CN100359783C - 微压气体支撑飞轮电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微压气体支撑飞轮电池，本发明包括飞轮，飞轮箱，电机，主轴，着陆轴承，电力电子变换装置，气体回收装置，气源。电机的转子与飞轮固定在一起。飞轮箱底面和侧面有静压气浮点和动压沟槽。充电时，气源给飞轮箱供给惰性气体，使飞轮脱离着陆轴承而悬浮，电源通过电力电子变换装置驱动电动机，飞轮高速旋转。同时气体回收装置将惰性气体输送回气源供再次使用。放电时，电动机作为发电机使用。随着飞轮转速的降低，机械能转变为电能通过电力电子变换装置输出。本发明具有飞轮摩擦阻力小，极限转速高的特点。

Description

微压气体支撑飞轮电池

技术领域

本发明涉及一种机械能与电能相互转换的飞轮储能装置，特别涉及一种用气体支撑的飞轮电池。

背景技术

飞轮电池与化学电池相比具有储能密度高；无过充、过放电问题；充电时间短；对环境友好，无污染等优点，是一种高效绿色储能方法。

早期的飞轮电池装置中，较多地采用陶瓷轴承、宝石轴承和滚动轴承等机械轴承支承形式，这类支承方式的飞轮一般用于快速冲放电系统。如美国的Kaman电磁公司、Satcon公司和英国Newcastle大学研制的飞轮电池装置中就采用这类支承方式。

随着磁轴承技术的发展，目前飞轮电池开始采用磁轴承。磁轴承包括主动磁轴承(亦称电磁轴承)和被动磁轴承(永磁轴承和超导磁轴承)。美国Maryland大学采用永磁/电磁支承方式的飞轮用于电力调峰。美国阿贡国家实验室与州立爱迪生电力公司合作，开发的高温超导磁轴承摩擦系数达到3×10^-7世界记录，并研制了1MWh单元的高温超导飞轮电池储能装置。美国Houston大学采用永磁/超导支承方式浮起19kg的飞轮转子，永磁轴承提供悬浮力，而超导磁轴承用于消除固有的磁-磁不稳定。

国内飞轮储能研究也取得和很大进展，其中成立于1995年的清华大学飞轮储能实验室是国内最早研究储能飞轮的实验室之一。他们采用螺旋线滑动轴承和永久磁铁悬吊式阻尼器相结合的方式支撑飞轮。研究的第二代飞轮线速度达到650m/s，储能量500w·h。

飞轮储存的能量可根据下式确定：

$E=\frac{1}{2}J{\mathrm{\ω}}^2$

其中E为储存动能，J为转动惯量，ω为角速度。可见增加转动惯量J和角速度ω值可以提高飞轮的储存能量。而且储存动能E与角速度ω的平方成正比，所以提高飞轮存储的能量主要是提高角速度ω。由此可见飞轮储能技术的关键是提高飞轮转速和使用寿命，减少能量损耗和生产成本。

从国内外研究情况来看，飞轮电池的主要承载形式有机械轴承承载、磁轴承承载以及机械轴承与磁轴承联合承载。机械轴承所能达到的极限转速低，摩擦损耗大，使用寿命短，很难满足发展高速飞轮的需要。磁悬浮技术虽然能满足高转速，低损耗，寿命长的要求，但是其成本高，调试安装复杂，可维护性差，限制了磁悬浮技术的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微压气体支撑飞轮电池，可将电能转化为飞轮的动能加以存储，在需要放电时，可将飞轮动能转化为电能释放。并做到维持飞轮高速旋转，减少能量损耗，提高使用寿命。

本发明采用如下技术方案：包括电力电子变换装置，电力电子变换装置与飞轮箱内的电机绕组相连，飞轮箱分为上箱体和下箱体，在下箱体中央固定主轴，主轴下端配置有着陆轴承，着陆轴承内环与主轴底端过盈配合，内环下端面与下箱体接触，下箱体底面和侧壁设置静压气浮点和气体动压沟槽，下箱体内配置飞轮，飞轮与着陆轴承外环过盈配合，飞轮上固定电机转子，电机定子固定在主轴上，上箱体上开有排气孔，排气孔与气体回收装置相连通，气体回收装置与气源相连通，气源与飞轮箱的静压气浮点相连通。

着陆轴承采用角接触球轴承。

电机定子也可固定在飞轮箱的外侧。

电机可以是感应电机或永磁无刷直流/交流电机。

静压气浮点是孔、缝隙或是用带有毛细孔材料填充的孔。

飞轮是圆柱形或圆锥形。

气源的惰性气体通入到静压气浮点。

静压气浮点设置在气体动压沟槽内或者气体动压沟槽外。

本发明采用气体承载的方式支撑飞轮，与采用机械轴承承载相比，减小了摩擦阻力，从而降低了摩擦引起的能量损耗，提高了电池的能量转化效率。由于气体承载属于非接触承载，所以不存在磨损问题，从而延长了飞轮电池的使用寿命，提高了飞轮电池允许的极限转速。与采用磁悬浮技术承载相比，降低了成本，提高了可维护性。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的内定子圆柱形飞轮电池轴向剖视图；

图3是本发明的内定子圆柱形飞轮俯视图；

图4是本发明的飞轮箱A-A向剖视图；

图5是本发明的飞轮箱B-B向剖视图；

图6是本发明的外定子圆柱形飞轮电池轴向剖视图；

图7是本发明的外定子圆柱形飞轮电池C-C向剖视图；

图8是本发明的内定子圆锥形飞轮电池轴向剖视图；

图9是本发明的内定子圆锥形飞轮俯视图；

图10是本发明的内定子圆锥形飞轮箱俯视图；

图11是本发明的飞轮箱D-D向剖视图；

图12是本发明的外定子圆锥形飞轮电池轴向剖视图；

图13是本发明的外定子圆锥形飞轮电池E-E向剖视图；

图14是本发明的气源和气体回收装置系统图；

图15是本发明的飞轮电池功率变换装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参照图1所示，电源28和负载31与电力电子变换装置1相连，电力电子变换装置1与飞轮箱2中的电机绕组相连，飞轮箱2的上箱体的排气孔5与气体回收装置3相连通，气体回收装置3与气源4相连通，气源4与飞轮箱2的下箱体的静压气浮点9相连通。

充电时，电能通过电力电子变换装置1驱动电动机带动飞轮8加速旋转，电能变为机械能存储。放电时，电动机作为发电机，由飞轮8带动发电，由电力电子变换装置1将电能输出到负载31，同时飞轮动能减少，转速降低。飞轮用惰性气体支撑，气体由气源4送进下箱体10中的静压气浮点9，从上箱体6的排气孔5进入气体回收装置3，再返回气源4。

参照图2所示，本发明的飞轮箱2包括上箱体6和下箱体10，其中排气孔5位于上箱体6上，静压气浮点9和动压沟槽14分布在下箱体10上。主轴11固定在飞轮箱2的中央，主轴11下端有着陆轴承13，着陆轴承13采用角接触球轴承，其内环与主轴11固定，外环与飞轮8固定在一起。飞轮8的外轮廓为圆柱形，中部下凹，沿飞轮8中部凹槽周向固定有电机的转子7，电机的定子12与主轴11固定在一起。飞轮8为金属或复合材料制成，包括高强度钢，铝合金，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维；使用复合材料时包括单层复合和多层复合材料飞轮。

静止时，飞轮8由着陆轴承13支撑；飞轮8启动前，先由气源4为静压气浮点9供气，飞轮8上浮，着陆轴承13内外环分离，完全由气体承受轴向和径向载荷。电机接通电源，飞轮8在电机带动下高速旋转，实现将电能以飞轮动能形式存储的目的。上箱体6开有惰性气体的排气孔5，静压气浮点9喷出的惰性气体由排气孔5经气体回收装置3返回气源4。

参照图3所示，沿飞轮8中部凹槽圆周均匀分布电机定子12和转子7。定子12和转子7的极对数可以根据实际需要增加或减少。定子12可以是永磁铁或绕组，转子7也可以是永磁铁或绕组。电机的类型可以是感应电机、永磁无刷直流/交流电机。

参照图4所示，下箱体10的底面和侧壁上开有静压气浮点9和动压沟槽14，静压气浮点9和气源4相连通，以实现对飞轮的动静压联合支承。静压气浮点9和动压沟槽14在箱体底面分布有三圈，每圈八个静压气浮点9和十六个动压沟槽14。依据飞轮箱体底面实际大小，可以增加或减少气浮点和动压沟槽的数量。同时底面上分布有气体动压沟槽14，静压气浮点9可在动压沟槽14中也可不在动压沟槽14中。动压沟槽14旋转方向与飞轮8转向相同。

参照图5所示，在下箱体10侧壁上，开有至少两排静压气浮点9和动压沟槽14，动压沟槽14和静压气浮点9的数量可依据下箱体10侧壁实际面积大小而定。静压气浮点9可在动压沟槽14中也可不在动压沟槽14中。动压沟槽14旋转方向与飞轮8转向相同。上箱体6连接下箱体10，上箱体6上设置排气孔5，静压气浮点9和气源4相连通。

参照图6所示，排气孔5位于上箱体6上，静压气浮点9和动压沟槽14分布在下箱体10上。主轴11固定在飞轮箱2中央。主轴11下端有着陆轴承13，着陆轴承13采用角接触球轴承，其内环与主轴11固定，外环与飞轮8固定在一起。飞轮8的外轮廓为圆柱形，中部下凹，沿飞轮8中部凹槽周向固定有电机的转子7，电机的定子12在飞轮箱2外放置。飞轮8为金属或复合材料制成，包括高强度钢，铝合金，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维；使用复合材料时包括单层复合和多层复合材料飞轮。

参照图7所示，沿圆周方向均匀分布电机定子12和转子7。电机的转子7为永磁体，定子12为绕组。绕组发热量比较大，这种安装方法可以提高电机的散热能力。定子12和转子7的极对数也可以根据实际需要适当的增减。电机的类型可以是感应电机、永磁无刷直流/交流电机。

参照图8所示，其中排气孔5位于上箱体6上，静压气浮点9和动压沟槽14分布在下箱体10上。主轴11固定在飞轮箱2中央。主轴11下端配置有着陆轴承13，着陆轴承13采用角接触球轴承，其内环与主轴11固定，外环与飞轮8固定在一起。飞轮8的外轮廓为圆锥形，中部下凹，沿飞轮8中部凹槽周向固定有电机的转子7，电机的定子12与主轴11固定在一起。

飞轮转子8外轮廓是圆锥形，下箱体10底面和侧壁上的静压气浮点9喷出的气体沿圆锥面向上运动时，也会对飞轮提供上升的推力。当推力过大时，圆锥面处缝隙增大，气体流量加大，这样气体压强减小，推力减小，飞轮8有一定程度的下落。当推力小时，圆锥面处缝隙减小，气体流量减小，这样气体压强增大，推力增大，飞轮8就会一定程度的上升。所以圆锥形飞轮8还有自动调节悬浮高度的功能。

参照图9所示，沿飞轮8中部凹槽圆周均匀分布电机定子12和转子7，定子12固定在主轴11上，转子7固定在飞轮8上，定子12和转子7的极对数可以根据实际需要增加或减少。定子12可以是永磁铁或绕组，转子7也可以是永磁铁或绕组。电机的类型可以是感应电机、永磁无刷直流/交流电机。

参照图10所示，箱体底部和侧壁上沿圆周方向，均匀分布静压气浮点9和动压沟槽14。静压气浮点9和动压沟槽14的数量可依据箱体实际底面大小而定。静压气浮点9可在动压沟槽14中也可不在动压沟槽14中。动压沟槽14旋转方向与飞轮8转向相同。

参照图11所示，下箱体10为圆锥形，在下箱体10侧壁上，有至少两排静压气浮点9和动压沟槽14。动压沟槽14和静压气浮点9的数量可依据下箱体10侧壁实际面积大小而定。静压气浮点9可在动压沟槽14中也可不在动压沟槽14中。动压沟槽14旋转方向与飞轮8转向相同。上箱体6连接下箱体10，上箱体6上设置排气孔5。

参照图12所示，当飞轮8外轮廓为圆锥形时，电机的定子12也可以布置在飞轮箱2之外，此时定子12为绕组。当飞轮8外轮廓为圆锥形时，排气孔5位于上箱体6上，静压气浮点9和动压沟槽14分布在下箱体10上。主轴11固定在飞轮箱2中央。主轴11下端有着陆轴承13，着陆轴承13采用角接触球轴承，其内环与主轴11固定，外环与飞轮8固定在一起。飞轮8的外轮廓为圆锥形，中部下凹，沿飞轮8中部凹槽周向固定有电机的转子7，电机的定子12在飞轮箱2外放置。飞轮8为金属或复合材料制成，包括高强度钢，铝合金，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维；使用复合材料时包括单层复合和多层复合材料飞轮。

参照图13所示，沿圆周方向均匀分布电机定子12和转子7。电机的转子7为永磁体，定子12为绕组。绕组发热量比较大，这种安装方法可以提高电机的散热能力。定子12和转子7的极对数可以根据实际需要适当的增减。电机的类型可以是感应电机、永磁无刷直流/交流电机。

参照图14所示，采用气瓶18作为气源。气体回收装置3由控制器16根据飞轮箱2上的压力表15的读数控制真空泵17回收气体，使飞轮箱2内气压保持稳定。真空泵17与储气罐20相连通。气瓶18装有压力表15，通过阀门开关19与储气罐20相连通，储气罐20上装有压力表15。储气罐20中的惰性气体经过粗滤器21，精滤器22，压力表15，流量计23，阀门开关19，稳压器24，压力表15，节流器25，送到下箱体10静压气浮点9使用。供气压力在0.002～0.02MPa(绝对压力)，压力稳定度为供气压力的±5％左右。气体清洁度要求：灰尘粒度一般小于3-5μm；相对湿度不大于35％。

参照图15所示，飞轮电池功率变换装置中，三相交流电源28和负载31与整流逆变装置29可控整流端相连，整流逆变装置29的逆变端与电机30的绕组连接。整流逆变装置29的信号输入和输出端分别与储能/放能控制器26的驱动电路端和检测电路端相连。其中整流逆变装置29和储能/放能控制器26共同构成电力电子变换装置1。

飞轮8储能时，储能/放能控制器26控制整流逆变装置29，将三相交流电变为驱动电机30所需的电压和频率可变的交流电，并根据接收到的整流逆变装置29的电压、电流反馈信号和速度传感器27反馈的电机转速信号以及给定信号实时调整对整流逆变装置29的控制。

飞轮8放能时，储能/放能控制器26控制整流逆变装置29，将电机30所发的交流电转换后，输送给负载31。并根据接收到的整流逆变装置29的电压、电流反馈信号和速度传感器27反馈的电机转速信号以及给定信号实时调整对整流逆变装置29的控制。

Claims (9)

1、一种微压气体支撑飞轮电池，包括电力电子变换装置，电力电子变换装置与飞轮箱(2)内的电机绕组相连，飞轮箱(2)分为上箱体(6)和下箱体(10)，其特征在于，在下箱体(10)中央固定主轴(11)，主轴(11)下端配置有着陆轴承(13)，着陆轴承(13)内环与主轴(11)底端过盈配合，内环下端面与下箱体(10)接触，下箱体(10)底面和侧壁设置静压气浮点(9)，下箱体(10)内配置飞轮(8)，飞轮(8)与着陆轴承(13)外环过盈配合，飞轮(8)上固定电机转子(7)，电机定子(12)固定在主轴(11)上，上箱体(6)上开有排气孔(5)，排气孔(5)与气体回收装置(3)相连通，气体回收装置(3)与气源(4)相连通，气源(4)与飞轮箱(2)的静压气浮点(9)相连通，供气压力在0.002-0.02MPa。

2.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于：下箱体(10)底面和侧壁设置气体动压沟槽(14)。

3.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于：着陆轴承(13)采用角接触球轴承。

4.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于：电机定子(12)固定在飞轮箱(2)的外侧。

5.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于，电机是感应电机或永磁无刷直流/交流电机。

6.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于，静压气浮点(9)是孔、缝隙或是用带有毛细孔材料填充的孔。

7.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于，飞轮(8)是圆柱形或圆锥形。

8.根据权利要求1所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于，气源(4)的惰性气体通入到静压气浮点(9)。

9.根据权利要求2所述的微压气体支撑飞轮电池，其特征在于，静压气浮点(9)设置在气体动压沟槽(14)内或者气体动压沟槽(14)外。

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