一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池制造技術

本發明專利技術公開一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池，真空腔內設有內殼體、球形定子、球形腔轉子、兩個永磁體和兩個磁懸浮球面軸承，球形定子設在飛輪外殼的正中央處，球形定子的外部是球形腔轉子，球形腔轉子的外部是具有同球心的球冠狀的內殼體，內殼體的底部開口處無縫固定連接球冠狀的第一永磁體，內殼體和球形腔轉子之間通過轉子連接器固定連接，第一永磁體正下方是固接在飛輪外殼內表面上的球冠狀的第二永磁體，在飛輪外殼和內殼體之間設置固接在飛輪外殼內壁上的兩個中心軸交叉分布的磁懸浮球面軸承，本發明專利技術消除了空氣摩擦對飛輪所帶來的損耗，便于增加陀螺控制力矩的范圍，抑制了飛輪的陀螺效應的產生。

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.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及飛輪電池（也稱飛輪儲能裝置）的結構，尤其是一種用于電動汽車的磁懸浮飛輪電池。
技術介紹
飛輪電池是一種新型的機械儲能裝置，它利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式儲存起來。與現有的化學電池相比，飛輪電池具有儲能密度高、使用壽命長、能量轉換效率高、無污染、充電時間短等諸多優點。目前飛輪電池在電動汽車、航空航天、不間斷電源(UPS)等領域應用廣泛。高速旋轉的飛輪電池轉子遇到外界干擾產生的陀螺效應是制約飛輪電池發展的技術難題，導致此難題主要體現在飛輪電池的拓撲結構（磁懸浮支承系統和集成電機的選擇與安裝）設計。磁懸浮飛輪電池通常是采用電磁/永磁混合型磁軸承作為飛輪轉子的支承，實現徑向、軸向5個自由度的懸浮控制，雖然這類傳統設計能夠保證飛輪電池的穩定懸浮運行，但當飛輪電池裝置受到外界干擾時，由于飛輪電池固有的有軸結構，即飛輪電池的飛輪繞一個慣性主軸旋轉結構，因此產生的陀螺效應現象不可避免。尤其對于車載飛輪電池裝置，在遇到啟動、急停、轉彎等動作時，都會引起飛輪主軸在約束方向上收到很大的陀螺力矩，從而使飛輪主軸或飛輪軸承受到很大的附加壓力。此外，傳統飛輪電池采用的發電機/電動機通常采用永磁電機或異步電機，這些常規電機在運行中存在高速運行可靠性低、功耗大、維護成本高的特點。另外，飛輪電池將飛輪轉子、混合型磁懸浮軸承和電機分別作為獨立的個體安裝在轉軸上，混合型磁懸浮軸承需提供飛輪電池5個自由度可控的懸浮支承，因此，導致飛輪電池體積大、成本高、能耗大、結構復雜，限制了飛輪電池儲能密度和儲能效率的提高。因此，如何通過設計新型飛輪電池的拓撲結構實現陀螺效應的抑制是目前飛輪電池結構領域亟待解決的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是為解決上述現有技術存在的問題，提供一種結構簡單、運行可靠、儲能密度高，陀螺效應得到有效抑制的球狀電動汽車用磁懸浮飛輪電池。本專利技術一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池采用的技術方案是：包括由球冠狀的飛輪外殼和其頂部正中間開口處的球冠狀的端蓋圍成的一個密閉的球形真空腔，真空腔內設有內殼體、球形定子、球形腔轉子、兩個永磁體和兩個磁懸浮球面軸承，球形定子設在飛輪外殼的正中央處，球形定子的外部是球形腔轉子，球形定子頂端通過定子吊桿固定連接端蓋的正中央，球形腔轉子的外部是具有同球心的球冠狀的內殼體，內殼體的頂部和底部均是開口，內殼體的底部開口處無縫固定連接球冠狀的第一永磁體，內殼體和球形腔轉子之間通過轉子連接器固定連接，第一永磁體的正下方是固接在飛輪外殼內表面上的球冠狀的第二永磁體，兩個永磁體的中心軸重合，兩個永磁體均是徑向充磁，極性相反，在飛輪外殼和內殼體之間設置固接在飛輪外殼內壁上的兩個磁懸浮球面軸承，兩個磁懸浮球面軸承的中心軸交叉分布，且與兩個永磁體的中心軸夾角相等。進一步地，兩個磁懸浮球面軸承均各有8個定子極，8個定子極沿磁懸浮球面軸承的中心軸的軸向上分上下兩層對應布置，每層中的四個定子極沿圓周方向均勻分布，每個定子極的內表面呈球面狀且球面中心與飛輪外殼的球心O重合，每個定子極上繞有繞組，上層四個定子極上的繞組串聯，下層四個定子極上的繞組串聯。本專利技術與現有技術相比的有益效果在于：1、本專利技術所提出的磁懸浮飛輪是密封在真空球形的殼體中，消除了空氣摩擦對飛輪所帶來的損耗，轉子與內殼體設計成一個整體，這樣就構成了一個球形電機傳動的外轉子球形飛輪。外殼體的內壁上設置2組磁懸浮球面軸承，每組軸承有四組定子極，定子極表面呈球面狀，且球面中心與外殼球心重合。每組定子設有上下兩極，定子繞組置于其上。這樣，兩組磁懸浮球面軸承共組成八對極，完全可以滿足球形飛輪的穩定懸浮。本專利技術設置了一對永磁體，根據同性磁極相斥原理將飛輪懸浮起來，這種設計不僅減少了磁阻式球面軸承的功耗，而且避免了飛輪在緊急情況下與機體碰撞，此外球面軸承與球面飛輪間留有一定的間隙，便于形成磁場氣隙。2、本專利技術中的磁懸浮球面軸承的定子極表面被做成做成球面狀，適合支撐表面為球形的轉子，其與傳統的洛倫茲力磁懸浮軸承相比，其承載能力更大，轉子質量、角動量進一步提高，便于增加陀螺控制力矩的范圍。此外磁懸浮球面軸承能夠實現三個自由度上平動，扭動的完全解耦，從而實現球形飛輪的穩定懸浮轉動，提高了球面軸承對飛輪的控制精度，最大程度地抑制了飛輪的陀螺效應的產生。3、本專利技術能使得整個飛輪電池的拓撲結構為“無軸”結構，即飛輪轉子繞球進行旋轉，而非慣性主軸，因此從結構上完全抑制了陀螺效應的產生。從運動學上講，球形結構最有利于多維運動，可以在空間任意方向進行定位和工作。另外,球形結構使得電機的電路和磁路對稱,便于對飛輪電池的控制和分析。因此本專利技術將發電機/電動機與飛輪設計為一體，發電機/電動機設計為球形，使飛輪可以繞定子球心任意角度旋轉，從而消除了飛輪電池陀螺效應的產生。4、本專利技術提供的球形飛輪轉子，從理論上來講，球形飛輪可以消除陀螺效應的產生。與傳統的飛輪相比，其球面磁軸承氣隙為球殼狀，轉子偏轉不會引起球殼氣隙形狀的變化，任意時刻磁極表面磁通分布均勻，避免了磁通拉力和負力矩的產生，提高了轉子的懸浮精度。5、本專利技術將球形電機外轉子與球形飛輪結合，簡化了飛輪電池的結構。裝置密封于真空球狀外殼中，消除了空氣帶來的損耗，此外整體采用磁懸浮支承系統，降低了機械摩擦。在飛輪的選材方面，采用了低密度、高強度材料，降低了裝置的質量。由此，飛輪電池的成本也有所降低。附圖說明圖1為本專利技術一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池的垂直縱截面示意圖；圖2為圖1中第一個磁懸浮球面軸承6的結構視圖；圖3是圖2中第一個磁懸浮球面軸承6的軸向俯視圖；圖4為圖1中第二個磁懸浮球面軸承7的結構視圖；圖5是圖4中第二個磁懸浮球面軸承7的軸向俯視圖；圖6是圖1中兩個永磁體13、14的充磁分布放大圖。圖中：1.端蓋：2.密封圈；3.定子吊桿；4.球冠狀的飛輪外殼；5.磁懸浮球面軸承定子套環；6.第一個磁懸浮球面軸承；7.第二個磁懸浮球面軸承，8.內殼體；9.轉子連接器；10.球形定子；11.球形腔轉子；12.真空閥；13.永磁體；14.永磁體；15.電渦流位移傳感器；16.永磁體套筒；17.真空腔；18.支撐架；61.定子極；62.第一繞組；71.定子極；72.第二繞組。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式進一步闡明本專利技術。為敘述方便，設立直角坐標系XYO，將圖1中球冠狀飛輪外殼4的球心O定為原點。將本專利技術飛輪電池的正中間上下垂直的縱截面結構放置在直角坐標系XYO中，將垂直縱截面結構以原點O為中心在直角坐標系XYO中沿圓周方向均分為六等份，每等份所占弧度是60度，使飛輪外殼4形成六個區域，命名為I、II、III、IV、V、VI區。參見圖1所示，本專利技術外部是一個支承架18和一個球冠狀的飛輪外殼4，球冠狀的飛輪外殼4的底端固定連接支承架18。球冠狀飛輪外殼4的頂部正中間設有開口，開口的中心軸與Y軸重合，垂直縱截面上的開口所占弧度是60度。在開口處安裝球冠狀的端蓋1，端蓋1與球形飛輪外殼4之間設置有密封圈2，端蓋1和飛輪外殼4相匹配從而圍成了一個密閉的球形真空腔17。在飛輪外殼4的殼體上還設置真空閥12，以確保真空腔17內部絕對真空。在真空腔17內設有球冠狀的內殼體8、球形定子10、球形腔轉子11、第一永磁體13、本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池，包括由球冠狀的飛輪外殼（4）和其頂部正中間開口處的球冠狀的端蓋（1）圍成的一個密閉的球形真空腔（17），其特征是：真空腔（17）內設有內殼體（8）、球形定子（10）、球形腔轉子（11）、兩個永磁體（13、14）和兩個磁懸浮球面軸承（6、7），球形定子（10）設在飛輪外殼（4）的正中央，球形定子（10）的外部是球形腔轉子（11），球形定子（10）頂端通過定子吊桿（3）固定連接端蓋（1）的正中央，球形腔轉子（11）的外部是具有同球心的球冠狀的內殼體（8），內殼體（8）的頂部和底部均是開口，內殼體（8）的底部開口處無縫固定連接球冠狀的第一永磁體（13），內殼體（8）和球形腔轉子（11）之間通過轉子連接器（9）固定連接，第一永磁體（13）的正下方是固接在飛輪外殼（4）內表面上的球冠狀的第二永磁體（14），兩個永磁體（13、14）的中心軸重合，兩個永磁體（13、14）均是徑向充磁，極性相反，在飛輪外殼（4）和內殼體（8）之間設置固接在飛輪外殼（4）內壁上的兩個磁懸浮球面軸承（6、7），兩個磁懸浮球面軸承（6、7）的中心軸交叉分布，且與兩個永磁體（13、14）的中心軸夾角相等。...

【技術特征摘要】
1.一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池，包括由球冠狀的飛輪外殼（4）和其頂部正中間開口處的球冠狀的端蓋（1）圍成的一個密閉的球形真空腔（17），其特征是：真空腔（17）內設有內殼體（8）、球形定子（10）、球形腔轉子（11）、兩個永磁體（13、14）和兩個磁懸浮球面軸承（6、7），球形定子（10）設在飛輪外殼（4）的正中央，球形定子（10）的外部是球形腔轉子（11），球形定子（10）頂端通過定子吊桿（3）固定連接端蓋（1）的正中央，球形腔轉子（11）的外部是具有同球心的球冠狀的內殼體（8），內殼體（8）的頂部和底部均是開口，內殼體（8）的底部開口處無縫固定連接球冠狀的第一永磁體（13），內殼體（8）和球形腔轉子（11）之間通過轉子連接器（9）固定連接，第一永磁體（13）的正下方是固接在飛輪外殼（4）內表面上的球冠狀的第二永磁體（14），兩個永磁體（13、14）的中心軸重合，兩個永磁體（13、14）均是徑向充磁，極性相反，在飛輪外殼（4）和內殼體（8）之間設置固接在飛輪外殼（4）內壁上的兩個磁懸浮球面軸承（6、7），兩個磁懸浮球面軸承（6、7）的中心軸交叉分布，且與兩個永磁體（13、14）的中心軸夾角相等。2.根據權利要求1所述一種球形電動汽車用磁懸浮飛輪電池，其特征是：兩個磁懸浮球面軸承...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張維煜，楊恒坤，朱熀秋，陳濤，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32