CN102111062A

CN102111062A - 磁悬浮储能飞轮发电机组

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Publication number: CN102111062A
Application number: CN2011100244500A
Authority: CN
Inventors: 廖梓良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-06-29

Abstract

一种磁悬浮储能飞轮发电机组由磁悬浮储能飞轮发电机和电源控制箱构成；这种磁悬浮储能飞轮发电机组将永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、永磁无刷直流发电机永磁转子与磁悬浮储能飞轮安装在发电机同一根转轴上同转轴旋转、储能发电；磁悬浮储能飞轮发电机组应用了磁悬浮储能飞轮能量储存技术和磁悬浮轴承支承技术等国际前沿科技，涉及先进的微电子、电力电子、传感器、电能存储及新型永磁无刷直流电机、发电机制造等技术领域；磁悬浮储能飞轮发电机组无损耗能量循环发电，实现了不消耗自然能源、无外接能源、不间断长期发电运行；可广泛应用于家庭、机关、学校、宾馆、酒店、工厂及住宅楼宇的生活用电和生产用电以及国家电网分布式发电系统并网发电等。

Description

磁悬浮储能飞轮发电机组

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮储能飞轮发电机组，特别是磁悬浮储能飞轮发电机的永磁无刷直流电机/发电机永磁转子和永磁无刷直流发电机永磁转子与磁悬浮储能飞轮同转轴旋转、储能发电。

本发明应用了磁悬浮储能飞轮能量储存技术和磁悬浮轴承支承技术等国际前沿科技；涉及先进的微电子控制、电力电子控制、传感器、电能存储及新型永磁无刷直流电机、发电机制造等技术领域。

背景技术

永磁无刷直流电机

永磁无刷直流电机是随着电子技术的发展而发展起来的一种新型直流电机，永磁无刷直流电机的最大特点是没有换相器和电刷组成的机械换相机构，因此，永磁无刷直流电机没有换相火花、寿命长、运行可靠；其转速不受机械换相的限制，如采用磁悬浮轴承或空气轴承支承技术，理论上可实现每分钟十万到几十万转的超高转速运行；因此，其应用前景将十分广泛。

永磁无刷直流电机的基本结构：有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此，有刷直流电机必须有一个滑动的接触机构——电刷和换相器，通过他们把电流馈给旋转着的电枢。无刷直流电机与有刷直流电机相反，它具有旋转着的磁场和固定的电枢。因此，电子换相线路中的功率开关器件，如绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)等可直接与电枢绕组连接；电机内装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的转子磁极位置，它与电子换相线路一起替代了有刷直流电机的换相装置，因此，无刷直流电机由电机本体和装于电机内部的电子换相线路与转子位置传感器三部分组成。

永磁无刷直流电机本体：主要由定子铁芯、定子绕组、永磁转子、转轴及支承定子的电机外壳组成。

转子位置传感器：转子位置传感器是实现无接触换相的重要部件、是无刷直流电机的一个关键部分。转子位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置信号和转速信号的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子永磁磁极的位置信号转换成为电信号，去控制定子绕组换相。

电子换相线路：电子换相线路的作用是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行。

磁悬浮储能飞轮系统

磁悬浮储能飞轮技术是航天应用领域中的关键技术之一，是国际前沿技术。其基于高速磁悬浮轴承支承技术，集成能量存储与空间飞行器的姿态控制于一体。作为能量存储与释放单元时，磁悬浮储能飞轮将高速旋转所存储的能量释放，通过能量变换装置转换为电能，为卫星上在阴影区或能量缺乏时提供电能。

磁悬浮储能飞轮能量存储原理：星上储能飞轮利用卫星在日照区由太阳能电池板提供的电能使永磁无刷直流电机拖动飞轮加速，使飞轮高速旋转达到永磁无刷直流电机42000r/min的额定转速时，高速旋转的飞轮将电能转化为重力势能和动能储存起来。在阴影区或星上设备需要时，飞轮转子将高速旋转所存储的重力势能和动能转换为电能释放出来，飞轮不断减速，能量不断释放，此时，拖动飞轮高速旋转的永磁无刷直流电机作为发电机运行。

高速磁悬浮储能飞轮具有储能密度大、能量转换效率高、瞬时峰值功率高，工作性能稳定可靠、储能状态(充、放电)容易确定，具有内在的高电压、高脉冲电源的能力，不受充、放电次数和深度的影响。

磁悬浮储能飞轮系统基本结构：磁悬浮储能飞轮系统主要由飞轮定子系统、转子系统、电机/发电机系统、支撑转子的轴承系统、转子位置(转速)传感器系统及能量转换系统构成。定子又称陀螺房因连在基座上，起支撑、定位作用；转子则是相对定子高速旋转的惯量轮；定子和转子之间为磁悬浮轴承、电机/发电机定子绕组和保护轴承。磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，分别起径向和轴向支撑作用；电机为高速永磁无刷直流电机，电机转子永磁体和飞轮转子固定在同一根轴上，绕组则和定子相连，向永磁体提供切向力，带动飞轮转子一起旋转。保护轴承则在飞轮转子未旋转时提供对飞轮转子的支撑作用。

磁悬浮轴承

随着微电子技术、电力电子技术和传感器技术的发展，磁悬浮轴承支承技术在航空航天、精密切削、机床制造等领域得到了很大的发展；目前，磁悬浮轴承支承技术的研究和应用主要集中在超导磁悬浮和电磁悬浮。电磁悬浮又分为主动磁悬浮和被动磁悬浮，主动磁悬浮的最大特征是可以承受较大的动载荷，但轴承功耗高、能耗大不利于星上设备能源节约的原则。被动磁悬浮结构简单，支承可靠，但轴承的最高转速受到极大的限制；主动混合式磁悬浮轴承，就是将主动磁悬浮轴承的电磁偏置，改为永磁偏置；采用永磁体提供偏置静磁场，电磁铁只是提供平衡负载或外界干扰的控制磁场，可以避免系统因偏置电流所产生的功率损耗，降低了线圈发热；主动混合式磁悬浮轴承不仅支承可靠，可以支撑较大的动载荷；而且这种轴承具有体积小、质量轻、效率高、功耗小等优点，是未来磁悬浮轴承的发展反向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁悬浮储能飞轮发电机组。

这种磁悬浮储能飞轮发电机组由包含有永磁无刷直流电机/发电机、永磁无刷直流发电机、磁悬浮储能飞轮以及伺服它们运行的磁悬浮轴承、能量转换控制器及转子位置传感器构成的磁悬浮储能飞轮发电机和由包含有蓄电池组、电源控制器构成的电源控制箱组成。

这种磁悬浮储能飞轮发电机组将永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、永磁无刷直流发电机永磁转子与磁悬浮储能飞轮安装在发电机同一根转轴上同转轴旋转、储能发电。

这种磁悬浮储能飞轮发电机组采用磁悬浮轴承支承技术将发电机转子系统悬浮于空气中，使高速旋转的转子系统没有机械阻力和摩擦损耗，使磁悬浮储能飞轮发电机消耗的能量和发出的能量保持平衡，向负载提供持久的电能。

本发明的发电运行的原理依据的是磁悬浮储能飞轮的重力势能能量蓄积、存储原理；并依据磁悬浮储能飞轮增速储能(充电)、减速释能(放电)的电池效应而运行。

本发明在运行前，先将发电机蓄电池组充以足够的电能，使原动机(永磁无刷直流电机/发电机)在初始静止状态时有充足的能量拖动永磁无刷直流发电机永磁转子和磁悬浮储能飞轮旋转并达到原动机30000r/min的额定转速时，磁悬浮储能飞轮就能储存足够的重力势能和动能能量；当原动机断电时即磁悬浮储能飞轮减速时，与磁悬浮储能飞轮同转轴的永磁无刷直流电机/发电机(此时做发电机)和永磁无刷直流发电机，同时将飞轮蓄积的重力势能和动能能量转换为电能释放出来，除向蓄电池组充电外还向外接负载提供电能，使磁悬浮储能飞轮发电机无外接能源，依靠飞轮存储的能量实现间歇循环发电。

本发明有一个能量循环过程，即蓄电池的电能能量→飞轮的机械能量→发电机的电能能量→蓄电池的电能能量。

本发明有两个能量平衡过程，即电机升速释放能量、电机减速存储能量的蓄电池组电能能量平衡过程和飞轮升速存储能量、飞轮减速释放能量的储能飞轮机械能量平衡过程。

本发明的技术解决方案是将一种磁悬浮储能飞轮发电机组的磁悬浮储能飞轮3与永磁无刷直流发电机永磁转子4、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子5、轴向磁悬浮轴承推力盘2固定安装在磁悬浮储能飞轮发电机的同一根转轴上，并在发电机转轴1的后部对应永磁无刷直流电机/发电机永磁转子永磁体磁极位置安装转子霍尔磁极6(参见附图3)。

在发电机底座32支承的发电机外壳13内的中部，发电机定子Z形支承座24前部对应永磁无刷直流发电机永磁转子位置固定安装永磁无刷直流发电机定子15；在发电机定子Z形支承座中部对应永磁无刷直流电机/发电机永磁转子位置固定安装永磁无刷直流电机/发电机定子20；在发电机定子Z形支承座后部，对应转轴后端颈部位置固定安装后部径向磁悬浮轴承26；在发电机定子Z形支承座后部紧邻后部径向磁悬浮轴承，对应转子霍尔磁极位置固定安装转子位置传感器27；在发电机Z形支承座与发电机外壳、后部大端盖29之间的空腔内固定安装能量转换控制器25及其绝缘盒；在前部大端盖5内，磁悬浮轴承支承座6的环形凹槽内，对应轴向磁悬浮轴承推力盘的位置固定安装外侧轴向磁悬浮轴承7；在内侧磁悬浮轴承支承座10的环形凹槽内，对应轴向磁悬浮轴承推力盘的位置固定安装内侧轴向磁悬浮轴承9；在磁悬浮轴承支承座的前端与前部端盖1之间，对应发电机转轴颈部位置固定安装前部径向磁悬浮轴承4；在前部端盖中央对应发电机转轴前端轴颈位置安装前部保护轴承3，并对应保护轴承在前部端盖中央安装前部保护轴承端盖2；在后部大端盖中央对应发电机转轴后端轴颈位置安装后部保护轴承30，并对应保护轴承在后部大端盖中央安装后部保护轴承端盖31；发电机外壳的前部与内侧磁悬浮轴承支承座的内壁之间，对应磁悬浮储能飞轮的大空腔是飞轮陀螺房14(参见附图2)。

所述技术方案中，固定安装在磁悬浮储能飞轮发电机组同一根发电机转轴上的轴向磁悬浮轴承推力盘、磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机永磁转子、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、转子霍尔磁极构成磁悬浮储能飞轮发电机的转子系统，使磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机永磁转子、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、轴向磁悬浮轴承推力盘、转子霍尔磁极同转轴旋转、储能发电；固定安装在发电机底座支承的发电机外壳内的永磁无刷直流发电机定子、永磁无刷直流电机/发电机定子、后部径向磁悬浮轴承、转子位置传感器、能量转换控制器、内侧轴向磁悬浮轴承、外侧轴向磁悬浮轴承、前部径向磁悬浮轴承及起定位和固定作用的磁悬浮轴承支承座、内侧磁悬浮轴承支承座、发电机定子Z形支承座、前部端盖、前部保护轴承端盖、前部大端盖、后部大端盖、后部保护轴承端盖、飞轮陀螺房以及在电机静止状态时支承发电机转轴的前部保护轴承、后部保护轴承构成磁悬浮储能飞轮发电机的定子系统；由发电机转子系统、发电机定子系统构成磁悬浮储能飞轮发电机。

附图说明

附图1：是磁悬浮储能飞轮发电机组三视图

附图2：是磁悬浮储能飞轮发电机结构图

附图3：是磁悬浮储能飞轮发电机转子系统正视图

附图4：是磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行控制电路联接原理框图

附图5：是永磁无刷直流电机/发电机升速控制器电路原理图

附图6：是永磁无刷直流电机/发电机工作原理图a

附图7：是永磁无刷直流电机/发电机工作原理图b

附图8：是主动混合式磁悬浮轴承控制器电路原理图

附图9：是永磁无刷直流发电机能量释放控制器电路原理图

附图10：是永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器电路原理图

附图11：：是电源控制箱蓄电池组与电源控制器电路原理图

具体实施方式

本发明结合具体实施例参见附图进一步说明如下：

磁悬浮储能飞轮发电机组的基本组成参见附图1

一种磁悬浮储能飞轮发电机组由磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机、永磁无刷直流电机/发电机以及伺服它们运行的磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承推力盘、能量转换控制器、转子位置传感器、转子霍尔磁极构成的磁悬浮储能飞轮发电机1和由蓄电池组4、电源控制器5构成的电源控制箱2及支承它们的发电机组基座3组成。

磁悬浮储能飞轮发电机的转子系统参见附图3

这种磁悬浮储能飞轮发电机组由固定安装在同一根发电机转轴1上的磁悬浮储能飞轮3、永磁无刷直流发电机永磁转子4、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子5、轴向磁悬浮轴承推力盘2、转子霍尔磁极6构成磁悬浮储能飞轮发电机的转子系统。

磁悬浮储能飞轮发电机转子系统的基本结构参见附图2

磁悬浮储能飞轮发电机转子系统的磁悬浮储能飞轮内缘为玻璃纤维复合材料，外缘为高性能碳纤维复合材料，并将磁悬浮储能飞轮制成多层空心杯圆柱体状，由磁悬浮储能飞轮内缘12、磁悬浮储能飞轮外缘11构成磁悬浮储能飞轮；永磁无刷直流发电机永磁转子内层采用优质铝合金铸成圆柱体状，转子导磁体由硅钢冲片叠制而成并与铸铝内层热铸成型，转子永磁体固定安装在转子导磁体上，由直流发电机转子永磁体16、转子铸铝内层17、转子导磁体18构成永磁无刷直流发电机永磁转子；永磁无刷直流电机/发电机永磁转子结构与永磁无刷直流发电机永磁转子完全一致，由直流电机/发电机转子永磁体21、转子导磁体22、转子铸铝内层23构成永磁无刷直流电机/发电机永磁转子；轴向磁悬浮轴承推力盘8由优质合金钢制成；转子霍尔磁极28由热铸于发电机转轴19的铜套与嵌入铜套的永磁体构成。

磁悬浮储能飞轮发电机定子系统的基本结构参见附图2

这种磁悬浮储能飞轮发电机组由固定安装在发电机底座32支承的发电机外壳13内的永磁无刷直流发电机定子15、永磁无刷直流电机/发电机定子20、后部径向磁悬浮轴承26、转子位置传感器27、能量转换控制器25、内侧轴向磁悬浮轴承9、外侧轴向磁悬浮轴承7、前部径向磁悬浮轴承4及起定位和固定作用的磁悬浮轴承支承座6、内侧磁悬浮轴承支承座10、发电机定子Z形支承座24、前部端盖1、前部保护轴承端盖2、前部大端盖5、后部大端盖29、后部保护轴承端盖31、飞轮陀螺房14以及在电机静止状态时支承发电机转轴的前部保护轴承3、后部保护轴承30构成磁悬浮储能飞轮发电机的定子系统。

磁悬浮储能飞轮发电机定子系统的永磁无刷直流发电机定子15、永磁无刷直流电机/发电机定子20由硅钢冲片叠制而成的定子铁芯和嵌入定子铁芯的定子绕组构成；前部端盖1、前部保护轴承端盖2、前部大端盖5、磁悬浮轴承支承座6、内侧磁悬浮轴承支承座10、后部大端盖29、后部保护轴承端盖31均由铸铁铸造而成；发电机外壳13、发电机定子Z形支承座24与发电机底座32由铸铁一体铸造构成；前部径向磁悬浮轴承4、后部径向磁悬浮轴承26、外侧轴向磁悬浮轴承7、内侧轴向磁悬浮轴承9均为主动混合式磁悬浮轴承，由永磁体、电磁铁、电磁铁线圈构成；转子位置传感器27为霍尔效应传感器，由三个转子位置霍尔效应磁敏传感器，一个转子转速霍尔效应磁敏传感器和霍尔集成电路构成；在发电机外壳的前端、内侧磁悬浮轴承支承座内壁对应磁悬浮储能飞轮的大空腔构成飞轮陀螺房14；前部保护轴承3、后部保护轴承30为滚动轴承；能量转换控制器25由永磁无刷直流电机/发电机升速控制器、永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器、永磁无刷直流发电机能量释放控制器、主动混合式磁悬浮轴承控制器及能量转换控制器绝缘盒构成(参见附图2)。

磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行控制由能量转换控制器与电源控制箱共同完成。

磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行控制电路联接原理参见附图4

由接线插件TP1、TP2、TP3、TP4、TP5、TP14、TP6、TP7、TP8(U)、TP9(V)、TP10(W)、TP15(N)、平波电抗器L1、L2、滤波电容Cy1、Cy2、逆变功率管Q1、Q3、Q5、Q4、Q6、Q2、逆变功率管栅极接线端G1、G3、G5、G4、G6、G2、续流二极管VD1、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2、蓄电池组X1、直流输出接触器主触头KM1、中性点形成滤波电容Cu、Cv、Cw、中性点形成自耦变压器BT及其三相绕组Bu、Bv、Bw、接成电源控制器主板电路逆变主电路〔1〕；由电源控制器主板电路控制电源电路、逆变集成控制电路、能量转换控制器永磁无刷直流发电机能量释放控制器、永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器、永磁无刷直流电机/发电机升速控制器、主动混合式磁悬浮轴承控制器、发电机、电机/发电机、磁悬浮轴承以及电源输出控制回路、电源输出主回路、负载接成框图电路〔2〕；电路〔1〕与电路〔2〕以及电路〔2〕各框图电路之间的联接关系是：电路〔1〕+220V直流电源经接线插件TP6、TP7与电路〔2〕永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP6、TP7和主动混合式磁悬浮轴承控制器接线插件TP7、TP12联接；电路〔1〕+220V直流电源经接线插件TP1、TP2与电路〔2〕电源输出控制回路联接；电路〔1〕交流输出经接线插件TP8(U)、TP9(V)、TP10(W)、TP15(N)与电路〔2〕电源输出主回路联接；

电路〔1〕+36V直流电源经TP3、TP2与电路〔2〕控制电源电路联接；电路〔2〕逆变集成控制电路输出的六路控制信号分别与电路〔1〕逆变功率管栅极接线端G1、G3、G5、G4、G6、G2联接。

电路〔2〕永磁无刷直流发电机能量释放控制器接线插件TP4与电路〔1〕直流输入的接线插件TP4联接：电路〔2〕永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器接线插件TP4与电路〔1〕直流输入的接线插件TP14联接。

电路〔2〕控制电源电路VCC+28V控制电源经接线插件TP11、TP13与主动混合式磁悬浮轴承控制器接线插件TP1、TP13、永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP8、TP9、永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器接线插件TP6、TP7和永磁无刷直流发电机能量释放控制器接线插件TP6、TP7联接；控制电源电路VCC+12V控制电源与逆变集成控制电路联接。

电路〔2〕磁悬浮轴承框图电路内的前部径向磁悬浮轴承经接线插件TP8、后部径向磁悬浮轴承经接线插件TP9、外侧轴向磁悬浮轴承经接线插件TP10、内侧轴向磁悬浮轴承经接线插件TP11与主动混合式磁悬浮轴承控制器联接；前部径向磁悬浮轴承、后部径向磁悬浮轴承、外侧轴向磁悬浮轴承、内侧轴向磁悬浮轴承的共接端与主动混合式磁悬浮轴承控制器的公共地电位点(GND)TP12联接。

电路〔2〕电机/发电机三相绕组的出线端A、B、C直接接入永磁无刷直流电机/发电机升速控制器并经接线插件TP1、TP2、TP3分别与永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器接线插件TP1、TP2、TP3联接。电路〔2〕发电机三相绕组的出线端A、B、C分别与永磁无刷直流发电机能量释放控制器接线插件TP1、TP2、TP3联接。

电路〔2〕由转子位置传感器输出的位置转速信号直接输入永磁无刷直流电机/发电机升速控制器；霍尔转速信号经永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP4与永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器霍尔转速信号输入接线插件TP8联接，经接线插件TP5与永磁无刷直流发电机能量释放控制器霍尔转速信号输入接线插件TP8联接。

电路〔2〕永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP10、TP11、TP12与电源输出控制回路联接。电路〔1〕公共地电位端(GND)接线插件TP2、TP5与电路〔2〕各公共地电位端GND联接。

经电路〔1〕生成的三相交流电流A、B、C由电路〔1〕电容Cu、Cv、Cw和自耦变压器BT构成的中性点形成回路形成电源中性点后，由交流输出的接线插件TP8(U)、TP9(V)、TP10(W)、TP15(N)与电路〔2〕电源输出主回路联接，并经电源输出主回路与负载联接。

永磁无刷直流电机/发电机升速控制器电路工作原理参见附图5

该电路接线插件主要功能如下：TP1、TP2、TP3为电机A、B、C三相绕组交流电流输出至能量释放控制器的接线插件；TP4、TP5为霍尔转速信号输出至能量释放控制器的接线插件；TP6为自蓄电池母线正极输入的+220V直流电源接线插件，TP7为自蓄电池母线负极输入的直流电源公共地位点接线插件；TP8为自电源控制器VCC+28V控制电源正极输入接线插件；TP9为自电源控制器控制电源负极输入公共地位点GND接线插件；TP10为集成电路IC1的3脚正转/反转(FWD/REV)控制端至电源输出控制回路接线插件；TP11为集成电路IC1的7脚启动/停车(使能)控制端至电源输出控制回路接线插件；TP12为集成电路IC1的23脚运行/制动控制端至电源输出控制回路接线插件。

该电路集成电路IC1主要功能如下：集成电路IC1主要由转子位置译码电路、基准电压电路、过热保护电路、转速比较电路、振荡器电路、PWM波形成电路，RS触发(Q端输出)电路、PWM激励及PWM功率驱动输出电路构成；集成电路的17脚为VCC+28V电源端；18脚为下桥壁驱动电源端；16脚为公共地位端；8脚为电源输出端；10脚为频率控制端；4、5、6脚为转子磁极位置信号输入端；1、2、24、19、20、21脚为驱动信号输出端；22脚为

相位控制端；9脚为电流检测信号输入端；14脚为故障端；12脚为霍尔转速信号输入端；11脚为速度设定输入端，由加速电位器R41对电机速度进行设定。

该电路主要由电子换相脉宽调制控制电路和电子换相逆变电路两部分组成；由电子换相控制集成电路IC1、电阻R14、R15、R6、R5、R12、R13、R16、R17、R18、R29、R30、RT、R42、电位器R41、电容C25、CT、稳压二极管VD7、VD8、VD9、转子位置传感器H1、H2、H3、转子转速传感器H4接成电子换相脉宽调制控制电路〔1〕；由功率开关管(绝缘栅双极型功率晶体管)VT1、VT3、VT5、VT4、VT6、VT2、续流二极管VD1、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2、电机三相绕组A、B、C(三相绕组直接接入电子换相逆变电路功率开关管三相输出端A、B、C)接成电子换相逆变电路〔2〕；电路〔1〕与〔2〕之间的联接关系是：电路〔1〕电阻R14、R5与电路〔2〕功率开关管VT1G极共接；电路〔1〕电阻R15、R12与电路〔2〕功率开关管VT3G极共接；电路〔1〕电阻R6、R13与电路〔2〕功率开关管VT5G极共接；电路〔1〕R16与电路〔2〕功率开关管VT4G极共接；电路〔1〕R17与电路〔2〕功率开关管VT6G极共接；电路〔1〕R18与电路〔2〕功率开关管VT2G极共接；电路〔1〕电阻R29、R30共接端与电路〔2〕功率开关管VT1E极、续流二极管VD1正极、功率开关管VT4C极、续流二极管VD4负极、电机A相绕组共接端A端联接。

该电路的工作原理是：在电子换相脉宽调制控制电路中，电子换相控制集成电路IC1把转子位置传感器检测到的转子磁极位置信号进行逻辑变换后产生脉宽调制控制信号，并经IC1的驱动电路放大后送到电子换相逆变电路，驱动电子换相逆变电路各个功率开关管按照转子位置传感器输入的转子磁极位置信号依次导通，给与转子磁极位置相对应的电枢绕组依次馈电，使各项绕组按一定顺序工作，并在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，使转子磁场在旋转磁场的作用下沿固定方向连续转动。

下面以两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电机为例结合附图来进一步说明其工作原理；参见附图6、附图7。

附图6、附图7中A、B、C表示为电机三相绕组首端，X、Y、Z表示为电机三相绕组尾端，S、N表示为电机永磁转子南北磁极，

表示电流流进，⊙表示电流流出。

当转子永磁体位于附图6所示位置时，转子位置传感器输出的转子磁极位置信号，经过电子换相控制集成电路IC1逻辑变换后，生成脉宽调制控制信号，驱动电子换相逆变电路功率开关管，使功率开关管VT₁、VT₆导通，使绕组A、B通电、A进、B出，电枢绕组在空间合成磁动势Fa，如附图6所示，此时定子、转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动，电流流通路径为：电源正极→VT₁管→A相绕组→B相绕组→VT₆管→电源负极。

当转子转过60°电角度，到达附图7所示位置时，转子位置传感器输出的转子磁极位置信号，经逻辑变换后使功率开关管VT₆截止、VT₂导通，此时VT₁管仍导通，则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁动势Fa，如附图7所示，此时定子、转子磁场相互作用拖动转子继续沿顺时针方向转动，电流流通路径为：电源正极→VT₁管→A相绕组→C相绕组→VT₂管→电源负极；余此类推。

从以上可以看出，在附图6到附图7的60°电角度范围内，转子磁场顺时针方向连续转动，而定子合成磁场在空间保持附图6中Fa位置不动，只有当转子磁场转过60°电角度达到附图7中F_f位置时，定子合成磁场才从附图6中Fa位置顺时针跃变为附图7中Fa位置；可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60°电角度。

当转子转过60°电角度时，电子换相逆变电路功率开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次；可见，对上述情况，电动机有六个磁状态，每一磁状态都是两相导通，每相绕组中通过电流时间相当于转子旋转120°电角度，每个功率开关管的导通角为120°，故称该逆变电路为120°导通型。

通过转子位置传感器输出转子磁极位置信号，使电子换相逆变电路各个功率开关管依次导通，电枢三相绕组依次馈电，使永磁无刷直流电机/发电机永磁转子旋转并拖动永磁无刷直流发电机永磁转子、磁悬浮储能飞轮旋转并升速，从而使该电路完成了电机升速控制过程。

主动混合式磁悬浮轴承控制器电路工作原理参见附图8

该电路接线插件主要功能如下：TP1为自控制器主板电路VCC+28V控制电源正极输入接线插件；TP2、TP3、TP4、TP5为变磁阻式微位移位置传感器M1、M2、M3、M4位置信号输入接线插件；TP6为变磁阻式微位移位置传感器交流脉冲电压输出接线插件；TP7为自蓄电池母线正极输入的+220V直流电源接线插件，TP8为前部径向磁悬浮轴承接线插件；TP9为后部径向磁悬浮轴承接线插件；TP10为外侧轴向磁悬浮轴承接线插件；TP11为内侧轴向磁悬浮轴承接线插件；TP12为自蓄电池母线负极输入的直流电源公共地位点接线插件；TP13为自控制器主板电路控制电源负极输入公共地位点GND接线插件。

该电路集成电路IC1主要功能如下：集成电路IC1主要由数字信号处理器、基准电压电路、过流保护电路、欠压保护电路、振荡器电路、PWM控制电路、或门电路、PWM激励及PWM功率驱动输出电路构成；集成电路的1脚为VCC+28V电源端；18脚为公共地位端(GND)、3、4、5、6脚为驱动信号输出端；13、14、15、16脚为位移位置信号输入端。

该电路由脉宽调制控制电路和功率输出控制电路两部分组成。由电阻R3、R5、R6、R7、R8、R11、R13、R15、R17、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、电容C6、C11、C13、C15、C17、前部径向磁悬浮轴承变磁阻式微位移位置传感器M1、后部径向磁悬浮轴承变磁阻式微位移位置传感器M2、外侧轴向磁悬浮轴承变磁阻式微位移位置传感器M3、内侧轴向磁悬浮轴承变磁阻式微位移位置传感器M4、脉宽调制控制集成电路IC1接成脉宽调制控制电路〔1〕；由功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4、前部径向磁悬浮轴承A1、后部径向磁悬浮轴承A2、外侧轴向磁悬浮轴承A3、内侧轴向磁悬浮轴承A4接成功率输出控制电路〔2〕；电路〔1〕与〔2〕之间的联接关系是：电路〔1〕电阻R5、R11与电路〔2〕功率开关管VT1G极共接；电路〔1〕电阻R6、R13与电路〔2〕功率开关管VT2G极共接；电路〔1〕电阻R7、R15与电路〔2〕功率开关管VT3G极共接；电路〔1〕电阻R8、R17与电路〔2〕功率开关管VT4G极共接；电路〔1〕电阻R21与电路〔2〕功率开关管VT1的E极、续流二极管VD1的正极、前部径向磁悬浮轴承A1共接于接线插件TP8；电路〔1〕电阻R22与电路〔2〕功率开关管VT2的E极、续流二极管VD2的正极、后部径向磁悬浮轴承A2共接于接线插件TP9；电路〔1〕电阻R25与电路〔2〕功率开关管VT3的E极、续流二极管VD3的正极、外侧轴向磁悬浮轴承A3共接于接线插件TP10；电路〔1〕电阻R26与电路〔2〕功率开关管VT4的E极、续流二极管VD4的正极、内侧轴向磁悬浮轴承A4共接于接线插件TP11。

该电路的工作原理是：电机转轴在永磁体产生的静磁场吸力的作用下，处于平衡位置(即中间位置)时，由脉宽调制控制集成电路IC1数字信号处理器输出的交流脉冲电压经集成电路的17脚分别输给变磁阻式微位移位置传感器M1、M2、M3、M4，由于电机转轴位置平衡，各变磁阻式微位移位置传感器均无感应电压输出，则电路不动作；当电机转轴发生径向偏移时，前部径向磁悬浮轴承和后部径向磁悬浮轴承变磁阻式微位移位置传感器M1、M2检测出的微位移位置信号电压(感应电压)经接线插件TP2、TP3输给脉宽调制控制集成电路IC1的13、14脚，由IC1数字信号处理器变换、处理后产生位移控制信号，经PWM激励级放大后驱动PWM输出级输出脉宽调制控制电压送给功率输出控制电路功率开关管VT1、VT2的G极，驱动功率开关管VT1、VT2导通，此时由+220V直流电源提供的电流，一路由接线插件TP7→功率开关管VT1的C极→功率开关管VT1的E极→接线插件TP8→前部径向磁悬浮轴承A1→接线插件TP12公共地电位点形成回路；另一路由TP7→VT2的C极→VT2的E极→TP9→后部径向磁悬浮轴承A2→TP12公共地电位点形成回路；使A1、A2按照M1、M2输出的信号值产生相应的电磁力，对偏移的电机转轴进行修正，使电机转轴重新回到原来的平衡位置；从而使该电路完成了对电机转轴位置径向偏移进行平衡的控制过程；同理，当电机转轴位置发生轴向偏移时，该电路则对电机转轴进行轴向平衡控制。

永磁无刷直流发电机能量释放控制器电路工作原理参见附图9

该电路接线插件主要功能如下：TP1、TP2、TP3为永磁无刷直流发电机A、B、C三相绕组交流电流输入至二极管三相整流桥三个桥壁A、B、C的接线插件；TP4为直流电流正极输出接线插件；TP5为直流电流负极输出接线插件；TP6为自电源控制器VCC+28V控制电源正极输入接线插件；TP7为自电源控制器控制电源负极输入公共地位点GND接线插件；TP8为霍尔转速信号输入接线插件。

该电路主要由功率因数校正与脉宽调制控制电路和直流降压斩波电路两部分组成。由电阻R11、R21、R22、R24、R25、R27、R32、R33、R37、R41，电容C15、C25、C26、C32、C41，故障开关K，功率因数校正与脉宽调制集成电路IC1接成功率因数校正与脉宽调制控制电路〔1〕；由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，电感L1、L2，电容C1、C2、C3，直流降压斩波管VT1接成直流降压斩波电路〔2〕；电路〔1〕与电路〔2〕之间的联接关系是：电路〔1〕电阻R21、R22、R25、电容C25与电路〔2〕二极管D1、D2、D3负极共接端、电感L1共接；电路〔1〕电阻R11与电路〔2〕直流降压斩波管VT1的G极共接；电路〔1〕电阻R32与电路〔2〕电感L2、二极管D8正极、电容C3正极共接。

该电路的工作原理是：当磁悬浮储能飞轮被永磁无刷直流电机/发电机拖动达到30000r/min的额定转速时，转子位置传感器中转子转速传感器H4检测到的转速信号，经转子位置传感器霍尔集成电路处理、放大后输出高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)，一路送到电子换相控制集成电路IC1的12脚转速比较器反向输入端，使转速比较器输出由高电平翻转为低电平，使脉宽调制波形成电路无转速比较信号输入而无脉宽调制信号输出，使电子换相控制集成电路IC1的脉宽调制驱动输出级因无脉宽调制信号而无脉宽调制驱动信号输出，从而使电子换相逆变电路功率开关管关断，使永磁无刷直流电机/发电机绕组因失去电源驱动电流(失电)而开始减速，则磁悬浮储能飞轮减速。

在高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)输入到电子换相控制集成电路IC1的12脚的同时，另一路高电平霍尔转速信号由永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP5输出，经接线插件TP8，输入至功率因数校正与脉宽调制集成电路IC1的1脚转速比较器正向输入端，使转速比较器输出由低电平翻转为高电平，使转速信号经由信号捕获电路送给数字信号处理器，经数字信号处理器变换、处理后输出高电平触发信号，触发脉宽调制(PWM)波形成与输出电路输出脉宽调制控制信号，使脉宽调制(PWM)驱动电路经集成电路IC1的11脚输出脉宽调制驱动信号给直流降压斩波管VT1的G极，驱动直流降压斩波管VT1导通。

此时，由永磁无刷直流发电机A、B、C三相绕组输出的三相交流电流，经接线插件TP1、TP2、TP3输入至直流降压斩波电路，由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相二极管整流桥进行整流，在二极管整流桥两端获得脉动的直流电流，经由电感L₁电容C₁、C₂组成的低通滤波器滤去高频纹波电压之后，送到直流降压斩波管VT1的C极；此时由于直流降压斩波管VT1的导通，输入的直流电流由直流降压斩波管VT1和续流二极管D7构成的直流降压斩波器进行直流降压斩波，再经过续流电感L2续流和滤波电容C3滤去高频纹波脉动分量后，最终获得稳定的直流电流，经输出钳位二极管D8钳位后由直流电流输出接线插件TP4(正极)、TP5(负极)向蓄电池组直流母线输出幅值恒定的直流电流；从而使该电路完成了能量释放控制过程。

永磁无刷直流电机/发电机能量释放控制器电路工作原理参见附图10

该电路接线插件主要功能如下：TP1、TP2、TP3为永磁无刷直流电机/发电机A、B、C三相绕组交流电流输入至二极管三相整流桥三个桥壁A、B、C的接线插件；TP4为直流电流正极输出接线插件；TP5为直流电流负极输出接线插件；TP6为自电源控制器VCC+28V控制电源正极输入接线插件；TP7为自电源控制器控制电源负极输入公共地位点GND接线插件；TP8为霍尔转速信号输入接线插件。

该电路的工作原理是：当磁悬浮储能飞轮被永磁无刷直流电机/发电机拖动达到30000r/min的额定转速时，转子位置传感器中转子转速传感器H4检测到的转速信号，经转子位置传感器霍尔集成电路处理、放大后输出高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)，一路送到永磁无刷直流电机/发电机升速控制器电子换相控制集成电路IC1的12脚、另一路送到永磁无刷直流发电机能量释放控制器功率因数校正与脉宽调制集成电路IC1的1脚；同时，第三路高电平霍尔转速信号也由永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP4输出，经接线插件TP8，输入至功率因数校正与脉宽调制集成电路IC1的1脚转速比较器正向输入端，使转速比较器输出由低电平翻转为高电平，使转速信号经由信号捕获电路送给数字信号处理器，经数字信号处理器变换、处理后输出高电平触发信号，触发脉宽调制(PWM)波形成与输出电路输出脉宽调制控制信号，使脉宽调制(PWM)驱动电路经集成电路IC1的11脚输出脉宽调制驱动信号给直流降压斩波管VT1的G极，驱动直流降压斩波管VT1导通。

此时，由永磁无刷直流电机/发电机A、B、C三相绕组输出的三相交流电流，经接线插件TP1、TP2、TP3输入至直流降压斩波电路，由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相二极管整流桥进行整流，在二极管整流桥两端获得脉动的直流电流，经由电感L₁电容C₁、C₂组成的低通滤波器滤去高频纹波电压之后，送到直流降压斩波管VT1的C极；此时由于直流降压斩波管VT1的导通，输入的直流电流由直流降压斩波管VT1和续流二极管D7构成的直流降压斩波器进行直流降压斩波，再经过续流电感L2续流和滤波电容C3滤去高频纹波脉动分量后，最终获得稳定的直流电流，经输出钳位二极管D8钳位后由直流电流输出接线插件TP4(正极)、TP5(负极)向蓄电池组直流母线输出幅值恒定的直流电流；从而使该电路完成了能量释放控制过程。

电源控制箱蓄电池组与电源控制器电路工作原理参见附图11

该电路主要由电源输出主回路、电源输出控制回路与电源控制器主板电路的逆变主电路、逆变集成控制电路、控制电源电路以及联接于电源控制器主板电路的蓄电池组电路组成。

由两组蓄电池并联、每组由18节12V/20A·h的蓄电池串联、组成蓄电池串并列组X1，直流母线正极输出接线插件TP1，直流母线负极公共地电位端接线插件TP2，蓄电池+36V抽头输出接线插件TP3，断路器ZK、ZK2，过流继电器及过流继电器常闭主触头JK1，直流电压表V4，直流电流表a4接成蓄电池组电路〔1〕；由接线插件TP4、TP14、TP6、TP7、TP5、TP8(U)、TP9(V)、TP10(W)、TP15(N)，平波电抗器L1、L2，滤波电容Cy1、Cy2，逆变功率管Q1、Q3、Q5、Q4、Q6、Q2，续流二极管VD1、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2，中性点形成滤波电容Cu、Cv、Cw，中性点形成自耦变压器BT及其三相绕组Bu、Bv、Bw接成逆变主电路〔2〕；由集成电路U1、U2、U3、U4、U5，电阻R5、R12、R10、R2、R7、R15、R21、R23、R25、R32、R41、R42、R43，可调电阻R22、R24、R31，电容C5、C12、C10、C2、C7、C15、C21、C22、C23、C31、C41，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，稳压二极管ZD1，中间继电器常开触点K1接成逆变集成控制电路〔3〕；由集成电路U6、U7，电阻R51、R52，电容C51、C52、C53、C61，稳压二极管ZD2，断路器ZK3，VCC+28V接线插件TP11、VCC+12V接线插件TP12、公共地电位点GND接线插件TP13接成控制电源电路〔4〕；由交流电压表V1、V2、V3，交流电流表a1、a2、a3，断路器ZK1、ZK4、ZK5，直流输出接触器主触头KM1，交流输出接触器主触头KM2，外接负载或电网A、B、C三相绕组和星形联接点N接成电源输出主回路〔5〕；由直流输出接触器停止按钮SB、启动按钮SB1，交流输出接触器停止按钮SB2、启动按钮SB3，直流输出接触器线圈KM1、自锁辅助触点KM1，交流输出接触器线圈KM2、自锁辅助触点KM2、互锁辅助触点KM2，中间继电器线圈K1，控制开关LZ1、LZ2、LZ3接成电源输出控制回路〔6〕。

电路〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕、〔6〕之间的联接关系是：电路〔2〕平波电抗器L1、L2共接端，滤波电容Cy1、Cy2的正极，逆变功率管Q1、Q3、Q5的C极和续流二极管VD1、VD3、VD5的负极共接端，电路〔5〕断路器ZK4与电路〔1〕电流表a4、电压表V4正极共接于直流母线正极输出接线插件TP1；电路〔5〕直流输出接触器主触头KM1的正极主触头KY与断路器ZK4串联后接于电路〔2〕直流母线正极输出接线插件TP6；电路〔5〕直流输出接触器主触头KM1的负极主触头KD与断路器ZK5串联后接于电路〔2〕负极直流母线输出接线插件TP7；电路〔2〕滤波电容Cy1、Cy2的负极，逆变功率管Q4、Q6、Q2的E极和续流二极管VD4、VD6、VD2的正极共接端，直流母线负极输入接线插件TP5，电路〔5〕断路器ZK5，电路〔1〕电压表V4负极与蓄电池串并列组X1负极引出的直流母线负极公共地电位端接线插件TP2共接；电路〔1〕断路器ZK2(VCC+36V至控制电源电路)与电路〔4〕电容C51、电阻R51共接端(自蓄电池组TP3输出开关ZK2输入)联接。

电路〔3〕二极管D1的负极与电路〔2〕逆变功率管Q1的G极G1共接，电路〔3〕二极管D2的负极与电路〔2〕逆变功率管Q4的G极G4共接，电路〔3〕二极管D3的负极与电路〔2〕逆变功率管Q3的G极G3共接，电路〔3〕二极管D4的负极与电路〔2〕逆变功率管Q6的G极G6共接，电路〔3〕二极管D5的负极与电路〔2〕逆变功率管Q5的G极G5共接，电路〔3〕二极管D6的负极与电路〔2〕逆变功率管Q2的G极G2共接；电路〔2〕逆变功率管Q1的E极、续流二极管VD1的正极、逆变功率管Q4的C极、续流二极管VD4负极的共接端A、中性点形成滤波电容Cu、中性点形成自耦变压器BT的Bu相绕组与电路〔3〕电阻R41共接于交流输出接线插件TP8(U)；电路〔2〕交流输出A相导线穿绕电路〔1〕过流继电器环形铁芯至交流输出接线插件TP8(U)。

电路〔4〕集成电路U7的2、3、6、7脚，电容C61正极、Vcc+12V输出接线插件TP12共接端与电路〔3〕集成电路U1的5脚、28脚(Vcc)、U2的1脚的共接端，U3的4、5、6、14脚共接端，U5的2脚，U4的8脚、电阻R21、可调电阻R22、电容C21的共接端联接；电路〔4〕电容C51、C52、C53、C61的负极、稳压二极管ZD2的正极、集成电路U6的3脚、U7的4脚的共接端为公共地电位端GND与电路〔1〕(自蓄电池组负极)直流母线公共地电位端接线插件TP2联接。电路〔3〕中间继电器常开触点K1、集成电路U1的25、13、15、16、14脚共接端，U3的7、8、9、12脚共接端，U4的1脚、电阻R25、R24、可调电阻R22、电容C23的共接端，电容C5、C12、C10、C2、C7、C15的共接端及电阻R42与电路〔4〕公共地电位端GND联接。

电路〔5〕电压表V3、V1、电流表a1共接端与电路〔2〕逆变功率管A相输出端、电容Cu、自耦变压器Bu共接于接线插件TP8(U)；电路〔5〕电压表V1、V2、电流表a2共接端与电路〔2〕逆变功率管B相输出端、电容Cv、自耦变压器Bv共接于接线插件TP9(V)；电路〔5〕电压表V2、V3、电流表a3共接端与电路〔2〕逆变功率管C相输出端、电容Cw、自耦变压器Bw共接于接线插件TP10(W)；电路〔5〕交流输出接触器主触头KM2的三个主触头KU、KV、KW分别与外接负载或电网三相绕组A、B、C的出线端U、V、W联接；外接负载星点N与电路〔2〕中性点输出接线插件TP15(N)联接。

电路〔6〕直流输出接触器停止按钮SB、交流输出接触器停止按钮SB2、交流输出接触器互锁辅助触点KM2的共接端与电路〔1〕直流母线正极输出+220V接线插件TP1联接；电路〔6〕直流输出接触器线圈KM1、交流输出接触器线圈KM2、中间继电器线圈K1以及经永磁无刷直流电机/发电机升速控制器接线插件TP10接自换相集成电路3脚的正/反转控制开关LZ1、经接线插件TP11接自换相集成电路7脚的启动/停车控制开关LZ2、经接线插件TP12接自换相集成电路23脚的运行/制动控制开关LZ3的共接端与电路〔1〕蓄电池组直流母线负极公共地电位端接线插件TP2联接。

该电路的工作原理是：当按下交流输出接触器启动按钮SB3时，接触器线圈KM2得电吸合，电源输出回路接触器主触头KM2闭合，自锁与互锁辅助触点KM2闭合，中间继电器K1得电吸合，中间继电器常开触点K1(集成电路U1的24脚启动/停止端)闭合，该电路即处于运行状态。

由集成电路U4施密特振荡器产生的脉冲振荡信号，经集成电路U5由三相脉宽调制(PWM)正弦波生成控制集成电路U1的频率控制时钟输入端12脚(FCT)输入，用以控制U1的脉宽调制正弦波的基波频率(即逆变器输出频率)；由集成电路U3多谐振荡器产生的300HZ基准时钟脉冲信号，经U3的10脚由集成电路U1的基准时钟输入端4脚(RCT)输入，作为U1的基准时钟脉冲频率并用以限制逆变器开关器件的最高开关频率；经U3的10脚输出的300HZ基准时钟脉冲电压载波信号由集成电路U1的电压控制时钟输入端17脚(VCT)输入，用以控制逆变器输出的三相脉宽调制正弦电压波基波有效值，即逆变输出电压幅值；经U3的13脚输出的600HZ延迟时钟脉冲由集成电路U1的延迟时钟输入端6脚(OCT)输入，用以控制每一相上、下桥臂两个逆变功率管互补输出之间的延时时间；经U3的11脚输出的300HZ基准时钟脉冲双缘调制信号由集成电路U2的9脚(CP)输入，用以与集成电路U1输入的三相脉宽调制正弦波进行比较，使每一相的脉冲被双缘调制，使输出的任意两相间形成了正弦变化的平均电压。(双缘调制与三角波/正弦波调制不同，其优点是对于给定的开关频率，可以得到2倍的线电压脉冲，获得低谐波含量的输出电流)。

当集成电路U1有脉冲振荡信号、基准时钟脉冲信号、基准时钟脉冲电压载波信号输入时，U1就会按照输入的频率、电压信号产生3对6组(ORM1、ORM2、OYM1、OYM2、OBM1、OBM2)三相脉宽调制正弦波控制信号，经放大后由集成电路U1的输出级输给三相脉宽调制正弦波驱动集成电路U2，由集成电路U2经双缘调制、激励、放大后输出三相脉宽调制正弦波驱动信号，驱动逆变电路各个逆变功率管导通。

由逆变集成控制电路、逆变主电路和蓄电池组构成的电源控制器电源逆变电路为120°导通型三相全桥式逆变器，每个桥臂上下逆变功率管轮流导通120°，一个输出周期每隔60°换流一次，6个逆变功率管Q1和Q4、Q3和Q6、Q5和Q2互补通断，按Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的顺序分别导通120°，驱动信号依序相差60°，任何时候都只有两只逆变功率管导通。以A相为例：

当UrA(A相脉宽调制正弦波)为正半周时，UG1(A相脉宽调制正弦波G极驱动信号)使Q1导通，Q4关断，UG2使Q2导通，Q5关断，电流流通路径为：蓄电池组正极→Q1管→外接负载A相绕组→C相绕组→Q2管→蓄电池组负极。

当UrA(A相脉宽调制正弦波)为负半周时，UG3使Q3导通，Q6关断，UG4使Q4导通，Q1关断，电流流通路径为：蓄电池组正极→Q3管→外接负载B相绕组→A相绕组→Q4管→蓄电池组负极；余此类推。

从而使各逆变功率管按照集成电路U1输出的三相脉宽调制正弦波规定的频率、相位、电压幅值和导通顺序依次导通。使逆变电路将直流电流逆变为幅值恒定、频率稳定的50HZ三相交流电流，再经中性点形成电路变换后，最终使电源控制器输出频率为50HZ、电压为220/380V的三相四线制交流电流；完成了直流电源逆变为交流电流的逆变控制过程。

磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行工作原理参见附图4、附图5、附图9、附图11

磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行的前提是：初始时蓄电池组充有足够的电能。

在电源控制器断路器ZK、ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5处于闭合位置，控制开关LZ1、LZ2、LZ3处于常态时，当按下直流输出接触器启动按钮SB1、交流输出接触器启动按钮SB3时，接触器KM1、KM2得电吸合，电源输出回路接触器主触头KM1、KM2闭合，互锁辅助触点KM2闭合，中间继电器K1得电吸合，中间继电器常开触点K1闭合，+220直流电源经接线插件TP6、TP7施加到永磁无刷直流电机/发电机(以下简称直流电机/发电机)升速控制器、主动混合式磁悬浮轴承控制器；+28V控制电源经接线插件TP11、TP13施加到直流电机/发电机升速控制器、主动混合式磁悬浮轴承控制器、直流电机/发电机能量释放控制器、永磁无刷直流发电机(以下简称直流发电机)能量释放控制器；+12V控制电源施加到电源控制器逆变集成控制电路；使磁悬浮储能飞轮发电机组所有电路单元均处于运行状态。

此时，由直流电机/发电机转子位置传感器输出的转子磁极位置信号，经电子换相控制集成电路逻辑变换后产生脉宽调制控制信号，经驱动电路放大后驱动电子换相逆变电路各个功率开关管按照转子位置传感器输入的转子磁极位置信号依次导通，使与转子磁极位置相对应的电枢绕组依次馈电，从而在直流电机/发电机定子绕组上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置传感器不断地输出转子磁极位置信号，驱动电子换相逆变电路功率开关管不断地依次导通，使直流电机/发电机电枢三相绕组不断地依次馈电，并不断产生旋转磁场，使直流电机/发电机永磁转子不断旋转、升速，从而拖动直流发电机永磁转子和磁悬浮储能飞轮不断旋转、升速。在经过约240s后，当直流电机/发电机拖动直流发电机永磁转子和磁悬浮储能飞轮高速旋转达到直流电机/发电机30000r/min的额定转速时，转子位置传感器中转子转速传感器H4检测到的转速信号，经转子位置传感器霍尔集成电路处理、放大后输出高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)，送到电子换相控制集成电路的12脚转速比较器反向输入端，使转速比较器输出由高电平翻转为低电平，使脉宽调制波形成电路无转速比较信号输入而无脉宽调制信号输出，从而使电子换相逆变电路功率开关管因无脉宽调制驱动信号而关断，使直流电机/发电机绕组因失去电源驱动电流(失电)而开始减速，则磁悬浮储能飞轮减速。

在高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)输入到电子换相控制集成电路12脚的同时，另外两路高电平霍尔转速信号也分别输入到直流电机/发电机(此时作发电机)和直流发电机能量释放控制器各自的功率因数校正与脉宽调制集成电路IC1的1脚转速比较器正向输入端，使各自的集成电路转速比较器输出由低电平翻转为高电平，经数字信号处理器变换、处理后输出高电平触发信号，触发脉宽调制波形成与输出电路输出脉宽调制控制信号，经脉宽调制驱动电路放大后驱动各自的直流降压斩波管导通。

此时，由直流电机/发电机和直流发电机A、B、C三相绕组输出的三相交流电流，输入到各自的三相二极管整流桥进行整流，在二极管整流桥两端获得脉动的直流电流，经低通滤波器滤去高频纹波电压之后，送到各自的直流降压斩波器进行直流降压斩波，再经滤波电路滤去高频纹波脉动分量后，获得稳定的直流电流，经输出钳位二极管钳位后由各自的直流电流输出接线插件TP4(正极)、TP5(负极)向蓄电池组直流母线输出幅值恒定的直流电流。

由于直流降压斩波管的导通，使直流电机/发电机和直流发电机三相绕组通过各自的直流降压斩波管与蓄电池组直流母线连通，并通过电源控制器逆变电路与外接负载(或电网)连通；从而使直流电机/发电机能量释放控制器和直流发电机能量释放控制器输出的直流电流除向蓄电池组充电外，还经过电源控制器逆变电路逆变后向发电机外接负载(或电网)输出频率为50HZ、线电压为380V、相电压为220V的三相四线制交流电流。

磁悬浮储能飞轮不断减速，直流电机/发电机和直流发电机三相绕组不断输出三相交流电流在经过约180s后，当磁悬浮储能飞轮转速下降到10000r/min的转速时，由转子位置传感器霍尔集成电路将转子转速传感器H4检测到的转速信号进行处理、放大后输出低电平霍尔转速信号(≤5V_P-P)，分两路同时输给直流电机/发电机能量释放控制器和直流发电机能量释放控制器，促使功率因数校正与脉宽调制集成电路转速比较器输出由高电平翻转为低电平，从而使直流电机/发电机和直流发电机直流降压斩波管同时关断，使直流电机/发电机和直流发电机的三相绕组与蓄电池组直流母线和外接负载(电网)同时断开，使直流电机/发电机和直流发电机停止能量转换；此时磁悬浮储能飞轮发电机组的外接负载(电网)，由蓄电池组经过电源控制器逆变电路逆变后提供稳定的三相四线制交流电流。

在低电平霍尔转速信号关断直流电机/发电机和直流发电机能量释放控制器直流降压斩波管的同时。低电平霍尔转速信号也反馈给直流电机/发电机升速控制器电子换相控制集成电路的12脚转速比较器反向输入端，使转速比较器输出由低电平翻转为高电平，使脉宽调制波形成电路输出脉宽调制信号驱动电子换相控制集成电路的输出级，使电子换相控制集成电路的输出级按照转子位置传感器输入的转子磁极位置信号生成功率开关管的脉宽调制控制信号，驱动电子换相逆变电路功率开关管依次导通，使与转子磁极位置相对应的直流电机/发电机电枢绕组依次馈电，从而驱动直流电机/发电机永磁转子旋转，使直流电机/发电机再次拖动直流发电机永磁转子和磁悬浮储能飞轮升速。

在经过约90S后，直流电机/发电机拖动直流发电机永磁转子和磁悬浮储能飞轮从10000r/min的转速再次加速到直流电机/发电机30000r/min的额定转速时，位于转子位置传感器中转子转速传感器H4检测到的转速信号，经转子位置传感器霍尔集成电路输出高电平霍尔转速信号送到电子换相控制集成电路的12脚，经过电子换相控制集成电路逻辑变换后控制并关断电子换相逆变电路功率开关管，使直流电机/发电机电枢绕组停止馈电。此时磁悬浮储能飞轮因直流电机/发电机失电而再次减速。

此时，转子位置传感器霍尔集成电路输出的高电平霍尔转速信号再次同时输给直流电机/发电机和直流发电机能量释放控制器，使直流电机/发电机和直流发电机能量释放控制器的直流降压斩波管再次导通，使直流电机/发电机和直流发电机三相绕组与蓄电池组直流母线和外接负载(或电网)再次连通，从而使直流电机/发电机和直流发电机三相绕组发出的交流电流，经整流及直流降压斩波后除向蓄电池组充电外还通过电源控制器逆变电路逆变后向外接负载(或电网)供电。此时磁悬浮储能飞轮发电机组完成了一个间歇循环发电工作周期。

如此周而复始往复循环下去，磁悬浮储能飞轮发电机组依靠储能飞轮存储的机械能量实现了不消耗自然能源、无外接能源、无能量损耗、往复循环不间断长期发电运行。

从上述磁悬浮储能飞轮发电机组发电运行工作原理可知：

磁悬浮储能飞轮发电机组并不能连续发电运行，而是间歇发电、循环运行，即发电→间歇→发电的间歇发电、往复循环运行的工作模式，在发电间歇时，即直流电机/发电机升速时，由蓄电池组通过电源控制器向原动机(直流电机/发电机)和外接负载提供电能；在发电机组发电时，由原动机(此时作发电机)和直流发电机发出的电能除向外接负载供电外，还向蓄电池组充电，以弥补发电间歇时蓄电池组消耗的电能。

直流电机/发电机升速、减速控制既磁悬浮储能飞轮加速、减速控制和能量释放控制器能量转换控制均采用转速信号作为基准控制信号，由于转速信号电压由霍尔半导体晶片感应自旋转的转子霍尔磁极，再经霍尔集成电路多级放大后产生，可以精确地反映转子转速，当高电平霍尔转速信号(≥12V_P-P)与发电机能量转换最高转速(30000r/min)相对应、低电平霍尔转速信号(≤5V_P-P)与发电机能量转换最低转速10000r/min(经反复试验后的设定值)相对应时，就可以精确控制直流电机/发电机升速与减速、磁悬浮储能飞轮储能与释能和能量释放控制器待机与能量释放的切换时刻。

在发电间歇(电机升速)时，由于能量释放控制器直流降压斩波管(IGBT)在关断时的高阻断特性，使直流发电机三相绕组与蓄电池组直流母线和外接负载(电网)完全断开，使直流发电机绕组空载，无电流输出，定子绕组因无载流导体切割磁力线，基本与直流发电机永磁转子无感应磁场，故无电磁转矩产生。因此对直流电机/发电机升速基本无阻碍。

磁悬浮储能飞轮发电机组的发电效率与磁悬浮储能飞轮加速、减速时间的长短有关。当磁悬浮储能飞轮从零转速加速到30000r/min的转速时，约需时240S。储能飞轮从30000r/min减速到10000r/min的转速时约需时180S。储能飞轮再次加速时即从10000r/min加速到30000r/min的转速时，约需时90S，储能飞轮再次减速时，即从30000r/min减速到10000r/min的转速时仍需时180S。因此储能飞轮减速时间180S，加速时间为90S，减速时间约为加速时间的2倍。储能飞轮减速时间段越长，发电机发电时间就越长，加速时间段越短，发电机间歇时间就越短，磁悬浮储能飞轮发电机组的发电效率就越高。

磁悬浮储能飞轮发电机组的发电效率还与磁悬浮储能飞轮和转轴上两个电机永磁转子的质量密切相关，相对于储能飞轮质量越大，飞轮减速负载越重，减速时间就越短，发电机发电时间就越短，发电效率就越低。

磁悬浮储能飞轮发电机组的发电效率还与发电机功率大小有关。发电机功率越大，其永磁转子质量越大，其电枢绕组感应电流也越大，在载流导体切割磁力线时，其感应的电磁转矩也越大，对转速的阻碍也越大，减速时间就越小，发电效率就越低，因此选择合适的直流发电机功率与直流电机/发电机功率和储能飞轮的质量比值，减小转子质量，缩短飞轮加速时间，是提高发电效率的关键。

增大磁悬浮储能飞轮的最高转速也是提高发电效率的有效途径。如果将储能飞轮的转速提高到60000r/min的超高转速时，储能飞轮将蓄积巨大的重力势能。以本发明为例，其理论减速时间可达900S以上。但超高转速带来的巨大离心力，可能撕裂永磁转子和储能飞轮。

因此本发明永磁转子与磁悬浮储能飞轮的质量比质、直流电机/发电机与直流发电机功率比质、直流电机/发电机与直流发电机的额定转速和应用的材料等是一个折中的方案。

本发明的试验样机在减去功率因素、发电机的效率等因素外，发电机组的额定输出功率只有4.5KW，仅适合三口之家的小户型家庭使用。在电力电子飞速发展的今天，一些大电流、超高压的电力晶体管已经应用于实践，特别是大型绝缘栅双极型功率晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)模块组件，其集-射极电压U_CEO可达万伏级，集-射极击穿电压U_BR最高可达数万伏，集电极通态平均电流I_C可达数千安培，为大型，超大型磁悬浮储能飞轮发电机组的开发、应用带来了可能。

磁悬浮储能飞轮发电机组样机发电运行实验参数测试值参见附表1：

磁悬浮储能飞轮发电机组样机发电运行实验参数测试表附表1

附注：1、发电机、电机/发电机绕组输出电压峰值、峰-峰值，发电机、电机/发电机整流输出电压峰值、峰-峰值，由示波器测得；电压平均值由万用表测得；发电机转速由数显测速计和机械式测速表对比测得。2、由示波器、万用表测得的发电机绕组、电机/发电机绕组输出电压均为线电压，电流值则为相电流。3、由于三相桥式整流是两组三相半波整流的串联，因此三相桥式整流电压(整流电流)是三相半波整流的两倍，其整流电压Ud与发电机绕组输出相电压U2及线电压Ut的关系可由下式表述：

(式中：Ud——整流电压，U2——发电机绕组输出相电压，Ut——线电压，

——功率因素)4、两个能量释放控制器输出的电压、电流为能量释放控制器直流降压斩波管与平波电抗器L1、L2之间的测试值。5、电机/发电机绕组输入的电压、电流是电子换相逆变电路功率开关管关断前瞬间的测试值。6、发电机组输出的电压、电流值及表2中的参数值是发电机组外接负载为4KW异步电动机时的测试值。

磁悬浮储能飞轮发电机组的命名

用磁悬浮拼音的第一个字母CXF作为磁悬浮储能飞轮发电机组的命名，第四个字母Z表示发电机组，D表示发电机，第一组数字表示发电机组输出功率，第二组数字表示发电机组输出线电压，第三组数字表示发电机组输出相数。

如示例：

磁悬浮储能飞轮发电机组的铭牌参数值参见附表2：

磁悬浮储能飞轮发电机组铭牌参数表附表2

磁悬浮储能飞轮发电机组的显著优点：

1、磁悬浮储能飞轮发电机组无损耗能量循环发电，实现了不消耗自然能源、无外接能源、不间断长期发电运行。

2、磁悬浮储能飞轮发电机组能量存储密度高、能量释放平稳、性能稳定、循环寿命长，可提供较大的峰值功率。

3、磁悬浮储能飞轮发电机组的发明与投入运行，可以节约大量的自然能源。减少大量自然能源燃烧排放时对环境的破坏。

4、我国目前是世界上最大的石油净进口国(除美国外)，58％以上的石油需要进口；磁悬浮储能飞轮发电机组大规模投入运行，可以极大地缓解石油消费需求和资源严重匮乏的矛盾，消除西方强权国家长期对我国进行的能源遏制政策，强化我国的能源安全，改善我国的能源结构和能源环境，使我国的能源环境不受制于人。

5、大型磁悬浮储能飞轮发电机组的开发利用可广泛应用于家庭、机关、学校、宾馆、酒店、工厂及住宅楼宇的生活用电和工厂供电、生产电力拖动用电。

6、大型磁悬浮储能飞轮发电机组还可以开发出全新概念的全电动汽车和军用战斗车辆，可以让全电动汽车和军用战斗车辆长期奔驰而不添加任何燃料。

7、大型磁悬浮储能飞轮发电机组还可以应用于国防领域，制造出长航时高空无人侦察机，监视我国的万里长空，极大地消除外国隐身飞机对我国的威胁。

8、大型、超大型磁悬浮飞轮蓄能发电机组还可以应用于我国交通运输领域，制造出大型无外接能源电动机车组，长期运行于国家铁路干线，节省大量能源和电气线路。

9、大型、超大型、超大功率磁悬浮储能飞轮发电机组还可以应用于我国国家电网分布式发电系统并网发电，节省大量高压输电线路。

10、磁悬浮储能飞轮发电机组的发明，应用了国际前沿技术——磁悬浮储能飞轮技术、磁悬浮轴承支承技术；使磁悬浮储能飞轮发电机组的整体技术水平走在了世界的前列。

Claims

1.一种磁悬浮储能飞轮发电机组由磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机、永磁无刷直流电机/发电机以及伺服它们运行的磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承推力盘、能量转换控制器、转子位置传感器、转子霍尔磁极构成的磁悬浮储能飞轮发电机1和由蓄电池组4、电源控制器5构成的电源控制箱2及支承它们的发电机组基座3组成；这种磁悬浮储能飞轮发电机组由固定安装在同一根发电机转轴1上的磁悬浮储能飞轮3、永磁无刷直流发电机永磁转子4、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子5、轴向磁悬浮轴承推力盘2、转子霍尔磁极6构成磁悬浮储能飞轮发电机的转子系统；磁悬浮储能飞轮发电机转子系统的磁悬浮储能飞轮内缘为玻璃纤维复合材料，外缘为高性能碳纤维复合材料，并将磁悬浮储能飞轮制成多层空心杯圆柱体状，由磁悬浮储能飞轮内缘12、磁悬浮储能飞轮外缘11构成磁悬浮储能飞轮；永磁无刷直流发电机永磁转子内层采用优质铝合金铸成圆柱体状，转子导磁体由硅钢冲片叠制而成并与铸铝内层热铸成型，转子永磁体固定安装在转子导磁体上，由直流发电机转子永磁体16、转子铸铝内层17、转子导磁体18构成永磁无刷直流发电机永磁转子；永磁无刷直流电机/发电机永磁转子结构与永磁无刷直流发电机永磁转子完全一致，由直流电机/发电机转子永磁体21、转子导磁体22、转子铸铝内层23构成永磁无刷直流电机/发电机永磁转子；轴向磁悬浮轴承推力盘8由优质合金钢制成；转子霍尔磁极28由热铸于发电机转轴19的铜套与嵌入铜套的永磁体构成；这种磁悬浮储能飞轮发电机组由固定安装在发电机底座32支承的发电机外壳13内的永磁无刷直流发电机定子15、永磁无刷直流电机/发电机定子20、后部径向磁悬浮轴承26、转子位置传感器27、能量转换控制器25、内侧轴向磁悬浮轴承9、外侧轴向磁悬浮轴承7、前部径向磁悬浮轴承4及起定位和固定作用的磁悬浮轴承支承座6、内侧磁悬浮轴承支承座10、发电机定子Z形支承座24、前部端盖1、前部保护轴承端盖2、前部大端盖5、后部大端盖29、后部保护轴承端盖31、飞轮陀螺房14以及在电机静止状态时支承发电机转轴的前部保护轴承3、后部保护轴承30构成磁悬浮储能飞轮发电机的定子系统；由发电机转子系统、发电机定子系统构成磁悬浮储能飞轮发电机。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮发电机组其特征在于：固定安装在磁悬浮储能飞轮发电机组同一根发电机转轴上的轴向磁悬浮轴承推力盘、磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机永磁转子、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、转子霍尔磁极构成磁悬浮储能飞轮发电机的转子系统；使磁悬浮储能飞轮、永磁无刷直流发电机永磁转子、永磁无刷直流电机/发电机永磁转子、轴向磁悬浮轴承推力盘、转子霍尔磁极同转轴旋转、储能发电。