[发明专利]储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，涉及小型电动车船、行走/移动机器人、航空与航天器等领域：能与电化学储能动力电池或还有超级电容组合作为复合能源中的高功率源，具有多功能——特别涉及还可用于车船体姿态控制，诸如小型4轮汽车的防侧倾与翻滚、小型船舶船体的稳定减摇、前后2轮车实现自平衡、直立不倒实现全新型2轮电动汽车、航空与航天器的大力矩快速响应姿态控制等。

背景技术

在储能应用领域，飞轮转子由电动/发电可逆的电机作为电动机驱动高速旋转，将电能以惯性机械旋转动能的形式储存——即“充电”；反之，高速旋转的飞轮转子带动电动/发电机作为发电机发电，将飞轮转子的惯性机械旋转动能转变成电能供给外部负载——即“放电”，其装置被称为飞轮储能系统(FESS)，或简称飞轮电池。对依此原理工作的这种物理电池的研究已有很久的历史，有大量的专利技术及文献发表，这表明人们一直致力于对其不断研究改进。该技术现也已成功地应用于一些领域，例如作为航天器能源、对电网波动峰值的抑制补偿、风电及太阳能发电的电能储存，固定UPS(不间断电源)、电磁炮与轨道弹射、大功率激光器、起重机与吊车的高功率电源等。

虽然飞轮电池具有比能量高、比功率大、完全没有污染及CO₂排放、对环境温度不敏感、能量转换效率高、充放电速度快、使用寿命长等绿色环保节能的突出优点，但能应用于小型地面车辆或水面船舶的案例仍极少。数年前，此技术虽已开始试用于F1方程式赛车中——主要用于制动能量的回收及利用，但至今仍没有能被应用于已最大量生产的同类产品——商用乘用车/轿车的案例。现有技术一例可参见WO2007132241(A1)。

在姿态控制方面，利用高速旋转中飞轮转子的陀螺效应制成的控制力矩陀螺(CMG)、动量轮(MW)以及反作用飞轮(RW)的姿态控制技术，已随微电子与计算机、电磁悬浮及超导、高强度新材料等技术的飞速进步获得了众多成果，并已成功地应用于某些领域，主要是航天器——例如卫星、飞船；新近在行走/移动机器人领域也开始探索应用。但在其他领域，特别是在目前作为人类主要交通工具之一的小型汽车中仍应用极少。虽然已有一些专利技术公开，但仍几乎看不到已量产的应用实例。现有技术可应用的参照例参见US3373832(1968)，以及用于前后两轮车的自平衡的US2013233100、CN105365914等。

导致飞轮电池及陀螺姿控技术未能广泛应用的主要原因首先在于：依现有技术获得高比能量用于储能或姿控的成本太高，使其难以在要求价格相对低廉的民用产品中使用。

根据飞轮转子储能量的物理方程：E＝0.5Jω²，对于常用的圆环形飞轮转子：J＝mr²，故有：

E＝0.5mr²ω² (1)