專利名稱：飛輪電池發電機組的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種飛輪電池發電機組，特別是飛輪電池發電機的儲能飛輪與永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子和永磁無刷直流發電機永磁轉子同轉軸旋轉、儲能發電。
本發明應用了飛輪電池能量存儲技術和磁懸浮軸承支承技術等國際前沿科技；涉及先進的微電子控制、電力電子控制、傳感器、電能存儲及新型永磁無刷直流電機、發電機制造等技術領域。
背景技術：
永磁無刷直流電機
永磁無刷直流電機是隨著電子技術的發展而發展起來的一種新型直流電機，永磁無刷直流電機的最大特點是沒有換相器和電刷組成的機械換相機構，因此，永磁無刷直流電機沒有換相火花、壽命長、運行可靠；其轉速不受機械換相的限制，如采用磁懸浮軸承支承技術，理論上可實現每分鐘十萬到幾十萬轉的超高轉速運行；因此，其應用前景將十分廣泛。
永磁無刷直流電機的基本結構無刷直流電機由電機本體和裝于電機內部的電子換相線路與轉子位置傳感器三部分組成。
永磁無刷直流電機本體主要由定子鐵芯、定子繞組、永磁轉子、轉軸及支承定子的電機外殼組成。
轉子位置傳感器轉子位置傳感器在無刷直流電機中起著測定轉子磁極位置信號和轉速信號的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子永磁磁極的位置信號轉換成為電信號，去控制定子繞組換相。
電子換相線路電子換相線路的作用是將位置傳感器的輸出信號進行解調、預放大、功率放大，然后去觸發末級絕緣柵雙極型功率晶體管(IGBT)，使電樞繞組按一定的邏輯程序通電，保證電機的可靠運行。
飛輪電池
飛輪電池(即磁懸浮儲能飛輪系統)技術是航天應用領域中的關鍵技術之一，是國際前沿技術。其基于高速磁懸浮軸承支承技術，集成能量存儲與空間飛行器姿態控制于一體。
飛輪電池能量存儲原理星上飛輪電池利用衛星在日照區由太陽能電池板提供的電能使永磁無刷直流電機拖動飛輪加速，使飛輪高速旋轉達到永磁無刷直流電機42000r/ min的額定轉速時，高速旋轉的飛輪將電能轉化為機械能儲存起來。在陰影區或星上設備需要時，飛輪轉子將高速旋轉所存儲的機械能轉換為電能釋放出來，飛輪不斷減速，能量不斷釋放，此時，拖動飛輪高速旋轉的永磁無刷直流電機作為發電機運行。
飛輪電池基本結構飛輪電池主要由飛輪定子系統、轉子系統、電機/發電機系統、支撐轉子的軸承系統、轉子位置(轉速)傳感器系統及能量轉換系統構成。定子又稱陀螺房因連在基座上，起支撐、定位作用；轉子則是相對定子高速旋轉的慣量輪；定子和轉子之間為磁懸浮軸承、電機/發電機定子繞組和保護軸承。磁懸浮軸承包括徑向磁懸浮軸承和軸向磁懸浮軸承，分別起徑向和軸向支撐作用；電機為高速永磁無刷直流電機，電機轉子永磁體和飛輪轉子固定在同一根軸上，繞組則和定子相連，向永磁體提供切向力，帶動飛輪轉子一起旋轉。保護軸承則在飛輪轉子未旋轉時提供對飛輪轉子的支撐作用。
磁懸浮軸承
隨著微電子技術、電力電子技術和傳感器技術的發展，磁懸浮軸承支承技術在航空航天、精密切削、機床制造等領域得到了很大的發展；目前，磁懸浮軸承支承技術的研究和應用主要集中在超導磁懸浮和電磁懸浮。電磁懸浮又分為主動磁懸浮和被動磁懸浮，主動磁懸浮的最大特征是可以承受較大的動載荷，但軸承功耗高、能耗大；被動磁懸浮結構簡單，支承可靠，但軸承的最高轉速受到極大的限制；主動混合式磁懸浮軸承，就是將主動磁懸浮軸承的電磁偏置，改為永磁偏置，采用永磁體提供偏置靜磁場，電磁鐵只是提供平衡負載或外界干擾的控制磁場，可以避免系統因偏置電流所產生的功率損耗，降低了線圈發熱； 主動混合式磁懸浮軸承不僅支承可靠，可以支撐較大的動載荷；而且這種軸承具有體積小、 質量輕、效率高、功耗小等優點，是未來磁懸浮軸承的發展方向。發明內容
本發明的目的在于提供一種在電網低谷時段存儲能量，在電網高峰時段釋放能量的飛輪電池發電機組。
這種飛輪電池發電機組由包含有永磁無刷直流電機/發電機、永磁無刷直流發電機、儲能飛輪以及伺服它們運行的磁懸浮軸承、能量轉換控制器及轉子位置傳感器構成的飛輪電池發電機和由包含有蓄電池組、電源控制器構成的電源控制箱組成。
這種飛輪電池發電機組將儲能飛輪與永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子、永磁無刷直流發電機永磁轉子安裝在發電機同一根轉軸上同轉軸旋轉、共軸運行。
這種飛輪電池發電機組采用磁懸浮軸承支承技術將發電機轉子系統懸浮于空氣中，使高速旋轉的轉子系統沒有機械阻力和摩擦損耗。
本發明飛輪儲能(充電)與發電(放電)運行的原理依據的是飛輪電池能量存儲原理，并依據飛輪電池升速儲能(充電)、減速釋能(放電)的電池效應而運行。
本發明在電網低谷時段，由電源控制器市電整流電源及充電控制電路將市電交流電源整流后向原動機即永磁無刷直流電機/發電機提供約+220V的直流電源，使永磁無刷直流電機/發電機旋轉并拖動儲能飛輪升速(儲能)，當永磁無刷直流電機/發電機拖動儲能飛輪升速達到原動機30000r/min的額定轉速時，儲能飛輪儲能(充電)過程完成；此時， 當電源控制箱蓄電池組電量不足時，儲能飛輪通過發電機繞組將存儲的機械能量轉換為電能向蓄電池組充電；當電源控制箱蓄電池組電量充足時，儲能飛輪將以機械能的方式將能量存儲在飛輪轉子上并以30000r/min的超高轉速空載運行，進入待機發電(放電)狀態。
本發明有一個能量轉換過程，即電網的電能能量一飛輪的機械能量一發電機的電能能量一蓄電池組的化學能量一負載的電能能量。
本發明先將電網低谷時段的電能轉換為機械能，再由機械能轉換為蓄電池組的化學能存儲起來，當蓄電池組經反復充電后電量充足時，儲能飛輪停止能量轉換；此時，本發明同時存儲有兩種能量，即儲能飛輪的機械能量和蓄電池組的化學能量。在電網高峰時段，當負載需要時，先將蓄電池組存儲的化學能量轉換為電能向負載供電，再將儲能飛輪存儲的機械能量轉換為電能向蓄電池組充電，以補充蓄電池組消耗的電能。
本發明的技術解決方案是將一種飛輪電池發電機組的儲能飛輪3與永磁無刷直流發電機永磁轉子4、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子5、軸向磁懸浮軸承推力盤2固定安裝在飛輪電池發電機的同一根轉軸上，并在發電機轉軸I的后部對應永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子永磁體磁極位置安裝轉子霍爾磁極6 (參見附圖3)。
在發電機底座32支承的發電機外殼13內的中部，發電機定子Z形支承座24前部對應永磁無刷直流發電機永磁轉子位置固定安裝永磁無刷直流發電機定子15 ;在發電機定子Z形支承座中部對應永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子位置固定安裝永磁無刷直流電機/發電機定子20 ;在發電機定子Z形支承座后部，對應轉軸后端頸部位置固定安裝后部徑向磁懸浮軸承26 ;在發電機定子Z形支承座后部緊鄰后部徑向磁懸浮軸承，對應轉子霍爾磁極位置固定安裝轉子位置傳感器27 ;在發電機Z形支承座與發電機外殼、后部大端蓋29之間的空腔內固定安裝能量轉換控制器25及其絕緣盒；在前部大端蓋5內，磁懸浮軸承支承座6的環形凹槽內，對應軸向磁懸浮軸承推力盤的位置固定安裝外側軸向磁懸浮軸承7 ;在內側磁懸浮軸承支承座10的環形凹槽內，對應軸向磁懸浮軸承推力盤的位置固定安裝內側軸向磁懸浮軸承9 ;在磁懸浮軸承支承座的前端與前部端蓋I之間，對應發電機轉軸頸部位置固定安裝前部徑向磁懸浮軸承4 ;在前部端蓋中央對應發電機轉軸前端軸頸位置安裝前部保護軸承3，并對應保護軸承在前部端蓋中央安裝前部保護軸承端蓋2 ;在后部大端蓋中央對應發電機轉軸后端軸頸位置安裝后部保護軸承30，并對應保護軸承在后部大端蓋中央安裝后部保護軸承端蓋31 ;發電機外殼的前部與內側磁懸浮軸承支承座的內壁之間，對應儲能飛輪的大空腔是飛輪陀螺房14(參見附圖2)。
所述技術方案中，固定安裝在飛輪電池發電機組同一根發電機轉軸上的軸向磁懸浮軸承推力盤、儲能飛輪、永磁無刷直流發電機永磁轉子、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子、轉子霍爾磁極構成飛輪電池發電機的轉子系統；使儲能飛輪、永磁無刷直流發電機永磁轉子、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子、軸向磁懸浮軸承推力盤、轉子霍爾磁極同轉軸旋轉、共軸運行。
固定安裝在發電機底座支承的發電機外殼內的永磁無刷直流發電機定子、永磁無刷直流電機/發電機定子、后部徑向磁懸浮軸承、轉子位置傳感器、能量轉換控制器、內側軸向磁懸浮軸承、外側軸向磁懸浮軸承、前部徑向磁懸浮軸承及起定位和固定作用的磁懸浮軸承支承座、內側磁懸浮軸承支承座、發電機定子Z形支承座、前部端蓋、前部保護軸承端蓋、前部大端蓋、后部大端蓋、后部保護軸承端蓋、飛輪陀螺房以及在電機靜止狀態時支承發電機轉軸的前部保護軸承、后部保護軸承構成飛輪電池發電機的定子系統；由發電機轉子系統、發電機定子系統構成飛輪電池發電機。
附圖I :是飛輪電池發電機組三視圖
附圖2 :是飛輪電池發電機結構圖
附圖3 :是飛輪電池發電機轉子系統正視圖
附圖4:是飛輪電池發電機組儲能(充電)與發電(放電)運行控制電路聯接原理框圖附圖5 :是永磁無刷直流電機/發電機升速控制器電路原理圖附圖6 :是永磁無刷直流電機/發電機工作原理圖a附圖7 :是永磁無刷直流電機/發電機工作原理圖b附圖8 :是主動混合式磁懸浮軸承控制器電路原理圖附圖9 :是永磁無刷直流發電機能量釋放控制器電路原理圖附圖10 :是永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器電路原理圖附圖11 :是電源控制箱蓄電池組與電源控制器電路原理圖
具體實施例方式本發明結合具體實施例參見附圖進一步說明如下飛輪電池發電機組的基本組成參見附圖1一種飛輪電池發電機組由儲能飛輪、永磁無刷直流發電機、永磁無刷直流電機/ 發電機以及伺服它們運行的磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承推力盤、能量轉換控制器、轉子位 置傳感器、轉子霍爾磁極構成的飛輪電池發電機1和由蓄電池組4、電源控制器5構成的電 源控制箱2及支承它們的發電機組基座3組成。飛輪電池發電機的轉子系統參見附圖3這種飛輪電池發電機組由固定安裝在同一根發電機轉軸1上的儲能飛輪3、永磁 無刷直流發電機永磁轉子4、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子5、軸向磁懸浮軸承推力 盤2、轉子霍爾磁極6構成飛輪電池發電機的轉子系統。飛輪電池發電機轉子系統的基本結構參見附圖2飛輪電池發電機轉子系統的儲能飛輪內緣為玻璃纖維復合材料，外緣為高性能碳 纖維復合材料，并將儲能飛輪制成多層空心杯圓柱體狀，由儲能飛輪內緣12、儲能飛輪外緣 11構成儲能飛輪；永磁無刷直流發電機永磁轉子內層采用優質鋁合金鑄成圓柱體狀，并與 轉子導磁體熱鑄成型，轉子永磁體固定安裝在轉子導磁體上，由直流發電機轉子永磁體16、 轉子鑄鋁內層17、轉子導磁體18構成永磁無刷直流發電機永磁轉子；永磁無刷直流電機/ 發電機永磁轉子結構與永磁無刷直流發電機永磁轉子完全一致，由直流電機/發電機轉子 永磁體21、轉子導磁體22、轉子鑄鋁內層23構成永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子；軸 向磁懸浮軸承推力盤8由優質合金鋼制成；發電機轉軸19由優質鋼車磨成型；轉子霍爾磁 極28由熱鑄成型的銅套與嵌入銅套的永磁體構成。飛輪電池發電機定子系統及其基本結構參見附圖2這種飛輪電池發電機組由固定安裝在發電機底座32支承的發電機外殼13內的永 磁無刷直流發電機定子15、永磁無刷直流電機/發電機定子20、后部徑向磁懸浮軸承26、 轉子位置傳感器27、能量轉換控制器25、內側軸向磁懸浮軸承9、外側軸向磁懸浮軸承7、前 部徑向磁懸浮軸承4及起定位和固定作用的磁懸浮軸承支承座6、內側磁懸浮軸承支承座 10、發電機定子Z形支承座24、前部端蓋1、前部保護軸承端蓋2、前部大端蓋5、后部大端蓋 29、后部保護軸承端蓋31、飛輪陀螺房14以及在電機靜止狀態時支承發電機轉軸的前部保 護軸承3、后部保護軸承30構成飛輪電池發電機的定子系統。飛輪電池發電機定子系統的永磁無刷直流發電機定子15、永磁無刷直流電機/發電機定子20由硅鋼沖片疊制而成的定子鐵芯和嵌入定子鐵芯的定子繞組構成；前部端蓋 I、前部保護軸承端蓋2、前部大端蓋5、磁懸浮軸承支承座6、內側磁懸浮軸承支承座10、后部大端蓋29、后部保護軸承端蓋31均由鑄鐵鑄造而成；發電機外殼13、發電機定子Z形支承座24與發電機底座32由鑄鐵一體鑄造構成；前部徑向磁懸浮軸承4、后部徑向磁懸浮軸承26、外側軸向磁懸浮軸承7、內側軸向磁懸浮軸承9均為主動混合式磁懸浮軸承，由永磁體、電磁鐵、電磁鐵線圈構成；轉子位置傳感器27為霍爾效應傳感器，由三個轉子位置霍爾效應磁敏傳感器，一個轉子轉速霍爾效應磁敏傳感器和霍爾集成電路構成；在發電機外殼的前端、內側磁懸浮軸承支承座內壁對應儲能飛輪的大空腔構成飛輪陀螺房14 ;前部保護軸承3、后部保護軸承30為滾動軸承；能量轉換控制器25由永磁無刷直流電機/發電機升速控 制器、永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器、永磁無刷直流發電機能量釋放控制器、主動混合式磁懸浮軸承控制器及能量轉換控制器絕緣盒構成(參見附圖2)。
飛輪電池發電機組儲能飛輪儲能(充電)與發電(放電)運行控制由能量轉換控制器與電源控制箱共同完成。
飛輪電池發電機組儲能(充電)與發電(放電)運行控制電路聯接原理參見附圖 4
由接線插件 ΤΡ00、TOOl、TP02、TPl、TP2、TP3、TP4、TP5、TP14、TP6、TP7、TPll、TP13、 ΤΡ8 (U)、ΤΡ9 (V)、TPIO (W)、TP15 (N)、平波電抗器 LI、L2、L3、濾波電容 Cy I、Cy 2、逆變主電路逆變功率管Ql、Q3、Q5、Q4、Q6、Q2、逆變功率管門極接線端Gl、G3、G5、G4、G6、G2、續流二極管VDI、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2、中性點形成濾波電容Cu、Cv、Cw、中性點形成自耦變壓器BT 及其三相繞組Bu、Bv, Bw、蓄電池組XI、市電整流電源及充電控制電路、整流電源輸出接觸器主觸頭KMl (正極主觸頭KY、負極主觸頭KD)、整流電源充電控制開關管Q01、蓄電池電量測試與控制電路(FCl)、控制電源電路、逆變集成控制電路接成電源控制器主板電路〔I〕；由永磁無刷直流發電機能量釋放控制器、永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器、永磁無刷直流電機/發電機升速控制器、主動混合式磁懸浮軸承控制器、發電機、電機/發電機、 磁懸浮軸承以及電源輸出控制回路、電源輸出主回路、負載接成框圖電路〔2〕；電路〔I〕與電路〔2〕以及電路〔I〕、〔2〕內各電路之間的聯接關系是電路〔I〕+220V市電整流電源經接線插件TP6、TP7與電路〔2〕永磁無刷直流電機/發電機升速控制器接線插件ΤΡ6、ΤΡ7和主動混合式磁懸浮軸承控制器接線插件ΤΡ7、ΤΡ12聯接；電路〔I〕+220V直流電源經接線插件TPl (正極)、ΤΡ2(負極)與電路〔2〕電源輸出控制回路聯接；電路〔I〕交流輸出經接線插件丁？8仙、丁？9~)、丁？10(們、丁？15洲與電路〔2〕電源輸出主回路聯接；
電路〔I〕+36V直流電源經ΤΡ3、ΤΡ2與控制電源電路聯接；逆變集成控制電路輸出的六路控制信號分別與逆變功率管門極接線端G1、G3、G5、G4、G6、G2聯接；市電整流電源及充電控制電路整流電源輸出控制開關管QOl與蓄電池組正極聯接；蓄電池電量測試與控制電路測試端口 Fl與蓄電池組Xl正極聯接，測試端口 F2與蓄電池組Xl負極聯接，控制信號輸出端口 F3與市電整流電源及充電控制電路聯接，負脈沖控制信號輸出端口 F4經接線插件TP02與電路〔2〕永磁無刷直流發電機能量釋放控制器負脈沖控制信號輸入接線插件TP9 和永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器負脈沖控制信號輸入接線插件TP9共接；
電路〔2〕永磁無刷直流發電機能量釋放控制器接線插件TP4與電路〔I〕直流輸入接線插件TP4聯接；電路〔2〕永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器接線插件TP4與電路〔I〕直流輸入的接線插件TP14聯接。
電路〔I〕控制電源電路VCC+28V控制電源經接線插件TP11、TP13與電路〔2〕主動混合式磁懸浮軸承控制器接線插件TP1、TP13、永磁無刷直流電機/發電機升速控制器接線插件TP8、TP9、永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器接線插件TP6、TP7和永磁無刷直流發電機能量釋放控制器接線插件TP6、TP7聯接；控制電源電路VCC+12V控制電源與逆變集成控制電路聯接。
電路〔2〕磁懸浮軸承框圖電路內的前部徑向磁懸浮軸承經接線插件ΤΡ8、后部徑向磁懸浮軸承經接線插件ΤΡ9、外側軸向磁懸浮軸承經接線插件ΤΡ10、內側軸向磁懸浮軸承經接線插件TPll與主動混合式磁懸浮軸承控制器聯接；前部徑向磁懸浮軸承、后部徑向磁懸浮軸承、外側軸向磁懸浮軸承、內側軸向磁懸浮軸承的共接端與主動混合式磁懸浮軸承控制器的公共地電位點(GND) TP12聯接。
電路〔2〕電機/發電機三相繞組的出線端A、B、C直接接入永磁無刷直流電機/發電機升速控制器并經接線插件TP1、TP2、TP3分別與永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器接線插件ΤΡ1、ΤΡ2、ΤΡ3聯接。電路〔2〕發電機三相繞組的出線端Α、B、C分別與永磁無刷直流發電機能量釋放控制器接線插件ΤΡ1、ΤΡ2、ΤΡ3聯接。
電路〔2〕由轉子位置傳感器輸出的位置轉速信號直接輸入永磁無刷直流電機/ 發電機升速控制器；霍爾轉速信號經永磁無刷直流電機/發電機升速控制器接線插件ΤΡ4 與永磁無刷直流發電機能量釋放控制器霍爾轉速信號輸入接線插件ΤΡ8聯接，經接線插件 ΤΡ5與永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器霍爾轉速信號輸入接線插件ΤΡ8聯接。
電路〔2〕永磁無刷直流電機/發電機升速控制器接線插件ΤΡ10、ΤΡ11、ΤΡ12與電源輸出控制回路聯接。電路〔I〕公共地電位端(GND)接線插件ΤΡ2、ΤΡ5、ΤΡ13與電路〔2〕 各公共地電位端GND聯接。
經電路〔I〕生成的三相交流電流Α、B、C由電路〔I〕電容Cu、Cv、Cw和自耦變壓器BT構成的中性點形成回路形成電源中性點后，由交流輸出的接線插件TP8(U)、TP9 (V)、 TP10(W)、TP15(N)與電路〔2〕電源輸出主回路聯接，并經電源輸出主回路與負載聯接。
永磁無刷直流電機/發電機升速控制器電路工作原理參見附圖5
該電路接線插件主要功能如下TP1、TP2、TP3為電機A、B、C三相繞組交流電流輸出至能量釋放控制器的接線插件；TP4、ΤΡ5為霍爾轉速信號輸出至能量釋放控制器的接線插件；ΤΡ6、ΤΡ7為市電整流電源及充電控制電路輸入的+220V直流電源接線插件，其中ΤΡ6 為正極、ΤΡ7為負極；ΤΡ8為自電源控制器VCC+28V控制電源正極輸入接線插件；ΤΡ9為自電源控制器控制電源負極輸入公共地位點GND接線插件；ΤΡ10為集成電路ICl的3腳正轉/ 反轉(FWD/REV)控制端至電源輸出控制回路接線插件；ΤΡ11為集成電路ICl的7腳啟動/ 停車(使能)控制端至電源輸出控制回路接線插件；ΤΡ12為集成電路ICl的23腳運行/制動控制端至電源輸出控制回路接線插件。
該電路集成電路ICl主要功能如下集成電路ICl主要由轉子位置譯碼電路、基準電壓電路、過熱保護電路、轉速比較電路、振蕩器電路、PWM波形成電路，RS觸發(Q端輸出) 電路、PWM激勵及PWM功率驅動輸出電路構成；集成電路的17腳為VCC+28V電源端；18腳為下橋壁驅動電源端；16腳為公共地位端；8腳為電源輸出端；10腳為頻率控制端；4、5、6腳為轉子磁極位置信號輸入端；1、2、24、19、20、21腳為驅動信號輸出端；22腳為(60°Vl20。)相位控制端；9腳為電流檢測信號輸入端；14腳為故障端；12腳為霍爾轉速信號輸入端；11 腳為速度設定輸入端，由加速電位器R41對電機速度進行設定。
該電路主要由電子換相脈寬調制控制電路和電子換相逆變電路兩部分組成；由電子換相控制集成電路 IC1、電阻 R14、R15、R6、R5、R12、R13、R16、R17、R18、R29、R30、RT、R42、 電位器1 41、電容025、(1\穩壓二極管￥07、￥08、￥09、轉子位置傳感器!11、!12、!13、轉子轉速傳感器H4接成電子換相脈寬調制控制電路〔I〕；由功率開關管(絕緣柵雙極型功率晶體管) VT1、VT3、VT5、VT4、VT6、VT2、續流二極管 VD1、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2、電機三相繞組 A、B、 C (三相繞組直接接入電子換相逆變電路功率開關管三相輸出端A、B、C)接成電子換相逆變電路〔2〕；電路⑴與〔2〕之間的聯接關系是電路〔I〕電阻R14、R5與電路〔2〕功率開關管VTlG極共接；電路〔I〕電阻R15、R12與電路〔2〕功率開關管VT3G極共接；電路〔I〕電阻R6、R13與電路〔2〕功率開關管VT5G極共接；電路〔I〕R16與電路〔2〕功率開關管VT4G 極共接；電路〔I〕R17與電路〔2〕功率開關管VT6G極共接；電路〔I〕R18與電路〔2〕功率開關管VT2G極共接；電路〔I〕電阻R29、R30共接端與電路〔2〕功率開關管VTlE極、續流二極管VDl正極、功率開關管VT4C極、續流二極管VD4負極、電機A相繞組共接端A端聯接。
該電路的工作原理是在電子換相脈寬調制控制電路中，電子換相控制集成電路 ICl把轉子位置傳感器檢測到的轉子磁極位置信號進行邏輯變換后產生脈寬調制控制信號，并經ICi的驅動電路放大后送到電子換相逆變電路，驅動電子換相逆變電路各個功率開關管按照轉子位置傳感器輸入的轉子磁極位置信號依次導通，給與轉子磁極位置相對應的電樞繞組依次饋電，使各項繞組按一定順序工作，并在氣隙中產生跳躍式的旋轉磁場，使轉子磁場在旋轉磁場的作用下沿固定方向連續轉動。
下面以兩相導通星形三相六狀態永磁無刷直流電機為例結合附圖來進一步說明其工作原理；參見附圖6、 附圖7。
附圖6、附圖7中A、B、C表示為電機三相繞組首端，X、Y、Z表示為電機三相繞組尾端，S、N表示為電機永磁轉子南北磁極， 表示電流流進，Θ表示電流流出。
當轉子永磁體位于附圖6所示位置時，轉子位置傳感器輸出的轉子磁極位置信號，經過電子換相控制集成電路ICi邏輯變換后，生成脈寬調制控制信號，驅動電子換相逆變電路功率開關管，使功率開關管VTpVT6導通，使繞組A、B通電、A進、B出，電樞繞組在空間合成磁動勢Fa，如附圖6所示，此時定子、轉子磁場相互作用拖動轉子順時針方向轉動， 電流流通路徑為電源正極一VT1管一A相繞組一B相繞組一VT6管一電源負極。
當轉子轉過60°電角度，到達附圖7所示位置時，轉子位置傳感器輸出的轉子磁極位置信號，經邏輯變換后使功率開關管VT6截止、VT2導通，此時VT1管仍導通，則繞組A、C 通電，A進C出，電樞繞組在空間合成磁動勢Fa，如附圖7所示，此時定子、轉子磁場相互作用拖動轉子繼續沿順時針方向轉動，電流流通路徑為電源正極一VT1管一A相繞組一C相繞組一VT2管一電源負極；余此類推。
從以上可以看出，在附圖6到附圖7的60°電角度范圍內，轉子磁場順時針方向連續轉動，而定子合成磁場在空間保持附圖6中Fa位置不動，只有當轉子磁場轉過60°電角度達到附圖7中Ff位置時，定子合成磁場才從附圖6中Fa位置順時針躍變為附圖7中 Fa位置；可見，定子合成磁場在空間不是連續旋轉磁場，而是一種跳躍式旋轉磁場，每個步進角是60°電角度。
當轉子轉過60°電角度時，電子換相逆變電路功率開關管之間就進行一次換流， 定子磁狀態就改變一次；可見，對上述情況，電動機有六個磁狀態，每一磁狀態都是兩相導通，每相繞組中通過電流時間相當于轉子旋轉120°電角度，每個功率開關管的導通角為 120°，故稱該逆變電路為120°導通型。
通過轉子位置傳感器輸出轉子磁極位置信號，使電子換相逆變電路各個功率開關管依次導通，電樞三相繞組依次饋電，使永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子旋轉并拖動永磁無刷直流發電機永磁轉子、儲能飛輪旋轉并升速，從而使該電路完成了電機升速控制過程。
主動混合式磁懸浮軸承控制器電路工作原理參見附圖8
該電路接線插件主要功能如下TP1為自控制器主板電路VCC+28V控制電源正極輸入接線插件；ΤΡ2、ΤΡ3、ΤΡ4、ΤΡ5為變磁阻式微位移位置傳感器Μ1、Μ2、Μ3、Μ4位置信號輸入接線插件；ΤΡ6為變磁阻式微位移位置傳感器交流脈沖電壓輸出接線插件；ΤΡ7、ΤΡ12為市電整流電源及充電控制電路輸入的+220V直流電源接線插件，其中ΤΡ7為正極、ΤΡ12為負極；ΤΡ8為前部徑向磁懸浮軸承接線插件；ΤΡ9為后部徑向磁懸浮軸承接線插件；ΤΡ10為外側軸向磁懸浮軸承接線插件；ΤΡ11為內側軸向磁懸浮軸承接線插件；ΤΡ13為自控制器主板電路控制電源負極輸入公共地位點GND接線插件。
該電路集成電路ICl主要功能如下集成電路ICl主要由數字信號處理器、基準電壓電路、過流保護電路、欠壓保護電路、振蕩器電路、PWM控制電路、或門電路、PWM激勵及 PWM功率驅動輸出電路構成；集成電路的I腳為VCC+28V電源端；18腳為公共地位端(GND)、 3、4、5、6腳為驅動信號輸出端；13、14、15、16腳為位移位置信號輸入端。
該電路由脈寬調制控制電路和功率輸出控制電路兩部分組成。由電阻R3、R5、R6、 R7、R8、Rll、R13、R15、R17、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、電容 C6、Cll、C13、C15、 C17、前部徑向磁懸浮軸承變磁阻式微位移位置傳感器Ml、后部徑向磁懸浮軸承變磁阻式微位移位置傳感器M2、外側軸向磁懸浮軸承變磁阻式微位移位置傳感器M3、內側軸向磁懸浮軸承變磁阻式微位移位置傳感器M4、脈寬調制控制集成電路ICl接成脈寬調制控制電路〔 I〕；由功率開關管VT1、VT2、VT3、VT4、續流二極管VD1、VD2、VD3、VD4、前部徑向磁懸浮軸承 Al、后部徑向磁懸浮軸承A2、外側軸向磁懸浮軸承A3、內側軸向磁懸浮軸承A4接成功率輸出控制電路〔2〕；電路〔I〕與〔2〕之間的聯接關系是電路〔I〕電阻R5、Rll與電路〔2〕功率開關管VTlG極共接；電路〔I〕電阻R6、R13與電路〔2〕功率開關管VT2G極共接；電路〔 I〕電阻R7、R15與電路〔2〕功率開關管VT3G極共接；電路〔I〕電阻R8、R17與電路〔2〕功率開關管VT4G極共接；電路〔I〕電阻R21與電路〔2〕功率開關管VTl的E極、續流二極管 VDl的正極、前部徑向磁懸浮軸承Al共接于接線插件TP8 ;電路〔I〕電阻R22與電路〔2〕功率開關管VT2的E極、續流二極管VD2的正極、后部徑向磁懸浮軸承A2共接于接線插件TP9 ； 電路〔I〕電阻R25與電路〔2〕功率開關管VT3的E極、續流二極管VD3的正極、外側軸向磁懸浮軸承A3共接于接線插件TPlO ;電路〔I〕電阻R26與電路〔2〕功率開關管VT4的E極、 續流二極管VD4的正極、內側軸向磁懸浮軸承A4共接于接線插件TPlI。
該電路的工作原理是電機轉軸在永磁體產生的靜磁場吸力的作用下，處于平衡位置(即中間位置)時，由脈寬調制控制集成電路ICi數字信號處理器輸出的交流脈沖電壓經集成電路的17腳分別輸給變磁阻式微位移位置傳感器M1、M2、M3、M4，由于電機轉軸位置平衡，各變磁阻式微位移位置傳感器均無感應電壓輸出，則電路不動作；當電機轉軸發生徑向偏移時，前部徑向磁懸浮軸承和后部徑向磁懸浮軸承變磁阻式微位移位置傳感器Ml、 M2檢測出的微位移位置信號電壓(感應電壓)經接線插件TP2、TP3輸給脈寬調制控制集成電路ICl的13、14腳，由ICl數字信號處理器變換、處理后產生位移控制信號，經PWM激勵級放大后驅動PWM輸出級輸出脈寬調制控制電壓送給功率輸出控制電路功率開關管VT1、 VT2的G極，驅動功率開關管VTl、VT2導通，此時由+220V直流電源提供的電流，一路由接線插件TP7 —功率開關管VTl的C極一功率開關管VTl的E極一接線插件TP8 —前部徑向磁懸浮軸承Al —接線插件TP12公共地電位點形成回路；另一路由TP7 — VT2的C極一VT2 的E極一TP9 —后部徑向磁懸浮軸承A2 — TP12公共地電位點形成回路；使々1、A2按照 Ml、M2輸出的信號值產生相應的電磁力，對偏移的電機轉軸進行修正，使電機轉軸重新回到原來的平衡位置；從而使該電路完成了對電機轉軸位置徑向偏移進行平衡的控制過程；同理，當電機轉軸位置發生軸向偏移時，該電路則對電機轉軸進行軸向平衡控制。
永磁無刷直流發電機能量釋放控制器電路工作原理參見附圖9
該電路接線插件主要功能如下TP1、TP2、TP3為永磁無刷直流發電機A、B、C三相繞組交流電流輸入至二極管三相整流橋三個橋壁A、B、C的接線插件；TP4為直流電流正極輸出接線插件；ΤΡ5為直流電流負極輸出接線插件；ΤΡ6為自電源控制器VCC+28V控制電源正極輸入接線插件；ΤΡ7為自電源控制器控制電源負極輸入公共地位點GND接線插件；ΤΡ8 為霍爾轉速信號輸入接線插件；ΤΡ9為負脈沖控制信號輸入接線插件。
該電路主要由功率因數校正與脈寬調制控制電路和直流降壓斬波電路兩部分組成。 由電阻 R10、R11、R21、R22、R24、R25、R27、R32、R33、R37、R41，電容 C15、C25、C26、C32、 C41，故障開關K，功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl接成功率因數校正與脈寬調制控制電路〔I〕；由二極管 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，電感 L1、L2，電容 Cl、C2、C3，直流降壓斬波管VTl接成直流降壓斬波電路〔2〕；電路〔I〕與電路〔2〕之間的聯接關系是電路〔I〕 電阻RlO與電路〔2〕二極管Dl、D2、D3負極共接端、電感LI共接；電路〔I〕電阻Rll與電路〔2〕直流降壓斬波管VTl的G極共接；電路〔I〕電阻R32與電路〔2〕電感L2、二極管D8 正極、電容C3正極共接。
該電路的工作原理是當磁懸浮儲能飛輪被永磁無刷直流電機/發電機拖動達到 30000r/min的額定轉速時,磁懸浮儲能飛輪轉子儲能充電完成；位置傳感器中轉子轉速傳感器H4檢測到的轉速信號，經轉子位置傳感器霍爾集成電路處理、放大后輸出高電平霍爾轉速信號(> 12VP_P)，一路送到電子換相控制集成電路ICl的12腳轉速比較器反向輸入端，使轉速比較器輸出由高電平翻轉為低電平，使脈寬調制波形成電路無轉速比較信號輸入而無脈寬調制信號輸出，使電子換相控制集成電路ICl的脈寬調制驅動輸出級因無脈寬調制信號而無脈寬調制驅動信號輸出，從而使電子換相逆變電路功率開關管關斷，使永磁無刷直流電機/發電機繞組斷電，電機/發電機完成對飛輪轉子升速(充電)的控制過程。
在高電平霍爾轉速信號(> 12Vp_p)輸入到電子換相控制集成電路ICl的12腳的同時，另一路高電平霍爾轉速信號由永磁無刷直流電機/發電機升速控制器接線插件 TP5輸出，經接線插件TP8，輸入至功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的I腳轉速比較器正向輸入端，使轉速比較器輸出由低電平翻轉為高電平，使轉速信號經由信號捕獲電路送給數字信號處理器，經數字信號處理器變換、處理后輸出高電平觸發信號，觸發脈寬調制(PWM)波形成與輸出電路輸出脈寬調制控制信號，使脈寬調制(PWM)驅動電路經集成電路 ICl的11腳輸出脈寬調制驅動信號給直流降壓斬波管VTl的G極，驅動直流降壓斬波管VTl 導通。
此時，由永磁無刷直流發電機A、B、C三相繞組輸出的三相交流電流，經接線插件 TP1、TP2、TP3輸入至直流降壓斬波電路，由二極管01、02、03、04、05、06構成的三相二極管整流橋進行整流，在二極管整流橋兩端獲得脈動的直流電流，經由電感L1電容C1X2組成的低通濾波器濾去高頻紋波電壓之后，送到直流降壓斬波管VTl的C極；此時由于直流降壓斬波管VTl的導通，輸入的直流電流由直流降壓斬波管VTl和續流二極管D7構成的直流降壓斬波器進行直流降壓斬波，再經過續流電感L2續流和濾波電容C3濾去高頻紋波脈動分量后，最終獲得幅值恒定的直流電流，經輸出鉗位二極管D8鉗位后由直流電流輸出接線插件ΤΡ4(正極)、ΤΡ5(負極)向蓄電池組直流母線輸出，持續對蓄電池組充電；當蓄電池組的電量完全充滿后，此時，蓄電池內阻最低，電源控制器主板電路蓄電池電量測試與控制電路FC1，在檢測到完全充滿電后的蓄電池內阻后，產生并輸出負脈沖控制信號，經輸出端口 F4、電阻R02、接線插件ΤΡ02，能量釋放控制器接線插件ΤΡ9輸入至功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的18腳轉速比較器反向輸入端，關閉轉速比較器，使轉速比較器的正向輸入端無論輸入高、低電平都不能使其翻轉，此時直流降壓斬波管，因失去(PWM)驅動信號而關斷，發電機停止向蓄電池組充電。
永磁無刷直流電機/發電機能量釋放控制器電路工作原理參見附圖10
該電路接線插件主要功能如下ΤΡ1、ΤΡ2、ΤΡ3為永磁無刷直流電機/發電機Α、Β、 C三相繞組交流電流輸入至二極管三相整流橋三個橋壁Α、B、C的接線插件；ΤΡ4為直流電流正極輸出接線插件；ΤΡ5為直流電流負極輸出接線插件；ΤΡ6為自電源控制器VCC+28V控制電源正極輸入接線插件；ΤΡ7為自電源控制器控制電源負極輸入公共地位點GND接線插件；ΤΡ8為霍爾轉速信號輸入接線插件。ΤΡ9為負脈沖控制信號輸入接線插件。
該電路主要由功率因數校正與脈寬調制控制電路和直流降壓斬波電路兩部分組成。由電阻 R10、R11、R2 1、R22、R24、R25、R27、R32、R33、R37、R41，電容 C15、C25、C26、C32、 C41，故障開關K，功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl接成功率因數校正與脈寬調制控制電路〔I〕；由二極管 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，電感 L1、L2，電容 Cl、C2、C3，直流降壓斬波管VTl接成直流降壓斬波電路〔2〕；電路〔I〕與電路〔2〕之間的聯接關系是電路〔I〕 電阻RlO與電路〔2〕二極管Dl、D2、D3負極共接端、電感LI共接；電路〔I〕電阻Rll與電路〔2〕直流降壓斬波管VTl的G極共接；電路〔I〕電阻R32與電路〔2〕電感L2、二極管D8 正極、電容C3正極共接。
該電路的工作原理是當磁懸浮儲能飛輪被永磁無刷直流電機/發電機拖動達到 30000r/min的額定轉速時,磁懸浮儲能飛輪轉子儲能充電完成；轉子位置傳感器中轉子轉速傳感器H4檢測到的轉速信號，經轉子位置傳感器霍爾集成電路處理、放大后輸出高電平霍爾轉速信號O 12VP_P)，一路送到永磁無刷直流電機/發電機升速控制器電子換相控制集成電路ICl的12腳、另一路送到永磁無刷直流發電機能量釋放控制器功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的I腳；同時，第三路高電平霍爾轉速信號也由永磁無刷直流電機/ 發電機升速控制器接線插件TP4輸出，經接線插件TP8，輸入至功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的I腳轉速比較器正向輸入端，使轉速比較器輸出由低電平翻轉為高電平，使轉速信號經由信號捕獲電路送給數字信號處理器，經數字信號處理器變換、處理后輸出高電平觸發信號，觸發脈寬調制(PWM)波形成與輸出電路輸出脈寬調制控制信號，使脈寬調制 (PWM)驅動電路經集成電路ICl的11腳輸出脈寬調制驅動信號給直流降壓斬波管VTl的G 極，驅動直流降壓斬波管VTl導通。
此時，由永磁 無刷直流電機/發電機A、B、C三相繞組輸出的三相交流電流，經接線插件TPI、TP2、TP3輸入至直流降壓斬波電路，由二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6構成的三相二極管整流橋進行整流，在二極管整流橋兩端獲得脈動的直流電流，經由電感L1電容Cp C2 組成的低通濾波器濾去高頻紋波電壓之后，送到直流降壓斬波管VTl的C極；此時由于直流降壓斬波管VTl的導通，輸入的直流電流由直流降壓斬波管VTl和續流二極管D7構成的直流降壓斬波器進行直流降壓斬波，再經過續流電感L2續流和濾波電容C3濾去高頻紋波脈動分量后，最終獲得幅值恒定的直流電流，經輸出鉗位二極管D8鉗位后由直流電流輸出接線插件TP4(正極)、TP5(負極)向蓄電池組直流母線輸出，持續對蓄電池組充電；當蓄電池組的電量完全充滿后，此時，蓄電池內阻最低，電源控制器主板電路蓄電池電量測試與控制電路FC1，在檢測到完全充滿電后的蓄電池內阻后，產生并輸出負脈沖控制信號，經輸出端口 F4、電阻R02、接線插件ΤΡ02，能量釋放控制器接線插件ΤΡ9輸入至功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的18腳轉速比較器反向輸入端，關閉轉速比較器，使轉速比較器的正向輸入端無論輸入高、低電平都不能使其翻轉，此時直流降壓斬波管，因失去(PWM)驅動信號而關斷，發電機停止向蓄電池組充電。
電源控制箱蓄電池組與電源控制器電路工作原理參見附圖11
電源控制箱由包含有蓄電池組的蓄電池組電路和電源控制器電路構成；電源控制器電路主要由電源輸出主回路、電源輸出控制回路與電源控制器主板電路構成；電源控制器主板電路主要由逆變主電路、逆變集成控制電路、控制電源電路、市電整流電源及充電控制電路、蓄電池電量測試與控制電路組成。
由兩組蓄電池并聯、每組由18節12V/65A · h的蓄電池串聯、組成蓄電池串并列組XI，直流母線正極輸出接線插件TP1，直流母線負極公共地電位端接線插件TP2、TP5，蓄電池+36V抽頭輸出接線插件TP3，直流輸入接線插件TP4、TP14、平波電抗器L1、L2，斷路器 ZK、ZK2，過流繼電器及過流繼電器常閉主觸頭JKl，直流電壓表V4，直流電流表a4、a5接成蓄電池組電路〔I〕；由市電輸入接線插件ΤΡ00、TP01、整流橋堆VD01、直流輸入控制開關管 QOI、平波電抗器L3、濾波電容Cyl、斷路器ZK4、ZK5，整流電源輸出接觸器主觸頭KMl、整流電源輸出接線插件TP6、TP7接成市電整流電源及充電控制電路〔2〕；由蓄電池電量測試系統FCl、電量測試端口 Fl、F2，控制信號輸出端口 F3、負脈沖控制信號輸出端口 F4，控制信號輸出電阻R01、R02，負脈沖控制信號輸出接線插件TP02接成蓄電池電量測試與控制電路〔 3〕；由接線插件 TP8 (U)、TP9 (V)、TPlO (W)、TP15 (N)，濾波電容 Cy2，逆變功率管 Ql、Q3、Q5、 Q4、Q6、Q2，續流二極管VD1、VD3、VD5、VD4、VD6、VD2，中性點形成濾波電容Cu、Cv、Cw，中性點形成自耦變壓器BT及其三相繞組Bu、Bv, Bw接成逆變主電路〔4〕；由集成電路Ul、U2、 U3、U4、U5，電阻 R5、R12、R10、R2、R7、R15、R21、R23、R25、R32、R41、R42、R43，可調電阻 R22、 R24、R31，電容05、(12、(10、02、07、(15、021、022、023、031、041，二極管01、02、03、04、05、 D6，穩壓二極管ZD1，中間繼電器常開觸點Kl接成逆變集成控制電路〔5〕；由集成電路U6、 U7，電阻R51、R52，電容C51、C52、C53、C61，穩壓二極管ZD2，斷路器ZK3，VCC+28V接線插件TP1UVCC+12V接線插件TP12、公共地電位點GND接線插件TP13接成控制電源電路〔6〕；由交流電壓表VI、V2、V3，交流電流表al、a2、a3，斷路器ZKI、交流輸出接觸器主觸頭KM2，外接負載A、B、C三相繞組和星形聯接點N接成電源輸出主回路〔7〕；由整流電源輸出接觸器停止按鈕SB、啟動按鈕SB1，交流輸出接觸器停止按鈕SB2、啟動按鈕SB3，整流電源輸出接觸器線圈KM1、自鎖輔助觸點KM1，交流輸出接觸器線圈KM2、自鎖輔助觸點KM2、互鎖輔助觸點KM2，中間繼電器線圈KI，控制開關LZI、LZ2、LZ3接成電源輸出控制回路〔8〕。
電路〔I〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕、〔6〕、〔7〕、〔8〕之間的聯接關系是電路〔I〕直流電流表a5、蓄電池組Xl的正極、斷路器ZK的進線端與電路〔2〕整流電源輸入控制開關管QOl 的發射極，電路〔3〕蓄電池電量測試系統FCl電量測試端口 Fl共接；電路〔I〕直流電壓表 V4、直流電流表a4的共接端，電路〔4〕濾波電容Cy2的正極，逆變功率管Ql、Q3、Q5的C極和續流二極管VDl、VD3、VD5的負極共接端與電路〔I〕直流母線正極輸出接線插件TPl共接；電路〔I〕蓄電池組Xl的負極、V4的負極，電路〔2〕整流橋堆VDOl的負極、斷路器ZK5、 濾波電容Cyl的負極，電路〔3〕蓄電池電量測試系統FCl電量測試端口 F2，電路〔4〕濾波電容Cy2的負極，逆變功率管Q4、Q6、Q2的E極和續流二極管VD4、VD6、VD2的正極共接端，電路〔6〕電容C51、C52、C53、C61的負極、穩壓二極管ZD2的正極、集成電路U6的3腳、U7的 4腳、公共地電位端GND、接線插件TP13、TP2(自蓄電池組負極〕的共接端，電路〔8〕整流電源輸出接觸器線圈KMl、交流輸出接觸器線圈ΚΜ2、中間繼電器線圈Kl、控制開關LZI、LZ2、 LZ3、接線插件ΤΡ2的共接端與直流母線負極公共地電位端接線插件ΤΡ2、ΤΡ5共接；電路〔 2〕整流電源輸出接觸器KMl的正極主觸頭KY與斷路器ΖΚ4、平波電抗器L3串聯后與整流橋堆VDOl的正極聯接并經整流電源輸出接線插件ΤΡ6輸出+220V直流整流電源，負極主觸頭KD與整流電源輸出接線插件ΤΡ7、斷路器ΖΚ5串聯后與電路〔I〕直流母線負極公共地電位端接線插件ΤΡ2、ΤΡ5聯接，市電輸入接線插件ΤΡ00、TPOl分別與整流橋堆VDOl的兩個交流端聯接并自市電輸入220V交流 電源；電路〔I〕斷路器ΖΚ2 (VCC+36V至控制電源電路) 與電路〔6〕電容C51、電阻R51共接端(自蓄電池組ΤΡ3輸出開關ΖΚ2輸入)聯接。
電路〔5〕二極管Dl的負極與電路〔4〕逆變功率管Ql的G極Gl共接，電路〔5〕二極管D2的負極與電路〔4〕逆變功率管Q4的G極G4共接，電路〔5〕二極管D3的負極與電路〔4〕逆變功率管Q3的G極G3共接，電路〔5〕二極管D4的負極與電路〔4〕逆變功率管Q6 的G極G6共接，電路〔5〕二極管D5的負極與電路〔4〕逆變功率管Q5的G極G5共接，電路 〔5〕二極管D6的負極與電路〔4〕逆變功率管Q2的G極G2共接；電路〔4〕逆變功率管Ql的 E極、續流二極管VDl的正極、逆變功率管Q4的C極、續流二極管VD4負極的共接端Α、中性點形成濾波電容Cu、中性點形成自耦變壓器BT的Bu相繞組與電路〔5〕電阻R41共接于交流輸出接線插件TPS(U);電路〔4〕交流輸出A相導線穿繞電路〔I〕過流繼電器環形鐵芯至交流輸出接線插件ΤΡ8 (U)。
電路〔6〕集成電路U7的2、3、6、7腳，電容C61正極、Vcc+12V輸出接線插件ΤΡ12 共接端與電路〔5〕集成電路Ul的5腳、28腳(Vcc)、U2的I腳的共接端，U3的4、5、6、14腳共接端，U5的I腳，U4的8腳、電阻R21、可調電阻R22、電容C21的共接端聯接；電路〔5〕 中間繼電器常開觸點K1、集成電路Ul的25、13、15、16、14腳共接端，U3的7、8、9、12腳共接端，U4的I腳、電阻R25、R24、可調電阻R22、電容C23的共接端，電容C5、C12、CIO、C2、C7、 C15的共接端及電阻R42與電路〔6〕公共地電位端GND聯接；電路〔3〕蓄電池電量測試系統FCl的控制信號輸出端口 F3，經電阻ROl與電路〔2〕直流輸入控制開關管QOl的G極GOI 聯接；電路〔3〕蓄電池電量測試系統FCl的負脈沖控制信號輸出端口 F4，經電阻R02、負脈沖控制信號輸出接線插件TP02，與電機/發電機和發電機能量釋放控制器、兩個功率因數校正與脈寬調制控制電路的負脈沖控制信號輸入接線插件TP9共接。
電路〔7〕電壓表V3、VI、電流表al共接端與電路〔4〕逆變功率管A相輸出端、電容Cu、自耦變壓器Bu共接于接線插件TP8 (U);電路〔7〕電壓表V1、V2、電流表a2共接端與電路〔4〕逆變功率管B相輸出端、電容Cv、自耦變壓器Bv共接于接線插件TP9 (V);電路〔 7〕電壓表V2、V3、電流表a3共接端與電路〔2〕逆變功率管C相輸出端、電容Cw、自耦變壓器 Bw共接于接線插件TPlO (W);電路〔7〕交流輸出接觸器主觸頭KM2的三個主觸頭Ku、Kv、Kw 與斷路器ZKl的三個主觸頭Zu、Zv、Zw串聯后分別與外接負載或電網三相繞組A、B、C的出線端U、V、W聯接；外接負載星點N與電路〔4〕中性點輸出接線插件TP15(N)聯接。
電路〔8〕整流電源輸出接觸器停止按鈕SB、交流輸出接觸器停止按鈕SB2、交流輸出接觸器互鎖輔助觸點KM2的共接端與電路〔I〕直流母線正極(+220V)輸出接線插件TPl 聯接；電路〔8〕正/反轉控制開關LZ1，經接線插件TPlO接于永磁無刷直流電機/發電機升速控制器換相集成電路的3腳，啟動/停車控制開關LZ2，經接線插件TPlI接于換相集成電路的7腳，運行/制動控制開關LZ3，經接線插件TP12接于換相集成電路的23腳。
飛輪電池發電機組共有三個工作模式一是向負載供電工作模式；二是儲能飛輪低谷儲能充電工作模式；三是發電(放電)工作模式(對蓄電池組充電)；當發電機組處于供電運行狀態時，無晝夜之分，但通常用電負載都集中在白天使用，因此發電機組供電運行之前，蓄電池組應有足夠的電能(滿電量)，以滿足用電負載集中在白天使用；在發電機組向負載供電工作模式時，電源控制箱蓄電池組與電源控制器電路工作原理當合上斷路器 ZK、ZKU ZK2，過電流繼電器常閉主觸頭JKl為常態時，按下交流輸出接觸器啟動按鈕SB3， 接觸器線圈KM2得電吸合，電源輸出回路接觸器主觸頭KM2閉合，自鎖與互鎖輔助觸點KM2 閉合，中間繼電器Kl得電吸合，中間繼電器常開觸點Kl (集成電路Ul的24腳啟動/停止端)閉合，該電路即處于供電運行狀態。
由集成電路U4施密特振蕩器產生的脈沖振蕩信號，經集成電路U5由三相脈寬調制(PWM)正弦波生成控制集成電路Ul的頻率控制時鐘輸入端12腳(FCT)輸入，用以控制 Ul的脈寬調制正弦波的基波頻率(即逆變器輸出頻率)；由集成電路U3多諧振蕩器產生的 300HZ基準時鐘脈沖信號，經U3的10腳由集成電路Ul的基準時鐘輸入端4腳(RCT)輸入， 作為Ul的基準時鐘脈沖頻率并用以限制逆變器開關器件的最高開關頻率；經仍的10腳輸出的300HZ基準時鐘脈沖電壓載波信號由集成電路Ul的電壓控制時鐘輸入端17腳(VCT) 輸入，用以控制逆變器輸出的三相脈寬調制正弦電壓波基波有效值，即逆變輸出電壓幅值； 經U3的13腳輸出的600HZ延遲時鐘脈沖由集成電路Ul的延遲時鐘輸入端6腳(OCT)輸入，用以控制每一相上、下橋臂兩個逆變功率管互補輸出之間的延時時間；經仍的11腳輸出的300HZ基準時鐘脈沖雙緣調制信號由集成電路U2的9腳(CP)輸入，用以與集成電路 Ul輸入的三相脈寬調制正弦波進行比較，使每一相的脈沖被雙緣調制，使輸出的任意兩相間形成了正弦變化的平均電壓。(雙緣調制與三角波/正弦波調制不同，其優點是對于給定的開關頻率，可以得到2倍的線電壓脈沖，獲得低諧波含量的輸出電流)。
當集成電路Ul有脈沖振蕩信號、基準時鐘脈沖信號、基準時鐘脈沖電壓載波信號輸入時，Ul就會按照輸入的頻率、電壓信號產生3對6組(0RM1、0RM2、OYMl、0YM2、OBMl、 0BM2)三相脈寬調制正弦波控制信號，經放大后由集成電路Ul的輸出級輸給三相脈寬調制正弦波驅動集成電路U2，由集成電路U2經雙緣調制、激勵、放大后輸出三相脈寬調制正弦波驅動信號，驅動逆變電路各個逆變功率管導通。
由逆變集成控制電路、逆變主電路和蓄電池組構成的電源控制器電源逆變電路為 120°導通型三相全橋式逆變器，每個橋臂上下逆變功率管輪流導通120°，一個輸出周期每隔60。換流一次，6個逆變功率管Ql和Q4、Q3和Q6、Q5和Q2互補通斷，按Ql、Q2、Q3、 Q4、Q5、Q6的順序分別導通120°，驅動信號依序相差60°，任何時候都只有兩只逆變功率管導通。以A相為例
當UrA(A相脈寬調制正弦波)為正半周時，UGl (A相脈寬調制正弦波G極驅動信號)使Ql導通，Q4關斷，UG2使Q2導通，Q5關斷，電流流通路徑為蓄電池組正極一Ql管 —外接負載A相繞組一C相繞組一Q2管一蓄電池組負極。
當UrA(A相脈寬調制正弦波)為負半周時，UG3使Q3導通，Q6關斷，UG4使Q4導通，Ql關斷，電流流通路徑為蓄電池組正極一Q3管一外接負載B相繞組一A相繞組一Q4 管一蓄電池組負極；余此類推。
從而使各逆變功率管按照集成電路Ul輸出的三相脈寬調制正弦波規定的頻率、 相位、電壓幅值和導通順序依次導通。使逆變電路將直流電流逆變為幅值恒定、頻率穩定的 50HZ三相交流電流，再經中性點形成電路變換后，最終使電源控制器輸出頻率為50HZ、電壓為220/380V的三相四線制交流電流；使電路完成了直流電源逆變為交流電流的逆變控制過程，向負載提供持續、穩定的交流電源。
飛輪電池發電機組低谷儲能(充電)、與發電(放電)運行工作原理參見附圖4、 附圖5、附圖9、附圖11
飛輪電池發電機組低谷儲能(充電)、與發電(放電)運行(向蓄電池組充電)通常在夜間22:00以后(民用谷電價格在22:00 8:00之間)進行，其工作運行時間應剛好與民用谷電價格時間吻合，即夜里22:00至早上8:00，超出這個時間范圍低谷儲能就沒有意義。
飛輪電池發電機組儲能飛輪低谷儲能工作原理；在電源控制器斷路器ZK、ZKU ZK2、ZK3、ZK4、ZK5處于閉合位置，控制開關LZ1、LZ2、LZ3處于常態時，當按下整流電源輸出接觸器啟動按鈕SBl時，接觸器線圈KMl得電吸合，接觸器輔助觸點KMl閉合，接觸器自鎖， 整流電源輸出接觸器主觸頭KMl (正極KY、負極KD)閉合，+220V整流電源經接線插件TP6、 TP7施加到永磁無刷直流電機/發電機(以下簡稱直流電機/發電機)升速控制器、主動混合式磁懸浮軸承控制器；+28V控制電源經接線插件TP11、TP13施加到直流電機/發電機升速控制器、主動混合式磁懸浮軸承控制器、直流電機/發電機能量釋放控制器、永磁無刷直流發電機(以下簡稱直流發電機)能量釋放控制器。
此時，由直流電機/發電機轉子位置傳感器輸出的轉子磁極位置信號，經電子換相控制集成電路邏輯變換后產生脈寬調制控制信號，經驅動電路放大后驅動電子換相逆變電路各個功率開關管按照轉子位置傳感器輸入的轉子磁極位置信號依次導通，使與轉子磁極位置相對應的電樞繞組依次饋電，從而在直流電機/發電機定子繞組上產生跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，轉子位置傳感器不斷地輸出轉子磁極位置信號，驅動電子換相逆變電路功率開關管不斷地依次導通，使直流電機/發電機電樞三相繞組不斷地依次饋電，并不斷產生旋轉磁場，使直流電機/發電機永磁轉子不斷旋轉、升速，從而拖動直流發電機永磁轉子和儲能飛輪轉子不斷旋轉、升速，使飛輪轉子不斷儲能、 充電；當直流電機/發電機拖動直流發電機永磁轉子和儲能飛輪轉子高速旋轉達到直流電機/發電機30000r/min的額定轉速時，電機不可能再升速，儲能飛輪轉子充電過程完成；此時，轉子位置傳感器中轉子轉速傳感器H4檢測到的轉速信號，經轉子位置傳感器霍爾集成電路處理、放大后輸出高電平霍爾轉速信號(> 12VP_P)，送到電子換相控制集成電路的12 腳轉速比較器反向 輸入端，使轉速比較器輸出由高電平翻轉為低電平，使脈寬調制波形成電路無轉速比較信號輸入而無脈寬調制信號輸出，從而使電子換相逆變電路功率開關管因無脈寬調制驅動信號而關斷，使直流電機/發電機繞組斷電，電機/發電機完成對飛輪轉子升速儲能(充電)的控制過程；此時，飛輪轉子以30000r/min超高轉速高速運行。
飛輪電池發電機組發電(放電)運行工作原理在高電平霍爾轉速信號 (^ 12VP_P)輸入到電子換相控制集成電路12腳的同時，另外兩路高電平霍爾轉速信號也分別輸入到直流電機/發電機(此時作發電機)和直流發電機能量釋放控制器各自的功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的I腳轉速比較器正向輸入端，使各自的集成電路轉速比較器輸出由低電平翻轉為高電平，經數字信號處理器變換、處理后輸出高電平觸發信號，觸發脈寬調制波形成與輸出電路輸出脈寬調制控制信號，經脈寬調制驅動電路放大后驅動各自的直流降壓斬波管導通。
此時，由直流電機/發電機和直流發電機A、B、C三相繞組輸出的三相交流電流，輸入到各自的三相二極管整流橋進行整流，在二極管整流橋兩端獲得脈動的直流電流，經低通濾波器濾去高頻紋波電壓之后，送到各自的直流降壓斬波器進行直流降壓斬波，再經濾波電路濾去高頻紋波脈動分量后，獲得幅值恒定的直流電流，經輸出鉗位二極管D8鉗位后由直流電流輸出接線插件TP4(正極)、ΤΡ5(負極)向蓄電池組直流母線輸出，持續對蓄電池組充電。
此時，飛輪轉子轉速，伴隨著儲能飛輪能量的減少而下降；當飛輪轉子轉速下降到 (10000/min時，發電機繞組輸出的電壓已較低；飛輪存儲的能量已很低，能量的利用率已不高，飛輪停止能量釋放。
此時，由轉子位置傳感器霍爾集成電路將轉子轉速傳感器H4檢測到的轉速信號進行處理、放大后輸出低電平霍爾轉速信號5VP_P)，分兩路同時輸給直流電機/發電機能量釋放控制器和直流發電機能量釋放控制器，促使功率因數校正與脈寬調制集成電路轉速比較器輸出由高電平翻轉為低電平，從而使直流電機/發電機和直流發電機直流降壓斬波管同時關斷，使儲能飛輪停止能量轉換；此時儲能飛輪發電運行(即飛輪放電)結束。
在低電平霍爾轉速信號關斷直流電機/發電機和直流發電機能量釋放控制器直流降壓斬波管的同時。低電平霍爾轉速信號也反饋給直流電機/發電機升速控制器電子換相控制集成電路的12腳轉速比較器反向輸入端，使轉速比較器輸出由低電平翻轉為高電平，使脈寬調制波形成電路輸出脈寬調制信號驅動電子換相控制集成電路的輸出級，使電子換相控制集成電路的輸出級按照轉子位置傳感器輸入的轉子磁極位置信號生成功率開關管的脈寬調制控制信號，驅動電子換相逆變電路功率開關管依次導通，使與轉子磁極位置相對應的直流電機/發電機電樞繞組依次饋電，從而驅動直流電機/發電機永磁轉子旋轉，使直流電機/發電機再次拖動直流發電機永磁轉子和儲能飛輪升速，儲能飛輪再次儲能充電，從而使儲能飛輪再次進入儲能充電工作模式。
在直流電機/發電機拖動直流發電機永磁轉子和儲能飛輪從10000r/min的轉速再次加速到直流電機/發電機30000r/min的額定轉速時，位于轉子位置傳感器中轉子轉速傳感器H4檢測到的轉速信號，經轉子位置傳感器霍爾集成電路輸出高電平霍爾轉速信號送到電子換相控制集成電路的12腳，經過電子換相控制集成電路邏輯變換后關斷電子換相逆變電路功率開關管，使直流電機/發電機電樞繞組再次斷電；電機/發電機停止升速； 此時，儲能飛輪轉已完成升速儲能(充電)的過程，飛輪轉子重新又以30000r/min超高轉速高速旋轉(運行)。
此時，轉子位置傳感器霍爾集成電路輸出的高電平霍爾轉速信號再次同時輸給直流電機/發電機和直流發電機能量釋放控制器，使直流電機/發電機和直流發電機能量釋放控制器的直流降壓斬波管再次導通；此時，儲能飛輪結束儲能(充電)狀態，重新進入到發電(放電)狀態，并將飛輪轉子存儲的能量，通過直流電機/發電機和直流發電機三相繞組再次向蓄電池組充電。
如此往復循環，儲能飛輪不斷補充蓄電池組白天消耗的電能，直至蓄電池組的電能完全充滿。
當蓄電池組的電量完全充滿后 ，此時，蓄電池內阻最低，蓄電池電量測試與控制電路FCl，在檢測到完全充滿電后的蓄電池內阻后，產生并輸出負脈沖控制信號，經輸出端口 F4、電阻R02、接線插件TP02，和兩個能量釋放控制器接線插件TP9輸入至功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的18腳轉速比較器反向輸入端，關閉轉速比較器，使轉速比較器的正向輸入端無論輸入高、低電平都不能使其翻轉；此時電機/發電機和發電機能量釋放控制器兩個直流降壓斬波管，因同時失去(PWM)驅動信號而關斷，發電機停止向蓄電池組充電；此時發電機可能會出現三種狀況一是飛輪能量剛好釋放完畢，進入升速(充電)階段，待飛輪充電完成，高電平轉速信號關斷電子換相逆變電路功率開關管，使電機/發電機三相繞組斷電，飛輪停止充電，但卻不能開通直流降壓斬波管，飛輪存儲的能量不能釋放， 飛輪保持超高轉速空載運行；二是飛輪升速(充電)剛剛完成進入釋能(發電)階段，飛輪保持超高轉速空載運行，三是飛輪能量只釋放了一部分，仍可保持超高轉速空載運行，上述三種狀況均可使儲能飛輪處于向蓄電池組充電待機狀態。
當蓄電池組向負載供電使蓄電池組的內阻持續增大，蓄電池組電量持續減少到滿電量的85%時，蓄電池電量測試系統將關閉負脈沖控制信號，此時功率因數校正與脈寬調制集成電路轉速比較器因失去負脈沖控制信號的抑制，在高電平轉速信號的作用下，比較器重新翻轉，并最終使集成電路輸出脈寬調制驅動信號，驅動直流降壓斬波管導通，使發電機重新對蓄電池組充電；此時，已進入白晝，待充電完成時(直流電流表a5此時指示值接近零)，按下整流電源輸出接觸器停止按鈕SB，發電機組因失去+220V整流電源而停止運行， 儲能飛輪結束低谷儲能與發電運行工作模式；
當蓄電池組內阻持續增大，電量持續減少到滿電量的50%時(此時蓄電池內阻相對于滿電量時已很大)，蓄電池電量測試與控制電路FCl的控制信號輸出端口 F3,輸出正向脈沖控制信號，經電阻ROl輸入到控制開關管QOl的G極，驅動QOl導通，自接線插件ΤΡ00、 TPOl輸入的市電220V交流電源，經VDOl整流、L3、Cyl濾波后，經QOl輸入到蓄電池組的正極直流母線，對蓄電池組直接進行充電，以補充長時間額定負荷下蓄電池組消耗的電能。
從上述飛輪電池發電機組供電、充電儲能與發電(放電)運行工作原理可知飛輪電池發電機組供電運行，要依靠蓄電池組存儲的能量進行，儲能飛輪低谷儲能與發電(放電為蓄電池組充電)是一個往復循環的運行過程，即儲能一發電(放電)一儲能；飛輪電池發電機組依靠蓄電池組存儲的能量可對負載連續供電運行，但用電負荷主要集中在白天，儲能飛輪夜間低谷儲能與發電(放電)主要是彌補蓄電池組白天消耗的電能。
直流電機/發電機升速(即飛輪儲能)與減速(即電機斷電)控制和能量釋放 (即飛輪放電)控制均采用轉速信號作為基準控制信號，由于轉速信號電壓由霍爾半導體晶片感應自旋轉的轉子霍爾磁極，再經霍爾集成電路多級放大后產生，可以精確地反映轉子轉速，當高電平霍爾轉速信號(> 12Vp_p)與發電機能量轉換最高轉速(30000r/min)相對應、低電平霍爾轉速信號((5Vp_p)與發電機能量轉換最低轉速10000r/min (經反復試驗后的設定值)相對應時，就可以精確控制直流電機/發電機升速與減速、儲能飛輪儲能與釋能和能量釋放控制器待機與能量釋放的切換時刻。
當能量釋放控制器功率因數校正與脈寬調制集成電路ICl的18腳轉速比較器反向輸入端，輸入的控制電壓為負值時轉速比較器即被關閉，這是由該腳的功能決定的；當該腳輸入的控制電壓為正值時，比較器輸出可以得到一個與輸入相反的結果；當該腳置零或接地時,對正向輸入端輸入的控制信號無干擾。
在儲能飛輪充電時刻，由于能量釋放控制器直流降壓斬波管(IGBT)在關斷時的高阻斷特性，使直流發電機三相繞組與蓄電池組直流母線完全斷開，使直流發電機繞組空載，無電流輸出，定子繞組因無載流導體切割磁力線，基本與直流發電機永磁轉子無感應磁場，故無電磁轉矩產生。因此對直流電機/發電機升速基本無阻礙。
在儲能飛輪充電完成并待機放電時刻，電機/發電機驅動電源被關斷，若此時蓄電池組的電量經反復充電已完全充滿時，能量釋放控制器直流降壓斬波管也被關斷，電機 /發電機和發電機永磁轉子無感應磁場，儲能飛輪轉子在完全空載條件下，可以長時間以超高轉速運行，待機放電。
在儲能飛輪放電時刻，即對蓄電池組充電時刻，由直流電機/發電機和直流發電機同時將飛輪存儲的能量釋放出來，并同時向蓄電池組充電，可以縮短飛輪放電時間，減小對蓄電池組的充電時間，提高(反復)充電次數，快速補充蓄電池組消耗的電能。
本發明的目標用戶為小型家庭，樣機負載額定功率P :5KW，視在功率S(S = P/0. 7) :7KVA，蓄電池容量選配10KVA。
飛輪電池發電機組低谷儲能與高峰發電(放電)運行樣機實驗參數測試值參見附表I :
飛輪電池發電機組低谷儲能與高峰發電(放電)運行樣機實驗參數測試表附表I
權利要求
1.一種飛輪電池發電機組由儲能飛輪、永磁無刷直流發電機、永磁無刷直流電機/發電機以及伺服它們運行的磁懸浮軸承、軸向磁懸浮軸承推力盤、能量轉換控制器、轉子位置傳感器、轉子霍爾磁極構成的飛輪電池發電機I和由蓄電池組4、電源控制器5構成的電源控制箱2及支承它們的發電機組基座3組成；這種飛輪電池發電機組由固定安裝在同一根發電機轉軸I上的儲能飛輪3、永磁無刷直流發電機永磁轉子4、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子5、軸向磁懸浮軸承推力盤2、轉子霍爾磁極6構成飛輪電池發電機的轉子系統；這種飛輪電池發電機組由固定安裝在發電機底座32支承的發電機外殼13內的永磁無刷直流發電機定子15、永磁無刷直流電機/發電機定子20、后部徑向磁懸浮軸承26、轉子位置傳感器27、能量轉換控制器25、內側軸向磁懸浮軸承9、外側軸向磁懸浮軸承7、前部徑向磁懸浮軸承4及起定位和固定作用的磁懸浮軸承支承座6、內側磁懸浮軸承支承座10、發電機定子Z形支承座24、前部端蓋I、前部保護軸承端蓋2、前部大端蓋5、后部大端蓋29、后部保護軸承端蓋31、飛輪陀螺房14以及在電機靜止狀態時支承發電機轉軸的前部保護軸承3、后部保護軸承30構成飛輪電池發電機的定子系統；由發電機轉子系統、發電機定子系統構成飛輪電池發電機。
2.根據權利要求I所述的飛輪電池發電機組其特征在于固定安裝在飛輪電池發電機組同一根發電機轉軸上的軸向磁懸浮軸承推力盤、儲能飛輪、永磁無刷直流發電機永磁轉子、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子、轉子霍爾磁極構成飛輪電池發電機的轉子系統；使儲能飛輪、永磁無刷直流發電機永磁轉子、永磁無刷直流電機/發電機永磁轉子、軸向磁懸浮軸承推力盤、轉子霍爾磁極同轉軸旋轉、共軸運行。
全文摘要
一種飛輪電池發電機組由包含有永磁無刷直流電機/發電機、永磁無刷直流發電機、儲能飛輪以及伺服它們運行的磁懸浮軸承、能量轉換控制器及轉子位置傳感器構成的飛輪電池發電機和由包含有蓄電池組、電源控制器構成的電源控制箱組成；這種在電網低谷時段存儲能量，在電網高峰時段釋放能量的飛輪電池發電機組，符合國家發改委《電力需求側管理辦法》低谷蓄能的鼓勵政策；這種飛輪電池發電機組應用了儲能飛輪能量儲存技術和磁懸浮軸承支承技術等國際前沿科技，涉及先進的微電子、電力電子、傳感器、電能存儲及新型永磁無刷直流電機、發電機制造等技術領域；飛輪電池發電機組可廣泛應用于家庭、機關、學校、賓館、酒店、住宅樓宇的生活用電等。
文檔編號H02K7/02GK102983668SQ20121050944
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者廖梓良 申請人:廖梓良