五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置的制作方法

本发明涉及用于电动汽车的车载飞轮储能装置(也称飞轮电池)领域，具体指一种采用五自由度单侧悬浮的车载储能装置。

背景技术：

飞轮电池是一种机械储能电池，具有充电效率高、比功率大、质量小、无污染和寿命长等优势，是电动汽车理想的动力电池。目前，制约电动汽车发展的主要难题是车载储能装置的稳定性能较差、空间占用率大和价格昂贵等的问题。现有的飞轮储能装置是有长主轴的结构，当储能装置受到外界干扰时，易发生陀螺效应不适合应用于车载储能装置。带有球面的长主轴型飞轮储能装置虽然能在一定程度上抑制陀螺效应，但是由于主轴轴向长度大，不可避免会发生不稳定现象。盘型飞轮储能装置具有良好的稳定性，但传统的盘型飞轮储能装置采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承布置于飞轮轴向上下两侧分散控制，仍然导致储能装置轴向长度过大，陀螺效应仍较明显。

由于电动汽车空间有限，因此对飞轮电池的体积和质量的要求就相对比较高。目前的飞轮储能装置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。另外，为了实现车载飞轮电池的规模化应用，需要进一步降低飞轮储能装置的成本。大多数飞轮采用高强度复合材料制成，因此价格昂贵，不易实现大规模推广应用。虽然采用金属材料制成的飞轮具有成本低的优势，但是相同储能量的基础上，其重量和体积成倍增加，不适宜车载环境。因此在满足储能量的基础上，设计一种新型的高稳定性、高集成度、低成本的车载飞轮储能装置具有重要意义。因此，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，例如中国专利申请号为201910072060.7、名称为“电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置的文献中提出的虚拟轴式飞轮电池，采用一种径向混合磁轴承的支承方式实现径向二自由度的平动和径向二自由度的扭动控制，采用分离式轴向磁轴承的支承方式实现轴向单自由度控制。分离式轴向磁轴承利用内嵌式双永磁体环的结构，增加了轴向偏置磁通，能够实现较大的轴向承载力，但为了实现轴向控制不可避免会产生漏磁，从而导致能耗增加。该方案采用分离式五自由度磁轴承，虽然在保持飞轮储能量的基础上又能实现飞轮五自由度控制，但是，由于部分磁轴承部件内埋于飞轮转子内，加工困难，且难以维修。

技术实现要素：

本发明的目的为了解决现有车载飞轮储能装置存在的陀螺效应严重、空间占用率大又价格昂贵以及能耗大的问题，提供了一种五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置，从结构上实现了减小飞轮转子的陀螺效应、减小空间占用率、提高集成度、降低成本和能耗。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：最外部是一个密闭的外壳腔，外壳腔内由上到下同轴心地布置五自由度磁轴承、飞轮转子和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向定子和轴向定子，所述的飞轮转子的中段是主圆盘体、上段是球面圆环、下段是外圆环和内圆盘，主圆盘体的下表面边缘处向下固定连接外径相同的外圆环，主圆盘体的下表面正中间固定连接内圆盘，外圆环的内径大于内圆盘的外径，内圆盘和外圆环之间形成圆环形凹槽，该圆环形凹槽中是所述的外转子电机；主圆盘体的上表面正中间固定连接一个球面圆环，球面圆环的外径大于内圆盘的外径、内径小于内圆盘的外径，球面圆环的圆环外壁是向外凸出的球面，内壁是向内凸出的球面；所述的径向定子最上端是圆环体的上端圆环，上端圆环外侧壁向下延伸3个大小相同的径向外环定子轭，上端圆环内侧壁向下延伸3个大小相同的径向内环定子轭，所述的径向外环定子轭和径向内环定子轭之间形成一个圆环形槽；每个径向外环定子轭下端的内侧壁向内延伸一个径向外环定子极，每个径向外环定子极的内侧壁是凹球面，3个径向外环定子极的内侧壁之间形成一个球形凹槽；每个径向内环定子轭下端的外侧壁向外延伸一个内环定子极，每个内环定子极的外侧壁是凹球面，3个内环定子极的外侧壁之间形成一个球形凹槽；所述的球面圆环套在3个内环定子极与3个径向外环定子极之间，3个径向外环定子极形成的球形凹槽有间隙地同轴心套在球面圆环外，3个内环定子极之间形成的球形凹槽间隙地同轴心套在球面圆环内；所述的径向外环定子轭上绕有径向外壁控制线圈，径向内环定子轭上绕有径向内壁控制线圈；径向定子上的圆环形槽内的上方放置内圆环体的内环永磁体和外环永磁体、下方放置轴向定子，内环永磁体和外环永磁体充磁方向均为轴向向下充磁。

所述的轴向定子的上层由轴向内环定子轭、轴向外环定子轭和3个扭转极组成，轴向内环定子轭和轴向外环定子轭均为圆环体，轴向内环定子轭的外壁和轴向外环定子轭的内壁之间固定连接沿圆周方向均匀分布的3个相同的扭转极，扭转极上绕有扭转控制线圈；内环定子轭的下表面沿径向由内向外连接第一轴向定子极和第二轴向定子极，外环定子轭的下表面径向由内向外连接第三轴向定子极和第四轴向定子极，第一轴向定子极和第二轴向定子极之间形成轴向内定子槽，轴向内定子槽内放置有轴向内环控制线圈，第三轴向定子极和第四轴向定子极之间形成轴向外定子槽，轴向外定子槽内放置有轴向外环控制线圈。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明突破传统支撑系统采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承分布于飞轮转子上下两侧分散控制的局限，本发明的支承系统采用高度集成的五自由度磁轴承，磁轴承全部集成在飞轮转子的上段这一侧，减少了轴向尺寸，抑制了陀螺效应。

2、本发明将飞轮转子下部开槽，将电机定子和电机永磁体内嵌于飞轮转子的槽壁上，将磁轴承径向定子与飞轮转子上部的推力环有机结合，实现了磁轴承、飞轮和电机一体化，不占用多余的空间，实现了高度的集成化，节约了成本。

3、本发明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，本发明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。

4、本发明将磁轴承和飞轮密封在一个真空外壳中，消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗。外壁采用大量的散热片，解决高速时飞轮转子的升温问题，减少能耗。

5、充分考虑陀螺效应的影响，本发明的飞轮转子主体为无轴孔实心圆盘结构，可以更好的抑制陀螺效应。另外，将飞轮转子上的推力盘设计为带球面扁平的推力圆环，可使转子多维运动且径向承载力大，当转子发生偏转时，电磁力会始终指向推力圆环的球心，从而降低径向定子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陀螺效应。此外，相比于传统细长形的推力圆盘，本发明的扁平的推力圆环减少了飞轮转子的空气摩擦损耗，降低了能耗。

6、扭转线圈与轴向线圈分散控制使得控制简单又精确，并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，从而实现控制精准又能耗低成本低的五自由度磁轴承。

附图说明

图1是本发明的结构立体结构图；

图2是图1的内部结构正视图；

图3是图1中的外壳的结构剖视图；

图4是图1中的飞轮转子的立体结构放大剖视图；

图5是图1中五自由度磁轴承的径向定子的三维结构放大剖视图；

图6是图1中五自由度磁轴承的径向定子的三维结构立体图；

图7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8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9是图1中电机和飞轮转子装配结构放大正视图；

图10是图1中电机和飞轮转子装配结构放大俯视图；

图11是图10中电机定子的结构放大图；

图12是本发明工作时五自由度磁轴承实现静态被动悬浮的原理图；

图13是本发明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14是本发明工作时实现径向二自由度平衡控制原理解释图；

图15是本发明工作时实现轴向单自由度平衡控制的原理图。

图中：11.上端盖；12.外壳身；121.上部圆环；122.中部圆环；123.下部圆环；124.第一散热片；125.第二散热片；

13.下端盖；

2.径向定子；21.上端圆环；22.第一径向外环定子轭；23.第二径向外环定子轭；24.第三径向外环定子轭；25.第一径向外环定子极；26.第二径向外环定子极；27.第三径向外环定子极；28.径向内环定子轭；29.径向内环定子极

31.径向内壁控制线圈；32.径向外壁控制线圈；

4.轴向定子；41.轴向内环定子轭；421.第一扭转极；422.第二扭转极；423.第三扭转极；43.轴向外环定子轭；44.第一轴向定子极；45.第二轴向定子极；46.第三轴向定子极；47.第四轴向定子极；

51.轴向内环控制线圈；52.轴向外环控制线圈；53.扭转控制线圈；

61.内环永磁体；62.外环永磁体；

7.飞轮转子；71.球面圆环；72.主圆盘体；73.内圆盘；74.外圆环

81.电机定子；811.上端电机定子；812.中间电机定子；813.下端电机定子；82.电机线圈；83.电机永磁体

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明的最外部是一个外壳腔，外壳是由一个外壳身12、一个上端盖11和一个下端盖13组成，外壳身12的上端紧密固定连接上端盖11，外壳身12的下端紧密固定连接下端盖13，由外壳身12、上端盖11和下端盖13围成外壳腔，三者形成一个密闭的真空腔室。

在外壳腔内由上到下同轴心地布置五自由度磁轴承、飞轮转子7和外转子电机。其中，五自由度磁轴承包括径向定子2、轴向定子4等部分。外转子电机包括电机定子81、电机永磁体83等部分。五自由度磁轴承位于飞轮转子7的上部，外转子电机内嵌于飞轮转子7的下部。

如图3所示，外壳身12由一个上部圆环121、一个中部圆环122和一个下部圆环123依次连接组成。上部圆环121的内径和中部圆环122的内径相同，中间圆环122的外径和下部圆环123的外径相同，上部圆环121的外径小于下部圆环123的内径。中部圆环122的上端面与上部圆环121的下端面紧密连接，中部圆环122的下端面与下部圆环123的上端面紧密连接，这样，上部圆环121的外侧面、中部圆环122上端面以及下部圆环123的外侧面组成了台阶圆柱形状。在中部圆环122的上端面上，沿圆周方向均匀分布了18个第一散热片124，第一散热片124为三角片状，第一散热片124的一个直角底面与中部圆环122的上端面连接，第一散热片124的另一个直角面与上部圆环121的外侧面连接。在下部圆环123的外侧面上，沿圆周方向均匀分布了18个第二散热片125。在上部圆环121的上端面正中间开圆环形槽，通过过盈配合与上端盖11的下端面配合安装，在下部圆环123的下端面正中间开圆环形槽，通过过盈配合与下端盖13的上端面配合安装。如图1，上端盖11为实心圆盘，上端盖11的外径和上部圆环121的外径相同，上端盖11上端面上沿圆周方向均匀分布18个形状相同的方形散热片。下端盖13为实心圆盘，上端盖13的外径和下部圆环123的外径相同，上端盖13下端面上沿圆周方向均匀分布18个形状相同的方形散热片。上端盖11和下端盖13相对于外壳身12两者上下对称安装，上端盖11的外径小于下端盖13的外径。大量安装散热片可有效发散飞轮转子7高速旋转时产生的热量，使由外壳身12、上端盖11和下端盖13组成的密闭真空腔室有效减少空气摩擦损耗。

参见图4所示，为飞轮转子7的结构。飞轮转子7主体是由同轴装配的球面圆环71、主圆盘体72、内圆盘73和外圆环74构成。外围整体是圆柱体结构，其中，飞轮转子7的中段是主圆盘体72、上段是球面圆环71、下段是外圆环74和内圆盘73，上、中、下三段自上而下依次叠放且紧密固定连接在一起。主圆盘体72的下表面边缘处向下固定连接外圆环74，主圆盘体72和外圆环74的外径相同，两者的外径小于外壳身12的内径，能容纳在外壳身12内。主圆盘体72的下表面正中间固定连接内圆盘73，内圆盘73的下端面和外圆环74的下端面齐平。外圆环74的内径大于内圆盘73的外径，因此在飞轮转子7的主圆盘体72、内圆盘73和外圆环74之间形成圆环形凹槽，该圆环形凹槽中安装外转子电机。主圆盘体72的上表面正中间固定连接一个球面圆环71，球面圆环71的外径大于内圆盘73的外径，球面圆环71的内径小于内圆盘73的外径。球面圆环71的圆环外壁加工成向外凸出的球面，将圆环内壁加工成向内凸出的球面。

如图5、6所示是五自由度磁轴承的径向定子2的结构。径向定子2由同轴布置的上端圆环21、第一径向外环定子轭22、第二径向外环定子轭23、第三径向外环定子轭24、第一径向外环定子极25、第二径向外环定子极26、第三径向外环定子极27、径向内环定子轭28和径向内环定子极29组成。其中，最上端是圆环体的上端圆环21，上端圆环21外侧壁向下延伸3个大小相同的径向外环定子轭，分别是第一径向外环定子轭22、第二径向外环定子轭23、第三径向外环定子轭24，三个径向外环定子轭均为圆弧形且沿上端圆环21的外边缘的圆周方向均匀布置。同样，上端圆环21内侧壁向下延伸3个大小相同的径向内环定子轭28，3个径向内环定子轭28沿上端圆环21的内边缘圆周方向均匀布置。径向外环定子轭22、23、24和上端圆环21、径向内环定子轭28的上端面均齐平。径向外环定子轭22、23、24和径向内环定子轭28的下端面齐平。径向外环定子轭22、23、24的内径大于径向内环定子轭28的外径，在两者之间形成一个圆环形槽，该圆环形槽中安装轴向定子4和内环永磁体61、外环永磁体62。

每个径向外环定子轭下端的内侧壁向内延伸一个径向外环定子极，分别是第一径向外环定子极25、第二径向外环定子极26、第三径向外环定子极27。每个径向外环定子极的内侧壁是凹球面，3个径向外环定子极的内侧壁在同一个球形面上。第一径向外环定子极25、第二径向外环定子极26、第三径向外环定子极27这3个径向外环定子极之间形成一个球形凹槽，球形凹槽的大小和飞轮转子7的球面圆环71的圆环外壁外壁的球面大小相同。同样地，每个径向内环定子轭28下端的外侧壁向外延伸一个内环定子极29，每个内环定子极29的外侧壁是凹球面，3个内环定子极29的外侧壁在同一个凹球面上，这3个内环定子极29之间形成一个球形凹槽，该球形凹槽和飞轮转子7的球面圆环71的圆环内壁的球面大小相同。3个内环定子极29与3个径向外环定子极在径向上一一相面对。安装时飞轮转子7的球面圆环71套在3个内环定子极29与3个径向外环定子极之间，3个径向外环定子极形成的球形凹槽有间隙地同轴心地套在球面圆环71外，3个内环定子极29之间形成的球形凹槽同轴心地套在球面圆环71内。第一径向外环定子极25、第二径向外环定子极26、第三径向外环定子极27的下端面与第一径向外环定子轭22、第二径向外环定子轭23、第三径向外环定子轭24的下端面齐平。

径向外环定子轭22、23、24的内径大于径向外环定子极25、26、27的内径，径向外环定子极25、26、27的内径大于径向内环定子极29的外径，径向内环定子极29的外径大于径向内环定子轭28的外径。这样，在径向外环定子轭、上端圆环21、径向内环定子轭28之间形成一个圆环形槽，在径向外环定子极27和径向内环定子极29之间形成一个内外壁为球面的圆环形槽。径向外壁控制线圈32分别缠绕在径向外环定子轭22、23、24上，径向内壁控制线圈31分别缠绕在三个径向内环定子轭28上。

如图7所示是五自由度磁轴承的轴向定子4的结构。轴向定子4由同轴布置的轴向内环定子轭41、第一扭转极421、第二扭转极422、第三扭转极423、轴向外环定子轭43、第一轴向定子极44、第二轴向定子极45、第三轴向定子极46和第四轴向定子极47组成。轴向定子4的上层是由轴向内环定子轭41、第一扭转极421、第二扭转极422、第三扭转极423和轴向外环定子轭43组成的类似圆环状。轴向内环定子轭41和轴向外环定子轭43均为圆环体。轴向内环定子轭41的外壁沿圆周方向均匀分布3个形状相同的扭转极421、422、423，扭转极421、422、423为瓦形。扭转极421、422、423的内外壁分别与轴向内环定子轭41的外壁和轴向外环定子轭43的内壁紧密固定连接。扭转极421、422、423、内环定子轭41和外环定子轭43的上下端面均齐平。因此，在3个扭转极421、422、423之间形成了扭转定子槽，以便安装扭转控制线圈53，即将扭转控制线圈53缠绕在扭转极421、422、423上。内环定子轭41的下表面沿径向由内向外连接第一轴向定子极44和第二轴向定子极45，第一轴向定子极44和第二轴向定子极45下端面齐平。外环定子轭43的下表面径向由内向外连接第三轴向定子极46和第四轴向定子极47，第三轴向定子极46和第四轴向定子极47下端面齐平。第一轴向定子极44、第二轴向定子极45、第三轴向定子极46和第四轴向定子极47均为圆环体，且四者的上下端面均齐平。第一轴向定子极44的内径和轴向内环定子轭41的内径相同，第二轴向定子极45的外径和轴向内环定子轭41的外径相同，第一轴向定子极44的外径小于第二轴向定子极45的内径。第三轴向定子极46的内径和轴向外环定子轭43的内径相同，第四轴向定子极47的外径和轴向外环定子轭43的外径相同，第三轴向定子极44的外径小于第四轴向定子极45的内径。因此，在第一轴向定子极44和第二轴向定子极45之间、第三轴向定子极46和第四轴向定子极47之间形成轴向内外定子槽，轴向内定子槽放置轴向内环控制线圈51，缠绕在第一轴向定子极44外壁上，轴向外定子槽放置轴向外环控制线圈52，缠绕在第三轴向定子极46外壁上。控制线圈均由三相逆变器控制。

参见图1、2、3、4、5、6、7、8所示，飞轮转子7位于外壳的密闭的真空腔室的内部轴心正中间。在外壳腔内，五自由度磁轴承和飞轮转子7同轴分布。五自由度磁轴承包括径向定子2、轴向定子4、内环永磁体61、外环永磁体62等部分。五自由度磁轴承的径向定子2、轴向定子4、内环永磁体61、外环永磁体62与飞轮转子7同轴分布，径向定子2的上端圆环21的上表面与圆盘形上端盖11的下表面紧密固定相连。径向定子2的下表面与飞轮转子7的主圆盘体72的上端面留有1mm的间隙。径向定子2的圆环形槽内上方放置内外环永磁体61、62、下方放置轴向定子4。内环永磁体61和外环永磁体62均为圆环体。其中，内环永磁体61和外环永磁体62的上表面固定连接到径向定子2的下表面，轴向定子4的上表面连接固定到内环永磁体61和外环永磁体62的下表面，并且轴向定子4的内径等于内环永磁体61的内径，第二轴向定子极45的外径等于内环永磁体61的外径，第三轴向定子极46的内径等于外环永磁体62的内径，轴向定子4的外径等于外环永磁体62的外径。径向定子2的径向外环定子轭24的内径大于轴向定子4的外径，轴向定子4的内径大于径向定子2的径向内环定子轭28的外径。径向定子2的内外壁为球面的圆环形槽内放置飞轮转子7的球面圆环71。其中，球面圆环71的上表面与轴向定子4的下表面留有0.5mm的气隙，且球面圆环71的上表面与径向定子2的径向内环定子极29的上表面和径向外环定子极27的上表面均齐平。球面圆环71的球形内侧面与径向定子2的径向内环定子极29的球形外侧面在径向上面对面，之间相距0.5mm，球面圆环71的球形外侧面与径向定子2的径向外环定子极27的球形内侧面在径向上面对面，之间相距0.5mm。球面圆环71的内径小于轴向定子4的内径，球面圆环71的外径大于轴向定子4的外径。

圆环形的内环永磁体61和外环永磁体62均采用高性能稀土材料钕铁硼制成，两者的充磁方向均为轴向向下充磁。

参见图8，飞轮转子7球面圆环71的上表面与轴向定子4的下表面相距0.5mm，即和第一轴向定子极44的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙；和第二轴向定子极45的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙；第三轴向定子极46的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙；第四轴向定子极47的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙。飞轮转子7球面圆环71的球形内侧面与径向定子2的径向内环定子极29的外侧球形槽面留有0.5mm的气隙，形成径向气隙；球面圆环71的球形外侧面与径向定子2的径向外环定子极27的内侧球形槽面留有0.5mm的气隙，形成径向气隙。

参见图1、2、9、10所示，在飞轮转子7的正下方安装电机，即在飞轮转子7的主圆盘体72、内圆盘73和外圆环74之间形成环形凹槽内安装。外转子电机包括固定的电机定子81、电机线圈82和能旋转的电机永磁体83。电机永磁体83同轴套在电机定子81外，其外壁与飞轮转子7的外圆环74的内壁紧密贴合，固定连接在一起，即电机永磁体83为能旋转的转子部分。电机永磁体83为16个大小相同弧状体，沿外圆环74的内壁圆周的方向均匀布置。电机永磁体83的下端面与外圆环74的下端面齐平，电机永磁体83的上端面与主圆盘体72的下端面之间留有一定的间隙。

再如图11，电机定子81由一个带极靴的上端电机定子811、一个中间电机定子812和一个下端电机定子813连接而成。瓦形中间电机定子812的上下两端分别紧密连接带极靴的上端电机电子811下表面的内边缘和瓦形下端电机定子813上表面的外边缘。12个大小相同的电机定子81沿圆周方向均匀分布于飞轮转子7的内圆盘73的外边缘，电机定子81的下端电机定子813的下表面与下端盖13的上表面紧密固定连接，电机定子81的下端电机定子813的上表面与内圆盘73的下表面互不接触，上端电机定子811的内壁和中间电机定子812的内壁与内圆盘73的外侧壁互不接触，上端电机定子811的外壁与电机永磁体83的内壁留有0.5mm的气隙，上端电机定子811的上端面与电机永磁体83的上端面齐平。电机线圈82缠绕在每个电机定子81的上端电机定子811上，且电机线圈82与飞轮转子7互不接触。飞轮转子7、电机定子81、电机永磁体83和下端盖13均同轴装配。

电机线圈82通入三相交流电，在气隙间产生一个旋转的磁场，使得电机永磁体83产生磁拉力，拉力作用在电机永磁体83上将产生转矩，从而驱动电机永磁体83旋转，由于飞轮转子与电机永磁体83固定连接，所以驱动飞轮转子7旋转。

本发明工作时，能实现飞轮转子7的静态被动悬浮、径向二自由度平衡、径向扭转二自由度平衡以及轴向单自由度平衡。在轴向控制方面，轴向内环控制线圈51和轴向外环控制线圈52通以直流电与轴向定子组成电磁铁，通过改变控制直流电的大小和方向来改变轴向上飞轮转子受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制。在径向控制方面，径向内壁控制线圈31和径向外壁控制线圈32通以交流三相电，通过改变控制线圈电流大小，实现了径向上两个自由度的精准控制。在扭转控制方面，扭转控制线圈53通以直流电，通过改变控制直流电的大小和方向来改变来实现扭转控制。具体如下：

静态被动悬浮的实现：参见图12，内环永磁体61和外环永磁体62产生的偏置磁通如图6虚线及箭头所示，内环永磁体61产生的偏置磁通从内环永磁体61的n极开始经过轴向定子极44、45，再依次经过轴向气隙、球面圆环71的上端面、球面圆环71、径向气隙、径向定子2的径向内环定子极29、径向内环定子轭28、上端圆环21，最后回到内环永磁体61的s极。同样，外环永磁体62产生的偏置磁通从内环永磁体62的n极开始经过轴向定子极46、47，再依次经过轴向气隙、球面圆环71的上端面、球面圆环71、径向气隙、径向定子2，最后回到内环永磁体62的s极。当飞轮转子7处于中心平衡位置时，飞轮转子7的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合。在径向上，飞轮转子7的球面圆环71的内外侧球面和径向内外环定子极29、27的球面槽之间的气隙磁通完全相等，因此飞轮转子7在径向上受电磁力平衡，实现转子7径向稳定悬浮。在轴向上，轴向定子极44、45、46、47与推力圆环的上端面之间的轴向气隙磁通完全相同，飞轮转子7在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现飞轮转子7轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图13，在径向平面建立a、b、c三个方向的坐标系，当飞轮转子7在径向二自由度受到扰动向b方向偏移时，对径向内壁控制线圈31和径向外壁控制线圈32同时通电，在a方向和b方向产生的控制磁路如图13粗实线及箭头所示。本发明径向控制线圈采用三相逆变器驱动。在径向a、b、c三个方向产生偏置磁通，如图13所示中虚线及箭头所示。虚线和粗实线方向相同表示磁通叠加，方向相反表示磁通抵消。所以，进一步参见图14，合成磁通在b的负方向叠加，既在b的负方向产生合成磁拉力，使得飞轮转子7回到径向平衡位置。a和c方向发生偏移的工作原理与上述类似。

扭转二自由度的平衡实现：参见图13，当飞轮转子受到扰动在b方向发生向下的扭转偏移时，b方向的轴向气隙变大，b负方向的轴向气隙变小。对扭转线圈通电，使得b方向的磁通叠加增强，b负方向的磁通抵消减小，使飞轮转子在b方向受到向上的磁拉力在b负方向受到向下的磁拉力，从而b方向的轴向气隙减小，b反方向的轴向气隙增大，最终飞轮转子7回到平衡位置。

轴向单自由度的平衡的实现：参见图15，当转子7在轴向单自由度受到扰动向下的偏移时，轴向气隙增大，对轴向内环控制线圈51和轴向外环控制线圈52通直流电，轴向控制线产生的磁路如图15粗实线及箭头所示。其中虚线及箭头表示偏置磁通的方向，粗实线及箭头表示轴向向控制磁通的方向，虚线和粗实线方向相同表示磁通叠加，方向相反表示磁通抵消。可以看出在轴向的总磁通增加，在飞轮转子7上产生向上的合成磁拉力，使轴向气隙减小，最终飞轮转子7回到轴向平衡位置。

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。