一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池的控制方法与流程

本发明涉及飞轮电池(也称飞轮储能装置)控制领域，尤其涉及一种车载球形飞轮电池控制领域。

背景技术：

磁悬浮飞轮电池是一种在机械能和电能之间进行能量转换的储能装置，它是以高速旋转的飞轮转子的旋转动能的形式储存能量，以电能的形式输出供人们使用。与传统的储能电池相比，磁悬浮飞轮电池具有储能密度大，充放电时间快，能量转化率高，无污染等众多优势。因此，磁悬浮飞轮电池是一种新型的“绿色电池”，有着广阔的发展前景。

目前，环境污染和内燃机汽车所用的原油储量的不断减小，迫使人们不惜投入巨额资金研究无污染、低噪音的电动汽车，其中将磁悬浮飞轮电池应用于电动汽车领域，是最具前景的研究方向。然而，传统的飞轮电池，在设计上采用有“轴”结构，在遇到启动，急停，转弯等动作时，会产生很大的陀螺力矩，这在很大程度上限制了它在电动汽车上的应用。

从理论上来讲，球状飞轮转子可以消除陀螺效应的产生。利用磁悬浮球面轴承对其实现稳定悬浮，可以极大限度的消除突然运动中所产生的陀螺效应。因此如何利用磁悬浮球面轴承对球形飞轮进行控制，是解决飞轮电池在电动汽车上的应用的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种球面磁悬浮轴承对球状飞轮的控制方法，从而实现球状飞轮转子稳定悬浮旋转。

本发明采用的技术方案是：本发明在一种磁悬浮球形飞轮电池的基础上提出的球形飞轮悬浮方案。该球形飞轮电池的主要特点是：球形电动机/发电机作为传动装置，磁悬浮球面轴承作为支撑装置，并且利用永磁体辅助支撑球形飞轮。其中磁悬浮球面轴承对球形飞轮控制是球形飞轮稳定悬浮的关键。采用的具体技术方案如下：

一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池的控制方法：

在球形飞轮电池的工作过程中，采用磁场叠加型差动控制方式，即每对上下定子极分别装有偏置绕组和控制绕组，上定子极偏置绕组与轴承中心轴对称的上定子极偏置绕组串联，下定子极偏置绕组与轴承中心轴对称的下定子极偏置绕组串联，并通过恒定的电流，提供磁悬浮球面轴承工作的偏置磁场；每对定子极上定子极控制绕组与轴承中心轴对称的上定子极控制绕组串联，下定子极控制绕组与轴承中心轴对称的下定子极控制绕组串联，使得偏置绕组和控制电流在控制绕组中产生的磁通在一对定子极中相加、在另外一对定子极中相减，使得一对定子极与球形飞轮间气隙磁通增加、另一对定子极与球形飞轮间气隙磁通减小，根据B为磁感应强度，S为球面轴承的定子球面面积，μ₀为空气磁导率，飞轮所受的电磁力一侧增加、另一侧减小，从而调整球面飞轮的位置，使之始终处于平衡位置。

进一步地，所述控制方法的具体实现包括：

步骤1：将磁悬浮球面轴承左上球面定子极偏置绕组与右上球面定子极偏置绕组串联分别置于左上球面定子极和右上球面定子极上；左下球面定子极偏置绕组与右下球面定子极偏置绕组串联分别置于左下球面定子极和右下球面定子极上；磁悬浮球面轴承左上球面定子极控制绕组与右上球面定子极控制绕组串联分别置于左上球面定子极和右上球面定子极上；左下球面定子极控制绕组与右下球面定子极控制绕组串联分别置于左下球面定子极和右下球面定子极上；

步骤2：在串联后的偏置绕组内通过恒定的偏置电流I₀，提供磁轴承工作的偏置磁场B；当球形飞轮偏移平衡位置时，利用传感器检测到球形转子偏移位置，通过控制器及功率放大器，产生控制电流i_c；串联后的控制绕组使得偏置线圈和控制电流i_c所产生的磁通在一对定子极中相加，在另一对定子极中相减。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程包括：在球形飞轮转子受到扰动偏移平衡位置向下运动的时候，控制电流i_c产生的控制磁通ΔB使得左上球面定子极偏置绕组与右上球面定子极中的磁通增加为B+ΔB，而使左下球面定子极与磁悬浮球面轴承右下球面定子极中的磁通减小为B-ΔB，使得球形飞轮的上面受到的电磁力增加、下面受到的电磁力减小，使得球形飞轮转子回到平衡位置；在球形飞轮偏离平衡位置向上，控制电流i_c的流向和球形飞轮转子受到扰动偏移平衡位置向下运动时的相反，即上面的电磁力减小，下面的电磁力增大，使得球形飞轮转子回到平衡位置。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程还包括：在球形飞轮转子受到扰动偏移平衡位置向左运动或向右运动时，控制过程和向上运动或向下运动时相同。

进一步地，所述控制器采用DSP实现。

进一步地，所述传感器采用电涡流位移传感器。

进一步地，所述球形飞轮电池包括2个磁悬浮球面轴承，共八个定子极，每个定子极表面呈球面状,球面中心与飞轮电池球形外壳中心重合。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的是一种新型磁悬浮球面轴承，磁悬浮球面轴承是一种新型的磁悬浮轴承，其定子表面被做成球面状，适合支撑表面为球形的转子，其与传统的洛伦兹力磁悬浮轴承相比，其承载能力更大，转子质量、角动量进一步提高，便于增加陀螺控制力矩的范围。此外磁悬浮球面轴承能够实现各自由度上的平动、扭动的完全解耦，从而实现球形飞轮的稳定悬浮转动，提高了球面轴承对飞轮的控制精度，最大程度的抑制了飞轮的陀螺效应的产生。

(2)新型磁悬浮球面轴承的定子绕组实行采用磁场叠加型差动控制方式即偏置绕组和控制绕组相分离置于磁悬浮球面轴承的定子极上的方案，偏置绕组中的偏置电流产生均匀分布偏置磁场实现飞轮的悬浮功能。控制绕组中的电流产生控制磁场，实现飞轮在偏离平衡位置时将其矫正,这种方案更有利于于球形飞轮的精准控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明磁悬浮球面轴承侧视图；

图3为本发明磁悬浮球面轴承俯视图；

图4为永磁体13与永磁体14的磁充分布图；

图5磁悬浮球面轴承内部绕组接线图；

图6控制电路简图。

图中：1.端盖：2.密封圈；3.球形电机定子吊杆；4.开口球形飞轮外壳；5.磁悬浮球面轴承定子套环；6.I区和IV区分布磁悬浮球面轴承轴承；7.III区和VI区分布磁悬浮球面轴承绕组，8.开孔球形壳体；9.飞轮、转子连接器；10.球形电机的球形定子；11.球形电机球形腔转子；12.真空阀；13.永磁体1；14.永磁体2；15.电涡流位移传感器；16.永磁体套筒；17.真空腔；18，支撑架；61.磁悬浮球面轴承6定子极对；62磁悬浮球面轴承6定子极绕组；71.磁悬浮球面轴承7定子极对；72磁悬浮球面轴承7定子极绕组；

101.磁悬浮球面轴承左上球面定子极控制绕组；102.磁悬浮球面轴承左上球面定子极偏置绕组；103磁悬浮球面轴承左上球面定子极；104.磁悬浮球面轴承右上球面定子极控制绕组；105.磁悬浮球面轴承右上球面定子极偏置绕组；106.磁悬浮球面轴承左下球面定子极；107.磁悬浮球面轴承左下球面定子极；108.磁悬浮球面轴承左下球面定子极偏置绕组；109.磁悬浮球面轴承左下球面定子极控制绕组；110.磁悬浮球面轴承右下球面定子极；111.磁悬浮球面轴承右下球面定子偏置绕组；112.磁悬浮球面轴承右下球面定子极控制绕组。

具体实施方式

本发明提供的是一种八对定子极磁悬浮球面轴承，每个定子极表面呈球面状，每对定子极分为上下球面定子极，并且采用磁场叠加型差动控制方式，即每对上下定子极分别装有偏置线圈和控制线圈，两个定子极的偏置线圈串联连接，并且通过恒定的电流，提供磁悬浮球面轴承工作的偏置磁场。每对定子极上另设控制线圈按一定的要求串联，使得偏置线圈和控制电流在控制线圈中产生的磁通在一对定子极中相加，在另外一对定子极中相减。因此一对定子极与球形飞轮间气隙磁通增加，在另一对定子极与球形飞轮间气隙磁通减小，根据(B为磁感应强度，S为球面轴承的定子球面面积，μ₀为空气磁导率)可知，飞轮所受的电磁力一侧增加另一侧减小从而调整球面飞轮的位置，使之始终处于平衡位置。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。为叙述方便，将图1的圆心为原点，将该飞轮电池截面图放置在直角坐标系XOY中，并且将飞轮电池截面图以0点为中心在直角坐标系XOY分为六等分(每等分60度),将这些区域命名为I、II、III、IV、V、VI区。

参见图1所示，本发明包括开口球形飞轮外壳4，开口截面角度为60度即与II区所占角度的区域重合。开口球形飞轮外壳4与开口球形飞轮外壳4匹配的端盖1围成了密闭的真空腔17，端盖1与开口球形飞轮外壳4设置有密封圈2。壳体上设置真空阀12确保飞轮电池内部绝对真空。外壳下部设置有支承架18。飞轮壳体4上部端盖1的中央设置有由球形电机定子吊杆3固定的球形电机的球形定子10。开口球形飞轮外壳4底部设置永磁体14(永磁体1)，位于图中V区。在永磁体14，上方设置的开孔球形壳体8，开口截面角度也为60度，并且与II区所占角度的区域重合。开孔球形外壳8与设置在开孔球形外壳8上与球形电机的球形定子10相对应的位置的球形电机球形腔转子11和飞轮、转子连接器9共同构成球形磁悬浮飞轮。壳体3的内壁上由定子套环5固定两个磁悬浮球面轴承，分别是磁悬浮球面轴承6和磁悬浮球面轴承7。图1中可以看出，磁悬浮球面轴承6位于I区和IV区，磁悬浮球面轴承7位于III区和VI区，并且磁悬浮球面轴承6与磁悬浮球面轴承7围绕球心对称交叉分布，即将磁悬浮球面轴承6和磁悬浮球面轴承7以其中心轴Y1与Y2的夹角为60度安装。采用这种安装方式是为了磁悬浮球面轴承6与磁悬浮球面轴承7相互配合，既可以产生一个X方向的偏置分力F2，也可以产生Y轴方向的偏置分力F1，使得球形飞轮8受力平衡，稳定悬浮。当球形飞轮8偏离平衡位置时，只需通过外部的控制电路调整其受到的电磁力的大小即可将飞轮球形飞轮8“拉”回平衡位置。

参见图2、图3所示，磁悬浮球面轴承6共有8个定子极，其中沿轴承的中心轴Y1向上，布置上下两个定子极，构成一个定子极对，这样就组成了4个定子极对61，这4对定子极围绕磁悬浮球面轴承6的中心轴Y1对称分布。这些定子极表面呈球面状，且球面中心与开口球形飞轮外壳4中心重合。定子极对61上下两个定子极间的夹角呈30度。磁悬浮球面轴承6绕组62置于定子极对61的上下定子上。磁悬浮球面轴承6的上定子极绕组与其Y1对称的上定子极绕组串联，下定子极绕组与其Y1对称的下定子极绕组串联。当磁悬浮球面轴承6上下定子绕组通以相等的偏置电流时，磁悬浮球面轴承6在其径向方向上的合成偏置磁通从定子极对61的上定子极内球面出发经过上定子极与开孔球形壳体8间的气隙、开孔球形壳体8、定子极对61的下定子极与球形飞轮8间的气隙、定子极对61的下定子极内球面回到上定子极内球面。这样，在磁悬浮球面轴承6在其径向上各产生一个大小相等方向相反偏置电磁力F(其中B为磁感应强度，S为球面轴承的定子极球面面积，μ₀为空气磁导率)。(这里的F即为图一中F1与F2的合力)磁悬浮球面轴承7的结构与磁悬浮球面轴承6相同，其4个定子极对71围绕磁悬浮球面轴承7的中心轴Y2对称分布。磁悬浮球面轴承7绕组72连接方式和磁通产生方式都与磁悬浮球面轴承6相同，这样，在磁悬浮球面轴承6和磁悬浮球面轴承7在其径向上各产生一个大小相等方向相反偏置电磁力F使得球形飞轮8处于平衡位置。

参见图4所示为永磁体13与永磁体14的磁充分布图，由图1可以看出磁悬浮球面轴承交叉式安装，受飞轮自身重力的影响，在Y轴方向上受扰动影响较大，纯粹依靠主动方式控制的磁悬浮球面轴承往往会加大磁悬浮球面轴承的功耗且易失稳，因此球形外壳底部设置永磁体14，由永磁体套筒16将其固定在开口球形飞轮外壳4上，在永磁体14上方的球状飞轮8对应位置也设置成永磁体13(永磁体2)，其充磁方向如图4所示，这样，永磁体14与永磁体13利用同性磁极相斥的原理共同作用使得飞轮在Y方向上悬浮起来，减少了磁轴承功耗的同时保证飞轮在遇到紧急动情况下不至于碰撞机体，当球形飞轮电池工作过程中为了对球面磁悬浮轴承所产生的磁力实现精确控制，有必要对飞轮的偏心位移进行实时监控，本发明通过电位移传感器15非接触采集开孔球形外壳8的位移信息，进而通过外部控制电路的调控实现对储能飞轮状态的闭环控制，按图1中所示磁悬浮球面轴承6与磁悬浮球面轴承9分别配备一个电涡流传感器，并且安装在开口球壳4的内壁底部如图1所示位置。此外开口球壳及球面轴承球面定子极的表面喷镀或贴有高硬度合金材料，可以防止球形飞轮在突然运动中发生的碰撞。

为了更加方便叙述本发明的工作原理，将磁悬浮球面轴承单独加以分析。参见图5所示，磁悬浮球面轴承左上球面定子极偏置绕组102与左下球面定子极偏置绕组108串联分别置于左上球面定子极103和右上球面定子极107上。右上球面定子极偏置绕组105与右下球面定子极偏置绕组111串联分别置于右上球面定子极106和右下球面定子极110上。磁悬浮球面轴承左上球面定子极控制绕组101与左下球面定子极控制绕组109串联分别置于左上球面定子极103和左下球面定子极107上。右上球面定子极控制绕组104与右下球面定子极控制绕组112串联分别置于左下球面定子极106和右下球面定子极110上。

图6为磁悬浮球面轴承的控制原理图，为了方便解释，以一个磁悬浮球面轴承为例，只显示一对偏置绕组和控制绕组的控制电路图。其他绕组的控制电路接法与此一致。如图6所示，磁悬浮球面轴承的定子极106的偏置绕组105与定子极110的偏置绕组111串联连接，并且通过恒定的偏置电流I₀，提供磁轴承工作的偏置磁场B。当球形飞轮2偏移平衡位置时，电涡流传感器15检测到球形转子偏移位置，通过控制器(可以采用DSP实现)及功率放大器，产生控制电流i_c，定子极103的控制绕组101与定子极107的控制绕组109，按以下要求串联，即使得偏置线圈和控制电流i_c所产生的磁通在一对定子极中相加，在另一对定子极中相减。以图6位置假设球形飞轮转子受到扰动偏移平衡位置向下运动的时候，控制电流i_c产生的控制磁通ΔB使得定子极103与定子极106中的磁通增加为B+ΔB，而使定子极107与定子极110中的磁通减小为B-ΔB，这样的结果是上面的球形飞轮受到的电磁力增加，下面受到的电磁力减小，使得球形飞轮转子又回到平衡位置。如果球形飞轮偏离平衡位置向上，控制电流i_c的流向和上述情况相反，也就是上面的电磁力减小，下面的电磁力增大。

综上所述，两组磁悬浮球面轴承的其他绕组也按图6所示电路接线，在球形飞轮电池的工作过程中，通过电涡流传感器不断地检测球形飞轮的位置数据，计算球形飞轮偏离球心的偏离值和方位，调整各个球面轴承的通电量来改变定子极中的磁通大小，从而影响球面飞轮的受力情况，使球面飞轮处于稳定的悬浮状态。

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。