夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池及工作方法与流程

本发明涉及飞轮电池（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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明同时还提供该飞轮电池的工作方法。

本发明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。

本发明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。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明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，本发明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、本发明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、本发明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发明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为本发明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，本发明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7是由顶部端盖71、底部端盖72和圆桶73围成的真空腔室，其中圆桶73的顶部中央和底部中央各是开口，顶部中央开口处用顶部端盖71密封固定，底部中央开口处用底部端盖72密封固定。在真空室7内部设有1个盘式飞轮电机1、1个立式转轴5、2个相同的盘形磁轴承31、32。

真空室7内部正中央是立式转轴5，立式转轴5的中心轴与真空室7的中心轴重合，立式转轴5的顶端外部同轴空套一个上部保护轴承61，上部保护轴承61同时以连接件81固定在顶部端盖71的中间位置，上部保护轴承61属于径向-轴向辅助轴承，采用角接触球轴承，其与立式转轴5之间的轴向、径向气隙为0.25mm。立式转轴5的底端外部同轴空套一个下部保护轴承62，下部保护轴承62在底部端盖72的中间位置，下部保护轴承62同时以连接件82固定在底部端盖72上，该下部保护轴承62属于径向辅助轴承，采用深沟球轴承，与立式转轴5之间的径向气隙为0.25mm。

立式转轴5的轴向正中间同轴设置盘式飞轮电机1，在盘式飞轮电机1的正上方、正下方各同轴安装一个盘形磁轴承，分别是位于盘式飞轮电机1正上方的上部盘形磁轴承31和正下方的下部盘形磁轴承32，上部盘形磁轴承31位于上部保护轴承61的轴向正下方，下部盘形磁轴承32位于下部保护轴承62的正上方，上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32结构相同，并且相对于盘式飞轮电机1在轴向上下对称布置，以即镜面对称的方式位于盘式飞轮电机1的轴向两侧。上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32同轴空套在立式转轴5外，同时上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32分别以一个连接件83固定连接于圆桶73的侧壁上。连接件8、82、83可以采用焊接或螺纹连接方式连接。这样，立式转轴5 同时同轴空套于上部保护轴承61、下部保护轴承62、上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32中间。上部盘形磁轴承31与盘式飞轮电机1上表面之间形成轴向上部气隙21，下部盘形磁轴承32与盘式飞轮电机1下表面之间形成轴向下部气隙22，上部气隙21和下部气隙22均是2mm的圆柱状空气层，两个气隙既可作为轴向气隙又可作为径向气隙。

盘式飞轮电机1采用双转子无铁心盘式电机，由一个定子11、两个转子和两组永磁体组成。盘式飞轮电机1采用中间定子结构，定子11位于盘式飞轮电机1的正中间，同轴空套在立式转轴5外，定子11以连接件84固定连接圆桶73的侧壁。2个转子分别位于定子11上下两侧，分别是上部转子121与下部转子122，上部转子121与下部转子122相对于定子11以镜面对称方式轴向对称布置。上部转子121与下部转子122同轴固定套接在立式转轴5上，与立式转轴5共同旋转。转子既是电机转子也是飞轮电池的飞轮。

2个转子在背对着定子11的表面上，均沿沿圆周方向以贴片形式贴有四片相同的环形围绕的一组永磁体，一组永磁体是由四片相同的环形永磁体组成，上部转子121的上表面上贴着四片相同的环形的一组上部永磁体131，下部转子122的下表面上贴着四片相同的环形的一组上部永磁体132。上部转子121和下部转子122的每个转子上的一组四片永磁体131、132均以N极、S极首尾相接的交替方式排列成圆环状。

盘式飞轮电机1的外径为2R，R是盘式飞轮电机1的半径。上部转子121、下部转子122的外径、上部盘形磁轴承31、下部盘形磁轴承32的外径以及上部永磁体131、下部永磁体132所排列成的圆环状的外径都相同，均为2R。定子11的外径2r略小于2R，r是定子11的半径。但圆桶73的内径大于2R。盘式飞轮电机1的轴向高度h与其半径R 的比例为1:10。上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32之间的轴向最大高度是H，即上部盘形磁轴承31的上表面和下部盘形磁轴承32的下表面的轴向之间的高度是H，高度H和半径R的比例是3:5。使得整个飞轮电池成扁平结构，满足其极惯性矩/赤道惯性矩在1.4～2之间，可有效抑制陀螺效应。

如图3所示，上部盘形磁轴承31与下部盘形磁轴承32的外形均是中空的圆柱状，且每个磁轴承具有沿圆周方向均匀分布的三个相同的凸型磁极，上部盘形磁轴承31具有凸型磁极311、312、313，下部盘形磁轴承32具有凸型磁极321、322、323。在上部盘形磁轴承31的下端，沿着圆周方向每隔120度从下至上进行开槽，所开槽的轴向高度为上部盘形磁轴承31轴向高度的五分之三，开槽个数为3，开槽弧度为90度，如此形成上部盘形磁轴承31的三个凸型磁极311、312、313。在下部盘形磁轴承32的上端，沿着圆周方向每隔120度从上至下进行开槽，开槽个数为3，所开槽的轴向高度为下部盘形磁轴承32的轴向高度的五分之三，开槽弧度为90度，因而形成沿圆周方向均匀分布的下部盘形磁轴承32的凸型磁极321、322、323。上部盘形磁轴承31的凸型磁极311、312、313与位于上部转子121上表面上的上部永磁体131之间是轴向上部气隙21，下部盘形磁轴承32的凸型磁极321、322、323与位于下部转子122下表面上的下部永磁体132之间是轴向下部气隙22。

在上部盘形磁轴承31的凸型磁极上绕有一组上部径向控制线圈，即是在凸型磁极311、312、313上分别对应缠绕上部径向控制线圈411、412、413这三个线圈。每个上部径向控制线圈411、412、413以轴向布置，且以星形连接的方式相连接，分别引出三个径向控制线圈的接线端子。在每个下部盘形磁轴承32的凸型磁极上也绕有一组下部径向控制线圈，即是在凸型磁极321、322、323上分别对应缠绕下部径向控制线圈421、422、423。。每个下部径向控制线圈421、422、423以轴向布置，且均以星形连接的方式相连接，分别引出三个径向控制线圈的接线端子。

根据磁回路要求，磁路部件需导磁性能良好、磁滞低、并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32均采用硅钢片叠压而成。上部永磁体131和下部永磁体132均采用高性能稀土材料钱铁硼。

参见图1-3所示，本发明夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池工作时有三种工作模式：分别是充电模式、保持模式和放电模式，具体如下：

充电模式：飞轮电池系统在充电时，先由上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32控制转子实现起浮，即给两组径向控制线圈311、312、313、411、412、413通电，实现径向二自由度主动控制，并配合上部永磁体131、下部永磁体132实现径向扭转二自由度和轴向的被动悬浮控制。然后，在上部转子121和下部转子122起浮到中心位置后，由外界电能驱动盘式飞轮电机1，盘式飞轮电机1带动上部转子121和下部转子122加速旋转，达到设计的最高转速，储存能量，此时的盘式飞轮电机1作电动机使用。

保持模式：此过程飞轮高速旋转，储存动能。上部转子121和下部转子122达到一定转速后转入低压模式，由外部电力电子装置提供低压，维持飞轮电池储能能量的待机损耗为最小水平，维持飞轮的转速。此时，给两组径向控制线圈311、312、313、411、412、413通电，由上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32控制上部转子121和下部转子122的稳定悬浮，并在保持最小待机损耗的基础上，实时抑制由车载工况引起的陀螺效应。

放电模式：此时两组径向控制线圈311、312、313、411、412、413断电（只在径向扭转二自由度和轴向方向上存在被动悬浮控制），上部转子121和下部转子122给盘式飞轮电机1施加转矩，通过电力电子装置向外设输出电能，上部转子121和下部转子122转速不断下降，此时的盘式飞轮电机1作发电机使用。

上部盘形磁轴承31和下部盘形磁轴承32的工作方法如下：

径向扭转二自由度和转子轴向上的平移运动的被动控制实现：参见图4和图5，由于盘式飞轮电机1的轴向高度h远小于其半径R，根据磁阻力特性可知：上部转子121和下部转子122在轴向平移和径向扭转方向属被动悬浮控制，即转上部转子121和下部转子122一旦有倾斜或轴向位移，磁阻力都会作用使其回到平衡位置。即对于径向扭转二自由度方向的控制，磁阻力即为恢复扭转力F_r；对于轴向方向的控制，磁阻力即为轴向力F_z。

径向二自由度主动控制的实现：当上部转子121和下部转子122在径向二自由度（x、y轴方向）受到干扰而偏离平衡位置时，对于互成120度的三相上部的径向控制线圈411、412、413，此时均通电会产生一个极对数为1的旋转磁场，即可看做等效电流A1产生的旋转磁场（通三相交流电产生的旋转磁场），进而形成磁通。同理，对于互成120度的下部的径向控制线圈421、422、423，此时通电产生一个极对数为1的旋转磁场（通三相交流电产生的旋转磁场），即可看做等效电流A2产生的旋转磁场，进而形成磁通。此时处于旋转状态且带有上部永磁体131和下部永磁体132的上部转子121和下部转子122也可看作是转子等效电流B1、B2产生的旋转磁场（机械旋转磁场），进而形成磁通。两种磁场相互作用，经过磁通叠加，进而在径向气隙中形成不等的磁通密度，导致径向悬浮力产生，使得上部转子121和下部转子122回到平衡位置。

由于上部转子121和下部转子122在径向二自由度主动控制时，受力方向一致，因此仅以上部转子121受力分析为例。参见图6，以x轴负方向受到干扰为例：利用极对数为1的上部的径向控制线圈411、422、433产生2极磁通C1，贴于上部转子121上表面且与之同步的上部永磁体131产生4极磁通D1。此时，2极磁通C1与4极磁通D1经过相叠加，导致气隙q1处的磁通密度增加，气隙q2处的磁通密度减小，产生沿x轴正方向的径向悬浮力F_ra，使得上部转子121和下部转子122回到平衡位置。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。