴，再配以径向气隙结构形式电机来实现飞轮转子的悬浮支承与传动，因此现有技术的悬浮支承方式和电机的选择方式将飞轮电池的整体拓扑方式组成为有轴树状结构，陀螺效应不可避免。而且随着能源紧缺，路况复杂程度的增加导致车载飞轮电池的陀螺效应更加明显，使得飞轮转子极易失稳。除此之外，采用传统磁悬浮支承方式（主动/被动/混合磁轴承）虽然能够提供飞轮电池稳定运行的悬浮支承力，但是分别存在支承损耗高、承载力不足、体积大等缺点，而且采用此类飞轮电池拓扑结构，散热性能一直没有得到改善。另外，现有技术的飞轮电池所采用的电机多采用传统的径向气隙结构形式，同时为了减小磁路的磁阻，选用高磁导率的硅钢片叠压制成铁心，而铁心的存在又导致了电机体积大、重量大、损耗大、振动噪声大等问题，进而导致飞轮电池待机损耗大。因此，如何改进飞轮电池的整体拓扑结构，即设计新型悬浮支承拓扑结构与电机结构，用来改善飞轮电池陀螺效应、散热差和待机损耗大等是目前电动汽车用磁悬浮飞轮电池领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有技术存在的上述问题而提供一种散热好、待机损耗小且可以有效抑制陀螺效应的夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池，本专利技术同时还提供该飞轮电池的工作方法。本专利技术夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池解决其技术问题所采用的技术方案是：包括由顶部端盖、底部端盖和圆桶围成的真空室，真空室内部正中央是立式转轴，立式转轴的顶端外部同轴空套一个上部保护轴承、底端外部同轴空套一个下部保护轴承，立式转轴的轴向正中间同轴设置盘式飞轮电机，盘式飞轮电机的正上方和正下方各同轴装有一个结构相同、相对于盘式飞轮电机在轴向上下对称布置且空套在立式转轴外的盘形磁轴承，每个盘形磁轴承上绕有一组径向控制线圈；所述盘式飞轮电机由一个定子、两个转子和两组永磁体组成，定子位于盘式飞轮电机的正中间且同轴空套在立式转轴外，2个转子分别对称布置于定子的上下两侧且同轴固定套接在立式转轴上；2个转子在背对着定子的表面上均沿圆周方向贴有一组永磁体，一组永磁体是由四片相同的环形永磁体组成，四片环形永磁体均以N极、S极首尾相接方式排列成圆环状，盘式飞轮电机的外径为2R，R是盘式飞轮电机的半径，两个转子的外径、两个盘形磁轴承的外径以及永磁体所排列成的圆环状的外径均为2R，定子的外径小于2R，盘式飞轮电机的轴向高度与其半径R的比例为1:10，两个盘形磁轴承之间的轴向最大高度和半径R的比是3:5。本专利技术夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池的工作方法采用的技术方案是包括以下步骤：A、由两个盘形磁轴承控制两个转子实现起浮，在两个转子起浮到中心位置后，外界电能驱动盘式飞轮电机加速旋转，盘式飞轮电机作电动机使用；B、两个转子达到一定转速后由外部电力电子装置提供低压维持转速，两个盘形磁轴承控制两个转子稳定悬浮；C、控制两组径向控制线圈断电，两个转子施加转矩，通过电力电子装置向外设输出电能，两个转子转速不断下降，盘式飞轮电机作发电机使用。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：1、本专利技术将飞轮电池的整体拓扑结构设计为盘式结构，将盘式磁轴承与盘式飞轮电机均设计为扁平结构，明显缩短了立式轴的轴向长度，使得整个飞轮系统的拓扑结构呈现扁平状，这种轴向尺寸明显小于径向尺寸的扁盘形趋向于“无轴”的飞轮电池拓扑结构，避免了现有技术中的树状有轴拓扑结构的飞轮电池具有强烈的陀螺效应，有利于抑制磁悬浮飞轮转子的陀螺效应。2、由于飞轮电池在真空环境中散热速度较慢，因此热场的变化对系统工作稳定性影响较大，本专利技术所设计的夹心式飞轮电池结构具有大气隙，可使杂散损耗降低，节约能源，增加散热速度，降低绕组温升，提高效率。3、本专利技术将悬浮支承结构设计为上下两个盘式轴承组合而成的夹心式盘形磁轴承，且由此轴承结构及气隙所配备的盘式飞轮电机采用无铁心盘式永磁无刷直流电机，无机械换向器的损耗、励磁铜耗及基本铁耗，因此空载损耗也可大大减小，大大降低了传动系统的能量损耗，特别是飞轮电池在待机状态下的能量损耗。4、本专利技术用一套控制线圈形成极对数为1的旋转磁场（通三相交流电产生的旋转磁场），与带有永磁体产生的极对数为2的旋转磁场（机械旋转磁场）相互作用，只用一套绕组即可实现飞轮电池系统的五自由度悬浮支承（径向二自由度的主动控制，其余三自由度控制均由于本专利技术的特殊结构实现了稳定被动控制），大大降低了支承系统的能量损耗，特别是飞轮电池在待机状态下的能量损耗，提高了飞轮电池的储能效率，并且保证了车载飞轮电池在五自由度的稳定悬浮性，抑制了陀螺效应。附图说明图1为本专利技术夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池的立体结构示意图；图2为图1的轴向剖视图；图3为图1中上部和下部盘形磁轴承的结构分解图；图4为图1所示磁悬浮飞轮电池的径向扭转二自由度悬浮原理图；图5为图1所示磁悬浮飞轮电池的轴向悬浮原理图；图6为图1所示磁悬浮飞轮电池的径向二自由度悬浮原理图。图中：1.盘式飞轮电机；11.定子；121.上部转子；122.下部转子；131.上部永磁体；132.下部永磁体；21.上部气隙；22.下部气隙；31.上部盘形磁轴承；311、312、313.上部盘形磁轴承的凸型磁极；32.下部盘形磁轴承；321、322、323.下部盘形磁轴承的凸型磁极；41、42.控制线圈；411、412、413.上部径向控制线圈；421、422、423.下部径向控制线圈；5.立式转轴；61.上部保护轴承；62.下部保护轴承；7.真空室；71.顶部端盖；72.底部端盖；73.圆桶；81、82、83、84.连接件。具体实施方式如图1和图2所示，本专利技术夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池具有一个真空室7，真空室本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池，包括由顶部端盖（71）、底部端盖（72）和圆桶（73）围成的真空室（7），其特征是：真空室（7）内部正中央是立式转轴（5），立式转轴（5）的顶端外部同轴空套一个上部保护轴承（61）、底端外部同轴空套一个下部保护轴承（62），立式转轴（5）的轴向正中间同轴设置盘式飞轮电机（1），盘式飞轮电机（1）的正上方和正下方各同轴装有一个结构相同、相对于盘式飞轮电机（1）在轴向上下对称布置且空套在立式转轴（5）外的盘形磁轴承，每个盘形磁轴承上绕有一组径向控制线圈；所述盘式飞轮电机（1）由一个定子（11）、两个转子和两组永磁体组成，定子（11）位于盘式飞轮电机（1）的正中间且同轴空套在立式转轴（5）外，2个转子分别对称布置于定子（11）的上下两侧且同轴固定套接在立式转轴（5）上；2个转子在背对着定子（11）的表面上均沿圆周方向贴有一组永磁体，一组永磁体是由四片相同的环形永磁体组成，四片环形永磁体均以N极、S极首尾相接方式排列成圆环状。

【技术特征摘要】
1.一种夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池，包括由顶部端盖（71）、底部端盖（72）和圆桶（73）围成的真空室（7），其特征是：真空室（7）内部正中央是立式转轴（5），立式转轴（5）的顶端外部同轴空套一个上部保护轴承（61）、底端外部同轴空套一个下部保护轴承（62），立式转轴（5）的轴向正中间同轴设置盘式飞轮电机（1），盘式飞轮电机（1）的正上方和正下方各同轴装有一个结构相同、相对于盘式飞轮电机（1）在轴向上下对称布置且空套在立式转轴（5）外的盘形磁轴承，每个盘形磁轴承上绕有一组径向控制线圈；所述盘式飞轮电机（1）由一个定子（11）、两个转子和两组永磁体组成，定子（11）位于盘式飞轮电机（1）的正中间且同轴空套在立式转轴（5）外，2个转子分别对称布置于定子（11）的上下两侧且同轴固定套接在立式转轴（5）上；2个转子在背对着定子（11）的表面上均沿圆周方向贴有一组永磁体，一组永磁体是由四片相同的环形永磁体组成，四片环形永磁体均以N极、S极首尾相接方式排列成圆环状。2.根据权利要求1所述夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：盘式飞轮电机（1）的外径为2R，R是盘式飞轮电机（1）的半径，两个转子的外径、两个盘形磁轴承的外径以及永磁体所排列成的圆环状的外径均为2R，定子（11）的外径小于2R，盘式飞轮电机（1）的轴向高度与其半径R的比例为1:10，两个...

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