CN108777525A - 一种对称永磁转轴式飞轮电池 - Google Patents

一种对称永磁转轴式飞轮电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对称永磁转轴式飞轮电池，电池机械转轴由永磁体构成，分为中央永磁体与边缘永磁体，且在永磁转轴外包有轴套；飞轮位于转轴轴向中央位置，飞轮两侧为对称的定子结构，包括悬浮定子与转矩定子；悬浮定子中绕有悬浮绕组，利用洛伦兹力产生转轴的悬浮力，转矩定子中绕有转矩绕组，利用洛伦兹力产生转矩；两端定子结构外侧为轴向力壳体，其中绕有环形线圈，利用中央永磁体与边缘永磁体产生的磁场产生轴向力；转轴两侧端部均设有辅助轴承。本发明的飞轮电池所有的力与转矩都由洛伦兹力产生，只需控制线圈中电流大小与方向即可对电池工作状态进行调节、控制简单；同时悬浮定子与转矩定子占用同一轴向空间，可减小电池体积，结构紧凑。

Description

一种对称永磁转轴式飞轮电池
技术领域
本发明涉及到电机、磁悬浮技术等领域，为一种永磁转轴式飞轮电池，主要应用于太空、军用车辆等领域或者作为不间断电源的切换等。
背景技术
飞轮电池是一种物理储能的新型电池，突破了传统化学电池的局限性。其原理是通过电机带动，利用高转动惯量的飞轮储存大量机械能，并再将机械能由电机转换为电能。
当前飞轮电池的结构主要分为传统的磁轴承悬浮式飞轮电池与无轴承式飞轮电池。磁轴承悬浮式飞轮电池结构上包括了两个径向磁轴承、一个轴向磁轴承与高速电机。悬浮力与轴向力分别由径向磁轴承与轴向磁轴承提供，充放电则由高速电机完成。这种结构电池部件较多，导致电池轴向空间占用较大、结构不紧凑等问题。而无轴承式飞轮电池，采用两台无轴承电机同时提供悬浮力与充放电功能，减小了空间结构，但这种结构存在电机转矩磁场与悬浮磁场耦合严重等现象，造成飞轮电池控制系统复杂等问题。
发明内容
本发明针对传统飞轮电池结构不紧凑、体积较大、控制复杂等问题，提出了一种结构紧凑、控制简单的小型飞轮电池，即一种对称永磁转轴式的飞轮电池。
一种对称永磁转轴式飞轮电池，包括电池壳体、辅助轴承、硅钢片制成的轴套、永磁转轴、轴向力壳体、悬浮定子、转矩定子及飞轮，且该飞轮电池关于飞轮的中心轴线对称，所述轴向力壳体、悬浮定子以及转矩定子为圆环柱，且三者的轴线与永磁转轴的旋转对称轴线重合；所述飞轮位于中空的电池壳体中间，飞轮径向固定连接轴套，所述轴套内部包裹有永磁转轴，轴套两端分别套有辅助轴承，在飞轮两侧，关于轴线A对称设有转矩定子，转矩定子外侧固定连接悬浮定子，悬浮定子与转矩定子轴向长度相同，悬浮定子与电池壳体径向固定连接，转矩定子与轴套之间设有0.5-3mm的气隙；所述悬浮定子、转矩定子与辅助轴承之间设有轴向力壳体，轴向力壳体与电池壳体径向固定连接，轴向力壳体与轴套径向设有0.5-3mm气隙；所述悬浮定子中含有悬浮绕组，悬浮绕组由四组绕组构成，转矩定子中含有转矩绕组，转矩绕组为四极绕组，所述轴向力壳体中设有环形线圈；所述永磁转轴由中央永磁体与边缘永磁体固定组成，径向上中央永磁体与边缘永磁体可分为固定连接的两个半圆柱，中央永磁体的两个半圆柱相对充磁，边缘永磁体的两个半圆柱背离充磁，且中央永磁体半圆柱连接平面与边缘永磁体半圆柱连接平面共面。
本发明的有益效果是：
1.本发明将永磁转轴置于机械转轴之中，在机械转轴外安装简单的悬浮定子与转矩定子结构，从中绕有悬浮绕组与转矩绕组，分别产生电机转矩以及径向悬浮力；同时在转轴末端也通过安装与转轴同心的环形线圈控制轴向力；各部件之间不存在过多的间隙，结构十分紧凑。
2.相比无轴承永磁电机型飞轮电池，本发明通过直流电控制产生转矩和悬浮力，减少了转矩绕组与悬浮绕组的耦合，控制方法简单，相应快速。
附图说明
图1为本发明一种对称永磁转轴式飞轮电池结构示意图；
图2为定子截面图；
图3为悬浮力与转矩产生原理图；
图4为左侧轴向力原理图。
附图标记：1-电池壳体，2-辅助轴承，3-轴套，4-永磁转轴，41-边缘永磁体，42-中央永磁体，5-轴向力壳体，6-悬浮定子，7-转矩定子，8-飞轮，9-悬浮绕组，10-转矩绕组，11-中央磁场回路，12-环形线圈，13-边缘永磁磁场。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
图1为本发明一种对称永磁转轴式飞轮电池主视图，如图1所示，该飞轮电池主要由电池壳体1，辅助轴承2，轴套3，永磁转轴4，轴向力壳体5，悬浮定子6，转矩定子7，飞轮8构成且该飞轮电池关于飞轮8的中心轴线A左右对称。
电池壳体1旋转对称轴线与永磁转轴4旋转对称轴线(图1中水平方向的虚线，与轴线A垂直)重合，永磁转轴4轴向上由中央永磁体42与边缘永磁体41固定组成，径向上中央永磁体42与边缘永磁体41可分为固定连接的两个半圆柱，中央永磁体42半圆柱连接平面与边缘永磁体41半圆柱连接平面共面。中央永磁体42的两个半圆柱相对充磁，边缘永磁体41的两个半圆柱背离充磁。永磁转轴4外侧包有硅钢片制成的轴套3。飞轮8关于轴线A对称，与轴套3径向固定连接。靠近飞轮8左右两侧，与轴套3径向距离0.5-3mm套有转矩定子7，转矩定子7外侧固定连接有悬浮定子6，悬浮定子6与电池壳体1径向固定连接，悬浮定子6与转矩定子7轴向长度相同；轴套3两侧末端各套有辅助轴承2。悬浮定子6、转矩定子7轴向外侧与辅助轴承2轴向内侧各紧贴有一个轴向力壳体5，四个轴向力壳体5都与轴套3径向距离为0.5-3mm，且四个轴向力壳体5径向外径都相等；同时轴向力壳体5与电池壳体1径向固定连接。轴向力壳体5、悬浮定子6及转矩定子7是以永磁转轴4旋转对称轴线为轴线的圆环柱。
结合图2-图4介绍该飞轮电池自由度限制情况。
如图2所示，为悬浮定子6和转矩定子7中绕组分布情况，其中包含有悬浮绕组9，转矩绕组10。其中转矩绕组10为四极绕组，电流从X轴正向线圈流入，从Y轴正向线圈流出，再从X轴负向线圈流入，从Y轴负向线圈流出。悬浮绕组9由四组绕组构成，Y轴正方向上左侧为绕组a出线端，右侧为绕组d进线端；X轴正向上侧为绕组d出线端，下侧为绕组c出线端；Y轴负方向左侧为绕组b出线端，右侧为绕组c进线端；X轴负方向上侧为绕组a进线端，下侧为绕组b进线端。进线端记为+，出线端记为-。
图3为悬浮力与转矩产生原理图，以图中永磁转轴4充磁方向为水平方向为例介绍原理。对称磁转轴在空间中会形成从垂直于充磁方向出发，沿充磁方向回到永磁体的中央磁场回路11，如图所示。在飞轮电池充电模式下，当对转矩绕组10通入电流后，X轴正向线圈电流为流入方向且处于水平向左的磁场中，因此线圈会产生沿Y轴正向的洛伦兹力f1；Y轴正向线圈电流为流出方向且处于垂直向上的磁场中，因此线圈会产生沿X轴负向的洛伦兹力f2；X轴负向线圈电流为流入方向且处于水平向右的磁场中，因此线圈会产生沿Y轴负向的洛伦兹力f3；Y轴负向线圈电流为流出方向且处于垂直向下的磁场中，因此线圈会产生沿X轴正向的洛伦兹力f4。由于转矩绕组10以及转矩定子7固定，因此会对永磁转轴4产生顺时针的转矩，带动永磁转轴4顺时针转动。在飞轮电池放电模式下，转矩绕组10不供电，在永磁转轴4转动下，中央磁场回路11转动并切割转矩绕组10线圈，并以交流电的形式输出。
对于悬浮力，X轴正向上，悬浮绕组9线圈d-、c-处于水平向左磁场，会产生沿Y轴负向的洛伦兹力Fd-、Fc-；Y轴正向上，线圈a-、d+处于垂直向上的磁场，线a-产生沿X轴负向的洛伦兹力Fa-，线圈d+产生沿X轴正向的洛伦兹力Fd+；X轴负向上，线圈a+、b+处于水平向右的磁场，线圈a+产生沿Y轴负向的洛伦兹力Fa+，线圈b+产生沿Y轴负向的洛伦兹力Fb+；Y轴负向上，线圈b-、c+处于垂直向下的磁场，线圈b-产生沿X轴负向的洛伦兹力Fb-，线圈c+产生沿X轴正向的洛伦兹力Fc+。当个线圈通入同样大小的电流时，由于线圈a-与d+产生力相反，线圈b-与c+产生力相反，因此水平方向上产生力相抵，线圈a+、b+、c-、d-共同产生垂直向下的径向力；当改变电流方向时，水平方向的力依旧抵消，线圈a+、b+、c-、d-共同产生垂直向上的径向力。当增大线圈a及线圈c的电流，减小线圈b及线圈d的电流后，可使得在不减小垂直方向径向力的同时，使水平径向力不相等，产生水平向左的径向力；同时当减小线圈a及线圈c的电流，增大线圈b及线圈d的电流后，可使得在不减小垂直方向径向力的同时，使水平径向力不相等，产生水平向右的径向力。
图4为左侧轴向力原理图，图中12为环形线圈，13为边缘永磁磁场。如图所示，由于边缘永磁体41充磁方向与中央永磁体42充磁方向相反，因此会产生从边缘永磁体41垂直出发，垂直回到中央永磁体42的边缘永磁磁场。图中左侧轴向力壳体5中环形线圈12左视为逆时针通电，右侧轴向力壳体5中环形线圈12左视为顺时针通电。因此，环形线圈12上会产生水平向右的洛伦兹力，由于轴向力壳体5与电池壳体1固定连接，因此会对永磁转轴4产生向左的反向轴向力。当改变环形线圈12中的电流反向时，永磁转轴4即会受到相反方向轴向力。
以下介绍该飞轮电池具体工作模式，具体分为充电模式、待机模式与放电模式：
在充电模式下，悬浮绕组9、转矩绕组10与环形线圈12通电工作；转矩绕组10通电后，如图3所示，各绕组都受到逆时针方向的洛伦兹力，产生的力反作用于永磁转轴4使其顺时针旋转，增加飞轮储能量；同时在悬浮绕组9根据气隙距离通电控制转轴径向位置，环形线圈12通电控制转轴轴向位置。
待机模式下，悬浮绕组9与环形线圈12通电工作，转矩绕组10处于断路状态；悬浮绕组9根据气隙距离通电控制转轴径向位置，环形线圈12通电控制转轴轴向位置。
放电模式下，悬浮绕组9与环形线圈12通电工作，转矩绕组10与外接逆变器连成回路与永磁转轴4构成发电机，将机械能转换为电能；同时在悬浮绕组9根据气隙距离通电控制转轴径向位置，环形线圈12通电控制转轴轴向位置。
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 (8)

1.一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，包括电池壳体(1)、辅助轴承(2)、轴套(3)、永磁转轴(4)、轴向力壳体(5)、悬浮定子(6)、转矩定子(7)及飞轮(8)，且该飞轮电池关于飞轮(8)的中心轴线对称，所述飞轮(8)位于中空的电池壳体(1)中间，飞轮(8)径向固定连接轴套(3)，所述轴套(3)内部包裹有永磁转轴(4)，轴套(3)两端分别套有辅助轴承(2)，在飞轮(8)两侧，关于轴线A对称设有转矩定子(7)，转矩定子(7)外侧固定连接悬浮定子(6)，悬浮定子(6)与电池壳体(1)径向固定连接，转矩定子(7)与轴套(3)之间设有气隙；所述悬浮定子(6)、转矩定子(7)与辅助轴承(2)之间设有轴向力壳体(5)，轴向力壳体(5)与电池壳体(1)径向固定连接，轴向力壳体(5)与轴套(3)径向设有气隙；所述悬浮定子(6)中含有悬浮绕组(9)，转矩定子(7)中含有转矩绕组(10)，所述轴向力壳体(5)中设有环形线圈(12)。
2.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述永磁转轴(4)由中央永磁体(42)与边缘永磁体(41)固定组成，径向上中央永磁体(42)与边缘永磁体(41)可分为固定连接的两个半圆柱，中央永磁体(42)的两个半圆柱相对充磁，边缘永磁体(41)的两个半圆柱背离充磁，且中央永磁体(42)半圆柱连接平面与边缘永磁体(41)半圆柱连接平面共面。
3.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述轴套(3)由硅钢片制成。
4.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述轴套(3)与转矩定子(7)径向距离为0.5-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述轴向力壳体(5)与轴套(3)径向距离为0.5-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述悬浮绕组(9)由四组绕组构成，转矩绕组(10)为四极绕组。
7.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述悬浮定子(6)与转矩定子(7)轴向长度相同。
8.根据权利要求1所述的一种对称永磁转轴式飞轮电池，其特征在于，所述轴向力壳体(5)、悬浮定子(6)及转矩定子(7)为圆环柱，且三者的轴线与永磁转轴(4)的旋转对称轴线重合。
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