[发明专利]一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置

说明书

本发明公开了一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，包括密封真空壳体，壳体内部自上而下设有三自由度磁斥力磁轴承、外转子电动机/发电机、二自由度磁斥力磁轴承；三自由度磁斥力磁轴承的定子、外转子电动机\发电机的定子以及二自由度磁斥力磁轴承的定子组成定子轴系并贯穿壳体内部；飞轮轮毂紧密连接外转子电动机/发电机转子外缘，飞轮轮毂内壁与三自由度磁斥力磁轴承的转子外壁及二自由度磁斥力磁轴承的转子外壁紧密贴合；本发明基于设计的新型磁斥力轴承，将飞轮巧妙的与电机转子、磁轴承转子整合成一个整体，相比于内转子飞轮电池分散设计，极大地减小了飞轮电池的体积。

技术领域

本发明涉及用于电动汽车的车载飞轮电池(也称飞轮储能装置)领域，具体是采用五自由度混合磁轴承作为磁悬浮支承的车载飞轮电池。

背景技术

随着经济社会的发展，我国的汽车保有量逐年上升。其中燃油汽车对能源的消耗和环境的污染日趋严重。推广以低耗能，无污染为特点的新能源电动汽车成为解决这一问题的重要手段。因此，电动汽车具有广阔的发展前景。目前，电动汽车的动力电池主要是化学电池。由于化学电池比能、比功率低，充电时间长，寿命短等缺点，一直制约着化学电池的发展。而飞轮电池作为一种机械储能电池，克服了化学电池上述诸多缺点，是电动汽车理想的动力电池。

为了减少摩擦损耗，飞轮电池主要采用磁悬浮轴承作为转轴的支撑装置，从而极大地提高了飞轮电池的储能效率。由于磁轴承磁极和转子间是非接触状态，磁悬浮轴承是通过磁悬浮力使转轴悬浮在平衡位置，从而导致磁轴承和转子间的刚度往往达不到理想要求。目前大多数混合磁轴承是通过永磁体提供偏置磁通，单一的永磁体磁极很难提供足够的磁场密度，往往需要特殊的永磁材料才能提供足够的磁场密度，从而提高了制造的成本。

此外，目前大多数飞轮电池采用内转子电机作为电动机/发电机，结构集成度比较低，体积相对较大。不利于在电动汽车狭小的空间安装。而外转子电机具有转动惯量大，散热好，以及轴向尺寸紧凑等优点。因此，有必要设计一种外转子飞轮电池。

发明内容

本发明的目的为了提供一种足够刚度的磁轴承，提出一种新型的磁斥力磁轴承用于飞轮储能电池。以外转子电机作为飞轮电池的电动机/发电机，并且将飞轮、磁轴承的转子和电机转子结合在一起，进一步提高飞轮电池内部结构集成度，以致减小飞轮电池整体的体积，从而有利于在电动汽车上使用。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：包括固定在基座上，由一个上端盖、下端盖、机身构成的立式密封真空壳体。壳体内部自上而下分别分布有三自由度磁斥力磁轴承、外转子电动机\发电机、二自由度磁斥力磁轴承；三自由度磁斥力磁轴承定子、外转子电动机\发电机的定子以及二自由度磁斥力磁轴承定子组成的定子轴系贯穿壳体内部。在上端盖和下端盖分别设有两个转轴固定部件使得定子轴系始终处于中心位置。飞轮轮毂同轴紧密安装在外转子电动机/发电机转子的外缘，飞轮轮毂外缘的外壁缠绕碳纤维复合材料T300，同时飞轮轮毂外缘的内壁与三自由度磁斥力磁轴承及二自由度磁斥力磁轴承的转子外壁紧密贴合。由此，将整个装置包含在飞轮电池的壳体中，增大了飞轮的体积、重量，从而增大飞轮的储能量。

进一步说明的是，磁斥力三自由度磁轴承及磁斥力二自由度磁轴承中的永磁体采用两块永磁体同性磁极安装在磁轴承转子磁极的两侧，由于同性相斥的原理，部分磁密沿着磁斥力三自由度磁轴承转子磁极进入磁轴承定子，而从产生偏置磁通，使得转子稳定悬浮。当转子偏离平衡位置时，设置在磁斥力三自由度磁轴承的定子中的径向控制线圈和磁斥力二自由度磁轴承的定子的径向控制线圈共同作用控制着飞轮转子径向上4个自由度，磁斥力三自由度磁轴承的定子中轴向控制线圈飞轮转子轴向上1个自由度，从而实现飞轮在五自由度上的稳定悬浮。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明采用的电动机、发电机为外转子结构，充分利用了外转子电机的转动惯量大、散热好、以及轴向尺寸紧凑等优点，将飞轮巧妙的与电机转子、磁轴承转子整合成一个整体，相比于内转子飞轮电池分散设计，极大地减小了飞轮电池的体积。