CN110071598B - 一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，飞轮转子的中间段是飞轮转子主圆柱体，上段具有在飞轮转子主圆柱体上表面的外边缘处从下至上同轴心地依次固定连接的下端圆环接收极、中间圆环和上端圆环接收极，以及在飞轮转子主圆柱体上表面的正中间从下至上地同轴心地依次固定连接的下端圆盘接收极、中间圆盘和上端圆盘接收极，上端圆环接收极的内壁的上边缘为向内部凸出的四分之一个的内壁圆弧面，上端圆盘接收极的外壁的上边缘为向外部凸出的四分之一个的外壁圆弧面，飞轮转子的上段凹槽内置放径向定子，飞轮转子的下段是飞轮转子下圆环体，和飞轮转子主圆柱体之间形成下段圆柱形槽，该下段圆柱形槽内置放外转子电机，在径向抑制了陀螺效应。

Description

一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池

技术领域

本发明涉及一种用于电动汽车的车载飞轮电池结构，适用于经常在环山公路、左右弯道多等径向陀螺效应严重的路况下行驶的电动汽车。

背景技术

飞轮电池是一种机械储能电池，具有充电效率高、功率大、质量小、无污染和寿命长等优势，是电动汽车理想的动力电池。然而，当车载飞轮电池应用于径向陀螺效应严重路况如环山公路、左右弯道等路况时，还存在诸多制约其规模化应用的难题，主要表现为径向陀螺效应严重、空间占用率大和能耗大等的问题。

目前，国内外的飞轮储能装置的拓扑结构分为两种：一种是带有长惯性主轴的拓扑结构，另一种是盘式拓扑结构。带有长惯性主轴的飞轮电池，由于轴向长度大，在径向上陀螺效应严重，易受外界干扰，因此不适合应用于径向陀螺效应严重路况下。盘式飞轮储能装置虽然具有良好的稳定性，但通常采用多个磁轴承分散支承，仍然会导致轴向长度大，径向陀螺效应仍较明显，不适合空间有限的电动汽车。另外，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。

发明内容

本发明的目的为了克服现有车载飞轮储能装置存在的径向陀螺效应严重、空间占用率大又价格昂贵以及能耗大的问题，提出一种在满足储能量的基础上，应用于径向陀螺效应严重路况的高稳定性、高集成度、低能耗的车载飞轮电池。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：具有同轴分布的五自由度磁轴承、飞轮转子和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向定子、轴向定子和轴承永磁体，所述的飞轮转子在轴向上的中间段是圆柱状的飞轮转子主圆柱体，飞轮转子的上段具有在飞轮转子主圆柱体上表面的外边缘处从下至上同轴心地依次固定连接外径与飞轮转子主圆柱体外径相同的下端圆环接收极、中间圆环和上端圆环接收极，以及在飞轮转子主圆柱体上表面的正中间从下至上地同轴心地依次固定连接的下端圆盘接收极、中间圆盘和上端圆盘接收极；所述的上端圆环接收极为圆环状且其内壁的上边缘的轴向截面为向内部凸出的四分之一个的内壁圆弧面；所述的上端圆盘接收极为圆柱体且其外壁的上边缘的轴向截面为向外部凸出的四分之一个的外壁圆弧面；在上端圆盘接收极、中间圆盘、下端圆盘接收极、上端圆环接收极、中间圆环、下端圆环接收极以及飞轮转子主圆柱体之间形成飞轮转子的上段凹槽，该上段凹槽中内置放径向定子；飞轮转子的下段是飞轮转子下圆环体，和飞轮转子主圆柱体之间形成飞轮转子的下段圆柱形槽，该下段圆柱形槽内置放所述的外转子电机。

所述的径向定子具有径向定子上圆环，径向定子上圆环的下表面的内边缘处同轴心地固定连接径向定子内圆环、下表面的外边缘处同轴心地固定连接径向定子外圆环，径向定子内圆环和径向定子外圆环之间形成一个径向定子的圆环槽，该圆环槽内置放轴承永磁体和轴向定子；径向定子上圆环的内壁沿径向向内延伸3个相同的径向内环上层定子极、沿径向向外延伸3个径向外环上层定子极；径向内环上层定子极内壁的下边缘的轴向截面为向外凹的四分之一个内壁圆弧面，径向外环上层定子极外壁的下边缘轴向截面为向内凹的四分之一个外壁圆弧面；径向定子内圆环的下表面沿径向向内延伸3个相同的径向内环下层定子极、沿径向向外延伸3个相同的径向外环下层定子极；所述的径向内环上层定子极上绕有径向内环上层线圈，所述的径向内环下层定子极上绕有径向内环下层线圈，所述的径向外环上层定子极上绕制径向外环上层线圈，所述的径向外环下层定子极上绕有径向外环下层线圈；所述的径向内环上层定子极上的内壁圆弧面和所述的上端圆盘接收极上的外壁圆弧面在径向上正对且之间留有径向气隙，所述的径向外环上层定子极上的外壁圆弧面和所述的上端圆环接收极上的内壁圆弧面在径向上正对且之间留有径向气隙。

所述的轴向定子具有轴向定子主体，轴向定子主体的下表面沿径向由内向外依次连接第一轴向定子极、第二轴向定子极、第三轴向定子极和第四轴向定子极，四个轴向定子极之间不接触，第一轴向定子极和第二轴向定子极之间的圆环形槽中设有轴向内环线圈，第三轴向定子极和第四轴向定子极之间的圆环形槽中设有轴向外环线圈；轴承永磁体的上表面固定连接所述的径向定子上圆环的下表面，轴承永磁体的下表面固定连接轴向定子的上表面，轴承永磁体充磁方向为轴向向下；轴向定子下表面与所述的飞轮转子主圆柱体的上表面之间留有轴向气隙。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明充分考虑径向陀螺效应的影响，突破传统盘式飞轮电池采用多磁轴承分散支承控制的局限，采用单侧高度集成的五自由度磁轴承支承，五自由度磁轴承全部内嵌在飞轮转子的上段中，减少了轴向尺寸，从而在径向抑制了陀螺效应。另外，将飞轮转子上层接收极设计为球状，可使转子多维运动且径向承载力大，当转子发生偏转时，电磁力会始终指向球状接收极的球心，从而在径向上降低径向定子磁极对转子产生的干扰力矩，因此，球盘一体化飞轮在径向上有效抑制了陀螺效应。

2、本发明将电机内嵌于飞轮转子的下段中，将五自由度磁轴承内嵌于飞轮转子的上段中，实现了五自由度磁轴承、飞轮转子和电机一体化，减少了飞轮的体积，不占用多余的空间，实现了高度的集成化，节约了成本。

3、为了实现低能耗、满足多模式的、径向陀螺效应严重的路况要求，本发明采用四组径向线圈进行精确控制。当行驶于正常直行路段时，仅需控制其中一组线圈即可实现飞轮转子稳定运行；当行驶于转弯弯度较大路线时，可同时控制内外上层两组控制线圈，由于飞轮转子上层接收极球状设计，可提供较大的承载力，使飞轮转子快速回到稳定状态；当行驶于弯度大又连续转弯的复杂路线时，可同时控制内外四组控制线圈，使飞轮转子快速回到稳定状态；并且，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。

4、本发明中的飞轮转子近似圆饼状，相比于同尺寸的由于是转轴从而带有中心孔的圆盘飞轮，本发明中的实心无轴孔圆饼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。

5、本发明中的飞轮转子没有推力圆盘，减少了飞轮转子的空气摩擦损耗，降低了能耗。

附图说明

图1是本发明一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池的立体结构图；

图2是图1的内部结构正视图；

图3是图1中的飞轮转子6的立体结构放大剖视图；

图4为图1中的五自由度磁轴承的径向定子1的三维结构放大剖视图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4的仰视图；

图7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8是图1中五自由度磁轴承的径向定子、永磁体等关联部件和飞轮转子在径向上的装配结构剖视图；

图9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10是图1中电机和飞轮转子装配结构放大正视图；

图11是图1中电机和飞轮转子装配结构仰视图；

图12是图10中电机定子的结构立体图；

图13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14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15是本发明工作时实现径向二自由度平衡控制原理解释图；

图16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：1.径向定子；11.径向定子上圆环；12.径向定子内圆环；13.径向定子外圆环；14.径向内环上层定子极；15.径向内环下层定子极；16.径向外环上层定子极；17.径向外环下层定子极；18-1.径向内环上层定子极上的内壁圆弧面；18-2.径向外环上层定子极上的外壁圆弧面；

21.径向内环上层线圈；22.径向外环上层线圈；23.径向内环下层线圈；24.径向外环下层线圈；

3.轴承永磁体；

4.轴向定子；41.轴向定子主体；42.第一轴向定子极；43.第二轴向定子极；44.第三轴向定子极；45.第四轴向定子极；

51.轴向内环线圈；52.轴向外环线圈；

6.飞轮转子；61.飞轮转子主圆柱体；62.上端圆盘接收极；63.中间圆盘；64.下端圆盘接收极；65.上端圆环接收极；66.中间圆环；67.下端圆环接收极；68.飞轮转子下圆环体；69-1.上端圆环接收极上的内壁圆弧面；69-2.上端圆盘接收极上的外壁圆弧面；

7.电机定子；71.电机定子主体；72.电机定子极；

8.电机线圈；

9.电机永磁体。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明具有同轴分布的五自由度磁轴承、飞轮转子6和外转子电机。其中，五自由度磁轴承包括径向定子1、轴向定子4、轴承永磁体3等部分，轴承永磁体3和轴向定子4安装在径向定子1内部。外转子电机包括电机定子7、电机线圈8、电机永磁体9。五自由度磁轴承同轴心地嵌在飞轮转子6的上段内部，外转子电机同轴心地嵌在飞轮转子6的下段内部。五自由度磁轴承、飞轮转子6和外转子电机三者固定在成一体。

参见图3所示，为飞轮转子6的结构立体图。飞轮转子6整体是圆柱体结构，由同轴心的飞轮转子主圆柱体61、上端圆盘接收极62、中间圆盘63、下端圆盘接收极64、上端圆环接收极65、中间圆环66、下端圆环接收极67和飞轮转子下圆环体68构成。其中，在轴向上，飞轮转子6的中间段是圆柱状的飞轮转子主圆柱体61，飞轮转子主圆柱体61的上方为飞轮转子6的上段，飞轮转子6的上段是由上端圆环接收极65、中间圆环66、下端圆环接收极67以及上端圆盘接收极62、中间圆盘63、下端圆盘接收极64组成。上端圆环接收极65、中间圆环66、下端圆环接收极67、飞轮转子主圆柱体61四者的外径相同，即四者的外侧壁面相平齐，且从上至下依序固定连接一起，也就是在飞轮转子主圆柱体61上表面的外边缘处从下至上同轴心地依次紧密固定连接外径与飞轮转子主圆柱体61外径相同的下端圆环接收极67、中间圆环66和上端圆环接收极65。上端圆环接收极65、中间圆环66和下端圆环接收极67均为圆环状，上端圆环接收极65的内壁的上边缘为圆弧面，内壁的轴向截面为向内部凸出的四分之一个的内壁圆弧面69-1。下端圆环接收极67的内径与上端圆环接收极65的底面内径相同且小于中间圆环66的内径。

在飞轮转子主圆柱体61上表面的正中间从下至上地同轴心地依次紧密固定连接下端圆盘接收极64、中间圆盘63和上端圆盘接收极62。上端圆盘接收极62为一个圆柱体，其外壁的上边缘为圆弧面，外壁的轴向截面为向外部凸出的四分之一个的外壁圆弧面69-2，外壁圆弧面69-2的尺寸大小与上端圆环接收极65上的内壁圆弧面69-1的尺寸大小相同，外壁圆弧面69-2和内壁圆弧面69-1在径向上相互正对着，面对面地布置。中间圆盘63和下端圆盘接收极64均为圆柱体，下端圆盘接收极64的外径与上端圆盘接收极62下端面的外径相同且大于中间圆盘63的外径。

上端圆盘接收极62的上下端面与上端圆环接收极65的上下端面齐平，上端圆盘接收极62和上端圆环接收极65在径向上面对面布置且高度相同。中间圆盘63的上下端面与中间圆环66的上下端面齐平，中间圆盘63和中间圆环66在径向上面对面布置且高度相同。下端圆盘接收极64的上下端面与下端圆环接收极67的上下端面齐平，下端圆盘接收极64和圆环接收极67在径向上面对面布置且高度相同。

下端圆盘接收极64的外径小于下端圆环接收极67的内径，这样，在上端圆盘接收极62、中间圆盘63、下端圆盘接收极64、上端圆环接收极65、中间圆环66、下端圆环接收极67和飞轮转子主圆柱体61之间形成一个凹槽，称为飞轮转子6的上段凹槽，该上段凹槽用于置放五自由度磁轴承。

飞轮转子6的下段是飞轮转子下圆环体68，与飞轮转子主圆柱体61紧密固定连接在一起。飞轮转子下圆环体68的外径与飞轮转子主圆柱体61的外径相同，即两者的外侧壁面相平齐。飞轮转子下圆环体68的内径大于端圆盘接收极64的外径，但小于下端圆环接收极67的内径。

飞轮转子下圆环体68是圆环体，和飞轮转子主圆柱体61之间形成一个圆柱形槽，称为飞轮转子6的下段圆柱形槽，该下段圆柱形槽中用于安装外转子电机。

如图4、5、6所示的五自由度磁轴承的径向定子1的结构，图4为径向定子1的三维结构放大剖视图，图5为图4的俯视图，图6为图4的仰视图。径向定子1由径向定子上圆环11、径向定子内圆环12、径向定子外圆环13、径向内环上层定子极14、径向内环下层定子极15、径向外环上层定子极16和径向外环下层定子极17构成。其中，径向定子上圆环11、径向定子内圆环12、径向定子外圆环13同轴构成径向定子的主体，三者均为圆环体。

径向定子上圆环11的下表面的内边缘处同轴心地固定连接径向定子内圆环12，且两者的内径相同。径向定子上圆环11的下表面的外边缘处同轴心地固定连接径向定子外圆环13，且两者的外径相同。径向定子内圆环12的外径小于径向定子外圆环13的内径，因此在径向定子上圆环11、径向定子内圆环12、径向定子外圆环13之间形成一个圆环槽，该圆环槽用来安装轴承永磁体3和轴向定子4，轴承永磁体3装在轴向定子4的正上方，这样使得轴承永磁体3和轴向定子4都套在径向定子1的内部。

径向定子上圆环11的内壁沿径向向内延伸3个相同的径向内环上层定子极14、沿径向向外延伸3个径向外环上层定子极16。3个径向内环上层定子极14沿圆周方向均匀分布，3个径向外环上层定子极16也沿圆周方向均匀分布。

3个径向内环上层定子极14内壁的下边缘都是圆弧面，且其内壁的下边缘的轴向截面为向外凹的四分之一个内壁圆弧面18-1。3个径向外环上层定子极16的外壁的下边缘都是圆弧面，且其外壁的下边缘的轴向截面为向内凹的四分之一个外壁圆弧面18-2。径向内环上层定子极14、径向定子上圆环11和径向外环上层定子极16的上下端面均齐平。径向定子内圆环12的下表面沿径向向内延伸3个相同的径向内环下层定子极15、沿径向向外延伸3个相同的径向外环下层定子极17。3个径向内环下层定子极15均沿圆周方向均匀分布，3个径向外环下层定子极17均沿圆周方向均匀分布。径向内环下层定子极15和径向外环下层定子极17为环状体。径向内环下层定子极15、径向定子内圆环12、径向定子外圆环13和径向外环下层定子极17的下表面齐平。如图5所示，径向内环上层定子极14、径向外环上层定子极16、径向内环下层定子极15和径向外环下层定子极17在径向上的延伸方向一致；径向内环下层定子极15在径向内环下层定子极15的正下方，径向外环下层定子极17在径向外环上层定子极16的正下方；也就是在径向定子上圆环11的外壁和内壁上各设有上下两层正对着的定子极。

图7为五自由度磁轴承的轴向定子4的三维结构剖视图。轴向转子4整体是圆环体结构，由同轴布置的轴向定子主体41、第一轴向定子极42、第二轴向定子极43、第三轴向定子极44和第四轴向定子极45组成。轴向定子主体41、第一轴向定子极42、第二轴向定子极43、第三轴向定子极44和第四轴向定子极45均为圆环体。上层是轴向定子主体41，轴向定子主体41的下表面沿径向由内向外依次连接第一轴向定子极42、第二轴向定子极43、第三轴向定子极44和第四轴向定子极45。四轴向定子极之间互不接触，之间留有径向距离。第一轴向定子极42、第二轴向定子极43、第三轴向定子极44和第四轴向定子极45下表面齐平。第一轴向定子极42的内径与轴向定子主体41的内径相同，两者的内壁平齐。第四轴向定子极45的外径与轴向定子主体41的外径相同，两者的外壁平齐。第一轴向定子极42的外径小于第二轴向定子极43的内径，从而形成圆环形槽，用于安装轴向内环线圈51，第三轴向定子极44的外径小于第四轴向定子极45的内径，从而形成圆环形槽用于安装轴向外环线圈52。

图8是五自由度磁轴承和飞轮转子6的装配结构剖视图，再参见图1、3、6，五自由度磁轴承的径向定子1、轴向定子4与飞轮转子6同轴分布。径向定子1、轴承永磁体3、轴向定子4放置于飞轮转子6上段凹槽内。轴承永磁体3和轴向定子4放置于径向定子1的圆环形槽内。

放置时，径向定子1套在飞轮转子6的上端圆盘接收极62、中间圆盘63、下端圆盘接收极64外。径向定子1的3个径向内环上层定子极14上的内壁圆弧面18-1和飞轮转子6的上端圆盘接收极62上的外壁圆弧面69-2在径向上正对，两者的圆弧面相匹配，但不接触，径向相距0.5mm，之间留有0.5mm的球面径向气隙；径向定子1的3个径向内环下层定子极15和飞轮转子6的下端圆盘接收极64在径向上正面对面，但两者不接触，径向相距0.5mm，之间留有0.5mm的径向气隙；径向定子1的3个径向外环上层定子极16上的外壁圆弧面18-2和飞轮转子6的上端圆环接收极65上的内壁圆弧面69-1在径向上正对，两者的圆弧面相匹配，但两者的圆弧面不接触，径向相距0.5mm，之间留有0.5mm的球面径向气隙；径向定子1的3个径向外环下层定子极17和飞轮转子6的下端圆环接收极67在径向上正面对面，但两者之间留有0.5mm的径向气隙。径向内环上层定子极14、上端圆盘接收极62、径向外环上层定子极16和上端圆环接收极65的上下端面齐平。径向内环下层定子极15、下端圆盘接收极64、径向外环下层定子极17和下端圆环接收极67的上表面齐平。径向内环下层定子极15、径向外环下层定子极17的下端面齐平，且均与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的上表面留有一定的间隙以便安装径向线圈。

参见图9、7所示，轴承永磁体3和轴向定子4放置于径向定子1的圆环形槽内，轴向定子4在轴承永磁体3的正下方。轴承永磁体3为一个圆环体，轴承永磁体3的上表面固定连接径向定子1的径向定子上圆环11的下表面，轴承永磁体3的下表面固定连接轴向定子4的上表面。轴承永磁体3的内径与轴向定子4的内径相同，均大于径向定子内圆环12的外径；轴承永磁体3的外径与轴向定子4的外径相同，均小于径向定子外圆环13的外径。轴承永磁体3采用高性能稀土材料钕铁硼制成，充磁方向均为轴向向下充磁。轴向定子4的下表面与飞轮转子主圆柱体61的上表面相距0.5mm，形成轴向气隙。

径向定子1的径向内环上层定子极14上绕制径向内环上层线圈21；径向内环下层定子极15上绕制径向内环下层线圈23；径向外环上层定子极16上绕制径向外环上层线圈22；径向外环下层定子极17上绕制径向外环下层线圈24。径向定子1上的线圈由三相逆变器控制。

轴向定子4的第一轴向定子极42和第二轴向定子极43之间的圆环形槽内缠绕轴向内环线圈51；第三轴向定子极44和第四轴向定子极45之间的圆环形槽内缠绕轴向外环线圈52。

参见图1、10、11所示，在飞轮转子6下段圆柱形槽内安装外转子电机，外转子电机包括固定不动的电机定子7、电机线圈8和电机永磁体9，电机定子7、电机线圈8和电机永磁体9同轴地内嵌于飞轮转子6下段圆柱形凹型槽内。电机线圈8绕在电机定子7上，电机永磁体9同轴套在电机定子7外，电机永磁体9的外壁与飞轮转子6的飞轮转子下圆环体68的内壁紧密贴合，使电机永磁体9与飞轮转子6一起旋转。电机永磁体9的上端面与飞轮转子主圆柱体61的下端面紧密连接，电机永磁体9的下端面与飞轮转子下圆环体68的下端面齐平。16个大小相同的圆弧状的电机永磁体9在飞轮转子下圆环体68的内壁沿圆周的方向均匀布置。

再如图12所示，电机定子7由电机定子主体71和电机定子极72构成。电机定子主体71是一个圆环体。电机定子主体71沿径向向外延伸12个带极靴的电机定子极72。12个大小相同的电机定子极72沿圆周方向均匀分布。每个电机定子极72上都缠绕电机线圈8。电机定子极72的外壁与电机永磁体9的内壁之间相距0.5mm的气隙。电机定子7与飞轮转子6的飞轮转子主圆柱体61的下端面之间有间隙以便安装电机线圈8，且电机线圈8与飞轮转子6互相不接触。

电机线圈8中通入三相交流电，在气隙间产生一个旋转的磁场，使得电机永磁体9产生磁拉力，拉力作用在电机永磁体9上将产生转矩，从而驱动电机永磁体9旋转，由于飞轮转子6与电机永磁体9固定连接，所以驱动飞轮转子6旋转。

本发明工作时，能实现飞轮转子6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。在轴向控制方面，轴向内环线圈51和轴向外环线圈52通以直流电与轴向定子4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，对内外两组带球面的上层三磁极上的径向内环上层线圈21、径向外环上层线圈22或内外两组下层三磁极上的径向内环下层线圈23、径向外环下层线圈24通以三相交流电，通过改变控制线圈电流大小，实现了径向上两个自由度的精准控制。在扭转控制方面，对内外两组带球面的上层三磁极上的径向内环上层线圈21、径向外环上层线圈22，通以三相交流电，通过改变控制线圈电流大小，来实现扭转控制。具体如下：

静态被动悬浮的实现：图13是五自由度磁轴承实现静态被动悬浮的原理图，轴承永磁体3产生的偏置磁通如图13中虚线及箭头所示。轴承永磁体3产生的偏置磁通从轴承永磁体3的N极开始经过轴向定子4，分别经过第一轴向定子极42、轴向气隙和第二轴向定子极43、轴向气隙，在飞轮转子6中汇和，分别经过下端圆环接收极67、径向气隙、径向外环下层定子极17、径向定子外圆环13和中间圆环66、上端圆环接收极65、径向气隙、径向外环上层定子极16，在径向定子上圆环11中汇合，最后回到轴承永磁体3的S极。永轴承磁体3产生的偏置磁通从轴承永磁体3的N极开始经过轴向定子4，分别经过第三轴向定子极44、轴向气隙和第四轴向定子极45、轴向气隙，在飞轮转子6中汇和，分别经过下端圆盘接收极64、径向气隙、径向内环下层定子极15、径向定子内圆环12和中间圆盘63、上端圆盘接收极62、径向气隙、径向内环上层定子极14，在径向定子上圆环11中汇合，最后回到轴承永磁体3的S极。当飞轮转子6处于中心平衡位置时，飞轮转子6的中心轴与磁轴承的轴向中心轴重合。在径向上，飞轮转子6的上端圆环接收极65、上端圆盘接收极62和径向定子外圆环13、径向内环上层定子极14之间的气隙磁通完全相同；飞轮转子6的下端圆环接收极67、下端圆盘接收极64和径向外环下层定子极17、径向内环下层定子极15之间的气隙磁通完全相同，因此飞轮转子6在径向上受电磁力平衡，实现飞轮转子6径向稳定悬浮。在轴向上，第一轴向定子极42、第二轴向定子极43、第三轴向定子极44和第四轴向定子极45与飞轮转子6之间的轴向气隙磁通完全相同，飞轮转子6在轴向上受到的电磁力平衡，因此，实现飞轮转子6轴向稳定悬浮。

径向二自由度平衡的实现：参见图14，在径向平面建立A、B、C三个方向的坐标系。当飞轮转子6在径向二自由度受到扰动向C方向偏移时，对径向内环上层线圈21、径向内环下层线圈23、径向外环上层线圈22、径向外环下层线圈24同时通电，在C方向和B方向产生的控制磁路如图14粗实线及箭头所示。本发明径向控制线圈采用三相逆变器驱动。在径向A、B、C三个方向产生偏置磁通，如图14中虚线及箭头所示。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。进一步参见图15，图15为径向A、B、C三个方向上内外环气隙中的偏置磁通和控制磁通方向。合成磁通在C的负方向叠加，既在C的负方向产生合成磁拉力，使得飞轮转子6回到径向平衡位置。A和B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14，当飞轮转子受到扰动在B方向发生向下的扭转偏移时，B方向的轴向气隙变大，B负方向的轴向气隙变小。对径向内环上层线圈21、径向外环上层线圈22通电，使得B方向的磁通叠加增强，B负方向的磁通抵消减小，使飞轮转子在B方向受到向上的磁拉力在B负方向受到向下的磁拉力，从而B方向的轴向气隙减小，B反方向的轴向气隙增大，最终飞轮转子6回到平衡位置。

轴向单自由度的平衡的实现：参见图16，当转子6在轴向单自由度受到扰动向下的偏移时，轴向气隙增大，对轴向内环线圈51和轴向外环线圈52通直流电，轴向控制线产生的磁路如图16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6上产生向上的合成磁拉力，使轴向气隙减小，最终飞轮转子6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 (9)

1.一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，具有同轴分布的五自由度磁轴承、飞轮转子(6)和外转子电机，五自由度磁轴承包括径向定子(1)、轴向定子(4)和轴承永磁体(3)，其特征是：所述的飞轮转子(6)在轴向上的中间段是圆柱状的飞轮转子主圆柱体(61)，飞轮转子(6)的上段具有在飞轮转子主圆柱体(61)上表面的外边缘处从下至上同轴心地依次固定连接外径与飞轮转子主圆柱体(61)外径相同的下端圆环接收极(67)、中间圆环66和上端圆环接收极(65)，以及在飞轮转子主圆柱体(61)上表面的正中间从下至上地同轴心地依次固定连接的下端圆盘接收极(64)、中间圆盘(63)和上端圆盘接收极(62)；所述的上端圆环接收极(65)为圆环状且其内壁的上边缘的轴向截面为向内部凸出的四分之一个的内壁圆弧面(69-1)；所述的上端圆盘接收极(62)为圆柱体且其外壁的上边缘的轴向截面为向外部凸出的四分之一个的外壁圆弧面(69-2)；在上端圆盘接收极(62)、中间圆盘(63)、下端圆盘接收极(64)、上端圆环接收极(65)、中间圆环(66)、下端圆环接收极(67)以及飞轮转子主圆柱体(61)之间形成飞轮转子(6)的上段凹槽，该上段凹槽中内置放径向定子(1)；飞轮转子(6)的下段是飞轮转子下圆环体(68)，和飞轮转子主圆柱体(61)之间形成飞轮转子(6)的下段圆柱形槽，该下段圆柱形槽内置放所述的外转子电机。

2.根据权利要求1所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：所述的径向定子(1)具有径向定子上圆环(11)，径向定子上圆环(11)的下表面的内边缘处同轴心地固定连接径向定子内圆环(12)、下表面的外边缘处同轴心地固定连接径向定子外圆环(13)，径向定子内圆环(12)和径向定子外圆环(13)之间形成一个径向定子(1)的圆环槽，该圆环槽内置放轴承永磁体(3)和轴向定子(4)；径向定子上圆环(11)的内壁沿径向向内延伸3个相同的径向内环上层定子极(14)、沿径向向外延伸3个径向外环上层定子极(16)；径向内环上层定子极(14)内壁的下边缘的轴向截面为向外凹的四分之一个内壁圆弧面(18-1)，径向外环上层定子极(16)外壁的下边缘轴向截面为向内凹的四分之一个外壁圆弧面(18-2)；径向定子内圆环(12)的下表面沿径向向内延伸3个相同的径向内环下层定子极(15)、沿径向向外延伸3个相同的径向外环下层定子极(17)；所述的径向内环上层定子极(14)上绕有径向内环上层线圈(21)，所述的径向内环下层定子极(15)上绕有径向内环下层线圈(23)，所述的径向外环上层定子极(16)上绕制径向外环上层线圈(22)，所述的径向外环下层定子极(17)上绕有径向外环下层线圈(24)；所述的径向内环上层定子极(14)上的内壁圆弧面(18-1)和所述的上端圆盘接收极(62)上的外壁圆弧面(69-2)在径向上正对且之间留有径向气隙，所述的径向外环上层定子极(16)上的外壁圆弧面(18-2)和所述的上端圆环接收极(65)上的内壁圆弧面(69-1)在径向上正对且之间留有径向气隙。

3.根据权利要求2所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：所述的轴向定子(4)具有轴向定子主体(41)，轴向定子主体(41)的下表面沿径向由内向外依次连接第一轴向定子极(42)、第二轴向定子极(43)、第三轴向定子极(44)和第四轴向定子极(45)，四个轴向定子极之间不接触，第一轴向定子极(42)和第二轴向定子极(43)之间的圆环形槽中设有轴向内环线圈(51)，第三轴向定子极(44)和第四轴向定子极(45)之间的圆环形槽中设有轴向外环线圈(52)；轴承永磁体(3)的上表面固定连接所述的径向定子上圆环(11)的下表面，轴承永磁体(3)的下表面固定连接轴向定子(4)的上表面，轴承永磁体(3)充磁方向为轴向向下；轴向定子(4)下表面与所述的飞轮转子主圆柱体(61)的上表面之间留有轴向气隙。

4.根据权利要求1所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：所述的外转子电机包括电机线圈(8)、电机永磁体(9)和固定不动的电机定子(7)，电机线圈(8)绕在电机定子(7)上，电机永磁体(9)同轴套在电机定子(7)外且电机永磁体(9)的外壁与所述的飞轮转子下圆环体(68)的内壁紧密贴合，电机永磁体(9)的上端面与所述的飞轮转子主圆柱体(61)的下端面紧密连接。

5.根据权利要求1所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：所述的下端圆盘接收极(64)的外径小于下端圆环接收极(67)的内径，上端圆环接收极(65)、中间圆环(66)、下端圆环接收极(67)、飞轮转子主圆柱体(61)的外径相同，下端圆环接收极(67)的内径与上端圆环接收极(65)的底面内径相同且小于中间圆环(66)的内径，下端圆盘接收极(64)的外径与上端圆盘接收极(62)下端面的外径相同且大于中间圆盘(63)的外径；上端圆盘接收极(62)的上下端面与上端圆环接收极(65)的上下端面齐平，中间圆盘(63)的上下端面与中间圆环(66)的上下端面齐平，下端圆盘接收极(64)的上下端面与下端圆环接收极(67)的上下端面齐平。

6.根据权利要求1所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：飞轮转子下圆环体(68)的外径与飞轮转子主圆柱体(61)的外径相同，飞轮转子下圆环体(68)的内径大于下端圆盘接收极(64)的外径且小于下端圆环接收极(67)的内径。

7.根据权利要求2所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：径向内环上层定子极(14)、径向定子上圆环(11)和径向外环上层定子极(16)的上下端面均齐平，径向内环下层定子极(15)、径向定子内圆环(12)、径向定子外圆环(13)和径向外环下层定子极(17)的下表面齐平，径向内环下层定子极(15)在径向内环下层定子极(15)的正下方，径向外环下层定子极(17)在径向外环上层定子极(16)的正下方。

8.根据权利要求3所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：第一轴向定子极(42)、第二轴向定子极(43)、第三轴向定子极(44)和第四轴向定子极(45)下表面齐平。

9.根据权利要求3所述的一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池，其特征是：轴承永磁体(3)的内径与轴向定子(4)的内径相同，均大于径向定子内圆环(12)的外径；轴承永磁体(3)的外径与轴向定子(4)的外径相同，均小于径向定子外圆环(13)的外径。

Images