一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池。本发明的磁悬浮飞轮储能电池，将现有永磁型和主动控制型磁悬浮飞轮电池技术相结合，既可降低原动力电池功耗，又可对储能飞轮实现主动控制，经受储能飞轮随意扰动。该电池由电动汽车原动力电池提供电源，在电动汽车启动、加速、爬坡时为原动力电池提供辅助电能，降低原动力电池放电频率及放电深度，改善其放电特性，延长其使用寿命。
【专利说明】—种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能电池，尤其涉及一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，可作为电动汽车辅助电源使用。
【背景技术】
[0002]电动汽车由动力电池驱动，具有高效节能、低噪声、零排放等优点，其规模化应用将有效解决能源短缺和环境污染等问题。电动汽车作为未来主要交通工具，对其启动、力口速、爬坡等性能及续航里程提出一定要求，而这些性能很大程度上取决于动力电池性能。目前，可用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌-空气电池和锂离子电池，锂离子电池由于具有工作电压高、比功率大、无记忆效应、无污染、自放电小等优点是电动汽车最具潜力的动力电池。但是由于锂离子电池造价昂贵、续航里程小、循环使用寿命短等缺点，将制约其在电动汽车上的广泛应用，尤其在电动汽车启动、爬坡等过程中，需要动力电池快速、深度放电，更加影响其使用寿命。
[0003]磁悬浮飞轮电池以其比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无任何废气废料污染等特点广泛应用于电动汽车、医疗器械、工业设备、航空航天等领域，磁悬浮飞轮电池主要分为永磁型和主动控制型。永磁型磁悬浮飞轮电池通过径向和轴向的永久磁铁实现储能飞轮的被动悬浮，主动控制磁悬浮飞轮电池通过径向和轴向的电磁线圈实现对储能飞轮的主动控制。
[0004]由于电动汽车在行驶过程中存在随意启停、加减速现象，能量转换频繁，给磁悬浮飞轮电池带来频繁放电扰动，永磁型磁悬浮飞轮电池频繁放电可能会造成储能飞轮失稳，影响磁悬浮电池稳定性；主动控制磁悬浮飞轮电池控制稳定性强，在电动汽车行驶过程中不易失稳，但需要消耗原动力电池大量能量来支撑储能飞轮工作，降低了原动力电池使用效率。鉴于这两种磁悬浮飞轮电池所存在的不足，可以考虑将两者相结合，既可降低原动力电池功耗，又可对储能飞轮实现主动控制，经受储能飞轮随意扰动。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，将现有永磁型和主动控制型磁悬浮飞轮电池技术相结合，既可降低原动力电池功耗，又可对储能飞轮实现主动控制，经受储能飞轮随意扰动。该电池由电动汽车原动力电池提供电源，在电动汽车启动、加速、爬坡时为原动力电池提供辅助电能，降低原动力电池放电频率及放电深度，改善其放电特性，延长其使用寿命。
[0006]本发明具体采用以下技术方案:
一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，包括设置于保持真空环境的密封腔中的储能飞轮、磁悬浮轴承系统、发电/电动一体机定子，所述磁悬浮轴承系统为混合磁悬浮轴承系统，包括永磁偏置磁悬浮轴承和主动控制磁悬浮轴承，其中永磁偏置磁悬浮轴承包括分别固接于所述密封腔内壁上的一组径向永磁偏置磁悬浮轴承和一组轴向永磁偏置磁悬浮轴承，用于分别对储能飞轮起径向和轴向支撑作用；主动控制磁悬浮轴承包括分别固接于所述密封腔内壁上的一组径向主动磁悬浮轴承和一组轴向主动磁悬浮轴承，分别用于对储能飞轮的径向运动和轴向运动进行主动控制，径向主动磁悬浮轴承包括径向铁芯和绕制在其上的径向线圈，轴向主动磁悬浮轴承包括轴向铁芯和绕制在其上的轴向线圈，径向线圈和轴向线圈中的励磁电流可在外部控制下进行调整。
[0007]进一步地，所述储能飞轮包括芯轴以及嵌套于芯轴外壁的可充磁飞轮转子、电机处充磁环、径向磁轴承处充磁环，其中，可充磁飞轮转子、电机处充磁环、径向磁轴承处充磁环的位置分别对应于轴向永磁偏置磁悬浮轴承/轴向主动磁悬浮轴承、发电/电动一体机定子、径向永磁偏置磁悬浮轴承/径向主动磁悬浮轴承。
[0008]进一步地，所述磁悬浮飞轮储能电池还包括固定于储能飞轮的旋转轴所指向的密封腔两侧内壁上的一对保护轴承；储能飞轮静止时，保护轴承对其起支撑作用，储能飞轮转动时，保护轴承与储能飞轮呈非接触状态
进一步地，所述磁悬浮飞轮储能电池还包括用于分别对储能飞轮的径向位移、轴向位移进行监测的径向位移监测装置、轴向位移监测装置，径向位移监测装置、轴向位移监测装置均包括非接触式位移传感器。所述非接触式位移传感器优选电涡流位移传感器。
[0009]更进一步地，在储能飞轮位于所述径向位移监测装置中的电涡流位移传感器的监测区域中的芯轴外壁上，嵌套有铜质的位移检测环；从而可有效提高电涡流位移传感器对位移的检测精度。
[0010]为了使整个磁悬浮飞轮储能电池的结构更紧凑，优选地，所述径向永磁偏置磁悬浮轴承和径向主动磁悬浮轴承的数量相同且一一对应，一个径向主动磁悬浮轴承嵌套于一个径向永磁偏置磁悬浮轴承中，且两者产生的磁场相互重叠；所述轴向永磁偏置磁悬浮轴承和轴向主动磁悬浮轴承的数量相同且一一对应，一个轴向主动磁悬浮轴承嵌套于一个轴向永磁偏置磁悬浮轴承中，且两者产生的磁场相互重叠。
[0011]本发明将永磁型和主动控制型磁悬浮飞轮电池技术相结合，在保留了两者的优点的同时克服了两者的不足之处，相比现有技术，本发明的磁悬浮飞轮储能电池具有功率消耗低、可主动控制且控制稳定性强的优点，可用于电动汽车，辅助原动力电池工作，降低原动力电池放电频率及放电深度，改善其放电特性，延长其使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明磁悬浮飞轮储能电池的剖面结构图；
图2为本发明磁悬浮飞轮储能电池的储能飞轮的剖面结构图；
图3为本发明磁悬浮飞轮储能电池的主动控制系统原理示意图；
图中各标号含义如下:
1、密封腔，2、密封圈，3、紧固螺栓，4、径向永磁偏置磁悬浮轴承，5、径向铁芯，6、径向线圈，7、储能飞轮，8、轴向铁芯，9、轴向线圈，10、轴向永磁偏置磁悬浮轴承，11、轴承支座，12、发电/电动一体机定子，13、保护轴承，14、轴承支座，15-18、电涡流式位移传感器，19、芯轴，20、可充磁飞轮转子，21、电机处充磁环，22、径向磁轴承处充磁环，23、位移检测环。
【具体实施方式】[0013]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
本发明针对现有现有永磁型和主动控制型磁悬浮飞轮电池的不足，将两者相结合，从而在保留两者的优点的同时克服两者的不足之处，具有功率消耗低、可主动控制且控制稳定性强的优点，可用于电动汽车，辅助原动力电池工作，降低原动力电池放电频率及放电深度，改善其放电特性，延长其使用寿命。
[0014]图1显示了本发明的一个优选实施例的结构，如图所示，该磁悬浮飞轮储能电池包括包括密封装置、混合磁悬浮轴承系统、储能飞轮及能量转换装置，其中密封装置包括密封腔1、密封圈2、紧固螺栓3，保证磁悬浮飞轮储能电池工作在真空环境中。混合磁悬浮轴承系统包括永磁偏置磁悬浮轴承和主动控制磁悬浮轴承，永磁偏置磁悬浮轴承包括径向永磁偏置磁悬浮轴承4和轴向永磁偏置磁悬浮轴承10,固定于密封腔I内壁上，对磁悬浮轴承系统起支撑作用；主动控制磁悬浮轴承包括径向主动磁悬浮轴承和轴向主动磁悬浮轴承，径向主动磁悬浮轴承包括径向铁芯5和绕至于其上的径向线圈6，限制储能飞轮7径向四个自由度的平动和转动，轴向主动磁悬浮轴承包括轴向铁芯8和绕至于其上的轴向线圈9，限制储能飞轮7的轴向平动；该混合磁悬浮轴承系统中的永磁偏置磁悬浮轴承主要平衡储能飞轮7的重力，降低电动汽车原动力电池作为磁悬浮飞轮电池动力源时的功耗，且该永磁偏置磁悬浮轴承固定于密封腔I上，对整个磁悬浮轴承起支撑作用；主动控制磁悬浮轴承的主要目的是实现对储能飞轮7的主动控制作用，增加磁悬浮轴承系统动刚度，且方便对高速转动的储能飞轮7进行不平衡力、不平衡位移实时补偿。能量转换装置为发电/电动一体机定子12，通过轴承支座11固定在密封腔I上，以便调节储能飞轮7的转速，实现充电或放电。为了对磁悬浮轴承系统进行有效保护，如图所示，在正对储能飞轮7轴向两端的密封腔I两侧内壁上，通过轴承支座14固定有保护轴承13 ;当储能飞轮7静止时，保护轴承13对其起支撑作用，储能飞轮7转动时，保护轴承13与储能飞轮7呈非接触状态，当磁悬浮轴承控制系统失稳时，保护轴承13可临时带动储能飞轮7转动，避免磁悬浮轴承系统受损。为了对主动磁悬浮轴承所产生的磁力进行精确控制，有必要对储能飞轮7的轴向位移和径向位移进行实时监测，为此，本发明通过电涡流式位移传感器15、16非接触采集储能飞轮7一个自由度径向位移信息，通过电涡流传感器17、18非接触采集储能飞轮7轴向位移信息，并将采集到的轴向/径向位移信息输出至外置的控制系统，控制系统根据储能飞轮7的轴向/径向位移，通过调整径向线圈6和轴向线圈9中的励磁电流来实时调节径向/轴向主动磁悬浮轴承的磁力，进而实现对储能飞轮7状态的闭环控制。
[0015]为了降低占用空间，使得电池结构更紧凑，本实施例中采用永磁偏置磁悬浮轴承与主动磁悬浮轴承两两嵌套的结构，如图1所不，径向永磁偏置磁悬浮轴承与径向主动磁悬浮轴承的数量相同且一一对应，径向永磁偏置磁悬浮轴承4为中空结构，径向主动磁悬浮轴承固定于其中，两者产生的磁场相互重叠；类似地，轴向永磁偏置磁悬浮轴承10与轴向主动磁悬浮轴承也两两嵌套。
[0016]本发明的储能飞轮7可直接采用现有永磁型或主动控制型磁悬浮飞轮电池中的飞轮结构，本实施例中采用如图2所示的结构，如图所示，本实施例中的储能飞轮包括芯轴19,芯轴19上对应于轴向永磁偏置磁悬浮轴承/轴向主动磁悬浮轴承、发电/电动一体机定子、径向永磁偏置磁悬浮轴承/径向主动磁悬浮轴承的位置上，分别嵌套有由碳纤维和电工纯铁粉末复合材料制成的可充磁飞轮转子20、电机处充磁环21、径向磁轴承处充磁环22，其中，充磁飞轮转子20承受轴向磁轴承电磁力及径向离心力，径向磁轴承处充磁环22承受径向磁轴承电磁力。此外，为了提高径向电涡流位移传感器15、16对径向位移的检测灵敏度，如图2所示，在芯轴19上位于电涡流位移传感器15、16的监测区域中嵌套有铜质的位移检测环23,铜质材料可提闻电润流传感器的检测精度。
[0017]本实施例中主动控制磁悬浮轴承部分的控制系统的原理如3所示，电涡流式位移传感器15、16非接触采集储能飞轮7的径向位移信号并输出，传感器驱动模块差动放大该径向位移信号并传输给数字控制器，经数字控制器调节输出需要的电压信号，该信号传输给功率放大器，使功率放大器输出相应的电流，分别作用到径向主动磁悬浮轴承的径向线圈6并产生磁力，实现对储能飞轮7的径向悬浮控制；轴向自由度悬浮控制过程类同。储能飞轮在四个径向自由度与一个轴向自由度同时主动控制悬浮后，自由悬浮于空间，保证在转动过程中与保护轴承及磁悬浮轴承等不接触，可使储能飞轮高速转动，且在变速过程中储能飞轮可稳定悬浮。
[0018]在电动汽车行驶过程中，该磁悬浮飞轮电池的控制系统及磁悬浮轴承系统由电动汽车原动力电池提供电能补给。另外，若原动力电池剩余容量不足以保证驱动电动汽车正常行驶时，该磁悬浮飞轮电池可以为其充电，满足电动汽车原动力电池和该磁悬浮飞轮电池同时工作的要求。
【权利要求】
1.一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，包括设置于保持真空环境的密封腔中的储能飞轮、磁悬浮轴承系统、发电/电动一体机定子，其特征在于，所述磁悬浮轴承系统为混合磁悬浮轴承系统，包括永磁偏置磁悬浮轴承和主动控制磁悬浮轴承，其中永磁偏置磁悬浮轴承包括分别固接于所述密封腔内壁上的一组径向永磁偏置磁悬浮轴承和一组轴向永磁偏置磁悬浮轴承，用于分别对储能飞轮起径向和轴向支撑作用；主动控制磁悬浮轴承包括分别固接于所述密封腔内壁上的一组径向主动磁悬浮轴承和一组轴向主动磁悬浮轴承，分别用于对储能飞轮的径向运动和轴向运动进行主动控制，径向主动磁悬浮轴承包括径向铁芯和绕制在其上的径向线圈，轴向主动磁悬浮轴承包括轴向铁芯和绕制在其上的轴向线圈,径向线圈和轴向线圈中的励磁电流可在外部控制下进行调整。
2.如权利要求1所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述储能飞轮包括芯轴以及嵌套于芯轴外壁的可充磁飞轮转子、电机处充磁环、径向磁轴承处充磁环，其中，可充磁飞轮转子、电机处充磁环、径向磁轴承处充磁环的位置分别对应于轴向永磁偏置磁悬浮轴承/轴向主动磁悬浮轴承、发电/电动一体机定子、径向永磁偏置磁悬浮轴承/径向主动磁悬浮轴承。
3.如权利要求2所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述可充磁飞轮转子、电机处充磁环、径向磁轴承处充磁环均由碳纤维和电工纯铁粉末复合材料制成。
4.如权利要求1所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，还包括固定于储能飞轮的旋转轴所指向的密封腔两侧内壁上的一对保护轴承；储能飞轮静止时，保护轴承对其起支撑作用，储能飞轮转动时，保护轴承与储能飞轮呈非接触状态。
5.如权利要求1所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，还包括用于分别对储能飞轮的径向位移、轴向位移进行监测的径向位移监测装置、轴向位移监测装置，径向位移监测装置、轴向位移监测装置均包括非接触式位移传感器。
6.如权利要求5所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述非接触式位移传感器为电涡流位移传感器。
7.如权利要求6所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，在储能飞轮位于所述径向位移监测装置中的电涡流位移传感器的监测区域中的芯轴外壁上，嵌套有铜质的位移检测环。
8.如权利要求1所述用于电动汽车的磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述径向永磁偏置磁悬浮轴承和径向主动磁悬浮轴承的数量相同且一一对应，一个径向主动磁悬浮轴承嵌套于一个径向永磁偏置磁悬浮轴承中，且两者产生的磁场相互重叠；所述轴向永磁偏置磁悬浮轴承和轴向主动磁悬浮轴承的数量相同且一一对应，一个轴向主动磁悬浮轴承嵌套于一个轴向永磁偏置磁悬浮轴承中，且两者产生的磁场相互重叠。
【文档编号】H02K7/02GK103607067SQ201310522880
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】高辉, 申景金, 付蓉, 马海啸, 荣丽娜 申请人:南京邮电大学