夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池及工作方法與流程
2023-07-31 02:38:26
本發明涉及飛輪電池（也稱飛輪儲能裝置）領域，尤其是一種用於電動汽車的磁懸浮飛輪電池。
背景技術：
磁懸浮飛輪電池是一種高效、清潔、適合移動、以儲存機械能代替儲存電能的二次放電裝置。它利用不接觸的旋轉飛輪儲存能量，具有高比功率和比能量、充電快、高轉速、壽命長以及環境友好等優點，廣泛應用在交通運輸、航空航天、電力能源等領域。
磁懸浮飛輪電池的工作原理為：磁懸浮飛輪電池利用電力電子轉換裝置從外部輸入電能驅動電動機旋轉，電動機帶動飛輪轉子旋轉，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，以滿足不同的需求。磁懸浮飛輪電池的拓撲結構主要由真空室、飛輪轉子、電動機／發電機、磁軸承及保護軸承等組成。飛輪電池系統一般放置在高真空的密封機殼內，雖然通過提高真空度可以降低風損，但是稀薄的氣體環境使系統散熱功能減弱，導致轉子的溫度極易升高。另外，飛輪電池的待機損耗高（自放電率高），如停止充電，飛輪電池儲存的能量在幾到幾十個小時內會自行耗盡。飛輪電池大部分時間工作在高速「待機」狀態，因此飛輪電池的支承與傳動系統應兼具低損耗、高可靠性的特點。再者，對於車用飛輪電池，汽車不同行駛狀態及所行駛的道路狀況均會導致陀螺效應的產生，所以軸承除了承受飛輪轉子的自重外，還得承受陀螺力。尤其隨著路況複雜度的增加導致陀螺效應更加明顯，使得飛輪轉子系統極易失穩。因此電動汽車用磁懸浮飛輪電池系統應兼具散熱好、低損耗、高可靠性的特點。
現有技術的飛輪電池拓撲結構通常採用主動/被動/混合磁軸承支承立式主軸，再配以徑向氣隙結構形式電機來實現飛輪轉子的懸浮支承與傳動，因此現有技術的懸浮支承方式和電機的選擇方式將飛輪電池的整體拓撲方式組成為有軸樹狀結構，陀螺效應不可避免。而且隨著能源緊缺，路況複雜程度的增加導致車載飛輪電池的陀螺效應更加明顯，使得飛輪轉子極易失穩。除此之外，採用傳統磁懸浮支承方式（主動/被動/混合磁軸承）雖然能夠提供飛輪電池穩定運行的懸浮支承力，但是分別存在支承損耗高、承載力不足、體積大等缺點，而且採用此類飛輪電池拓撲結構，散熱性能一直沒有得到改善。另外，現有技術的飛輪電池所採用的電機多採用傳統的徑向氣隙結構形式，同時為了減小磁路的磁阻，選用高磁導率的矽鋼片疊壓製成鐵心，而鐵心的存在又導致了電機體積大、重量大、損耗大、振動噪聲大等問題，進而導致飛輪電池待機損耗大。因此，如何改進飛輪電池的整體拓撲結構，即設計新型懸浮支承拓撲結構與電機結構，用來改善飛輪電池陀螺效應、散熱差和待機損耗大等是目前電動汽車用磁懸浮飛輪電池領域亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的是為解決現有技術存在的上述問題而提供一種散熱好、待機損耗小且可以有效抑制陀螺效應的夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池，本發明同時還提供該飛輪電池的工作方法。
本發明夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池解決其技術問題所採用的技術方案是：包括由頂部端蓋、底部端蓋和圓桶圍成的真空室，真空室內部正中央是立式轉軸，立式轉軸的頂端外部同軸空套一個上部保護軸承、底端外部同軸空套一個下部保護軸承，立式轉軸的軸向正中間同軸設置盤式飛輪電機，盤式飛輪電機的正上方和正下方各同軸裝有一個結構相同、相對於盤式飛輪電機在軸向上下對稱布置且空套在立式轉軸外的盤形磁軸承，每個盤形磁軸承上繞有一組徑向控制線圈；所述盤式飛輪電機由一個定子、兩個轉子和兩組永磁體組成，定子位於盤式飛輪電機的正中間且同軸空套在立式轉軸外，2個轉子分別對稱布置於定子的上下兩側且同軸固定套接在立式轉軸上；2個轉子在背對著定子的表面上均沿圓周方向貼有一組永磁體，一組永磁體是由四片相同的環形永磁體組成，四片環形永磁體均以N極、S極首尾相接方式排列成圓環狀，
盤式飛輪電機的外徑為2R，R是盤式飛輪電機的半徑，兩個轉子的外徑、兩個盤形磁軸承的外徑以及永磁體所排列成的圓環狀的外徑均為2R，定子的外徑小於2R，盤式飛輪電機的軸向高度與其半徑R 的比例為1:10，兩個盤形磁軸承之間的軸向最大高度和半徑R的比是3:5。
本發明夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池的工作方法採用的技術方案是包括以下步驟：
A、由兩個盤形磁軸承控制兩個轉子實現起浮，在兩個轉子起浮到中心位置後，外界電能驅動盤式飛輪電機加速旋轉，盤式飛輪電機作電動機使用；
B、兩個轉子達到一定轉速後由外部電力電子裝置提供低壓維持轉速，兩個盤形磁軸承控制兩個轉子穩定懸浮；
C、控制兩組徑向控制線圈斷電，兩個轉子施加轉矩，通過電力電子裝置向外設輸出電能，兩個轉子轉速不斷下降，盤式飛輪電機作發電機使用。
本發明與現有技術相比的有益效果在於：
1、本發明將飛輪電池的整體拓撲結構設計為盤式結構，將盤式磁軸承與盤式飛輪電機均設計為扁平結構，明顯縮短了立式軸的軸向長度，使得整個飛輪系統的拓撲結構呈現扁平狀，這種軸向尺寸明顯小於徑向尺寸的扁盤形趨向於「無軸」的飛輪電池拓撲結構，避免了現有技術中的樹狀有軸拓撲結構的飛輪電池具有強烈的陀螺效應，有利於抑制磁懸浮飛輪轉子的陀螺效應。
2、由於飛輪電池在真空環境中散熱速度較慢，因此熱場的變化對系統工作穩定性影響較大，本發明所設計的夾心式飛輪電池結構具有大氣隙，可使雜散損耗降低，節約能源，增加散熱速度，降低繞組溫升，提高效率。
3、本發明將懸浮支承結構設計為上下兩個盤式軸承組合而成的夾心式盤形磁軸承，且由此軸承結構及氣隙所配備的盤式飛輪電機採用無鐵心盤式永磁無刷直流電機，無機械換向器的損耗、勵磁銅耗及基本鐵耗，因此空載損耗也可大大減小，大大降低了傳動系統的能量損耗，特別是飛輪電池在待機狀態下的能量損耗。
4、本發明用一套控制線圈形成極對數為1的旋轉磁場（通三相交流電產生的旋轉磁場），與帶有永磁體產生的極對數為2的旋轉磁場（機械旋轉磁場）相互作用，只用一套繞組即可實現飛輪電池系統的五自由度懸浮支承（徑向二自由度的主動控制，其餘三自由度控制均由於本發明的特殊結構實現了穩定被動控制），大大降低了支承系統的能量損耗，特別是飛輪電池在待機狀態下的能量損耗，提高了飛輪電池的儲能效率，並且保證了車載飛輪電池在五自由度的穩定懸浮性，抑制了陀螺效應。
附圖說明
圖1為本發明夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池的立體結構示意圖；
圖2為圖1的軸向剖視圖；
圖3為圖1中上部和下部盤形磁軸承的結構分解圖；
圖4為圖1所示磁懸浮飛輪電池的徑向扭轉二自由度懸浮原理圖；
圖5為圖1所示磁懸浮飛輪電池的軸向懸浮原理圖；
圖6為圖1所示磁懸浮飛輪電池的徑向二自由度懸浮原理圖。
圖中：1.盤式飛輪電機；11.定子；121.上部轉子；122.下部轉子；131.上部永磁體；132.下部永磁體；21.上部氣隙；22.下部氣隙；31.上部盤形磁軸承；311、312、313.上部盤形磁軸承的凸型磁極；32.下部盤形磁軸承；321、322、323.下部盤形磁軸承的凸型磁極；41、42.控制線圈；411、412、413.上部徑向控制線圈；421、422、423.下部徑向控制線圈；5.立式轉軸；61.上部保護軸承；62.下部保護軸承；7.真空室；71.頂部端蓋；72.底部端蓋；73.圓桶；81、82、83、84.連接件。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，本發明夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池具有一個真空室7，真空室7是由頂部端蓋71、底部端蓋72和圓桶73圍成的真空腔室，其中圓桶73的頂部中央和底部中央各是開口，頂部中央開口處用頂部端蓋71密封固定，底部中央開口處用底部端蓋72密封固定。在真空室7內部設有1個盤式飛輪電機1、1個立式轉軸5、2個相同的盤形磁軸承31、32。
真空室7內部正中央是立式轉軸5，立式轉軸5的中心軸與真空室7的中心軸重合，立式轉軸5的頂端外部同軸空套一個上部保護軸承61，上部保護軸承61同時以連接件81固定在頂部端蓋71的中間位置，上部保護軸承61屬於徑向-軸向輔助軸承，採用角接觸球軸承，其與立式轉軸5之間的軸向、徑向氣隙為0.25mm。立式轉軸5的底端外部同軸空套一個下部保護軸承62，下部保護軸承62在底部端蓋72的中間位置，下部保護軸承62同時以連接件82固定在底部端蓋72上，該下部保護軸承62屬於徑向輔助軸承，採用深溝球軸承，與立式轉軸5之間的徑向氣隙為0.25mm。
立式轉軸5的軸向正中間同軸設置盤式飛輪電機1，在盤式飛輪電機1的正上方、正下方各同軸安裝一個盤形磁軸承，分別是位於盤式飛輪電機1正上方的上部盤形磁軸承31和正下方的下部盤形磁軸承32，上部盤形磁軸承31位於上部保護軸承61的軸向正下方，下部盤形磁軸承32位於下部保護軸承62的正上方，上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32結構相同，並且相對於盤式飛輪電機1在軸向上下對稱布置，以即鏡面對稱的方式位於盤式飛輪電機1的軸向兩側。上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32同軸空套在立式轉軸5外，同時上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32分別以一個連接件83固定連接於圓桶73的側壁上。連接件8、82、83可以採用焊接或螺紋連接方式連接。這樣，立式轉軸5 同時同軸空套於上部保護軸承61、下部保護軸承62、上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32中間。上部盤形磁軸承31與盤式飛輪電機1上表面之間形成軸向上部氣隙21，下部盤形磁軸承32與盤式飛輪電機1下表面之間形成軸向下部氣隙22，上部氣隙21和下部氣隙22均是2mm的圓柱狀空氣層，兩個氣隙既可作為軸向氣隙又可作為徑向氣隙。
盤式飛輪電機1採用雙轉子無鐵心盤式電機，由一個定子11、兩個轉子和兩組永磁體組成。盤式飛輪電機1採用中間定子結構，定子11位於盤式飛輪電機1的正中間，同軸空套在立式轉軸5外，定子11以連接件84固定連接圓桶73的側壁。2個轉子分別位於定子11上下兩側，分別是上部轉子121與下部轉子122，上部轉子121與下部轉子122相對於定子11以鏡面對稱方式軸向對稱布置。上部轉子121與下部轉子122同軸固定套接在立式轉軸5上，與立式轉軸5共同旋轉。轉子既是電機轉子也是飛輪電池的飛輪。
2個轉子在背對著定子11的表面上，均沿沿圓周方向以貼片形式貼有四片相同的環形圍繞的一組永磁體，一組永磁體是由四片相同的環形永磁體組成，上部轉子121的上表面上貼著四片相同的環形的一組上部永磁體131，下部轉子122的下表面上貼著四片相同的環形的一組上部永磁體132。上部轉子121和下部轉子122的每個轉子上的一組四片永磁體131、132均以N極、S極首尾相接的交替方式排列成圓環狀。
盤式飛輪電機1的外徑為2R，R是盤式飛輪電機1的半徑。上部轉子121、下部轉子122的外徑、上部盤形磁軸承31、下部盤形磁軸承32的外徑以及上部永磁體131、下部永磁體132所排列成的圓環狀的外徑都相同，均為2R。定子11的外徑2r略小於2R，r是定子11的半徑。但圓桶73的內徑大於2R。盤式飛輪電機1的軸向高度h與其半徑R 的比例為1:10。上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32之間的軸向最大高度是H，即上部盤形磁軸承31的上表面和下部盤形磁軸承32的下表面的軸向之間的高度是H，高度H和半徑R的比例是3:5。使得整個飛輪電池成扁平結構，滿足其極慣性矩/赤道慣性矩在1.4～2之間，可有效抑制陀螺效應。
如圖3所示，上部盤形磁軸承31與下部盤形磁軸承32的外形均是中空的圓柱狀，且每個磁軸承具有沿圓周方向均勻分布的三個相同的凸型磁極，上部盤形磁軸承31具有凸型磁極311、312、313，下部盤形磁軸承32具有凸型磁極321、322、323。在上部盤形磁軸承31的下端，沿著圓周方向每隔120度從下至上進行開槽，所開槽的軸向高度為上部盤形磁軸承31軸向高度的五分之三，開槽個數為3，開槽弧度為90度，如此形成上部盤形磁軸承31的三個凸型磁極311、312、313。在下部盤形磁軸承32的上端，沿著圓周方向每隔120度從上至下進行開槽，開槽個數為3，所開槽的軸向高度為下部盤形磁軸承32的軸向高度的五分之三，開槽弧度為90度，因而形成沿圓周方向均勻分布的下部盤形磁軸承32的凸型磁極321、322、323。上部盤形磁軸承31的凸型磁極311、312、313與位於上部轉子121上表面上的上部永磁體131之間是軸向上部氣隙21，下部盤形磁軸承32的凸型磁極321、322、323與位於下部轉子122下表面上的下部永磁體132之間是軸向下部氣隙22。
在上部盤形磁軸承31的凸型磁極上繞有一組上部徑向控制線圈，即是在凸型磁極311、312、313上分別對應纏繞上部徑向控制線圈411、412、413這三個線圈。每個上部徑向控制線圈411、412、413以軸向布置，且以星形連接的方式相連接，分別引出三個徑向控制線圈的接線端子。在每個下部盤形磁軸承32的凸型磁極上也繞有一組下部徑向控制線圈，即是在凸型磁極321、322、323上分別對應纏繞下部徑向控制線圈421、422、423。。每個下部徑向控制線圈421、422、423以軸向布置，且均以星形連接的方式相連接，分別引出三個徑向控制線圈的接線端子。
根據磁迴路要求，磁路部件需導磁性能良好、磁滯低、並儘量降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32均採用矽鋼片疊壓而成。上部永磁體131和下部永磁體132均採用高性能稀土材料錢鐵硼。
參見圖1-3所示，本發明夾心式電動汽車用磁懸浮飛輪電池工作時有三種工作模式：分別是充電模式、保持模式和放電模式，具體如下：
充電模式：飛輪電池系統在充電時，先由上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32控制轉子實現起浮，即給兩組徑向控制線圈311、312、313、411、412、413通電，實現徑向二自由度主動控制，並配合上部永磁體131、下部永磁體132實現徑向扭轉二自由度和軸向的被動懸浮控制。然後，在上部轉子121和下部轉子122起浮到中心位置後，由外界電能驅動盤式飛輪電機1，盤式飛輪電機1帶動上部轉子121和下部轉子122加速旋轉，達到設計的最高轉速，儲存能量，此時的盤式飛輪電機1作電動機使用。
保持模式：此過程飛輪高速旋轉，儲存動能。上部轉子121和下部轉子122達到一定轉速後轉入低壓模式，由外部電力電子裝置提供低壓，維持飛輪電池儲能能量的待機損耗為最小水平，維持飛輪的轉速。此時，給兩組徑向控制線圈311、312、313、411、412、413通電，由上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32控制上部轉子121和下部轉子122的穩定懸浮，並在保持最小待機損耗的基礎上，實時抑制由車載工況引起的陀螺效應。
放電模式：此時兩組徑向控制線圈311、312、313、411、412、413斷電（只在徑向扭轉二自由度和軸向方向上存在被動懸浮控制），上部轉子121和下部轉子122給盤式飛輪電機1施加轉矩，通過電力電子裝置向外設輸出電能，上部轉子121和下部轉子122轉速不斷下降，此時的盤式飛輪電機1作發電機使用。
上部盤形磁軸承31和下部盤形磁軸承32的工作方法如下：
徑向扭轉二自由度和轉子軸向上的平移運動的被動控制實現：參見圖4和圖5，由於盤式飛輪電機1的軸向高度h遠小於其半徑R，根據磁阻力特性可知：上部轉子121和下部轉子122在軸向平移和徑向扭轉方向屬被動懸浮控制，即轉上部轉子121和下部轉子122一旦有傾斜或軸向位移，磁阻力都會作用使其回到平衡位置。即對於徑向扭轉二自由度方向的控制，磁阻力即為恢復扭轉力Fr；對於軸向方向的控制，磁阻力即為軸向力Fz。
徑向二自由度主動控制的實現：當上部轉子121和下部轉子122在徑向二自由度（x、y軸方向）受到幹擾而偏離平衡位置時，對於互成120度的三相上部的徑向控制線圈411、412、413，此時均通電會產生一個極對數為1的旋轉磁場，即可看做等效電流A1產生的旋轉磁場（通三相交流電產生的旋轉磁場），進而形成磁通。同理，對於互成120度的下部的徑向控制線圈421、422、423，此時通電產生一個極對數為1的旋轉磁場（通三相交流電產生的旋轉磁場），即可看做等效電流A2產生的旋轉磁場，進而形成磁通。此時處於旋轉狀態且帶有上部永磁體131和下部永磁體132的上部轉子121和下部轉子122也可看作是轉子等效電流B1、B2產生的旋轉磁場（機械旋轉磁場），進而形成磁通。兩種磁場相互作用，經過磁通疊加，進而在徑向氣隙中形成不等的磁通密度，導致徑向懸浮力產生，使得上部轉子121和下部轉子122回到平衡位置。
由於上部轉子121和下部轉子122在徑向二自由度主動控制時，受力方向一致，因此僅以上部轉子121受力分析為例。參見圖6，以x軸負方向受到幹擾為例：利用極對數為1的上部的徑向控制線圈411、422、433產生2極磁通C1，貼於上部轉子121上表面且與之同步的上部永磁體131產生4極磁通D1。此時，2極磁通C1與4極磁通D1經過相疊加，導致氣隙q1處的磁通密度增加，氣隙q2處的磁通密度減小，產生沿x軸正方向的徑向懸浮力Fra，使得上部轉子121和下部轉子122回到平衡位置。
根據以上所述，便可以實現本發明。對本領域的技術人員在不背離本發明的精神和保護範圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發明保護範圍之內。