CN109831056B - 电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，飞轮转子具有自下而上依次紧密固定连接且外径相同的下部圆环体、主圆柱体、上部圆环体和径向/扭转转子轭，主圆柱体正中间的上表面同轴固定连接中心圆柱体，中心圆柱体上表面的正中间同轴固定连接长圆柱顶，长圆柱顶的上端向上同轴穿过五自由度磁轴承的静止部分；下部圆环体和中心圆柱体都是实心圆盘，在上部圆环体和中心圆柱体之间形成一圈环形槽，该环形槽内同轴心地嵌有五自由度磁轴承的旋转部分，在主圆柱体和下部圆环体之间形成圆柱形凹槽，该圆柱形凹槽内同轴心地嵌有所述的电机导体板；可以很好的抑制陀螺效应，实现高稳定性、高集成度和高承载力。

Description

电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及一种飞轮电池(也称飞轮储能装置)结构，具体是用于电动汽车的车载磁悬浮飞轮电池。

背景技术

飞轮储能装置作为一种机械储能电池，具有充放电效率高、比功率大、无污染和寿命长等优势，是电动汽车理想的辅助动力电池。目前，大多数飞轮储能装置为带有长惯性主轴的拓扑结构，当储能装置受到外界干扰时，易发生陀螺效应，因而不适合应用于车载储能装置。带有球面的长主轴型飞轮储能装置虽然能在一定程度上抑制陀螺效应，但是由于主轴轴向长度大，仍不可避免会发生不稳定现象。盘式飞轮储能装置由于具有短惯性主轴及盘式飞轮结构，可以更好的抑制陀螺效应，但是盘式电机仍然通过电机转轴驱动飞轮转子，因此该“短轴”结构仍然属于“有轴”结构，仍然会产生一定的陀螺效应，影响飞轮电池系统的稳定性。另外，传统的盘型飞轮储能装置的悬浮支承系统采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承分布于飞轮轴向上下两侧分散控制，导致储能装置轴向长度过大，集成度不高。

对于车载飞轮储能装置，通常其飞轮转子由磁轴承负责支承，尤其对具有成本优势的金属材料飞轮转子来说，要想实现高储能量的设计目标，飞轮重量及体积会很大，因而导致用于支承飞轮转子重量的磁轴承的承载力要设计的足够大。通常的磁轴承在轴向多采用围绕飞轮转子上下对称分布形式，为了支承较大的转子重力，轴向上下两个气隙的磁密绝对值的差值较大，使得轴向线圈电流很大，进而导致系统功耗较大。因此，设计承载力大、功耗低、集成度高的飞轮电池支承系统尤为关键。另外，目前大多数飞轮储能装置的拓扑结构仍然采用飞轮、电机、磁轴承独立布置，即使有些拓扑结构已经将飞轮和电机集成化，但均为带惯性主轴结构，因此集成度比较低，不利于在电动汽车狭小的空间安装。因此，进一步提高飞轮电池整体系统的集成度，即将电机、飞轮及磁悬浮支承系统进一步高度集成是飞轮电池发展的必然趋势。再者，为了实现车载飞轮储能装置的规模化应用，需要进一步降低飞轮储能装置的成本。大多数飞轮采用高强度复合材料制成，因此价格昂贵，不易实现大规模推广应用。虽然采用金属材料制成的飞轮具有成本低的优势，但是在相同储能量的基础上，其重量和体积成倍增加，不适宜车载环境。因此在满足储能量的基础上，设计一种新型的高稳定性、高集成度、高承载力、低能耗及低成本的车载飞轮储能装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了最大限度地利用车载飞轮电池的空间以及提高稳定性，提出一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，从结构上实现车载飞轮储能装置高稳定性、高集成度、高承载力、低成本、低能耗等设计目标。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：其最外部是一个外壳，外壳腔内同轴分布五自由度磁轴承、飞轮转子和感应电机，五自由度磁轴承包括静止部分和旋转部分，感应电机具有电机定子和能旋转的电机导体板，电机导体板同轴套在电机定子外，飞轮转子具有自下而上依次紧密固定连接且外径相同的下部圆环体、主圆柱体、上部圆环体和径向/扭转转子轭，主圆柱体正中间的上表面同轴固定连接中心圆柱体，中心圆柱体上表面的正中间同轴固定连接长圆柱顶，长圆柱顶的上端向上同轴穿过五自由度磁轴承的静止部分；下部圆环体和中心圆柱体都是实心圆盘，上部圆环体的内径大于下部圆环体的内径，下部圆环体的内径大于中心圆柱体的外径，在上部圆环体和中心圆柱体之间形成一圈环形槽，该环形槽内同轴心地嵌有五自由度磁轴承的旋转部分，在主圆柱体和下部圆环体之间形成圆柱形凹槽，该圆柱形凹槽内同轴心地嵌有所述的电机导体板。

进一步地，五自由度磁轴承的静止部分包括轴向定子、径向/扭转定子和径向永磁体，轴向定子的最上方是上部固定圆盘，上部固定圆盘的下表连接经连接圆柱环的连接轴向定子轭，轴向定子轭下表面径向的内侧连接轴向内环定子极、中间连接轴向外环定子极、外侧连接轴向外围接收极，轴向控制线圈绕在轴向外环定子极上；所述的轴向定子轭和轴向外围接收极的外壁上依次紧密套有圆环形的径向隔磁铝环、径向内定子环、径向永磁体和所述的径向/扭转定子，径向永磁体沿径向由内向外充磁；所述的径向/扭转定子由径向/扭转定子轭、径向定子极、扭转定子极和径向/扭转接收极构成，径向/扭转定子轭为圆环体，其上端面沿径向向外延伸3个径向定子极和3个扭转子极，3个径向定子极和3个扭转子极沿圆周方向交错间隔均匀地分布，径向/扭转定子轭的下端面沿径向向外延伸径向/扭转接收极，径向/扭转接收极的外侧面为沿径向向外凸的球面状，径向定子极上绕制径向控制线圈，扭转定子极上绕制扭转控制线圈。

进一步地，五自由度磁轴承的旋转部分包括置放在上部圆环体和中心圆柱体之间形成的圆环形槽内的圆环体的轴向转子，轴向转子由同轴布置的轴向内环转子极、轴向外环转子极和轴向转子轭组成，轴向转子轭的上表面分别与轴向内环转子极、轴向外环转子极的下表面相连接，轴向内环转子极和轴向外环转子极之间嵌有第二轴向隔磁铝环；轴向内环定子极的正下方是固定套在所述的中心圆柱体的外壁上的轴向内环永磁体，轴向内环定子极的正下方是所述的轴向内环转子极，轴向外围接收极的正下方是轴向外环转子极，轴向外环永磁体固定连接于轴向转子轭的下表面，在轴向外环永磁体的内壁、轴向转子的内壁与轴向内环永磁体外壁之间固定嵌有第一轴向隔磁铝环，在轴向外环永磁体外壁与轴向转子之间固定连接第三轴向隔磁铝环，轴向内环永磁体沿轴向向上充磁，轴向外环永磁体沿轴向向下充磁。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、支承系统采用单侧悬浮支承的高度集成五自由度磁轴承，相比于采用飞轮、电机、磁轴承独立布置带惯性主轴的支承结构，本发明将磁轴承全部集成在飞轮转子的一侧甚至内部，减少了轴向尺寸，减小了体积。采用双永磁体环轴向充磁方式，相比单永磁体轴向充磁不仅在压缩了轴向永磁体长度的情况下增强了轴向气隙磁通，增大了轴向承载力。采用成熟的逆变器驱动径向控制线圈，使得能耗和成本降低，从而实现了承载力大、功耗小、体积小的五自由度磁轴承。

2、将飞轮转子上端和下端开槽，本发明采用分离式五自由磁轴承，将磁轴承的轴向永磁体内埋于飞轮转子内，将五自由度磁轴承内嵌于飞轮转子上端槽内，电机的导体板与飞轮转子的下槽壁紧密连接，电机的定子和线圈内嵌于下端槽内，这样将五自由度磁轴承、电机与飞轮集成为一体，既不影响飞轮的储能量，又大大减小了轴向长度，使得飞轮电池体积减小，集成度提高，抑制了陀螺效应。飞轮转子上槽中心是一个细长圆柱形的柱顶辅助转子，该柱顶转子没有贯穿飞轮转子，因此没有与电机相连接，完全属于飞轮转子的内部结构，因此该细长柱顶转子又称之为“虚拟轴”，目的是以便安装辅助轴承和传感器。正是因为飞轮转子在旋转时与电机无惯性主轴相连接，因此可以很好的抑制陀螺效应，提高整体系统的稳定性。

3、飞轮转子的形状为带虚拟轴式的柱顶圆盘，中心柱顶与辅助轴承配合实现对飞轮以及底部电机的保护。飞轮转子主要储能部位为中心实心圆盘，相比于同尺寸带有中心孔的圆盘飞轮，实心圆盘状飞轮转子的储能密度可增加一倍。飞轮采用金属材料加工，在实现了同等储能效果上降低了成本。

4、设计的电机为多弧线感应电机，采用多弧线的定子结构代替普通感应电机的定子，不仅可以在切向提供旋转力矩使飞轮转子转动，而且可以在法向提供控制力进行定位控制和径向二自由度辅助控制。且该电机结构简单易于保养和维修。

5、径向/扭转定子极的下部接收极的外表面加工为球面，利用了球形更容易抑制陀螺效应的特性。

6、径向/扭转定子极的上部设置了6个磁极，3个径向定子极和3个扭转定子极交错间隔分布，且3个径向定子极和3个扭转定子极沿圆周方向均匀分布，相互间隔120度。巧妙地将径向定子和扭转定子集成于同一定子上，提高了集成率、减小了体积和成本。

7、传感器安装支架都设在样机顶部，轴向传感器和径向传感器都集中在安装在支架上，易于安装及维护。

8、本发明将五自由度磁轴承、飞轮和电机密封在一个真空外壳中，消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗。外壁采用大量的散热片，解决高速时飞轮转子的升温问题，减少能耗。

附图说明

图1是本发明结构立体图；

图2是本发明的内部结构正视图；

图3是图1中外壳体的结构剖视图；

图4是图1中的飞轮转子的立体结构放大剖视图；

图5是图1中五自由度磁轴承的轴向定子的三维结构放大剖视图；

图6是图1中五自由度磁轴承的轴向转子的三维结构放大剖视图；

图7是图1中五自由度磁轴承的径向/扭转定子的三维结构放大剖视图；

图8是图1中五自由度磁轴承和飞轮转子的装配结构剖视图；

图9是图8中五自由度磁轴承的轴向定子、轴向转子等关联部件和飞轮转子在轴向上的装配结构剖视图；

图10是图8中五自由度磁轴承的径向/扭转定子等关联部件和飞轮转子在径向上的装配结构剖视图；

图11是图1中轴向和径向传感器支架的装配结构放大剖视图；

图12是图11中径向传感器支架的三维结构剖视图；

图13是图11中轴向传感器支架的三维结构剖视图；

图14是图1中电机和飞轮转子装配结构放大正视图；

图15是图1中电机和飞轮转子装配结构俯视图；

图16是图14中电机定子的结构放大图；

图17是本发明工作时五自由度磁轴承实现静态被动悬浮的原理图；

图18是本发明工作时实现径向二自由度平衡控制和扭转配合控制的原理图；

图19是本发明工作时实现轴向单自由度平衡控制的原理图。

图中：11.上端盖；111.上部圆盘；112.中间圆环；113.下部圆环；114.第三散热片；115.第二散热片；

12.壳身；121.第一散热片；122.端盖连接架；

13.下端盖；

21.径向传感器支架；211.径向传感器上圆环体；212.径向传感器下圆环体；

22.轴向传感器支架；221.轴向传感器圆盘；222.轴向传感器圆环体；

23.圆环体紧固片；

31.轴向传感器；32.径向传感器；

4.辅助轴承；

51.轴向定子；511.上部固定圆盘；512.连接圆柱环；513.轴向定子轭；514.轴向内环定子极；515.轴向外环定子极；516.轴向外围接收极；

52.轴向内环永磁体；53.轴向外环永磁体；

54.轴向转子；541.轴向内环转子极；542.轴向转子轭；543.轴向外环转子极；

55.第一轴向隔磁铝环；56.第二轴向隔磁铝环；57.第三轴向隔磁铝环；

61.径向/扭转定子；611.径向定子极；612.径向/扭转定子轭；613.扭转定子极；614.径向/扭转接收极；

62.径向内定子环；63.径向永磁体；64.径向隔磁铝环；

71.轴向控制线圈；72.径向控制线圈；73.扭转控制线圈；

8.飞轮转子；81.长圆柱顶(虚拟轴)；82.主圆柱体；83.上部径向/扭转转子极；84.下部径向/扭转转子极；85.径向/扭转转子轭；86.上部圆环体；87.中间圆柱体；88.下部圆环体；

91.电机定子；911.上端圆盘；912.柱形电机定子极；913.下端圆盘；914.电机螺栓孔；92.导体板；93.电机线圈。

具体实施方式

参见图1、图2所示，本发明的最外部是一个外壳，外壳是由一个空心圆柱的壳身12、一个上端盖11和一个下端盖13组成，壳身12的上端紧密固定连接上端盖11，壳身12的下端紧密固定连接下端盖13，由壳身12、上端盖11和下端盖13围成外壳腔。

在外壳腔内同轴分布五自由度磁轴承、飞轮转子8、多弧线感应电机。五自由度磁轴承包括静止部分和旋转部分，静止部分包括轴向定子51、径向/扭转定子61、径向永磁体63等部分；旋转部分包括轴向转子51、轴向内环永磁体52、轴向外环永磁体53、隔磁铝环等。五自由度磁轴承的旋转部分和多弧线感应电机分别内嵌于飞轮转子8的上部和下部。

如图3所示的外壳，上端盖11和下端盖13从外形上看均为圆柱形阶梯状。上端盖11中心开圆柱形孔，以便安装辅助轴承4。壳身12的外侧壁沿圆周方向均匀分布四个大小相同的端盖连接架122，端盖连接架122的上下两端开孔攻丝，以便用螺栓分别将上端盖11和下端盖13与壳身12紧密连接。每两个端盖连接架122之间均匀布置四个形状相同的第一散热片121，每两个第一散热片121之间的壳身12外侧壁上均匀切出两行两列分布的、四个形状相同的方形散热槽。上端盖11由一个带中心圆柱孔的上部圆盘111、一个中间圆环112和一个下部圆环113依次连接组成，中间圆环112的外径和上部圆盘111的外径相同，中间圆环112的内径和下部圆环113的内径相同，中间圆环112的外径小于下部圆环113的外径，中间圆环112的内径远大于上部圆盘111的内径。中间圆环112的上下端面分别与上部圆盘111的下端面和下部圆盘113的上端面紧密连接。这样，由上部圆盘111的外侧面、中间圆环112外侧面以及下部圆盘113的上端面组成了台阶圆柱状。在下部圆盘113的上端面上，沿圆周方向均匀分布24个第二散热片115，第二散热片115为三角片状，第二散热片115的一个直角底面与下部圆环113上端面连接，第二散热片115的另一直角面与上部圆盘111的外侧面、中间圆环112的外侧面连接。上部圆盘111的上表面上沿圆周方向均匀分布六个形状相同的方形第三散热片114。上部圆盘111靠近中心孔附近开环形槽，环形槽底部沿圆周方向开4个圆柱孔，并攻丝，以便用螺栓来固定安装轴向传感器支架22。下部圆环113沿圆周方向均匀分布四个端盖连接孔位，用来与壳身12的端盖连接架122的孔位配合。上端盖11和下端盖13相对于壳身12两者上下对称安装，下端盖13中心不设置圆柱孔，底部端面为实心圆盘，其余结构与上端盖11完全相同，这里不再赘述。大量安装散热片和设置散热槽可有效发散飞轮转子8高速旋转时产生的热量。由壳身12、上端盖11和下端盖13以及轴向传感器支架22组成了成一个密闭的真空腔室，可有效减少空气摩擦损耗。

参见图4所示，为飞轮转子8的结构立体图。飞轮转子8主体是由同轴装配的主圆柱体82、上部圆环体86、下部圆环体88，中心圆柱体87，长圆柱顶81、径向/扭转转子轭85、上部径向/扭转转子极83以及下部径向/扭转转子极84构成。外围整体是圆柱体结构，正中间是长圆柱顶81，即虚拟轴。其中，外围整体结构的下部圆环体88、主圆柱体82、上部圆环体86和径向/扭转转子轭85的外径相同，并且自下而上依次叠放且紧密固定连接在一起，该外径小于壳身12的内径。主圆柱体82正中间的上表面固定连接一个中心圆柱体87，中心圆柱体87上表面的正中间固定连接长圆柱顶81，长圆柱顶81的上端向上同轴穿过五自由度磁轴承的静止部分，有间隙地穿过轴向定子51、径向/扭转定子61、径向永磁体63的中心通孔。长圆柱顶81的外径远小于中心圆柱体87的外径。径向/扭转转子轭85外形上是一个圆环体，其内侧壁的下端沿径向向内连接下部径向/扭转转子极84，下部径向/扭转转子极84的下端面与径向/扭转转子轭85的下端面平齐，与上部圆环体86的上表面相连接。

径向/扭转转子轭85内侧壁的上端沿径向向内连接上部径向/扭转转子极83，上部径向/扭转转子极83的上端面与径向/扭转转子轭85的上端面平齐。径向/扭转转子极83的外径和下部径向/扭转转子极84的外径与上部径向/扭转转子轭85的内径相等。上部径向/扭转转子极83和下部径向/扭转转子极84不接触，之间留有距离。下部径向/扭转转子极84外形是一个环状体，其内侧表面为向外凹的球面状，其外侧表面为柱面。上部径向/扭转转子极83和下部径向/扭转转子极84的内径远大于上部圆环体86的内径。

下部圆环体88和中心圆柱体87都是实心圆盘，上部圆环体86的内径大于下部圆环体88的内径，下部圆环体88的内径大于中心圆柱体87的外径。这样，在上部圆环体86和中心圆柱体87之间形成一圈环形槽，用于安装五自由度磁轴承的旋转部分，旋转部分便同轴心地嵌在该环形槽中。

如图5所示是五自由度磁轴承的轴向定子51的三维结构图。轴向定子51由同轴布置的上部固定圆盘511、连接圆柱环512、轴向定子轭513、轴向内环定子极514、轴向外环定子极515和轴向外围接收极516组成。最上方是上部固定圆盘511，上部固定圆盘511的下表连接连接圆柱环512的上表面，连接圆柱环512的下表面连接轴向定子轭513的上表面。轴向定子轭513的下表面分别连接轴向内环定子极514、轴向外环定子极515和轴向外围接收极516，其中径向内侧是轴向内环定子极514，中间是轴向外环定子极515，径向外侧是轴向外围接收极516，轴向内环定子极514和中间是轴向外环定子极515的下表面平齐，但轴向外围接收极516的下表面高于轴向内环定子极514和中间是轴向外环定子极515的下表面约1mm。连接圆柱环512、轴向定子轭513、轴向内环定子极514、轴向外环定子极515和轴向外围接收极516的外形均为圆环体。上部固定圆盘511、连接圆柱环512、轴向定子轭513，轴向内环定子极514的内径均相等，因此正中间形成一个上下贯通的中心通孔。上部固定圆盘511的外径大于轴向定子轭513的外径，轴向定子轭513的外径远大于连接圆柱环512的外径。连接圆柱环512的外径等于轴向内环定子极514的外径。轴向外环定子极515的内径大于轴向内环定子极514的外径，且轴向外环定子极515的外径小于轴向外围接收极516的内径。外围接收极516的外径等于轴向定子轭513的外径。因此，在轴向内环定子极514和轴向外环定子极515之间、轴向外环定子极515和轴向外围接收极516之间形成轴向定子槽，轴向定子槽中置放轴向控制线圈71，轴向控制线圈71绕在轴向外环定子极515上。

图6为五自由度磁轴承的轴向转子54的三维结构剖视图，五自由度磁轴承的轴向转子54整体是圆环体结构，由同轴布置的轴向内环转子极541、轴向外环转子极543和轴向转子轭542组成。轴向内环转子极541、轴向外环转子极543和轴向转子轭542均为圆环体，轴向转子轭542的上表面分别与轴向内环转子极541、轴向外环转子极543的下表面相连接，轴向内环转子极541、轴向外环转子极543的上表面平齐。轴向转子轭542的内径与轴向内环转子极541的内径相等，轴向转子轭542的外径与轴向外环转子极543的外径相等。轴向外环转子极543的内径大于轴向内环转子极541的外径，这样，在轴向内环转子极541和轴向外环转子极543之间形成一个圆环形槽。

图5中的五自由度磁轴承的轴向定子51和图6中的轴向转子54装配时，轴向转子54位于轴向定子51的下方，轴向定子51下端的外侧表面与轴向转子54的外侧表面上下对齐。定子轴向外围接收极516的正下方是转子轴向外环转子极543，定子轴向外环定子极515的正下方是转子轴向内环转子极541。

如图7为五自由度磁轴承的径向/扭转定子61的三维剖视图。径向/扭转定子61由径向/扭转定子轭612、径向定子极611，扭转定子极613以及径向/扭转接收极614构成。径向/扭转定子轭612为圆环体，径向/扭转定子轭612的上端面沿径向向外延伸3个径向定子极611和3个扭转子极613，3个径向定子极611和3个扭转子极613沿圆周方向交错间隔均匀地分布，并且均是外端带有极靴的磁极。径向定子极611、扭转定子极613的上表面与径向/扭转定子轭612的上表面平齐。径向/扭转定子轭612的下端面沿径向向外延伸径向/扭转接收极614，径向/扭转接收极614外形是环状体，其内表面为柱面，外侧面为沿径向向外凸的球面状，其下端面与径向/扭转定子轭612的下端面平齐。径向/扭转接收极614的内径与径向/扭转定子轭612的外径相等。

参见图1、2、3、4、5、6、8所示，飞轮转子8位于外壳的密闭的真空腔室的内部轴心正中间。五自由度磁轴承的轴向定子51与飞轮转子8同轴分布，轴向定子51的上部固定圆盘511的上表面与上端盖11带中心圆柱孔的上部圆盘111的下表面紧密固定相连。轴向定子51的下表面正下方是图4中飞轮转子8的中心圆柱体87和上部圆环体86所形成的圆环槽，轴向定子51的下表面与圆环槽的上表面平齐且外径相等，轴向定子51下表面的内外径分别与圆环槽的内外径对应地相等。

飞轮转子8的中心圆柱体87和上部圆环体86所形成的圆环槽内置放有轴向转子54、轴向内环永磁体52和轴向外环永磁体53。轴向内环永磁体52和轴向外环永磁体53均为圆环体。其中，轴向外环永磁体53固定连接轴向转子54的下表面，并且轴向外环永磁体53的内径等于轴向转子54的内径。轴向内环永磁体52在轴向转子54和轴向外环永磁体53的内侧。轴向内环永磁体52的内径等于飞轮转子8的中心圆柱体87的外径，固定套在图4中飞轮转子8的中心圆柱体87的外壁上，与飞轮转子8同轴旋转。轴向内环永磁体52的上下表面分别与中心圆柱体87对应的上下表面平齐。

轴向内环永磁体52的正上方是轴向定子51的轴向内环定子极514，也就是轴向内环永磁体52的内外径分别对应地等于轴向内环定子极514的内外径。轴向外环永磁体53的内外径分别对应地等于轴向转子54的轴向内环定子极541以及轴向定子51的轴向外环定子极515的内外径，轴向定子51的轴向外环定子极515的正下方是轴向转子54的轴向内环定子极514，轴向内环定子极514的正下方是轴向外环永磁体53，三者上下对应。轴向内环定子极514的正下方是轴向内环转子极541，轴向外围接收极516的正下方是轴向外环转子极543。

在轴向外环永磁体53的内壁、轴向转子54的内壁与轴向内环永磁体52外壁之间通过过盈配合固定嵌有第一轴向隔磁铝环55。在轴向外环永磁体53外壁与轴向转子54之间固定贴合第三轴向隔磁铝环57。

轴向转子54的内环转子极541的内外径分别对应地等于轴向定子极51的轴向外环定子极515的内外径，轴向转子54的外环转子极543的内外径分别对应地等于轴向定子极51的轴向外围接收极516的内外径。

在轴向内环转子极541和轴向外环转子极543之间的圆环形槽内过过盈配合固定嵌有第二轴向隔磁铝环56。

轴向转子54的轴向外环转子极543的外径和第三轴向隔磁铝环57的外径相等，且均等于飞轮转子8的上部圆环体86的内径，与上部圆环体86固定连接。轴向内环永磁体52、第一轴向隔磁铝环55、轴向转子54、第二轴向隔磁铝环56、轮转子8的上部圆环体86和中间圆柱体87的上端面都平齐。

轴向内环永磁体52、轴向外环永磁体53、轴向转子54、第一轴向隔磁铝环55、第二轴向隔磁铝环56、第三轴向隔磁铝环57与飞轮转子8同轴分布且均为圆环体。

轴向内环永磁体52的高度大于轴向外环永磁体53，永磁体均采用高性能稀土材料钕铁硼制成。轴向内环永磁体52沿轴向向上充磁，轴向外环永磁体53轴向向下充磁，两者的充磁方向相反。

轴向内环永磁体52上表面和轴向定子51的下表面相距0.5mm，即和轴向内环定子极514的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙。轴向转子54的内环转子极541和轴向外环定子极515的下表面相距0.5mm，形成轴向气隙。轴向外围接收极516的下表面与外环转子极543的上表面相距1.5mm，形成轴向外围接收气隙，轴向外围接收气隙大于轴向气隙。

如图10所示为五自由度磁轴承径向磁轴承和飞轮转子51的装配结构剖视图。参见图1、2、3、4、6、8所示，在轴向定子51的轴向定子轭513和轴向外围接收极516的外壁上紧密套有圆环形径向隔磁铝环64，径向隔磁铝环64外壁上紧密套有径向内定子环62，径向隔磁铝环64和轴向定子51通过盈配合连接，且径向隔磁铝环64的上下端面分别对应地与轴向定子51的定向定子轭513的上端面和轴向定子51的轴向外环定子极515的下表面平齐。径向内定子环62的上下表面分别对应地与径向隔磁铝环64的上下表面平齐。在径向内定子环62的外壁紧密套有圆环状的径向永磁体63，径向永磁体63外壁紧密套有径向/扭转定子61。圆环状的径向永磁体63的内外径分别对应地等于径向内定子环62的外径和径向/扭转定子61的径向/扭转定子轭612的内径。圆环状径向永磁体63通过胶水紧密地套在径向内定子环62的外围，径向/扭转定子61通过过盈配合套在圆环状径向永磁体63外。径向/扭转定子轭612上下表面分别对应地与径向永磁体63的上下表面平齐。径向永磁体63采用高性能稀土材料钕铁硼制成，其充磁方向是沿径向由内向外充磁。

径向定子极611上绕制径向控制线圈72，扭转定子极613上绕制扭转控制线圈73。

再参见图7和图4，径向/扭转定子61的径向定子极611和飞轮转子8的上部径向/扭转转子极83在径向上正对，径向/扭转接收极614和下部径向/扭转转子极84在径向上正面对面。径向定子极611的外侧表面和上部径向/扭转转子极83内侧表面相距0.5mm，之间留有径向气隙。径向/扭转接收极614的外侧表面和下部径向/扭转转子极84内表面相距0.5mm，之间留有径向气隙。

如图11所示径向传感器支架21和轴向传感器支架22的装配结构剖视图。辅助轴承4安装在开孔上端盖11的中心孔内。辅助轴承4的上下端面与上端盖11中心孔槽上下端面平齐。飞轮转子8的长圆柱顶81从辅助轴承4内孔穿出，其直径小于辅助轴承内孔直径0.5mm，两者有间隙地配合。辅助轴承4的上方设有径向传感器支架21和轴向传感器支架22。

如图12所示是径向传感器支架21的三维剖视图，径向传感器支架21由上方的径向传感器上圆环体211和下方的径向传感器下圆环体212连接而成。在径向传感器下圆环体212的上端面沿圆周方向均匀开4个轴向上的螺栓孔，并且径向传感器下圆环体212下表面与上端盖11中心圆槽的上表面平齐，结合图11所示，上端盖11的中心孔下表面紧密贴合着圆环体紧固片23。紧固片23的端面沿圆周方向均匀开个四个轴向螺栓孔。径向传感器下圆环体212上的4个螺栓孔与上端盖11中心圆槽上的四个螺栓孔和紧固片23的四个螺栓孔相配合，通过螺栓将径向传感器支架21与紧固片23紧固，使得辅助轴承4和径向传感器支架21固定。径向传感器上圆环体211的圆柱壁上沿圆周方向上均匀开四个径向上的通孔，用于安装径向传感器探头32，径向传感器探头32指向长圆柱顶81侧壁。

如图13所示，是轴向传感器支架22的三维结构剖视图，其由上方的一个轴向传感器圆盘221和下方的轴向传感器圆环体222连接而成。轴向传感器圆盘221的中心沿轴向开孔，以便安装轴向传感器探头31，轴向传感器探头31指向长圆柱顶81的上端面正中间。且轴向传感器圆盘221的下表面与径向传感器支架21的径向传感器上圆环体211的上表面紧密接触。轴向传感器圆环体222侧壁沿径向开一螺栓孔，用螺栓与径向传感器支架21的圆环体211配合，以固定轴向传感器支架22。

参见图1、2、14、15所示，在飞轮转子8的正下方安装感应电机，飞轮转子8的主圆柱体82和下部圆环体88之间形成圆柱形凹槽。感应电机包括固定的电机定子91、电机线圈93以及能旋转的电机导体板92，电机导体板92同轴套在电机定子91外，将电机定子91、电机导体板92和电机线圈93内嵌于圆柱形凹槽中。圆环形电机导体板92为能旋转的转子部分，其外壁与飞轮转子8的下部圆环体88的内壁紧密贴合，电机导体板92的上端面与飞轮转子8的主圆柱体82的下端面紧密连接，电机导体板92的下端面与飞轮转子8的下部圆环体88的下端面平齐。

再如图16所示，电机定子91由一个上端圆盘911、一个实心圆柱915和一个下端圆盘913组成。上端圆盘911沿圆周方向均匀切割出六个形状相同的扇形定子，每个扇形定子的外边缘都沿圆周方向均匀切割出六个柱形定子极912，六个柱形电机定子极912之间相隔5度。实心圆柱915的上下端面分别与上端圆盘911的下端面和下端圆盘913上端面紧密连接，且实心圆柱915、上端圆盘911和下端圆盘913同轴配置。下端圆盘913的边缘沿圆周方向均匀分布八个电机螺栓孔914，用来与下端盖13的螺栓孔位配合，通过安装螺栓将下端圆盘913的下端面与下端盖13的上端面紧密固定连接。电机定子极912的弧面外壁与导体板92的内壁之间留有0.5mm气隙，电机定子极912的上端面与飞轮转子8的主圆柱体82的下端面留有一定间隙以便安装线圈，电机定子极912的下端面与电机导体板92的下端面齐平。电机线圈93缠绕在每个电机定子极912上。飞轮转子8、电机定子91、导体板92和下端盖13均同轴装配。电机定子91与飞轮转子8下槽壁之间有间隙以便安装线圈，且电机线圈93与飞轮转子8互相不接触。

电机线圈93通三相交流电，在气隙中产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，导体板92中感应出感应电流，导体板92转动，感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁推力F1，使飞轮转子8沿弧形气隙切线方向运动，由于飞轮转子8与导体板92固定连接，所以带动飞轮转子8共同旋转。当飞轮转子8发生略微扰动偏离中心时，通过改变线圈电流，在弧面对应的导体板上产生法向力F2，使飞轮转子8回到圆心。

本发明工作时，能实现飞轮转子8的静态被动悬浮、径向二自由度平衡、径向扭转二自由度平衡以及轴向单自由度平衡。当飞轮转子8高速旋转时，在轴向控制方面，轴向控制线圈71通以直流电与轴向定子51组成电磁铁，通过改变控制直流电的大小和方向来改变轴向上飞轮转子8的受力大小与方向，从而实现对轴向一个自由度的控制。在径向控制方面，三组径向控制线圈72通以三相交流电，通过改变控制线圈72的电流大小，实现了径向上自由度的精准控制。在扭转控制方面，三组扭转控制线圈73通以直流电，通过改变控制直流电的大小和方向来改变来实现扭转控制。具体如下：

静态被动悬浮的实现：参见图17，径向永磁体63产生的偏置磁通如图17虚线及箭头所示，径向永磁体63产生的偏置磁通从径向永磁体63的N极开始经过径向/扭转定子轭612，分别经过径向定子极611、径向气隙、上部径向/扭转转子极83和径向/扭转接收极614、径向气隙、下部径向/扭转转子极84，在飞轮转子8的径向/扭转转子轭85中汇合，经过飞轮转子8的上部圆环体86、轴向气隙、径向定子环62，最后回到径向永磁体63的S极。轴向内环永磁体52轴向向上充磁，轴向外环永磁体53轴向向下充磁，轴向内环永磁体52和轴向外环永磁体53产生的偏置磁通如图17虚线及箭头所示。轴向内环永磁体52产生的偏置磁通从轴向内环永磁体52的N极开始，依次经过轴向气隙、轴向内环定子极514、轴向定子轭513、轴向外环定子极515、轴向气隙、轴向转子54的轴向内环转子极541(由于轴向外围接收极516的下表面与外环转子极543的上表面距离为1.5mm，大于轴向气隙的距离0.5mm，使得偏置磁通只经过轴向气隙和轴向内环转子极541)，最后到达轴向外环永磁体53的S极。当飞轮转子8处于中心平衡位置时，飞轮转子8的中心轴与磁轴承的轴向中心轴和电机定子轴向中心轴重合。在径向上，飞轮转子8的圆环状上部径向/扭转转子极83、球面的下部径向/扭转转子极84和径向定子极611、球面的径向/扭转接收极614之间的气隙磁通完全相同，因此飞轮转子7在径向上受电磁力平衡，实现飞轮转子7径向稳定悬浮。在轴向上，轴向内环定子极514、轴向外环定子极515和轴向内环永磁体52、轴向转子54的轴向内环转子极541之间的轴向气隙磁通完全相同，飞轮转子8在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现飞轮转子8轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现是：参见图18所示，在径向平面建立A、B、C三个方向的坐标系，当飞轮转子8在径向二自由度受到扰动向A方向偏移时，对三个径向控制线圈72同时通电，在A方向、B方向和C方向产生的控制磁路如图15粗实线及箭头所示。本发明中径向控制线圈采用三相逆变器驱动，其中虚线及箭头表示偏置磁通的方向，粗实线及箭头表示径向控制磁通的方向。虚线和粗实线方向相同表示磁通叠加，方向相反表示磁通抵消。所以，合成磁通在A的负方向叠加，既在A的负方向产生合成磁拉力，使得飞轮转子8回到径向平衡位置。B和C方向发生偏移的工作原理与上述类似。

扭转二自由度的平衡实现：参见图18所示，当飞轮转子受到扰动在A方向发生向下的扭转偏移时，A方向的轴向气隙变大，A负方向的轴向气隙变小。对扭转线圈73通电，使得A方向的磁通叠加增强，A负方向的磁通抵消减小，使飞轮转子在A方向受到向上的磁拉力在A负方向受到向下的磁拉力，从而A方向的轴向气隙减小，A反方向的轴向气隙增大，最终飞轮转子8回到平衡位置。

轴向单自由度的平衡的实现：参见图19，当飞轮转子8在轴向单自由度受到扰动向下的偏移时，轴向气隙增大，对轴向控制线圈71通直流电，轴向控制线圈71产生的磁路如图19粗实线及箭头所示。其中虚线及箭头表示偏置磁通的方向，粗实线及箭头表示轴向向控制磁通的方向，虚线和粗实线方向相同表示磁通叠加，方向相反表示磁通抵消。可以看出在轴向的总磁通增加，在飞轮转子8上产生向上的合成磁拉力，使轴向气隙减小，最终使飞轮转子8回到轴向平衡位置。

根据以上所述，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 (10)

1.一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，最外部是一个外壳，外壳腔内同轴分布五自由度磁轴承、飞轮转子（8）和感应电机，五自由度磁轴承包括静止部分和旋转部分，感应电机具有电机定子（91）和能旋转的电机导体板（92），电机导体板（92）同轴套在电机定子（91）外，其特征是：飞轮转子（8）具有自下而上依次紧密固定连接且外径相同的下部圆环体（88）、主圆柱体（82）、上部圆环体（86）和径向/扭转转子轭（85），主圆柱体（82）正中间的上表面同轴固定连接中心圆柱体（87），中心圆柱体（87）上表面的正中间同轴固定连接长圆柱顶（81），长圆柱顶（81）的上端向上同轴穿过五自由度磁轴承的静止部分；下部圆环体（88）和中心圆柱体（87）都是实心圆盘，上部圆环体（86）的内径大于下部圆环体（88）的内径，下部圆环体（88）的内径大于中心圆柱体（87）的外径，在上部圆环体（86）和中心圆柱体（87）之间形成一圈环形槽，该环形槽内同轴心地嵌有五自由度磁轴承的旋转部分，在主圆柱体（82）和下部圆环体（88）之间形成圆柱形凹槽，该圆柱形凹槽内同轴心地嵌有所述的电机导体板（92）。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：五自由度磁轴承的静止部分包括轴向定子（51）、径向/扭转定子（61）和径向永磁体（63），轴向定子（51）的最上方是上部固定圆盘（511），上部固定圆盘（511）的下表连接经连接圆柱环（512）的连接轴向定子轭（513），轴向定子轭（513）下表面径向的内侧连接轴向内环定子极（514）、中间连接轴向外环定子极（515）、外侧连接轴向外围接收极（516），轴向控制线圈（71）绕在轴向外环定子极（515）上；所述的轴向定子轭（513）和轴向外围接收极（516）的外壁上依次紧密套有圆环形的径向隔磁铝环（64）、径向内定子环（62）、径向永磁体（63）和所述的径向/扭转定子（61），径向永磁体（63）沿径向由内向外充磁；所述的径向/扭转定子（61）由径向/扭转定子轭（612）、径向定子极（611）、扭转定子极（613）和径向/扭转接收极（614）构成，径向/扭转定子轭（612）为圆环体，其上端面沿径向向外延伸3个径向定子极（611）和3个扭转定子极（613），3个径向定子极（611）和3个扭转定子极（613）沿圆周方向交错间隔均匀地分布，径向/扭转定子轭（612）的下端面沿径向向外延伸径向/扭转接收极（614），径向/扭转接收极（614）的外侧面为沿径向向外凸的球面状，径向定子极（611）上绕制径向控制线圈（72），扭转定子极（613）上绕制扭转控制线圈（73）。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：径向/扭转转子轭（85）内侧壁的上端沿径向向内连接上部径向/扭转转子极（83）、内侧壁的下端沿径向向内连接下部径向/扭转转子极（84），下部径向/扭转转子极（84）的内侧表面为向外凹的球面状，径向定子极（611）和上部径向/扭转转子极（83）在径向上正对且之间留有径向气隙，径向/扭转接收极（614）和下部径向/扭转转子极（84）在径向上正对且之间形成留有气隙。

4.根据权利要求2所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：五自由度磁轴承的旋转部分包括置放在上部圆环体（86）和中心圆柱体（87）之间形成的圆环形槽内的圆环体的轴向转子（54），轴向转子（54）由同轴布置的轴向内环转子极（541）、轴向外环转子极（543）和轴向转子轭（542）组成，轴向转子轭（542）的上表面分别与轴向内环转子极（541）、轴向外环转子极（543）的下表面相连接，轴向内环转子极（541）和轴向外环转子极（543）之间嵌有第二轴向隔磁铝环（56）；轴向内环定子极（514）的正下方是固定套在所述的中心圆柱体（87）的外壁上的轴向内环永磁体（52），轴向内环定子极（514）的正下方是所述的轴向内环转子极（541），轴向外围接收极（516）的正下方是轴向外环转子极（543），轴向外环永磁体（53）固定连接于轴向转子轭（542）的下表面，在轴向外环永磁体（53）的内壁、轴向转子（54）的内壁与轴向内环永磁体（52）外壁之间固定嵌有第一轴向隔磁铝环（55），在轴向外环永磁体（53）外壁与轴向转子（54）之间固定连接第三轴向隔磁铝环（57），轴向内环永磁体（52）沿轴向向上充磁，轴向外环永磁体（53）沿轴向向下充磁。

5.根据权利要求4所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：

轴向内环永磁体（52）与轴向内环定子极（514）之间留有轴向气隙，轴向内环转子极（541）与轴向外环定子极（515）之间留有轴向气隙，轴向外围接收极（516）的下表面与轴向外环转子极（543）之间形成轴向外围接收气隙，该轴向外围接收气隙大于轴向气隙。

6.根据权利要求2所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述的外壳由一个空心圆柱的壳身（12）、一个上端盖（11）和一个下端盖（13）固定连接组成，轴向定子（51）的上部固定圆盘（511）固定连接上端盖（11），电机定子（91）的下端固定连接下端盖（13）；上端盖（11）的中心设有装有辅助轴承（4）的圆柱孔，所述的长圆柱顶（81）从辅助轴承4内孔有间隙地穿出，辅助轴承（4）的上方设有径向传感器支架（21）和轴向传感器支架（22）。

7.根据权利要求6所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：

壳身（12）的外侧壁沿圆周方向均匀分布大小相同的端盖连接架（122），每两个端盖连接架（122）之间均匀布置四个形状相同的第一散热片（121），每两个第一散热片（121）之间的壳身（12）外侧壁上均匀切出两行两列分布的形状相同的方形散热槽；上端盖（11）由一个带中心圆柱孔的上部圆盘（111）、一个中间圆环（112）和一个下部圆环（113）依次连接组成，下部圆环（113）的上端面上沿圆周方向均匀分布第二散热片（115），上部圆盘（111）的上表面上沿圆周方向均匀分布第三散热片（114），上端盖（11）和下端盖（13）相对于壳身（12）上下对称，下端盖（13）中心不设置圆柱孔。

8.根据权利要求2所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：轴向内环定子极（514）和中间是轴向外环定子极（515）的下表面平齐，轴向外围接收极（516）的下表面高于轴向内环定子极（514）和中间是轴向外环定子极（515）的下表面；上部固定圆盘（511）、连接圆柱环（512）、轴向定子轭（513），轴向内环定子极（514）的内径均相等，上部固定圆盘（511）的外径大于轴向定子轭（513）的外径，轴向定子轭（513）的外径大于连接圆柱环（512）的外径，连接圆柱环（512）的外径等于轴向内环定子极（514）的外径，外围接收极（516）的外径等于轴向定子轭（513）的外径。

9.根据权利要求4所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：轴向内环转子极（541）、轴向外环转子极（543）的上表面平齐，轴向转子轭（542）的内径与轴向内环转子极（541）的内径相等，轴向转子轭（542）的外径与轴向外环转子极（543）的外径相等。

10.根据权利要求2所述的一种电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：轴向控制线圈（71）通以直流电，径向控制线圈（72）通以三相交流电，扭转控制线圈（73）通以直流电。

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