[发明专利]储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置

摘要

本发明涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置。采用一对结构功能完全相同的飞轮转子组件沿底面镜像对称同心地放置并组合密封在一起为机电一体化高集成结构，有防止飞轮转子爆裂飞出的4重高安全防护，具有多功能、低成本、小体积、结构紧凑、安装简便、无陀螺进动效应对小型车船运动驾驶干扰及多用途的特点，能提供短时高功率储能与大反作用力矩输出，适用于小型电动车船、行走/移动机器人及航空航天等多领域：与电化学储能电池或超级电容组合可作为复合能源的高功率源，能大幅度提高小型车辆的动力性能、延长续驶里程与动力电池寿命或减少其使用量；可用于车船体姿态控制，如4轮汽车的防侧倾翻滚减少道路交通事故伤亡率、船舶稳定减摇、实现前后2轮车自平衡直立不倒及全新2轮电动汽车的产业化等。

主权项

1.一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，由一对飞轮转子组件组成，其特征是：一对完全相同(00与00)或几乎完全相同的飞轮转子组件(01与02)，沿外壳(1)底面A镜像左右或上下对称、中心线同心；两组件相互以外壳(1)底板下边缘的法兰(44)互相连接成一体，以部分圆环或全圆环形定位键(28)或销钉定位使两组件保持准确同心，并用紧固件与橡胶密封件将两组件连接、固定组合在一起，成为整体密封、机电一体化集成结构的同心双飞轮机电装置；两飞轮转子组件(00与00，或01与02)的两飞轮转子分组件各自由结构、参数与性能完全相同的两电动/发电机分组件连接与驱动，或反之带动电动/发电机分组件的转子旋转；本机电装置的电动/发电机分组件为永磁无刷电机、同步电机或磁阻电机，均为按短时、断续工作制工作的高功率输入输出型可逆电机，为外转子型或内转子型；其工作转速为在通常飞轮电池电机转速范围的低端：最高转速不超过20000r/min；本装置在被用作飞轮电池时，以高速飞轮的快速充放电——随飞轮转子角速度的快速改变以产生短时、脉冲式高功率电能的吸收或输出；用作姿态控制时以短时、脉冲式高功率电能快速改变飞轮转子的角加、减速度的反作用飞轮(RW)原理来产生短时大转矩的输出；每个飞轮转子组件(00‑02)均包括飞轮转子及电动/发电机分组件，外壳及端盖、防护与能量吸收环、中心柱部件以及传感器、紧固件、密封件；飞轮转子分组件的中心孔以过盈配合被压装在中心柱部件的中心轴(19)上，经主轴承(20、25)连同电动/发电机分组件一起被安装在外壳(1)内成为一体；电动/发电机分组件的定子(22、23)被整体装入飞轮转子分组件中心的空腔内并与其同心；飞轮转子分组件包括飞轮转子部件(7、8)、上下端盖(10、9)、永磁轴承盖部件(11、12)、电机转子支架(30)、电机转子挡板(29)、紧固件及转子保护加固层(36、37)；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由高强度、高韧性的合金钢或不锈钢制成，在其惯性半径的位置上沿圆周均匀分布地开有适当数量的孔或制成同心凹槽，孔或凹槽内以过盈配合压入高比重合金制成的圆棒(8)或圆环；或主体(7)也可为无凹槽的多圆环结构：直接以过盈配合将内环相继依次压入各外环制成3环一体的三明治夹心结构，中间为高比重合金环；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由轴向的上下端盖(10、9)夹持，其内外轮缘与上下端盖(10、9)的接合部均为过盈压配合；圆柱面两侧再用铆钉(43)或紧固件与两端的上下端盖(10、9)连接并固定成坚固的一体；飞轮转子分组件的各零部件经连接牢固后，整体形成钟罩形(∩)的中空结构，为无轮辐的空心式——其轮辐、轮毂的功能被外化：上端盖(10)具有轮毂与轮辐功能，其中心孔与中心轴(19)的台阶处压合后由螺母(17)、弹簧垫圈(16)压紧并固定；下端盖(9)的中心仅有大孔；飞轮转子分组件的中空部分用于容纳、安放电动/发电机分组件；当电动/发电机分组件为外转子型时，上端盖(10)靠近中心经紧固件同心地连接固定有转子支架(30)；电机的转子部件(31、32)以过盈配合压入或铸入在转子支架(30)的内孔中；电机转子支架(30)的下方用紧固件固定有电机转子挡板(29)，用以承托或限制电机的转子部件(31、32)的轴向移动；当飞轮转子分组件与电动/发电机分组件装配完成后，电机的转子与定子部件则以轴向的中心线彼此对齐、径向间有空隙；飞轮转子分组件经由电动/发电机分组件驱动旋转，飞轮转子主体(7)的内外径比≥0.6，设计应力安全系数应≥2，其飞轮转子主体(7)外轮缘处的最高线速度不超过240m/s；飞轮转子或连同电机转子部件的动平衡精度为G0.4‑G1.0级；外壳部件包括外壳(1)、端盖(6)、轴承盖部件(13‑16)、保护加固层(34、35)、电连接器、联结紧固件、密封件，或还有抽/充气嘴、水冷管路；轴承盖部件包括轴承盖(14)、保护轴承(16)、波形弹性垫圈(15)、弹簧档圈，或还有另外1/2的永磁轴承(13)；防护与能量吸收环部件(2‑5)被压入到外壳(1)内，包括外环(2)、能量吸收层(4)及内环(5)；其外环(2)为高韧性钢制圆筒，内环(5)为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒；内外两环之间有间隔——为短轴销(3)或螺钉的伸出部形成的能量吸收层(4)，此防护与能量吸收环部件作为防止飞轮转子爆裂飞出的第三防护层，可对飞出的高能碎块吸能；能量吸收层(4)的形成：在外环(2)的外环壁沿径向与轴向均匀分布开有一定数量的台阶通孔，孔内压入短台阶形轴销(3)，或在环壁通孔内攻出螺纹、加入防松弹簧垫再拧入短螺钉，或还在其连接部位涂有防松厌氧胶；各短轴销(3)或螺钉为退火钢制且均凸出外环内表面一定的长度——形成阵列，当受强力撞击时可发生弯曲变形；内环(5)圆筒的外径与各短轴销(3)或螺钉伸出头部形成的内切圆直径基本相同，使内外环(5与2)基本保持同心；内外环(5、2)两端还可用端盖封头并固定为一体；能量吸收层(4)内还可充填能量吸收材料：智能碰撞防护凝胶；两飞轮转子组件外壳底板组合之安装法兰(44)边缘上还开设有安装孔，供组件与所使用的车船等的底板或框架、龙骨上的支架安装连接并被固定用；对于大扭矩的应用，安装法兰或可分别设于两飞轮转子组件的端盖(6)的外端，由本机电装置的两端盖(6)上另制出法兰分别与车船等的底板或框架、龙骨上的支架连接以形成两端固定；安装支架可固定于车、船体底板的上面或下面，装置被安装固定后均仅使其约一半的高度露出在底板之上。