CN108365698A - 一种双飞轮结构的飞轮电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双飞轮结构的飞轮电池,转轴的轴向正中间外有间隙地同轴套有轴向绕组结构,轴向绕组结构的左右侧各设置一个同轴固定套在转轴上的飞轮,两个飞轮相对于轴向绕组结构左右对称布置,在左侧飞轮的左侧、右侧飞轮的右侧各设置一个同轴固定套在转轴上的无轴承永磁电机,两个无轴承永磁电机相对于轴向绕组结构左右对称布置;轴向绕组结构的圆盘铁芯的左右两侧的盘面上沿圆周方向上均匀开12个圆环槽,中央圆柱上都绕有轴向绕组线圈,飞轮一侧轮面上设有内、外圆环槽,圆环槽中嵌入环形永磁体;采用一个轴向绕组结构限制转轴轴向移动,在同样半径条件下相比于单飞轮结构飞轮电池,转动惯量为单飞轮结构飞轮电池的两倍,储能更多。
Description
技术领域
本发明是一种磁悬浮飞轮电池结构,适用于太空、军用车辆等领域或者作为不间断电源的切换等。
背景技术
飞轮电池是一种突破化学电池局限性,利用物理储能的新型电池。利用飞轮具有高质量因此有较高的转动惯量的特点,可储存大量动能,利用电机转换为电能。传统的磁悬浮飞轮电池大多采用单飞轮结构,利用两个径向磁轴承与一个轴向磁轴承提供悬浮力,充电放电由两台永磁同步电机来完成。由于飞轮电池较大的储能需求,导致飞轮需要较大的半径来增加其转动惯量,进一步增大了飞轮电池的径向长度,同时两个径向磁轴承与一个轴向磁轴承也占用了较大的轴向空间,致使飞轮电池体积难以缩减。
发明内容
本发明针对传统飞轮电池结构存在的问题,提出了一种无轴向磁轴承的双飞轮结构的飞轮电池,结构紧凑,体积相对较小,储存能量较传统飞轮电池大。
本发明采用的技术方案是:由外壳体和端盖围成一个真空腔室,真空腔室的内部正中间是转轴,转轴的轴向正中间外有间隙地同轴套有轴向绕组结构,轴向绕组结构的左右侧各设置一个同轴固定套在转轴上的飞轮,两个飞轮相对于轴向绕组结构左右对称布置,在左侧飞轮的左侧、右侧飞轮的右侧各设置一个同轴固定套在转轴上的无轴承永磁电机,两个无轴承永磁电机相对于轴向绕组结构左右对称布置;轴向绕组结构的径向最外部是轴向绕组壳体,轴向绕组壳体的内壁同轴固定卡有一个圆盘铁芯,在圆盘铁芯的左右两侧的盘面上沿圆周方向上均匀开12个圆环槽,左右两侧的圆环槽左右对称,每个圆环槽的正中间形成一个中央圆柱,中央圆柱上都绕有轴向绕组线圈;飞轮的一侧轮面设有外圆环槽和内圆环槽,外圆环槽和内圆环槽中各嵌入一个尺寸相配的环形永磁体,两个环形永磁体均面对着轴向绕组结构;轴向绕组线圈通入三相交流电,产生的磁场极性与环形永磁体产生的磁场极性相同或相反。
本发明的优点在于:
1. 本发明采用双飞轮结构,在同样半径条件下相比于单飞轮结构的飞轮电池,转动惯量为单飞轮结构飞轮电池的两倍,储能更多,因此可适当减小飞轮半径,达到既增加飞轮电池储能,又减小飞轮电池径向宽度,减小体积的效果。同时本发明在空间上满足轴向对称,减少了转轴旋转时的不平衡扰动。
2. 本发明采用两台无轴承永磁同步电机提供悬浮力,采用一个轴向绕组结构限制转轴轴向移动。无轴承永磁同步电机同时负责转轴悬浮以及飞轮电池充放电。轴向绕组结构左右两端线圈可分别通电,根据转轴偏移情况,通入不同大小的电流,产生与飞轮同步旋转的磁场,使转轴稳定回到平衡位置。
附图说明
图1是本发明一种双飞轮结构的飞轮电池的主视图;
图2是图1中轴向绕组结构7的左视剖视图;
图3是图2的左视剖视图;
图4是图2中轴向绕组线圈13的接线图;
图5是图1中无轴承永磁电机4和结构示意图;
图6是图1中左侧飞轮6的右视图;
图7是图6的右视图;
图8是本发明的工作原理图。
图中标号及名称:1.端盖;2.径向保护轴承;3.转轴;4.无轴承永磁电机;5.外壳体;6.飞轮;7.轴向绕组;8.外环形永磁体;9.轴向卸载轴承;10.轴向绕组壳体;11.圆盘铁芯;12.位置传感器;13.轴向绕组线圈;14.圆环槽;15.中央圆柱;16.转矩绕组;17.悬浮绕组;18.电机转子;19.电机永磁体;20.电机定子;21.外圆环槽;22.内圆环槽,23.内环形永磁体。
具体实施方式
如图1所示,本发明最外部是外壳体5和端盖1,外壳体5的轴向一端用端盖1密封连接,由外壳体5和端盖1围成一个真空腔室。在真空腔室的内部正中间是转轴3,转轴3与外壳体5和端盖1具有共同的中心轴,转轴3的中心轴O也是外壳体5和端盖1和中心轴,即整个飞轮电池的中心轴。外壳体5为旋转对称结构,旋转对称轴即中心轴O,转轴3的轴向正中间的轴向左右对称轴线为A,轴向左右对称轴线A和中心轴O在同一径向截面上垂直相交。
在真空腔室的内部,转轴3的轴向左端上套有径向保护轴承2,径向保护轴承2的左端面与机械转轴3的左端面轴向平齐,径向保护轴承2嵌在端盖1内部,端盖1包裹在保护轴承2外,径向保护轴承2的外壁由端盖1固定,转轴3右端上套有轴向卸载轴承9,轴向卸载轴承9的右端紧贴外壳体5。
在转轴3的轴向正中间外有间隙地同轴套有轴向绕组结构7,轴向绕组结构7与转轴3不接触。轴向绕组结构7的左右侧各设置一个飞轮6,即双飞轮,两个飞轮6均同轴固定套在转轴3上,相对于轴向绕组结构7左右对称布置,即相对于轴向左右对称轴线A左右对称布置。在左侧飞轮6的左侧,右侧飞轮6的右侧各设置一个无轴承永磁电机4,两个无轴承永磁电机4均同轴固定套在转轴3上,并且相对于轴向绕组结构7左右对称布置。
轴向绕组结构7的外壁与外壳体5内侧壁径向固定连接,两个飞轮6的外径大于轴向绕组结构7的的外径,并且两个飞轮6的外壁与外壳体5内侧壁之间留有径向间隙。两个无轴承永磁电机4的外壁与外壳体5内侧壁径向固定连接,两个无轴承永磁电机4的外径小于轴向绕组结构7的外径。
参见图2和图3,轴向绕组结构7为轴对称结构,其径向最外部是轴向绕组壳体10,轴向绕组壳体10的外壁与外壳体5内侧壁径向固定连接。轴向绕组壳体10的内壁同轴固定卡有一个圆盘铁芯11,圆盘铁芯11的中心处开有中心内孔,中心内孔直径稍大于转轴3的外径,使转轴3与轴向绕组结构7不接触。圆盘铁芯11的中心内孔处嵌入位置传感器12,沿中心内孔的径向钻有直径较小的螺纹孔,带有螺纹的位置传感器12通过螺纹连接安装在中心内孔壁上,位置传感器12用于检测转轴3的轴向偏移位置。
圆盘铁芯11的半径为R,在圆盘铁芯11的左右两侧的盘面上,且半径为2/3R的一个同心圆上,沿同心圆的圆周方向上每隔30°均匀开12个圆环槽14,左右两侧的盘面上共有24个圆环槽14。圆盘铁芯11上的左右两侧的圆环槽14左右对称,如图3所示。圆环槽14的轴向槽深为圆盘铁芯11轴向厚度H的2/5,即槽深为2/5H。每个圆环槽14的正中间形成一个中央圆柱15,在每个中央圆柱15上都绕有轴向绕组线圈13,轴向绕组线圈13置放在圆环槽14中。12个圆环槽14具有一个直径是D1的公共内切圆,12个圆环槽14具有一个直径是D2的公共外切圆。
圆盘铁芯11的同一侧盘面上的12个圆环槽14中的轴向绕组线圈13编号依次线圈1’、2’、3’、 4’、5’、6’、7’、8’、9’、10’、11’、12’。 12个线圈分为A、B、C三相,其中,线圈1’、4’、7’、10’为A相,线圈2’、5’、8’、11’为B相,线圈3’、6’、9’、12’为C相。A相接线方式为电流从线圈7’流入,接至线圈4’流出,后流入线圈1’,接至线圈10’流出。B相接线方式为电流从线圈3’流入,接至线圈12’流出,后流入线圈9’,接至线圈6’流出,C相接线方式为电流从线圈5’流入,接至线圈2’流出,后流入线圈11’,接至线圈8’流出。线圈6’、8’、 10’出线端星形连接,接线图如图4所示。
参见图5,无轴承永磁同步电机4的电机转子18固定套在转轴3外,与转轴3同步旋转,在电机转子18外壁表贴电机永磁体19,电机永磁体19外同轴套有电机定子20,电机定子20和电机永磁体19之间留有径向气隙。电机定子20外壁与外壳体5内壁在径向固定相连,电机定子20上绕有转矩绕组16与悬浮绕组17。转矩绕组16极对数与电机永磁体19极对数相同,悬浮绕组17极对数与永磁体19极对数相差1。
参见图6和图7,飞轮6的一侧轮面设有两个圆环槽,分别是外圆环槽21和内圆环槽22,外圆环槽21的内径大于内圆环槽22的外径,外圆环槽21和内圆环槽22的径向环宽S相等,轴向槽深h相等。在每个圆环槽中嵌入一个尺寸相配的环形永磁体,两环形永磁体的径向环宽S相等,轴向厚度等于轴向槽深h,即在外圆环槽21中嵌入外环形永磁体8,外环形永磁体8的内外径与外圆环槽21的内外径对应相等,在内圆环槽22中嵌入内环形永磁体23,内环形永磁体23的内外径与内圆环槽22的内外径对应相等。飞轮6的中心处开有中心通孔,中心通孔直径与转轴3外径相同,两者过盈配合且通过焊接径向固定。内圆环槽22的内径与图2中12个圆环槽14的公共内切圆的直径相同,是D1,外圆环槽21的外径与图2中12个圆环槽14的公共外切圆的直径相同,是D2。两个飞轮6上的外环形永磁体8和内环形永磁体23均面对着轴向绕组结构7,靠近轴向绕组结构7,并且两个飞轮6上的外环形永磁体8和内环形永磁体23均相对轴向绕组结构7分别左右对称。
参见图8,根据轴向绕组结构7中轴向绕组线圈13通入电流后产生的磁场磁极方向,左侧的飞轮6中的两个环形永磁体产生的磁场左侧为N极,右侧为S极;右侧的飞轮6中两个环形永磁体产生的磁场左侧左侧为N极,右侧为S极,磁场也相对轴向绕组结构7左右对称。外环形永磁体8和内环形永磁体23的磁极方向可随轴向绕组线圈13绕线方向改变而改变,可改变为两飞轮6上的两个环形永磁体的左侧为S极,右侧为N极。
参见图1-8,本发明工作时,两台无轴承永磁电机4可供储能与发电,轴向绕组结构7可产生一个轴向的磁场,与飞轮6上的永磁体的相互作用取代传统轴向磁轴承结构。两台无轴承永磁电机4分别会对转轴3产生对X、Y轴的径向力,限制转轴3的X,Y方向上的两个移动自由度;同时,两个X方向上的径向力,限制了转轴3绕Y轴的转动自由度,两个Y方向上的径向力,限制了转轴3绕X轴的转动自由度。此外,位于双飞轮6中间位置的轴向绕组通常不通电,并通过位置传感器12检测其所在位置。若其偏移原有中间位置,则通过所检测偏移方向与距离计算绕组电流产生轴向磁场,与飞轮6上的环形永磁体相互作用,产生轴向力,使其恢复到原有中间位置,以此达到Z轴自由度的限制,转轴绕Z轴转动的自由度不需要限制。
本发明具体分为充电、待机、放电三种工作模式:在充电模式中,转矩绕组16、悬浮绕组17以及轴向绕组线圈13连接外电路,两台无轴承永磁电机4分别为转轴3提供转矩以及X、Y方向的径向力,限制了转轴3的X、Y轴方向移动自由度以及绕X、Y轴转动自由度,同时使转轴3带动飞轮6转动。如图8所示,外环形永磁体8和内环形永磁体23的左侧为N极,右侧为S极,产生磁场磁感应线环外为顺时针方向,环内为逆时针方向,该磁场随飞轮6绕转轴3转动。当轴向绕组结构7如图8所示向右偏离轴向左右对称轴线A时,位置传感器12检测出了偏移距离X,计算出轴向绕组结构7中线与左侧的飞轮6右端面相距X1,轴向绕组结构7中线与右侧的飞轮6的左端面相距X2,根据X1和X2的大小分别给轴向绕组结构7的圆盘铁芯11上的左右两侧的轴向绕组线圈13的A、B、C三相分别通入对应的频率相同的三相交流电,B相电角度落后A相120°,C相电角度超前A相120°,并根据飞轮6的转速n计算得电流频率f=2*n/60,通入频率为f的三相电流后,根据安培定则,轴向绕组结构7左侧产生一个磁极与左飞轮6的两个环形永磁体产生的磁极相同,是左侧为N极,右侧为S极,转速为n的旋转磁场,轴向绕组结构7的右侧产生一个磁极与右飞轮6的两个环形永磁体产生的磁极相反,是左侧为S极,右侧为N极,转速为n的旋转磁场,磁场方向如图8所示。左侧的飞轮6右侧磁极为S极,轴向绕组结构7的左侧磁极为N极,磁极相互吸引,则对左侧的飞轮6产生向右的作用力;右侧飞轮6左侧磁极为N极,轴向绕组结构7右侧磁极为N极,磁极相互排斥,侧对右侧的飞轮6产生向右的作用力。因轴向绕组结构7与外壳体5径向固定连接不会受力位移,飞轮6受力带动转轴3回至轴向左右对称轴线A,与轴向绕组结构7轴向对称线重合位置。因此,限制了转轴3轴向移动的自由度,在模式下限制了转轴3除绕Z轴转动外5自由度。在放电模式中,转矩绕组16、悬浮绕组17以及轴向绕组线圈13连接外电路,两台永磁同步电机4作发电机,将飞轮6的机械储能转化为电能,自由度限制与充电模式一致。在待机模式中,悬浮绕组17以及轴向绕组线圈13连接外电路,转矩绕组16不通电,两台无轴承永磁同步电机4仅提供X、Y的径向力,自由度限制与充电模式一致。
Claims (6)
1.一种双飞轮结构的飞轮电池,由外壳体(5)和端盖(1)围成一个真空腔室,其特征是:真空腔室的内部正中间是转轴(3),转轴(3)的轴向正中间外有间隙地同轴套有轴向绕组结构(7),轴向绕组结构(7)的左右侧各设置一个同轴固定套在转轴(3)上的飞轮(6),两个飞轮(6)相对于轴向绕组结构(7)左右对称布置,在左侧飞轮(6)的左侧、右侧飞轮(6)的右侧各设置一个同轴固定套在转轴(3)上的无轴承永磁电机(4),两个无轴承永磁电机(4)相对于轴向绕组结构(7)左右对称布置;轴向绕组结构(7)径向最外部是轴向绕组壳体(10),轴向绕组壳体(10)的内壁同轴固定卡有一个圆盘铁芯(11),在圆盘铁芯(11)的左右两侧的盘面上沿圆周方向上均匀开12个圆环槽(14),左右两侧的圆环槽(14)左右对称,每个圆环槽(14)的正中间形成一个中央圆柱(15),中央圆柱(15)上都绕有轴向绕组线圈(13);飞轮(6)的一侧轮面设有外圆环槽(21)和内圆环槽(22),外圆环槽(21)和内圆环槽(22)中各嵌入一个尺寸相配的环形永磁体,两个环形永磁体均面对着轴向绕组结构(7);轴向绕组线圈(13)通入三相交流电,产生的磁场极性与环形永磁体产生的磁场极性相同或相反。
2.根据权利要求1所述的一种双飞轮结构的飞轮电池,其特征是:轴向绕组结构(7)的外壁与外壳体(5)内侧壁径向固定连接,两个飞轮(6)的外径大于轴向绕组结构(7)的外径,两个无轴承永磁电机(4)的外壁与外壳体(5)内侧壁径向固定连接,两个无轴承永磁电机(4)的外径小于轴向绕组结构(7)的外径。
3.根据权利要求1所述的一种双飞轮结构的飞轮电池,其特征是:外圆环槽(21)和内圆环槽(22)的径向环宽相等;轴向槽深相等,两个环形永磁体的径向环宽相等、轴向厚度等于外圆环槽(21)和内圆环槽(22)的轴向槽深。
4.根据权利要求1所述的一种双飞轮结构的飞轮电池,其特征是:12个圆环槽(14)的中心在半径为2/3R的一个同心圆上,R为圆盘铁芯(11)的半径,圆环槽(14)的轴向槽深为圆盘铁芯(11)的轴向厚度的2/5。
5.根据权利要求1所述的一种双飞轮结构的飞轮电池,其特征是:12个圆环槽(14)具有一个直径是D1的公共内切圆和一个直径是D2的公共外切圆,内圆环槽(22)的内径是D1,外圆环槽(21)的外径是D2。
6.根据权利要求1所述的一种双飞轮结构的飞轮电池,其特征是:圆盘铁芯(11)的中心内孔处嵌有位置传感器(12)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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