[發(fā)明專利]一種五自由度懸浮支承的不倒翁式車載飛輪儲能裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110286861.0
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112953102B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張維煜;張林東;朱熀秋;單龍;俞玨鑫;王健萍
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開一種用于電動汽車的五自由度懸浮支承的不倒翁式車載飛輪儲能裝置，飛輪由金屬飛輪轉(zhuǎn)子和復(fù)合材料圓環(huán)過盈配合組成碗狀，金屬飛輪轉(zhuǎn)子由上段圓環(huán)、中段空心半球體和下段圓環(huán)組成，復(fù)合材料圓環(huán)緊密套在上段圓環(huán)的外部形成碗狀的碗口部位，上段圓環(huán)的底端內(nèi)壁沿徑向向內(nèi)突出圓環(huán)狀的軸向推力盤，軸向推力盤上方區(qū)域是碗口空槽層、下方區(qū)域依次是球面空槽層和碗底空槽層，形成飛輪內(nèi)腔，支撐架套在內(nèi)定子中，下段圓環(huán)正中間的碗足中心軸和下段圓環(huán)之間形成碗足圓環(huán)腔，碗足圓環(huán)腔中容納有驅(qū)動電機(jī)；本發(fā)明將磁軸承和電機(jī)都內(nèi)置于飛輪中，有效減小裝置的軸向長度，提高集成度，飛輪為上輕下重的形狀，重心集中在碗底，實(shí)現(xiàn)天然自平衡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于電動汽車的車載飛輪儲能裝置(也稱飛輪電池)領(lǐng)域，具體為一種五自由度懸浮支承的車載儲能裝置。

背景技術(shù)

飛輪儲能裝置作為近年來發(fā)展的一種綠色儲能器件，具有比功率大、充放電效率高、噪聲污染小和生命周期長優(yōu)勢，是電動汽車?yán)硐氲膭恿﹄姵刂弧Ｈ欢?，目前制約電動汽車用飛輪儲能裝置發(fā)展的主要挑戰(zhàn)為其空間占有率仍較大、穩(wěn)定性能仍有待提高、成本昂貴、安全性能難以保障以及控制手段復(fù)雜等技術(shù)性難題。

空間排布方面：傳統(tǒng)飛輪儲能裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為飛輪、電機(jī)、磁軸承圍繞“長慣性主軸”排布，因此軸向長度長，不僅不利于飛輪臨界轉(zhuǎn)速的提高，且還具有集成度低、空間利用率低等缺點(diǎn)，不利于其在電動汽車中的推廣應(yīng)用。

穩(wěn)定性方面：由于特殊的車載環(huán)境，飛輪通常會受車輛行駛情況(諸如啟動、加減速、轉(zhuǎn)彎、上下坡等)以及不同顛簸等級路況的影響而加劇其陀螺效應(yīng)及不平衡振動。然而，現(xiàn)有的飛輪儲能裝置中的飛輪拓?fù)渫ǔ３蕦?shí)心或空心的柱形、球形或盤式結(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重心基本位于整體飛輪的幾何中心位置，當(dāng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)且受車輛行駛工況及路況等外界干擾因素的影響時(shí)，飛輪極易失穩(wěn)，且對磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及懸浮控制策略提出了更高的要求。

成本方面：考慮車載飛輪儲能裝置的實(shí)際應(yīng)用場合，在滿足特定儲能優(yōu)勢的前提下需降低裝置的加工成本以便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)品化應(yīng)用。一般地，為滿足系統(tǒng)儲能要求，飛輪材料多選用高韌性復(fù)合材料制成，但是此類材料價(jià)格不經(jīng)濟(jì)，不符合低成本性目標(biāo)。相比而言，金屬材料具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢，但在同等儲能量的基礎(chǔ)上，其重量和體積成倍增加，不適合高集成度的車載場合。因此充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，且合理設(shè)計(jì)復(fù)合材料和金屬材料的配比，進(jìn)而保證飛輪儲能性能與成本具有重要意義。

安全性方面：傳統(tǒng)飛輪儲能裝置的安全容器多為單層真空保護(hù)罩，密封性不強(qiáng)且沒有充分考慮飛輪發(fā)生極限破壞等情況對系統(tǒng)造成的安全危害。

中國專利申請?zhí)枮?01910072060.7、名稱為“電動汽車用虛擬軸式磁懸浮飛輪儲能裝置”的文獻(xiàn)中涉及一種分離式五自由度磁軸承用以支承飛輪轉(zhuǎn)子，采用一種徑向六極混合磁軸承實(shí)現(xiàn)徑向二自由度平動和徑向二自由度扭轉(zhuǎn)控制，軸向單自由度控制則采用一種內(nèi)嵌式雙永磁體結(jié)構(gòu)的軸向混合磁軸承，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的軸向承載力。然而，該裝置的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案雖利用“內(nèi)嵌”思想降低了飛輪儲能裝置的軸向體積，集成度較高，但部分磁軸承內(nèi)嵌化不僅使飛輪轉(zhuǎn)子加工困難、維護(hù)成本較高，更重要的是會導(dǎo)致飛輪內(nèi)嵌部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在儲能特性和安全特性上得不到保證。進(jìn)一步地，該裝置中的金屬飛輪呈柱面盤式設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)特定儲能量的條件下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性低、自穩(wěn)定效果較差，且在高速環(huán)境下，盤式結(jié)構(gòu)相比于柱形飛輪具有更強(qiáng)烈的陀螺效應(yīng)，進(jìn)而增加了其控制難度。另外，該裝置的軸向磁軸承為抵消飛輪重量，采用雙永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)會不可避免的產(chǎn)生漏磁導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，且整個(gè)五自由度磁軸承間為不發(fā)生磁路耦合，均采用隔磁鋁環(huán)代替氣隙磁障，其雖能達(dá)到所需效果，但同時(shí)會增加系統(tǒng)的渦流損耗等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)方案的缺陷，提出并一種高集成度、具有天然自穩(wěn)定性、低經(jīng)濟(jì)成本且不乏儲能優(yōu)勢、高安全性能的五自由度懸浮支承的不倒翁式車載飛輪儲能裝置，通過設(shè)計(jì)飛輪的拓?fù)涠淖冋w飛輪的重心，設(shè)計(jì)類似“不倒翁式”的飛輪拓?fù)洌瑥亩哂刑烊坏娘w輪自平衡優(yōu)勢。