本發(fā)明屬于電能存儲技術領域，尤其涉及一種五自由度磁懸浮飛輪儲能裝置，特別適用于不間斷電源、航空航天等領域。

背景技術：

隨著新能源發(fā)電、分布式電源系統、混合動力車輛、航空航天等領域的發(fā)展，儲能技術已成為世界性的研究課題。眾多儲能技術中，飛輪電池以功率大、效率高、壽命長、儲能密度大、清潔無污染等優(yōu)點受到國內外的高度重視。作為一種集機械、控制、電子等技術于一體的新型儲能裝備，飛輪電池目前還存在諸多制約其工程化應用的技術難題，主要表現于懸浮支承系統、集成式高速/超高速電機的性能與控制等。為減小支承損耗，飛輪電池通常采用多個磁懸浮軸承支承，增加了飛輪軸向長度，降低了臨界轉速，同時也導致飛輪電池結構復雜、體積龐大。磁懸浮軸承消除了傳統機械軸承連續(xù)高速運轉的發(fā)熱失效問題和摩擦阻力消耗問題使得飛輪電池的儲能總量與儲能密度都得到大幅度的提高。而磁懸浮電機集傳統電機旋轉與磁軸承懸浮功能于一體，以同時產生驅動負載的電磁轉矩和支承轉子的懸浮力為目標，打破了傳統電機僅為了產生電磁轉矩而必須保持氣隙磁場平衡的思路，開辟了高速電機研究領域的新方向。磁懸浮開關磁阻電機將磁懸浮技術與開關磁阻電機相結合，在繼承一般磁懸浮電機無摩擦、無磨損、軸向空間利用率高、轉子臨界轉速大等優(yōu)點基礎上，充分發(fā)揮了開關磁阻電機的高速優(yōu)越性以及對惡劣環(huán)境的適應性，同時通過徑向力的主動控制，有效改善了開關磁阻電機因不平衡磁拉力造成的振動和噪聲問題，成為目前磁懸浮電機領域一個新的研究熱點。為此，本專利提出一種以四自由度磁懸浮支承與傳動系統為核心部件的飛輪儲能裝置，實現了懸浮支承系統與驅動電機的完全意義上統一，大大增加了系統的結構緊湊性，控制更加靈活，提高了臨界轉速、功率密度與系統集成度，進一步減小了支承損耗，在高速低損飛輪電池領域具有重大的研究與應用價值。

技術實現要素：

本發(fā)明目的是提出一種五自由度磁懸浮飛輪儲能裝置，實現了懸浮支承系統與驅動電機完全意義上的統一，利用磁懸浮開關磁阻電機高速運行優(yōu)勢和自懸浮功能，能提高飛輪極限轉速和動態(tài)性能，降低支承功耗、成本和體積，降低飛輪儲能系統運行損耗，提高運行效率和可靠性。為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：包括真空容器、飛輪、轉軸、永磁卸載軸承以及四自由度磁懸浮支承與傳動系統。

所述四自由度磁懸浮支承與傳動系統由磁懸浮開關磁阻電機，永磁體，電機側導磁板，軸承側導磁板和磁軸承組成。磁懸浮開關磁阻電機，永磁體，電機側導磁板，軸承側導磁板和磁軸承固連為一個整體裝置，實現了懸浮支承系統與驅動電機完全意義上的統一。永磁體通過導磁板的作用，為磁懸浮開關磁阻電機和磁軸承均提供了產生懸浮力所需的偏置磁場，省去了多余的用于產生偏置磁軸的線圈，損耗低且系統結構緊湊。

所述四自由度磁懸浮支承與傳動系統的磁懸浮開關磁阻電機部分：采用轉矩/懸浮自解耦結構，提高了系統運行的穩(wěn)定性與可靠性，磁懸浮開關磁阻電機轉矩部分采用短磁路結構，降低了系統漏磁，進一步提高了飛輪儲能裝置的運行效率。磁懸浮開關磁阻電機由四個隔磁板，四個電機懸浮極，四個電機懸浮繞組，四個電機定子鐵心，八個轉矩繞組，一個電機定子軛，一個電機轉子。其中，電機定子軛外部與電機側導磁板相連，電機定子軛內部與四個電機懸浮極相連，每個電機懸浮極上疊繞一個電機懸浮繞組，繞組均由直流電控制；相鄰兩個電機懸浮極之間安裝一個隔磁板，隔磁板外側與電機定子軛相連，共有四個隔磁板；每個隔磁板內側安裝一個電機定子鐵心，每個電機定子鐵心上有兩個齒，每個齒上疊繞轉矩繞組；電機定子鐵心、電機懸浮極和電機轉子之間留有等間隙的徑向氣隙；電機轉子上共有十個等間距分布的齒，電機轉子嵌套在轉軸上。四個電機懸浮極，相隔90°等間距分布。

所述磁軸承由四個軸承定子極，四個軸承懸浮繞組，一個軸承定子軛，一個軸承轉子組成。其中，軸承定子軛外部與軸承側導磁板相連，軸承定子軛內部與四個軸承定子極相連，每個軸承定子極上疊繞一個軸承懸浮繞組，繞組均由直流電控制；軸承定子極和軸承轉子之間留有等間隙的徑向氣隙；軸承轉子嵌套在轉軸上；四個軸承定子極相隔90°等間距分布。

所述永磁卸載軸承包括上磁環(huán)，下磁環(huán)。上磁環(huán)與硅鋼片固連飛輪，下磁環(huán)固連在真空容器；上磁環(huán)與下磁環(huán)之間有一定有氣隙。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)軸向長度縮短、結構緊湊

該裝置采用四自由度磁懸浮支承與傳動系統，利用永磁體、導磁板以及隔磁材料，實現了懸浮支承系統與驅動電機完全意義上的統一，四自由度磁懸浮支承與傳動系統可以同時實現四個自由度上的懸浮以及電機的電動/發(fā)電運行?？s短了裝置軸向長度縮短、增加了裝置的結構緊湊性。

(2)降低系統功耗、提高運行效率

利用永磁卸載軸承實現軸向卸載，配合四自由度磁懸浮支承與傳動系統實現飛輪轉軸五自由度高速低損耗全懸浮，降低了機械摩擦損耗，同時，四自由度磁懸浮支承與傳動系統懸浮部分的偏置磁場由永磁體提供，進一步降低了裝置的電磁功耗，提高了運行效率。

(3)控制簡單，運行可靠

四自由度磁懸浮支承與傳動系統中的磁懸浮開關磁阻電機采用轉矩/懸浮自解耦結構，提高了系統運行的穩(wěn)定性與可靠性，磁懸浮開關磁阻電機轉矩部分采用短磁路結構，降低了系統漏磁，進一步提高了飛輪儲能裝置的運行效率。

(4)結構堅固、適合高速運行

整個裝置的結構簡單，尤其轉子上無永磁體僅為導磁鐵心，結構簡單堅固，便于高速、超高速運行，有利于提高飛輪的極限轉速，進而提高該飛輪儲能系統的儲能容量。

附圖說明

圖1為一種五自由度磁懸浮飛輪儲能裝置圖；

圖2為四自由度磁懸浮支承與傳動系統5裝置圖；其中(a)為側面剖分圖，(b)為主視圖；

圖3為四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁軸承505部分示意圖；

圖4為四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁軸承505部分原理示意圖；

圖5為四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁懸浮開關磁阻電機501部分示意圖；

圖6為四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁懸浮開關磁阻電機501工作原理圖；

圖中，真空容器1，轉軸2，飛輪3，永磁卸載軸承4，四自由度磁懸浮支承與傳動系統5，磁懸浮開關磁阻電機501，電機側導磁板502，永磁體503，軸承側導磁板504和磁軸承505，軸承定子軛505-1，軸承定子極505-2，軸承繞組505-3，軸承轉子505-4，隔磁板501-7，電機懸浮極501-1，電機懸浮繞組501-2，電機定子鐵心501-3，轉矩繞組501-4，電機定子軛501-5，電機轉子501-6。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明包括真空容器1，轉軸2，飛輪3，永磁卸載軸承4，四自由度磁懸浮支承與傳動系統5。轉軸2，飛輪3，永磁卸載軸承4，四自由度磁懸浮支承與傳動系統5置于真空容器1內，用于減少風阻帶來的能量損耗；飛輪3安裝在轉軸2下端，同時永磁卸載軸承4固連飛輪3與真空容器1，實現飛輪儲能系統的軸向重量卸載，實現軸向一個自由度懸??；飛輪儲能裝置上端安裝四自由度磁懸浮支承與傳動系統5，用于實現徑向四自由度懸浮以及電動/發(fā)電功能。永磁卸載軸承與四自由度磁懸浮支承與傳動系統共同實現五自由度磁懸浮的飛輪儲能裝置。

如圖2所示，本發(fā)明所采用的四自由度磁懸浮支承與傳動系統5側面剖分圖，包括磁懸浮開關磁阻電機501，電機側導磁板502，永磁體503，軸承側導磁板504和磁軸承505。磁懸浮開關磁阻電機501，電機側導磁板502，永磁體503，環(huán)形永磁體503一側為環(huán)形電機側導磁板502，電機側導磁板502內部為磁懸浮開關磁阻電機501，永磁體503另一側為環(huán)形軸承側導磁板504，軸承側導磁板504內部為磁軸承505；軸承側導磁板504和磁軸承505固連為一個整體裝置，實現了懸浮支承系統與驅動電機完全意義上的統一。永磁體503采用軸向充磁，通過電機側導磁板502的作用，為磁懸浮開關磁阻電機501提供了產生懸浮力所需的偏置磁場，永磁體503通過軸承側導磁板504的作用為磁軸承505提供了產生懸浮力所需的偏置磁場。去了多余的用于產生偏置磁軸的線圈，損耗低且系統結構緊湊。電機側導磁板502，軸承側導磁板504采用導磁性良好的材料制成，如硅鋼片，電工純鐵。

如圖3所示，本發(fā)明所采用的四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁軸承505部分：由軸承定子軛505-1，軸承定子極505-2，軸承繞組505-3，軸承轉子505-4組成。軸承定子軛505-1外部與軸承側導磁板504相連，軸承定子軛505-1內部等間距安裝四個軸承定子極505-2，每個軸承定子極505-2上疊有集中式繞組505-3，軸承定子極505-2與軸承轉子505-4之間留有一定氣隙。四個軸承定子極505-2相隔90°等間距分布。

如圖4所示，本發(fā)明所采用的四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁軸承505部分原理為：軸承繞組505-3共有四套，m1，m2，m3，m4。m1和m3控制y方向懸浮(一個自由度)，其控制電流分別為im1，im3。m2和m4控制x方向懸浮(一個自由度)，其控制電流分別為im2，im4。由于結構的對稱性，永磁鐵503產生的磁通φm在磁軸承505內均勻分布，當此時需要產生y負方向懸浮力時，控制繞組m1和m3中電流im1，im3大小和方向，產生控制磁通φy，控制繞組m1處磁通為：φm–φy，控制繞組m3處磁通為：φm+φy，則轉子表面因磁場不平衡，會產生y負方向懸浮力。同理可以產生任意方向懸浮力，實現兩個自由度懸浮。

如圖5所示，本發(fā)明所采用的四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁懸浮開關磁阻電機501部分：由四個隔磁板501-7，四個電機懸浮極501-1，四個電機懸浮繞組501-2，四個電機定子鐵心501-3，八個轉矩繞組501-4，一個電機定子軛501-5，一個電機轉子501-6。其中，電機定子軛501-5外部與電機側導磁板502相連，電機定子軛內部501-5與四個電機懸浮極501-1相連，每個電機懸浮極501-1上疊繞一個電機懸浮繞組501-2，電機懸浮繞組501-2均由直流電控制；相鄰兩個電機懸浮極501-1之間安裝一個隔磁板501-7，隔磁板501-7外側與定子軛相連501-5，共有四個隔磁板501-7；每個隔磁板501-7內側安裝一個電機定子鐵心501-3，每個電機定子鐵心501-3上有兩個齒，每個齒上疊繞轉矩繞組501-4；電機定子鐵心501-3、電機懸浮極501-1和電機轉子501-6之間留有等間隙的徑向氣隙；電機轉子501-6上共有十個齒，電機轉子501-6嵌套在轉軸6上。磁懸浮開關磁阻電機501采用轉矩/懸浮自解耦結構：轉矩繞組501-4與電機懸浮繞組501-2分開安置，提高了系統運行的穩(wěn)定性與可靠性。實現兩個自由度懸浮與電動/發(fā)電。

所述電機轉子501-6與軸承轉子505-4相連，永磁體503與軸承側導磁板504、電機側導磁板502相連，并處于磁懸浮開關磁阻電機501和磁軸承505中間；永磁體503產生的磁通經過電機側導磁板502，電機定子鐵心501-3，電機懸浮極501-1，電機轉子501-6，軸承轉子505-4，軸承定子軛505-1，軸承定子極505-2，軸承側導磁板504形成一個閉合回路，為磁懸浮開關磁阻電機501兩個自由度懸浮力的產生和磁軸承505兩個自由度懸浮力的產生提供偏置磁場。

四自由度磁懸浮支承與傳動系統5實現四個自由度懸浮與電動/發(fā)電，永磁卸載軸承4實現軸向一個自由度的懸??；四自由度磁懸浮支承與傳動系統5與永磁卸載軸承4實現五自由度磁懸浮飛輪儲能系統。

如圖6所示，本發(fā)明所采用的四自由度磁懸浮支承與傳動系統5的磁懸浮開關磁阻電機501工作原理：轉矩部分采用單繞組短磁路結構，轉矩繞組501-4共有八個集中式繞組：a1繞組與a2繞組串聯，其控制電流為ia，b1繞組與b2繞組串聯，其控制電流為ib，c1繞組與c2繞組串聯，其控制電流為ic，d1繞組與d2繞組串聯，其控制電流為id。根據磁阻最小原理，實現電機正、反轉，進而實現電動/發(fā)電功能。ia，ib，ic，id電流獨立控制，具有單繞組結構，提高了系統的容錯性能，且采用短磁路結構，降低了系統漏磁，進一步提高了飛輪儲能裝置的運行效率。懸浮繞組501-2共有四個集中式繞組：f1繞組控制電流為if1，f2繞組控制電流為if2，f3繞組控制電流為if3，f4繞組控制電流為if4。與控制電流產生的磁場大小與方向，與永磁體503產生的磁場相疊加或者消弱，進而產生轉子上的不對稱磁場力，結合相應的控制系統，可以實現兩個自由度的懸浮。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。