一种磁悬浮飞轮储能电机发电机的制作方法

本实用新型属于飞轮储能电机、发电机和新能源技术领域，涉及一种磁悬浮飞轮储能电机发电机。

背景技术：

火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命。

超级电容储能式公交车通过车载电容驱动,30秒“秒充”一次充电行驶里程只有8~10公里，每一条公交线路车站被改造成充电站，投资充电站资金相当大，行驶的里程和区域受到了极大的限制。

飞轮储能系统作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，具有寿命长、维护量小、高效率和高功率的优点。飞轮储能依靠旋转的飞轮转子惯性把电能转换为动能储存起来，在停电的情况下实现不间断电源供给。飞轮长期高速旋转时，转子的发热量较大，在大电流集中放电的情况下，定子发热量较大，如果热量不能够及时散出，过高的温度就会对定子和转子产生损害，导致整个机器损坏。同时，飞轮储能器作为一种高速旋转的机械装置，轴承系统是其关键部件，轴承的润滑和散热效果的好坏也是整个系统能否可靠运行的关键。

目前关于飞轮储能并且具有代表性的相关技术包括以下几种：cn201720695674.7公开一种高储能飞轮系统整体散热装置、cn201811189965.4公开了一种自悬浮飞轮电池多模式驱动控制系统、cn201820664428.x公开了一种自抽真空储存罐。

现有的高速磁悬浮飞轮存在以下了四点缺陷。

1、现有的高速飞轮中支撑结构采用永磁体与转子铁芯配合的结构，飞轮高转速时，高频气隙磁场谐波会在永磁体或转子铁芯上产生大量的涡流损耗。

2、产生的涡流造成转子发热，由于飞轮储能转子或飞轮电机转子运行在真空环境下，转子发出的热量难以辐射散出，降低飞轮储能系统在额定功率及容量时的单位时间作次数。

3、飞轮储能散热系统不能同时兼顾真空壳体、飞轮、转子、定子铁芯、定子轴与辅助轴承的整体化一次性散热。

4、无轴承永磁同步电机中的悬浮绕组必须一直持续供电，除了飞轮储能的充能模式可接通外电源供电，其他如待机与发电模式下，没有相应不接通外电源的情况下，不能使机械转轴实现悬浮，或者连接其他蓄电池电源供电应急，不能够实现飞轮电池的独立运行及运输转移。

5、外置真空系统来对飞轮储能产品抽真空，经济性不高，能耗大，控制难度大，且受空间与安装位置的限制，分子象到真空室有一定的距离，抽真空难度加大。

技术实现要素：

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，针对真空条件下，飞轮储能各系统散热困难的问题，本发明的目的是提出了一种磁悬浮飞轮储能电机发电机，实现真空壳体、飞轮、转子、定子铁芯、定子轴与辅助轴承的整体化一次性散热。

在不依赖外接电源的情况下，飞轮储能在待机模式和发电模式中，实现飞轮发电模式

运行向磁悬浮轴承供电，使飞轮转轴自悬浮，有利于飞轮储能的独立运行及运输转移。

涡轮叶片泵转子自抽真空装置减少了飞轮储能系统的能耗。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种磁悬浮飞轮储能电机发电机，图1-4包括真空机壳101、飞轮总成119、磁悬浮轴承系统、电动机/发电机、定子铁芯的空心轴133、动密封环150、辅助轴承148、冷却系统和自抽真空装置组成真空腔体；所述飞轮总成119集成了多个磁悬浮轴承电机和电动机/发电机的永磁外转子；所述多个磁悬浮轴承电机的定子铁芯绕组通电，产生所述飞轮总成119径向与轴向悬浮支撑，所述电动机的定子铁芯绕组125通电驱动飞轮总成旋转，此时飞轮总成为储能模式；当所述飞轮总成119转速达到预设值时，所述电动机转换成所述发电机模式，所述飞轮总成为释能放电模式，利用所述飞轮总成119惯性势能向发电机做功，所述飞轮总成的发电机永磁外转子122切割发电机定子铁芯绕组125产生感应电流，经整流稳压向负载用户供电；通过功率控制器系统实行电能储存、转换与重组。

作为本实用新型的一实施例，图2所述真空机壳101为圆罐状结构，包括机壳本体102、机壳底103和机壳盖104，所述机壳本体102与机壳底103为一体；所述机壳底103和机壳盖104的轴心设置所述定子铁芯的空心轴轴头套134、花键轴套147、动密封环嵌槽151、内置泵体157和以及所述飞轮总成的空心转轴套112其内圆设有凹形环槽冷却流道113；所述机壳本体102、机壳底103和机壳盖104内置螺旋形冷却流道108和涡流形冷却流道109并相互贯通，所述涡流形冷却流道109与所述机壳底103和机壳盖104与所述飞轮总成空心转轴套112的内圆凹形环槽冷却流道113口贯通，冷却液从所述飞轮总成空心转轴套112的内圆凹形环槽冷却流道113一端流入至另一端的所述飞轮总成空心转轴套112的内圆凹形环槽冷却流道113流出；所述机壳本体102与所述机壳盖104通过螺丝和密封胶紧固连接，所述真空机壳101其材质铝钛合金外层包缠碳素纤维树脂复合材料。

进一步地，所述机壳本体102与所述机壳盖104的连接部位设有榫卯结构。

作为本实用新型的一实施例，图2所述飞轮总成为圆筒形其支撑上下盘为伞状结构包括，所述磁悬浮轴承电机和电动机/发电机的永磁外转子122、飞轮本体105和飞轮上下支撑盘构成飞轮总成119；所述上下支撑盘设有飞轮总成的空心转轴111、辅助轴承嵌槽149、动密封环嵌槽151和导流压缩气圆孔118；所述飞轮本体105和上下支撑盘内置螺旋形冷却流道108和涡流形冷却流道109并相互贯通，所述涡流形冷却流道109与所述飞轮总成的空心转轴111外圆和内圆凹形环槽冷却流道113通孔相互贯通，冷却液从所述空心转轴111外圆凹形环槽一端流入至所述另一端的空心转轴111外圆凹形环槽流出；所述飞轮总成材质为永磁体和多层包缠碳素纤维树脂复合材料。

进一步地，所述飞轮总成内周向嵌入磁悬浮轴承电机m1、m2、m3和电动机/发电机的永磁外转子122用环氧树脂灌胶，所述环氧树脂胶与所述飞轮总成内周一致。

进一步地，所述飞轮本体105与下支撑盘107一体化构造，所述飞轮本体105与飞轮上支撑盘106用螺丝和密封胶紧固连接。

进一步地，所述飞轮本体105与飞轮上支撑盘106的连接部位设有榫卯结构。

作为本实用新型的一实施例，图4所述电动机/发电机的定子铁芯内置螺旋状冷却流道129与所述定子铁芯的空心轴133一腔的冷却流道相互贯通，冷却液从所述定子铁芯的空心轴133一腔冷却流道一端流入至另一端流出；所述电动机/发电机为开关磁阻电机、步进磁阻电机、铁芯永磁电机和无铁芯永磁电机，其转子为内、外转子结构。

进一步地，磁悬浮轴承电机m1、m2、m3与电动机/发电机同轴设置，飞轮总成内周向嵌入磁悬浮轴承电机和电动机/发电机的永磁铁，构成多个磁悬浮轴承电机和电动机/发电机的共享飞轮永磁外转子。

进一步地，所述电动机/发电机功率远大于所述磁悬浮轴承电机m1、m2和m3、外置抽真空泵电机、所述冷却流道散热器的循环泵电机和风扇电机的功率之和。

作为本实用新型的一实施例，图3-4所述径向和轴向磁悬浮轴承电机包括，磁悬浮轴承电机m1、m2、m3、飞轮总成119、飞轮总成的空心转轴111和辅助轴承148；所述径向磁悬浮轴承电机m1和m2的定子铁芯绕组123通电，迫使所述飞轮总成空心转轴111的辅助轴承148径向悬浮，所述轴向磁悬浮轴承电机m3定子铁芯绕组124通电，迫使所述飞轮总成空心转轴111的辅助轴承148轴向悬浮，所述飞轮总成119呈现径向和轴向旋转悬浮支撑状态；所述径向磁悬浮轴承电机m1和m2置于电动机/发电机对称二测，所述轴向磁悬浮轴承电机m3置于所述飞轮上支撑盘106内侧，所述飞轮上支撑盘106内侧转子支架设有所述轴向磁悬浮轴承电机m3永磁体，其定子为有铁芯和无铁芯结构，其次转子结构为中间定了或转了的双边结构和两个定了盘中间夹一个转了盘组成双气隙结构；所述辅助轴承为陶瓷轴承。

进一步地，磁悬浮轴承电机m1、m2、m3的定子铁芯内置螺旋状和涡流形冷却流道129与所述定子铁芯的空心轴133一腔的冷却流道相互贯通，冷却液从所述定子铁芯的空心轴133一腔冷却流道一端流入至另一端流出。

所述磁悬浮轴承电机为开关磁阻电机、步进磁阻电机、铁芯永磁电机和无铁芯永磁电机，其转子为内、外转子结构并同轴。

进一步地，通过pwm控制调节所述磁悬浮轴承电机m1和m2的定子铁芯绕组123电流大小，调节飞轮总成空心转轴111的辅助轴承148轴向悬浮间隙，通过pwm控制调节磁悬浮轴承盘式电机m3的定子铁芯绕组124电流大小，调节飞轮总成空心转轴111的辅助轴承148径向悬浮间隙。

作为本实用新型的一实施例，图4所述定子铁芯的空心轴133外圆为阶梯形其内圆y形三腔结构，所述定子铁芯的空心轴133外圆包括轴头、轴颈144、轴环145、轴身和定子铁芯支架141，所述轴头为管状，所述轴颈144端部为花键轴142、轴颈144设有外圆凹环槽冷却流道113分流通孔和辅助轴承148，所述辅助轴承148的内环与轴环145相切，所述轴身设有多个冷却流道接口，所述多个冷却流道接口与多个所述定子铁芯螺旋状冷却流道129相互贯通，所述定子铁芯的空心轴支架141设有凹键槽，所述键槽与多个所述定子铁芯内圆的凸齿相交相切，所述花键轴142与所述机壳底103和机壳盖104的花键轴套147相交相切；所述定子铁芯的空心轴133内圆包括一腔冷却流道通道135，二腔电缆线通道136，三腔吸抽真空通道137，所述一腔冷却流道管设有所述轴颈144外圆凹环槽冷却流道113通孔与所述飞轮总成的空心转轴111内圆凹环槽冷却流道113通孔互交接口相切；所述二腔电缆线通道136，所述二腔轴身设有通孔，所述定子铁芯绕组电缆引线穿过所述通孔连接功率控制器；所述三腔吸抽真空通道137，所述三腔轴身设有多个吸抽真空通孔139，其中所述的定子铁芯的空心轴133为非磁性金属和碳素纤维树脂复合材料。

作为本实用新型的一实施例，图1-4所述冷却系统包括外置真空机壳冷却流道、飞轮总成冷却流道、定子铁芯冷却流道、定子铁芯的空心轴133冷却流道和辅助轴承148冷却流道一体化构造；所述冷却流道从所述定子铁芯的空心轴133轴头一腔一端冷却流道流入，经所述定子铁芯的空心轴的轴颈144外圆凹形环槽冷却流道113通孔分流给所述飞轮总成空心转轴111的内圆凹形环槽冷却流道113通孔，所述飞轮总成空心转轴111的外圆凹形环槽冷却流道113通孔又分流给所述机壳底103和机壳盖104的飞轮总成空心转轴套112的内凹形环槽冷却流道113，汇流于所述定子铁芯的空心轴133轴头一腔另一端的冷却流道出口，所述定子铁芯的空心轴133一腔的冷却流道进出口与外置的散热器和循环泵连接进行循环冷却。

其中所述定子铁芯的空心轴133的轴颈144外圆凹形环槽冷却流道113通孔与所述飞轮总成的空心转轴111内圆凹形环槽冷却流道113通孔相切。

所述飞轮总成的空心转轴111的外圆凹形环槽冷却流道113通孔与所述机壳底103和机壳盖104的飞轮总成的空心转轴套112内凹形环槽冷却流道113相切。

进一步地，所述辅助轴承148与所述定子铁芯的空心轴133一腔的冷却流道相切，所述定子铁芯的空心轴133一腔的冷却流道用于所述辅助轴承148的冷却。

作为本实用新型的一实施例，所述自抽真空装置图1-3包括，内置泵体157、泵转子159、涡轮叶片155、自抽真空出气口158、单向阀门和真空压力表；所述内置泵体157嵌装在所述机壳底103和机壳盖104的内侧，所述机壳底103和机壳盖104的内侧置有所述自抽真空的多个排气孔，所述多个排气孔通过内置于所述机壳底103和机壳盖104的多个导管与所述机机壳底103和机壳盖104的外置的真空排气出口连通，所述真空排气出口设有单向阀门和真空压力表；所述飞轮总成的空心转轴111阶梯外圆凹键槽与泵转子159的内圆凸齿相切相交，用插销锁紧；所述泵转子159与飞轮总成的空心转轴111同步转动；所述泵转子159和涡轮叶片155其材质为碳素纤维树脂复合材料。

进一步地，自抽真空装置工作过程，所述泵转子159安装在所述飞轮总成的空心转轴111外圆转轴上，当飞轮总成旋转时，泵转子159随着旋转，所述泵转子159带动涡轮叶片155旋转，所述飞轮总成119与磁悬浮轴承电机m1、m2、m3和电动机/发电机的间隙空气通过所述上下支撑盘的导流压缩气圆孔118流向涡轮叶片155，同时所述真空机壳与所述飞轮总成119间隙空气流向涡轮叶片155，随着涡轮叶片155不断旋转空气流向所述机壳底103和机壳盖104的内侧置的多个排气孔，所述多个排气孔用管道连接自抽真空出气口158，所述空气从自抽真空出气口158排出。

进一步地，自抽真空装置其上部为涡轮分子泵和下部为牵引分子泵为双泵叠加复合分子泵体。

进一步地，外抽真空装置包括，容纳所述飞轮总成、定子铁芯的空心轴、动密封环、辅助轴承、磁悬浮轴承电机m1、m2、m3和电动机/发电机的真空腔体，所述定子铁芯的空心轴轴身三腔设有多个吸抽真空气口与所述飞轮总成119的上下支撑盘导流压缩气圆孔相互贯通，用于吸抽所述真空机壳、所述飞轮总成119与定子铁芯绕组间隙的空气，所述定子铁芯的空心轴轴头三腔设有单向阀门，所述单向阀门与外置的真空泵排气口连通，其中所述机壳盖设有真空压力表。

作为本实用新型的一实施例，所述功率控制器系统图5-6，包括外部电源模块、超级电容模组、dc-dc/ac升压降压转换器、自动切换模块152、磁悬浮轴承电机控制模块和电动机/发电机驱动模块和整流稳压模块；当外部电源模块供电时，通过pwm控制所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3定子铁芯绕组的电流，迫使飞轮总成辅助轴承148径向和轴向悬浮，再启动电动机驱动模块，所述电动机的定子铁芯绕组125导通，所述飞轮总成119转子高速旋转，所述飞轮总成为储能充电模式；当转速达到预设值时，所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3供电自动切换到超级电容模组供电模式，所述启动进入飞轮总成能量保持运行模式；当外部负载需要能量时，所述飞轮总成119向发电机做功，所述飞轮总成119中的发电机永磁体切割发电机的定子铁芯绕组125产生感应电流，经整流稳压向直流母线输出电能，所述直流母线向负载用户供电，此时所述飞轮总成119为释能放电模式；当飞轮总成119转速逐渐下降为零时，断开所述功率控制器与外部负载连接的开关，断开所述磁悬浮轴承电机控制开关，所述飞轮总成119完全进入停机模式；其中所述发电机所发出的部分电能通过所述dc-dc转换器降压交替向sc1与sc2超级电容模组充电；sc1与sc2超级电容模组通过所述dc-dc转换器升压交替向所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3提供飞轮总成119悬浮电能；其次所述sc1与sc2超级电容模组充电与放电始终保持自动切换成状态；当sc1超级电容模组电量低于预设定值时，dc-dc转换器自动切换成sc2超级电容模组放电模式，sc1超级电容模组dc-dc转换器自动切换充电模式。

进一步地，sc超级电容模组工作模式：同一时间sc1超级电容模组充电，sc2超级电容模组为放电模式，相反地sc1超级电容模组放电，sc2超级电容模组为充电模式。

进一步地，所述功率控制器还包括高压绝缘监测模块和检测采集诊断模块，冷却器装置,所述高压绝缘监测模块用于实时监测漏电流故障，断开电路中所有电源；所述检测诊断模块用于电压、电流、转速、温度、过压过流保护驱动电机和发电机的安全运行；所述冷却器装置由多层油冷、气冷、液冷、冷却管和吸热片构成用于功率控制散热。

所述功率控制器变频器电路图5-6，包括外部电源模块、dc-dc/ac升压转换器、sc超级电容模组dc/dc升压转换器、sc超级电容模组dc/dc降压转换器、磁悬浮轴承电机m1、m2、m3控制和电动机的dc/ac转换器、发电机输出整流稳压模块和自动切换模块组成。

外部电源模块dc/dc升压转换器图5：升压直流斩波电路由外部电源模块ecu、电抗器l1、绝缘栅双极型晶体管vt20、二极管d19和电容器c2组成；升压时，外部电源模块ecu导通和关断绝缘栅双极型晶体管vt20的控制极，其中绝缘栅双极型晶体管vt20起开关作用，使电抗器l1上的感应电动势与外部电源模块dc220v电压叠加提供高压电源向母线供电组成。

磁悬浮轴承电机m1、m2、m3的dc－ac转换器图5-6，将直流母线的dc500v转换成ac500v，给磁悬浮轴承电机m1、m2、m3供电，由绝缘栅双极型晶体管vt1-vt6、续流二极管d1-d6、绝缘栅双极型晶体管vt7-vt12、续流二极管d7-d12、绝缘栅双极型晶体管vt13-vt18、续流二极管d13-d18和电容器c2组成电压型三相桥式逆变电路。

进一步地，如果改变vt1～vt6、vt7～vt12、vt13～vt18的触发信号频率和时间，就能改变逆变器输入磁悬浮轴承电机m1、m2、m3对应的定子铁芯绕组电流空间相量的相位和幅值，以适应磁悬浮轴承电机m1、m2、m3的磁悬浮控制。

电动机的dc－ac转换器图5，将直流母线的dc500v转换成ac500v，给电动机供电，自动切换模块153vt31和vt32导通，由绝缘栅双极型晶体管vt40-vt45、续流二极管d40-d45、和电容器c2组成电压型三相桥式逆变电路。

进一步地，由外部电源供电ecu触发绝缘栅双极型晶体管控制极，使vt1～vt6、vt7～vt12、vt13～vt18、vt40～vt45快速导通和关断，强行将dc500v直流电转换成三相ac500v交流电。

整流稳压模块图6，发电机输出的交流电变换成直流电，利用二极管d46－d51单向导电性能，把交流输出的正、负交替变化的正弦交流电压，整流变换成单向脉动的直流电压，把整流后脉动较大的直流电变换成平滑的直流电，向负载用户和sc超级电容模组dc/dc降压转换器输出电能。

sc超级电容模组dc/dc降压转换器图6，sc1超级电容模组dc/dc降压转换器和sc2超级电容模组dc/dc降压转换器组成。

其中sc1超级电容模组dc/dc降压转换器图6，降压直流斩波电路由发电机整流器、绝缘栅双极型晶体管v23二极管d24电抗器l3、电容器c5组成；降压时，sc1超级电容模组ecu利用绝缘栅双极型晶体管vt23导通,把dc800v降压为平均值dc220v的直流电压，向sc1超级电容模组充电。

其中sc2超级电容模组dc/dc降压转换器图6，降压直流斩波电路由发电机整流器、绝缘栅双极型晶体管v27、二极管d28、电抗器l5、电容器c7组成；降压时，sc2超级电容模组ecu利用绝缘栅双极型晶体管v27导通，把dc800v降压为平均值dc220v的直流电压，向sc2超级电容模组充电。

进一步地，发电机输出的交流电变换成直流电，通过开关vt33和vt34导通向负载输出电压。

sc超级电容模组dc/dc升压转换器图6，由sc1超级电容模组dc/dc升压转换器和sc2超级电容模组dc/dc升压转换器组成。

其中sc1超级电容模组dc/dc升压转换器图6，升压直流斩波电路由sc1超级电容模组ecu、电抗器l2、绝缘栅双极型晶体管vt22、二极管d21和电容器c2组成；升压时，sc1超级电容模组ecu导通和关断绝缘栅双极型晶体管vt22的控制极，其中绝缘栅双极型晶体管vt22起开关作用，使电抗器l2上的感应电动势与sc1超级电容模组dc220v电压叠加提供高压电源向母线供电。

其中sc2超级电容模组dc/dc升压转换器图6，升压直流斩波电路由sc2超级电容模组ecu、电抗器l4、绝缘栅双极型晶体管vt26、二极管d25和电容器c2组成；升压时，sc2超级电容模组ecu导通和关断绝缘栅双极型晶体管vt26的控制极，其中绝缘栅双极型晶体管vt26起开关作用，使电抗器l4上的感应电动势与sc2超级电容模组dc220v电压叠加提供高压电源向母线供电。

自动切换模块152图5，由绝缘栅双极型晶体管vt29和vt30导通或关闭控制sc超级电容模组dc/dc升压转换器向直流母线升压放电，其中外部电源模块hvecu供电关闭，即自动切换模块152导通，sc超级电容模组向直流母线升压放电，相反地自动切换模块152关闭，即外部电源模块hvecu导通，外部电源模块hvecu通过升压转换器向直流母线升压放电。

自动切换模块153图5-6，由绝缘栅双极型晶体管vt31和vt32导通控制直流母线向电动机驱动电路供电，其中外部电源模块hvecu供电即自动切换模块153导通，直流母线升压电路向电动机驱动电路供电，外部电源模块hvecu供电关断，自动切换模块153关闭控制，即飞轮总成转换成待机与释能放电模式。

ecu控制采用64位计算机，接收来自电动机/发电机、磁悬浮轴承电机、磁悬浮轴承盘式电机、外部电源模块hv、sc超级电容模组、冷却散热系统、自抽真空装置和外置抽真空装置的电压、电流、压力、温度、转速、转角传感器信息；根据此信息，计算的结果转变输出为控制信号，把比较和计算的结果用来对磁悬浮轴承电机和磁悬浮轴承盘式电机悬浮磁力，以及电动机/发电机所需的扭矩、功率、压力和温度的控制。

电动机/发电机的控制核心组件是外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu，在外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu中，变频器对电动机输出电流转换的绝缘栅双极型晶体管模块的驱动控制电路，变频器控制逆变电路的微处理器；微机储存的电动机速度指令与电动机解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与电动机解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到电动机工作所需的电流指令信号，参考跟踪电动机实际工作电流信号，通过pwm比较器或脉冲宽度调制计算后，转换成开关信号输出；该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器逆变电路模块vt40～vt45控制极快速导通与关断，实现变频器输出电流的逆变、换相和定向目的。

磁悬浮轴承电机m1、m2、m3磁悬浮系统的控制图5-6。

磁悬浮轴承电机m1、m2、m3磁悬浮轴承系统的控制核心组件是外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu，在外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu中，变频器对磁悬浮轴承电机m1、m2、m3输出电流转换的绝缘栅双极型晶体管模块的驱动控制电路，变频器控制逆变电路的微处理器；微机储存的磁悬浮轴承电机m1、m2、m3速度指令与磁悬浮轴承电机m1、m2、m3解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与磁悬浮轴承电机m1、m2、m3解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到磁悬浮轴承电机m1、m2、m3工作所需的电流指令信号，参考跟踪磁悬浮轴承电机m1、m2、m3实际工作电流信号，通过pwm比较器或脉冲宽度调制计算后，转换成开关信号输出；该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器逆变电路模块vt1～vt6、vt7～vt12、vt13～vt18控制极快速导通与关断，实现所述飞轮总成119径向与轴向悬浮支撑目的。

作为本实用新型的一实施例，所述涉及新能源电动的交通运输工具、电力发电机和机组。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是。

(1)在不依赖外接电源的情况下，飞轮总成储能在待机模式和发电模式中，实现磁悬浮轴承电机自运行供电模式，使飞轮总成转轴自悬浮，有利于飞轮总成储能的独立运行及运输转移。

(2)实现整体化一次性散热，真空机壳冷却流道、飞轮总成冷却流道、定子铁芯冷却流道、定子铁芯的空心轴冷却流道和辅助轴承冷却流道一体化构造，提升了飞轮储能与释能的功率密度。

(3)自抽真空装置，涡轮泵转子使飞轮储能系统进一步节能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能电机发电机总成裁切结构示意图。

图2为本实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能电机发电机真空机壳与涡轮泵转子的裁切结构示意图。

图3为本实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能飞轮总成裁切结构示意图。

图4实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能电机发电机磁悬浮轴承电机和电动机/发电机与定子铁芯的空心轴裁切结构示意图。

图5本实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能电机发电机飞轮总成充电模式电路原理图。

图6本实用新型实施例的磁悬浮飞轮储能电机发电机飞轮总成保待与放电模式电路原理图。

附图标记：真空机壳101；机壳本体102；机壳底103；机壳盖104；飞轮本体105；飞轮上支撑盘106；飞轮下支撑盘107；螺旋形冷却流道108；涡流形冷却流道109；飞轮总成的空心转轴111；飞轮总成的空心转轴套112；凹形环槽冷却流道113；磁悬浮轴承电机m1；磁悬浮轴承电机m2；磁悬浮轴承盘式电机m3；导流压缩气圆孔118；飞轮总成119；磁悬浮轴承电机m1和m2的永磁外转子120；磁悬浮轴承盘式电机m3的永磁外转子121；电动机/发电机的永磁外转子122；磁悬浮轴承电机m1和m2的定子铁芯绕组123；磁悬浮轴承盘式电机的定子铁芯绕组124；电动机/发电机的定子铁芯绕组125；定子铁芯螺旋状冷却流道129；定子铁芯的空心轴133；定子铁芯的空心轴套134；一腔冷却流道通道135；二腔电缆线通道136；三腔吸抽真空通道137；冷却流通道接口138；吸抽真空通孔139；线缆引出孔140；定子铁芯支架141；花键轴142；轴头116；轴颈144；轴环145；花键轴套147；辅助轴承148；辅助轴承嵌槽149；动密封环150；动密封环嵌槽151；磁悬浮飞轮储能电机发电机总成115；涡轮叶片155；泵转子159；内置泵体157；自抽真空出风口158；电动机/发电机156；自动切换模块152；自动切换模块153；sc1超级电容模组充电；sc2超级电容模组。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例不仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：请参阅图(1-4)。

步骤1.具体地装配步骤，磁悬浮飞轮储能电机发电机总成115总体装配。

步骤2.电动机/发电机的定子铁芯绕组125与定子铁芯的空心轴133装配：电动机/发电机的定子铁芯绕组125的内圆凸键槽对准定子铁芯的空心轴133的外圆凹键槽，压入锁紧。

步骤3.磁悬浮轴承电机2个定子铁芯绕组123与定子铁芯的空心轴133装配：磁悬浮轴承电机2个定子铁芯绕组123的内圆凸键槽对准定子铁芯的空心轴133的外圆凹键槽，压入锁紧，置于电动机/发电机的定子铁芯绕组125对称二测。

步骤4.磁悬浮轴承盘式电机的定子铁芯绕组124与定子铁芯的空心轴133装配：磁悬浮轴承盘式电机的定子铁芯绕组124的内圆凸键槽对准定子铁芯的空心轴133的外圆凹键槽，压入锁紧。

步骤5.电动机/发电机的定子铁芯绕组125、磁悬浮轴承电机定子铁芯绕组123和磁悬浮轴承盘式电机的定子铁芯绕组124的电缆线通过定子铁芯的空心轴133的线缆引出孔140引出至二腔电缆通道136到功率控制器内连接。

步骤6.电动机/发电机的定子铁芯绕组125、磁悬浮轴承电机定子铁芯绕组123和磁悬浮轴承盘式电机的定子铁芯绕组124的螺旋状冷却流道与定子铁芯的空心轴133的冷却流道的接口138用铜管连接，其中一腔冷却流道通道135与外置的散热器接口连接。

步骤7.飞轮总成119内壁嵌入磁悬浮轴承电机m1和m2的永磁外转子120、和电动机/发电机的永磁外转子122各自相对应位置用环氧树脂灌胶。

步骤8.磁悬浮轴承盘式电机m3的永磁外转子121与飞轮上支撑盘106内侧用环氧树脂灌胶。

步骤9.飞轮总成的空心转轴111辅助轴承嵌槽149和动密封环嵌槽151；分别压入辅助轴承148和动密封环150。

步骤10.在飞轮下支撑盘107轴心插入定子铁芯的空心轴133并带有电动机/发电机定子铁芯绕组125、磁悬浮轴承电机定子铁芯绕组123和磁悬浮轴承盘式电机定子铁芯绕组124的定子铁芯的空心轴133的装配体，定子铁芯的空心轴133的轴环145与辅助轴承148相切，定子铁芯的空心轴133另一轴头套入飞轮上支撑盘106的辅助轴承148内，飞轮上支撑盘106与飞轮本体105用密封胶和螺丝拧紧。

步骤11.飞轮总成的空心转轴111阶梯外圆凹键槽与涡轮泵转子159的内圆凸齿相切相交，用插销锁紧。

步骤12.上述构成飞轮总成119与电动机/发电机、磁悬浮轴承电机、磁悬浮轴承盘式电机和涡轮泵转子159的装配体。

步骤13.真空机壳101的机壳本体102和机壳底103一体化构造，机壳底103的轴心的花键轴套147与带有上述装配体的定子铁芯的空心轴133的花键轴142相切相交，机壳盖104的轴心花键轴套147与定子铁芯的空心轴133另一头的花键轴套147相切相交，机壳本体102与机壳盖104相切用密封胶和螺丝拧紧，构成磁悬浮飞轮储能电机发电机总成总装配体。

实施例2：请参阅图(5-6)。

磁悬浮飞轮储能电机发电机总成的功率控制器系统，四种工作模式分别为储能充电模式、能量保持运行模式、释能放电模式和停机模式。

ecu控制采用64位计算机，接收来自电动机/发电机、磁悬浮轴承电机、磁悬浮轴承盘式电机、外部电源模块hv、sc超级电容模组、冷却散热系统和自抽真空装置的电压、电流、压力、温度、转速、转角传感器信息；根据此信息，计算的结果转变输出为控制信号，把比较和计算的结果用来对磁悬浮轴承电机和磁悬浮轴承盘式电机悬浮磁力，以及电动机/发电机所需的扭矩、功率、压力和温度的控制。

磁悬浮轴承电机m1、m2、m3磁悬浮轴承系统的控制核心组件是外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu，在外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu中，变频器对磁悬浮轴承电机m1、m2、m3输出电流转换的绝缘栅双极型晶体管模块的驱动控制电路，变频器控制逆变电路的微处理器；微机储存的磁悬浮轴承电机m1、m2、m3速度指令与磁悬浮轴承电机m1、m2、m3解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与磁悬浮轴承电机m1、m2、m3解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到磁悬浮轴承电机m1、m2、m3工作所需的电流指令信号，参考跟踪磁悬浮轴承电机m1、m2、m3实际工作电流信号，通过pwm比较器或脉冲宽度调制计算后，转换成开关信号输出；该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器逆变电路模块vt1～vt6、vt7～vt12、vt13～vt18控制极快速导通与关断，实现所述飞轮总成119径向与轴向悬浮支撑目的。

电动机/发电机的控制核心组件是外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu，在外部电源供电hvecu或sc超级电容模组ecu中，变频器对电动机输出电流转换的绝缘栅双极型晶体管模块的驱动控制电路，变频器控制逆变电路的微处理器；微机储存的电动机速度指令与电动机解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与电动机解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到电动机工作所需的电流指令信号，参考跟踪电动机实际工作电流信号，通过pwm比较器或脉冲宽度调制计算后，转换成开关信号输出；该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器逆变电路模块vt40～vt45控制极快速导通与关断，实现变频器输出电流的逆变、换相和定向目的。

当外部电源模块供电时，通过pwm控制所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3定子铁芯绕组的电流，迫使飞轮总成辅助轴承148径向和轴向悬浮，再启动电动机驱动模块，所述电动机的定子铁芯绕组125导通，所述飞轮总成119转子高速旋转，飞轮储能充电模式；当转速达到预设值时，所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3供电自动切换到超级电容模组供电模式，所述启动进入飞轮能量保持运行模式；当外部负载需要能量时，所述飞轮总成119向发电机做功，所述飞轮总成119中的发电机永磁体切割发电机的定子铁芯绕组125产生感应电流，经整流稳压向直流母线输出电能，所述直流母线向负载用户供电，此时所述飞轮总成119为释能放电模式；当飞轮总成119转速逐渐下降为零时，断开所述功率控制器与外部负载连接的开关，断开所述磁悬浮轴承电机控制开关，所述飞轮总成119完全进入停机模式；其中所述发电机所发出的部分电能通过所述dc-dc转换器降压交替向sc1与sc2超级电容模组充电；sc1与sc2超级电容模组通过所述dc-dc转换器升压交替向所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3提供飞轮总成119悬浮电能；其次所述sc1与sc2超级电容模组充电与放电始终保持自动切换成状态；当sc1超级电容模组电量低于预设定值时，dc-dc转换器自动切换成sc2超级电容模组放电模式，sc1超级电容模组dc-dc转换器自动切换充电模式。

第五种工作模式：当sc1与sc2超级电容模组交替供电时，通过pwm控制所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3定子铁芯绕组的电流，迫使飞轮总成辅助轴承148径向和轴向悬浮，所述飞轮总成119转子高速旋转，所述飞轮储能充电模式；当外部负载需要能量时，所述飞轮总成119向发电机做功，所述飞轮总成119中的发电机永磁体切割发电机的定子铁芯绕组125产生感应电流，经整流稳压向直流母线输出电能，所述直流母线向sc1与sc2超级电容模组交替充电，同时向负载用户输出电能，所述飞轮总成119为释能放电模式；此时所述飞轮总成为储能与释能同时兼顾模式，所述发电机功率大于所述磁悬浮轴承电机m1、m2、m3功率之和为5：1。

在另一个实施例3：飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车。

主要由公交车轮毂驱动电机模块、超级电容储能模块和飞轮储能模块三部分组成，轮毂驱动电机100kw，二组超级电容储能模组16kwh，磁悬浮飞轮储能电机发电机组储能96kwh，其中每个磁悬浮飞轮储能电机发电机2kwh长180mm,直径230mm，质量为23kg，转速200000r/min，总48个磁悬浮飞轮储能电机发电机共重1052kg，飞轮组总储能为96kwh，放在公交车车辆底盘位置，能使16吨的飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车以1000km/h的速度行驶250km，无需每个公交车站设置充电桩了，更利于飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车的机动性和推广应用。

飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车，充电桩向二组超级电容储能模组16kwh充电30秒内充满电，向飞轮组总储能为96kwh快速充电只需15分钟；在下坡、制动由磁悬浮飞轮储能电机发电机能量回收，在公交车站和红绿灯临时停车时，磁悬浮飞轮储能电机发电机向超级电容储能模组充电，在上坡和加速时磁悬浮飞轮储能电机发电机和超级电容储能模组联合向公交车轮毂驱动电机100kw供电。

飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车启动模式：导通sc1超级电容模组，sc1超级电容模组升压模块向直流母线供电，快速导通和关断igbt轮毂驱动电机100kw，或者磁悬浮飞轮储能电机发电机组转化为释能放电模式向直流母线供电，驱动飞轮储能和超级电容储能混合动力式公交车行驶。

在又一个实施例4，磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列电网调峰填谷应用。

由高压交流供电网、交流电压检测模块、直流侧母线、直流电压检测模块、降压变压器、二极管整流器、逻辑控制单元、磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统、逆变器、并网开关、升压变压器或者低压交流供电网组成。

高压交流供电网通过变压器、二极管整流器与直流侧母线连接，为直流母线提供能量。

进一步地，当电网进入谷电时间段时，高压交流侧电网电压通过降压变压器经二极管整流器向直流侧母线能量，磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统分别与直流侧母线相并联连接，构成磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列充电供电系统。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统、直流侧母线、逆变器、升压变压器或者低压交流供电网构成磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统构成为电网提供能量。

所述逆变器接入直流侧母线，逆变器的输出一路至低压交流供电网，或通过并网开关、升压变压器至高压交流供电网。

进一步地，当电网进入峰电时间段时，当电网进入峰电时间段时，在磁悬浮飞轮储能电机发电机阵列总功率控制器控制下，磁悬浮飞轮储能电机发电机各单元向直流侧母线放电，直流侧母线通过逆变器向低压交流侧电网供电，或者通过升压变压器向高压交流侧电网供电。

直流侧母线与ecu控制之间设置直流电压检测模块，直流电压检测模块检测直流侧母线电压值，采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号u1传送至ecu控制。

高压交流侧电网与ecu控制之间设置交流电压检测模块，交流电压检测模块采集高压交流侧电网供电电压值，并根据不可控二极管整流电路的整流比例系数得到直流侧母线的空载电压值，而后将其采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号u2传送至ecu控制。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元通过其单元功率控制器接入直流侧母线，驱动单元功率控制器接收ecu控制传送的偏差直流电压u，u=u1-u2；驱动单元功率控制器根据u值大小以及自身soc值状态作出决策，向飞轮储能单元阵列系统和逆变器发出不同的控制指令。

进一步地，采集直流电压检测模块检测直流侧母线电压值，将其模拟电压信号转换成相应的数字信号，采集交流电压检测模块采集高压交流供电电网电压值，并按比例系数变换为平均直流电压值，而后将其模拟电压信号转换成相应的数字信号；利用直流侧母线电压减去平均直流电压，得到的差值定义为偏差直流电压u。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统根据电网调峰填谷时间段做出提供或吸收电能的动作，有三种工作模式：磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统充电模式；磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统保持运行模式；磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统放电模式。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统充电模式：当电网进入谷电时间段时，高压交流侧电网电压通过降压变压器经二极管整流器向直流侧母线供电，采集直流电压数据位于预设值区间内，若飞轮储能单元soc<0.5－1，磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列处于充电操作模式。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统保持运行模式：当采集直流电压数据位于预设值区间内，若飞轮储能单元soc=1时，磁悬浮飞轮储能电机发电机飞轮储能单元进入保持运行模式，逆变回馈装置不工作。

磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列系统放电模式：当电网进入峰电时间段时，采集直流电压数据位于预设值区间内，若飞轮储能单元soc=1或＞0.5－1时，磁悬浮飞轮储能电机发电机单元阵列处于充电操作模式；在飞轮储能阵列总功率控制器控制下，磁悬浮飞轮储能电机发电机各单元向直流侧母线放电，直流侧母线通过逆变器向低压交流侧电网供电，或者通过升压变压器向高压交流侧电网供电。

磁悬浮飞轮储能电机发电机的工作原理图1-6。

磁悬浮飞轮储能电机发电机分为储能充电、能量保持运行和释能放电三种工作状态。磁悬浮飞轮储能电机发电机能量的存储是靠飞轮的惯性来实现的，若飞轮运行于理想状态，没有任何阻力损耗，能量将全部被保存并释放出来。磁悬浮飞轮储能电机发电机的储能能力取决于飞轮的转动惯量和转速，而提高转速能够使磁悬浮飞轮储能电机发电机的储能能力得到更大的提高。

磁悬浮飞轮储能电机发电机原理，磁悬浮飞轮储能电机发电机的工作过程是：功率控制器系统在控制器的作用下，磁悬浮飞轮储能电机发电机中的集成电动机在外部电源的驱动下，以电动机形式运转，电动机带动飞轮高速旋转，飞轮完成储存动能的过程，即用电给飞轮电池“充电”，之后飞轮以较低的损耗处于能量保持状态，直到当汽车负载需要能量时，飞轮带动集成电动机旋转，集成电动机以发电机的形式旋转，将动能转化为电能，对外输出电能，完成机械能或动能到电能的转换，并通过功率控制器系统将电能转换成汽车各种负载所需的电压来驱动负载工作。当功率控制器系统发电时，飞轮转速逐渐下降，功率控制器系统的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高，其中转速可达20万r/min，使用的轴承为非接触式磁悬浮轴承。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本实用新型并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本实用新型的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本实用新型宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本实用新型的权利要求范围及其等同范围之内。