[发明专利]五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置

说明书

本发明公开一种用于电动汽车的五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置，飞轮转子中段是主圆盘体、上段是球面圆环、下段是外圆环和内圆盘，内圆盘和外圆环之间形成圆环形凹槽，圆环形凹槽中是外转子电机；球面圆环的圆环外壁是向外凸出的球面、内壁是向内凸出的球面；五自由度磁轴承的径向定子最上端是圆环体的上端圆环，上端圆环外侧壁向下延伸径向外环定子轭、内侧壁向下延伸径向内环定子轭，径向外环定子轭下端的内侧壁向内延伸的径向外环定子极的内侧壁之间形成球形凹槽，径向内环定子轭下端的外侧壁向外延伸的内环定子极的外侧壁之间形成球形凹槽，球面圆环套在内环定子极与径向外环定子极之间；减少轴向尺寸，抑制陀螺效应。

技术领域

本发明涉及用于电动汽车的车载飞轮储能装置(也称飞轮电池)领域，具体指一种采用五自由度单侧悬浮的车载储能装置。

背景技术

飞轮电池是一种机械储能电池，具有充电效率高、比功率大、质量小、无污染和寿命长等优势，是电动汽车理想的动力电池。目前，制约电动汽车发展的主要难题是车载储能装置的稳定性能较差、空间占用率大和价格昂贵等的问题。现有的飞轮储能装置是有长主轴的结构，当储能装置受到外界干扰时，易发生陀螺效应不适合应用于车载储能装置。带有球面的长主轴型飞轮储能装置虽然能在一定程度上抑制陀螺效应，但是由于主轴轴向长度大，不可避免会发生不稳定现象。盘型飞轮储能装置具有良好的稳定性，但传统的盘型飞轮储能装置采用二自由度磁轴承和三自由度磁轴承布置于飞轮轴向上下两侧分散控制，仍然导致储能装置轴向长度过大，陀螺效应仍较明显。

由于电动汽车空间有限，因此对飞轮电池的体积和质量的要求就相对比较高。目前的飞轮储能装置的拓扑结构仍然采用飞轮、电机、磁轴承独立布置，即使有些拓扑结构已经将飞轮和电机集成化，但均为带惯性主轴结构，因此集成度比较低，体积相对较大，不利于在电动汽车狭小的空间安装。另外，为了实现车载飞轮电池的规模化应用，需要进一步降低飞轮储能装置的成本。大多数飞轮采用高强度复合材料制成，因此价格昂贵，不易实现大规模推广应用。虽然采用金属材料制成的飞轮具有成本低的优势，但是相同储能量的基础上，其重量和体积成倍增加，不适宜车载环境。因此在满足储能量的基础上，设计一种新型的高稳定性、高集成度、低成本的车载飞轮储能装置具有重要意义。因此，对用于支承车载飞轮电池的五自由度磁轴承进行改进和优化，例如中国专利申请号为201910072060.7、名称为“电动汽车用虚拟轴式磁悬浮飞轮储能装置的文献中提出的虚拟轴式飞轮电池，采用一种径向混合磁轴承的支承方式实现径向二自由度的平动和径向二自由度的扭动控制，采用分离式轴向磁轴承的支承方式实现轴向单自由度控制。分离式轴向磁轴承利用内嵌式双永磁体环的结构，增加了轴向偏置磁通，能够实现较大的轴向承载力，但为了实现轴向控制不可避免会产生漏磁，从而导致能耗增加。该方案采用分离式五自由度磁轴承，虽然在保持飞轮储能量的基础上又能实现飞轮五自由度控制，但是，由于部分磁轴承部件内埋于飞轮转子内，加工困难，且难以维修。

发明内容

本发明的目的为了解决现有车载飞轮储能装置存在的陀螺效应严重、空间占用率大又价格昂贵以及能耗大的问题，提供了一种五自由度单侧悬浮支承式盘球飞轮一体化车载储能装置，从结构上实现了减小飞轮转子的陀螺效应、减小空间占用率、提高集成度、降低成本和能耗。