CN208299604U - 一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置；主要包括机壳、内箱体、飞轮转子、主轴和磁力耦合传动机构；磁力耦合传动机构的定子、永磁转子和调磁环转子都为圆筒形，调磁环转子位于定子和永磁转子之间；调磁环转子和定子之间存在径向气隙，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙；调磁环转子轴一端与调磁环转子连接；另一端伸出机壳；本实用新型可以回收车辆的制动能量；相比传统电驱式、机械式飞轮储能系统，具有结构紧凑体积小、静密封、箱体内温升小、磁力传动、无极变速等优点。

Description

一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置
技术领域
本实用新型属于一种储能装置，特别是涉及一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，尤其适合车用的制动储能。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益凸显，开发节能环保型汽车已成为未来汽车工。业的发展趋势。从节能的角度，目前驱动车辆的节能效果主要体现在两个方面：一是在混合动力汽车(包括部分插电式)上，可以控制内燃机始终在效率较高的区域工作；二是在制动过程中可以大幅回收动能。由于在汽车行驶所消耗的能量中，制动消耗的能量占了很大的比例，故大多数电驱动车辆都配备的制动能量回收功能。飞轮储能具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。但现有电驱式飞轮储能系统普遍是通过电动机和发电机对飞轮储能系统进行能量储存和释放，由于飞轮转子和电动/发电机在同一箱体内密封，不可避免的会引起箱体内温升。其次是机械式飞轮储能系统中的行星齿轮变速器是一种精密的机械部件，因此运行过程中会出现振动、噪声、磨损和定期维护等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有飞轮储能系统存在结构复杂、体积较大、集成度低以及系统中的机械齿轮存在振动、噪声和摩擦损耗等问题，提供了一种满足飞轮储能功能的且用磁力传动的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置。
本实用新型目的通过如下技术方案实现：
一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，主要包括机壳、内箱体、飞轮转子、主轴和磁力耦合传动机构；
所述磁力耦合传动机构主要包括定子、永磁转子、调磁环转子和调磁环转子轴；定子、永磁转子和调磁环转子都为圆筒形，调磁环转子位于定子和永磁转子之间；调磁环转子和定子之间存在径向气隙，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙；调磁环转子轴一端与调磁环转子连接；另一端伸出机壳；设定子磁极对数、调磁环转子中导磁块数、永磁转子磁极对数分别为Pout、Ns、Pin，Ns＝Pin+Pout；
所述机壳为空心结构，中部设有向内的连接体，内箱体设置在机壳空心内，与连接体连接，主要由内箱体和机壳形成密封空腔结构；飞轮转子和磁力耦合传动机构的永磁转子设置在密封空腔结构中，飞轮转子和永磁转子分别和主轴连接；调磁环转子轴位于内箱体外周。
为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述定子由定子铁心和定子绕组构成，定子绕组是一个m相定子绕组，当定子绕组通有m相交流电流时，形成Pout极对数的旋转电枢磁场，m、Pout为正整数；定子与机壳内侧连接。
优选地，所述永磁转子主要由永磁转子铁心和2Pin个永磁体单元构成，2Pin个永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列并固定在永磁转子铁心的外圆表面上，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。
优选地，所述调磁环转子由沿圆周方向交错设置的Ns个导磁块和Ns个非导磁块构成，Ns为正整数。
优选地，所述导磁块选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；导磁块由硅钢片叠压形成时，硅钢片沿轴向方向叠压形成导磁块或者是硅钢片沿圆周方向叠压形成导磁块；所述非导磁块选用环氧树脂或氧化锆材料。
优选地，所述的密封空腔结构还包括左端盖、左轴承端盖、第四密封垫片、第一密封垫片和第二密封垫片；左轴承端盖与左端盖采用第四密封垫片和周向布置的螺栓密封连接，左端盖与主箱体采用第一密封垫片和周向布置的螺栓密封连接，内箱体与主箱体采用第二密封垫片和周向布置的螺栓密封连接。
优选地，主轴左端通过第一磁浮轴承与左端盖转动连接，主轴中间部位通过第二磁浮轴承与主箱体的连接体转动连接；飞轮转子与永磁转子分别通过第一花键和第二花键固定在主轴上。
优选地，所述调磁环转子轴一端通过绝缘垫片和紧固螺栓固定在调磁环转子上；所述调磁环转子轴的一端从右轴承端盖伸出机壳，且通过第二深沟球轴承与右端盖转动连接；右轴承端盖与右端盖连接；右端盖与机壳右端连接。
优选地，所述调磁环转子轴通过第一深沟球轴承与机壳内侧连接。
优选地，所述主箱体设置在基座上，堵头设置左端盖上。
相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：
1、本实用新型将飞轮转子和一种磁力耦合传动机构巧妙结合，磁力耦合传动机构主要由定子、调磁环转子、永磁转子组成；调磁环转子和定子之间存在径向气隙，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙；飞轮转子和磁力耦合传动机构的永磁转子设置在密封空腔结构中，飞轮转子和永磁转子分别和主轴连接；磁力耦合传动机构可实现调速，飞轮转子可实现充放能，利用两者的位置关系、定子永磁转子极数比、速度转矩控制方式，可实现对车辆制动能量的回收。
2、本实用新型永磁转子、调磁环转子通过磁力传递速度和转矩，具有无摩擦损耗、低振动、低噪声、高可靠性等优点。
3、本实用新型飞轮转子与永磁转子同轴连接并真空密封在同一箱体内，相比传统电驱式飞轮储能系统中飞轮转子与电机在同一箱体内动密封，该方式箱体内温升小且密封可靠。
4、相比传统的机械式飞轮储能系统中飞轮转子+离合器+行星齿轮调速机构，该形式无离合器，结构简单、体积小、集成度高。
5、本实用新型车用利用飞轮储能的磁力耦合传动装置回收的制动能量可以通过快放和慢放的形式释放。慢放是能量先以飞轮机械能形式存储，再缓慢转换为电能后作为寄生能量存储在动力电池中；快放是能量回收结束后，车辆如果要瞬时加速，飞轮存储能量可立刻转化为车辆机械能。
附图说明
图1为本实用新型利用飞轮储能的磁力耦合传动装置的结构示意图。
图2为图1的A‐A向剖视图。
图3为飞轮储能磁力耦合装置应用于车辆时的驱动系统。
图4为制动能量回收模式转速关系图。
图5为飞轮能量慢放模式转速关系图。
图6为飞轮能量快放模式转速关系图。
图中示出：基座1、连接螺栓2、堵头3、第四密封垫片4、左轴承端盖5、主轴6、第一磁浮轴承7、第一花键8、左端盖9、第一密封垫片10、飞轮转子11、第二磁浮轴承12、第二密封垫片13、主箱体14、第一深沟球轴承15、定子16、定子铁芯16‐1、定子绕组16‐2、调磁环转子17、导磁块17‐1、非导磁块17‐2、绝缘垫片18、永磁转子19、永磁转子铁芯19‐1、永磁体单元19‐2、第二花键20、第三密封垫片21、右轴承端盖22、调磁环转子轴23、第二深沟球轴承24、右端盖25、内箱体26、紧固螺栓27、蓄电池30、车辆控制器31、电力电子变换器32、利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33、常规传动系统34、制动器35、离合器36、差速器37、驱动轮38。
具体实施方式
为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限如此。
如图1和2所示，一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，包括机壳、内箱体26、飞轮转子11、主轴6和磁力耦合传动装置；
磁力耦合传动装置主要包括定子16、永磁转子19、调磁环转子17和调磁环转子轴23；定子16、永磁转子19和调磁环转子17都为圆筒形，调磁环转子17位于定子16和永磁转子19之间；调磁环转子17和定子16之间存在径向气隙L1，调磁环转子17与永磁转子19之间存在径向气隙L2；调磁环转子轴23一端与调磁环转子17连接；另一端伸出机壳；
机壳为空心结构，优选为圆筒形，中部设有向内的连接体，形成工字型结构；内箱体26设置在机壳空心内，与连接体连接，主要由内箱体26和机壳形成密封空腔结构；飞轮转子11和磁力耦合传动装置的永磁转子19设置在密封空腔结构中，飞轮转子11和永磁转子19分别和主轴6连接；调磁环转子轴17位于内箱体26的外周；
设定子磁极对数、调磁环转子中导磁块数、永磁转子磁极对数分别为Pout、Ns、Pin，且必须满足Ns＝Pin+Pout。
优选地，如图2所示，定子16由定子铁心16‐1和定子绕16‐2组构成，定子绕组16‐2是一个m相定子绕组，当定子绕组16‐2通有m相交流电流时，形成Pout极对数的旋转电枢磁场，m、Pout为正整数；定子16与机壳内侧连接。
永磁转子19主要由永磁转子铁心19‐1和2Pin个永磁体单元19‐2构成，2Pin个永磁体单元19‐2沿圆周方向均匀分布排列并固定在永磁转子铁心19‐1的外圆表面上，相邻两块永磁体单元19‐2的充磁方向相反。
调磁环转子17由沿圆周方向交错设置的Ns个导磁块17‐1和Ns个非导磁块17‐2构成，Ns为正整数。优选地，导磁块17‐1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；导磁块由硅钢片叠压形成时，硅钢片沿轴向方向叠压形成导磁块或者是硅钢片沿圆周方向叠压形成导磁块；非导磁块17‐2选用环氧树脂或氧化锆材料。
密封空腔结构还包括左端盖9、左轴承端盖5、第四密封垫片4、第一密封垫片10和第二密封垫片13；左轴承端盖5与左端盖9采用第四密封垫片4和周向布置的螺栓密封连接，左端盖9与主箱体14采用第一密封垫片10和周向布置的螺栓密封连接，内箱体26与主箱体14采用第二密封垫片13和周向布置的螺栓密封连接。
优选主轴6左端通过第一磁浮轴承7与左端盖5转动连接，主轴6中间部位通过第二磁浮轴承12与主箱体14的连接体转动连接；飞轮转子11与永磁转子19分别通过第一花键8和第二花键20固定在主轴上。主箱体14设置在基座1上，堵头3优选设置左端盖9上，控制密封腔体结构的真空度，启动真空泵进行抽气，由于系统中的空气很难抽尽，为了达到0.1Pa的真空度，抽真空要分数次进行，其间隔为10min左右，以使系统内的压力均衡。
优选调磁环转子输出轴23和主轴6的轴线重合。
调磁环转子轴23一端通过绝缘垫片18和紧固螺栓27固定在调磁环转子17上；调磁环转子轴23的一端从右轴承端盖22伸出机壳，且通过第二深沟球轴承24与右端盖25转动连接；右轴承端盖22与右端盖25连接；右端盖25与机壳右端连接。
本实用新型机壳可以包括左端盖9、右端盖25和主箱体14以及左轴承端盖5、右轴承端盖22。
本实用新型飞轮转子11与永磁转子17同轴连接，且分别通过第一花键8和第二花键20固定在主轴6上，主轴6左端通过第一磁浮轴承7与左端盖9转动连接，主轴6中间部位通过第二磁浮轴承12与主箱体14转动连接，并密封在由左轴承端盖5、左端盖9、主箱体14、内箱体26组成的真空箱体内。飞轮转子11可选用超高强度钢。
本实用新型的密封措施：左轴承端盖5与左端盖9采用密封垫片4和周向布置的螺栓进行密封连接，左端盖9与工字型主箱体14采用密封垫片10和周向布置的螺栓进行密封连接，内箱体26与主箱体14采用密封垫片13和周向布置的螺栓进行密封连接。
调磁环转子设计：调磁环转子17位于定子16和永磁转子19之间，通过紧固螺栓27固定在调磁环转子轴23的端盖上，其中绝缘垫片18位于调磁环转子17和调磁环转子轴23的端盖之间；调磁环转子17采用第一深沟球轴承15与工字型主箱体14转动连接，调磁环转子轴23采用第二深沟球轴承24与右端盖25转动连接。
磁力耦合传动机构为无刷双转子电机结构，主要由定子16、调磁环转子17、永磁转子19组成。优选调磁环转子17和定子16之间存在径向气隙L1为1mm，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙L2为3mm。
优选定子绕组16‐2是一个3相定子绕组，当定子绕组16‐2通有3相交流电流时，会形成13极对数的旋转电枢磁场，即Pout取13。
永磁转子19的极对数取2对，即Pin＝2，永磁转子19由永磁转子铁心19‐1和4个永磁体单元19‐2构成，4个永磁体单元19‐2沿圆周方向均匀分布排列并表贴在永磁转子铁心19‐1的外圆表面上，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。
调磁环转子17由15个导磁块17‐1、15个非导磁块17‐2构成且沿圆周方向交错布置，即Ns＝15。导磁块17‐1选用硅钢片，沿圆周方向叠压形成导磁块。非导磁块17‐2选用氧化锆陶瓷材料。
定子磁极对数Pout、调磁环转子中导磁块数Ns、永磁转子磁极对数Pin满足条件Ns＝Pout+Pin。
为了说明本实用新型的工作原理，下面以图3所示应用为例进行说明。
设定子磁极对数、调磁环转子中导磁块数、永磁转子磁极对数分别为Pout、Ns、Pin，同时假设定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速分别是ωout、ωs、ωin。
根据磁场调制原理，定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速满足如下关系：
由式(1)可知定子磁场转速由调磁环转子转速和永磁转子转速共同决定，而且通过改变定子磁场转速，可以调节调磁环转子和永磁转子的转速差，实现两个转子转速的独立运行。
磁力耦合传动机构和行星齿轮具有相似的转速关系，其定子磁场、调磁环转子、永磁转子的转速相当于行星齿轮太阳轮、行星架、齿圈的转速。
用图解分析方法分析其转速特性，当横坐标上代表定子、调磁环转子和永磁转子的3点满足一定位置约束关系时，即定子和调磁环转子距离为Pin/Pout，调磁环转子和永磁转子距离为1，纵坐标代表转速大小和方向，此时定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速始终在同一直线上，即具有转速共线特性。
调磁环转子17、永磁转子19分别作为装置的输入、输出构件时，通过对定子16侧磁场转速进行调节即可实现不同的转速或转矩输出。
该驱动系统由蓄电池30、车辆控制器31、电力电子变换器32、利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33、常规传动系统34、制动器35、离合器36、差速器37和驱动轮38组成。蓄电池30作为直流供电电源，该电源的端电压近似为恒定值，通过电力电子变换器32的作用可得到可变频率和电压的三相交流电。
蓄电池30、车辆控制器31、常规传动系统34、制动器35、离合器36、差速器37和驱动轮38构成汽车的主驱动系统。
利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33的机械端口与制动器35相连，且通过离合器36、差速器37作用于驱动轮38，利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33电气端口通过电力电子变换器32与蓄电池30相连，构成了汽车的制动能量回收系统及汽车辅助驱动系统。
汽车正常运行时，由主驱动系统驱动；当汽车刹车、下坡时，由利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33、制动器35、离合器36、差速器37和驱动轮38、电力电子变换器32、蓄电池30组成制动能量回收系统，可将制动能量转化为飞轮的机械能称为快充；当汽车需加速行驶，由利用飞轮储能的磁力耦合传动装置33、制动器35、离合器36、差速器37和驱动轮38、电力电子变换器32、蓄电池30组成辅助驱动系统，飞轮机械能瞬时释放，可通过调节电力电子变换器32的输出频率使车辆负载的速度上升，称为快放；当飞轮存储能量不足以驱动汽车加速运行或汽车不需加速行驶，可先将飞轮的机械能缓慢转化为电能存储在蓄电池中，称为慢放。
利用飞轮储能的磁力耦合传动装置主要工作模式如下：
1)制动能量回收模式
图4为飞轮能量存储模式转速关系图；由定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速具有转速共线特性得到，图4中实线为利用飞轮储能的磁力耦合传动装置初始平衡状态对应的各部件转速，虚线为能量回收结束后装置各部件达到的平衡状态。
离合器36结合，制动器35分离。此时调磁环转子17由静止状态开始加速，即图4中调磁环转子转速ωs从A点升到B点的过程，且按指数规律递增。定子绕组仍在最初设定的运行频率下即定子侧磁场转速ωout为固定值，飞轮转子的速度ωin由公式(1)可知，飞轮转子逐渐加速至角速度最大值，即图4中飞轮转子转速从C点到D点的过程，该过程为储能飞轮能量回收过程。该图4说明了车辆制动时，在离合器的摩擦力矩的作用下使得调磁环转子17加速，经飞轮储能磁力耦合传动机构进行速度放大，将制动能量储存在飞轮转子中的过程。
2)存储能量输出模式
图5为飞轮能量慢放模式转速关系图；由定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速具有转速共线特性得到。图5中实线为能量回收结束后装置各部件达到的平衡状态，虚线为飞轮机械能逐渐转化为电能后达到的平衡态。
慢放(飞轮存储能量转化为电能)：能量回收结束时，离合器36断开，制动器35结合。此时调磁环转子在制动器的作用下转速降为0r/min，即图5中调磁环转子转速ωs从B点到A点，飞轮转子速度也随之逐渐降低，如图5所示飞轮转子转速ωin从D点降到C点的过程。飞轮转子的机械能缓慢释放为定子侧电能后存储在动力电池中，直至飞轮转子降至最低储能速度，放能结束。图5说明了能量回收结束后，在制动器作用下，调磁环转子静止，此时磁力耦合传动机构相当于调磁型永磁发电机，实现飞轮转子机械能到电能的转化。
图6为飞轮能量快放模式转速关系图；由定子磁场转速、调磁环转子转速和永磁转子转速具有转速共线特性得到。图6中实线为能量回收结束后装置各部件达到的平衡状态，虚线为飞轮瞬时释放能量使汽车加速后各部件达到的平衡状态，双点画线为剩余存储能量以慢放形式释放后达到的平衡状态。
快放(飞轮存储能量转化为车辆机械能)：能量回收结束时，车辆如果要瞬时加速即图6中需要将调磁环转子速度从D点升到E点。此时离合器36继续结合，瞬时调节定子侧的频率的大小和方向，如图6所示定子侧频率从A点到B点时，定子磁场转速ωout变化到某一固定值，由公式(4)可知，飞轮转子速度下降，飞轮转子速度ωin从H点降到G点，调磁环转子速度将从D点上升到E点并带动车辆加速，最终达到平衡态，实现飞轮的瞬时能量释放。剩余能量仍可以以慢放的形式转化为电能加以回收。图6说明了能量回收结束后，瞬时调节定子侧的频率的大小和方向，可使车辆加速，剩余存储能量再以慢放形式释放。

Claims (10)

1.一种利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：主要包括机壳、内箱体、飞轮转子、主轴和磁力耦合传动机构；
所述磁力耦合传动机构主要包括定子、永磁转子、调磁环转子和调磁环转子轴；定子、永磁转子和调磁环转子都为圆筒形，调磁环转子位于定子和永磁转子之间；调磁环转子和定子之间存在径向气隙，调磁环转子与永磁转子之间存在径向气隙；调磁环转子轴一端与调磁环转子连接；另一端伸出机壳；设定子磁极对数、调磁环转子中导磁块数、永磁转子磁极对数分别为Pout、Ns、Pin，Ns＝Pin+Pout；
所述机壳为空心结构，中部设有向内的连接体，内箱体设置在机壳空心内，与连接体连接，主要由内箱体和机壳形成密封空腔结构；飞轮转子和磁力耦合传动机构的永磁转子设置在密封空腔结构中，飞轮转子和永磁转子分别和主轴连接；调磁环转子轴位于内箱体外周。
2.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述定子由定子铁心和定子绕组构成，定子绕组是一个m相定子绕组，当定子绕组通有m相交流电流时，形成Pout极对数的旋转电枢磁场，m、Pout为正整数；定子与机壳内侧连接。
3.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述永磁转子主要由永磁转子铁心和2Pin个永磁体单元构成，2Pin个永磁体单元沿圆周方向均匀分布排列并固定在永磁转子铁心的外圆表面上，相邻两块永磁体单元的充磁方向相反。
4.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述调磁环转子由沿圆周方向交错设置的Ns个导磁块和Ns个非导磁块构成，Ns为正整数。
5.根据权利要求4所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述导磁块选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体；导磁块由硅钢片叠压形成时，硅钢片沿轴向方向叠压形成导磁块或者是硅钢片沿圆周方向叠压形成导磁块；所述非导磁块选用环氧树脂或氧化锆材料。
6.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述的密封空腔结构还包括左端盖、左轴承端盖、第四密封垫片、第一密封垫片和第二密封垫片；左轴承端盖与左端盖采用第四密封垫片和周向布置的螺栓密封连接，左端盖与主箱体采用第一密封垫片和周向布置的螺栓密封连接，内箱体与主箱体采用第二密封垫片和周向布置的螺栓密封连接。
7.根据权利要求6所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：主轴左端通过第一磁浮轴承与左端盖转动连接，主轴中间部位通过第二磁浮轴承与主箱体的连接体转动连接；飞轮转子与永磁转子分别通过第一花键和第二花键固定在主轴上。
8.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述调磁环转子轴一端通过绝缘垫片和紧固螺栓固定在调磁环转子上；所述调磁环转子轴的一端从右轴承端盖伸出机壳，且通过第二深沟球轴承与右端盖转动连接；右轴承端盖与右端盖连接；右端盖与机壳右端连接。
9.根据权利要求1所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述调磁环转子轴通过第一深沟球轴承与机壳内侧连接。
10.根据权利要求6所述的利用飞轮储能的磁力耦合传动装置，其特征在于：所述主箱体设置在基座上，堵头设置左端盖上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108321978A (zh) * 2018-05-14 2018-07-24 华南理工大学 一种飞轮储能磁力耦合传动装置
US20230039164A1 (en) * 2021-08-03 2023-02-09 Hamilton Sundstrand Corporation System and method to disconnect and brake a rotating device

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