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CN201001064Y - 混合动力汽车用复合飞轮电池 - Google Patents

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CN201001064Y CNU200720089104XU CN200720089104U CN201001064Y CN 201001064 Y CN201001064 Y CN 201001064Y CN U200720089104X U CNU200720089104X U CN U200720089104XU CN 200720089104 U CN200720089104 U CN 200720089104U CN 201001064 Y CN201001064 Y CN 201001064Y
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Abstract

本实用新型公开了一种混合动力汽车用复合飞轮电池，主要由超级飞轮，双转子永磁复合电机，动态传动机构，三轴正交支撑机构四大部分构成，其超级飞轮主要由磁性轴承、固定在磁性轴承轴端的飞轮、位于飞轮内侧、固定在磁性轴承轴上的永磁行星齿轮减速器，与永磁行星齿轮减速器齿圈连接的减速轴构成；本实用新型综合了飞轮电池和双转子永磁无刷直流电机的各自优点而设计的基于双转子永磁无刷直流电机的复合飞轮电池，其本身是一个能量充放系统，不需要额外配置发电机和电动机，其系统效率明显提高。三轴正交支撑系统，消除了汽车非直线运行时的陀螺力矩，非常适合在混合动力汽车中应用。相比传统混合动力汽车其效率更高，动力性能更好，排放更低。

Description

混合动力汽车用复合飞轮电池
技术领域：本实用新型涉及一种飞轮储能电池，尤其涉及一种混合动力汽车用复合飞轮电池。
背景技术：  飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，其充电效率高，比能量、比功率大，质量小，无污染，寿命长，易维护，有着广阔的发展前景。然而，虽然飞轮电池自身的充放电效率较高，但是其与发电机、电动机组成的能量充放系统的效率与传统电池组成的能量充放系统效率相比优势并不太明显。再加上飞轮电池有着很大的陀螺力矩，进一步限制了它在混合动力汽车中的应用。因此，如何将飞轮储能技术应用在混合动力汽车，达到节省燃料是科技工作者研究的重要课题。
发明内容：
为了利用飞轮储能技术，克服目前存在着的飞轮电池与发电机、电动机组成的能量充放系统的效率低的问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、效率高、动力性能好、适合在混合动力汽车中应用的混合动力汽车用复合飞轮电池。
本实用新型的技术方案是以下述方式实现的：
一种混合动力汽车用复合飞轮电池，主要由超级飞轮，双转子永磁复合电机，动态传动机构，三轴正交支撑机构四大部分构成，其中：
超级飞轮主要由磁性轴承、固定在磁性轴承轴端的飞轮、位于飞轮内侧、固定在磁性轴承轴上的永磁行星齿轮减速器，与永磁行星齿轮减速器齿圈连接的减速轴构成；
双转子永磁复合电机主要包括由外向里依次套穿在磁性轴承上的定子、外转子、内转子，外转子、内转子通过控制器与定子连接；通过控制器使内转子、外转子输出的交流电转换成可控的脉冲电流；
传动机构主要由输入轴、与输入轴固定连接的锥齿轮、与锥齿轮啮合的锥齿轮、与锥齿轮依次连接的等角速万向节、与等角速万向节)连接的输出轴组成，传动机构还通过等角速万向节与内转子连接；
三轴正交支撑系统主要由与飞轮电池外壳连接的支撑环架构成，支撑环架的回转中心与等角速万向节的回转中心重合。
内转子，外转子绕组分别通过各自连接的水银滑环经过控制器与定子绕组相连接；内转子端轴套在外转子空心端轴内。
定子、外转子、内转子内侧铁心均由硅钢片叠制而成，铁心内嵌有交流绕组。
与外转子连接的圆柱齿轮与圆柱齿轮啮合连接、圆柱齿轮与等角速万向节连接，等角速万向节通过伸缩式传动轴与等角速万向节连接；伸缩式传动轴为滚珠式伸缩式传动轴。
减速轴外侧上嵌有永磁磁钢。
永磁行星齿轮减器的齿轮由永磁材料制成，齿轮之间无机械接触，以消除磨擦。行星架与飞轮外壳固定连接。
而内转子、外转子外侧则嵌有永磁磁钢，外转子与内转子固定连接，也可自由转动。
内转子、外转子外侧嵌有永磁磁钢，能量输出时，外转子与内转子结合为一体。
输入轴与输出轴均与车体相联接；它们与内外转子通过等角速万向节和伸缩式传动轴可以实现动态转矩传递。
本实用新型的工作原理：
飞轮与支撑环架构成了三自由度系统，使复合飞轮电池能在以支撑环架中心为圆心的球面内做相对的运动，以此来消除汽车因非直线行驶而产生的陀螺力矩。圆柱齿轮、等角速万向节的运动中心均在以支撑中心为圆心的圆柱齿轮的延伸平面内。因此，它们在传递转矩的同时不会使复合飞轮电池在支撑环架上的两个自由度方向上产生附加力矩，使复合飞轮电池只承受垂直于地面方向上的转矩。
本实用新型的积极效果是：复合飞轮电池是一种融合超级飞轮电池和永磁无刷直流电机各自优势的新型电池，它有着很高的能量充放效率和组成系统能量利用效率，且当安装在混合动力汽车中时，不需要再安装发电机或电动机。与普通混合动力汽车相比加速性好：复合飞轮电池比功率大，超过普通蓄电池，基于目前的技术现状，整体式超高速飞轮系统可达到10-150wg/kg的比能量和2-10kw/kg的比功率体积小，质量轻，飞轮电池的比能量较大，且复合飞轮电池电机的转速较普通混合动力汽车电机转速要高，因此，其体积和质量均有明显的下降。使用寿命长：飞轮与外壳之间没有机械接触，其之间为真空环境，基本消除了摩擦力。复合电飞轮采用的电机为永磁无刷直流电机，也具有发热少，寿命长的优势，采用水银滑环，进一步提高寿命和减少维护。效率更高：复合飞轮电池能量转换效率远高于普通蓄电池系统的能量转换效率，所以其对发动机能量利用的效率和再生制动效率要比普通混合动力明显提高。排放更少：发动机可以一直工作在最佳工况点，有最佳的燃油经济性能和最低的气体排放。在市区工况还可以熄灭发动机仅由复合飞轮电池来驱动，做到废气零排放。
本实用新型综合了飞轮电池和双转子永磁无刷直流电机的各自优点，设计了一种基于双转子永磁无刷直流电机的复合飞轮电池。其本身就是一个能量充放系统，不需要额外配置发电机和电动机，因此其系统效率明显提高。再结合三轴正交支撑系统，消除了汽车非直线运行时的陀螺力矩，非常适合在混合动力汽车中应用。相比传统混合动力汽车其效率更高，动力性能更好，排放更低。
附图说明：
图1为本实用新型的原理结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
由图1可以看出：本实用新型主要由超级飞轮，双转子永磁复合电机，动态传动机构，三轴正交支撑机构四大部分构成，其中：
超级飞轮主要由磁性轴承(1、7)、固定在磁性轴承轴28端的飞轮3、位于飞轮内侧、固定在磁性轴承轴28上的永磁行星齿轮减速器27，与永磁行星齿轮减速器齿圈连接的减速轴22构成；
双转子永磁复合电机主要包括由外向里依次套穿在磁性轴承(1、7)上的定子5、外转子6、内转子20，外转子6、内转子20通过控制器4与定子连接；通过控制器使内转子、外转子输出的交流电转换成可控的脉冲电流；
传动机构主要由输入轴15、与输入轴15固定连接的锥齿轮14、与锥齿轮14啮合的锥齿轮16、与锥齿轮16依次连接的等角速万向节(10，12，17)、与等角速万向节12连接的输出轴13组成，传动机构还通过等角速万向节17与内转子20连接；
三轴正交支撑系统主要由与飞轮电池外壳连接的支撑环架19构成，支撑环架19的回转中心与等角速万向节17的回转中心重合。
由图1还可以看出：内转子20，外转子6绕组分别通过各自连接的水银滑环(25、26)经过控制器4与定子5绕组相连接；内转子20端轴套在外转子6空心端轴内。
定子5、外转子6、内转子20内侧铁心均由硅钢片叠制而成，铁心内嵌有交流绕组。
由图1还可以看出：与外转子6连接的圆柱齿轮18与圆柱齿轮9啮合连接、圆柱齿轮9与等角速万向节10连接，等角速万向节10通过伸缩式传动轴11与等角速万向节12连接；伸缩式传动轴11为滚珠伸缩式传动轴。
减速轴22外侧上嵌有永磁磁钢。
永磁行星齿轮减器27的齿轮由永磁材料制成，齿轮之间无机械接触，以消除磨擦。行星架与飞轮外壳固定连接。
而内转子20、外转子6外侧则嵌有永磁磁钢，外转子6与内转子20固定连接也可自由转动，内转子20、外转子6外侧嵌有永磁磁钢，能量输出时外转子6与内转子20结合为一体。
输入轴15与输出轴13均与车体相联接；它们与内外转子6通过等角速万向节和伸缩式传动轴11可以实现动态转矩传递。
能量输入：发动机的转矩经输入轴，锥齿轮，等角速万向节传递给内转子，内转子开始旋转，于是内外转子之间产生转差率S1，当S1＞3％时，内外转子便以发电模式工作。外转子绕组中的电流通过水银滑环经过控制器一部分传递给定子绕组，一部分传递给内转子绕组，其分配比例由控制器自动控制。当电流传递给定子绕组，则定子与外转子以永磁无刷直流电机模式工作，定子向外转子传递转矩。当电流传递给内转子绕组，则内转子与飞轮减速轴之间也以永磁无刷直流电机模式工作，内转子在旋转的同时向飞轮减速轴传递转矩，使飞轮旋转，储存能量。因此，输入的能量被分为两部分：一部分经外转子以机械传动方式输出，一部分转换成电能储存于飞轮，两部分的比例由控制器自动调节。
控制器功能：控制器的作用是可逆输出正玄波或者方波电流，并可以对其脉冲频率、振幅进行调节，
能量输出：将内外转子固定连接，断开输入轴与内转子的联接，接通内转子绕组，减速轴与内转子之间存在转差率S2，当S2＞3％时，内转子受到转矩并随着减速轴旋转的同时，内转子与减速轴也以发电模式工作。电流通过水银滑环经过控制器传递给定子绕组，定子与外转子之间以永磁无刷直流电机模式工作，定子向外转子传递转矩，因此，内外转子固定在一起时，向输出轴传递转矩，推动负载做功。
本实用新型在混合动力汽车中的应用分析
发动机的启动：输入轴15与内转子20联接，输出轴13与外转子6分离，内转子20与减速轴之间切换为发电模式，外转子6与定子5之间切换为永磁无刷直流电机模式，内外转子6固定在一起共同驱动发动机至最佳工作转速，然后将内转子20与减速轴之间切换为空转状态，由于复合飞轮3电池输出功率较大，发动机可以迅速达到最佳工作转速，提高燃油效率，减少气体排放。
汽车的启动：汽车启动时可分为低速启动和高速起动。低速启动时，结合外转子6与输出轴13，分离输入轴15与内转子20的联接，内外转子6之间固定连接，飞轮3对内转子20输出转矩，内转子20与减速轴之间为发电模式，定子5与外转子6之间为永磁无刷直流电机模式，内外转子6共同驱动输出轴13做功。其中控制器4可以控制电流的大小，以控制启动转矩的大小。高速启动时，联接内转子20与输入轴15，发动机与飞轮3共同输出转矩，以增加启动的力矩。
低速行驶：低速行驶时参考低速启动，低速启动后即可进入低速行驶状态，也可以由发动机单独驱动。此时，发动机驱动内转子20，由于存在转速差，外转子6、内转子20转动的同时，外转子6与内转子20也以发电模式工作。外转子6绕组产生的电流通过滑环，控制器4一部分传递给定子5，另一部分传递给内转子20绕组。定子5向外转子6传递转矩，而内转子20驱动飞轮3储存能量。
中速行驶：当中速行驶时，外转子6绕组产生的电流全部传递给定子5，定子5与内转子20共同驱动外转子6对输出轴13做功。
高速行驶：当高速行驶时，参考汽车高速启动，发动机与飞轮3共同做功，以实现高速行驶。
再生制动：分离内转子20与输入轴15的联接，将外转子6与内转子20固定连接，外转子6与定子5之间切换为发电模式，内转子20与减速轴之间切换为永磁无刷直流电机模式，制动能转化为飞轮3的动能。控制器4控制定子5输出电流的大小，以控制制动力矩的大小。

Claims (7)

1、一种混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：主要由超级飞轮，双转子永磁复合电机，动态传动机构，三轴正交支撑机构四大部分构成，其特征在于：
超级飞轮主要由磁性轴承(1、7)、固定在磁性轴承轴(28)端的飞轮(3)、位于飞轮内侧、固定在磁性轴承轴(28)上的永磁行星齿轮减速器(27)，与永磁行星齿轮减速器齿圈连接的减速轴(22)构成；
双转子永磁复合电机主要包括由外向里依次套穿在磁性轴承(1、7)上的定子5、外转子(6)、内转子(20)，外转子(6)、内转子(20)通过控制器(4)与定子连接；
传动机构主要由输入轴(15)、与输入轴(15)固定连接的锥齿轮(14)、与锥齿轮(14)啮合的锥齿轮(16)、与锥齿轮(16)依次连接的等角速万向节(10，12，17)、与等角速万向节(12)连接的输出轴(13)组成，传动机构还通过等角速万向节(17)与内转子(20)连接；
三轴正交支撑系统主要由与飞轮电池外壳连接的支撑环架(19)构成，支撑环架(19)的回转中心与等角速万向节(17)的回转中心重合。
2、根据权利要求1所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：内转子(20)，外转子(6)绕组分别通过各自连接的水银滑环(25、26)经过控制器(4)与定子(5)绕组相连接；内转子(20)端轴套在外转子(6)空心端轴内。
3、根据权利要求2所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：定子(5)、外转子(6)、内转子(20)内侧铁心均由硅钢片叠制而成，铁心内嵌有交流绕组。
4、根据权利要求1、2或3所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：与外转子(6)连接的圆柱齿轮(18)与圆柱齿轮(9)啮合连接、圆柱齿轮(9)与等角速万向节(10)连接，等角速万向节(10)通过伸缩式传动轴(11)与等角速万向节(12)连接；伸缩式传动轴(11)为滚珠式伸缩传动轴。
5、根据权利要求4所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：减速轴(22)外侧上嵌有永磁磁钢。
6、根据权利要求5所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：永磁行星齿轮减器(27)的齿轮由永磁材料制成，齿轮之间无机械接触，行星架与飞轮外壳固定连接。
7、根据权利要求6所述的混合动力汽车用复合飞轮电池，其特征在于：内转子(20)、外转子(6)外侧嵌有永磁磁钢，能量输出时，外转子(6)与内转子(20)结合为一体。
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