CN108683292A - 一种车载磁悬浮飞轮储能电池 - Google Patents

一种车载磁悬浮飞轮储能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载磁悬浮飞轮储能电池，包括保护轴承、飞轮储能电池外壳、轴向混合磁悬浮轴承、飞轮盘、径向混合磁悬浮轴承、轴向重力卸载永磁轴承、Halbach永磁阵列、转轴和双定子无铁心盘式电机定子轭及定子绕组，轴向采用n对混合磁悬浮轴承分别控制飞轮盘在轴向、两个径向扭转方向自由度的稳定悬浮，径向方向通过径向混合磁悬浮轴承支承转轴在径向两个方向的稳定悬浮，扁平结构的飞轮盘作为双定子无铁心盘式永磁无刷直流电机的转子。本发明的飞轮储能电池具有结构紧凑、轴向长度短、高功率密度，能够抑制转子振动和陀螺效应等特点。

Description

一种车载磁悬浮飞轮储能电池
技术领域
本发明涉及五自由度磁悬浮飞轮储能电池结构，特别适用于电动汽车、不间断电源、航空航天等领域。
背景技术
动力电池技术是电动汽车发展的一项关键技术，是制约电动汽车广泛发展的主要因素之一，直接影响电动汽车的续航能力、动力和安全性能。目前市场上常用的电动汽车用动力电池分为两大类：蓄电池和燃料电池。蓄电池主要包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池等；燃料电池主要包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。然而，无论哪一种车载动力电池都存在充电时间长、功率密度及能量密度低、制动能量回收效率低、受温度影响较大、电池使用寿命短等问题，不能同时满足动力系统、能量和功率的双重要求。
为了克服上述缺点，近年来一种新型储能装置—飞轮储能电池得到国内外专家学者的关注和研究。飞轮储能电池又称为机械电池，利用能量转换装置将电能与机械能相互转换，其工作原理为：电动机带动飞轮储能装置中的飞轮旋转，将机械能存储于飞轮系统中，而当外部负载需要电能时，系统中的飞轮带动发电机发电，将机械能转换为电能，通过电力电子转换装置输出负载所需的电能。一般将用于车辆动力系统的飞轮储能电池称为车载飞轮电池。
与传统车载动力电池相比，飞轮储能电池具有如下特点：1)能量密度高：飞轮储能电池的储能密度可达100～200Wh/kg，功率密度可达5000～10000W/Kg，即可瞬时输出较大的能量，提高电动汽车的起动性能；2)使用寿命长：不受重复深度放电的影响，能够循环几百万次运行，使用寿命一般可达20年左右；3)充电时间短：飞轮储能电池能够在几分钟之内完成电池的充放电，大大节省了电动汽车的充电时间；4)环境适应性能好、无污染。
目前，采用飞轮储能电池的电动汽车已经在美国、荷兰、英国等国家投入实际使用，同时在国内，中国电力科学研究院、南京航空航天大学、北京航空航天大学、武汉理工大学和北京交通大学等高校和科研机构也做了相关的研究工作。但是车载飞轮电池中待机损耗大、振动和陀螺效应明显、转子难以稳定悬浮等不利因素是制约车载飞轮储能电池快速发展的技术瓶颈。因此，设计一种结构紧凑、低损耗、能够抑制转子振动和陀螺效应、高功率密度的车载磁悬浮飞轮储能电池是目前飞轮储能电池结构领域需要解决的问题。
发明内容
与现有技术相比，本发明有益效果是：解决目前车载磁悬浮飞轮储能电池损耗过大、振动和陀螺效应明显等问题，提出了一种新型的车载磁悬浮飞轮储能电池。
本发明的技术方案为：
一种车载磁悬浮飞轮储能电池，包括飞轮储能电池外壳、飞轮盘、n对轴向混合磁悬浮轴承、径向混合磁悬浮轴承、轴向重力卸载永磁轴承、转轴、双定子无铁心盘式电机定子轭，n≥3；
所述飞轮储能电池外壳内部底端中心位置安装有轴向重力卸载永磁轴承，所述轴向重力卸载永磁轴承顶端固定有转轴，所述转轴套接有飞轮盘，所述飞轮盘靠近转轴处对称布置永磁阵列；
所述飞轮储能电池外壳内部下端安装径向混合磁悬浮轴承，所述双定子无铁心盘式电机定子轭固定在飞轮盘轴向两侧的飞轮储能电池外壳上，所述双定子无铁心盘式电机定子轭上绕置有定子绕组，所述n对轴向混合磁悬浮轴承两两相对、沿圆周均匀安装于双定子无铁心盘式电机定子轭面向飞轮盘的一侧。
作为本发明的优选，所述永磁阵列为Halbach永磁阵列。
作为本发明的优选，所述转轴顶端安装有保护轴承。
作为本发明的优选，所述轴向混合磁悬浮轴承为类“板凳”状，由两个M型柱状铁心和一个长方体状提供偏置磁通的永磁体拼接组成，所述M型柱状铁心由若干硅钢片叠压而成；所述M型柱状铁心中间柱上绕置有悬浮控制绕组。
作为本发明的优选，所述轴向重力卸载永磁轴承采用被动永磁轴承。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明将扁平结构的飞轮盘作为双定子无铁心盘式永磁无刷直流电机的转子，可以减小车载飞轮储能电池的轴向长度；
2)本发明采用混合磁悬浮轴承与被动永磁轴承相结合，且盘式电机为无铁心结构，可减小功耗损失；
3)为了增加功率密度，盘式电机采用两套永磁阵列，且两套永磁阵列安装于飞轮盘的盘面两侧，两边的永磁阵列以Halbach阵列形式排列；
4)为了抑制车载飞轮储能电池系统振动和陀螺效应的影响，采用轴向混合磁悬浮轴承对一个轴向自由度和两个径向扭转方向自由度进行悬浮控制；
5)本发明五自由度磁悬浮支承结构包括n对轴向混合磁悬浮轴承、1个轴向重力卸载永磁轴承、1个径向混合磁悬浮轴承，从转子支承系统本质上来说属于冗余多悬浮轴承支承系统，该冗余支承结构为冗余容错控制的开展提供硬件条件。
附图说明
图1为本发明车载磁悬浮飞轮储能电池的拓扑结构图；
图2为本发明轴向混合磁悬浮轴承在定子轭上的安装示意图；
图3为本发明轴向混合磁悬浮轴承三维立体结构图；
图4为本发明轴向混合磁悬浮轴承侧视图；
图5为本发明轴向混合磁悬浮轴承前视图；
图6为本发明飞轮盘轴向偏移时的工作原理图；
图7为本发明飞轮盘径向x轴方向扭转时的工作原理图。
图中：1、保护轴承；2、飞轮储能电池外壳；3、飞轮盘；4、轴向混合磁悬浮轴承；5、径向混合磁悬浮轴承；6、轴向重力卸载永磁轴承；7、转轴；8、双定子无铁心盘式电机定子绕组；9、Halbach永磁阵列；10、双定子无铁心盘式电机定子轭；41、轴向混合磁悬浮轴承中悬浮控制绕组；42、轴向混合磁悬浮轴承中提供偏置磁通的永磁体；43、轴向混合磁悬浮轴承悬浮控制磁通；44、轴向混合磁悬浮轴承偏置磁通；45、轴向混合磁悬浮轴承中M型柱状铁心。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式进一步阐明本发明。为了便于叙述，本实施例设立直角坐标系oxyz，定义z轴为轴向方向，x、y轴为径向两个自由度方向。
如图1-5所示，一种车载磁悬浮飞轮储能电池，包括保护轴承1、飞轮储能电池外壳2、飞轮盘3、n对(n≥3，本实施优选3对)轴向混合磁悬浮轴承4、径向混合磁悬浮轴承5、轴向重力卸载永磁轴承6、转轴7、Halbach永磁阵列9、双定子无铁心盘式永磁无刷直流电机定子轭10及双定子无铁心盘式电机定子绕组8，扁平结构的飞轮盘3作为双定子无铁心盘式永磁无刷直流电机的转子。
飞轮储能电池外壳2内部底端中心位置安装有轴向重力卸载永磁轴承6，轴向重力卸载永磁轴承6顶端固定有转轴7，转轴7套接有飞轮盘3，飞轮盘3靠近转轴7处对称布置永磁阵列9，转轴7顶端安装有保护轴承1，保护轴承1在车载磁悬浮飞轮储能电池转子失稳的情况下起到临时支承转子的作用；飞轮储能电池外壳2内部下端安装径向混合磁悬浮轴承5，双定子无铁心盘式电机定子轭10固定在飞轮盘3轴向两侧的飞轮储能电池外壳2上，双定子无铁心盘式电机定子轭10上绕置有定子绕组8，3对轴向混合磁悬浮轴承4两两相对、沿圆周均匀安装于双定子无铁心盘式电机定子轭10面向飞轮盘3的一侧，控制轴向和两个扭转方向三个自由度的稳定悬浮。
如图3所示，轴向混合磁悬浮轴承4为类“板凳”状，由两个M型柱状铁心45和一个长方体状提供偏置磁通的永磁体42拼接组成，永磁体42构成轴承的顶面，其中两个相互平行的M型柱状铁心45为轴向混合磁悬浮轴承磁通提供回路并构成轴承的支撑；M型柱状铁心45由若干硅钢片叠压而成，如图4，M型柱状铁心45中间柱上绕置有悬浮控制绕组41。
轴向重力卸载永磁轴承6采用被动永磁轴承，用以抵消转轴和飞轮盘的大部分的重力，降低系统损耗；径向混合磁悬浮轴承5控制控制飞轮储能电池转子径向两个自由度方向的悬浮。
本实施例的飞轮储能电池：为了减小损耗，采用轴向重力卸载永磁轴承6、轴向混合磁悬浮轴承4与径向混合磁悬浮轴承5构成五自由度磁悬浮支承结构；为了抑制车载飞轮储能电池系统振动和陀螺效应的影响，采用扁平结构的飞轮盘3，利用三点确定一个平面的原理，采用轴向混合磁悬浮轴承4对轴向三个自由度进行悬浮控制；为了减小车载磁悬浮飞轮储能电池轴向长度和损耗、增加功率密度，采用双定子无铁心盘式永磁无刷直流电机。
图6为车载磁悬浮飞轮储能电池飞轮盘轴向偏移时的工作原理图，若飞轮盘3在中心平衡位置，飞轮盘3与上下两个轴向磁悬浮轴承4之间的气隙大小相等，此时由轴向混合磁悬浮轴承中的永磁体42产生的偏置磁通44在飞轮盘3上下气隙中产生的磁密幅值相同，飞轮盘3在z轴方向所受合力为零，飞轮盘3稳定悬浮于中心平衡位置。
若飞轮盘由于外力作用使得其向z轴负方向发生偏移，导致飞轮盘3上部气隙长度大于下部气隙长度，为了使得飞轮盘3回到中心平衡位置，此时在轴向磁悬浮轴承悬浮控制绕组41中通入悬浮控制电流，产生如图6所示的悬浮控制磁通43，控制磁通与偏置磁通44在气隙中相互叠加，使得飞轮盘3上部气隙中磁密增加，下部气隙中磁密减小，根据麦克斯韦力产生的原理，将在飞轮盘表面产生如图6所示的磁拉力Fz，将偏移的飞轮盘拉回中心平衡位置。
若飞轮盘产生如图7所示x轴方向扭转，为了使得飞轮盘3回到中心平衡位置，在轴向磁悬浮轴承悬浮控制绕组41中通入悬浮控制电流，产生如图7所示的悬浮控制磁通，磁悬浮控制磁通43与偏置磁通44在气隙中相互叠加，使得飞轮盘左上部气隙和右下部气隙中磁密增加，左下部气隙中的磁密与右上部气隙中的磁密减小，根据麦克斯韦力产生的原理，将在飞轮盘表面产生如图7所示的磁拉力Fx将在x轴方向扭转的飞轮盘拉回平衡位置，飞轮盘在y方向发生扭转时的工作原理与之相同。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，包括飞轮储能电池外壳(2)、飞轮盘(3)、n对轴向混合磁悬浮轴承(4)、径向混合磁悬浮轴承(5)、轴向重力卸载永磁轴承(6)、转轴(7)、双定子无铁心盘式电机定子轭(10)，n≥3；
所述飞轮储能电池外壳(2)内部底端中心位置安装有轴向重力卸载永磁轴承(6)，所述轴向重力卸载永磁轴承(6)顶端固定有转轴(7)，所述转轴(7)套接有飞轮盘(3)，所述飞轮盘(3)靠近转轴(7)处对称布置永磁阵列(9)；
所述飞轮储能电池外壳(2)内部下端安装径向混合磁悬浮轴承(5)，所述双定子无铁心盘式电机定子轭(10)固定在飞轮盘(3)轴向两侧的飞轮储能电池外壳(2)上，所述双定子无铁心盘式电机定子轭(10)上绕置有定子绕组(8)，所述n对轴向混合磁悬浮轴承(4)两两相对、沿圆周均匀安装于双定子无铁心盘式电机定子轭(10)面向飞轮盘(3)的一侧。
2.根据权利要求1所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述永磁阵列(9)为Halbach永磁阵列。
3.根据权利要求1所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述转轴(7)顶端安装有保护轴承(1)。
4.根据权利要求1所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述轴向混合磁悬浮轴承(4)为类“板凳”状，由两个M型柱状铁心(45)和一个提供偏置磁通的永磁体(42)拼接组成，永磁体(42)为长方体结构，M型柱状铁心(45)为轴向混合磁悬浮轴承磁通提供回路。
5.根据权利要求4所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述M型柱状铁心(45)由若干硅钢片叠压而成。
6.根据权利要求4所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述M型柱状铁心(45)中间柱上绕置有悬浮控制绕组(41)。
7.根据权利要求1所述一种车载磁悬浮飞轮储能电池，其特征在于，所述轴向重力卸载永磁轴承(6)采用被动永磁轴承。
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