CN114123633B - 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池 - Google Patents

一种低能耗的磁悬浮飞轮电池 Download PDF

Info

Publication number
CN114123633B
CN114123633B CN202111257224.7A CN202111257224A CN114123633B CN 114123633 B CN114123633 B CN 114123633B CN 202111257224 A CN202111257224 A CN 202111257224A CN 114123633 B CN114123633 B CN 114123633B
Authority
CN
China
Prior art keywords
permanent magnet
layer
radial
magnetic bearing
torsion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111257224.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114123633A (zh
Inventor
张维煜
杨鑫
相振国
曹城濠
袁野
蔡磊
张英哲
欧金生
阳同光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN202111257224.7A priority Critical patent/CN114123633B/zh
Publication of CN114123633A publication Critical patent/CN114123633A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114123633B publication Critical patent/CN114123633B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H02K3/493—Slot-closing devices magnetic
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
    • H02K5/225—Terminal boxes or connection arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/24—Casings; Enclosures; Supports specially adapted for suppression or reduction of noise or vibrations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N15/00—Holding or levitation devices using magnetic attraction or repulsion, not otherwise provided for

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

本发明提供了一种低能耗的磁悬浮飞轮电池，包括：特殊永磁轴承，沿轴向分为五层，每层均由内外两部分组成，其中一、三、五层的内外两部分是完全相同的内外永磁圆环，二、四层的内部由靠内侧的二四层永磁体和靠外侧的高磁导率环形硅钢组成，二、四层的外部由靠内侧的高磁导率硅钢圆环和靠外侧的永磁体圆环组成；轴向pcb磁轴承，包括第二轴向永磁体和依次连接成正六边形的pcb板，第二轴向永磁体位于中间，pcb板中布置有导线，相邻pcb板中的导线交错布置；不同的pcb板通过外线连接，且在外线之间加入层间绝缘介质；外壳，壳身中沿径向填充有三层不同的隔声吸音材料。本发明能克服现有磁悬浮飞轮电池待机损耗高的问题。

Description

一种低能耗的磁悬浮飞轮电池
技术领域
本发明属于磁悬浮飞轮电池技术领域，具体涉及一种低能耗的磁悬浮飞轮电池。
背景技术
飞轮电池突破了传统化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题，是一种能量转换率高、工作效率高、无污染、无噪声、环境适应性好的新兴的储能技术，已在交通运输、不间断电源、航空航天等多个领域发挥着作用。然而，在飞轮电池的实际工程应用中，面临的一个瓶颈问题就是如何降低飞轮电池系统的待机损耗，以提高能量转换效率。而飞轮电池磁轴承的支承损耗是待机损耗中的关键环节，因此，巧妙设计合理的被动悬浮磁路及主动磁轴承工作模式尤为重要。
在被动悬浮磁路设计方面：通常采用永磁体实现飞轮的被动悬浮，然而对于承载重金属飞轮的磁路来说，如何巧妙设计永磁体的形状、工作方式、尺寸等，即实现可以承受一定干扰裕量的飞轮，还可以实现低成本高集成度的目的是关键。
在主动磁轴承工作模式方面：通常在采用漆包线作为主动磁轴承控制线圈的工作模式中，传统漆包线线圈具有尺寸受限较大、结构较单一、定位不精准和参数一致性较差等缺点。而一类基于电机的PCB布线新模式布线方式，则可解决传统线圈布线存在的弊端。但是值得注意的是，传统的电机类PCB布线模式是基于一个大的底盘基座，具有散热差、布线复杂、易产生电磁干扰等问题。
另外，由于飞轮电池的飞轮转子处于高速旋转状态，各部分结构之间常有相互力的作用，因而会产生一些噪音。传统飞轮电池常使用刚性网状防护壳，隔音效果不理想。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种低能耗的磁悬浮飞轮电池，克服现有磁悬浮飞轮电池普遍存在的待机损耗高的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种低能耗的磁悬浮飞轮电池，包括：
特殊永磁轴承，沿轴向分为五层，每层均由内外两部分组成，内外五层各部分紧密连接，且特殊永磁轴承外侧部分的外壁与定子上侧圆环腔内壁紧密连接；其中一、三、五层的内外两部分是完全相同的内外永磁圆环，二、四层的内部由靠内侧的二四层永磁体和靠外侧的高磁导率环形硅钢组成，二、四层的外部由靠内侧的高磁导率硅钢圆环和靠外侧的永磁体圆环组成；
轴向pcb磁轴承，包括第二轴向永磁体和六块pcb板，六个pcb板依次连接成一个正六边形，将第二轴向永磁体环绕在中间，六块pcb板均固定安装在五自由度磁轴承定子上；所述pcb板中布置有导线，相邻pcb板中的导线交错布置；不同的pcb板通过外线连接，且在外线之间加入层间绝缘介质。
上述技术方案中，所述高磁导率硅钢圆环的径向长度与高磁导率环形硅钢的径向长度相同，高磁导率环形硅钢的内径与一、三、五层的永磁圆环内径相同。
上述技术方案中，所述永磁体圆环的外径与一、三、五层的永磁圆环外径相同。
上述技术方案中，一、三、五层永磁体均为沿轴向充磁，二、四层的永磁体均沿径向充磁。
上述技术方案还包括外壳，外壳的壳身内外侧分别由第一环形钢材料、第二环形钢材料构成，所述壳身内部沿径向填充有三层不同的隔声吸音材料。
进一步的，所述隔声吸音材料的选择和径向厚度根据阻抗梯度匹配原理来确定。
上述技术方案中，所述隔声吸音材料采用聚合微粒吸声材料。
上述技术方案还包括电机，电机定子采用非晶合金材料，定子铁芯槽楔采用新型材料粉末冶金软磁材料。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明的特殊永磁轴承在轴向自由度方向上，在二、四层设置的高磁导率硅钢圆环与高磁导率环形硅钢分别产生一个方向相同的强磁场，增强了磁轴承的稳定度和轴向刚度，不仅可以抵消飞轮重力，还具有较高的最大承载力裕度；因此在飞轮受到轴向外界干扰时，在一定范围内可不通过调节轴向控制线圈电流而使得飞轮依然保持稳定，最终使整个系统的支承能耗大大降低。由此，本发明通过巧妙设计永磁体的排列方式及充磁方向，不仅可以实现承受一定干扰裕量的重金属飞轮，还达到了低成本高集成度的效果。
(2)本发明区别于传统线圈绕组和传统pcb线圈形式，而是采用分散式pcb布线进行替代。传统线圈的尺寸受限较大，参数一致性较差且位置易受外界干扰而改变，从而使产生的磁场精度降低，与最初的控制算法有较大偏差，最终导致电控部分的精度下降从而白白耗费更多电能。传统pcb线圈的制作工艺简单且成熟，导线的尺寸位置都可以十分精确且不易受外界干扰而变化，因此可以克服传统线圈布线电能损耗较大的问题；但是传统pcb线圈通常采用整体式布线，所有铜导体均布置在一块绝缘板上，导致导线层数过多、密度过大；除传统的趋肤、邻近效应造成的交流损耗外，传统pcb相邻层之间的并联部分易产生层间环流，从而导致电流失控和发热严重的问题。而本发明中pcb板中布置有导线，不同的pcb板通过外线连接，可以保证线圈的稳定性和空间位置的精准性，便于实现更加精准的控制；本发明采用的分布式pcb布线工作模式中，每个pcb板单独工作，通过板间外部特定连接互相配合产生环形电流，因而工作负荷较小；且相邻pcb板导线交错布置且在外部连接线间加入层间绝缘介质，从而有效解决了铜导线密度过大和层间环流的问题。
(3)本发明外壳的壳身里面沿径向填充三层不同的隔声吸音材料，隔声吸音材料利用阻抗梯度匹配原理采用多层不同特定材料叠加吸音，使得降噪效果最佳；壳身内外两层材料用钢材料，保证了飞轮外壳的稳定性与安全性。
(4)本发明中电机定子采用非晶合金材料，具有高磁导低铁耗的特点；采用新型材料粉末冶金软磁材料作为定子铁芯槽楔，可以降低气息磁导变化率；因此实现了材料的优势互补，可以显著提高电机效率，显著降低系统的待机能耗。
附图说明
图1为本发明所述磁悬浮飞轮电池整体结构剖视图；
图2为本发明所述飞轮转子的立体结构放大剖视图；
图3为本发明所述五自由度磁轴承定子的立体结构剖视图；
图4为本发明所述五自由度磁轴承中的斥力磁轴承结构放大示意图；
图5为本发明所述五自由度磁轴承中的扭转磁轴承结构放大示意图；
图6为本发明所述五自由度磁轴承中的径向双重磁轴承结构放大示意图；
图7为本发明所述五自由度磁轴承中的特殊永磁磁轴承结构放大示意图；
图8为本发明所述五自由度磁轴承中的pcb磁轴承结构放大示意图；
图9为本发明所述外壳的立体结构剖视图；
图10为本发明所述轴向磁通电机的整体结构放大剖视图；
图11为本发明所述轴向磁通电机爆炸图；
图12为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13为本发明工作时实现轴向单自由度平衡控制原理图；
图14为本发明工作时实现扭转二自由度平衡控制原理解释图；
图15为本发明工作时实现径向二自由度平衡控制原理解释图；
图中：1.飞轮电池；2.飞轮转子；211.上层上端圆环接收极；212.上层中端圆环；213.上层下端圆环接收极；214.上部圆柱；215.下部圆柱；221.中层外圆环；222.中层内圆环；223.第一轴向永磁体；225.第二轴向永磁体；226.pcb板；23.飞轮转子主体层；24.圆盘型凹槽；31.环形轴向永磁体；32.斥力磁轴承定子；41.第一扭转定子极；42.第二扭转定子极；43.第三扭转定子极；411.第一扭转控制线圈；421.第二扭转控制线圈；431.第三扭转控制线圈；4111.第一扭转永磁体；4112.第二扭转永磁体；4211.第三扭转永磁体；4212.第四扭转永磁体；4311.第五扭转永磁体；4312.第六扭转永磁体；511.第一径向上层定子极；512.第二径向上层定子极；513.第三径向上层定子极；521.第一径向下层定子极；522.第二径向下层定子极；523.第三径向下层定子极；53.径向圆环；61.高磁导率硅钢圆环；62.永磁体圆环；63.高磁导率环形硅钢；64.二四层永磁体；71.上端盖；72.电机固定槽；73.壳身；74.下端盖；75.定子固定部件；771.第一环形钢材料；772.第二环形钢材料；761.隔声吸音材料A；762.隔声吸音材料B；763.隔声吸音材料C；8.轴向磁通电机；81.转子盘；82.电机永磁体；83.电机定子；84.机壳；85.电机轴；86.电机端盖；831.扇形定子极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种低能耗的磁悬浮飞轮电池(即图1中的飞轮电池1)，包括飞轮转子2、五自由度磁轴承定子、电机和外壳，五自由度磁轴承定子、飞轮转子2和电机从上到下依次设置，且飞轮转子2、五自由度磁轴承定子、电机均位于外壳内部。
如图2所示，为飞轮转子2的结构立体图，从整体上看，飞轮转子2为上部部分挖空的盘状结构，且外壁为光滑球面。飞轮转子2自上而下分为上中下三层。上层由三个紧密固定连接的圆环组成，自上而下分别为上层上端圆环接收极211、上层中端圆环212、上层下端圆环接收极213，上层上端圆环接收极211、上层中端圆环212、上层下端圆环接收极213的外壁共同组成外层光滑球面的一部分；上层上端圆环接收极211内壁的轴向截面为向内部突出的1/4圆弧面，上层上端圆环接收极211的底面内径与上层下端圆环接收极213的内径相同且小于上层中端圆环212的内径。中层为双环层，由同轴分布的中层外圆环221和中层内圆环222组成，中层外圆环221的内径大于中层内圆环222的外径，从而形成了一个环形凹槽；沿环型凹槽靠中层外圆环221一侧圆周均匀分布三个完全相同扇形扭转永磁体，即第一扭转永磁体4111、第三扭转永磁体4211、第五扭转永磁体4311，且三个扭转永磁体的内壁均与中层内圆环222的外壁紧密连接，以固定在飞轮转子2上；同时，沿环型凹槽靠中层内圆环222一侧圆周均匀分布三个完全相同扇形扭转永磁体，即第二扭转永磁体4112、第四扭转永磁体4212、第六扭转永磁体4312，且三个扭转永磁体的外壁均与中层外圆环221的内壁紧密连接，以固定在飞轮转子2上；六个扭转永磁均为径向充磁，其中，内侧的三个永磁体(第二扭转永磁体4112、第四扭转永磁体4212、第六扭转永磁体4312)充磁方向一致，均是内测为N极、外侧为S极；外侧的三个永磁体(第一扭转永磁体4111、第三扭转永磁体4211、第五扭转永磁体4311)的充磁方向一致，均是内侧为S极、外侧为N极。六扭转永磁体的上下端面均与中层内圆环222的上下端面齐平。下层为飞轮转子主体层23，飞轮转子主体层23下部正中间向内形成一个圆盘型凹槽24，该凹槽用于放置轴向磁通电机8(图1)；飞轮转子主体层23上部形成一个同轴分布的环形凹槽，该环形凹槽内用于嵌放第一轴向永磁体223，第一轴向永磁体223的外径略小于中层内圆环222的内径，且第一轴向永磁体223上端面与飞轮转子主体层23的上端面齐平；飞轮转子主体层23上端面正中间向上突出，形成两个同轴分布的实心圆柱结构，自上而下分别为上部圆柱214和下部圆柱215；下部圆柱215下部以过盈配合方式紧密连接第二轴向永磁体225，第二轴向永磁体225的外径小于第一轴向永磁体223的内径；上部圆柱214外部自上而下以过盈配合的方式紧密连接五个永磁体(图7)，五个永磁体轴向长度相同，一三五层永磁体外径相同，二四层永磁体64外径相同，一三五层永磁体外径大于二四层永磁体64外径，在二四层永磁体64外部以过盈配合的方式紧密套有高磁导率环形硅钢63，高磁导率环形硅钢63外径与一三五层永磁体外径相同，最终形成一个外形类似于圆柱体的整体。
参见图3并结合图1，五自由度磁轴承定子位于飞轮转子2和上端盖71之间；五自由度磁轴承定子含有径向磁轴承定子、扭转磁轴承定子、轴向pcb线圈和一些特殊排列的永磁体。为了方便叙述，将五自由度磁轴承定子与飞轮转子2相应部分结合在一起，并按照磁轴承功能分为五个部分，分别是径向双重磁轴承、轴向pcb磁轴承、扭转磁轴承、斥力磁轴承和特殊永磁轴承。五自由度磁轴承定子上部凸起圆环部分与飞轮的上端盖71(图9)紧密连接，保证飞轮旋转时，磁轴承定子能保持稳定静止状态。下面依次说明各磁轴承的结构和装配情况。
参见图4并结合图1，斥力磁轴承包含两个环形轴向永磁体31、第一轴向永磁体223和一个斥力磁轴承定子32。第一轴向永磁体223嵌放固定于飞轮转子主体层23中，环形轴向永磁体31位于斥力磁轴承定子32的正下方并且嵌放固定在其中；环形轴向永磁体31的上端面与斥力磁轴承定子32的下端面形状大小完全相同；环形轴向永磁体31与第一轴向永磁体223结构完全相同，且环形轴向永磁体31与第一轴向永磁体223上下相对并留有0.5mm轴向长度的空隙；环形轴向永磁体31与第一轴向永磁体223均为轴向充磁，且N极相对。
参见图5并结合图1，扭转磁轴承包括三个扭转定子极(第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43)、三个扭转控制线圈(第一扭转控制线圈411、第二扭转控制线圈421、第三扭转控制线圈431)和六个扭转永磁体(第一扭转永磁体4111、第二扭转永磁体4112、第三扭转永磁体4211、第四扭转永磁体4212、第五扭转永磁体4311、第六扭转永磁体4312)。第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43完全相同，是在扭转磁轴承定子下表面沿同一圆周均匀分布的扇形突出结构，分别用于缠绕第一扭转控制线圈411、第二扭转控制线圈421、第三扭转控制线圈431；第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43的下表面与环形轴向永磁体31下表面齐平。第一扭转定子极41设置在径向正对的第一扭转永磁体4111和第二扭转永磁体4112之间，同理第二扭转定子极42设置在径向正对的第三扭转永磁体4211和第四扭转永磁体4212之间；第三扭转定子极43设置在径向正对的第五扭转永磁体4311和第六扭转永磁体4312之间。三个扭转控制线圈分别与径向相邻的两个扭转永磁体之间均留有0.5mm径向长度的空隙。
参见图6并结合图1，径向双重磁轴承由第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513、第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523和径向圆环53组成。第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513沿径向圆环53外壁上圆周均匀分布，第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523沿径向圆环53外壁下圆周均匀分布。第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513、第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523上均绕有径向控制线圈。第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513、第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523的内壁均与径向圆环53的外壁紧密连接。第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513的上端面与径向圆环53的上端面齐平；第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523的下端面与径向圆环53的下端面齐平。第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513的外壁轴向截面均是向内凹的四分之一个圆弧面；第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523与上层下端圆环接收极213在径向上正好相对，且上下端面齐平；第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513与上层上端圆环接收极211在径向上正好相对，三个径向上层定子极的圆弧面与上层上端圆环接收极211的圆弧面恰好可以匹配，且上下端面齐平。
参见图7并结合图1，特殊永磁轴承分为轴向长度相同的五层，每层均由内外两部分组成，从上往下数的一、三、五层的内外两部分为完全相同的内外永磁圆环。内侧的五层圆环在对图2中的说明中阐述过。内侧的二、四层圆环分为两部分，分别是靠内侧的二四层永磁体64和靠外侧的高磁导率环形硅钢63，外侧的二、四层圆环同样分为两部分，分别是靠内侧的高磁导率硅钢圆环61和靠外侧的永磁体圆环62；高磁导率硅钢圆环61与高磁导率环形硅钢63的径向长度相同，高磁导率硅钢圆环61的内径与一、三、五层永磁圆环内径相同，永磁体圆环62的外径与一、三、五层永磁圆环外径相同。内外侧五层各部分结构相互紧密连接，并且外侧整体的外壁与定子上侧圆环腔内壁紧密连接。一、三、五层永磁体均为沿轴向充磁，二、四层的永磁体均是沿径向充磁。在二、四层设置的高磁导率硅钢圆环61与高磁导率环形硅钢63分别产生一个方向相同的强磁场，在上下磁环的共同作用下，提高了特殊永磁轴承的稳定程度，并且保证其有较强轴向刚度。该特殊永磁轴承还具有较高的最大承载力裕度，可以抵消外界的一部分轴向干扰，从而降低主动磁轴承的能耗。
参见图8并结合图1，轴向pcb磁轴承由一个中心磁环(即第二轴向永磁体225)和六块相同的pcb板226组成，六块pcb板226都固定安装在五自由度磁轴承定子上；第二轴向永磁体225与pcb板226轴向长度相同；六个pcb板拼接成一个正六边形，将第二轴向永磁体225环绕在正中央。在pcb板226中布置有导线，不同pcb板226通过外线连接，使得六个pcb板226中的导线最终绕成一层一层的线圈来代替传统的控制线圈；相邻pcb板226的导线交错布置且在外部连接线间加入层间绝缘介质。将控制线圈布置在pcb中226，可以保证线圈的稳定性和空间位置的精准性，便于实现更加精准的控制。
参见图9并结合图1，外壳整体类似一个盘形结构；上端盖71是一个圆环盘；外壳中心部位沿轴向向上突出一个圆形结构，为定子固定部件75，沿定子固定部件75外围圆周均匀分布有散热片，且散热片底部与上端盖71上部紧密连接；下端盖74是一个实心圆盘，其中央为向下凹陷的圆形电机固定槽72，用来固定电机定子83；壳身73内外侧由第一环形钢材料771、第二环形钢材料772构成，壳身73里面沿径向又填充三层不同的隔声吸音材料(隔声吸音材料A761、隔声吸音材料B762和隔声吸音材料C763)。隔声吸音材料A761、隔声吸音材料B762和隔声吸音材料C763的选择和径向厚度根据阻抗梯度匹配原理来确定，例如可以使用环保的聚合微粒吸声材料，以便使隔音，吸音的效果达到最大化。同时壳身73内外两层材料用钢材料，保证了飞轮外壳的稳定性与安全性。第二环形钢材料772的外壁沿圆周均匀分布有完全相同的长条形散热条，增加系统散热能力。
参见图10、11并结合图1，电机为轴向磁通电机8，并且安装在飞轮转子主体层23的下部圆盘型凹槽24内。轴向磁通电机8由转子盘81、电机永磁体82、电机定子83、机壳84、电机轴85和电机端盖86组成；电机定子83由沿圆周均匀分布的扇形定子极831构成，扇形定子极831上缠绕电机线圈；电机永磁体82由沿圆周均匀分布的扇形永磁体构成，电机永磁体82位于电机定子83的正上方并留有0.5mm轴向气隙；电机永磁体82的上方与转子盘81下面紧密贴合以固定在转子盘81上，同时转子盘81上方与飞轮转子主体层23下侧圆盘型凹槽24内部上壁紧密贴合固定，且转子盘81的外径与圆盘型凹槽24内径相同；机壳84同轴套在电机定子83外侧，防止飞轮径向偏移时撞击损坏电机定子；机壳84的外径小于圆盘型凹槽24的内径，且与电机端盖86固定连接；电机轴85安装在电机固定槽72内，使电机定子部分固定在下端盖74上。电机定子83采用非晶合金材料，定子铁芯槽楔采用新型材料粉末冶金软磁材料。
一种低能耗的磁悬浮飞轮电池的工作原理为：
静态被动悬浮的实现：如图12所示，第二轴向永磁体225从N极出发产生一个磁通经飞轮转子主体层23到达第一轴向永磁体223下侧S极。同时，六个扭转永磁(第一扭转永磁体4111、第三扭转永磁体4211、第三扭转永磁体4311、第二扭转永磁体4112、第四扭转永磁体4212、第六扭转永磁体4312)产生的偏置磁通从N极出发，分别在第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43中汇合并经过下方气隙到达飞轮转子主体层23，然后在飞轮转子主体层23中分两路前进，一路磁通直接到达第一轴向永磁体223下侧，另一路磁通分两路，分别经过上下径向磁轴承气隙最终到达环形轴向永磁体31的上方S极，从而形成完整的偏置磁路。环形轴向永磁体31与第一轴向永磁体223均为轴向充磁，且N极相对，环形轴向永磁体31与第一轴向永磁体223产生的磁斥力恰好可以抵消飞轮重力，使飞轮静态悬浮在平衡位置。同时特殊永磁轴承对飞轮有轴向作用力，当飞轮因外部干扰而产生轴向偏移时，特殊永磁轴承会产生一个反方向作用力使飞轮回到平衡位置，可以大幅减少电控线圈的能耗。并且，斥力磁轴承拥有自平衡机制，可以减少干扰带来的影响，也可以减少控制线圈的能耗从而实现低能耗控制。飞轮与第一径向上层定子极511、第二径向上层定子极512、第三径向上层定子极513之间的气隙磁通相同，与第一径向下层定子极521、第二径向下层定子极522、第三径向下层定子极523直接的气隙磁通也相同，从而保证飞轮静态径向受力平衡，使得飞轮处于径向平衡位置。此外，上层径向气隙为球形气隙，可以有效抑制飞轮的陀螺效应，提高飞轮电池的稳定性。
轴向单自由度悬浮的实现：对轴向单自由度的控制有斥力磁轴承、特殊永磁轴承和pcb磁轴承，其中前两种属于被动磁轴承，第三种属于主动磁轴承。两种被动磁轴承的工作机制在前面已经介绍过，它们都是利用永磁体间的磁力来实现对轴向单自由度稳定悬浮的控制，有较大的承载力裕度，在实现轴向单自由度悬浮中起主要作用。而pcb磁轴承利用pcb板226中的线圈电流来产生更加精准的控制，承载力小但精度大，不需要一直工作，因此减少了电能消耗，在实现轴向单自由度悬浮中起辅助作用。如图13所示，假设某一时刻飞轮向Z轴正方向偏移，pcb板226中产生控制电流，在第二轴向永磁体225产生的磁场的作用下，根据洛伦兹力公式F＝BIL，线圈会受到洛伦兹力F1作用，同时飞轮受到与偏移方向相反的力F2，从而使飞轮一直处于平衡位置。
扭转二自由度悬浮的实现：如图14所示，扭转磁轴承处于XY平面中；为了便于叙述，将扭转磁轴承定子极分别记为M、N、P，并且假设M关于X轴左右对称。当飞轮沿θy方向发生扭转时，第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43上的控制线圈立即产生控制电流。又因为第一扭转定子极41、第二扭转定子极42、第三扭转定子极43分别在第一扭转永磁体4111和第二扭转永磁体4112、第三扭转永磁体4211和第四扭转永磁体4212、第五扭转永磁体4311和第六扭转永磁体4312之间，在外磁场的作用下，分别产生洛伦兹力F1、F2、F3；故飞轮在磁极N、P处受沿Z轴正方向的力Fn、Fp，在磁极M处受沿Z轴向下的力Fm，从而产生与扭转方向相反的力矩使飞轮回到平衡位置。
径向二自由度悬浮的实现：如图15所示，由于上层径向磁通与正下方的径向磁通方向几乎相同，所以将上下径向磁通方向视为相同；并且建立沿A、B、C三个方向的平面坐标系，A、B、C分别代表三个径向气隙的磁通方向。当飞轮受到A方向的扰动而向A方向偏移时，径向定子极上的控制线圈立即产生控制电流进而产生控制磁通，如图15中虚线所示；虚线方向与实线方向相同表示磁通叠加，相反表示磁通相抵消；因此在B方向上磁通叠加，B方向定子极对飞轮转子的磁吸力加强从而使飞轮重新回到径向平衡位置。当飞轮径向偏移不大时，可以只启用下层径向磁轴承以节约电能；而当飞轮受外界径向扰动误差较大时，可以同时启用上下两层径向磁轴承以保证飞轮稳定悬浮在平衡位置，避免机械碰撞而造成飞轮损伤。同时，由于上层三个径向磁轴承为球面气隙结构，可以提供向向球心的作用力，互相配合也可以提供扭转力矩，进而减轻扭转磁轴承的工作负担。
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 (6)

1.一种低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，包括飞轮转子(2)、五自由度磁轴承定子、电机和外壳，五自由度磁轴承定子、飞轮转子(2)和电机从上到下依次设置，且飞轮转子(2)、五自由度磁轴承定子、电机均位于外壳内部；
所述飞轮转子(2)自上而下分为上中下三层：上层由三个紧密固定连接的圆环组成，自上而下分别为上层上端圆环接收极(211)、上层中端圆环(212)、上层下端圆环接收极(213)；中层为双环层，由同轴分布的中层外圆环(221)和中层内圆环(222)组成，中层外圆环(221)的内径大于中层内圆环(222)的外径，从而形成了一个环形凹槽；沿环型凹槽靠中层外圆环(221)一侧圆周均匀分布三个完全相同扇形扭转永磁体，沿环型凹槽靠中层内圆环(222)一侧圆周也均匀分布三个完全相同扇形扭转永磁体；下层为飞轮转子主体层(23)，飞轮转子主体层(23)下部正中间向内形成一个圆盘型凹槽(24)，该凹槽用于放置电机；飞轮转子主体层(23)上部形成一个同轴分布的环形凹槽，该环形凹槽内用于嵌放第一轴向永磁体(223)；飞轮转子主体层(23)上端面正中间向上突出，形成两个同轴分布的实心圆柱结构，自上而下分别为上部圆柱(214)和下部圆柱(215)，下部圆柱(215)下部以过盈配合方式紧密连接第二轴向永磁体(225)，上部圆柱(214)外部自上而下以过盈配合的方式紧密连接五个永磁体；
所述五自由度磁轴承定子按照磁轴承功能分为五个部分，分别是径向双重磁轴承、轴向pcb磁轴承、扭转磁轴承、斥力磁轴承和特殊永磁轴承；
所述斥力磁轴承包含两个环形轴向永磁体(31)、第一轴向永磁体(223)和一个斥力磁轴承定子(32)；第一轴向永磁体(223)嵌放固定于飞轮转子主体层(23)中，环形轴向永磁体(31)位于斥力磁轴承定子(32)的正下方并且嵌放固定在其中；
所述扭转磁轴承包括三个扭转定子极、三个扭转控制线圈和六个扇形扭转永磁体，三个扭转定子极是在扭转磁轴承定子下表面沿同一圆周均匀分布的扇形突出结构，分别用于缠绕三个扭转控制线圈，且三个扭转定子极均设置在径向正对的两个扇形扭转永磁体之间；
所述径向双重磁轴承包括三个径向上层定子极、三个径向下层定子极和径向圆环(53)，三个径向上层定子极沿径向圆环(53)外壁上圆周均匀分布，三个径向下层定子极沿径向圆环(53)外壁下圆周均匀分布，且三个径向上层定子极和三个径向下层定子极的内壁均与径向圆环(53)的外壁紧密连接；
所述特殊永磁轴承沿轴向分为五层，每层均由内外两部分组成，内外五层各部分紧密连接，且特殊永磁轴承外侧部分的外壁与定子上侧圆环腔内壁紧密连接；其中一、三、五层的内外两部分是完全相同的内外永磁圆环，二、四层的内部由靠内侧的二四层永磁体(64)和靠外侧的高磁导率环形硅钢(63)组成，二、四层的外部由靠内侧的高磁导率硅钢圆环(61)和靠外侧的永磁体圆环(62)组成；
所述轴向pcb磁轴承包括第二轴向永磁体(225)和六块pcb板(226)，六块pcb板(226)依次连接成一个正六边形，将第二轴向永磁体(225)环绕在中间，六块pcb板(226)均固定安装在五自由度磁轴承定子上；所述pcb板(226)中布置有导线，相邻pcb板(226)中的导线交错布置；不同的pcb板(226)通过外线连接，且在外线之间加入层间绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，所述高磁导率硅钢圆环(61)的径向长度与高磁导率环形硅钢(63)的径向长度相同，高磁导率硅钢圆环(61)的内径与一、三、五层的永磁圆环内径相同。
3.根据权利要求1所述的低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，所述永磁体圆环(62)的外径与一、三、五层的永磁圆环外径相同。
4.根据权利要求1所述的低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，一、三、五层的内外永磁体圆环均为沿轴向充磁，二、四层永磁体和永磁体圆环(62)均沿径向充磁。
5.根据权利要求1所述的低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，还包括外壳，外壳的壳身(73)内外侧分别由第一环形钢材料(771)、第二环形钢材料(772)构成，所述壳身(73)内部沿径向填充有三层不同的隔声吸音材料。
6.根据权利要求5所述的低能耗的磁悬浮飞轮电池，其特征在于，所述隔声吸音材料采用聚合微粒吸声材料。
CN202111257224.7A 2021-10-27 2021-10-27 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池 Active CN114123633B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111257224.7A CN114123633B (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111257224.7A CN114123633B (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114123633A CN114123633A (zh) 2022-03-01
CN114123633B true CN114123633B (zh) 2023-09-26

Family

ID=80377155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111257224.7A Active CN114123633B (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114123633B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102684365A (zh) * 2012-05-08 2012-09-19 江苏大学 一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置
CN104410204A (zh) * 2014-11-28 2015-03-11 江苏大学 一种新型飞轮储能装置
CN105024479A (zh) * 2015-07-23 2015-11-04 江苏大学 一种飞轮储能装置
CN107425647A (zh) * 2017-07-27 2017-12-01 江苏大学 采用五自由度混合磁轴承的车载飞轮电池
CN113422467A (zh) * 2021-05-13 2021-09-21 江苏大学 一种超薄式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102684365A (zh) * 2012-05-08 2012-09-19 江苏大学 一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置
CN104410204A (zh) * 2014-11-28 2015-03-11 江苏大学 一种新型飞轮储能装置
CN105024479A (zh) * 2015-07-23 2015-11-04 江苏大学 一种飞轮储能装置
CN107425647A (zh) * 2017-07-27 2017-12-01 江苏大学 采用五自由度混合磁轴承的车载飞轮电池
CN113422467A (zh) * 2021-05-13 2021-09-21 江苏大学 一种超薄式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114123633A (zh) 2022-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109831056B (zh) 电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置
CN106655605B (zh) 夹心式电动汽车用磁悬浮飞轮电池及工作方法
CN102237834B (zh) 多自由度磁悬浮电机
US11465783B2 (en) Single-gimbal magnetically suspended control moment gyroscope
CN103929010B (zh) 一种立式混合磁悬浮飞轮储能系统
CN110848253A (zh) 一种三自由度径向-轴向一体化混合磁轴承
CN112117861B (zh) 一种飞轮储能电机
WO2022236896A1 (zh) 一种超薄式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法
CN114123633B (zh) 一种低能耗的磁悬浮飞轮电池
CN110112860B (zh) 五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置
CN211574040U (zh) 径向无耦合三自由度直流混合磁轴承
CN111173838B (zh) 径向无耦合三自由度直流混合磁轴承
CN113217538A (zh) 磁悬浮轴承结构、电机
CN110071598B (zh) 一种抗径向陀螺效应的车载飞轮电池
CN112065856B (zh) 四极内外双转子混合磁轴承
CN212564072U (zh) 一种内外双定子无接触混合磁轴承
CN111043156B (zh) 新结构交叉齿四极混合磁轴承
CN211574037U (zh) 新结构交叉齿四极混合磁轴承
CN209892623U (zh) 一种轴向径向电磁型磁轴承
CN108895085B (zh) 一种逆变器驱动式外转子轴向-径向六极混合磁轴承
CN108547867B (zh) 一种轴向自回路的三自由度球形混合磁轴承
CN112366867A (zh) 一种基于pcb板的双反速轴向磁通永磁电机
US11870323B2 (en) Ultra-thin vehicle-mounted magnetic suspension flywheel battery and operating method thereof
CN108365698A (zh) 一种双飞轮结构的飞轮电池
CN113991933B (zh) 一种紧凑型飞轮储能电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant