CN108365698B - 一种双飞轮结构的飞轮电池 - Google Patents

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

一种双飞轮结构的飞轮电池

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；具有充电、待机、放电三种工作模式，在充电模式中，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，使转轴（3）带动飞轮（6）转动；在放电模式中，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，在待机模式中，两台无轴承永磁同步电机（4）仅提供X、Y的径向力。

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）。