一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池制造技术

本发明专利技术公开一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，真空腔内设有内壳体、球形定子、球形腔转子、两个永磁体和两个磁悬浮球面轴承，球形定子设在飞轮外壳的正中央处，球形定子的外部是球形腔转子，球形腔转子的外部是具有同球心的球冠状的内壳体，内壳体的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体，内壳体和球形腔转子之间通过转子连接器固定连接，第一永磁体正下方是固接在飞轮外壳内表面上的球冠状的第二永磁体，在飞轮外壳和内壳体之间设置固接在飞轮外壳内壁上的两个中心轴交叉分布的磁悬浮球面轴承，本发明专利技术消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗，便于增加陀螺控制力矩的范围，抑制了飞轮的陀螺效应的产生。

Magnetic suspension flywheel battery for spherical electric automobile

The invention discloses a spherical electric vehicle with magnetic levitation flywheel battery, the vacuum chamber is provided with an inner shell, a stator, a rotor, a spherical spherical cavity two permanent magnet and two magnetic bearings, is located in the central spherical stator flywheel shell, the outer ball is spherical rotor stator cavity, the outer spherical cavity of the rotor is inside the shell with the center of the ball coronal, the bottom of the inner shell is fixedly connected with the opening of the first seamless ball coronal permanent magnet, between the inner shell and the spherical cavity of the rotor is fixedly connected by a rotor connector, just below the first permanent magnet is fixedly connected with the flywheel shell on the inner surface of the spherical crown second permanent magnets, magnetic suspension spherical bearing in between the flywheel shell and the inner shell two a center shaft is fixedly connected with the flywheel shell on the inner wall of the cross distribution, the invention eliminates the air friction brings to the flywheel It is easy to increase the range of gyro control torque, and restrain the gyro effect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞轮电池（也称飞轮储能装置）的结构，尤其是一种用于电动汽车的磁悬浮飞轮电池。
技术介绍
飞轮电池是一种新型的机械储能装置，它利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。与现有的化学电池相比，飞轮电池具有储能密度高、使用寿命长、能量转换效率高、无污染、充电时间短等诸多优点。目前飞轮电池在电动汽车、航空航天、不间断电源(UPS)等领域应用广泛。高速旋转的飞轮电池转子遇到外界干扰产生的陀螺效应是制约飞轮电池发展的技术难题，导致此难题主要体现在飞轮电池的拓扑结构（磁悬浮支承系统和集成电机的选择与安装）设计。磁悬浮飞轮电池通常是采用电磁/永磁混合型磁轴承作为飞轮转子的支承，实现径向、轴向5个自由度的悬浮控制，虽然这类传统设计能够保证飞轮电池的稳定悬浮运行，但当飞轮电池装置受到外界干扰时，由于飞轮电池固有的有轴结构，即飞轮电池的飞轮绕一个惯性主轴旋转结构，因此产生的陀螺效应现象不可避免。尤其对于车载飞轮电池装置，在遇到启动、急停、转弯等动作时，都会引起飞轮主轴在约束方向上收到很大的陀螺力矩，从而使飞轮主轴或飞轮轴承受到很大的附加压力。此外，传统飞轮电池采用的发电机/电动机通常采用永磁电机或异步电机，这些常规电机在运行中存在高速运行可靠性低、功耗大、维护成本高的特点。另外，飞轮电池将飞轮转子、混合型磁悬浮轴承和电机分别作为独立的个体安装在转轴上，混合型磁悬浮轴承需提供飞轮电池5个自由度可控的悬浮支承，因此，导致飞轮电池体积大、成本高、能耗大、结构复杂，限制了飞轮电池储能密度和储能效率的提高。因此，如何通过设计新型飞轮电池的拓扑结构实现陀螺效应的抑制是目前飞轮电池结构领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、运行可靠、储能密度高，陀螺效应得到有效抑制的球状电动汽车用磁悬浮飞轮电池。本专利技术一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池采用的技术方案是：包括由球冠状的飞轮外壳和其顶部正中间开口处的球冠状的端盖围成的一个密闭的球形真空腔，真空腔内设有内壳体、球形定子、球形腔转子、两个永磁体和两个磁悬浮球面轴承，球形定子设在飞轮外壳的正中央处，球形定子的外部是球形腔转子，球形定子顶端通过定子吊杆固定连接端盖的正中央，球形腔转子的外部是具有同球心的球冠状的内壳体，内壳体的顶部和底部均是开口，内壳体的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体，内壳体和球形腔转子之间通过转子连接器固定连接，第一永磁体的正下方是固接在飞轮外壳内表面上的球冠状的第二永磁体，两个永磁体的中心轴重合，两个永磁体均是径向充磁，极性相反，在飞轮外壳和内壳体之间设置固接在飞轮外壳内壁上的两个磁悬浮球面轴承，两个磁悬浮球面轴承的中心轴交叉分布，且与两个永磁体的中心轴夹角相等。进一步地，两个磁悬浮球面轴承均各有8个定子极，8个定子极沿磁悬浮球面轴承的中心轴的轴向上分上下两层对应布置，每层中的四个定子极沿圆周方向均匀分布，每个定子极的内表面呈球面状且球面中心与飞轮外壳的球心O重合，每个定子极上绕有绕组，上层四个定子极上的绕组串联，下层四个定子极上的绕组串联。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：1、本专利技术所提出的磁悬浮飞轮是密封在真空球形的壳体中，消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗，转子与内壳体设计成一个整体，这样就构成了一个球形电机传动的外转子球形飞轮。外壳体的内壁上设置2组磁悬浮球面轴承，每组轴承有四组定子极，定子极表面呈球面状，且球面中心与外壳球心重合。每组定子设有上下两极，定子绕组置于其上。这样，两组磁悬浮球面轴承共组成八对极，完全可以满足球形飞轮的稳定悬浮。本专利技术设置了一对永磁体，根据同性磁极相斥原理将飞轮悬浮起来，这种设计不仅减少了磁阻式球面轴承的功耗，而且避免了飞轮在紧急情况下与机体碰撞，此外球面轴承与球面飞轮间留有一定的间隙，便于形成磁场气隙。2、本专利技术中的磁悬浮球面轴承的定子极表面被做成做成球面状，适合支撑表面为球形的转子，其与传统的洛伦兹力磁悬浮轴承相比，其承载能力更大，转子质量、角动量进一步提高，便于增加陀螺控制力矩的范围。此外磁悬浮球面轴承能够实现三个自由度上平动，扭动的完全解耦，从而实现球形飞轮的稳定悬浮转动，提高了球面轴承对飞轮的控制精度，最大程度地抑制了飞轮的陀螺效应的产生。3、本专利技术能使得整个飞轮电池的拓扑结构为“无轴”结构，即飞轮转子绕球进行旋转，而非惯性主轴，因此从结构上完全抑制了陀螺效应的产生。从运动学上讲，球形结构最有利于多维运动，可以在空间任意方向进行定位和工作。另外,球形结构使得电机的电路和磁路对称,便于对飞轮电池的控制和分析。因此本专利技术将发电机/电动机与飞轮设计为一体，发电机/电动机设计为球形，使飞轮可以绕定子球心任意角度旋转，从而消除了飞轮电池陀螺效应的产生。4、本专利技术提供的球形飞轮转子，从理论上来讲，球形飞轮可以消除陀螺效应的产生。与传统的飞轮相比，其球面磁轴承气隙为球壳状，转子偏转不会引起球壳气隙形状的变化，任意时刻磁极表面磁通分布均匀，避免了磁通拉力和负力矩的产生，提高了转子的悬浮精度。5、本专利技术将球形电机外转子与球形飞轮结合，简化了飞轮电池的结构。装置密封于真空球状外壳中，消除了空气带来的损耗，此外整体采用磁悬浮支承系统，降低了机械摩擦。在飞轮的选材方面，采用了低密度、高强度材料，降低了装置的质量。由此，飞轮电池的成本也有所降低。附图说明图1为本专利技术一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池的垂直纵截面示意图；图2为图1中第一个磁悬浮球面轴承6的结构视图；图3是图2中第一个磁悬浮球面轴承6的轴向俯视图；图4为图1中第二个磁悬浮球面轴承7的结构视图；图5是图4中第二个磁悬浮球面轴承7的轴向俯视图；图6是图1中两个永磁体13、14的充磁分布放大图。图中：1.端盖：2.密封圈；3.定子吊杆；4.球冠状的飞轮外壳；5.磁悬浮球面轴承定子套环；6.第一个磁悬浮球面轴承；7.第二个磁悬浮球面轴承，8.内壳体；9.转子连接器；10.球形定子；11.球形腔转子；12.真空阀；13.永磁体；14.永磁体；15.电涡流位移传感器；16.永磁体套筒；17.真空腔；18.支撑架；61.定子极；62.第一绕组；71.定子极；72.第二绕组。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式进一步阐明本专利技术。为叙述方便，设立直角坐标系XYO，将图1中球冠状飞轮外壳4的球心O定为原点。将本专利技术飞轮电池的正中间上下垂直的纵截面结构放置在直角坐标系XYO中，将垂直纵截面结构以原点O为中心在直角坐标系XYO中沿圆周方向均分为六等份，每等份所占弧度是60度，使飞轮外壳4形成六个区域，命名为I、II、III、IV、V、VI区。参见图1所示，本专利技术外部是一个支承架18和一个球冠状的飞轮外壳4，球冠状的飞轮外壳4的底端固定连接支承架18。球冠状飞轮外壳4的顶部正中间设有开口，开口的中心轴与Y轴重合，垂直纵截面上的开口所占弧度是60度。在开口处安装球冠状的端盖1，端盖1与球形飞轮外壳4之间设置有密封圈2，端盖1和飞轮外壳4相匹配从而围成了一个密闭的球形真空腔17。在飞轮外壳4的壳体上还设置真空阀12，以确保真空腔17内部绝对真空。在真空腔17内设有球冠状的内壳体8、球形定子10、球形腔转子11、第一永磁体13、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，包括由球冠状的飞轮外壳（4）和其顶部正中间开口处的球冠状的端盖（1）围成的一个密闭的球形真空腔（17），其特征是：真空腔（17）内设有内壳体（8）、球形定子（10）、球形腔转子（11）、两个永磁体（13、14）和两个磁悬浮球面轴承（6、7），球形定子（10）设在飞轮外壳（4）的正中央，球形定子（10）的外部是球形腔转子（11），球形定子（10）顶端通过定子吊杆（3）固定连接端盖（1）的正中央，球形腔转子（11）的外部是具有同球心的球冠状的内壳体（8），内壳体（8）的顶部和底部均是开口，内壳体（8）的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体（13），内壳体（8）和球形腔转子（11）之间通过转子连接器（9）固定连接，第一永磁体（13）的正下方是固接在飞轮外壳（4）内表面上的球冠状的第二永磁体（14），两个永磁体（13、14）的中心轴重合，两个永磁体（13、14）均是径向充磁，极性相反，在飞轮外壳（4）和内壳体（8）之间设置固接在飞轮外壳（4）内壁上的两个磁悬浮球面轴承（6、7），两个磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴交叉分布，且与两个永磁体（13、14）的中心轴夹角相等。...

【技术特征摘要】
1.一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，包括由球冠状的飞轮外壳（4）和其顶部正中间开口处的球冠状的端盖（1）围成的一个密闭的球形真空腔（17），其特征是：真空腔（17）内设有内壳体（8）、球形定子（10）、球形腔转子（11）、两个永磁体（13、14）和两个磁悬浮球面轴承（6、7），球形定子（10）设在飞轮外壳（4）的正中央，球形定子（10）的外部是球形腔转子（11），球形定子（10）顶端通过定子吊杆（3）固定连接端盖（1）的正中央，球形腔转子（11）的外部是具有同球心的球冠状的内壳体（8），内壳体（8）的顶部和底部均是开口，内壳体（8）的底部开口处无缝固定连接球冠状的第一永磁体（13），内壳体（8）和球形腔转子（11）之间通过转子连接器（9）固定连接，第一永磁体（13）的正下方是固接在飞轮外壳（4）内表面上的球冠状的第二永磁体（14），两个永磁体（13、14）的中心轴重合，两个永磁体（13、14）均是径向充磁，极性相反，在飞轮外壳（4）和内壳体（8）之间设置固接在飞轮外壳（4）内壁上的两个磁悬浮球面轴承（6、7），两个磁悬浮球面轴承（6、7）的中心轴交叉分布，且与两个永磁体（13、14）的中心轴夹角相等。2.根据权利要求1所述一种球形电动汽车用磁悬浮飞轮电池，其特征是：两个磁悬浮球面轴承...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，杨恒坤，朱熀秋，陈涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32