一种具有抑制扭转陀螺效应的车载磁悬浮飞轮储能系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：本发明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。

本发明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，本发明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，本发明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、本发明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，本发明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，本发明采用冗余设计，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。

6、本发明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是本发明的立体结构图；

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14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15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16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.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.径向外定子极；123.定子连接体；124.下部定子极；

21.径向内定子控制线圈；22.径向外定子控制线圈；

3.轴向定子；31.轴向定子主体；32.第一轴向定子极；33.第二轴向定子极；34.第三轴向定子极；35.第四轴向定子极；

41.第一轴向控制线圈；42.第二轴向控制线圈；43.第三轴向控制线圈；

51.内永磁体环；52.外永磁体环；

6.飞轮转子；61.飞轮转子主圆柱体；62.内接收极；63.上端圆环；64.下端圆环；

7.电机定子；71.电机定子主体；72.电机定子极；

8.电机线圈；

9.电机永磁体。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明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、轴向定子4等部分；外转子电机包括电机定子7、电机线圈8、永磁体9。五自由度磁轴承固定内嵌于飞轮转子6的上段中，外转子电机内嵌于飞轮转子6的下段中。

参见图3所示的飞轮转子6的结构，飞轮转子6整体是圆柱体结构，是由同轴心装配的飞轮转子主圆柱体61、内接收极62、上端圆环63和下端圆环64构成。飞轮转子主圆柱体61为圆柱体，飞轮转子6的中间段是飞轮转子主圆柱体61，飞轮转子6的上段的外部是上端圆环63、上段的正中间内接收极62，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，并且自上而下依次叠放紧密固定连接在一起。上端圆环63和下端圆环64均为圆环体，上端圆环63的内径大于下端圆环64的内径。内接收极62位于飞轮转子主圆柱体61上端面的正中心，内接收极62为半球体结构，内接收极62的下端面与飞轮转子主圆柱体61的上端面紧密连接在一起。内接收极62的直径小于下端圆环64的内径，远小于上端圆环63的内径，这样，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，该类圆环形槽中用来安装五自由度磁轴承。同样，飞轮转子主圆柱体61和下端圆环64之间形成圆柱形槽，该圆柱形槽用来安装外转子电机。

参见图4、5所示的五自由度磁轴承的径向内定子11的结构。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为一个圆环体。径向内定子圆环112的上下端面沿径向向内(向圆心方向)延伸3个相同的径向内定子极111，3个径向内定子极111沿径向内定子圆环112的内壁的圆周方向均匀分布。径向内定子极111的上下端面与径向内定子圆环112的上下端面齐平。3个径向内定子极111的内表面在同一个半球形面上，使得3个径向内定子极111之间形成一个半球形槽。半球形槽半径大于径向内定子极111的轴向高度，这样，半球形槽的上端面和下端面均为圆形，形成圆孔，下端面圆孔半径大于上端面圆孔的半径。

参见图6、7所示的五自由度磁轴承的径向外定子12的结构。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是一个圆环体，径向外定子圆环121的上端面沿径向向外(圆心反方向)延伸3个相同的径向外定子极122。3个径向外定子极122沿径向外定子圆环121外壁的圆周方向均匀分布。径向外定子圆环121的下端面沿径向向外(圆心反方向)延伸3个相同定子连接体123，定子连接体123的外形为环状体。3个定子连接体123沿径向外定子圆环121外壁的圆周方向均匀分布。定子连接体123和径向外定子极122在径向上的延伸方向一致，定子连接体123在径向外定子极122的正下方，之间不接触。定子连接体123的外径小于径向外定子极122的外径。定子连接体123的上端面与径向外定子极122的下端面之间有间隙，以便安装线圈。

每个定子连接体123的下表面边缘各向下延伸一个下部定子极124，下部定子极124的外形为环状体。下部定子极124的外径与定子连接体123的外径相同，下部定子极124的内径小于定子连接体123的内径。径向外定子圆环121的上端面与径向外定子极122的上端面齐平，径向外定子圆环121的下端面与定子连接体123的下端面齐平。

参见图8所示的五自由度磁轴承的轴向定子3的结构。轴向定子3整体是圆环体结构，由同轴布置的轴向定子主体31、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组成。轴向定子主体31、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均为圆环体。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不接触，留有距离。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下表面齐平。第一轴向定子极32的内径与轴向定子主体31的内径相同，第四轴向定子极35的外径与轴向定子主体31的外径相同。第一轴向定子极32的外径小于第二轴向定子极33的内径，从而形成圆环形槽以便安装第一轴向控制线圈41，第三轴向定子极34的外径小于第四轴向定子极35的内径，从而形成圆环形槽以便安装第二轴向控制线圈42。

参见图9所示的五自由度磁轴承和飞轮转子6的装配结构。五自由度磁轴承的径向内定子11、径向外定子12、轴向定子4、内永磁体环51、外永磁体环52与飞轮转子6同轴分布。径向内定子11、径向外定子12、轴向定子4、内永磁体环51、外永磁体环52和线圈放置于飞轮转子6上段的类圆环形槽内。

参见图1、3、4、5、9所示，径向内定子11套在飞轮转子6的内接收极62外，使径向内定子11的径向内定子极111与飞轮转子6的内接收极62在径向上面对面装配，3个径向内定子极111之间形成的半球形槽套与半球体结构的内接收极62相配合，套在内接收极62外部，但两者之间不接触有间隙，3个径向内定子极111的内表面与内接收极62的外表面相距0.5mm，内接收极62的球心与半球形槽的球心重合。径向内定子极111的下表面与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的上表面之间留有一定的间隙，以便安装径向内定子控制线圈21。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通过胶水紧密地套在径向内定子11的外围，内永磁体环51的上下端面与径向内定子11的上下端面齐平。

再参见图8，内永磁体环51的外壁紧密套有轴向定子4，轴向定子4通过胶水紧密地套在内永磁体环51的外围，轴向定子4的上端面与内永磁体环51的上端面齐平。轴向定子4的下端面与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的上表面相距0.5mm。轴向定子4的外壁紧密套有外永磁体环52，外永磁体环52通过胶水紧密地套在轴向定子4的外围，轴向定子4的上端面与外永磁体环52的上端面齐平，外永磁体环52的下端面与内永磁体环51的下端面齐平。

再参见图6、7，径向外定子12的内壁紧密套有圆环形外永磁体环52，径向外定子12通过胶水紧密地套在外永磁体环52的外围，径向外定子12的上下端面与外永磁体环52的上下端面齐平。径向外定子12的径向外定子极122与飞轮转子6的上端圆环63在径向上面对面装配。径向外定子极122的外表面与上端圆环63的内表面相距0.5mm，定子连接体123和下部定子极124的外表面与上端圆环63的内表面留有一定间隙以便安装第三轴向控制线圈43，将第三轴向控制线圈43绕在下部定子极124上。下部定子极124的下表面与飞轮转子主圆柱体61的上表面相距0.5mm。

内永磁体环51采用高性能稀土材料钕铁硼制成，充磁方向为沿径向由外向内充磁，外永磁体环52采用高性能稀土材料钕铁硼制成，充磁方向为沿径向由内向外充磁。

每个径向内定子11的径向内定子极111上绕制径向内定子控制线圈21，每个径向外定子12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；每个径向外定子12下部的定子极124上绕制第三轴向控制线圈43。所有的控制线圈均由三相逆变器控制。

轴向定子4的下端面与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的上表面相距0.5mm，之间留有第一轴向气隙。径向外定子12的下部定子极124的下表面与飞轮转子主圆柱体61的上表面相距0.5mm，之间留有第二轴向气隙。径向内定子极111的内表面与内接收极62的外表面相距0.5mm，之间留有球面径向气隙。径向外定子极122的外表面与上端圆环63的内表面相距0.5mm，之间留有柱面径向气隙。

参见图1、10、11所示，在飞轮转子6下部的圆柱形槽内安装外转子电机。外转子电机包括电机线圈8、电机永磁体9和固定不动的电机定子7。电机永磁体9同轴套在电机定子7外，电机定子7、电机线圈8和电机永磁体9都内嵌于圆柱形槽内，电机线圈8绕在电机定子7上。电机永磁体9的外壁与飞轮转子6的飞轮转子下端圆环64的内壁紧密贴合，使电机永磁体9与飞轮转子6一起旋转，电机永磁体9的上端面与飞轮转子主圆柱体61的下端面紧密连接，电机永磁体9的下端面与飞轮转子下端圆环64的下端面齐平。16个大小相同的弧状电机永磁体9在飞轮转子下端圆环64的内壁沿圆周的方向均匀布置。电机定子7、电机永磁体9和飞轮转子6均同轴装配。

再如图12所示，电机定子7由电机定子主体71和电机定子极72构成。电机定子主体71是一个圆环体。电机定子主体71沿径向向外延伸12个带极靴的电机定子极72。12个大小相同的电机定子极72沿圆周方向均匀分布。每个电机定子极72上都缠绕电机线圈8。电机定子极72的外壁与电机永磁体9的内壁相距0.5mm。电机定子7与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的下端面之间有间隙以便安装线圈，且电机线圈8与飞轮转子6互相不接触。电机线圈8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9产生磁拉力，拉力作用在永磁体上将产生转矩，从而驱动电机永磁体9旋转，由于飞轮转子与电机永磁体9固定连接，所以驱动飞轮转子6旋转。

本发明工作时，能实现飞轮转子6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，对第一轴向控制线圈41、第二轴向控制线圈42和第三轴向控制线圈43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，对内外两组定子磁极上的径向内定子控制线圈21和径向外定子控制线圈22通以三相交流电，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，通过改变内定子11的三个磁极径向内定子控制线圈21和第三轴向控制线圈43电流大小，来实现扭转控制。具体如下：

静态被动悬浮的实现：图13是五自由度磁轴承实现静态被动悬浮的原理图，内永磁体环51、外永磁体环52产生的偏置磁通如图13中虚线及箭头所示。内永磁体环51产生的偏置磁通从内永磁体环51的n极开始经过径向内定子11，球面径向气隙，飞轮转子6的内接收极62，飞轮转子主圆柱体61，第一轴向气隙，分别经过第一轴向定子极32、第二轴向定子极33，在轴向定子主体31中汇合，最后回到内永磁体环51的s极。外永磁体环52产生的偏置磁通从外永磁体环52的n极开始经过径向外定子11的径向外定子圆环121，分别经过径向外定子极122、柱面径向气隙、飞轮转子6的上端圆环63和定子连接体123、下部定子极124、第二轴向气隙，在飞轮转子主圆柱体61中汇合，第一轴向气隙，分别经过第三轴向定子极34、第四轴向定子极35，在轴向定子主体31中汇合，最后回到外永磁体环52的s极。当飞轮转子6处于中心平衡位置时，飞轮转子6的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合。在径向上，飞轮转子6的内接收极62、上端圆环63和径向定子外圆环13、径向内环上层定子极14之间的气隙磁通完全相同，因此飞轮转子6在径向上受电磁力平衡，实现飞轮转子6径向稳定悬浮。在轴向上，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与飞轮转子6之间的轴向气隙磁通完全相同，飞轮转子6在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现飞轮转子6轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图14，在径向平面建立a、b、c三个方向的坐标系，当飞轮转子6在径向二自由度受到扰动向b方向偏移时，对径向内定子控制线圈21和径向外定子控制线圈22同时通电，在a方向产生的控制磁路如图14中粗实线及箭头所示。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14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15，图15为径向a、b、c三个方向上内外环气隙中的偏置磁通和控制磁通方向，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6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14，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。对对径向内定子控制线圈21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6回到平衡位置。

轴向单自由度的平衡的实现：参见图16，当转子6在轴向单自由度受到扰动向下的偏移时，轴向气隙增大，对第一轴向控制线圈41、第二轴向控制线42和第三轴向控制线圈43通直流电，轴向控制线产生的磁路如图16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6上产生向上的合成磁拉力，使轴向气隙减小，最终飞轮转子6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。