CN106602788B - 一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，真空腔内设有内壳体、球形定子、球形腔转子、两个永磁体和两个磁悬浮球面轴承，球形定子设在飞轮外壳的正中央处，球形定子的外部是球形腔转子，球形腔转子的外部是具有同球心的球冠状的内壳体，内壳体的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体，内壳体和球形腔转子之间通过转子连接器固定连接，第一永磁体正下方是固接在飞轮外壳内表面上的球冠状的第二永磁体，在飞轮外壳和内壳体之间设置固接在飞轮外壳内壁上的两个中心轴交叉分布的磁悬浮球面轴承，本发明消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗，便于增加陀螺控制力矩的范围，抑制了飞轮的陀螺效应的产生。

Description

一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池

技术领域

本发明涉及飞轮电池（也称飞轮储能装置）的结构，尤其是一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮电池。

背景技术

飞轮电池是一种新型的机械储能装置，它利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。与现有的化学电池相比，飞轮电池具有储能密度高、使用寿命长、能量转换效率高、无污染、充电时间短等诸多优点。目前飞轮电池在电动汽车、航空航天、不间断电源(UPS)等领域应用广泛。

高速旋转的飞轮电池转子遇到外界干扰产生的陀螺效应是制约飞轮电池发展的技术难题，导致此难题主要体现在飞轮电池的拓扑结构（磁悬浮支承系统和集成电机的选择与安装）设计。磁悬浮飞轮电池通常是采用电磁/永磁混合型磁轴承作为飞轮转子的支承，实现径向、轴向5个自由度的悬浮控制，虽然这类传统设计能够保证飞轮电池的稳定悬浮运行，但当飞轮电池装置受到外界干扰时，由于飞轮电池固有的有轴结构，即飞轮电池的飞轮绕一个惯性主轴旋转结构，因此产生的陀螺效应现象不可避免。尤其对于车载飞轮电池装置，在遇到启动、急停、转弯等动作时，都会引起飞轮主轴在约束方向上收到很大的陀螺力矩，从而使飞轮主轴或飞轮轴承受到很大的附加压力。此外，传统飞轮电池采用的发电机/电动机通常采用永磁电机或异步电机，这些常规电机在运行中存在高速运行可靠性低、功耗大、维护成本高的特点。另外，飞轮电池将飞轮转子、混合型磁悬浮轴承和电机分别作为独立的个体安装在转轴上，混合型磁悬浮轴承需提供飞轮电池5个自由度可控的悬浮支承，因此，导致飞轮电池体积大、成本高、能耗大、结构复杂，限制了飞轮电池储能密度和储能效率的提高。因此，如何通过设计新型飞轮电池的拓扑结构实现陀螺效应的抑制是目前飞轮电池结构领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、运行可靠、储能密度高，陀螺效应得到有效抑制的球状电动汽车用磁悬浮飞轮电池。

本发明一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池采用的技术方案是：包括由球冠状的飞轮外壳和其顶部正中间开口处的球冠状的端盖围成的一个密闭的球形真空腔，真空腔内设有内壳体、球形定子、球形腔转子、两个永磁体和两个磁悬浮球面轴承，球形定子设在飞轮外壳的正中央处，球形定子的外部是球形腔转子，球形定子顶端通过定子吊杆固定连接端盖的正中央，球形腔转子的外部是具有同球心的球冠状的内壳体，内壳体的顶部和底部均是开口，内壳体的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体，内壳体和球形腔转子之间通过转子连接器固定连接，第一永磁体的正下方是固接在飞轮外壳内表面上的球冠状的第二永磁体，两个永磁体的中心轴重合，两个永磁体均是径向充磁，极性相反，在飞轮外壳和内壳体之间设置固接在飞轮外壳内壁上的两个磁悬浮球面轴承，两个磁悬浮球面轴承的中心轴交叉分布，且与两个永磁体的中心轴夹角相等。

进一步地，两个磁悬浮球面轴承均各有8个定子极，8个定子极沿磁悬浮球面轴承的中心轴的轴向上分上下两层对应布置，每层中的四个定子极沿圆周方向均匀分布，每个定子极的内表面呈球面状且球面中心与飞轮外壳的球心O重合，每个定子极上绕有绕组，上层四个定子极上的绕组串联，下层四个定子极上的绕组串联。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明所提出的磁悬浮飞轮是密封在真空球形的壳体中，消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗，转子与内壳体设计成一个整体，这样就构成了一个球形电机传动的外转子球形飞轮。外壳体的内壁上设置2组磁悬浮球面轴承，每组轴承有四组定子极，定子极表面呈球面状，且球面中心与外壳球心重合。每组定子设有上下两极，定子绕组置于其上。这样，两组磁悬浮球面轴承共组成八对极，完全可以满足球形飞轮的稳定悬浮。本发明设置了一对永磁体，根据同性磁极相斥原理将飞轮悬浮起来，这种设计不仅减少了磁阻式球面轴承的功耗，而且避免了飞轮在紧急情况下与机体碰撞，此外球面轴承与球面飞轮间留有一定的间隙，便于形成磁场气隙。

2、本发明中的磁悬浮球面轴承的定子极表面被做成做成球面状，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三个自由度上平动，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，最大程度地抑制了飞轮的陀螺效应的产生。

3、本发明能使得整个飞轮电池的拓扑结构为“无轴”结构，即飞轮转子绕球进行旋转，而非惯性主轴，因此从结构上完全抑制了陀螺效应的产生。从运动学上讲，球形结构最有利于多维运动，可以在空间任意方向进行定位和工作。另外, 球形结构使得电机的电路和磁路对称, 便于对飞轮电池的控制和分析。因此本发明将发电机/电动机与飞轮设计为一体，发电机/电动机设计为球形，使飞轮可以绕定子球心任意角度旋转，从而消除了飞轮电池陀螺效应的产生。

4、本发明提供的球形飞轮转子，从理论上来讲，球形飞轮可以消除陀螺效应的产生。与传统的飞轮相比，其球面磁轴承气隙为球壳状，转子偏转不会引起球壳气隙形状的变化，任意时刻磁极表面磁通分布均匀，避免了磁通拉力和负力矩的产生，提高了转子的悬浮精度。

5、本发明将球形电机外转子与球形飞轮结合，简化了飞轮电池的结构。装置密封于真空球状外壳中，消除了空气带来的损耗，此外整体采用磁悬浮支承系统，降低了机械摩擦。在飞轮的选材方面，采用了低密度、高强度材料，降低了装置的质量。由此，飞轮电池的成本也有所降低。

附图说明

图1为本发明一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池的垂直纵截面示意图；

图2为图1中第一个磁悬浮球面轴承6的结构视图；

图3是图2中第一个磁悬浮球面轴承6的轴向俯视图；

图4为图1中第二个磁悬浮球面轴承7的结构视图；

图5是图4中第二个磁悬浮球面轴承7的轴向俯视图；

图6是图1中两个永磁体13、14的充磁分布放大图。

图中：1.端盖：2.密封圈；3.定子吊杆；4.球冠状的飞轮外壳；5.磁悬浮球面轴承定子套环；6.第一个磁悬浮球面轴承；7.第二个磁悬浮球面轴承，8.内壳体；9.转子连接器；10.球形定子；11.球形腔转子；12.真空阀；13.永磁体；14.永磁体；15.电涡流位移传感器；16.永磁体套筒；17.真空腔；18.支撑架；61.定子极；62.第一绕组；71.定子极；72.第二绕组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步阐明本发明。为叙述方便，设立直角坐标系XYO，将图1中球冠状飞轮外壳4的球心O定为原点。将本发明飞轮电池的正中间上下垂直的纵截面结构放置在直角坐标系XYO中，将垂直纵截面结构以原点O为中心在直角坐标系XYO中沿圆周方向均分为六等份，每等份所占弧度是60度，使飞轮外壳4形成六个区域，命名为I、II、III、IV、V、VI区。

参见图1所示，本发明外部是一个支承架18和一个球冠状的飞轮外壳4，球冠状的飞轮外壳4的底端固定连接支承架18。球冠状飞轮外壳4的顶部正中间设有开口，开口的中心轴与Y轴重合，垂直纵截面上的开口所占弧度是60度。在开口处安装球冠状的端盖1，端盖1与球形飞轮外壳4之间设置有密封圈2，端盖1和飞轮外壳4相匹配从而围成了一个密闭的球形真空腔17。在飞轮外壳4的壳体上还设置真空阀12，以确保真空腔17内部绝对真空。

在真空腔17内设有球冠状的内壳体8、球形定子10、球形腔转子11、第一永磁体13、第二永磁体14以及两个磁悬浮球面轴承6、7。

球形定子10设在飞轮外壳4的正中央处，球形定子10的外部是对应的球形腔转子11，在球形腔转子11和球形定子10之间留有气隙。球形定子10和球形腔转子11的球心与球轮外壳4的球心O重合。球形腔转子11的顶部和底部均是开口。球形定子10的顶端通过定子吊杆3固定连接端盖1的正中央，定子吊杆3顶端固定连接端盖1，定子吊杆3的底端固定连接球形定子10。球形腔转子11的外部是同球心的球冠状的内壳体8，也就是球冠状的内壳体8的内部设球形定子10和球形腔转子11，内壳体8将整个球形腔转子11和球形定子10容纳在内部。内壳体8的顶部和底部均是开口，内壳体8的顶部开口与飞轮外壳4的顶部开口的位置内外相对应，在垂直纵截面，内壳体8的顶部开口所占弧度是60度，在II区的区域内。定子吊杆3从内向外穿过内壳体8的顶部开口。内壳体8的底部开口处安装球冠状的第一永磁体13，使底部开口处用第一永磁体13与内壳体8无缝固定连接。第一永磁体13的球心与内壳体8的球心重合。在垂直纵截面上的第一永磁体13所占弧度是60度，在V区的区域内。内壳体8和球形腔转子11之间通过转子连接器9固定连接，转子连接器9布置在X轴所在水平面。这样，由内外壳8、球形腔转子11、转子连接器9、第一永磁体13共同构成球形磁悬浮飞轮。

位于第一永磁体13的正下方设有球冠状的第二永磁体14，第二永磁体14通过永磁体套筒16固定在飞轮外壳4的内表面上。在垂直纵截面上的第二永磁体14所占弧度是60度，与第一永磁体13的位置相对应，两个永磁体具有相同的中心轴和相同的球心O，都在V区的区域。第一永磁体13和第二永磁体14均是径向充磁，极性相反，第一永磁体13内端是S极，外端是N极，第二永磁体14的内端是N极，外端是S极。第一永磁体13和第二永磁体14利用同性磁极相斥的原理共同作用，使得球形磁悬浮飞轮在Y方向上悬浮起来，减少了磁轴承功耗的同时保证球形磁悬浮飞轮在遇到紧急动情况下不至于碰撞机体。

在飞轮外壳4和内壳体8之间，设置两个磁悬浮球面轴承，分别是第一个磁悬浮球面轴承6和第二个磁悬浮球面轴承7，第一个磁悬浮球面轴承6和第二个磁悬浮球面轴承7都通过定子套环5固定连接在飞轮外壳4的内壁上。两个磁悬浮球面轴承与内壳体8之间都留有间隙，与内壳体8不干涉。第一个磁悬浮球面轴承6位于I区和对面的IV区，第二个磁悬浮球面轴承7位于III区和对面的VI区。这两个磁悬浮球面轴承6、7相对球心O交叉分布，第一个磁悬浮球面轴承6的中心轴是Y1轴，第二个磁悬浮球面轴承7的中心轴是Y2轴，Y1轴和Y2轴在球心O点处交叉。并且，在垂直纵截面上，Y1轴和Y2轴之间的夹角是60度。第一个磁悬浮球面轴承6的中心轴Y1和第二个磁悬浮球面轴承7的中心轴Y2与两个永磁体13、14的中心轴的夹角相等，夹角锐角都是30度，与定子吊杆3的中心轴夹角相等，即在纵向截面上，这两个磁悬浮球面轴承的中心轴Y1、Y2与X轴的夹角相等，都是60度，与Y轴的夹角也相等，都是30度。

这两个磁悬浮球面轴承6、7采用这种安装方式是为了使这两个磁悬浮球面轴承6、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，使得内壳体8以及整个球形磁悬浮飞轮受力平衡，稳定悬浮。当球形磁悬浮飞轮偏离平衡位置时，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球形磁悬浮飞轮拉回到平衡位置。

参见图2和图3所示，磁悬浮球面轴承6共有8个定子极61，8个定子极61沿磁悬浮球面轴承6的中心轴Y1的轴向上分上下两层对应布置，每层中的四个定子极61沿圆周方向均匀分布，上下两层中对应的上下两个定子极构成一对定子极，这样就组成了4对定子极，这4对定子极围绕磁悬浮球面轴承6的中心轴Y1均匀分布。每个定子极61的内表面呈球面状，且球面中心与飞轮外壳4的球心O重合。一对定子极中的上下两个定子极61之间的夹角呈30度。在每个定子极61上绕有第一绕组62，上层四个定子极61上的第一绕组62串联，下层四个定子极61上的第一绕组62串联。当磁悬浮球面轴承6的上下层的第一绕组62都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的上层定子极61的内球面出发，依次经过上层定子极与内壳体8间的气隙、内壳体8、下层定子极61与内壳体8间的气隙、下层定子极61的内球面回到上层定子极61的内球面，这样，使磁悬浮球面轴承6在其径向上各产生一个大小相等且方向相反的偏置电磁力F，，其中B为磁感应强度，S为定子极61的内球面面积，为空气磁导率。偏置电磁力F即为图1中F1与F2的合力。

参见图4和图5所示，磁悬浮球面轴承7的结构与磁悬浮球面轴承6相同，也有有8个定子极71，8个定子极61沿磁悬浮球面轴承7的中心轴Y2的轴向上分上下两层对应布置，每层中的四个定子极71沿圆周方向均匀分布，上下两层中对应的上下两个定子极构成一对定子极。在每个定子极71上绕有第二绕组72，上层四个定子极71上的第二绕组72串联，下层四个定子极71上的第二绕组72串联。磁悬浮球面轴承7磁通产生方式都与磁悬浮球面轴承6相同，不再赘述。这样，在磁悬浮球面轴承6、7的径向上各产生一个大小相等且方向相反的偏置电磁力F，使得球形飞轮处于平衡位置。

由图1可以看出，两个磁悬浮球面轴承6、7因为交叉式安装，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两个磁悬浮球面轴承6、7往往会加大磁悬浮球面轴承的功耗且易失稳，因此本发明在飞轮外壳4底部设置第二永磁体14，在第二永磁体14正上方的内外壳8对应位置也设置第一永磁体13。参见图6所示，第一永磁体13与第二永磁体14的充磁分布图，这样，第一永磁体13与第二永磁体14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，减少了两个磁悬浮球面轴承6、7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两个磁悬浮球面轴承6、7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，如图1所示，本发明在内外壳8的壳体上开孔，在飞轮外壳4和内外壳8之间设置电位移传感器15，电位移传感器15不接触内外壳8，通过电位移传感器15非接触采集开孔的内外壳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中所示对两个磁悬浮球面轴承6、7分别配备一个电涡流传感器15，并且靠近飞轮外壳4的内壁底部。此外，在内外壳8及两个磁悬浮球面轴承6、7定子极的内表面都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。

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。

Claims (6)

1.一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，包括由球冠状的飞轮外壳（4）和其顶部正中间开口处的球冠状的端盖（1）围成的一个密闭的球形真空腔（17），真空腔（17）内设有内壳体（8）、球形定子（10）、球形腔转子（11）、两个永磁体（13、14）和两个磁悬浮球面轴承（6、7），球形定子（10）设在飞轮外壳（4）的正中央，球形定子（10）的外部是球形腔转子（11），球形定子（10）顶端通过定子吊杆（3）固定连接端盖（1）的正中央，球形腔转子（11）的外部是具有同球心的球冠状的内壳体（8），内壳体（8）的顶部和底部均是开口，内壳体（8）的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体（13），内壳体（8）和球形腔转子（11）之间通过转子连接器（9）固定连接，第一永磁体（13）的正下方是固接在飞轮外壳（4）内表面上的球冠状的第二永磁体（14），两个永磁体（13、14）的中心轴重合，两个永磁体（13、14）均是径向充磁，极性相反，在飞轮外壳（4）和内壳体（8）之间设置固接在飞轮外壳（4）内壁上的两个磁悬浮球面轴承（6、7），两个磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴交叉分布，且与两个永磁体（13、14）的中心轴夹角相等，其特征是：两个磁悬浮球面轴承（6、7）均各有8个定子极，8个定子极沿磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴的轴向上分上下两层对应布置，每层中的四个定子极沿圆周方向均匀分布，每个定子极的内表面呈球面状且球面中心与飞轮外壳（4）的球心O重合，每个定子极上绕有绕组，上层四个定子极上的绕组串联，下层四个定子极上的绕组串联。

2.根据权利要求1所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：上下两层对应的上下两个定子极之间的夹角呈30度。

3.根据权利要求1所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：两个永磁体（13、14）的球心、内壳体（8）的球心均与飞轮外壳（4）的球心O重合，两个磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴在球心O点处交叉。

4.根据权利要求3所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：内壳体（8）的顶部开口所占弧度是60度，两个永磁体（13、14）所占弧度是60度，两个磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴之间的夹角是60度。

5.根据权利要求1所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：两个磁悬浮球面轴承（6、7）与内壳体（8）之间都留有间隙。

6.根据权利要求1所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：内外壳（8）的壳体上设有开孔，在飞轮外壳（4）和内外壳（8）之间设置不接触内外壳（8）的电位移传感器（15）。