CN114189100B - 应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应对多工作模式的结构自调整式车载磁悬浮飞轮电池及其工作方法，该飞轮电池散热器内部沿周向设有蚁穴式沟道，飞轮下球体内对称嵌有若干个配重磁力吸附装置；飞轮电池工作在充电模式、待机模式和放电模式时，应对回收能量等级或输出能量等级的不同，对电机的运行方式作出灵活的改变，磁轴承系统针对不同扰动等级，通过不同类型的磁轴承的配合，降低损耗。本发明能实现车载磁悬浮飞轮电池在各种工作模式下的低损耗、高安全稳定运行。

Description

应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池及其工作方法

技术领域

本发明属于飞轮电池技术领域，具体涉及一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池及其工作方法。

背景技术

车载磁悬浮飞轮电池凭借其能量转换效率高、无污染、寿命长等优势，已然成为电动汽车领域具有巨大发展潜力的动力电池。将车载磁悬浮飞轮电池作为辅助电源，配合电动汽车原动力电池，其构成的复合电源系统可以实现这两种电源的优势互补，从而优化能量的利用效率，提高电动汽车的动力性能，增加电动汽车的行驶里程。同时，车载磁悬浮飞轮电池的加入可以减小原动力电池的充放电电流，从而对电池进行了保护，延长其使用寿命。对于车载磁悬浮飞轮电池系统而言，飞轮电机和磁轴承技术是影响其整体性能的两大关键技术。车载磁悬浮飞轮电池通常需要工作在充电模式、待机模式以及放电模式等多工作模式，且在不同的工作模式下对磁轴承系统与飞轮电机有不同的需求。具体地：

(1)充电模式。在电动汽车下坡或制动时，车载磁悬浮飞轮电池回收电动汽车的制动能量，为减小制动能量对原动力电池的大电流冲击，因此车载磁悬浮飞轮电池处于充电模式；此时飞轮电机需提供较大的起动转矩，尤其针对金属飞轮，对飞轮电机的起动转矩要求更大，目的是使得飞轮在储存能量时，飞轮电池系统有较快的反应速度以及尽可能快的储能速度；对于此工作模式的磁轴承系统来说，此时由于车辆的行驶状态对飞轮的扰动较大，因此对磁轴承系统的抗扰动性和低控制损耗有很高的要求，由此可以提高飞轮电池系统的效率；另外，真空环境虽然可以有助于飞轮减少所受到的空气阻力，且有助于飞轮转速快速上升，但是同样会带来散热不好的问题；且飞轮一旦发生故障，如发生金属疲劳、金属破碎等现象，完全无阻力的真空环境也会对飞轮电池系统的安全性带来不利。

(2)待机模式。在电动汽车正常行驶时(此时需求功率较小)，只由原动力电池提供能量，车载磁悬浮飞轮电池处于待机模式时，此过程飞轮高速旋转，并储存动能；飞轮达到一定转速后转入低压模式，此时需要飞轮电机的损耗应为最小水平并维持飞轮的转速；对于此工作模式的磁轴承系统来说，由于车辆的行驶状态对飞轮的扰动不大，因此磁轴承系统主要作用是用来承载飞轮，此时磁轴承系统需要具有低偏置损耗特性，目的是可以提高飞轮电池系统的效率。

(3)放电模式。在电动汽车起步或加速时(此时汽车需要的瞬时功率很大)，由车载磁悬浮飞轮电池和原动力电池共同提供能量，此时车载磁悬浮飞轮电池处于放电模式，机械能转化为电能；放电模式是飞轮电池系统向外输出能量的过程，高速旋转的飞轮通过发电机将飞轮动能转换成电能，并通过电力电子器件对电能进行电能转换，满足电动汽车的用电要求，在这个过程中飞轮电机作为发电机运行；对于此工作模式的磁轴承系统来说，由于车辆的行驶状态对飞轮的扰动也比较大，因此对磁轴承系统的抗扰动性和低控制损耗特性需求来说十分重要，目的是可以提高飞轮电池系统的效率。

综上所述，对于不同工作模式的飞轮电池系统来说，对飞轮电机、磁轴承系统、真空外壳均有不同的要求。如果单独按照飞轮电池系统的单一工作模式来设计，即会出现明显不同的设计需求：如在汽车起步、加速、制动、上坡和下坡等车载工况下，为满足动力系统对能量和功率的双重需求，需要大功率的传输；而飞轮电池处于待机模式时，飞轮电池则需要保持极低能耗运行且没有大功率需求。如果不按照工作模式来精确设计飞轮电池系统，则飞轮电池系统在能耗、安全稳定性、储能性能等方面难以实现较好地平衡，无法发挥出飞轮电池系统的最佳性能优势。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应对多工作模式的结构自调整式飞轮电池系统及其工作方法，实现车载磁悬浮飞轮电池在各种工作模式下的低损耗、高安全稳定运行。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池，包括真空外壳，真空外壳内部从上到下依次设有散热器、飞轮轴向磁轴承定子轭、飞轮和配重；

所述散热器内部沿周向设有蚁穴式沟道，所述沟道中存有散热液，沟道上部连接有散热片，散热片末端置于真空外壳外部；

所述飞轮下球体内对称嵌有若干个配重磁力吸附装置，所述配重磁力吸附装置包括隔磁套、永磁体、弹簧和树脂盖，所述隔磁套嵌在飞轮的下球体内，永磁体放置在隔磁套内部，弹簧放置在永磁体下端，且隔磁套利用树脂盖进行密封；

所述真空外壳的底盖上表面安装有配重轴向被动磁轴承下部永磁体，所述配重轴向被动磁轴承下部永磁体与配重轴向被动磁轴承上部永磁体同轴间隙设置，配重轴向被动磁轴承下部永磁体与配重轴向被动磁轴承上部永磁体组成配重轴向被动磁轴承；

所述散热器外部同轴设有飞轮电机定子铁心，飞轮电机定子铁心上设有电机，飞轮内部设有径向磁阻力磁轴承和径向洛伦兹力磁轴承；

所述飞轮轴向磁轴承定子轭的中心轴上固定飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭上缠绕有飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈和轴向洛伦兹力磁轴承永磁体组成飞轮轴向洛伦兹力磁轴承；

所述飞轮轴向磁轴承定子轭下端嵌有飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体，飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体与飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体组成飞轮轴向被动吸力磁轴承；

所述真空外壳的底盖中心安装飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承。

上述技术方案中，所述电机为飞轮电动机一与飞轮电动机二，飞轮电动机一和飞轮电动机二的内部气隙为锥环状；飞轮电动机一与飞轮电动机二具有相同的径向气隙长度，且飞轮电动机一的额定功率小于飞轮电动机二。

上述技术方案中，所述电机为飞轮电动机三，此时飞轮电动机一的永磁体与飞轮电动机二的线圈在轴向存在耦合，并在径向上存在锥环状的气隙。

上述技术方案中，所述电机为飞轮发电机一和飞轮发电机二，飞轮发电机一和飞轮发电机二内部气隙为锥环状；飞轮发电机一与飞轮发电机二具有相同的径向气隙长度，且飞轮发电机一的输出电压等级小于飞轮发电机二。

上述技术方案中，所述配重在径向上设有上层万向球面轴承和下层万向球面轴承，上层万向球面轴承与配重之间、下层万向球面轴承与配重之间分别存在径向气隙。

上述技术方案中，所述真空外壳的上盖上开设有真空抽气管道和进气管道，所述进气管道处安装有电磁阀。

一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，具体为：

当飞轮电池系统启动时，为了获得最大的起动转矩，同时向飞轮电动机一的线圈和飞轮电动机二的线圈通电；

当回收能量功率小于飞轮电动机一的额定功率时，单独对飞轮电动机一的线圈通电；

当回收能量功率大于飞轮电动机一的额定功率并小于飞轮电动机二的额定功率时，单独对飞轮电动机二的线圈通电；

当回收能量功率大于飞轮电动机二的额定功率时，同时向飞轮电动机一的线圈和飞轮电动机二的线圈通电；

径向磁阻力磁轴承的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承的控制线圈根据扰动强度间歇性通电；

飞轮轴向被动吸力磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承配合工作。

一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，具体为：

配重被配重磁力吸附装置吸附到飞轮的底端，飞轮轴向被动磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承平衡状态被破环，飞轮与配重下落；此时，飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承工作，使飞轮电池在轴向上平衡；

径向磁阻力磁轴承的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承的控制线圈不通电。

一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，具体为：

配重被配重磁力吸附装置释放，离开飞轮底端，飞轮halbach轴向被动磁轴承平衡状态配破环，飞轮向上移动，重新恢复轴向平衡；

飞轮发电机一和飞轮发电机二分别输出不同电压等级的能量到车辆控制电路以及拖动系统中；

径向磁阻力磁轴承的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承的控制线圈根据扰动强度间歇性通电；

飞轮轴向被动吸力磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承配合工作。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明巧妙利用转速变化导致配重磁力吸附装置永磁体因受到离心力作用而发生位置改变这一物理现象，在飞轮速度变化过程中实现自调整，以匹配不同的飞轮电池结构；具体为：为飞轮配重设计了对于转速敏感的磁力吸附装置，当飞轮转速达到特定转速时，配重磁力吸附装置会自动吸附或释放飞轮配重改变飞轮的质量，改变轴向磁轴承的平衡状态以及飞轮电机的结构，使整个系统应对车载磁悬浮飞轮电池不同的工作模式可以做出自身结构的自动调整。

(2)本发明设计的车载磁悬浮飞轮电池的第一种结构适用于车载磁悬浮飞轮电池的充电工作模式，该工作模式的飞轮电机系统作为电动机使用且磁悬浮系统为克服车辆工况的扰动并降低控制损耗使用了多种磁轴承配合工作，飞轮电机系统的飞轮电动机一与飞轮电动机二作为永磁同步电动机具有相同的径向气隙长度和相同的极槽比，飞轮电动机一和飞轮电动机二的轴向长度不同以及额定功率不同，此时飞轮电动机一与飞轮电动机二同时工作可以输出最高的起动转矩；此外还可以根据制动强度以及制动功率，灵活调节飞轮电动机一或飞轮电动机二同时工作或单独工作，使飞轮电机系统在满足系统需求的同时又能实现低损耗运行的目的。由于充电模式多发生于电动汽车制动或下坡的车辆工况下，此时飞轮受到的扰动较大，为了达到精确抑制扰动且低损耗运行的目的，使用径向磁阻力磁轴承，即混合磁轴承对于径向两个自由度径向粗略调节，使用径向洛伦兹力磁轴承实现精细辅助调节，提高对于径向扰动的控制精度；轴向磁轴承使用被动吸力磁轴承抵消飞轮重量以及洛伦兹力磁轴承实现精细辅助调节。

(3)本发明设计的车载磁悬浮飞轮电池的第二种结构适用于车载磁悬浮飞轮电池的待机工作模式，此时飞轮电机系统作为电动机使用，并利用弱磁扩速运行提高运行效率，且磁悬浮系统为提高效率对各自由度的磁轴承进行统筹；由于此工作模式下的飞轮达到了配重捕捉速度，配重磁力吸附装置的永磁体受到离心力的作用，克服弹簧的弹力向外挤压，将飞轮配重吸附到飞轮下球面，增加飞轮的质量，使飞轮向下移动。飞轮电机系统调整为一个新的飞轮电动机三，飞轮电动机三作为永磁同步电动机使用，其与飞轮电动机一和飞轮电动机二具有相同的极槽比。由于飞轮电机系统的总体气隙呈锥形结构，结构调整后的飞轮下落，使得飞轮电动机三相较于结构一的飞轮电机系统，增大了气隙长度并减小了永磁体与定子的耦合面积，此时飞轮电动机三可以实现弱磁扩速运行，并相较于车载磁悬浮飞轮电池的第一种结构的飞轮电机系统具有更小的损耗，提高飞轮电机系统的运行效率。此时由于车辆的扰动较小，为了降低系统的损耗，此时轴向磁轴承只使用halbach被动磁轴承，径向磁轴承只使用径向磁阻力磁轴承，不仅满足系统抑制扰动的要求还提高整体飞轮电池的运行效率。

(4)本发明设计的车载磁悬浮飞轮电池的第三种结构适用于车载磁悬浮飞轮电池的放电工作模式，由于飞轮电池放电，此时飞轮的转速会下降导致磁力吸附装置永磁体受到的离心力小于弹簧的弹力，造成配重永磁体对于配重的磁力消失，配重下落导致飞轮的质量减小，飞轮电机恢复到车载磁悬浮飞轮电池的第一种结构。飞轮电机系统调整为飞轮发电机一与飞轮发电机二，飞轮发电机一与飞轮发电机二作为永磁同步发电机来使用，具有不同的输出功率以及输出电压等级。由于放电模式多发生于车辆加速或上坡的车辆工况下，此时飞轮受到的扰动较大，为了达到精确抑制扰动且低损耗运行的目的，使用磁阻力磁轴承，即混合磁轴承对于径向两个自由度径向粗略调节，使用洛伦兹力磁轴承辅助调节，提高径向的控制精度；轴向磁轴承使用被动吸力磁轴承抵消飞轮重量以及洛伦兹力磁轴承辅助调节。

(5)本发明为了减小空气对于飞轮的阻力，在外壳腔体内营造了真空的环境，同时由于真空环境不能传递热量，为了避免热量聚集使得电机的损耗变大，本发明设计了散热器系统，将电机定子铁心的热量通过散热器传递到外壳外，从而达到给定子铁心散热的目的。此外采取了蚁穴式的仿生学设计，在该散热器的内部设计了散热液沟道，提高散热液的流动性，增强散热性能。

(6)本发明为飞轮配重也设计了单独的稳定装置，在飞轮配重还未吸附到飞轮上时，其受到轴向被动磁轴承以及万向球面磁轴承作用，被悬浮在外壳底端，以备飞轮提速后吸附；待飞轮减速配重下落时，防止较高转速引起飞车故障，万向球面轴承对飞轮配重的下落姿态进行修正，使其悬浮在安全位置上。

(7)本发明为了使整体系统运行安全可靠，做了安全性设计，当飞轮发生故障飞车时，控制位于外壳上盖的电磁阀打开，破坏外壳腔体内的真空环境，增加飞轮受到的空气阻力，快速使其降速。

(8)在汽车起步、加速、制动、上坡和下坡工况中，为满足动力系统对能量和功率的双重需求，需要大功率的传输；在车辆平稳时，飞轮电池则需要保持极低能耗运行且无需大功率需求。本发明设计的飞轮电池系统可根据车辆工况下飞轮电池的不同工作模式进行结构自适应改变，不仅发挥了飞轮电池系统的最佳储能性能，还可满足飞轮电池系统的低能耗运行要求，明显提高了飞轮电池系统的储能效率。

附图说明

图1为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第一种结构剖面图；

图2为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第一种结构中飞轮与配重的局部结构图；

图3为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第二种结构剖面图；

图4为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第二种结构中飞轮与配重的局部结构图；

图5为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第三种结构剖面图；

图6为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统第一种结构和第三种结构中飞轮电机局部剖面示意图；

图7为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池飞轮径向磁轴承的局部剖面结构示意图；

图8为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池散热器内部沟道示意图；

图9为本发明所述车载磁悬浮飞轮电池系统整体结构示意图。

图中：1-外壳上盖；11-真空抽气管道；12-进气管道；121-电磁阀；2-外壳中段；3-外壳底盖；31-配重轴向被动磁轴承下部永磁体；32-飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承内永磁体；33-飞轮轴向halbach被动磁轴承定子轭；4-飞轮；41-飞轮电机系统转子轭；42-径向磁阻力磁轴承安装槽；421-径向洛伦兹力磁轴承安装槽；4211-第一径向洛伦兹力磁轴承永磁体；4212-第二径向洛伦兹力磁轴承永磁体；4221-第三径向洛伦兹力磁轴承永磁体；4222-第四径向洛伦兹力磁轴承永磁体；4231-第五径向洛伦兹力磁轴承永磁体；4232-第六径向洛伦兹力磁轴承永磁体；43-轴向洛伦兹力磁轴承转子轭；431-轴向洛伦兹力磁轴承永磁体；440-轴向被动磁轴承永磁体安装槽；44-飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体；45-配重磁力吸附装置；4511-配重磁力吸附装置隔磁套；4521-配重磁力吸附装置永磁体；4531-配重磁力吸附装置弹簧；4541-配重磁力吸附装置树脂盖；460-飞轮轴向halbach被动磁轴承外永磁体安装槽；46-飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承外永磁体；5-径向磁轴承；51-径向磁轴承定子盖；52-径向洛伦兹力磁轴承；521-第一径向洛伦兹力磁轴承定子轭；522-第二径向洛伦兹力磁轴承定子轭；523-第三径向洛伦兹力磁轴承定子轭；5212-第一径向洛伦兹力磁轴承控制线圈；5222-第二径向洛伦兹力磁轴承控制线圈；5232-第三径向洛伦兹力磁轴承控制线圈；53-径向磁阻力磁轴承；5311-第一径向磁阻力磁轴承定子轭；5321-第二径向磁阻力磁轴承定子轭；5331-第三径向磁阻力磁轴承定子轭；5312-第一径向磁阻力磁轴承控制线圈；5322-第二径向磁阻力磁轴承控制线圈；5332-第三径向磁阻力磁轴承控制线圈；6-飞轮电机定子铁心；61-飞轮电动机一；611-飞轮电动机一定子轭；612-飞轮电动机一线圈；613-飞轮电动机一永磁体；62-飞轮电动机二；621-飞轮电动机二定子轭；622-飞轮电动机二线圈；623-飞轮电动机二永磁体；63-飞轮电动机三；64-飞轮发电机一；65-飞轮发电机二；66-隔磁铝环；7-散热器系统；71-散热器；721-第一散热片；722-第二散热片；723-第三散热片；724-第四散热片；73-散热液；8-轴向磁轴承；81-飞轮轴向磁轴承定子轭；811-飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭；812-飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈；82-飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体；9-配重；91-配重轴向被动磁轴承上部永磁体；910-配重轴向被动磁轴承上部永磁体安装槽；101-上层万向球面轴承；102-下层万向球面轴承。

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。

本发明一种应对多工作模式的结构自调整式飞轮电池系统，在应对不同工作模式时，具体的结构和工作方法如下：

实施例1

本实施例结构用于车载磁悬浮飞轮电池工作于充电模式时。

如图1、2所示，本发明设计了一种应对多工作模式的结构自调整式飞轮电池系统，包括由外壳上盖1、外壳中段2以及外壳底盖3可拆卸连接组成的真空外壳(如图9所示)；径向磁轴承定子盖51固定在外壳上盖1的底部，飞轮电机定子铁心6固定在径向磁轴承定子盖的底部。外壳上盖1开设有真空抽气管道11和进气管道12，真空抽气管道11与外部真空抽气泵连接，进气管道12处安装有电磁阀121。

散热器71外壁紧密的贴合在飞轮电机定子铁心6的内部，参见图8，散热器71内部沿周向设有若干连通的沟道，沟道呈蚁穴式；沟道中存有散热液73，散热液73为液态金属；沟道顶端连接有均匀分布的散热片，本实施中，散热片的个数为4，具体为第一散热片721、第二散热片722、第三散热片723和第四散热片724，散热片由连接部和散热部组成，连接部底端与沟道顶端紧密连接，连接部上部依次穿过径向磁轴承定子盖51和外壳上盖1后，末端安装散热部，散热部位于外壳外部。散热器71、散热液73和散热片构成散热器系统7。

参见图6，飞轮电机定子铁心6外壁上沿轴向自上而下安装有飞轮电动机一定子轭611、隔磁铝环66和飞轮电动机二定子轭621，飞轮电动机一线圈612紧密地缠绕在飞轮电动机一定子轭611端部并与飞轮电动机一永磁体613之间在轴向存在锥环状的气隙，飞轮电动机二线圈622紧密地缠绕在飞轮电动机二定子轭621端部并与飞轮电动机二永磁体623之间在轴向存在锥环状的气隙；飞轮电动机一永磁体613、飞轮电动机二永磁体623外部与飞轮电机系统转子轭41紧密结合。飞轮电动机一定子轭611、飞轮电动机一线圈612和飞轮电动机一永磁体613构成飞轮电动机一61，飞轮电动机二定子轭621、飞轮电动机二线圈622和飞轮电动机二永磁体623构成飞轮电动机二62；飞轮电动机一61与飞轮电动机二62具有相同的径向气隙长度，飞轮电动机一61的额定功率小于飞轮电动机二62，飞轮电动机一61和飞轮电动机二62同时工作可以输出最大的起动转矩；飞轮电动机一61和飞轮电动机二62都是18槽16极的极槽配置。

如图7所示，径向磁轴承5包括径向磁轴承定子盖51、径向洛伦兹力磁轴承52和径向磁阻力磁轴承53。径向洛伦兹力磁轴承52固定径向磁轴承定子盖51下方，径向洛伦兹力磁轴承52包括第一径向洛伦兹力磁轴承定子轭521、第二径向洛伦兹力磁轴承定子轭522和第三径向洛伦兹力磁轴承定子轭523，第一径向洛伦兹力磁轴承定子轭521、第二径向洛伦兹力磁轴承定子轭522和第三径向洛伦兹力磁轴承定子轭523沿圆周方向均匀分布，且固定在径向磁轴承定子盖51下方，第一径向洛伦兹力磁轴承定子轭521、第二径向洛伦兹力磁轴承定子轭522和第三径向洛伦兹力磁轴承定子轭523分别固定有第一径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5212、第二径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5222和第三径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5232，径向洛伦兹力磁轴承控制线圈外部设有径向洛伦兹力磁轴承永磁体，且径向洛伦兹力磁轴承永磁体与径向洛伦兹力磁轴承控制线圈之间留有气隙，具体的：第一径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5212外部设有第一径向洛伦兹力磁轴承永磁体4211和第二径向洛伦兹力磁轴承永磁体4212，第二径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5222外部设有第三径向洛伦兹力磁轴承永磁体4221和第四径向洛伦兹力磁轴承永磁体4222，第三径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5232外部设有第五径向洛伦兹力磁轴承永磁体4231和第六径向洛伦兹力磁轴承永磁体4232；第一径向洛伦兹力磁轴承永磁体4211、第二径向洛伦兹力磁轴承永磁体4212、第三径向洛伦兹力磁轴承永磁体4221、第四径向洛伦兹力磁轴承永磁体4222、第五径向洛伦兹力磁轴承永磁体4231和第六径向洛伦兹力磁轴承永磁体4232均固定安装在径向洛伦兹力磁轴承安装槽421内，参见图2。如图7所示，径向磁阻力磁轴承53固定在径向洛伦兹力磁轴承定子轭中部，径向磁阻力磁轴承53包括第一径向磁阻力磁轴承定子轭5311、第二径向磁阻力磁轴承定子轭5321和第三径向磁阻力磁轴承定子轭5331，第一径向磁阻力磁轴承定子轭5311、第二径向磁阻力磁轴承定子轭5321和第三径向磁阻力磁轴承定子轭5331分别与第一径向洛伦兹力磁轴承定子轭521、第二径向洛伦兹力磁轴承定子轭522和第三径向洛伦兹力磁轴承定子轭523对应布置；第一径向磁阻力磁轴承定子轭5311、第二径向磁阻力磁轴承定子轭5321和第三径向磁阻力磁轴承定子轭5331的端部分别缠绕有第一径向磁阻力磁轴承控制线圈5312、第二径向磁阻力磁轴承控制线圈5322和第三径向磁阻力磁轴承控制线圈5332；径向磁阻力磁轴承53位于径向磁阻力磁轴承安装槽42内部，且与径向磁阻力磁轴承安装槽42之间留有气隙。

如图1、2所示，轴向磁轴承8包括飞轮轴向磁轴承定子轭81和飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体82；飞轮轴向磁轴承定子轭81固定在飞轮电机定子铁心6的下方，飞轮轴向磁轴承定子轭81中心轴上固定飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭811，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭811上缠绕有飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812；飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体82嵌在飞轮轴向磁轴承定子轭81下端；飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体44同轴设置在飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体82下方，飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体44与飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体82组成飞轮轴向被动吸力磁轴承，飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体44嵌在轴向被动磁轴承永磁体安装槽440中。飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812外部设有轴向洛伦兹力磁轴承永磁体431，且飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812与轴向洛伦兹力磁轴承永磁体431之间留有气隙；轴向洛伦兹力磁轴承永磁体431固定在轴向洛伦兹力磁轴承转子轭43内壁上，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812和轴向洛伦兹力磁轴承永磁体431组成飞轮轴向洛伦兹力磁轴承。

参见图2，若干个配重磁力吸附装置45对称地嵌在飞轮4的下球体内，配重吸附装置45包括隔磁套、永磁体、弹簧和树脂盖，图中仅标出一组隔磁套、永磁体、弹簧和树脂盖，具体的装配方式为：配重磁力吸附装置隔磁套4511嵌在飞轮4的下球内，配重磁力吸附装置永磁体4521放置在配重磁力吸附装置隔磁套4511内部，配重磁力吸附装置弹簧4531放置在配重磁力吸附装置永磁体4521下端，且配重磁力吸附装置隔磁套4511端部利用配重磁力吸附装置树脂盖4541进行密封。飞轮轴向halbach被动磁轴承外永磁体安装槽460设置在飞轮4下球体中心位置，飞轮轴向halbach被动磁轴承外永磁体安装槽460中安装飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承外永磁体46，飞轮轴向halbach被动磁轴承外永磁体46底端与飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承内永磁体32顶端对齐，飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承内永磁体32固定在飞轮轴向halbach被动磁轴承定子轭33顶端，飞轮轴向halbach被动磁轴承定子轭33与外壳底盖3的中心轴同轴，飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承外永磁体46、飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承内永磁体32组成飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承；配重轴向被动磁轴承下部永磁体31安装在外壳底盖3上表面，且配重轴向被动磁轴承下部永磁体31与配重轴向被动磁轴承上部永磁体91同轴，且两者在轴向留有气隙，配重轴向被动磁轴承下部永磁体31与配重轴向被动磁轴承上部永磁体91组成配重轴向被动磁轴承，使得配重9悬浮；配重轴向被动磁轴承上部永磁体91嵌在配重9下端面的配重轴向被动磁轴承上部永磁体安装槽910中。配重9在径向上设有上层万向球面轴承101和下层万向球面轴承102，上层万向球面轴承101、下层万向球面轴承102与配重9之间存在径向气隙；上层万向球面轴承101和下层万向球面轴承102同轴设置，且固定在外壳中段2的下端内壁上。配重9和飞轮4在轴向上存在球面气隙。

散热系统7的工作方法为：为了降低飞轮4受到的空气摩擦，外壳上盖1、外壳中段2以及外壳底盖3组成真空环境，但真空环境不利于飞轮电机系统的散热，散热器71内部蚁穴式沟槽有利于散热液73的流动性，根据热对流的原理，散热液73在沟槽内将热量通过散热片(第一散热片721、第二散热片722、第三散热片723和第四散热片724)传递壳外。

飞轮安全保障结构的工作方式：飞轮4在真空环境中极易提速，当飞轮4转速达到警戒转速时会发生故障飞车，此时控制电磁阀121打开，破坏外壳腔体内的真空环境，增加飞轮4受到的空气阻力，快速使其降速。

配重9的姿态稳定方式为：在配重9还未吸附到飞轮4上时，配重9受到配重轴向被动磁轴承、上层万向球面轴承101和下层万向球面轴承102的作用，被悬浮在外壳底盖3上，以备飞轮4提速后吸附；待飞轮4减速，配重9下落时，防止较高转速引起飞车故障，上层万向球面轴承101和下层万向球面轴承102会对配重9的下落姿态进行修正，使其悬浮在安全位置上。

本实施例的飞轮电池系统工作方法为：飞轮电动机一61与飞轮电动机二62作为永磁同步电动机使用，根据此时的制动强度以及回收能量功率的大小，飞轮电动机一线圈612和飞轮电动机二线圈622可分别通电或同时通电；飞轮电池启动时，为了获得最大的起动转矩，同时向飞轮电动机一线圈612和飞轮电动机二线圈622通电；当回收能量功率小于飞轮电动机一61的额定功率时，单独对飞轮电动机一线圈612通电；当回收能量功率大于飞轮电动机一61的额定功率并小于飞轮电动机二62的额定功率时，单独对飞轮电动机二线圈622通电；当回收能量功率大于飞轮电动机二62的额定功率时，同时向飞轮电动机一线圈612和飞轮电动机二线圈622通电；实现飞轮电动机一61和飞轮电动机二62单独工作或同时工作，达到充电工作模式的运行要求并降低飞轮电机系统运行损耗。由于充电模式多发生在车辆制动以及下坡等工况，此时飞轮受到的扰动较大，为了达到精确抑制扰动并降低控制损耗的要求，损耗低的径向磁阻力磁轴承控制线圈(包括第一径向磁阻力磁轴承控制线圈5312、第二径向磁阻力磁轴承控制线圈5322和第三径向磁阻力磁轴承控制线圈5332)全程通电，从而对受到的扰动进行粗略抑制；损耗高但控制精度高的径向洛伦兹力磁轴承控制线圈(包括第一径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5212、第二径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5222和第三径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5232)根据扰动强度间歇性通电；轴向使用飞轮轴向被动吸力磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承配合工作的方式，轴向被动吸力磁轴承克服飞轮4的质量，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812根据扰动强度间歇性通电。

实施例2

本实施例结构用于车载磁悬浮飞轮电池工作于待机工作模式时。

如图3、4所示，与实施例1不同的是，本实施例中飞轮电动机一61和飞轮电动机二62的结构发生改变，飞轮电机定子铁心6外壁上沿轴向自上而下安装有飞轮电动机一定子轭611、隔磁铝环66和飞轮电动机二定子轭621，飞轮电动机一线圈612紧密地缠绕在飞轮电动机一定子轭611端部，飞轮电动机二线圈622紧密地缠绕在飞轮电动机二定子轭621端部，飞轮电动机一永磁体613与飞轮电动机二线圈622在轴向存在耦合，并在径向上存在锥环状的气隙，且将飞轮电动机二线圈622、飞轮电动机二定子轭621和飞轮电动机一永磁体613组成的飞轮电动机记为飞轮电动机三63。且配重9和飞轮4在轴向上的球面气隙消失，两者紧密贴合在一起。飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812与轴向洛伦兹力磁轴承永磁体431在轴向上不存在耦合(飞轮轴向洛伦兹力磁轴承失效)。

本实施例的飞轮电池系统工作方法为：飞轮4转速超过配重捕捉速度，根据F＝mω²r(其中F表示离心力，m表示质量，ω表示角速度，r表示半径)，可知配重磁力吸附装置永磁体受到的离心力大于配重磁力吸附装置弹簧的斥力，配重磁力吸附装置永磁体向配重磁力吸附装置树脂盖方向移动，配重9受到的磁力增大，实施例1中的配重被动磁轴承失效；配重9被配重磁力吸附装置45吸附到飞轮4的底端，轴向被动磁轴承与轴向洛伦兹力磁轴承平衡状态被破环，飞轮4与配重9结合体向下移动，此时飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承工作使飞轮电池在轴向上平衡且飞轮电机系统形状改变为飞轮电动机三63；飞轮电动机三63相较于飞轮电动机一61和飞轮电动机二62，扩大了气隙且减小了飞轮电动机三永磁体(即飞轮电动机二永磁体613)与飞轮电动机三线圈(即飞轮电动机二线圈622)的耦合面积；待机工作模式下的飞轮电动机三可以利用弱磁扩速运行且可以降低损耗。待机工作模式下，飞轮4受到的扰动较小；为了达到低损耗运行的目的，损耗低的径向磁阻力磁轴承控制线圈(包括第一径向磁阻力磁轴承控制线圈5312、第二径向磁阻力磁轴承控制线圈5322和第三径向磁阻力磁轴承控制线圈5332)全程通电，对受到的扰动进行抑制；损耗高的径向洛伦兹力磁轴承控制线圈(包括第一径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5212、第二径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5222和第三径向洛伦兹力磁轴承控制线圈5232)不通电，轴向仅使用飞轮halbach轴向被动磁轴承。

实施例3

结构用于车载磁悬浮飞轮电池工作于放电模式时。

如图5所示，本实施例一种应对多工作模式的结构自调整式飞轮电池系统与实施例1的结构相同，飞轮电动机一线圈612和飞轮电动机二线圈622输出能量，将机械能转化为电能，此时的飞轮电动机一61作为飞轮发电机一64使用，飞轮电动机二62作为飞轮发电机二65使用，飞轮发电机一64与飞轮发电机二65具有相同的径向气隙长度，且飞轮发电机一64的输出电压等级小于飞轮发电机二65。

放电模式下，要将飞轮4储存的机械能转换成电能，飞轮4的转速会下降，当飞轮4转速小于配重捕捉速度，根据F＝mω²r，可知配重磁力吸附装置永磁体受到的离心力小于配重磁力吸附装置弹簧的斥力，配重磁力吸附装置永磁体向配重磁力吸附装置隔磁套内壁顶端方向移动，配重9受到的磁力减小，配重9被配重磁力吸附装置45释放离开飞轮4底端，飞轮halbach轴向被动磁轴承平衡状态配破环，由于惯性以及向轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈812通电，飞轮4向上移动，重新恢复实施例1中的轴向平衡；此时飞轮电机系统的飞轮发电机一64与飞轮发电机二65作为永磁同步发电机使用，飞轮发电机一64和飞轮发电机二65具有不同的输出电压等级，可以分别输入到电动汽车控制电路以及拖动系统中。放电工作模式多发生在加速或上坡等车辆工况下，飞轮4受到的扰动较大，为了满足扰动抑制要求并地算好运行，此时磁轴承系统的工作模式与充电模式下的一致。

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 (9)

1.一种应对多工作模式的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，包括真空外壳，真空外壳内部从上到下依次设有散热器(71)、飞轮轴向磁轴承定子轭(81)、飞轮(4)和配重(9)；

所述散热器(71)内部沿周向设有蚁穴式沟道，所述沟道中存有散热液(73)，沟道上部连接有散热片，散热片末端置于真空外壳外部；

所述飞轮(4)下球体内对称嵌有若干个配重磁力吸附装置(45)，所述配重磁力吸附装置(45)包括隔磁套、永磁体、弹簧和树脂盖，所述隔磁套嵌在飞轮(4)的下球内，永磁体放置在隔磁套内部，弹簧放置在永磁体下端，且隔磁套利用树脂盖进行密封；

所述真空外壳的底盖上表面安装有配重轴向被动磁轴承下部永磁体(31)，所述配重轴向被动磁轴承下部永磁体(31)与配重轴向被动磁轴承上部永磁体(91)同轴间隙设置，配重轴向被动磁轴承下部永磁体(31)与配重轴向被动磁轴承上部永磁体(91)组成配重轴向被动磁轴承；

所述散热器(71)外部同轴设有飞轮电机定子铁心(6)，飞轮电机定子铁心(6)上设有电机，飞轮(4)内部设有径向磁阻力磁轴承(53)和径向洛伦兹力磁轴承(52)；

所述飞轮轴向磁轴承定子轭(81)的中心轴上固定飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭(811)，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承定子轭(811)上缠绕有飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈(812)，飞轮轴向洛伦兹力磁轴承控制线圈(812)和轴向洛伦兹力磁轴承永磁体(431)组成飞轮轴向洛伦兹力磁轴承；

所述飞轮轴向磁轴承定子轭(81)下端嵌有飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体(82)，飞轮轴向被动磁轴承上部永磁体(82)与飞轮轴向被动磁轴承下部永磁体(44)组成飞轮轴向被动吸力磁轴承；

所述真空外壳的底盖中心安装飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承。

2.根据权利要求1所述的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，所述电机为飞轮电动机一(61)与飞轮电动机二(62)，飞轮电动机一(61)和飞轮电动机二(62)的内部气隙为锥环状；飞轮电动机一(61)与飞轮电动机二(62)具有相同的径向气隙长度，且飞轮电动机一(61)的额定功率小于飞轮电动机二(62)。

3.根据权利要求2所述的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，飞轮电动机一的永磁体与飞轮电动机二的线圈在轴向存在耦合，并在径向上存在锥环状的气隙。

4.根据权利要求1所述的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，所述电机为飞轮发电机一(64)和飞轮发电机二(65)，飞轮发电机一(64)和飞轮发电机二(65)内部气隙为锥环状；飞轮发电机一(64)与飞轮发电机二(65)具有相同的径向气隙长度，且飞轮发电机一(64)的输出电压等级小于飞轮发电机二(65)。

5.根据权利要求1所述的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，所述配重(9)在径向上设有上层万向球面轴承(101)和下层万向球面轴承(102)，上层万向球面轴承(101)与配重(9)之间、下层万向球面轴承(102)与配重(9)之间分别存在径向气隙。

6.根据权利要求1所述的结构自调整式车载飞轮电池，其特征在于，所述真空外壳的上盖上开设有真空抽气管道(11)和进气管道(12)，所述进气管道(12)处安装有电磁阀(121)。

7.一种基于权利要求2所述的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，其特征在于：

飞轮电池系统启动时，同时向飞轮电动机一的线圈和飞轮电动机一的线圈通电，可获得最大的起动转矩；

当回收能量功率小于飞轮电动机一(61)的额定功率时，单独对飞轮电动机一的线圈通电；

当回收能量功率大于飞轮电动机一(61)的额定功率并小于飞轮电动机二(62)的额定功率时，单独对飞轮电动机二的线圈通电；

当回收能量功率大于飞轮电动机二(62)的额定功率时，同时向飞轮电动机一的线圈和飞轮电动机二的线圈通电；

径向磁阻力磁轴承(53)的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承(52)的控制线圈根据扰动强度间歇性通电；

飞轮轴向被动吸力磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承配合工作。

8.一种基于权利要求3所述的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，其特征在于：

配重(9)被配重磁力吸附装置(45)吸附到飞轮(4)的底端，飞轮轴向被动磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承平衡状态被破环，飞轮(4)与配重(9)下落；此时，飞轮轴向halbach轴向被动磁轴承工作，使飞轮电池在轴向上平衡；

径向磁阻力磁轴承(53)的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承(52)的控制线圈不通电。

9.一种基于权利要求4所述的结构自调整式车载飞轮电池的工作方法，其特征在于：

配重(9)被配重磁力吸附装置(45)释放，离开飞轮(4)底端，飞轮halbach轴向被动磁轴承平衡状态配破环，飞轮(4)向上移动，重新恢复轴向平衡；

飞轮发电机一(64)和飞轮发电机二(65)分别输出不同电压等级的能量到车辆控制电路以及拖动系统中；

径向磁阻力磁轴承(53)的控制线圈全程通电，径向洛伦兹力磁轴承(52)的控制线圈根据扰动强度间歇性通电；

飞轮轴向被动吸力磁轴承与飞轮轴向洛伦兹力磁轴承配合工作。

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