CN109038936A - 储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置。采用一对结构功能完全相同的飞轮转子组件沿底面镜像对称同心地放置并组合密封在一起为机电一体化高集成结构，有防止飞轮转子爆裂飞出的4重高安全防护，具有多功能、低成本、小体积、结构紧凑、安装简便、无陀螺进动效应对小型车船运动驾驶干扰及多用途的特点，能提供短时高功率储能与大反作用力矩输出，适用于小型电动车船、行走/移动机器人及航空航天等多领域：与电化学储能电池或超级电容组合可作为复合能源的高功率源，能大幅度提高小型车辆的动力性能、延长续驶里程与动力电池寿命或减少其使用量；可用于车船体姿态控制，如4轮汽车的防侧倾翻滚减少道路交通事故伤亡率、船舶稳定减摇、实现前后2轮车自平衡直立不倒及全新2轮电动汽车的产业化等。

Description

储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置

技术领域

本发明涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，涉及小型电动车船、行走/移动机器人、航空与航天器等领域：能与电化学储能动力电池或还有超级电容组合作为复合能源中的高功率源，具有多功能——特别涉及还可用于车船体姿态控制，诸如小型4轮汽车的防侧倾与翻滚、小型船舶船体的稳定减摇、前后2轮车实现自平衡、直立不倒实现全新型2轮电动汽车、航空与航天器的大力矩快速响应姿态控制等。

背景技术

在储能应用领域，飞轮转子由电动/发电可逆的电机作为电动机驱动高速旋转，将电能以惯性机械旋转动能的形式储存——即“充电”；反之，高速旋转的飞轮转子带动电动/发电机作为发电机发电，将飞轮转子的惯性机械旋转动能转变成电能供给外部负载——即“放电”，其装置被称为飞轮储能***(FESS)，或简称飞轮电池。对依此原理工作的这种物理电池的研究已有很久的历史，有大量的专利技术及文献发表，这表明人们一直致力于对其不断研究改进。该技术现也已成功地应用于一些领域，例如作为航天器能源、对电网波动峰值的抑制补偿、风电及太阳能发电的电能储存，固定UPS(不间断电源)、电磁炮与轨道弹射、大功率激光器、起重机与吊车的高功率电源等。

虽然飞轮电池具有比能量高、比功率大、完全没有污染及CO₂排放、对环境温度不敏感、能量转换效率高、充放电速度快、使用寿命长等绿色环保节能的突出优点，但能应用于小型地面车辆或水面船舶的案例仍极少。数年前，此技术虽已开始试用于F1方程式赛车中——主要用于制动能量的回收及利用，但至今仍没有能被应用于已最大量生产的同类产品——商用乘用车/轿车的案例。现有技术一例可参见WO2007132241(A1)。

在姿态控制方面，利用高速旋转中飞轮转子的陀螺效应制成的控制力矩陀螺(CMG)、动量轮(MW)以及反作用飞轮(RW)的姿态控制技术，已随微电子与计算机、电磁悬浮及超导、高强度新材料等技术的飞速进步获得了众多成果，并已成功地应用于某些领域，主要是航天器——例如卫星、飞船；新近在行走/移动机器人领域也开始探索应用。但在其他领域，特别是在目前作为人类主要交通工具之一的小型汽车中仍应用极少。虽然已有一些专利技术公开，但仍几乎看不到已量产的应用实例。现有技术可应用的参照例参见US3373832(1968)，以及用于前后两轮车的自平衡的US2013233100、CN105365914等。

导致飞轮电池及陀螺姿控技术未能广泛应用的主要原因首先在于：依现有技术获得高比能量用于储能或姿控的成本太高，使其难以在要求价格相对低廉的民用产品中使用。

根据飞轮转子储能量的物理方程：E＝0.5Jω²，对于常用的圆环形飞轮转子：J＝mr²，故有：

E＝0.5mr²ω² (1)

式中，E-飞轮转子的机械旋转动能(J或Wh)，J-飞轮转子的转动惯量(kg·m²)，m-飞轮转子的质量(kg)，r-飞轮转子的惯性半径(m)，ω-飞轮转子旋转的角速度(rad/s)。这里惯性半径r＝[0.5(R₀ ²+R_i ²)]^1/2，其中：R₀为飞轮转子的外半径，R_i为飞轮转子的内半径。

故由上述原理可知，要得到高储能能量，需要m、r要大、ω要高，但E是与r、ω的平方成比例的增长，故增加这两者通常比增加m将更加有效。以往的技术进步路线就是沿这一轨迹发展，为获得高比能量(wh/kg)，致使飞轮转子的工作转速越来越高，最高转速已有超过200,000r/min的报道。但要使飞轮转子能在高速或超高速下旋转工作，实际受到多方面因素的限制。

作为飞轮转子的旋转支撑，普通机械轴承在超高转速下因高速旋转离心力、摩擦力的作用损耗太大已不能使用，通常只能使用结构与控制复杂、价格昂贵的主动电磁悬浮轴承或超导磁悬浮轴承等。

为获得高储能或大姿态控制力矩使用高转速的方案则相应带来对飞轮转子组件的工作环境要求——需高真空，否则转子在空气中的旋转将形成高风阻力与风损。而风阻与飞轮转子轮缘相对空气的运动速度即线速度的平方成正比，将按指数增长，将导致很高的驱动功耗。

与之相关的问题还在于：制造能长期维持高真空度所需的全密封结构及在使用期的长期维护费用也将显著增加；真空室内为避免机械轴承润滑脂的蒸发，通常应使用结构复杂、高成本的主动电磁悬浮轴承、还需将电动/发电机整体完全装入真空室内，否则就必需用特殊的传动装置-磁耦合传动、磁性齿轮等传递运动与能量，不仅成本高，还存在扭矩与功率的限制。由于真空，电机定子及绕组就无法再通过空气对流散热，而且由于高真空室长期使用中还可能漏气，故还须增加真空泵等以维持室内的真空度。此外，电机的各种引线包括大功率引线也必须通过密封外壳不漏气地引入引出，这些都显著增加了装置的复杂性，不但带来高制造成本问题，也难于维护，对于民用车载或船载装置而言通常将难于保证。

重要的是，在超高转速下，转子由于自身的旋转质量将承受巨大的离心力，故必须使用具有超高强度、能实现高质量比能量的材料设计制造，例如使用高强度碳纤维等与环氧树脂形成复合材料缠绕。为降低成本，目前流行的结构为强度等级沿径向由外至内逐渐递减的多层环，各环间靠过盈彼此压入连接，形成类似于三明治的夹心结构。但此类材料价格目前仍昂贵——往往普通是钢材的几十乃至上百倍，故通常大多用于航空航天及军工，仍难以在大批量产的民用产品中使用。目前仅高档民品中有少量产品在开始在应用，例如高档汽车零部件的薄壳型车身、保险杠等。

另一方面，转子外半径R_O的增加将意味着装置的体积增大，而这也将因小型车船或行走/移动机器人中本就有限的舱内、体内空间而安置被严重受限。

当同时增加R_O与ω时，受转子材料许用应力[σ]所严格限制，其边缘线速度(V＝R_oω)不能太高。否则飞轮转子一旦发生爆裂、破碎飞出或脱落，将可能酿成重大安全甚至伤亡事故。虽然昂贵的、整体由高强度碳纤维复合材料制造的转子在断裂时可能以絮状飞出，但碳纤维作为各向异性材料固有的缺陷——过低的径向拉伸强度以及其层间较弱的径向压接强度还可能导致整环的剥离脱落，其危险性依然未被彻底消除。故只有在超高速下旋转的飞轮转子才可获得高动能，但其一旦破坏导致的危险性也强，因而强化飞轮转子的安全保护，应是飞轮电池及陀螺姿控飞轮装置设计制造与应用推广中的头等重要大事，必须为使用者提供高安全度的保障。

此外，目前的加工通常是采用高强度碳纤维与环氧树脂混合的材料以边缠绕、边固化的工艺制造，不但原材料价格昂贵，而且为达到所需的厚度常需多次分层固化，而固化速度又很慢，导致生产周期过长，生产效率很低，难以满足民用产品领域能特大批量高速连续自动化生产的要求，进而导致制造费用也很高。故飞轮电池材料与加工费高、生产效率低下也是目前限制其大面积推广应用的重要原因。

现有技术飞轮转子的高能量与高储能密度以及高陀螺力矩的获得通常都是以飞轮转子能在超高转速下运转为前提，否则难以达到。碳纤维复合材料具有高质量比强度的特点，故用于飞轮转子时也必须在超高转速下工作才能发挥其优势。

但对于20,000r/min以下较安全的低转速，使用高强度钢类转子与使用碳纤维复合材料转子相比较，则其综合优势更明显，由飞轮电池在混合动力与电动赛车中的研发实践来看即是如此。根据Flybrid Systems等公司的车载飞轮电池产品的性能参数看，其工作转速大多分布在60,000r/min以下。但由于其产品的质量比能量多数仅为5-6wh/kg，且大部分都小于10-12wh/kg，故作为储能应用与动力电池相比就太低，因而主要均作为功率电池用于动能回收***(KRS)及提供启动与加速动力。在这方面，沃尔沃、保时捷、奥迪等著名车企以往都曾对此进行过深入研究，一些产品自2009年开始就用于F1方程式赛车。但遗憾的是，迄今仍未有见有任何可在市售的商品汽车中已应用的报道。

美国飞轮***公司(AFS)早于1992年就推出以克莱斯勒LHS轿车为原形改造的概念样车AFS20，这是一种完全由飞轮电池作能源供电的电动汽车，它由20节飞轮电池驱动，但自此之后至今就再无其在市场已应用的信息发布。

由于飞轮储能***对飞轮转子旋转速度的限制，在一定成本的限制下所携带的能量就很小，其质量比能量实际仅是目前电动汽车广泛使用的锂离子动力电池的1/40-1/50，故使用飞轮电池作主储能电源就不可能。

就车载飞轮转子中使用的电动/发电机研究来看，飞轮储能***的充放电以及与汽车能量的传递交换都依赖电机完成，故研究高性能电机也是车载飞轮技术的另一关键。

利用飞轮转子的陀螺效应已有成功应用于2轮摩托车实现平衡直立、受撞击不倒的概念车实例，如美国Lit motors(2011)、中国凌云智能(2014)的2轮电动汽车以及德国宝马的电动摩托(2017)等，但目前都仍未见已实现量产、上市的报道。

飞轮转子以其陀螺效应用于小型车船体的姿态控制方面存在的问题，与前述飞轮电池应用相似：其高成本与安全问题以及需要小型化同样是需彻底解决的主要难点。

电动车由于具有绿色环保节能的强大优势，已开始逐步取代燃油车成为21世纪人类的主要的交通工具之一，这是因其可用作个人与家庭的小型便捷交通工具。然而，无论是内燃机车还是电动车，都存在难于同时获得优秀动力性能与超长续驶里程的重大矛盾：其启动、加速所需功率远大于其匀速行驶的功率，通常是匀速行驶时的几倍或十余倍，这导致一辆普通轿车的发动机或驱动电机的功率通常就需高达几十至上百千瓦(kW)，而豪华轿车或跑车甚至高达数百千瓦乃至近兆瓦(MW)。

对车载有限容量能源的电动汽车而言，这一矛盾的解决更为困难：为获得优秀的动力性能与长的一次充电续驶里程，就必须使用大功率驱动电机并相应使用能大电流充放电的高容量电池，继而导致电池体积与整车重量大幅度增加，以及随之而来的高昂成本与高能耗而极不经济。目前电动汽车普遍使用高性能电化学储能电池(例如三元锂电池)为能源，其电池的购置费用现已构成整车制造成本的主要部分，通常已接近1/3-1/2或更高，这导致纯电动汽车的制造成本远高于同尺寸级别的燃油汽车。但与燃油车比较，除一次充电续驶里程过短、充电时间太长以外，其动力性能通常也有很大差距，成为今后应用推广与普及的重大障碍。

就续驶里程而言，车载电池有限的能量容量大小是决定电动车辆的一次充电续驶里程长短的主要因素。为确保在有限电池的容量下能获得尽可能长的续驶里程，就不能使用更大功率的电机及其驱动控制***，否则电池的有限能量将很快被耗尽。由此就限制了车辆能获得更好的动力性能——特别是最高车速，加速、爬坡与载重性能，这已成为目前新能源交通工具最难解决的主要矛盾。

鉴于环境污染日益严重、石油资源枯竭的日益临近，电动汽车的产量正在世界范围内迅速增长。但作为目前电动汽车主要能源的锂电池的关键参数——比能量(wh/kg)随研发改进进程的提升速度仍十分缓慢：据统计，在2011-2018的7年间，作为纯电动汽车目前可使用的唯一能源的锂离子电池，其电芯的比能量目前已达245wh/kg左右，但其年平均增长率仍很低，仅为4.3％，这无疑将成为电动汽车产业未来发展能迅速增长的主要瓶颈。

为能同时获得超长的续驶里程与优秀的动力性能，若基于现有技术，就必须像豪华级电动轿车那样：只能同时使用更大容量的电池与更大功率的驱动电机连同其控制***。例如整备质量达2100kg左右的电动轿车，为了获得250km/h以上的最高车速、500-1000km长的一次充电续驶里程，以及百公里加速时间3-5s的理想动力性能，其电机与驱动控制***的最大功率就需高达400-600kW，锂电池容量也需高达100-200kWh；这将进一步导致整车成本与车重的显著增加，使车价昂贵，也极大限制了电动汽车的商业化应用的迅速普及与推广。

轻型地面小型车辆多属于民用领域，但目前多数市售的普及型电动汽车的一次充电续驶里程仅150-200多公里左右，与燃油汽车相比过短，加之即使能快速充电但充电时间仍太长，就成为消费者在购车选择决策时的最大疑虑。因大多数电动汽车的购车者考虑的首要因素就是其一次充电续驶里程的长短，这在充电桩的建设速度与分布密度还远不能匹配的现况下，如车辆中途无电抛锚，车主无疑将陷入最大的尴尬困境。

第二则是期望电动汽车有如同燃油汽车一样的优秀动力性能，特别是有需要的最高车速与更短的百公里加速时间，如此才能有高出行效率。当然，行车安全舒适、物有所值或物美价廉也是做出购买、使用决策的重要因素。

现有动力电池——目前主要是基于电化学储能原理的锂离子电池，其性能仍然解决不好这一矛盾，仍不是未来电动汽车的理想的动力能源。车载动力锂电池目前的主要缺点在于：比功率太低——不能大电流充放电且充放电次数有限——循环使用寿命短(仅500-2000次)，以及对环境仍不完全友好；使用过程中电能不易控制：其单体电池的电压低(仅3.2/3.7V)——大功率高压供电常需上百节或以上串联，存在必须均衡充放电，导致电池管理***(BMS)复杂，可靠性低；加之其电解液目前为非水系，仍有起火燃烧的危险。此外，其成本仍高，造价昂贵，比能量仍较小，从而限制了电动车产业的发展增长速度。而电动汽车的驱动电机在启动瞬间电机因转速为零——无反电动势均衡，就会产生很大启动电流，如不加以限制就会对电动汽车的动力电池造成很大的损害。而依据车载电池容量确定的最大放电电流如作为启动电流加以限制，就又会与整车加速性能等动力性能的保证产生重大矛盾，否则只能再加大车载电池的容量，但继而将发生整车重超重与制造成本过高等的一系列难题。

商用电动轿车通常大量被用于需频繁启动、加减速或停车的城市循环工况(例如NEDC工况)下行驶，其一次充电续驶里程的数值上常可见与匀速行驶工况之间有约减少15％-30％左右的差异。为减少整车售价、扩大销量，制造商常使用小容量的电池与相应选择较小功率的驱动电机以降低成本，故其动力性能就与具有较大排量或功率的发动机的同类燃油汽车相比差距就很大。此外，汽车在行驶过程中，制动所消耗的能量占总驱动能量的50％左右，如能有效地回收制动能量，就可使电动汽车的行驶距离延长10％-30％以上。

现有小型车辆，特别是轿车，无论是燃油车或电动车，在经济车速(例如50/60km/h)下匀速行驶所需的功率与启动加速或爬坡时所需的最大功率相比都很小。从汽车功率负载图中可以看到：稳定运行时汽车功率的需求通常仅为峰值功率的1/4甚至更少。如在电动汽车中引入可大功率输出的短时功率储能***与电化学储能***并行工作，就可能完美地解决这一矛盾。

在电动汽车等电动车辆在总体设计时通常需要兼顾平衡成本、续驶里程与动力性能之间的矛盾。但在选择车载电池容量与最大驱动功率上常难于抉择，其根本原因就在于：目前的电化学储能电池都不能大功率(即大电流)充放电，否则将导致电池早期损坏或使其使用寿命大大缩短。其车载电池有限的容量对最大容许的放电电流的限制，直接约束了允许使用的整车最大驱动电机及驱动控制***的功率，进而决定了整车动力性能提升的上限。

飞轮电池则能以小体积却可输出或储存短时大功率的能量，其比功率常可高达1-5kW/kg甚至更高，约是目前动力型锂电池的5-25倍以上。如以其作为动力辅助电池——即功率电池与锂电池组合为复合能源无疑将成为未来新能源汽车及其他电动车船能源设计的理想解决新方案，在这方面也已有一些研究论文发表。

飞轮储能特别适合于纯电动或混合动力车辆***，其大功率充放电能力远优于电化学储能的动力电池，故可以有效地满足车辆启动、加速、爬坡及重载时的高峰值功率的需求。在典型的城市驾驶循环工况中的加速期间，飞轮电池可以向车辆提供所需的短时大功率；在减速滑行或制动期间，车体的运动惯性产生的短时大功率能量又可大部分被飞轮电池***迅速吸收，很少像动力电池那样因容量有限、受制于最大容许充放电电流的限制。而飞轮功率电池在体积与成本上目前也显著优于已在短途大型公交车上使用的超级电容。

国际汽车联合会(FIA)是世界汽车运动管理机构和世界先进的汽车运动组织，该会在2009年10月就已明确表示今后将强烈支持飞轮电池。纯电动汽车要实现有高动力性能，就需要大功率电机与飞轮电池的大功率能量短时释放和转换技术结合。新能源例如锂离子动力电池现虽已具有较高的比能量——目前单体电池已达200-300wh/kg，但受限于不能大电流充放电，无疑其优势今后仍将主要用于保证匀速行驶工况所需要的长续驶里程方面。改变目前电动汽车单一依靠电化学储能动力电池供电的状况，选择这两者的组合供电成为复合新能源，定将优势互补、相得益彰，能在整车性能与成本间获得最好的平衡，故将能成为目前最优的整体设计方案之一，也应是今后一定时期内产业的发展趋势与方向。

随全球汽车保有量的不断增加，交通事故的数量也在随之迅速增长，交通事故伤亡与车体损毁已经成为全球范围内的一大社会问题。据世界卫生组织统计，全世界每年约有120万人死于交通事故车祸。汽车侧翻是一种高发、能迅速发生并且有致命危险的严重交通事故，其危害程度仅次于碰撞，居第二位，对人类的生命财产安全构成了极大威胁，带来了严重灾难。据一些国家的交通事故统计资料显示，其中侧翻、翻滚事故虽在交通事故中所占比例不高，但所造成的死亡率竟高达30％。汽车产生侧翻时，驾驶员往往来不及采取有效措施，而侧翻、翻滚事故的危害则是致命的，因此，汽车侧翻已成为世界瞩目的一类安全问题。

豪华轿车、轿跑车的安全度高、不易翻车，主要因其车体相对较重或重心较低，特别是其结构坚固——强度、刚度高：它使用了比例很高的高强度钢材制造底盘与车身，故发生碰撞时导致翻车与损坏的几率就小。但车体过重又高速行驶时必然耗能很大，加之为保证高动力性能就必须使用特大功率的发动机或驱动电机，从而导致高油耗、高排放或高电耗，这与节能环保的时代要求无疑形成了尖锐的矛盾。而大量不具有豪华车特征的普通轿车才是道路通行的主体，如何能保障其行车安全、防止侧翻与翻滚，显然是最重要的创新研究课题之一。

引起汽车侧翻的因素很多，特别是侧滑与弯道急转，主要类型有绊翻(Trip-over)、抛翻(Flip-over)、坠翻(Fall-over)等。据有关方面统计，大约95％的侧翻事故是“绊倒侧翻”，只有5％是道路上的急转向侧翻。但随正面碰撞、侧面碰撞事故所占比例的逐渐降低，翻滚事故的比例则呈逐渐上升的趋势，且往往呈现出大事故的特点。鉴于其重要性与危害性，世界各大车企通常都十分重视对汽车侧翻预警的研究，即基于车辆运行的动力学模型，对侧倾角及其角速度、侧向加速度、转向角等车体姿态、操纵参数进行实时监测，并根据预警与控制算法计算其横向载荷转移率(LTR)或侧向加速度等进行预测。当预测到侧倾即将达到极限工况时将提前发出报警信息，以提醒驾驶人员注意并提前准备、采取相应措施以避免事故发生。

在潜在交通事故发生前发出警报虽可提高汽车防侧翻的主动安全性，但如果没有能对抗侧翻的直接有效手段，就还不能算是真正意义上的汽车主动安全。倘若参照成熟的航天器姿态控制技术，能在侧翻发生时直接产生有效的、与侧翻方向相反的抵抗力矩予以阻止——特别是在车体重心在翻滚中尚未越过轮胎接地点的重垂线或虽超过但角度不大时就可防止侧翻与翻滚这一重大交通事故的发生，显然将对于保障乘员人身生命与财产安全、减少车体的损毁都将具有重大意义。

反作用飞轮(RW)作为姿态调节的关键部件在卫星、飞船等航天器领域中已得到了广泛的成功应用。在物体内部安装反作用飞轮，通过驱动反作用飞轮获得的反力矩可有效地控制物体运动的姿态。而质量较大的物体在发生快速大角度姿态变化时，一般就需要大的反力矩来防止，基于这一原理即可构成汽车防侧翻实现主动安全性的物理基础。新能源电动汽车的发展趋势是使用新材料实现轻量化以更加环保节能，但显然将更难解决碰撞时的抗翻车能力的提升。由此可见，防侧翻实现主动安全对新能源电动汽车实现轻量化发展也很重要。

随世界经济的不断发展、人类生活水平的不断提高、城市化进程日益加速，道路车辆越来越多，交通拥堵、停车/存车难，已成为世界性难题。

两轮车特别是自行车是人类最早发明的高效交通工具。与4轮车相比，摩托车与自行车一样具有占地少、体积小、行驶阻力小、功耗少、制造成本低的重大优点。但这类前后两轮车(也称单轨迹车)或其电动型车的最大的缺点是没有封闭式车厢，不能挡风避雨，也不能遮阳、避寒。其根本原因在于：车辆在低速下行驶或停车前都没有自平衡功能，不能保持直立，停车时还必须依靠驾驶人分开双腿、用脚与地面接触或放下支架支撑以保证车体不致翻倒。

纵观世界各国目前最大量的个人与家庭交通工具——4轮轿车的使用情况，其绝大多数时间的使用状态都是只有1-2个乘客，或仅有驾驶者自己，这无疑是一很大的浪费。倘若将现有的4轮汽车中相当部分能改造为具有自平衡功能的两轮电动汽车，无疑将大大缓解道路交通拥堵与停车难这一困扰，还将更加环保节能。

近年来，源于电动摩托车诞生的新型自平衡两轮电动汽车无疑已显示出新生事物特有的强大生命力。它不但具有体积小、占地少、成本低、能耗低的先天优势，而且具有在被碰撞时车身能不翻倒的重大安全优势，这在节能环保、道路交通安全以及交通拥堵、停车/存车难等现代城市交通难题上的解决上定将发挥重要作用。如采用基于飞轮陀螺效应的姿态控制技术用于小型电动车船等并能使之迅速实现高安全、低成本化与实现大批量生产，无疑将有重要的商业价值与社会效益。遗憾的是，虽然最早出现的样车至今已有7年之久，但仍均未见能实现量产与进入市场，实质还处于概念车阶段。

究其飞轮储能与飞轮姿态控制的物理本质，均系基于高速飞轮转子具有高旋转动能的原理之上。为获得高机械动能，除可增加飞轮转子的旋转质量m外，增加旋转半径r与旋转角速度ω将更有效。但如前所述，在实际应用中，这些参数均受到多方面的限制，特别是飞轮转子旋转角速度ω将受到材料强度的严格限制，而车载应用还对飞轮装置的重量与体积空间、许可安装位置等也有诸多限制性要求。

当飞轮转子在很高的转速下工作时，很多因素都可能导致灾难性后果的故障发生。例如，在飞轮制造过程中由于制造与材料缺陷引起的裂纹与扩展、轴承失效或外部的冲击等。一旦转子发生爆裂，在离心力作用下飞出的高能碎块所具有的巨大动能将对周边的设备、人员形成重大的安全威胁。由此可见，必须从使用安全可靠、经济性好的角度出发全面考虑，彻底克服现有技术的制造困难、造价昂贵、安全隐患大这类飞轮转子技术应用推广的最大障碍才能真正获得成功。

因此到目前为止，在小型车船等应用领域，飞轮储能及姿态控制***的开发者面临的技术与应用的最大挑战实际首先仍是安全。国际汽联(FIA)及其车队也都将安全作为动能回收***(KERS)的首要任务，尽管这一问题并未直接在相关研究论文中被显著提出。特别是对高速飞轮转子爆裂的遏制问题，必须尽最大努力、最大限度地避免发生，或虽发生也能有效防止其碎块飞出，以保证飞轮转子周边人员的人身安全并避免周边设备的损坏。

飞轮安全问题必须首先在设计和测试阶段就能得到几乎完美的解决方案与结果，才能确保而后生产的飞轮***有足够的安全性，才能被用户放心地使用，这通常还需要设计出几乎能完全防止飞轮转子出现爆裂后飞出的完善保护措施。根据断裂力学，不仅要防止韧性断裂，还需要防止脆性断裂，并努力减少导致爆裂发生的其它各种关联故障的发生几率。

飞轮转子在小型车船领域应用的特殊性还在于：汽车的运行环境非常恶劣，在不同路面上的振动，汽车的启动、加速、减速、转向，以及道路状况等都会对车载飞轮转子的运行产生影响。高速储能飞轮电池的陀螺效应是由于汽车在行驶时飞轮轴方位的改变而引起飞轮转子在约束上产生附加的陀螺进动力矩，这也将对轴承等机械零件造成过大的附加压力，从而可能使零件损坏或寿命减低。而且，陀螺效应也可能也成为***可能的新振动噪声源。因此，在设计时必须予以全面考虑。飞轮转子的陀螺效应则既是姿态控制可加以利用的基本物理原理基础，也必须防止其对车船运动操纵与稳定产生任何不良影响，以免造成交通事故。以上这些，都是本发明所要解决的主要课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高安全、多功能、低成本、小体积、结构紧凑、安装简便、对小型车船的车船身运动、操纵无干扰，多用途——能提供高功率储能的快速充放电与大反作用力矩输出的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置。

本发明解决现有技术存在问题所采用的技术方案是：采用一对结构、形状、尺寸、材料、制造工艺及功能完全相同或几乎完全相同的飞轮转子组件，沿其外壳底面镜像对称、轴线同心地放置，将两底板连接、组合、紧固并密封在一起成为机电一体化集成结构的同心反转双飞轮机电装置。此外，对所述飞轮转子部件的防爆裂、防飞出采用4重安全防护的新结构，特别是还具备对碎块飞出能高效防止——吸能减速的有效新措施。

进一步地，两飞轮转子组件安装在各自的组件外壳中，两飞轮转子组件都具有可作为独立储能(FESS)或反作用飞轮(RW)完整的功能。两飞轮转子组件相互以径向对称结构的外壳底板下边缘的法兰互相连接，再以圆环或部分圆环形键或销钉的定位使两组件保持准确同心，并用螺钉等紧固件、橡胶密封件或密封硅橡胶等将两组件连接、固定成为整体密封、镜向对称、同心、结构紧凑、易于安装的具有高功率储能的物理电池兼大力矩姿控功能执行器功能的机电装置。

进一步地，本机电装置的工作原理是：配合外部的电动/发电机驱动控制***可分时工作，能分别执行储能或姿态控制功能。当被用作飞轮储能电池时，可通过电动/发电机及其外部的驱动控制器吸收外部短时高功率能量、快速增加飞轮转子的角速度的充电；或反之：通过外部DC-DC可逆变换器产生对外部负载短时高功率能量输出转换-即高速飞轮转子的快速减速放电。当被用作反作用飞轮(RW)进行姿态控制时，通过电动/发电机及其驱动控制器快速改变飞轮转子的角加/减速度即加速或制动的原理来产生短时高值反作用力矩的输出。两飞轮转子各自由相同结构、性能与参数的电动/发电机分组件驱动，基于两飞轮转子组件底板连接平面的镜像对称关系，当飞轮转子以相同的转速(即相同绝对值的角速度)旋转，由于从装置整体看其转向完全相反——形成对转，故装置的角动量与陀螺效应产生的进动力矩将完全被抵消。

进一步地，两个飞轮转子组件均包括完全相同或几乎完全相同数量与结构的零部件，包括飞轮转子与电动机/发电机分组件，飞轮转子、外壳及端盖、中心柱、防护与能量吸收环等主要部件以及传感器、紧固件、定位件、密封件等零件。飞轮转子分组件被压装在转子轴上，经主轴承支撑连同电动/发电机分组件的电机转子可旋转地一起被安装在组件的外壳内。在电机为外转子的情况下，电动/发电机分组件的转子与飞轮转子分组件组合为一体。电动/发电机分组件整体被安装进飞轮转子分组件中心下部的空腔内并与其同心，使组件整体结构紧凑、具有最短的轴向长度。电机的定子部件与飞轮转子、电机转子同心。在电机为内转子的情况下，电动/发电机分组件的定子、转子全部被安装在较大直径的中心柱部件内，电机转子安装在中心轴上，与飞轮转子分组件直接连接。

进一步地，飞轮转子分组件包括有飞轮转子部件、轴承盖部件、转子上下端盖、磁钢挡板、各种紧固件及保护加固层等。

进一步地，电动/发电机为高速三相永磁无刷电机、同步电机或磁阻电机。对三相永磁无刷电机或同步电机，电机的电磁拓扑为少极数、分数槽集中绕组结构。齿槽数为Z＝3i，i＝2，3，…6，磁极数为2p＝2j，j＝1，2，…5；槽极数的组合优先为Z/2p＝3/2、6/4、6/8、9/6、9/8、9/10、12/4、12/8、12/10、18/4；绕组为每齿单一绕组结构，可获得最小的绕组线圈周长、最短的端部长度与低内阻。电机包括转子、定子及其绕组部件、位置传感器与引线、接线端子等；电机的定子铁心及绕组部件以内孔或外圆以及键定位被压装、固定于外壳底板中心的中心柱部件上。当电机为外转子型时，定子绕组部件压装在其外圆上；当当电机为内转子型时，定子绕组部件压装在其内孔中。磁极数2P＝2的优点是可用整体式充磁转子，利于动平衡，且磁场与电流交变频率最低，高频涡流铁损小；磁极数2P＝4的优点是绕组端部短、跨距小，铜损小，但磁极数2P＝4的磁场与电流的交变频率比2P＝2时高1倍，故高频铁损大些。

进一步地，中心柱部件包括中心柱、中心轴、主轴承、波形弹簧垫、锁紧螺母等，用紧固件定位、固定在外壳底板的中央，作为飞轮转子和电动/发电机分组件的定位安装基础。中心柱为空心结构，由中心轴及主轴承可旋转地支撑着飞轮转子分组件。

进一步地，防护与能量吸收环部件包括外环、能量吸收短轴销或螺钉、能量吸收层及内环。一旦飞轮转子爆裂、碎块飞出后定将先击破内环，并与能量吸收短轴销或螺钉发生碰撞；此碰撞过程系能量守恒、动量交换的瞬态过程：其动能大部分将转变为短轴销或螺钉的伸出部的弯曲变形能被吸收，小部分则以声能、热能等其它能量形式耗散掉。过程开始是碎块体与被撞击的短销柱或螺钉接触、变形将由小至最大，而后两体回弹分离各自继续运动，直至最终停止。

进一步地，外壳部件包括外壳、端盖、轴承盖部件、电机引出线的电连接器、联结紧固件、密封件，或还有抽/充气嘴、气阀、水冷管路等。轴承盖部件带有保护轴承、弹簧档圈，或还有1/2的永磁轴承。

进一步地，传感器包括：飞轮转速传感器，电机转子位置传感器，机电装置倾角或多轴微机械加速度/陀螺传感器，检测总体运转振动噪声的声传感器或声发射传感器、振动传感器，检测飞轮转子位移的电涡流/接近传感器，检测轴承与电机定子温度的温度传感器等，各被安置在组件的适当部位。各传感器的引线经由底板下部引出，经电连接器与外部控制电路连接。装置有异常安全控制，主要由安装在外壳上的声传感器或声发射、振动/位移传感器信号触发，一旦传感器检测到内部出现异常声响或振动——特别是高分贝撞击声，将通过外部中心控制单元迅速将飞轮转子减速、切断功率电源并停止向电动/发电机供电。一些车辆安装有防侧翻***(RMI)、电子防翻滚***(ERM)、电子制动力分配***(EBD)、车辆动态控制***(VDC)等，用于极端情况下确保车辆稳定状态，保证驾乘人员的安全。在这些***中如所采用的传感器信号与本装置相同或可用，则相同传感器在本装置上可不用安置，可由上述***取出信号供控制或报警。

进一步地，根据本发明的双飞轮机电装置主要用作车船载复合能源中的高功率源以及姿控装置，装置的功率：P＝mr²ωε。为获得高功率，只能增大飞轮转子质量m与角加速度ε(rad/s)，而r、ω已被限定，ε则由飞轮转子电动/发电机的输出转矩决定，故只能在转子尺寸受限的情况下提高质量m值，即m＝ρπ(R_o ²-R_i ²)I。这里，ρ为材料密度，I为飞轮转子轴向长度(cm)，其余参数定义同前。

进一步地，飞轮转子部件的飞轮转子主体为一圆环，其内外径比≥0.6，由高强度、高韧性的各向同性材料如合金钢或不锈钢制造，在材料为均质的情况下其转动惯量与实心圆盘相比的贡献率已可达87％。依据材料的选择，飞轮转子主体材料的屈服强度优先为σ_s≥800-1100MPa，飞轮转子的设计应力安全系数≥2；圆环中心部分的空缺用于容纳电动/发电机分组件。

进一步地，为在飞轮转子体积尺寸特别是其旋转半径Ro受限的情况下有效提高m值，同时还能保证其使用的应力安全，在飞轮主体的惯性半径r位置上沿圆周均匀分布开有适当数量的孔或制成同心凹槽，孔内以过盈配合压入高比重合金制成的圆棒；当用同心凹槽结构时，在凹槽内可用过盈配合压入高比重合金制成的圆环。当圆环尺寸较大时，圆环还可分块拼合压入。飞轮转子部件压入的高比重合金的圆棒或圆环的材料是钨或钨合金；主体也可为无凹槽结构，直接以过盈配合将各内环相继依次压入各外环制成3环的三明治夹心结构。对低成本的应用场合，凹槽内也可使用铅填充；而对无人车船或辐射防护性良好的应用场合，圆棒或圆环材料也可使用贫铀。

进一步地，飞轮转子部件的飞轮主体也可由高强度、高韧性的冷轧合金钢/不锈钢薄板冲压制成并经叠、扣铆压合为一体，其圆周有均匀冲出的圆孔经由飞轮转子分组件的上下端盖穿入铆钉或螺钉，铆合或紧固为一体。薄板的厚度可为0.8-1.2mm，板上叠扣为没有材料破裂、不形成较大的应力集中的圆形。由于飞轮转子的薄片化，一旦万一发生爆裂时的飞出物将多为薄碎片，其碎片的动量、动能及其危害性就小得多，也易于吸能消能。

进一步地，飞轮转子部件的飞轮主体部件由轴向的上下端盖夹持；飞轮转子部件的圆环主体的圆柱面两侧用铆钉或紧固件与两端盖连接并固定。飞轮转子主体与其上下端盖连接牢固后，整体形状将形成钟罩(∩)形的中空结构，为无轮辐、空心式，其轮辐、轮毂的功能被外化：上端盖将具有轮毂与轮辐的功能。飞轮转子的下端盖中心仅有大孔，其中空部分用于容纳电动/发电机分组件，从而可使结构紧凑、扁平化，能显著减小组件的轴向长度。上端盖靠近中心的内部经紧固件同心地连接固定着转子支架；在电机为外转子时，转子支架内压入或铸入带磁钢的电机转子部件；上端盖中心的小孔在中心轴压入主轴承、可旋转地固定在中心柱上后再与中心轴的台阶部压合，并由锁紧螺母、弹簧垫圈压紧并紧固；飞轮转子分组件的轮缘与轮毂、轮毂与飞轮轴等各处的连接均为无键结构的压配合，以利保证飞轮转子旋转时有良好的动平衡。

进一步地，飞轮转子部件的上下端盖由高强度、高断裂韧性的铝合金制成，优选屈服强度σ_s≥450-500MPa。上下两端盖外表面的中心制出有同心的圆形凸缘；两端盖的外边缘直径相同且大于飞轮转子主体外径5-10mm。端盖的边缘部分也可用合金钢制成，再与铝合金端盖的中心部分用紧固件连接固定、组合成一体。上下端盖的外边缘转角处均制成圆弧状，圆角半径r≥5mm。飞轮转子部件与端盖装配后在上下端盖与飞轮主体的外圆柱面形成的浅环形凹槽空隙内，沿圆周方向用长丝碳纤维环氧树脂复合材料并施加预张力缠绕，直到刚好填满环形凹槽空隙或再略高出0.3-0.5mm为止并固化加固，以此作为防止转子爆裂的第一周向保护层。

而后，在所述的飞轮转子部件包括上下端盖一起形成的圆柱形整体的外表面上，用长丝碳纤维环氧树脂复合材料沿端盖边缘转角的圆弧处向与上下两端盖外表面中部的凸缘大致相切方向沿弦外向并加预张力缠绕，当遇到端盖凸缘后纤维将围绕凸缘再转向约120°后继续沿新的弦向直缠绕到端盖边沿的另一圆弧处，而后缠绕再次转向为沿轴向，直至遇到另一端盖的边缘转角的圆弧处后将再次转向，如此继续进行缠绕。这样每次沿不同的新弦向并转折，以向与端盖外表面中部的凸缘大致相切的弦向继续缠绕，这样周而复始、循环操作，及至将整个飞轮转子分组件的外表面全部包覆，且达到1-3mm左右的均匀厚度后再固化加固，以此作为防止飞轮转子爆裂的第二径向保护层。两保护薄层形成飞轮转子分组件的内周向、外径向/轴向的双重防爆裂保护层加固。

进一步地，飞轮转子分组件经由电动/发电机分组件驱动旋转，其飞轮外径尺寸由外轮缘的线速度被限制为不超过240m/s。

进一步地，飞轮转子部件或连同电机转子的飞轮转子分组件整体的动平衡精度为G0.4-G1.0级。

进一步地，电动/发电机为属于短时工作制S2或负载和转速非周期性变化工作制S9的高功率输入输出型电机，在大功率下的工作时间通常多为4-13s，其最长连续工作时间通常不超过41s。电机被安置在密封的壳体内，用作飞轮功率电池储能时其最大输出功率可为连续工作时额定功率的5-21倍。电机的转速为在通常飞轮电池同类产品转速范围的低端，其最高转速为不超过20000r/min。每个飞轮转子分组件的旋转速度可由内部的电动/发电机经外部电机控制器调节控制，也可改变转向——反向或同向，还可双飞轮同步或异步地调节其角加减速度或保持恒速。

进一步地，电机可为外转子或内转子结构，可为径向或轴向磁场。电机定子铁心为由键定位、压入固定于外壳底板的中心柱上。由于电机的铁损与磁场交变频率的1.3-1.5次方成比例，故电机铁心优先使用高导磁、高频低损耗的薄型硅钢片叠片组合，用以减少在高转速下的涡流损耗。对本装置，定子铁心为由厚度0.2-0.35mm的高频低损耗硅钢片冲裁、叠扣铆合后压紧制成；定子铁心也可为由整体式SMC(Soft Magnetic Composite)粉末冶金压制的铁芯，或还可使用高频损耗更小的非晶铁基合金卷绕并拼合制造；或也可以设计为为无铁芯结构。电机绕组为单一绕组结构。为减少高频集肤效应引起的高频损耗增加，由带绝缘层的扁平无氧铜带以单片或多片多层、叠式卷绕，绝缘层优先为PI；绕组也可由多根绝缘漆包铜线并绕；扁平无氧铜带的厚度优先为0.5-0.7。当绕组采用扁平无氧铜带卷绕时，其相邻齿上绕组间的引线连接为搭接焊，焊接后再包覆绝缘处理。电机绕组与转子位置传感器的引出线在外壳的底板下部的适当位置引出。电机转子的磁钢材料为耐高温级别的钕铁硼或釤鈷，当极数为少极数的拓扑态下，例如2P＝2、4，磁钢仍可由多块磁体组成，可使用Halbach阵列式的磁钢结构；槽极数的电磁拓扑优先选择为分数槽集中绕组的结构，以便获得短的绕组周长与端部长度并减少铜耗。

进一步地，电机转子部件的磁钢筒用软铁磁材料制作，被用作磁轭。当电机为外转子型时被安装压入或铸入在飞轮转子端盖上的转子支架空腔内；永久磁钢被排列并胶合在转子磁轭内表面，磁钢结构可为交互极性的NS排列，但也可分块作NNSS的排列。或还可为内插式(IPM)：但此种情况下，其磁轭可与电机定子同样——即改用硅钢片叠合，每磁极由两块V形排列的同极性平板磁钢形成，每块磁钢的两端在磁轭上设置有空气隔磁桥，用以防止产生较大漏磁。

进一步地，中心柱由导热性好的高强度铝合金制成；中心轴为短台阶的实心或空心轴，其材料可为高强度中碳合金钢或不锈钢。

进一步地，轴承部件的主轴承为小直径氮化硅陶瓷密珠、不锈钢内外环的角接触复合轴承；对于经常有剧烈颠簸的场合下的使用，可成对背靠背地对称使用双轴承，或再增加保护轴承以增加安全性；保护轴承为比主轴承有更大外环直径与宽度的滚珠球轴承；主轴承与保护轴承均为脂润滑，保护轴承的外环与轴承座的孔间可有0.08-0.11mm左右的间隙。

进一步地，外壳部件包括外壳、端盖、轴承盖部件、保护加固层、电连接器、联结紧固件、密封件或还有抽/充气嘴、水冷管路等；轴承盖部件带保护轴承或还有另外1/2的永磁轴承。

进一步地，防护与能量吸收环部件的外环为高韧性钢制圆筒，内环为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒，内外环同心。

进一步地，防护与能量吸收环部件的外环，在其环壁沿径向与轴向均匀开有一定数量的台阶通孔，孔内压入冲击能量吸收用短台阶钢轴销，或在环壁孔内攻出螺纹再用钢制短螺钉旋紧，并以弹簧垫或在其连接部位涂以防松脱厌氧胶等以防止其松动。各短台阶轴销或螺钉均由退火钢棒制成，突出外环内表面一定长度并形成阵列；内环圆筒的外径与各短台阶轴销或短螺钉的伸出头部形成的内切圆直径基本相同、相接与保持同心。内外环两端还可用端盖封头封固为一体。内外两环之间的空间在外壳端盖封盖前还可注入柔性吸能材料，吸能材料可为智能碰撞防护凝胶等。各短台阶轴销或螺钉用于防止飞轮万一发生爆裂时飞出的碎块的碰撞吸能减速，此防护与能量吸收环作为防止转子爆裂飞出的第三保护层。

进一步地，外壳及端盖由较高强度的金属材料如合金钢或铝合金等制成，端盖外表面制有加强筋。外壳的圆筒壁外部可缠绕长丝碳纤维环氧树脂复合材料薄层加固，碳纤维层的厚度可为3-8mm，这可作为防止转子爆裂飞出的第四径向保护层。当外壳与端盖由较高强度的铝合金制成时，外壳与端盖内表面可加有、铺设高韧性的合金钢或不锈钢薄板作保护板，板外再胶合敷以碳纤维布作轴向加强保护层。

进一步地，外壳为全密封结构，各端面的接触面或止口处均装有O型橡胶密封环或可填装密封用硅橡胶。外壳密封后并非抽成真空，而是可充入工业常用气体：氢或氦气。装配与初测完成后，壳体内部可通过带有小型气阀的抽气嘴将壳内抽除空气，而后再充入氢气或氦气并将内腔密封，气体压力为略高于环境气压的1大气压(atm)左右，充入氦气时可混入11％左右的氮气。由于外壳内部空间有限，所需充入的气体用量很少。所以选择氢气或氦气这两种气体，是由于其气体密度仅分别是空气密度的1/14或1/7，而风阻力与气体密度成正比，故风阻损耗将按与密度成比例大幅度减小。加之转速又属低速，而风阻又因与转速的平方成正比，则低转速下风阻更小。两种因素综合作用的结果，就完全没有必要再抽成真空。这样选择的其他益处是：两种气体的导热系数分别比空气高6.7倍与5.6倍，故散热比空气更好，没有真空状态无对流难散热的弊病，总体温升的降低对提高本装置的工作可靠性将十分有益。

进一步地，本装置外壳上中部的法兰(即两飞轮转子组件底板的组合)边缘上还开设有安装孔，可用紧固件与车、船底板上的支架连接固定。安装支架可直接固定于车、船体底板的上面或底面。但无论本装置是水平还是垂直安装，本装置被安装固定后均仅使其约一半的高度露出底板的表面。

进一步地，对于大扭矩的应用，安装法兰也可分别设于两飞轮转子组件的端盖外端，由组件两端的法兰分别与车船的底板或框架、龙骨上的支架连接形成两端双支架的固定结构。

进一步地，本机电装置当仅被专用作飞轮功率电池储能时，可使两飞轮转子轴垂直于地面安装，或也可水平于地面安装，由电动/发电机及驱动控制器调节控制，使其同步、同转速地反向旋转；优选的飞轮转子的长径比小于1。当本装置兼用作姿态控制——例如为防止车体侧翻、船体减摇或用于保持前后两轮车的直立自平衡时，两飞轮转子轴水平地沿车、船体纵轴方向安装于车船体的中心，并可由电动/发电机驱动控制器在绝对值相等且同步增减的条件下调节、控制飞轮转子的角加速度或角减速度，必要时或还可改变其旋转方向以灵活形成所需方向的反作用力矩。

进一步地，当飞轮转子组件垂直工作时，为减小主轴承的轴向负荷、延长主轴承使用寿命，上飞轮转子组件的永磁轴承可为拉力磁轴承，下飞轮转子组件的永磁轴承可为推力磁轴承。永磁轴承为一对尺寸相同、轴向相对且间隔不大的永磁同心圆环，但上拉力轴承的上半环还可省去——可用软铁磁材料代替。而当转子质量相对轴承的允许承载的负荷很小时，所述永磁轴承也可不用。

进一步地，当飞轮转子分组件水平工作时，永磁轴承为一对直径不同的永磁体圆环，小圆环的外径尺寸小于大圆环的内径，其外圆表面与大圆环内圆表面间有间隙，两表面充磁形成同极性同心式推力磁轴承；而当转子质量较小时永磁轴承也可不用。

进一步地，本装置实现一机多用的多功能，系按分时工作的方式进行以完成其功能转换。正常工作时，装置被预置于飞轮功率电池模式；需使用姿态控制功能时，则先将飞轮功率电池工作模式停止。利用反作用飞轮(RW)功能用作执行机构，采用简单的控制算法即能同时实现车体的姿态控制和兼作为飞轮电池型功率能源的双重任务要求。

进一步地，装置被用作飞轮功率电池时，两飞轮先迅速被充电至最高转速，以备车辆启动、加速或爬坡等高负荷时可快速放电对车辆驱动控制***能迅速放电提供短时高功率，可使整车动力性能大幅度提升；在车辆减速、滑行及刹车制动时，两飞轮先处于被放电至低转速状态，后可被快速充电将车体惯性动能高效率地收回；在紧急制动时则可接受短时大电流充电。充放电的控制经由外部的可逆DC-DC升降压变换器及飞轮电机驱动控制器或还可配合外部的超级电容及电化学储能电池，或还可配合有车载动能电机(MGU-K)等外部功能装置进行工作，以便能灵活适应所需的充电或放电状态的要求。当车船开关锁关断后，储存在超级电容中的电能可依靠可变升压比的DC-DC逐步升压存储到动力电池中后再全部关断。在此期间本装置的升压与充电电路也可依靠外部小容量的辅助电池供电。由于两飞轮的转速同步、同速升降，可使本发明装置的角动量与陀螺力矩效应完全被抵消。

所述装置在用作姿态控制——例如抗侧翻、侧倾或翻滚时，系按反作用飞轮(RW)方式工作，设计姿态控制律和飞轮的操纵律，例如先将两飞轮被预置到最高转速的1/2处，当接收到施加反作用力力矩的信号后，将按给定方向同向或异向同步地快速升降，以给定绝对值相等的角加、减速度增减，用输出反作用力矩来抵消、平衡或减少外界力矩对车船体运动的干扰。

与现有车船用飞轮电池及姿态控制技术相比，本发明的有益效果是：

(1)高安全

a.设置有4重安全防护——依据断裂力学原理，考虑到高强度材料的机件有时仍会在应力远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂这一危险，为防止飞轮转子万一爆裂飞出，本发明仅使用少量、薄层的高强度长丝碳纤维环氧树脂复合材料进行包绕保护：对飞轮转子部件主体的周向与径向/轴向保护加固；对飞轮转子的容器——装置的外壳外圆柱面做周向以及端面的轴向作保护加固；外壳还特别压入有防护与能量吸收环部件——利用短轴销或螺钉阵列的弯曲变形或再加柔性吸能新材料吸能，形成了飞轮转子万一爆裂因碎块被有效吸能减速也难飞出的完善、可靠的防护措施，从而能让使用者放心，为飞轮技术在民用及车载产品中的大规模安全应用奠定了基础，并为4轮电动汽车的防侧翻、侧倾与防翻滚、提高动力性能，高效回收制动能量、延长一次充电续驶里程，以及为2轮电动汽车未来实现普及都将有重要意义。

b.对比安全——飞轮转子选择了较低的工作转速并限制了飞轮转子外缘的最高线速度。由于不使用高转速或超高转速工作的方案，加之使用了可获得高安全系数的高强度各向同性材料与加固结构的组合，使设计应力有高的安全系数。鉴于上述参数参照已被广泛安全应用、在已属成熟的工业转子产品——例如数控机床的电主轴与高速电机等之中也为较低的数值，故其安全度高。

c.装置被合理地安装在车船体中心的底板处，重心低，即使发生碰撞，被碰撞与损坏的几率极小，故可消除用户对使用安全的疑虑，创造了能在民用产品中可被大量推广应用的前景。

d.与现有技术的单飞轮功率电池相比，用作功率电池时由于本发明装置的陀螺进动效应完全被抵消，就没有在复杂路况下发生对运动中的车体操纵的干扰或导致其失控与发生意外的危险。

e.装置有异常安全控制，一旦安装在外壳上的声发射、振动/位移传感器检测到内部出现异常声响，特别是高分贝撞击声、振动或出现异常位移，将通过外部中心控制单元迅速报警并将飞轮转子迅速减速后切断电源，停止向电动/发电机供电。

f.本装置的飞轮转子采用了高强度合金钢作主体材料，但由于系通过增大飞轮转子质量m来提高其转动惯量或储能量，故在半径尺寸受限的情况下就需增加材料密度而采用高比重材料。但高比重材料通常却没有足够的强度，故采取在高强度合金钢中***高比重合金的方法，显著提高了飞轮转子的等效质量而未增加其体积。由于本发明中的高比重合金受***高强度合金钢的包围保护，就不再受自身强度低的限制困扰，不但能确保安全，也增大了设计的自由度。

(2)低成本

a.本装置的成本可较现有产品大幅度降低，因主要材料均属较廉价材料，价格只有同类产品的几分之一甚至十分之一，又易于制造，故容易达到低成本的目标。

b.由于飞轮转子的工作转速属于同类产品的低转速区域，与此相应，其轮缘线速度仍属音速范围，加之又充入比空气密度小的多的氢或氦气，其风阻力及风损都很小，就无须再采用真空级密封的外壳与结构，也无须购置真空泵以及再做麻烦的后续使用维护。

c.与车载姿态控制现有技术相比，同类技术多使用控制力矩陀螺(CMR)，故必须有框架、框架轴承、进动马达及其进动电机控制器等。此外，由于控制力矩陀螺为单飞轮结构，还必须用两个飞轮并行反转设置才能消除陀螺进动力矩对车***置变化及车辆运动操纵的影响，故体积与占用面积大、重量重，制造成本显著增加。本发明采用结构单一的反转双飞轮并且使用结构最简单的反作用飞轮技术，更完全不用双套框架及框架轴承、进动电机及其电控等装置，不但控制简单、结构部件少，可靠性高，购置及制造成本也大幅度降低。

d.与本装置的低工作转速相应，使用比电磁悬浮轴承、超导悬浮轴承廉价、简单得多的氮化硼(Si₃N₄)陶瓷-金属内外环复合轴承，飞轮转子组件内还可增加结构极简单、成本低廉的永磁轴承——这仅为减少主轴承的负荷、延长其使用寿命，而都不显著增加成本。故与同类产品相比较，成本费降低显著。

(3)多功能，多用途

现有技术通常多为单用途，或用做储能，或用做姿控。本发明鉴于两种用途均基于飞轮转子的惯性与陀螺效应，考虑到可分时工作，故可实现一机多用。这不但可基于功率电池功能大幅度提高整车动力性能、实现制动能量高效回收与再生、延长一次充电续驶里程或减少所使用的电池容量，还可基于其姿控功能用于小型汽车的防侧翻与翻滚、小型船舶的防翻船与减摇，对于减少道路交通事故伤亡率与财产损失意义重大。另外，姿控功能用于前后两轮车能实现直立不倒、自平衡，还可实现成本低、占地少、能耗低的两轮电动汽车的大普及，这对于缓解道路交通拥堵、存车难的世界***通难题显然也有重要意义。

(4)结构紧凑、小体积，便于安置

由于车船内部空间有限，故对内部设施的体积大小远比对其重量的要求严格，而对其安装位置是否适宜的要求更十分苛刻。

a.本机电装置的重量与小型车船类交通工具的重量相比通常所占比例很小，例如对普通电动轿车的应用，本发明装置的重量通常约小于其整备质量的1/20-1/40甚至更少，故不构成对其显著增重的问题，而总体性能与产品价值由于本发明实现的优势反可大幅度提升。

b.本发明将飞轮转子做成中空的钟罩形，组件系扁平化设计，这已考虑到各向同性材质的飞轮主体圆环当其内外径比为R_i/R_o＝0.6时，其转动惯量与实心圆盘的数值之比——即对转动惯量的贡献率就已达到87％。而电动/发电机完全放入其圆环的宽敞中空部分(R_i＝0.6R_o)内故可使整体结构紧凑、轴向尺寸短，装置体积小。

c.由于飞轮本体内加入了高比重合金，其等效密度和转动惯量都可比不加高比重合金时显著增大，故同样可实现小体积、大功率储存动能或高姿控力矩输出、有较高的质量或体积功率密度。

d.特别是：本发明将两个完全相同或几乎完全相同的飞轮转子组件镜像对称同心地组合在一起，外部也用同样的电机驱动控制器同步调速形成同速同步反转，可完全消除其角动量与陀螺进动力矩效应的不良影响，故体积小、所占空间少，所占面积则至少可减少1/2，安装、控制也更简单。而同类产品多将两个单只飞轮转子组件平行放置，不但占地大，且在两组件安装底板之间相互连接的部分当飞轮中心轴随车体改变方位时——例如转向、车身倾斜时或在两飞轮转子发生失步的情况下都可能受到大进动陀螺力矩的作用与产生大振动噪音，也易出现强度问题。

e.根据本发明的设计，由于本装置在底板上的安装是以外壳中部的法兰固定在车船底板中央的支架上，不但安装简单，且因通常可使其一半凸出底板表面，故在车厢、船舱内的纵向高度就增加很少，通常不影响车船体内部空间的合理有效利用，也易于总体合理布局。由于最小体积化的设计，占用底板面积很小，用于电动汽车时对储能电池在底盘上的布局也影响不大。

(5)输出功率高、姿控力矩大，效率高、功耗低

本装置采用了属于短时、负载和转速非周期性变化工作制的高功率输入输出型电机作为飞轮转子的电动/发电机的新设计，故能在大电流下工作并可获得很高的角加速度，这是本装置能作为高功率电池、能获得大的姿控力矩输出，又有小体积、高性能特点的关键之一。少极数、分数槽集中绕组以及绕组导体扁平化的永磁无刷或同步电机的设计可使电机绕组周长及端部短，铜耗与铁耗小、高频损耗低，故效率高、总功耗低。

(6)高生产率，易于大批量自动化生产与普及

由于本装置主要以高效率的成熟生产工艺——机械加工制造，加之其加工周期短，加工效率高，而这些正是产品能实现大批量产、普及应用的前提。

(7)可延长续驶里程或减少储能电池的车载容量，并延长动力电池使用寿命

a.本装置用作电动汽车的高功率电池时则可与常规锂电池等形成复合能源，其循环工况法的一次充电续驶里程(例如NEDC工况下)将可与经济时速(例如50/60km/h)下的里程数值接近，即可延长15-30％左右。车辆启动、加速所需的瞬时大功率将由高功率电池提供，而电化学储能锂电池仅主要供匀速行驶工况下所需的能量。车辆在启动、加速时所需的瞬时大功率虽高，但其总能量实际很小，例如一般轿车在城市循环工况下行驶，典型所需的启动、加速的高功率能量通常仅为200-300wh左右。

b.现有技术的电动汽车由于车载电化学储能电池容量与充放电电流的限制不能过大。而储能电池容量小，其内阻及线路阻抗就大，在循环工况法的频繁启动、加速、减速过程中能耗就大，且因还不能直接实现大制动能量的高效回收再生而被浪费。使用本装置则受限少，内阻小又能承受大电流，故可实现制动与滑行、下坡时能量的高效率回收，已有应用飞轮电池可节能节油25％以上的不少实例。由于可减少充放电大电流对动力电池的冲击，故还能显著延长动力电池的循环使用寿命。

c.如为保证现有车辆综合工况下一次充电续驶里程的长度不变，则使用本发明的装置后则可减少现使用的电池总容量的15-30％左右，这在目前锂电池价格仍昂贵、电池***成本已占到整车成本约1/3-1/2或以上的情况下，则能显著降低整车造价，对新能源电动汽车的普及应用无疑将具有重要作用。此外，若使用的电池总容量不变，则可延长一次充电续驶里程15-30％左右。

(8)高动力性能

现有新能源电动汽车由于受价格制约，车载电池容量有限，但不采用大功率电机与大容量储能电池，就难以获得更好的动力性能。短的百公里加速时间、更快的最高车速、更大的爬坡与载重能力，这只有在能使用大功率、大扭矩的电机/发动机与大容量储能电池的豪华级轿车、跑车上才能实现，但其价格十分昂贵，绝非大众用户能购买。本发明的装置与现有的电化学储能电池组合，可在不增加车载电池容量而成本仅稍许增加的情况下可使普通轿车能获得大幅度提高的动力性能，甚至在几乎不增加能耗(仅为车载电池能量的几百分之一！)的情况下可望获得接近豪华级轿车、跑车级的标志性参数的水平，这无疑将大幅度提升普通轿车的商品与使用价值。

附图说明

图1为本发明的飞轮转子组件的纵剖面结构示意图。

图2为本发明的飞轮转子组件的俯视外观图。

图3为本发明由一对飞轮转子组件组合、水平安置的本装置的外部正视图。

图4为本发明由一对飞轮转子组件组合、水平安置的本装置的外部侧视图。

图5为本发明由一对飞轮转子组件组合、垂直安置的本装置的外部正视图。

图6为本发明由一对飞轮转子组件组合、垂直安置的本装置的外部俯视图。

图7为飞轮转子部件的飞轮转子主体压入高比重合金棒的结构示意图。

图8为对飞轮转子分组件以长丝碳纤维复合材料作径向保护、进行弦向缠绕时长丝的路径、方向与顺次的前视示意图。

图9为对飞轮转子分组件以长丝碳纤维复合材料作径向保护、进行轴向缠绕时长丝的路径、方向与顺次的侧视示意图。

图10为外转子式电动/发电机分组件的9槽6极定转子部件的齿极结构示意图。

图11为外转子式电动/发电机分组件的6槽4极定转子部件的齿极结构示意图。

上述图中序号：00通用飞轮转子组件，01飞轮转子上组件，02飞轮转子下组件；1外壳，2外环，3短轴销，4能量吸收层，5内环，6端盖，7飞轮转子主体，8高比重合金棒，9飞轮转子下端盖，10飞轮转子上端盖，11永磁轴承盖，12永磁轴承A，13永磁轴承B，14轴承盖，15波形弹性垫圈，16保护轴承，17大锁紧螺母，18波形弹性垫圈，19中心轴，20陶瓷角接触主轴承A，21中心柱，22定子铁心，23绕组，24波形弹性垫圈，25陶瓷角接触主轴承B，26小锁紧螺母，27外壳周向保护层，28部分圆环或全圆环形定位键，29电机转子挡板，30电机转子支架，31磁钢筒，32磁钢，33定子绕组引出线，34底板/端盖保护板，35底板/端盖保护加固层，36转子周向保护层，37转子径向保护层，38绕组接线端子，39接线盒，40安装孔，41安装方向标志，42定子铁心键，43铆钉，44两组件外壳底板组合之安装法兰，A飞轮转子组件组合的安装底面。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。本发明对不同使用对象与使用环境要求，依据本发明的结构原理可作出各种参数、规格各异的设计。这里，仅以可应用于电动轿车的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置作为本发明装置的一些实施例。

实施例一：如图1、2所示，飞轮转子组件为具有可作为独立飞轮储能或反作用飞轮(RW)的完整的功能。飞轮转子组件包括飞轮转子与电动/发电机分组件，飞轮转子、外壳及端盖、中心柱、防护与能量吸收环等主要部件以及传感器、紧固件、定位件、密封件等零件。

参见图3、4与图5、6，本机电装置由一对完全相同飞轮转子组件00或几乎完全相同的飞轮转子组件01、02组成。两飞轮转子组件，沿外壳1底面A镜像左右或上下对称、中心线同心地放置与组合。组件的外壳1的底板A面则为沿面上中心线相互左右或前后成半对称结构，将两组件相互以外壳1底板下边缘的法兰44互相连接成一体，以部分圆环或全圆环形定位键28或销钉等定位使两组件保持准确同心，并用紧固件、橡胶密封件等将两组件连接、固定、组合在一起，成为整体密封、机电一体化集成结构的同心双飞轮机电装置；

两飞轮转子组件的两飞轮转子分组件各自由相同结构、参数与性能的电动/发电机分组件连接、驱动或被带动；基于两飞轮转子组件底板连接平面A的镜像对称关系，两飞轮转子部件由各自的电机通过外部相同的驱动控制器驱动时，由于飞轮转子可控——能以相同的转向、转速同步地升降并将经镜像形成转向完全相反的对转，故本装置的角动量、陀螺进动效应能被完全抵消。

图3、4所示为由一对完全相同的飞轮转子组件00组成的本装置，适用于飞轮转子轴的水平安装，既可单用作飞轮功率电池，也可单用作反作用飞轮(RW)——即姿态控制执行器，还可按分时工作兼有这两种功能。

图5、6所示为由一对几乎完全相同的飞轮转子组件01与02组成的本装置，适用于飞轮转子轴的垂直安装，主要单用作飞轮功率电池。

组件01、02与00的差别仅在于其永磁轴承的结构稍有不同。组件01、02的飞轮转子轴为垂直安装，故组件01的永磁轴承为平行吸力轴承，而组件02的永磁轴承由于镜像的位置颠倒，故必须为同极性的平行推力轴承。而如图3、4，当两组件水平放置，故组件可为完全相同结构的00，永磁轴承则可为一对直径不同的永磁体圆环，小圆环的外径尺寸小于大圆环的内径，其外表面与大圆环内表面同极性且有间隙，故为同心环推力永磁轴承。由于此也为现有技术，故未示出。但当飞轮转子质量较小时，无论组件是00，还是01、02，此永磁轴承对也都可不用。

参见图1，飞轮转子分组件包括飞轮转子部件、永磁轴承盖部件、转子上端盖10、下端盖9、电机转子挡板29、铆钉43、螺钉等紧固件及飞轮转子分组件的转子周向保护层36、转子径向保护层37等。

飞轮转子部件包括：飞轮转子主体7、高比重合金棒8。

永磁轴承盖部件包括：永磁轴承盖11、永磁轴承A 12。

电动/发电机分组件包括电机定子部件与电机转子部件。

电机定子部件包括电机定子铁心22、定子绕组23，定子绕组引出线33以及定子铁心键42。

电机转子部件包括磁钢筒31和磁钢32。

外壳及端盖部件包括：轴承盖部件、外壳1、端盖6、外壳周向保护层27、部分圆环或全圆环形定位键28、底板/端盖保护板34，以及底板/端盖保护加固层35，或还有抽/充气嘴(未示出)等。

轴承盖部件包括：永磁轴承B 13，轴承盖14，波形弹性垫圈15，保护轴承16。

中心柱部件包括：大锁紧螺母17、波形弹性垫圈18、中心轴19、陶瓷角接触主轴承A20、中心柱21、波形弹性垫圈24、陶瓷角接触主轴承B 25与小锁紧螺母26。

防护与能量吸收环部件包括：外环2，短轴销3，能量吸收层4，内环5。

传感器包括：电机转子转速、位置传感器；倾角或多轴微机械加速度/陀螺传感器，检测运转振动噪声的声发射传感器、振动传感器，检测飞轮转子位置/位移的电涡流传感器，检测轴承与电机定子温度的温度传感器等，各被安置在组件的适当位置。或还可借用车船已有可用传感器以减少本机电装置自身需配备的种类、数量。本装置的异常安全控制，主要是由安装在外壳上的声发射、振动/位移传感器信号触发，一旦传感器检测到内部出现异常声响——特别是高分贝撞击声或异常位移、振动，将通过外部的中心控制单元迅速将飞轮转子减速并切断功率电源，停止向电动/发电机供电。

如图4所示，飞轮转子主体7为一圆环，其内外径比Ri/Ro≥0.6。飞轮转子主体7的直径与最高转速由飞轮外轮缘处的最高线速度限制为不超过240m/s，设计应力安全系数应≥2。

飞轮转子主体7由高强度、高韧性的各向同性材料例如合金钢或不锈钢锻件制造。可用材料种类众多，例如：40CrNiMoA，4340，45CrNiMoVA，18Ni-250，0Cr13Ni8Mo2Al，25Cr2Ni4MoV、17-7PH、M250、300M等，可依本装置实际所需的技术性能与目标成本确定。优选材料的屈服强度σ_s≥900MPa，延伸率δ≥11％，对材料的断裂韧性也应有一定要求。

参见图7，在飞轮主体7的惯性半径的位置上沿圆周均匀分布地开有适当数量的孔，孔内以过盈配合压入高比重的钨合金制成的圆棒8，钨合金材料有很多可用，例如93W-4.9Ni-2.1Fe、WG8等。

参见图1，飞轮转子分组件的转子上下端盖10、9由高强度的铝合金制成，可使用的铝合金也很多，诸如7075、7050、7055、7A55、7150、7475等，优选其屈服强度σ_0.2≥500MPa、延伸率δ≥11％者。

参见图1与图7，飞轮主体7由轴向的上下端盖10、9夹持，飞轮转子主体7的内外轮缘与上下端盖10、9的内外接合处均为过盈压配合。飞轮主体7的圆柱面两侧与两端盖10、9用铆钉43连接并铆固。在与其上下端盖经铆合连接牢固成一体后，整体形状将形成钟罩(∩)形的中空的结构，上端盖10将兼具有轮毂与轮辐的功能。

在飞轮转子分组件的上端盖10的上表面中心，用紧固件螺钉固定有永磁轴承盖部件。飞轮转子分组件的上端盖10的中心小孔用于可旋转地将飞轮转子分组件安装固定在中心柱部件的中心轴19上。飞轮转子分组件的上端盖10与飞轮中心轴19的连接为无键结构的压配合，以利保证飞轮转子旋转时的良好动平衡。

在飞轮转子分组件的上端盖10的下方内表面的同心凹槽上，则用紧固件螺钉连接固定着转子支架30。而在转子支架30的内表面，压入或铸入有带磁钢32的电机转子部件的磁钢筒31。转子支架30的下方用螺钉固定着磁钢挡板29，其材料为非磁性金属，例如铝合金。

飞轮转子分组件的下端盖9的中心仅有大孔，其中空部分即可用于全部容纳电动/发电机分组件的整体，从而可使本装置的结构紧凑、扁平化，显著减小了组件的轴向长度。

上下两端盖10、9的外表面的中心部位制出有直径相同且同心的圆形凸缘，两端盖的外边缘直径相同且大于飞轮转子主体7外径5-10mm。其外边缘转角处均制成圆弧状，圆角半径r≥5mm。

飞轮转子部件与上端盖10、下端盖9装配后，在上下端盖10、9与飞轮转子主体7的外圆环表面形成的浅环形凹入槽空隙内，沿圆周方向用长丝碳纤维环氧树脂复合材料并施加预张力缠绕，至刚好填满或略高出0.5mm为止并固化加固，以此作为防止飞轮转子爆裂飞出的第一周向防护层；

参见图8、9，上下两端盖外表面靠近中心部位制出有同心的圆形凸缘，系供长丝碳纤维复合材料缠绕，作为防止转子爆裂的第二径向兼轴向保护层。

其缠绕方法是：在飞轮转子分组件整体的外表面，用长丝碳纤维环氧树脂复合材料沿上下端盖10、9边缘转角的圆弧处向与上下两端盖10、9的外表面中部的凸缘大致相切的弦向外加预张力缠绕，在遇到凸缘后再转向约120°继续沿新的弦向直绕到上下两端盖10、9边沿上的另一转角圆弧处，而后缠绕再次转向为沿轴向，直至遇到另一端盖边缘的转角圆弧处就再次转向，继续沿不同的新的弦向向另一端盖外表面中部的凸缘大致相切的弦向外缠绕；这样周而复始、上下端盖两面循环操作，及至将整个飞轮转子分组件除凸缘的外表面外全部包覆、且达到1-3mm左右的均匀厚度后固化加固，以此形成防止飞轮转子主体7爆裂飞出的第二径向兼轴向强化防护层。图8、9中线上的标号、顺序与箭头示意性的表示长丝碳纤维绕制的顺序、位置与方向；实线表示端盖可见面上的碳纤维线缠绕的位置，虚线表示端盖背面的不可见面上长丝碳纤维线缠绕的位置。

两防护层形成对飞轮转子部件的内周向层27、外径向、轴向层37的双重防爆裂飞出的保护性加固。

飞轮转子分组件或连同电机转子部件的整体动平衡精度应为G0.4-G1.0级。

图1所示实施例的电动/发电机分组件为外转子径向磁场结构的3相永磁无刷电机，绕组为星形Y接。

电机为短时工作制的高功率输入输出型电机，用作飞轮功率电池时其最大输出功率为连续工作时额定功率的5-21倍；其最长连续工作时间通常不超过41s。

图10实施例的电动/发电机定子铁心22的槽数为Z＝9、转子磁极数2P＝6；而图11的另一实施例定子铁心22的槽数为Z＝6、转子磁极数2P＝4。由于其槽极数的电磁拓扑均为分数槽集中绕组的结构，故可获得最短的线圈周长与端部长度，故铜损(阻抗损失)小。由于转子磁极数较少，旋转时磁极切割定子与绕组的磁力线频率就低，故铁损也低，电机效率高。

参见图1，电机转子部件的磁钢筒31由低碳的10^#钢制成，被用作磁轭。磁钢筒31被压入或铸入在飞轮转子上端盖10上被固定的转子支架30的空腔内。

参见图1、10、11，电机转子的磁钢32的材料为耐高温级别的钕铁硼NdFeB，例如N35UH或N40UH等，由多块磁体组成。永久磁钢32被排列并胶合在转子磁钢筒31的内表面，磁钢结构为交互极性的NS排列，可采用径向充磁，也可以用平行充磁。

电机定子铁心使用了厚度0.2的高频低损耗硅钢片经冲裁、叠扣铆合后压紧制成。硅钢片牌号例如可为20JNEH1200。电机定子铁心22及绕组部件由键42定位，被压入固定于外壳1底板的中心柱21的外圆上。

电机定子绕组23为单一的齿上绕组。为减少高频集肤效应引起的损耗增加，由带聚酰亚胺(PI)绝缘层的扁平无氧铜带以单片或多片多层式卷绕，其相邻槽绕组间的引线连接为搭接焊，焊接后再包覆绝缘处理；扁平无氧铜带的厚度可为0.3-0.7mm。

电机定子绕组23的引出线33与转子位置传感器(位置在定子铁心外边缘，为常规技术，故未示出)的引出线均在外壳1的底板下部适当位置的开孔引出。

中心柱部件被定位于外壳1底板的中央并用紧固件螺钉被固定，并作为飞轮转子分组件和电动/发电机分组件定位、安装的基础。

中心柱21为空心结构。中心轴19经主轴承20、25及波形弹性垫圈24被装入中心柱21的中空部分内并在中心柱21上被轴向定位，进而由中心轴19可旋转地支撑着飞轮转子分组件。在中心轴19下端用小锁紧螺母26及弹簧垫圈将主轴承25锁紧固定。在其上端用大锁紧螺母17及波形弹性垫圈18将主轴承20连同飞轮转子分组件整体锁紧固定。

中心轴19为台阶轴，其材料为中碳合金钢，例如35CrMo，38CrMoAl、40Cr、40CrNiMoA等。飞轮转子分组件上端盖10的中心孔与轴19间的配合为无键过盈压配合。

主轴承20，25为不锈钢内外环的氮化硅(Si₃N₄)陶瓷角接触复合轴承。陶瓷轴承通常可工作在75,000r/min以下的转速的范围，但取决于其转速特征值D_mn值(D_m为轴承节径，mm；n为工作转速，r/min)，对脂润滑，D_mn＝(2-3)x10⁶mm.r/min。

飞轮转子分组件上端盖10中心的小孔内压入到中心轴19的上端，并压在轴承20内环上，再由大锁紧螺母17通过波形弹性垫圈18压紧，以完成其轴向定位并固定。中心轴19的下端则通过小锁紧螺母26即弹簧垫圈压紧在下主轴承25的内环以完成在中心柱21上的可旋转固定。

外壳1及端盖6也由较高强度的金属材料铝合金制成，端盖6外表面制有加强筋。外壳1的圆筒壁外部可缠绕长丝碳纤维环氧树脂复合材料薄层27加固，碳纤维层的厚度为3mm，作为防止转子爆裂飞出的第四周向保护层。端盖6及外壳1的内底表面加铺设有高韧性的合金钢或不锈钢板作保护板34，板外胶合敷有碳纤维布35作轴向加强保护层。可选择的碳纤维如：T300，T700，T800等。

防护与能量吸收环部件2-5被压入到外壳1内，其外环2为高韧性钢制圆筒，内环5为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒；内外环两者之间有间隔——为短轴销3或螺钉伸出部形成的能量吸收层4，此防护与能量吸收环部件作为防止飞轮转子爆裂飞出的第三防护层以及飞出的高能碎块的吸能。

能量吸收层4的形成：在外环2的外环壁沿径向与轴向均匀分布开有一定数量的台阶通孔，孔内压入短台阶形轴销3，或在环壁通孔内攻出螺纹、并加入弹簧垫再拧入短螺钉，或还在螺纹连接部位涂以防松厌氧胶等以防止其松动。各短轴销3或螺钉为退火钢制且均凸出外环内表面一定的长度——形成阵列。当受强力撞击时，短轴销3或螺钉的伸出部分可发生弯曲变形。内环5圆筒的外径与各短轴销3或短螺钉伸出头部形成的内切圆直径基本相同，使内外环5、2保持同心。

外环2、内环5两端还可用端盖封头并固定为一体。能量吸收层4内的空隙还可充填能量吸收材料，例如智能碰撞防护凝胶。

本装置的防护与能量吸收环部件主要是以短轴销3或螺钉伸出部结构的弯曲变形的形式吸能。飞轮转子爆裂碎块飞出后将与能量吸收短轴销3或螺钉发生碰撞，其动能大部分将快速转变为弯曲变形能，小部分则以声能、热能等其它能量形式耗散掉。

防护与能量吸收保护环的外环2的材料为高韧性的钢材，例如40Cr；短轴销柱或螺钉的材料，可为退火态的A3或20^#-45^#钢；内圆筒由通用工程塑料制成，例如PS、非高抗冲击ABS；此防护与能量吸收环部件作为防止转子爆裂碎块飞出的第三径向保护层。

参见图3-6，两飞轮转子组件(00，或01与02)安装在各自的外壳1中。将这样一对结构、形状、尺寸、材质、制造工艺及功能几乎完全相同的飞轮转子组件00或01与02沿外壳1底面A镜像对称、轴中心线同心地放置、相互以外壳底板下边缘径向对称结构的法兰44互相连接，以部分圆环或全圆环形定位键28或销钉等定位使两组件保持准确同心，并用螺钉等紧固件、橡胶密封件等将两组件连接、固定、组合在一起，就成为了整体密封、镜向对称同心、结构紧凑、机电一体化集成结构，且易于安装、具有高功率储能的物理电池兼反作用飞轮(RW)大力矩姿态控制功能执行器的的同心反转双飞轮机电装置。

两飞轮转子分组件00或01与02的外壳1组合时，端面A的接触面或止口处凹槽内均以O型橡胶密封环或填充密封硅橡胶密封(未示出)。装配与初测完成后，本装置壳体内部可充入氦气或氢气，压力为略高于环境气压的1大气压(atm.)左右；当充入氦气时可混入11％左右的氮气。

本装置系分时工作以完成其功能转换：正常工作时，组件被置于飞轮功率电池模式；当启用姿态控制功能时，先将飞轮功率电池工作模式停止。

外部其它匹配***结构简况：外部由锂离子动力电池组用于保证低速匀速行驶的续驶里程长度要求。此外，还可另加装与本装置储能量基本相同的超级电容模块以及DC-DC充电升压限流电路将用于短时向电池的充电缓冲。

本机电装置用作飞轮功率电池功能时，两飞轮转子分组件先被充电至最高转速，以备车辆启动、加速或爬坡等高负荷时经快速放电对车辆的驱动电机与控制***提供短时高功率电能。当飞轮转子分组件的转速到达最高转速时，则停止向两飞轮转子分组件充电；当检测到两飞轮转子分组件的转速下降到某一比例，例如-10％时，可用外部电源向其补充充电以保持在最高转速附近区间。

在车辆减速、滑行、下坡及刹车制动时被充电，可将车体惯性动能通过车体的驱动电动/发电机等逆向转化的电能高效率地收回，而在紧急制动时可接受驱动电机变为发电机输出的短时大电流充电储能：充放电由本机电装置外部的可逆DC-DC升降压变换器及飞轮电机控制器进行，两飞轮的转速仍同步、同速地升降，以使其陀螺进动力矩效应完全被抵消。

本机电装置在用作姿态控制功能时，按反作用飞轮(RW)方式工作：两飞轮可被预置到最高转速的例如1/2处；当接收到施加反作用力力矩信号后，将按给定方向同步地以给定的、绝对值相等的角加、减速度即反向增减转速运行，以使本装置在给定方向产生的总输出等于单个飞轮转子组件2倍的反作用力矩。

本发明装置实施例一，主要参数：飞轮转子主体外径Φ245mm，厚度52，***18根直径Φ25mm钨合金棒后飞轮转子的等效密度：ρ＝11.22g/cm³。这几乎与铅的密度相同，材料密度与全钢转子相比增加了44％。同心反转双飞轮装置的总惯性矩为：0.35kg m²，转子最高转速为15000r/min时，双转子最大储能E＝228Wh。装置体积：20L，峰值功率110kw，已可满足多数轿车的动力增强要求，并可实现防侧翻的安全功能。整体可实现高安全、低成本、小体积、高性能、易安装的发明目标。

实施例二：飞轮转子的主体7由高强度、高韧性的冷轧合金钢薄板冲压制成，并经叠、扣铆压合或由环氧树脂等粘合剂粘接组合成一体；其圆周均匀冲出的同心小圆孔经由飞轮转子的上下端盖10、9穿入铆钉43铆合或用紧固使与上下端盖成为坚固的一体。薄板的厚度可为0.8-1.2mm，薄板间的叠扣为没有材料破裂、不形成较大的应力集中的圆形铆扣。其余结构、参数与特征与实施例一相同，实施效果也相同。但由于结构为薄板，万一转子爆裂发生，碎块将可能以低动能的小片飞出，安全性将更好。

上述方式中未述及的有关内容采取或借鉴已有技术即可实现。以上所述仅为本发明的具体实施例之一部分，但绝非是对本发明的限制。

需要说明：根据本说明书，本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式或明显变形方式。但凡在本发明的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其变化均应包含在在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，由一对飞轮转子组件组成，其特征是：

一对完全相同(00与00)或几乎完全相同的飞轮转子组件(01与02)，沿外壳(1)底面A镜像左右或上下对称、中心线同心；两组件相互以外壳(1)底板下边缘的法兰(44)互相连接成一体，以部分圆环或全圆环形定位键(28)或销钉定位使两组件保持准确同心，并用紧固件与橡胶密封件将两组件连接、固定组合在一起，成为整体密封、机电一体化集成结构的同心双飞轮机电装置；

两飞轮转子组件(00与00，或01与02)的两飞轮转子分组件各自由结构、参数与性能完全相同的两电动/发电机分组件连接与驱动，或反之带动电动/发电机分组件的转子旋转；

本机电装置的电动/发电机分组件为永磁无刷电机、同步电机或磁阻电机，均为按短时、断续工作制工作的高功率输入输出型可逆电机，为外转子型或内转子型；其工作转速为在通常飞轮电池电机转速范围的低端：最高转速不超过20000r/min；本装置在被用作飞轮电池时，以高速飞轮的快速充放电——随飞轮转子角速度的快速改变以产生短时、脉冲式高功率电能的吸收或输出；用作姿态控制时以短时、脉冲式高功率电能快速改变飞轮转子的角加、减速度的反作用飞轮(RW)原理来产生短时大转矩的输出；

每个飞轮转子组件(00-02)均包括飞轮转子及电动/发电机分组件，外壳及端盖、防护与能量吸收环、中心柱部件以及传感器、紧固件、密封件；

飞轮转子分组件的中心孔以过盈配合被压装在中心柱部件的中心轴(19)上，经主轴承(20、25)连同电动/发电机分组件一起被安装在外壳(1)内成为一体；电动/发电机分组件的定子(22、23)被整体装入飞轮转子分组件中心的空腔内并与其同心；

飞轮转子分组件包括飞轮转子部件(7、8)、上下端盖(10、9)、永磁轴承盖部件(11、12)、电机转子支架(30)、电机转子挡板(29)、紧固件及转子保护加固层(36、37)；

飞轮转子部件的飞轮主体(7)由高强度、高韧性的合金钢或不锈钢制成，在其惯性半径的位置上沿圆周均匀分布地开有适当数量的孔或制成同心凹槽，孔或凹槽内以过盈配合压入高比重合金制成的圆棒(8)或圆环；或主体(7)也可为无凹槽的多圆环结构：直接以过盈配合将内环相继依次压入各外环制成3环一体的三明治夹心结构，中间为高比重合金环；

飞轮转子部件的飞轮主体(7)由轴向的上下端盖(10、9)夹持，其内外轮缘与上下端盖(10、9)的接合部均为过盈压配合；圆柱面两侧再用铆钉(43)或紧固件与两端的上下端盖(10、9)连接并固定成坚固的一体；

飞轮转子分组件的各零部件经连接牢固后，整体形成钟罩形(∩)的中空结构，为无轮辐的空心式——其轮辐、轮毂的功能被外化：上端盖(10)具有轮毂与轮辐功能，其中心孔与中心轴(19)的台阶处压合后由螺母(17)、弹簧垫圈(16)压紧并固定；下端盖(9)的中心仅有大孔；飞轮转子分组件的中空部分用于容纳、安放电动/发电机分组件；

当电动/发电机分组件为外转子型时，上端盖(10)靠近中心经紧固件同心地连接固定有转子支架(30)；电机的转子部件(31、32)以过盈配合压入或铸入在转子支架(30)的内孔中；电机转子支架(30)的下方用紧固件固定有电机转子挡板(29)，用以承托或限制电机的转子部件(31、32)的轴向移动；当飞轮转子分组件与电动/发电机分组件装配完成后，电机的转子与定子部件则以轴向的中心线彼此对齐、径向间有空隙；

飞轮转子分组件经由电动/发电机分组件驱动旋转，飞轮转子主体(7)的内外径比≥0.6，设计应力安全系数应≥2，其飞轮转子主体(7)外轮缘处的最高线速度不超过240m/s；飞轮转子或连同电机转子部件的动平衡精度为G0.4-G1.0级；

外壳部件包括外壳(1)、端盖(6)、轴承盖部件(13-16)、保护加固层(34、35)、电连接器、联结紧固件、密封件，或还有抽/充气嘴、水冷管路；轴承盖部件包括轴承盖(14)、保护轴承(16)、波形弹性垫圈(15)、弹簧档圈，或还有另外1/2的永磁轴承(13)；

防护与能量吸收环部件(2-5)被压入到外壳(1)内，包括外环(2)、能量吸收层(4)及内环(5)；其外环(2)为高韧性钢制圆筒，内环(5)为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒；内外两环之间有间隔——为短轴销(3)或螺钉的伸出部形成的能量吸收层(4)，此防护与能量吸收环部件作为防止飞轮转子爆裂飞出的第三防护层，可对飞出的高能碎块吸能；

能量吸收层(4)的形成：在外环(2)的外环壁沿径向与轴向均匀分布开有一定数量的台阶通孔，孔内压入短台阶形轴销(3)，或在环壁通孔内攻出螺纹、加入防松弹簧垫再拧入短螺钉，或还在其连接部位涂有防松厌氧胶；各短轴销(3)或螺钉为退火钢制且均凸出外环内表面一定的长度——形成阵列，当受强力撞击时可发生弯曲变形；内环(5)圆筒的外径与各短轴销(3)或螺钉伸出头部形成的内切圆直径基本相同，使内外环(5与2)基本保持同心；内外环(5、2)两端还可用端盖封头并固定为一体；能量吸收层(4)内还可充填能量吸收材料：智能碰撞防护凝胶；

两飞轮转子组件外壳底板组合之安装法兰(44)边缘上还开设有安装孔，供组件与所使用的车船等的底板或框架、龙骨上的支架安装连接并被固定用；对于大扭矩的应用，安装法兰或可分别设于两飞轮转子组件的端盖(6)的外端，由本机电装置的两端盖(6)上另制出法兰分别与车船等的底板或框架、龙骨上的支架连接以形成两端固定；安装支架可固定于车、船体底板的上面或下面，装置被安装固定后均仅使其约一半的高度露出在底板之上。

2.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征是：装置系分时工作，由外部控制***改变或切换以完成其功能转换；正常工作时，组件被置为飞轮功率电池模式；当启用姿态控制功能时，先将飞轮功率电池工作模式停止，反之亦同；

本机电装置在用作飞轮功率电池功能时，充放电由本机电装置外部的飞轮电机控制器或还有可逆DC-DC升降压变换器进行，两飞轮的转速同步、同速地反转升降，用于形成无陀螺力矩效应的充放电；

本机电装置在用作姿态控制功能时，按反作用飞轮(RW)方式工作：两飞轮转子组件可被预置到最高转速的例如1/2处；当接收到施加反作用力力矩信号后，将按给定方向同步地以给定的角加、减速度即相互反向增减转速运行；或当两飞轮组件均处于最低转速时，在本装置于给定方向上将按给定方向同步地以给定的角加速度、以相同方向加速运行，均用于产生总输出等于单个飞轮转子组件2倍的反作用力矩。

3.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的飞轮转子主体(7)上压入的高比重合金圆棒(8)或圆环的材料是钨或钨合金；对低成本的应用场合，可使用铅填充；对无人车船或防护性良好的应用场合或可使用贫铀。

4.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的飞轮转子的主体(7)由高强度、高韧性的冷轧合金钢薄板冲压制成，经叠、扣铆压合或可由环氧树脂等粘合剂粘接固化组合成一体；

其圆周均匀冲出的同心小圆孔经由飞轮转子的上下端盖穿入的铆钉(43)铆合或螺钉紧固使与上下端盖成为坚固的一体；薄板的厚度可为0.8-1.2mm；薄板间的叠扣为没有材料破裂、不形成较大的应力集中的圆形子母铆扣。

5.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的上下端盖(10、9)整体由高强度铝合金制成，端盖(10、9)的边缘直径大于飞轮转子主体(7)直径5-10mm；或端盖(10)可分为两体：端盖(10)与端盖(9)内外径尺寸对应的边缘部分可用高韧性合金钢制成，合金钢制的端盖(10)的边缘部分再与铝合金端盖的中心部分再用紧固件与过盈配合连接、组合为一体；

上下端盖(10、9)的外边缘均制成圆弧状，圆弧半径r≥5mm；飞轮转子主体(7)与端盖(10、9)装配后，在上下端盖(10、9)与飞轮转子主体(7)外圆环表面形成的浅环形凹槽内，沿圆周方向用长丝碳纤维环氧树脂复合材料缠绕，至刚好填满凹槽或略高出0.5mm为止并固化加固，以此作为防止飞轮转子爆裂飞出的周向第一防护层；

而后，在飞轮转子分组件整体的外表面，再用长丝碳纤维环氧树脂复合材料沿端盖(10、9)边缘转角的圆弧转角处向与上下两端盖(10、9)的外表面中部的凸缘相切的弦外向缠绕；在遇到凸缘后将转向约120°继续沿新的弦向直绕到上下两端盖(10、9)边沿上另一圆弧转角处；而后缠绕再次转向为沿轴向，直至遇到另一端盖上边缘的圆弧转角处再次转向，在另一端盖表面继续沿不同的新的弦向向此端盖外表面中部的凸缘相切的弦外向缠绕与转向；这样周而复始，在端盖两面循环操作，及至将整个飞轮转子分组件除凸缘的外表面全部包覆、且达到1-3mm左右的均匀厚度后固化加固，以此形成防止飞轮转子主体(7)爆裂飞出的径向兼轴向强化第二防护层；

在上述2层保护层以长丝碳纤维环氧树脂复合材料的缠绕中始终均施加预张力；此两防护层形成了对飞轮转子部件的内周向(27)、外径向(37)的双重防爆裂飞出的保护性加固。

6.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：装置使用的轴承包括主轴承(20、25)、保护轴承(16)以及永磁轴承对(12、13)；主轴承(20、25)为小直径氮化硅陶瓷密珠、不锈钢内外环的复合型角接触轴承；对于经常有剧烈颠簸的场合下的使用，可加倍——即成对、背靠背对称地使用双轴承，或还可再增加保护轴承(16)以增加安全性；保护轴承(16)为比主轴承(20、25)有更大直径与宽度的内外环、能承受更大负荷的滚珠球轴承；主轴承(20、25)与保护轴承(16)均为脂润滑；保护轴承(16)的外径与永磁/保护轴承盖(14)的轴承孔内径间可留有0.08-0.11mm的间隙；

在本装置中使用的永磁轴承主要为减少主轴承的负荷，延长使用寿命；

当本装置的飞轮转子组件在垂直工作时，上飞轮转子组件的永磁轴承对(12、13)为两相对面的磁极性相异、相吸的拉力磁轴承；用作下飞轮转子组件时的永磁轴承对(12、13)则变为为两相对面磁极性相同、相斥的推力磁轴承；永磁轴承对(12、13)的形状可为尺寸相同、轴向相对且间隔不大的永磁同心圆环；做上拉力轴承时，永磁轴承对(12、13)的1/2即其中之一的圆环也可用软铁磁材料代替；而当转子分组件的重量相对主轴承(20、25)的允许负荷很小时，所述永磁轴承对(12、13)也可不用；

当本装置的飞轮转子组件水平工作时，永磁轴承可为一对直径不同的永磁体圆环，小圆环外径尺寸小于大圆环的内径，其外表面与大圆环内表面为同极性并留有间隔空隙，为同心式推力永磁轴承；而当转子分组件的重量相对主轴承(20、25)的允许负荷很小时，此永磁轴承对也可不用。

7.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：电动/发电机分组件包括转子部件(31、32)、定子及其绕组部件(22、23)、位置传感器与引线、接线端子；装置用作飞轮功率电池时，其电动/发电机分组件的最大峰值功率为连续工作时的额定功率5-21倍；其最长连续工作时间不超过41s；

电动/发电机分组件为永磁无刷电机或同步电机时，为三相Y接，磁场为径向磁场；

当电动/发电机分组件为外转子型时，其电机定子部件(22、23)用键或还以过盈配合固定于外壳底板的中心柱(21)外圆上；定子铁心(22)为由厚度0.2-0.35mm的高导磁、高频低损耗硅钢片冲裁、叠扣铆合并压紧；或由整体式的SMC(Soft Magnetic Composite)粉末冶金压制的铁芯，或用非晶铁心卷绕制造，或还可为无铁芯结构；

电机的转子部件(31、32)则安装在飞轮转子分组件的转子支架(30)上：转子部件的磁钢筒(31)即作为磁轭，转子永久磁钢(32)被排列、吸合并胶合在磁钢筒(即转子磁轭)的内圆表面；转子磁钢(32)也可为***式：在此种情况下其磁钢筒磁轭则与定子铁心(22)同样——可为用硅钢片叠合制成，但每个磁极将改由两块V形排列的同极性磁钢形成，每块磁钢的两端在磁轭上设置有空气隔磁桥以减少漏磁；

转子的磁钢(32)的材料为耐高温的钕铁硼或釤鈷；当采用少磁极数：2P＝2、4时，也可使用Halbach阵列式充磁结构；

电机槽极数的电磁拓扑为分数槽集中绕组，齿槽数Z为Z＝3i，i＝2，3，…6，磁极数2P为2P＝2j，j＝1，2，…5；槽极数的组合Z/2p可优先为Z/2p＝3/2、6/4、6/8、9/6、9/8、9/10、12/4、12/8、12/10、18/4；

电机绕组(23)为每定子齿上有单一绕组的结构，由带聚酰亚胺(PI)绝缘层的扁平无氧铜带的单片或多片以多层、叠式卷绕，也可由多根细绝缘漆包圆铜线(利兹线)并绕，扁平无氧铜带厚度优先为0.3-0.7；当采用扁平无氧铜带做绕组(23)时，相邻槽绕组间的连接为搭接焊接，连接后再包覆绝缘处理；电机绕组的引出线(33)与转子位置传感器的引出线在外壳(1)的底板下部的适当位置引出；

当电动/发电机分组件为内转子型时，则电机定子与转子部件全部同心地安置于中心柱部件内部；

当电动/发电机分组件为外转子型时，其中心柱部件包括中心柱(21)、中心轴(19)、主轴承(20、25)；大小锁紧螺母(17、26)、波形弹簧垫(18、24)；中心柱部件用紧固件被固定、定位在外壳(1)内部底板的中央。

8.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：外壳(1)、端盖(6)由较高强度的金属材料如合金钢、铝合金制成；

外壳的圆筒壁外部可施加预应力缠绕长丝碳纤维环氧树脂复合材料薄层再加固，厚度可为3-8mm，以此形成防止飞轮转子爆裂飞出的第四径向防护层；

当外壳(1)与端盖(6)由较高强度的铝合金制成时，在外壳(1)与端盖(6)的内表面还铺设有高韧性的合金钢或不锈钢薄板作保护板(34)，板外或再胶合敷以碳纤维布，以此组合作为防止飞轮转子爆裂飞出的轴向加强保护层(35)；

当输出扭矩大时，装置外壳两端的端盖(6)外表面还可制有加强筋；

当本机电装置仅被专用作飞轮功率电池时，可使两转子轴垂直于车船底板地面安装，也可平行于底板地面安装，均由本装置外部的2个电动机控制器可调节其转速、联动控制使其同步与同转速地反向旋转；

当本机电装置专用或兼用作姿态控制——例如为防止车体侧翻、船体减摇，或为保持前后两轮车实现直立自平衡时，两飞轮的转子中心轴(19)可水平地沿车、船体中心纵轴方向安装，并可由本装置外部的2个电机控制器分别联动并同步地调节、控制其角加速度或角减速度，以形成所需方向的反作用飞轮控制转矩。

9.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：两飞轮转子组件的外壳(1)组合连接后成为全密封结构，各端面的接触面或止口处的凹槽内均装有O型密封环或填充有密封硅橡胶。

装配与初测完成后，壳体(1)内部可充入氦气或氢气，气体压力为略高于环境气压的1大气压(atm.)左右；当充入氦气时可混入11％左右的氮气。

10.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：传感器包括电机转子转速、位置传感器；倾角或多轴微机械加速度/陀螺传感器，检测运转振动噪声的声发射传感器、振动传感器，检测飞轮转子的位置/位移的电涡流传感器，检测轴承与电机定子温度的温度传感器；各传感器被安置在组件的适当部位；但当车船已有相同功能、适合的上述传感器时，则尽可利用相同传感器或其输出信号以尽量减少本机电装置自身需配备的传感器种类或数量；

本装置的故障或异常的安全控制：主要由安装在外壳(1)上的声发射、振动/位移传感器信号触发，一旦传感器检测到内部出现异常声响——特别是高分贝撞击声或异常位移，将通过本装置外部中心控制单元迅速将飞轮转子减速并切断功率电源、停止向电动/发电机供电。