[实用新型]一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机

说明书

一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，属于磁悬浮电机的技术领域。本实用新型包括飞轮、转子和定子，所述飞轮与转子做成一个整体，定子与转子沿轴向分成A、B两相，中间分别夹有轴向反向充磁永磁体；转子包括转子A相球面铁心、转子B相球面铁心、转子永磁体、转子A相导磁环、转子B相导磁环；定子包括定子A相球面铁心、定子B相球面铁心、定子永磁体、定子A相导磁环、定子B相导磁环、定子套筒；每相定子球面铁心分设宽齿悬浮极、窄齿转矩极和隔磁体，悬浮极和转矩极均采用极靴结构，分别绕有悬浮控制线圈和转矩控制线圈。本实用新型提升气隙磁密全域均匀性，实现飞轮无轴支承，抑制了陀螺效应；同时提高了系统集成度，运行效率和可靠性，达到悬浮磁路和转矩磁路解耦。

技术领域

本发明公开了一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，属于磁悬浮电机的技术领域。

背景技术

由于能源和环境问题，电动汽车得到空前快速发展，动力电池是其动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。蓄电池作为独立动力源难以满足车辆频繁启停瞬时大功率(车辆启动加速时所需峰值功率为匀速行驶时的30倍)充放电工程要求，且其性能和寿命受车辆运行环境温度、充放电深度和循环次数限制。飞轮电池以其高频次大功率、节能高效率、安全长寿命、绿色环保等优点受到国内外高度重视，但目前尚存在诸多技术难题制约其在车载工况下的实际工程应用，其中悬浮支承和高速运行问题尤为突出。

磁轴承支承可降低飞轮电池损耗，但系统结构复杂、临界转速受限且故障率高。近年来兴起的磁悬浮电机(又称无轴承电机)技术结合了磁轴承与电机的双重优点，可简化系统结构，提高临界转速、提升系统集成度与可靠性，在飞轮电池领域具备独特优势。日本学者提出将磁轴承与飞轮电机合二为一形成飞轮电池用磁悬浮飞轮电机的设想，其研究成果表明，采用磁悬浮飞轮电机增加了系统结构紧凑性，而且降低了绕组损耗以及摩擦损耗，提高了待机时间；同时还能有效削弱振动幅度以及系统噪音，提高了系统运行可靠性与使用寿命。另外相比异步电机、永磁电机，开关磁阻电机具备调速范围宽、效率平台宽、以及结构简单可靠、机械强度大等优点，更加适合高速、超高速运行的飞轮，且这些优点与磁悬浮技术结合，形成磁悬浮开关磁阻电机，具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的优点，这使其在飞轮电池领域的潜在工程应用价值尤为突出。但纵观国内外，目前磁悬浮电机的实际工程应用普及程度并不高，究其原因主要是电机内部绕组-磁路-电磁力均存在复杂的电磁强耦合关系，电机分析与高速控制难度大，这已经成为制约该项技术进入工程应用的主要瓶颈。同时用于车载飞轮电池，有限的车辆安装空间以及复杂的车辆行驶环境和道路工况使其面临强陀螺效应和外部扰动干扰以及可靠性问题。

综上可见，现有磁悬浮电机用于电动汽车飞轮电池领域时，在结构、机理和功能上还存在不足，因此有必要针对车载工况，结合飞轮电池具体应用有针对性地设计新结构。

发明内容

本发明针对车载工况下飞轮电池高集成、强抗扰和高可靠的运行性能要求，提出一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机。该电机既实现了飞轮、电机和支承系统的高度集成，又达到了电磁转矩和悬浮力在磁路上的解耦；且通过定转子磁极球面型设计，提升气隙磁密在径向、轴向和周向上的全域均匀性，实现飞轮电池在悬浮支承刚度和精度上双重提升，同时使得各磁极下的悬浮力过转子球心，克服平动悬浮对扭动悬浮的影响，满足车载飞轮转子陀螺效应抑制和强抗扰的要求；另外通过定转子对称永磁设计，在不增加系统体积和空间基础上，降低飞轮电池悬浮支承功耗，提升飞轮电池待机时间、运行效率和可靠性。

本发明所采用的技术方案是:

一种轴向永磁球面磁悬浮飞轮电机，包括飞轮、转子和定子，转子包括转子A相球面铁心、转子B相球面铁心、转子永磁体、转子A相导磁环、转子B相导磁环；定子包括定子A相球面铁心、定子B相球面铁心、定子永磁体、定子A相导磁环、定子B相导磁环、定子套筒；

转子A相球面铁心、转子B相球面铁心外侧分别固定转子A相导磁环、转子B相导磁环，转子A相导磁环和转子B相导磁环之间夹装转子永磁体，转子永磁体、转子A相导磁环、转子B相导磁环安装在飞轮内侧，与飞轮固定为一个整体；