本发明公开了一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，包括密封真空壳体，壳体内部自上而下设有三自由度磁斥力磁轴承、外转子电动机/发电机、二自由度磁斥力磁轴承；三自由度磁斥力磁轴承的定子、外转子电动机\发电机的定子以及二自由度磁斥力磁轴承的定子组成定子轴系并贯穿壳体内部；飞轮轮毂紧密连接外转子电动机/发电机转子外缘，飞轮轮毂内壁与三自由度磁斥力磁轴承的转子外壁及二自由度磁斥力磁轴承的转子外壁紧密贴合；本发明基于设计的新型磁斥力轴承，将飞轮巧妙的与电机转子、磁轴承转子整合成一个整体，相比于内转子飞轮电池分散设计，极大地减小了飞轮电池的体积。
1.一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，包括密封真空壳体；所述壳体内部自上而下分别设有三自由度磁斥力磁轴承、外转子电动机/发电机、二自由度磁斥力磁轴承；其中，三自由度磁斥力磁轴承的定子、外转子电动机\发电机的定子以及二自由度磁斥力磁轴承的定子组成定子轴系并贯穿壳体内部；飞轮轮毂(10)紧密连接所述外转子电动机/发电机的转子外缘，并且飞轮轮毂内壁与三自由度磁斥力磁轴承的转子外壁及二自由度磁斥力磁轴承的转子外壁紧密贴合；当外转子电动机/发电机的转子(12)转动时，能够依次带动飞轮轮毂(10)、三自由度磁斥力磁轴承的转子、二自由度磁斥力磁轴承的转子转动，实现储能；当三自由度磁斥力磁轴承的转子、二自由度磁斥力磁轴承的转子转动时，能够依次带动飞轮轮毂、外转子电动机/发电机的转子转动，实现释能；
所述定子轴系(8)：自上而下同轴集成有定子上部轴端(811)、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)、圆柱连接轴①(816)、三自由度磁斥力磁轴承径向定子、圆柱连接轴②(817)、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)、电机转轴(819)，二自由度磁斥力磁轴承径向定子、定子下部轴端(823)；
所述定子上部轴端(811)、定子下部轴端(823)分别通过转轴固定部件与壳体上端和下端固定；所述三自由度磁斥力磁轴承径向定子与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)之间分别用圆柱连接轴①(816)、圆柱连接轴②(817)连接；所述二自由度磁斥力磁轴承径向定子与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818之间以圆柱连接轴②(817)连接；定子上部轴端(811)下表面与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)上表面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述定子上部轴端(811)和定子下部轴端(823)呈圆柱状；所述三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)呈圆盘状。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述三自由度磁斥力磁轴承径向定子由一个圆盘沿圆周方向均匀切割3对完全贯穿圆盘上下表面的平行槽，所述平行槽靠近圆盘中心位置的一侧所形成的圆柱面与圆盘中心轴同轴、且圆柱面的直径大于圆柱连接轴①(816)的直径；
所述二自由度磁斥力磁轴承径向定子以圆柱体沿圆周方向向外延伸三个之间相隔
120°柱形磁极，作为二自由度磁斥力磁轴承径向定子极(820)。
4.根据权利要求3所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述三自由度磁斥力磁轴承包括三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)、圆柱连接轴①(816)、三自由度磁斥力磁轴承径向定子、圆柱连接轴②(817)、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)；所述三自由度磁斥力磁轴承径向定子外套有空心圆盘型三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)，三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)的内径大于三自由度磁斥力磁轴承的定子极的内径0.5mm以形成径向气隙；三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)的上下表面分别与三自由度磁斥力磁轴承的定子的上下表面的距离相等；三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)的上下两侧分别叠压一块相同中空圆柱形的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①(71)、三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②(72)；永磁体①、永磁体②的内径略大于三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)的内径；永磁体①、永磁体②的外径等于三自由度磁斥力磁轴承径向转子极(91)的外径；
位于三自由度磁斥力磁轴承的定子上下位置的两个轴向转子极，即三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52)，两者外形为中空圆柱体，分别对称分布在三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)、圆柱连接轴①(816)、三自由度磁斥力磁轴承的定子形成的上部腔室和三自由度磁斥力磁轴承的定子、圆柱连接轴②(817)、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)形成的下部腔室内；
三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的两个端面分别距离三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘(812)的下表面和三自由度磁斥力磁轴承的定子上表面0.5mm；同样，三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52)的两个端面分别距离三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘(818)的上表面和三自由度磁斥力磁轴承的定子下表面0.5mm，形成轴向气隙：三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的内外侧边分别紧密连接有两块形状为中空圆柱体的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①(41)、三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②(42)；三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52) 的内外侧也分别对应的连接有两块形状相同的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③(43)、三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④(44)；三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①(41)的外径等于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的内径，三自由度磁斥力磁轴承上部永磁体②(42)的内径等于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的外径；三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①(41)与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②(42)在轴向长度上相等但小于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的轴向长度，并且三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①(41)与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②(42)的上下端面到三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极(51)的上下端面的距离相等；
三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③的外径(43)、三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④(44)的内径分别等于三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52)的内径和外径，并且两者在轴向长度上相等但小于三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52)的轴向长度，两者的上下端面到三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极(52)的上下端面的距离相等：三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②(42)的外径等于三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①(71)的内径并且紧密相连；三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④(44)的外径等于三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②(72)的内径并且紧密相连；
三自由度磁斥力磁轴承上部径向线圈(61)和三自由度磁斥力磁轴承上部径向线圈(61)分别绕制在圆柱连接轴①(816)、圆柱连接轴②(817)的外表面，并且三自由度磁斥力磁轴承上部轴向线圈(61)和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向线圈(62)不与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①(41)和三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③(43)的外侧表面接触。
5.根据权利要求3所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述二自由度磁斥力磁轴承在定子轴系上设有二自由度磁斥力磁轴承定子，空心圆盘型二自由度磁斥力磁轴承径向转子极(92)同轴套在二自由度磁斥力磁轴承定子外，其内径大于二自由度磁斥力磁轴承定子的外径0.5mm，以形成径向气隙；二自由度磁斥力磁轴承径向转子极(92)的上下表面分别与二自由度磁斥力磁轴承的定子的上下表面的距离相等；
二自由度磁斥力磁轴承径向转子极(92)的上下两侧分别叠压了相同的中空圆柱形的永磁体，分别为二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①(73)、二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②(74)；两个永磁体的内径略大于二自由度磁斥力磁轴承径向转子极(92)的内径；两个永磁体的外径等于二自由度磁斥力磁轴承径向转子极(92)的外径；3个二自由度磁斥力磁轴承径向线圈(64)分别绕制于3个二自由度磁斥力磁轴承径向定子极(820)上。
6.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮轮毂外侧缠绕碳纤维复合材料T300制成的飞轮复合材料外围(14)，并且飞轮复合材料外围(14)的上下表面分别与飞轮轮毂外缘的上下表面重合。
7.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述壳体包括上端盖、下端盖和机身。
8.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述壳体上设有真空排气口(13)。
9.根据权利要求1所述的一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置，其特征在于，所述壳体通过基座固定件(15)设置在基座(16)上面。
一种基于新型磁斥力混合磁轴承的外转子车载飞轮储能装置
技术领域
[0001] 本发明涉及用于电动汽车的车载飞轮电池(也称飞轮储能装置)领域，具体是采用五自由度混合磁轴承作为磁悬浮支承的车载飞轮电池。
背景技术
[0002] 随着经济社会的发展，我国的汽车保有量逐年上升。其中燃油汽车对能源的消耗和环境的污染日趋严重。推广以低耗能，无污染为特点的新能源电动汽车成为解决这一问题的重要手段。因此，电动汽车具有广阔的发展前景。目前，电动汽车的动力电池主要是化学电池。由于化学电池比能、比功率低，充电时间长，寿命短等缺点，一直制约着化学电池的发展。而飞轮电池作为一种机械储能电池，克服了化学电池上述诸多缺点，是电动汽车理想的动力电池。
[0003] 为了减少摩擦损耗，飞轮电池主要采用磁悬浮轴承作为转轴的支撑装置，从而极大地提高了飞轮电池的储能效率。由于磁轴承磁极和转子间是非接触状态，磁悬浮轴承是通过磁悬浮力使转轴悬浮在平衡位置，从而导致磁轴承和转子间的刚度往往达不到理想要求。目前大多数混合磁轴承是通过永磁体提供偏置磁通，单一的永磁体磁极很难提供足够的磁场密度，往往需要特殊的永磁材料才能提供足够的磁场密度，从而提高了制造的成本。
[0004] 此外，目前大多数飞轮电池采用内转子电机作为电动机/发电机，结构集成度比较低，体积相对较大。不利于在电动汽车狭小的空间安装。而外转子电机具有转动惯量大，散热好，以及轴向尺寸紧凑等优点。因此，有必要设计一种外转子飞轮电池。
发明内容
[0005] 本发明的目的为了提供一种足够刚度的磁轴承，提出一种新型的磁斥力磁轴承用于飞轮储能电池。以外转子电机作为飞轮电池的电动机/发电机，并且将飞轮、磁轴承的转子和电机转子结合在一起，进一步提高飞轮电池内部结构集成度，以致减小飞轮电池整体的体积，从而有利于在电动汽车上使用。
[0006] 本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：包括固定在基座上，由一个上端盖、下端盖、机身构成的立式密封真空壳体。壳体内部自上而下分别分布有三自由度磁斥力磁轴承、外转子电动机\发电机、二自由度磁斥力磁轴承；三自由度磁斥力磁轴承定子、外转子电动机\发电机的定子以及二自由度磁斥力磁轴承定子组成的定子轴系贯穿壳体内部。在上端盖和下端盖分别设有两个转轴固定部件使得定子轴系始终处于中心位置。飞轮轮毂同轴紧密安装在外转子电动机/发电机转子的外缘，飞轮轮毂外缘的外壁缠绕碳纤维复合材料T300，同时飞轮轮毂外缘的内壁与三自由度磁斥力磁轴承及二自由度磁斥力磁轴承的转子外壁紧密贴合。由此，将整个装置包含在飞轮电池的壳体中，增大了飞轮的体积、重量，从而增大飞轮的储能量。
[0007] 进一步说明的是，磁斥力三自由度磁轴承及磁斥力二自由度磁轴承中的永磁体采用两块永磁体同性磁极安装在磁轴承转子磁极的两侧，由于同性相斥的原理，部分磁密沿着磁斥力三自由度磁轴承转子磁极进入磁轴承定子，而从产生偏置磁通，使得转子稳定悬浮。当转子偏离平衡位置时，设置在磁斥力三自由度磁轴承的定子中的径向控制线圈和磁斥力二自由度磁轴承的定子的径向控制线圈共同作用控制着飞轮转子径向上4个自由度，磁斥力三自由度磁轴承的定子中轴向控制线圈飞轮转子轴向上1个自由度，从而实现飞轮在五自由度上的稳定悬浮。
[0008] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：
[0009] 1、本发明采用的电动机、发电机为外转子结构，充分利用了外转子电机的转动惯量大、散热好、以及轴向尺寸紧凑等优点，将飞轮巧妙的与电机转子、磁轴承转子整合成一个整体，相比于内转子飞轮电池分散设计，极大地减小了飞轮电池的体积。
[0010] 2、本发明将磁轴承和飞轮密封在一个真空外壳中，消除了空气摩擦对飞轮所带来的损耗。
[0011] 3、本发明采用磁斥力磁轴承，采用一对同性磁极相斥产生的合成磁场提供偏置磁通，使得偏置磁场更加密集，相比于单个磁极提供偏置磁通的磁轴承而言，磁斥力磁轴承能够提供更大的磁轴承刚度，减轻控制系统负担且功耗进一步降低。
[0012] 4、本发明采用高强度碳纤维树脂复合材料T300缠绕于飞轮轮毂外围，有效地克服飞轮在高速状态下受应力作用而变形的影响。此外轮毂采用金属复合材料，进一步提高了飞轮整体强度。
附图说明
[0013] 图1是本发明的结构剖视图；
[0014] 图2是定子轴系结构图；
[0015] 图3是三自由度磁斥力磁轴承轴承定子俯视图；
[0016] 图4是三自由度磁斥力磁轴承结构剖视图；
[0017] 图5是二自由度磁斥力磁轴承结构剖视图；
[0018] 图6是电机与飞轮体装配图；
[0019] 图7是三自由度磁斥力磁轴承磁路图；
[0020] 图8是二自由度磁斥力磁轴承磁路图；
[0021] 图中：1，飞轮电池密封外壳；21，上部定子轴固定部件；22，下部定子轴固定部件；31，三自由度磁斥力磁轴承上部轴向线圈；32，三自由度磁斥力磁轴承下部轴向线圈；41，三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①；42,三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②；
43，三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③；44,三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④；51,三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极；52,三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极；61，三自由度磁斥力磁轴承径向线圈a；62,三自由度磁斥力磁轴承径向线圈b；63，三自由度磁斥力磁轴承径向线圈c；64,二自由度磁斥力磁轴承径向线圈a；65二自由度磁斥力磁轴承径向线圈b；66，二自由度磁斥力磁轴承径向线圈c；71，三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①；72三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②；73，二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①；74，二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②；8，定子轴系；811，定子上部轴端；812，三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘；813,三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极a；814,三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极b；815，三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极c；816，圆柱连接轴①；817，圆柱连接轴②；818，三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘；819，电机转轴；820,二自由度磁斥力磁轴承径向定子极a；821,二自由度磁斥力磁轴承径向定子极b；822，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极c；823，定子下部轴端；91，三自由度磁斥力磁轴承径向转子极；92，二自由度磁斥力磁轴承径向转子极；10，飞轮轮毂；11，电动机/发电机定子；12，电动机/发电机转子，13，真空排气口；14，飞轮复合材料外围；15，基座固定件；16，基座。
具体实施方式
[0022] 参见如图1所示，本发明最外部是密封外壳1，密封外壳1表面均匀分布有散热片。定子轴系8贯穿于密封外壳1的轴心。密封外壳1的上下两端面分别设有上部定子轴固定部件21和下部定子轴固定部件22。密封外壳底部设有真空排气口13，以便外部排气装置将密封外壳1内的空气抽去。整个密封外壳装配在基座16上，两者间用基座固定件15连接固定。
[0023] 如图2所示，定子轴系8同轴自上而下集成有定子上部轴端811、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812、圆柱连接轴①816、三自由度磁斥力磁轴承的径向定子、圆柱连接轴②817、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818、电机转轴819，二自由度磁斥力磁轴承的径向定子、定子下部轴端823。其中三自由度磁斥力磁轴承的径向定子与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818间分别用圆柱连接轴①816、圆柱连接轴②817连接。二自由度磁斥力磁轴承径向定子
820与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818之间以圆柱连接轴②817连接。定子上部轴端811和定子下部轴端823呈圆柱状。三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘
812与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818呈圆盘状。定子上部轴端811下表面与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812上表面连接。定子下部轴端823的上表面与三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818的下表面相连接。二自由度磁斥力磁轴承径向定子以圆柱体沿圆周方向向外延伸三个之间相隔120°柱形磁极，作为二自由度磁斥力磁轴承径向定子极分别为：二自由度磁斥力磁轴承径向定子极a820，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极b821，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极c822。二自由度磁斥力磁轴径向线圈a64、二自由度磁斥力磁轴承径向线圈b65、二自由度磁斥力磁轴承径向线圈c66分别绕制在二自由度磁斥力磁轴承径向定子极a820，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极b821，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极c822上。
[0024] 结合图3所示，三自由度磁斥力磁轴承径向定子是由一个圆盘沿圆周方向均匀切割成3对完全贯穿圆盘上下表面的平行槽，平行槽靠近圆盘中心位置的一侧所形成的圆柱面与中心轴同轴，且圆柱面的直径大于圆柱连接轴①816的直径。平行槽间形成三个互成120°的三个磁极分别为:三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极a813；三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极b814；，三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极c815。三自由度磁斥力磁轴承径向线圈a61、三自由度磁斥力磁轴承径向线圈b62、三自由度磁斥力磁轴承径向线圈c63分别绕制在三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极a813；三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极b814；，三自由度磁斥力磁轴承轴径向定子极c815上。
[0025] 如图4所示是三自由度磁斥力磁轴承的内部结构剖视图。其在定子轴系上的所属结构包括三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812、圆柱连接轴①816、三自由度磁斥力磁轴承径向定子、圆柱连接轴②817、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818。空心圆盘型三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91，同轴套在三自由度磁斥力磁轴承定子外，其内径大于三自由度磁斥力磁轴承的定子极的内径0.5mm以形成径向气隙。三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91的上下表面分别与三自由度磁斥力磁轴承的定子的上下表面的距离相等。三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91的上下两侧分别叠压一块相同中空圆柱形的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①71、三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②72。永磁体①71,、永磁体②72的内径略大于三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91的内径。永磁体①71,、永磁体②72的外径等于三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91的外径。
上下两个轴向转子极(三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51，三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52)外形为中空圆柱体，分别对称分布在三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812、圆柱连接轴①816、三自由度磁斥力磁轴承的定子形成的上部腔室和三自由度磁斥力磁轴承的定子、圆柱连接轴②817、三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘
818形成的下部腔室内。三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的两个端面分别距离三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路上部接收盘812的下表面和三自由度磁斥力磁轴承的定子上表面0.5mm；同样，三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52的两个端面分别距离三自由度磁斥力磁轴承轴向磁路下部接收盘818的上表面和三自由度磁斥力磁轴承的定子下表面
0.5mm，形成轴向气隙。三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的内外侧边分别紧密连接有两块形状为中空圆柱体的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41、三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②42。三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52的内外侧也分别对应的连接有两块形状相同的永磁体，分别为三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③43、三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④44。三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41的外径等于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的内径，三自由度磁斥力磁轴承上部永磁体②42的内径等于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的外径。
三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②
42在轴向长度上相等但小于三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的轴向长度，并且三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②42的上下端面到三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51的上下端面的距离相等；
[0026] 同样，三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③的外径43、三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④44的内径分别等于三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52的内径和外径，并且两者在轴向长度上相等但小于三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52的轴向长度，并且两者的上下端面到三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52的上下端面的距离相等。
[0027] 三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②42的外径等于三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①71的内径并且紧密相连；三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④44的外径等于三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②72的内径并且紧密相连。
[0028] 三自由度磁斥力磁轴承上部轴向线圈31和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向线圈32分别绕制在圆柱连接轴①816、圆柱连接轴②817的外表面，并且三自由度磁斥力磁轴承上部轴向线圈31和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向线圈32不与三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41和三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③43的外侧表面接触。
[0029] 如图5所示，二自由度磁斥力磁轴承在定子轴系上设有二自由度磁斥力磁轴承定子，空心圆盘型二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92同轴套在二自由度磁斥力磁轴承的定子外，其内径大于二自由度磁斥力磁轴承的定子极的外径0.5mm以形成径向气隙。二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92的上下表面分别与二自由度磁斥力磁轴承的定子的上下表面的距离相等。
[0030] 二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92的上下两侧分别叠压了一块相同的中空圆柱形的永磁体，分别为二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①73,二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②74。两个永磁体的内径略大于二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92的内径。两个永磁体的外径等于二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92的外径。3个二自由度磁斥力磁轴承径向线圈分别绕制于3个径向定子极上。
[0031] 如图6所示，电动机/发电机定子11紧密套在电机转轴819上。电动机/发电机转子12同轴套在电动机/发电机定子11的外侧。飞轮轮毂10紧密配合于电动机/发电机转子12外侧。飞轮轮毂10外缘表面绕制有树脂碳纤维复合材料T300制成的飞轮复合材料外围14,呈圆柱状。并且飞轮复合材料外围14的上下表面分别与飞轮轮毂外缘的上下表面重合。
[0032] 结合图1，三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91、及其上下两侧的三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①71、三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②72以及二自由度磁斥力磁轴承的径向转子极92、及其上下两侧的二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①73、二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②74的外壁与飞轮轮毂10外缘内壁紧密相连，由此，三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91、及其上下两侧的三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①71、三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②72、飞轮轮毂10、电动机/发电机转子12、飞轮复合材料外围14、二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92，及其上下两侧的二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①73、二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②74紧密连接为一个整体。当电动机/发电机的转子12转动时，将带动此整体转动；当飞轮转子转动时，亦可带动电动机/发电机转动。
[0033] 如图7所示，是三自由度磁斥力磁轴承的磁路图，由于剖视截面结构完全相同，为了便于观察，将偏置磁路(图中带箭头实线)置于左侧，将控制磁路(图中带箭头虚线)置于右侧。当飞轮电池工作时，利用三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体①41、三自由度磁斥力磁轴承上部径向永磁体②42同性相斥的原理，在三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51中产生合成磁力线通过三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51下表面进入其与三自由度磁斥力磁轴承定子极813间的气隙，从而产生上部轴向气隙磁场。同理，三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体③43、三自由度磁斥力磁轴承下部径向永磁体④44在三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52中产生合成磁力线通过三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52下表面进入其与三自由度磁斥力磁轴承定子极813间的气隙，从而产生下部轴向气隙磁场。上部轴向气隙磁场与下部轴向气隙磁场强度相等，因此三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51与三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52受力相等，处于平衡位置。三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91两侧的永磁体(三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体①
71,三自由度磁斥力磁轴承轴向永磁体②72)亦利用同性相斥的原理，使三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91产生合成磁路，通过三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91内表面进入其与三自由度磁斥力磁轴承定子极813间的气隙，从而产生径向气隙磁场。若三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91处于平衡位置，由于三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91与三自由度磁斥力磁轴承定子极813间的气隙磁场处处相等，三自由度磁斥力磁轴承径向转子极91在径向上受力均衡。
[0034] 如图8所示，是二自由度磁斥力磁轴承的磁路图，利用二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92上下表面两侧的二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体①73和二自由度磁斥力磁轴承径向永磁体②74同性相斥，在二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92内产生的合成磁通作为二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92和二自由度磁斥力磁轴承定子极820间的气隙磁通，且当二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92处于平衡位置时，二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820与二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92气隙磁通相等。因此，二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92处于平衡位置。
[0035] 结合图1，图7，图8所示，当飞轮电池工作时遇到外界扰动使得转子整体偏离平衡位置时，三自由度磁斥力磁轴承上部轴向线圈31和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向线圈32共同作用，使得三自由度磁极与三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52间的2个气隙中偏置磁通和控制磁通的合成磁通一个加强一个减弱，从而使得三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51和三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52受力不等，所产生的合力与轴向偏离方向相反，从而使飞轮转子回到平衡位置。因此，轴向上一个自由度得到控制。
[0036] 以转子在轴向上向下偏离平衡位置为例，如图7所示，三自由度磁极与三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51间气隙磁场中的偏置控制磁场方向和控制磁通的方向相同，三自由度磁极与三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52间气隙磁场中的偏置控制磁场方向和控制磁通的方向相反。因此，三自由度磁极与三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51合成磁通大于三自由度磁极与三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52合成磁通，三自由度磁斥力磁轴承上部轴向转子极51受力大于三自由度磁斥力磁轴承下部轴向转子极52受力，使得整个飞轮转子受到向上的合力，飞轮转子回到平衡位置。
[0037] 当飞轮转子径向上偏离平衡位置时，三自由度磁斥力磁轴承径向线圈，与3个二自由度磁斥力磁轴承径向线圈通电，合力产生的单磁通指向与位置偏移相反的方向，产生相应的径向控制磁悬浮力，使飞轮转子回到径向平衡位置。以二自由度磁斥力磁轴承为例解释其原理，参见图8，图中带箭头粗实线方向为偏移方向，与二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820磁极方向平行3个二自由度磁斥力磁轴承径向线圈同时通电，使得二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92与二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820间的合成气隙磁通和二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92与二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820的逆时针相邻定子极间的合成气隙磁通均由于偏置磁通与控制磁通方向相同而增强；二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92与二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820的顺时针相邻定子极间的合成气隙磁通因偏置磁通与控制磁通方向相相反而减弱。因此，二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92在二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820处及顺时针相邻定子极处受到拉力合力远大于二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92在二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820逆时针相邻定子极处所受电磁力，二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92在二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820、及顺时针相邻定子极处受到拉力合力的方向与二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92在二自由度磁斥力磁轴承径向定子极820的逆时针相邻定子极所受电磁力方向相反，最终导致二自由度磁斥力磁轴承径向转子极92所受合力指向与偏移方向相反的方向使其回到径向平衡位置。
[0038] 三自由磁斥力磁轴承径向控制原理与二自由磁斥力磁轴承径径向控制原理相同，这里不再赘述。由此可以看出三自由度磁斥力磁轴承的镜像控制部分与二自由度磁斥力磁轴承共同作用以实现整个飞轮转子在径向上始终处于平衡位置。
[0039] 由上面分析得出，本发明的飞轮转子在径向上和轴向上都可以实现稳定悬浮。
[0040] 根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
