一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统技术方案

本发明专利技术公开一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统，包括同轴心布置的五自由度磁轴承、飞轮转子和外转子电机，飞轮转子的中间段是飞轮转子主圆柱体、下段是下端圆环，飞轮转子的上段的外部是上端圆环、上段的正中间是内接收极、下段是下端圆环，内接收极为半球体结构，上端圆环的内径大于下端圆环的内径，内接收极的直径小于下端圆环的内径，在飞轮转子主圆柱体、内接收极和上端圆环之间形成类圆环形槽，该类圆环形槽中设置所述的五自由度磁轴承，在飞轮转子主圆柱体和下端圆环之间形成圆柱形槽，该圆柱形槽设置所述的外转子电机；采用单侧高度集成的五自由度磁轴承支承，减少了轴向尺寸，抑制了扭转陀螺效应。

A Vehicle-borne Maglev Flywheel Energy Storage System with Torsional Gyroscope Suppression

【技术实现步骤摘要】
一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统
本专利技术涉及用于电动汽车的车载飞轮储能系统(也称飞轮电池)，尤其是适用于电动汽车在上下陡坡、起伏路、泥泞路等扭转陀螺效应严重路况，能够强抑制扭转陀螺效应。
技术介绍
飞轮电池是一种机械储能电池，具有充电效率高、功率大、质量小、无污染和寿命长的优点，用作电动汽车理想的动力电池。然而，当车载飞轮电池应用于扭转陀螺效应严重路况如上下陡坡、起伏路、泥泞路等路况时，存在着扭转陀螺效应严重、空间占用率大等的问题。目前的磁轴承通常采用轴向单自由度磁轴承和径向四自由度磁轴承实现五自由度的支承，或采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承实现五自由度的支承。这两种支承方法的轴向长度大，易受到外界的干扰，扭转陀螺效应严重，不适合应用于车载飞轮电池中。因此，需要对用于支承车载飞轮电池的五自由度磁轴承进行改进和优化。例如：中国专利号为201110254337.1、名称为“一种五自由度磁轴承”的文献中公开磁轴承，是将五自由度的永磁偏置磁轴承集成于一体，但当转子发生绕x、y方向的扭动时，利用磁阻力来实现转子的扭转的被动控制，因此，飞轮转子的扭转控制精确度不足，不适合用于扭转陀螺效应严重路况如上下陡坡、起伏路、泥泞路等路况的车载飞轮电池。此外，目前的飞轮储能系统的拓扑结构仍然采用飞轮、电机、磁轴承独立布置，即使有些拓扑结构已经将飞轮和电机集成化，但均为带惯性主轴结构，因此集成度比较低，体积相对较大，不利于在电动汽车狭小的空间安装。
技术实现思路
本专利技术的目的为了克服现有车载飞轮储能系统存在的扭转陀螺效应严重、空间占用率大以及能耗大的缺点，提出了一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统，从结构上实现了抑制扭转陀螺效应，减小空间占用率、提高集成度、降低能耗。本专利技术的目的是采用以下技术方案来实现的：本专利技术包括同轴心布置的五自由度磁轴承、飞轮转子和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向内定子、径向外定子和轴向定子，所述的飞轮转子的中间段是飞轮转子主圆柱体、下段是下端圆环，飞轮转子的上段的外部是上端圆环、上段的正中间是内接收极，内接收极为半球体结构，飞轮转子的下段是下端圆环，飞轮转子主圆柱体、上端圆环和下端圆环的外径相同，上端圆环的内径大于下端圆环的内径，内接收极的直径小于下端圆环的内径，在飞轮转子主圆柱体、内接收极和上端圆环之间形成类圆环形槽，该类圆环形槽中设置所述的五自由度磁轴承，在飞轮转子主圆柱体和下端圆环之间形成圆柱形槽，该圆柱形槽设置所述的外转子电机。所述的径向内定子外部是一个径向内定子圆环，径向内定子圆环的上下端面沿径向向内延伸3个相同的径向内定子极，3个径向内定子极的内表面在同一个半球形面上，之间形成一个半球形槽，该半球形槽有间隙地套在所述的内接收极外部；所述的径向外定子由径向外定子圆环、径向外定子极、定子连接体和下部定子极组成，径向外定子圆环的上端面沿径向向外延伸3个相同的径向外定子极、下端面沿径向向外延伸3个相同定子连接体，每个定子连接体的下表面边缘各向下延伸一个环状的下部定子极；所述的轴向定子包括一个轴向定子主体，轴向定子主体的下表面沿径向由内向外依次连接第一轴向定子极、第二轴向定子极、第三轴向定子极和第四轴向定子极，这四个轴向定子极之间留有距离；径向内定子的外壁紧密套有圆环形的内永磁体环，内永磁体环的外壁紧密套有轴向定子，轴向定子的外壁紧密套有外永磁体环，径向外定子紧密套在外永磁体环的外围，内永磁体环的充磁方向为沿径向由外向内充磁，外永磁体环的充磁方向为沿径向由内向外充磁；每个所述的径向内定子极上绕制径向内定子控制线圈，每个所述的径向外定子极上绕制径向外定子控制线圈，第一轴向定子极和第二轴向定子极之间的圆环形槽内缠绕第一轴向控制线圈，第三轴向定子极和第四轴向定子极之间的圆环形槽内缠绕第二轴向控制线圈，每个下部定子极上绕制第三轴向控制线圈。所述的外转子电机包括电机线圈、电机永磁体和固定不动的电机定子，电机永磁体同轴套在电机定子外，电机线圈绕在电机定子上，电机永磁体与飞轮转子的下端圆环紧密贴合。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：1、充分考虑扭转陀螺效应的影响，本专利技术突破传统飞轮电池采用轴向单自由度磁轴承和径向四自由度磁轴承，或采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承实现五自由度的支承控制的局限，本专利技术采用单侧高度集成的五自由度磁轴承支承，五自由度磁轴承全部内嵌在飞轮转子的上部，减少了轴向尺寸，从而抑制了扭转陀螺效应。另外，将飞轮转子内接收极设计为半球状，可使转子多维运动，且当转子发生扭转时，磁力线会始终指向半球状接收极的球心，从而使得承载力保持不变的同时降低了磁极对转子产生的干扰力矩。因此，球盘一体化飞轮有效得抑制了扭转陀螺效应。2、本专利技术将电机内嵌于飞轮转子的下部，将五自由度磁轴承内嵌于飞轮转子的上部，实现了五自由度磁轴承、飞轮转子和电机一体化，不占用多余的空间，实现了高度的集成化，节约了成本。3、为了实现低能耗、为了满足多模式的扭转陀螺效应严重的路况要求，本专利技术采用三组线圈进行精确的主动控制。当行驶于正常直行路段时，仅须控制其中一组轴向线圈和一组径向线圈即可实现飞轮转子稳定运行；当行驶于扭转陀螺效应严重路况(如上下陡坡、起伏路、泥泞路等路况)时，可同时控制三组线圈，实现扭转主动控制，使飞轮转子快速回到稳定状态。且，采用成熟的逆变器驱动径向控制线圈，使得能耗和成本降低。4、为了保证行驶在扭转陀螺效应严重路况(如上下陡坡、起伏路、泥泞路等路况)的安全性，本专利技术采用冗余设计，径向控制线圈和轴向控制线圈均为两组，既使其中一组线圈发生故障，另一组线圈也能使飞轮转子正常运行。由于内定子内壁设计为半球面结构，内定子上的线圈，既能实现径向控制又能实现轴向控制，在节省能耗和成本的同时提高了安全性。5、本专利技术的飞轮转子近似圆饼状，相比于同尺寸由于转轴从而带有中心孔的圆盘飞轮，本专利技术的实心圆饼状飞轮转子的储能密度可增加一倍。飞轮采用金属材料加工，在实现了同等储能效果上降低了成本。6、本专利技术的飞轮转子没有推力盘，使得飞轮转子的空气摩擦损耗降低，能耗降低。附图说明图1是本专利技术的立体结构图；图2是图1的内部结构正视图；图3是图1中的飞轮转子的立体结构放大剖视图；图4是图1中五自由度磁轴承的径向内定子的三维结构放大剖视图；图5是图1中五自由度磁轴承的径向内定子的三维结构放大仰视图；图6是图1中五自由度磁轴承的径向外定子的三维结构放大剖视图；图7是图1中五自由度磁轴承的径向外定子的三维结构放大仰视图；图8是图1中五自由度磁轴承的轴向定子的三维结构放大剖视图；图9是图1中五自由度磁轴承和飞轮转子的装配结构剖视图；图10是图1中电机和飞轮转子装配结构放大正视图；图11是图10中电机和飞轮转子装配结构仰视图；图12是图11中电机定子的立体结构放大图；图13是本专利技术工作时五自由度磁轴承实现静态被动悬浮的原理图；图14是本专利技术工作时实现径向二自由度平衡控制和扭转配合控制的原理图；图15是本专利技术工作时实现径向二自由度平衡控制原理解释图；图16是本专利技术工作时实现轴向单自由度平衡控制的原理图。图中：11.径向内定子；111.径向内定子极；112.径向内定子圆环；12.径向外定子环；121.径向外定子圆环；122.径向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统，包括同轴心布置的五自由度磁轴承、飞轮转子(6)和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向内定子(11)、径向外定子(12)和轴向定子(4)，其特征是：所述的飞轮转子(6)的中间段是飞轮转子主圆柱体(61)、下段是下端圆环(64)，飞轮转子(6)的上段的外部是上端圆环(63)、上段的正中间是内接收极(62)，内接收极(62)为半球体结构，飞轮转子(6)的下段是下端圆环(64)，飞轮转子主圆柱体(61)、上端圆环(63)和下端圆环(64)的外径相同，上端圆环(63)的内径大于下端圆环(64)的内径，内接收极(62)的直径小于下端圆环(64)的内径，在飞轮转子主圆柱体(61)、内接收极(62)和上端圆环(63)之间形成类圆环形槽，该类圆环形槽中设置所述的五自由度磁轴承，在飞轮转子主圆柱体(61)和下端圆环(64)之间形成圆柱形槽，该圆柱形槽设置所述的外转子电机。

【技术特征摘要】
1.一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统，包括同轴心布置的五自由度磁轴承、飞轮转子(6)和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向内定子(11)、径向外定子(12)和轴向定子(4)，其特征是：所述的飞轮转子(6)的中间段是飞轮转子主圆柱体(61)、下段是下端圆环(64)，飞轮转子(6)的上段的外部是上端圆环(63)、上段的正中间是内接收极(62)，内接收极(62)为半球体结构，飞轮转子(6)的下段是下端圆环(64)，飞轮转子主圆柱体(61)、上端圆环(63)和下端圆环(64)的外径相同，上端圆环(63)的内径大于下端圆环(64)的内径，内接收极(62)的直径小于下端圆环(64)的内径，在飞轮转子主圆柱体(61)、内接收极(62)和上端圆环(63)之间形成类圆环形槽，该类圆环形槽中设置所述的五自由度磁轴承，在飞轮转子主圆柱体(61)和下端圆环(64)之间形成圆柱形槽，该圆柱形槽设置所述的外转子电机。2.根据权利要求1所述的一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统，其特征是：所述的径向内定子(11)外部是一个径向内定子圆环(112)，径向内定子圆环(112)的上下端面沿径向向内延伸3个相同的径向内定子极(111)，3个径向内定子极(111)的内表面在同一个半球形面上，之间形成一个半球形槽，该半球形槽有间隙地套在所述的内接收极(62)外部；所述的径向外定子(12)由径向外定子圆环(121)、径向外定子极(122)、定子连接体(123)和下部定子极(124)组成，径向外定子圆环(121)的上端面沿径向向外延伸3个相同的径向外定子极(122)、下端面沿径向向外延伸3个相同定子连接体(123)，每个定子连接体(123)的下表面边缘各向下延伸一个环状的下部定子极(124)；所述的轴向定子(3)包括一个轴向定子主体(31)，轴向定子主体(31)的下表面沿径向由内向外依次连接第一轴向定子极(32)、第二轴向定子极(33)、第三轴向定子极(34)和第四轴向定子极(35)，这四个轴向定子极之间留有距离；径向内定子(11)的外壁紧密套有圆环形的内永磁体环(51)，内永磁体环(51)的外壁紧密套有轴向定子(4)，轴向定子(4)的外壁紧密套有外永磁体环(52)，径向外定子(12)紧密套在外永磁体环(52)的外围，内永磁体环(51)的充磁方向为沿径向由外向内充磁，外永磁体环(52)的充磁方向为沿径向由内向外充磁；每个所述的径向内定子极(111)上绕制径向内定子控制线圈(21)，每个所述的径向外定子极(122)上绕制径向外定子控制线圈(22)，第一轴向定子极(32)和第二轴向定子极(33)之间的圆环形槽内缠绕第一轴向控制线圈(41)，第三轴向定子极(34)和第四轴向定子极(35)之间的圆环形槽内缠绕第二轴向控制线圈(42)，每个下部定子极(124)上绕制第三轴向控制线圈(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，王健萍，程烨东，杨启富，朱鹏飞，张林东，李凯，张松，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32