CN113037001A - 一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，真空密闭机壳内部中心是转轴，转轴上端经轴向被动磁轴承连接上圆柱台,上圆柱台外固定套有定子无铁心无轴承永磁同步电机，电机内定子同轴心地固定套在上圆柱台外，电机外转子中间段的内壁通过内轮毂固定连接于转轴，电机外转子的外壁通过外轮毂固定连接于飞轮转子内壁，转轴的下端经调心球轴承连接于下圆柱台的中心，在圆柱台的上端与电机外转子之间设置三自由度径向‑轴向混合磁轴承，电机外转子的下端沿轴向向下延伸且下段内壁上沿径向向内水平延伸圆台，圆台作为三自由度径向‑混合磁轴承的磁轴承外转子。本发明能获得更高的能量，实现大容量需求。

Description

一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置

技术领域

本发明属于能够将电能转化为飞轮动能的飞轮储能装置，适用于卫星储能电池、电力调峰、通信、电动汽车等领域，当需要时能将动能释放为电能。

背景技术

随着用户对电力日益增长的需求，电力供应与需求上的矛盾也日益凸显出来，如系统装机容量难以满足峰值负荷的要求，用户对电能质量和供电可靠性要求越来越高等，特别是近年来可再生能源技术的迅速发展，其本身存在的间歇性和随机性对电网造成很大影响，而能量存储技术可以提供一种简单而有效的解决办法。各种形式的储能装置能在电网负荷低谷时从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时向电网输送能量，对负荷实现削峰填谷，满足用户的用电需求。

飞轮储能是一种物理储能技术，具有存储密度高、瞬时功率大、充电时间短、充放电程度易测量、使用寿命长，对环境无危害等优点，但是飞轮储能装置中的高速电机性能的好坏直接关系到整个飞轮储能系统的性能高低。飞轮储能用高速电机的转速一般在每分钟几万转到十几万转，设计中需要考虑的关键问题主要有转子结构、电机损耗、电机温升等方面。例如中国专利公开号为CN111313600A的文献中提出的飞轮储能装置，其高速电机使用的是感应电机，配套设置了冷却系统来给装置降温。但是感应电机的转矩是通过转差产生的，转差频率会在转子中产生很大的涡流损耗，特别是在高速运行时，转子损耗更加严重，导致感应电机的效率偏低，长时间运行转子发热严重从而影响转子的机械强度。中国专利公开号为CN107482841A的文献中提出的低损耗高速一体化飞轮储能电机，使用了永磁同步电机作为高速电机，但是普通的永磁同步电机存在齿槽转矩大，在电机正常运行时候容易造成转子振动，加大了磁轴承在控制上的难度和能量损耗，也存在机械擦碰产生磨损，影响电机寿命。

现有飞轮储能装置的结构目前主要有两种形式：一种是电机与飞轮并行结构，即电机通过转轴与飞轮以串联方式相连；二是电机与飞轮同心结构，即电机和飞轮转子在同一个水平面上。前者串联的方式造成了轴向长度过长，直接导致了飞轮储能转子陀螺效应严重，影响了系统的稳定性；后者是外转子电机和飞轮相连，旋转的部分如果采用磁悬浮轴承，飞轮转子的位置监测将因为飞轮的重心不在实体上而不准确。在中国专利公开号为CN109831056A的文献中提出了虚拟轴概念，即在飞轮上平面中心连接了一根长轴，减弱了陀螺效应，也方便了轴承系统的安装。但是此方法设计的虚拟轴是在延伸方向上设置的，增加了轴向方向的长度，结构不紧凑。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有飞轮储能装置存在的问题，提出一种大容量低损耗的基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，具有更高的飞轮转速和系统的可靠性，控制难度较低。

实现本发明一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置的目的是通过以下技术方案实现的：外部是一个真空密闭机壳，真空密闭机壳的上部是上端盖，下部是下端盖，真空密闭机壳内部中心是转轴，转轴的上端经轴向被动磁轴承连接上圆柱台,上圆柱台上端固定连接上端盖，上圆柱台外固定套有定子无铁心无轴承永磁同步电机，定子无铁心无轴承永磁同步电机包括电机外转子和电机内定子，电机内定子同轴心地固定套在上圆柱台外，电机外转子中间段的内壁通过内轮毂固定连接于转轴，电机外转子外部有间隙地套有飞轮转子，电机外转子的外壁通过外轮毂固定连接于飞轮转子内壁，转轴的下端经调心球轴承连接于下圆柱台的中心，圆柱下台的底部固定连接下端盖，在圆柱台的上端与电机外转子之间设置三自由度径向-轴向混合磁轴承，电机外转子的下端沿轴向向下延伸且下段内壁上沿径向向内水平延伸一个凸出的圆台，该凸出的圆台作为三自由度径向-混合磁轴承的磁轴承外转子，三自由度径向-轴向混合磁轴承的轴承内定子端固定套在下圆柱台上端外壁上。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明采用的定子无铁心无轴承永磁同步电机，相比于传统的磁悬浮轴承支承的飞轮储能装置，节省了一端的磁悬浮轴承，结构更加紧凑。电机采用外转子的设计可以增大飞轮的转动惯量，可以在实现飞轮储能装置运行时，用较低的飞轮重量，在同一速度水平下，获得更高的能量，实现飞轮储能装置的大容量需求。

2、本发明采用的定子无铁心无轴承永磁同步电机取消了定子铁心，改用环氧树脂浇铸定子，这样转子上的永磁体不会对开路的定子产生吸力，直接消除掉了齿槽转矩，在正弦波激励下转矩脉动几乎为零。为了保证定子绕组区域的磁场强度，采用传统的Halbach永磁阵列，提高整个电机的功率密度。外转子设计使得散热性能更好，可以省去冷却装置，减小体积。外转子和飞轮之间用轮毂连接，避免了内转子和飞轮并行安置轴向过长的问题。转轴也同样通过轮毂和外转子连接在一起。

3、转轴使整个飞轮的重心有了刚体，可以只使用一个位置传感器就可以满足磁轴承系统的控制成本。其轴向长度不长，陀螺效应得到充分削弱，飞轮储能装置的系统稳定性大大提高。转轴的设计是为了降低轴向悬浮难度和成本，整个飞轮系统的重心处有了实际刚体，传感器可以准确采集飞轮系统重心的位置信息。同时转轴的直径更常规，容易适配对应的辅助轴承。转轴设置在飞轮转和定子无铁心无轴承永磁同步电机的中心，整体飞轮系统的轴向长度较短，抑制了陀螺效应。

4、采用的外转子三自由度径向-轴向混合磁轴承直接承托飞轮装置的定子无铁心无轴承永磁同步电机的外转子。传统的磁悬浮轴承支承的飞轮储能装置一般是利用磁轴承支承中心转轴，这样的设计一方面结构不够紧凑，另一方面会有较强的陀螺效应。本发明采用的外转子三自由度径向-轴向混合磁轴承根据飞轮装置的转子内壁的直径而设计，没有选择去支承转轴，极大的削弱了陀螺效应，同时有更为紧凑的结构。

5、本发明采用定子无铁心无轴承永磁同步电机和磁轴承的配套使用，将径向和轴向两种磁轴承融合在一个装置中，将飞轮悬浮，实现了零机械摩擦。定子无铁心无轴承永磁同步电机中永磁体的Halbach结构提高整个电机的功率密度，绕组的材料选择利兹线，可以大幅减小在强磁场运动下绕组内部的涡流损耗，从而实现了飞轮储能装置低损耗的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置的结构剖面示意图；

图2为图1中定子无铁心无轴承永磁同步电机2装配结构放大示意图；

图3为图2中定子无铁心无轴承永磁同步电机2径向剖面示意图；

图4为图1中轴向被动磁轴承4与转轴9装配结构放大示意图；

图5为图1中三自由度径向-轴向混合磁轴承5装配结构径向剖面放大示意图；

图6为图1中的三自由度径向-轴向混合磁轴承5装配结构轴向剖面放大示意图。

图中：1.真空密闭机壳；2.定子无铁心无轴承永磁同步电机；3.飞轮转子；4.轴向被动磁轴承；5.三自由度径向-轴向混合磁轴承；6.辅助轴承；7.调心球轴承；9.转轴；10.内轮毂；11.外轮毂；12.上圆柱台；13.下圆柱台；14.环形永磁体；15.径向定子；16.轴向定子；17.径向控制线圈；18.轴向控制线圈；21.定子绕组；22.永磁体；23.电机外转子；24.电机内定子；25.磁轴承外转子；41.隔磁铝环；42.动磁环；43.静磁环；44.座架；81.上端位移传感器；83.轴向位移传感器；84.下端位移传感器；211.转矩绕组；212.悬浮力绕组。

具体实施方式

下面是对本发明的较佳实施例作进一步地详细描述，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置外部是一个真空密闭机壳1，真空密闭机壳1的上部是上端盖，下部是下端盖，上端盖和下端盖之间密封固定连接壳体。在真空密闭机壳1内部设有定子无铁心无轴承永磁同步电机2、飞轮转子3、轴向被动磁轴承4、三自由度径向-轴向混合磁轴承5、辅助轴承6、调心球轴承7、转轴9、内轮毂10、外轮毂11、上圆柱台12以及下圆柱台13。

在真空密闭机壳1内部中心是转轴9，转轴9的中心轴和真空密闭机壳1的中心轴共线。转轴9的上端经轴向被动磁轴承4连接上圆柱台12, 转轴9、轴向被动磁轴承4、上圆柱台12在径向上由内而外依次同轴嵌套，转轴9与轴向被动磁轴承4的内圈固定连接，轴向被动磁轴承4的外圈与上圆柱台12固定连接。上圆柱台12使用的是非导磁性材料制成，其上端通过螺栓固定在真空密闭机壳1的上端盖上。轴向被动磁轴承4的作用是提供一部分轴向方向的支承力，为了保证整个飞轮装置不会直接碰撞真空密闭机壳1，在轴向被动磁轴承4的上方加装一个辅助轴承6，辅助轴承6套在转轴9上端外并且固定嵌在真空密闭机壳1的上端盖上。辅助轴承6和转轴9不接触，其间保持一定的径向间距，在转轴9偏移平衡位置时，碰触到辅助轴承6内壁时才存在摩擦，起到保护整个装置的作用。

上圆柱台12外固定套有定子无铁心无轴承永磁同步电机2，定子无铁心无轴承永磁同步电机2包括电机外转子23和电机内定子24，电机内定子24由环氧树脂制成，呈无凸极圆筒状的无槽结构。电机内定子24同轴心地固定套在上圆柱台12外，使转轴9的上端通过轴向被动磁轴承4和上圆柱台12连接定子无铁心无轴承永磁同步电机2。定子无铁心无轴承永磁同步电机2在轴向上整体位于轴向被动磁轴承4的下方。被动磁轴承4在轴向方向上对整个电机外转子23产生轴向的悬浮力，电机外转子23的轴向长度远大于电机内定子24，电机外转子23的下端沿轴向向下延伸，接近真空密闭机壳1的下端盖。电机外转子23中间段的内壁通过内轮毂10固定连接于转轴9。内轮毂10在轴向上位于无铁心无轴承永磁同步电机2的正下方，在装配时先将转轴9过盈配合在内轮毂10内再安装电机外转子23。

电机外转子23外部有间隙地套有飞轮转子3，电机外转子23的外壁通过外轮毂11固定连接于飞轮转子3内壁，这样使由外至内的飞轮转子3、电机外转子23、转轴9三者之间利用轮毂固定相连接，转轴9和飞轮转子3都能够跟随电机外转子23自由转动。电机外转子23是由沿圆周方向呈四等分的实心硅钢拼接后再固定铆接成的圆筒状转子，与内轮毂10紧密贴合包围内轮毂10后再加装螺栓固定连接。在轴向上，外轮毂11上下各有一组，使飞轮转子3连接稳固。内轮毂10和外轮毂11的轴向截面均是水平的工字形，连接处的接触面大，连接更加稳固。

定子无铁心无轴承永磁同步电机2具有对于外部电源的连接部，从而当连接部被激励时，定子无铁心无轴承永磁同步电机2能够从外部电源抽取电能以驱动电机外转子23部分使其转动。

转轴9的下端经调心球轴承7连接于下圆柱台13的中心，调心球轴承7保证了飞轮装置具有自动调心性，可以补偿不同心度和轴挠度造成的误差。圆柱下台13的底部通过螺栓固定连接在真空密闭机壳1的下端盖上。在圆柱台13的上端与电机外转子23之间设置三自由度径向-轴向混合磁轴承5，三自由度径向-轴向混合磁轴承5产生径向两自由度方向的力和轴向单自由度的悬浮力。电机外转子23的下段内壁上沿径向向内水平延伸一个凸出的圆台，该凸出的圆台作为三自由度径向-混合磁轴承5的磁轴承外转子25，故为了防止电机外转子23下段作为磁轴承外转子25的这部分不能够放置进磁轴承内，要先安装好三自由度径向-混合磁轴承5，再拼接电机外转子23。三自由度径向-混合磁轴承5和下圆柱台13均在内轮毂10的轴向正下方。三自由度径向-轴向混合磁轴承5承托的是电机外转子23，三自由度径向-轴向混合磁轴承5的轴承内定子端被固定在下圆柱台13上端处，固定套在下圆柱台13上端外壁上。

在真空密闭机壳1内部还设有9个位移传感器，上端位移传感器81和下端位移传感器84各4个，4个位移传感器里，2个为一组，互相对应，2组的连线上下垂直。1个轴向位移传感器83放置在转轴9正下方的中心线处，保证悬浮控制的准确。

如图2和图3所示，定子无铁心无轴承永磁同步电机2的电机内定子24上绕有定子绕组21，采用整距分布式绕组结构。上圆柱台12使用的是非导磁性材料制成，其上端通过螺栓固定在真空密闭机壳1的上端盖上。电机外转子23由硅钢片叠压而成，其内表面沿圆周方向紧密表贴了永磁体22，为了保证定子绕组21区域的磁场强度，永磁体22采用传统的Halbach永磁阵列，可以提高整个电机的功率密度。定子绕组21由内层的悬浮力绕组212和外层的转矩绕组211组成，分别产生悬浮力和转矩，转矩绕组211电流频率和悬浮力绕组212的电流频率相等。转矩绕组211的极对数p ₁和悬浮力绕组212的极对数p ₂满足p ₁= p ₂±1，悬浮力绕组212的极对数为1，转矩绕组211的极对数为2。电机外转子23内紧紧嵌套永磁体22，永磁体22上下两端各垫了一层隔磁铝环，固定在电机外转子23上。永磁体22面向电机内定子24的方向有一层护套，防止永磁体22掉落。

参见图4，轴向被动磁轴承4是一种永磁偏置磁轴承，由内至外依次由隔磁铝环41、动磁环42、静磁环43和座架44组成，其中，隔磁铝环41紧紧固定套在转轴9上，动磁环42和静磁环43都各具有四个磁环，四个磁环沿轴向磁化并叠加，径向面对面的两个磁环的充磁方向相反。在装配时，动磁环42和隔磁铝环41过盈配合，静磁环43嵌在座架44中，座架44固定嵌入在上圆柱台12内部，动磁环42和静磁环43之间留有径向气隙。当动磁环42受到一个外扰力，偏离悬浮位置向下运动，这样磁环间产生的气隙磁通变化，导致上边气隙因增大而磁通减少，下边则因气隙减小而磁通增加。既而，下边产生的吸力要比上边的大，动磁环42会向上运动，最终重新回到稳定悬浮位置。当动磁环42组件向下偏离的时候同理，下边产生的吸力会弱于上边的吸力，动磁环会向下运动，直到重新回到稳定悬浮位置。

参见图5和图6，三自由度径向-轴向混合磁轴承5包括环形永磁体14、径向定子15、轴向定子16、磁轴承外转子25、径向控制线圈17和轴向控制线圈18。其中环形永磁体14置于径向定子15和轴向定子16之间。环形永磁体14的上下表面放置一层隔磁铝环，起到隔磁的作用，很大程度减少漏磁损失，使通过线圈的磁通近似等于永磁体产生的磁通。轴向控制线圈18置放在轴向定子16上，径向定子15有3个磁极，径向控制线圈17分别缠绕在径向定子15的磁极上，且缠绕方向相同，呈星形连接，由一个三相逆变器供电，配合外部控制装置达到控制电流的大小和方向就可以使三自由度径向-轴向混合磁轴承5产生大小可控、方向可调节的附加磁通，附加磁通和主磁通相叠加，可反映到磁轴承外转子25上就是可控的吸引力，直到精确控制磁轴承外转子25在径向方向上始终处于平衡状态。通过控制轴向控制线圈18的电流保证磁轴承外转子25在轴向自由度上的平衡。在安装时，轴向定子16套在下圆柱台13上，并加装螺栓固定。工作时轴向控制线圈18对轴向单自由度进行控制；径向控制线圈17沿圆周120°均匀分布的A，B，C三个线圈绕组通以三相交流电产生可旋转的合成磁通来控制径向2个自由度。径向定子15采用硅钢片叠压而成，环形永磁体14采用稀土材料钕铁硼制成。当径向、轴向都稳定悬浮时，磁轴承外转子25在环形永磁体14产生的静态偏置磁场吸力下处于悬浮的中间位置。

本发明工作时，能实现飞轮转子3的静态被动悬浮，上下端径向二自由度平衡、轴向单自由度平衡。当飞轮转子3高速旋转时，在轴向控制方面，上端的轴向被动磁轴承4利用动、静磁环间产生的牵制的吸引力提供一个轴向方向是悬浮力，下端的三自由度径向-轴向混合磁轴承5通过对轴向控制线圈18通以直流电，通过改变直流电的大小和方向控制下端磁轴承产生是轴向方向的悬浮力，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17通以三相交流电，通过改变控制线圈17的电流大小，实现了径向上二自由度的精准控制。定子无铁心无轴承永磁同步电机2的定子绕组21有两套绕组，一组是转矩绕组，一组是悬浮绕组，两套绕组通以交流电，感应出的磁链叠加抵消产生的磁场对转子产生径向的指向平衡位置的力，直到转子保持在平衡位置，实现了飞轮转子3上端径向二自由度的平衡。具体如下：

静态被动悬浮的实现：参见图4，当动磁环42组件受到一个外扰力，偏离悬浮位置向下运动，这样磁环间产生的气隙磁通变化，导致上边气隙因增大而磁通减少，下边则因气隙减小而磁通增加。既而下边产生的吸力要比上边的大，动磁环会向上运动，最终重新回到稳定悬浮位置。当动磁环42组件向下偏离的时候同理，下边产生的吸力会弱于上边的吸力，动磁环42会向下运动，直到重新回到稳定悬浮位置。

上端径向二自由度平衡的实现：参见图3，定子无铁心无轴承永磁同步电机2的定子绕组21具有两套绕组，分别是转矩绕组211和悬浮力绕组212，它们的极对数和电流频率需要满足径向力产生原理即两套绕组极对数满足正负一的关系且电流频率相等。当转子偏移平衡位置时，两组磁场叠加造成的均匀分布的气隙磁密将被打破，转子承受的麦克斯韦力方向与转子偏心的方向一致，此时通过三相逆变器改变通入悬浮力绕组212的三相电流大小和方向产生与偏移方向相反的力，直到飞轮转子3的上端运动到平衡位置。

下端径向二自由度平衡的实现：参见图6，三极径向-轴向混合磁轴承5的磁通包括3个部分：偏置磁通202、径向控制磁通19和轴向控制磁通201。偏置磁通202和径向控制磁通19的流动方向如图6中箭头所示。当径向控制线圈17中的电流为正时，对应的径向气隙中的控制磁通19和偏置磁通202方向相同，相互叠加，因此增加径向控制线圈17中的电流就可以增加悬浮力大小；反之，当控制线圈17中的电流为负时，该方向的悬浮力减弱。故当飞轮转子3发生径向偏移时，利用数字控制系统控制通入径向控制线圈17的电流，产生与偏移方向相反的力，直到飞轮转子3保持在平衡位置。

轴向单自由度平衡的实现：参见图6，标注了三极径向-轴向混合磁轴承5的轴向控制磁通201。当轴向控制线圈18中的电流为正时，上端轴向气隙中轴向控制磁通201与偏置磁通202叠加，向上的吸力增大，下端轴向气隙中轴向控制磁通201和偏置磁通202抵消，向下的吸力减小，因此产生一个向上的悬浮力；反之，当轴向控制线圈18中的电流为负时，产生一个向下的悬浮力。故当飞轮转子3发生轴向偏移平时，利用数字控制系统控制通入轴向控制线圈18的电流，产生与偏移方向相反的力，直到飞轮转子3保持在平衡位置。

本发明在正常运行时，有储能和释能两个工作状态。储能时，外供电源给定子无铁心无轴承永磁同步电机2供电，电能通过定子无铁心无轴承永磁同步电机2带动飞轮转子3转动，转化成机械能，因为上述悬浮部件的应用，飞轮转子3和轴承之间没有摩擦损耗。飞轮转子3达到额定转速时，断开外供电源。此时若不接入负载，定子无铁心无轴承永磁同步电机2的运行状态其实是空载运行的发电机，仅有空载损耗。接入负载时，本发明进入释能状态，此时飞轮转子带动定子无铁心无轴承永磁同步电机2工作，通过AC-DC-AC变频电路将定子无铁心无轴承永磁同步电机2的输出转化成适应负载的固定频率的交流电，完成将机械能转化成电能的过程。

以上说明仅为本发明较佳的实施例，并非对本发明实施方法的限定，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何修改、变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，外部是一个真空密闭机壳（1），真空密闭机壳（1）的上部是上端盖，下部是下端盖，其特征是：真空密闭机壳（1）内部中心是转轴（9），转轴（9）的上端经轴向被动磁轴承（4）连接上圆柱台（12）,上圆柱台（12）上端固定连接上端盖，上圆柱台（12）外固定套有定子无铁心无轴承永磁同步电机（2），定子无铁心无轴承永磁同步电机（2）包括电机外转子（23）和电机内定子（24），电机内定子（24）同轴心地固定套在上圆柱台（12）外，电机外转子（23）中间段的内壁通过内轮毂（10）固定连接于转轴（9），电机外转子（23）外部有间隙地套有飞轮转子（3），电机外转子（23）的外壁通过外轮毂（11）固定连接于飞轮转子（3）内壁， 转轴（9）的下端经调心球轴承（7）连接于下圆柱台（13）的中心，圆柱下台（13）的底部固定连接下端盖，在圆柱台（13）的上端与电机外转子（23）之间设置三自由度径向-轴向混合磁轴承（5），电机外转子（23）的下端沿轴向向下延伸且下段内壁上沿径向向内水平延伸一个凸出的圆台，该凸出的圆台作为三自由度径向-混合磁轴承5的磁轴承外转子（25），三自由度径向-轴向混合磁轴承（5）的轴承内定子端固定套在下圆柱台（13）上端外壁上。

2.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：所述的轴向被动磁轴承（4）由内至外依次由隔磁铝环（41）、动磁环（42）、静磁环（43）和座架（44）组成，隔磁铝环（41）固定套在转轴（9）上，动磁环（42）和静磁环（43）都各具有四个磁环，四个磁环沿轴向磁化并叠加，径向面对面的两个磁环的充磁方向相反，动磁环（42）和隔磁铝环（41）过盈配合，静磁环（43）嵌在座架（44）中，座架（44）固定嵌入在上圆柱台（12）内部，动磁环（42）和静磁环（43）之间留有径向气隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：所述的三自由度径向-轴向混合磁轴承（5）包括环形永磁体（14）、径向定子（15）、轴向定子（16）、磁轴承外转子（25）、径向控制线圈（17）和轴向控制线圈（18），轴向定子（16）固定套在下圆柱台（13）上环形永磁体（14）置于径向定子（15）和轴向定子（16）之间，轴向控制线圈（18）置放在轴向定子（16）上，径向控制线圈（17）缠绕在径向定子（15）的磁极上。

4.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：轴向被动磁轴承（4）的上方设置一个和转轴（9）不接触的辅助轴承（6），辅助轴承（6）套在转轴（9）上端外且固定嵌在真空密闭机壳（1）的上端盖上。

5.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：所述的定子无铁心无轴承永磁同步电机（2）在轴向上位于轴向被动磁轴承（4）的下方，内轮毂（10）在轴向上位于定子无铁心无轴承永磁同步电机（2）的正下方，三自由度径向-混合磁轴承（5）和下圆柱台（13）均在内轮毂（10）的轴向正下方。

6.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：在轴向上，外轮毂（11）上下各有一组。

7.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：所述的电机内定子（24）上绕有定子绕组（21），定子绕组（21）由内层的悬浮力绕组212和外层的转矩绕组（211）组成，电机外转子（23）内表面沿圆周方向紧密表贴有永磁体（22），永磁体（22）采用Halbach阵列分布。

8.根据权利要求7所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：所述的转矩绕组（211）的极对数p ₁和悬浮力绕组（212）的极对数p ₂满足p ₁= p ₂±1。

9.根据权利要求1所述的一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，其特征是：真空密闭机壳（1）内部还设有上端位移传感器（81）、下端位移传感器（84）和轴向位移传感器（83）。

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