CN101127465B - 磁悬浮飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自重小、储能量大、制造成本低、能移动使用、能自由调节向外界实时放电量值和能快速充电或实时大量放电的磁悬浮飞轮储能系统。其高真空密封壳体的轴向部分采用比重小的材料制造，其飞轮轮盘上没有永磁材料部件和分为三个圆环，其永磁旋转电机装置有四套，其磁轴承是全磁悬浮轴承或半磁悬浮轴承，它还设有专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置。

Description

磁悬浮飞轮储能系统

(一)技术领域

本发明涉及磁悬浮飞轮储能系统。

(二)背景技术

磁悬浮飞轮储能系统是一种包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮和永磁旋转电机装置的以储存机械能代替储存电能的储能系统，例如美国专利US-5124605号或中国专利01126564.7号中所述的储能系统。这种储能系统借助永磁旋转电机装置让飞轮与外界进行机电能量互换，借助高真空密封壳体和磁轴承减少飞轮和永磁旋转电机装置运转时的摩擦能耗，从而让外界输入的电能以飞轮机械能的形式很好地储存下来，在需要时再以电能的形式向外界输出。

在已知的磁悬浮飞轮储能系统中：

高真空密封壳体的轴向部分(即高真空密封壳体与飞轮转轴中轴线平行部分)采用钢材制造、壳壁相当厚和壳壁厚度处处相同；

飞轮中含有众多永磁材料部件；

磁轴承只局限于是轴向和径向运动支承均采用磁悬浮运动支承的全磁悬浮轴承；

没有专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置；

永磁旋转电机装置运转时转子上永磁材料部件参与励磁的表面积固定不变；

只有一套永磁旋转电机装置(不能同时进行机电能量双向转换的永磁旋转电机装置称为一套永磁旋转电机装置)，而且转子上永磁材料部件参与励磁的表面积位于飞轮轴向端面。

它们存在自重大、储能量小、制造成本高、不能移动使用、不能自由调节向外界实时放电量值和不能快速充电或实时大量放电的缺点。

(三)发明内容

针对克服现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种自重小、储能量大、制造成本低、能移动使用、能自由调节向外界实时放电量值和能快速充电或实时大量放电的磁悬浮飞轮储能系统。

本发明的技术方案如下：

一种磁悬浮飞轮储能系统，它包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮和永磁旋转电机装置。

上述高真空密封壳体的轴向部分，由径向内缘正对飞轮轮盘径向外缘的防止飞轮破碎物外逸部分和径向内缘与永磁旋转电机装置定子电枢相连的散热部分接合而成。所述防止飞轮破碎物外逸部分采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂材料粘合而成，其轴向长度仅略大于飞轮轮盘的轴向长度，其壳壁的厚度与实现防止飞轮破碎物外逸的任务相适应，而且壳壁上贴有用于防止电磁辐射外逸的金属薄膜。所述散热部分采用轻金属材料制造，其径向外缘的形状与实现散热任务相适应。

上述磁轴承是轴向和径向运动支承均采用磁悬浮运动支承的全磁悬浮轴承，或轴向运动支承采用磁悬浮运动支承和径向运动支承采用机械轴承的半磁悬浮轴承。

上述飞轮包括转轴和固定连接在转轴上的轮盘。

所述轮盘从与转轴固定连接处向其径向外缘依任务划分为内环、中环和外环等三个圆环。

中环的任务是为轮盘提供转动惯量，它是一个钢环部件，或是一个均匀地插布有轴向钢管部件的高强纤维短丝增强树脂材料虚拟圆环；

内环的任务是把中环固定在转轴上和让中环在保证高速运行可靠性的前提下有最大旋转半径，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造；

外环的任务是提高中环承受离心力作用的能力和在中环损坏时防止其破碎物外逸，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂材料粘合而成。

上述永磁旋转电机装置有四套，它们都是直流电机装置，它们的转子都位于飞轮轮盘的轴向端面外，转子永磁材料部件参与励磁的表面积都位于转子径向端面。

第一套永磁旋转电机装置的任务是让飞轮与外界进行机电能量互换，其转子的轴向两端均与轴向定位装置连接，所述转子既伴随飞轮的转轴旋转，又受控在所述转轴上轴向移动和轴向定位，从而调节和确定转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积。该永磁旋转电机装置轴向移动转子、调节转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积时，可调节的幅度在百分之一百到零之间，而且在任何时候所述转子上永磁材料部件的旋转磁力线都不会影响其它永磁旋转电机装置的定子电枢。

第二套永磁旋转电机装置的任务是监测飞轮的实时转速和在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时向第三套永磁旋转电机装置提供电能，其转子固定在飞轮的转轴上。当飞轮旋转时，该套永磁旋转电机装置处于发电的工作状况，在控制电路的控制下，它所产生的电能首先用于监测飞轮的实时转速，然后在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时分别向第三套和第四套永磁旋转电机装置输出，在第一套永磁旋转电机装置的转子不需要轴向移动时全部向第四套永磁旋转电机装置输出。

第三套永磁旋转电机装置的任务是轴向移动第一套永磁旋转电机装置的转子和协同轴向定位装置给所述转子轴向定位，其转子不与飞轮的转轴连接，转子的轴向一端连接轴向定位装置。当有电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子在输入电能量值和电流方向的控制下旋转，转子旋转时沿飞轮的转轴轴向移动，并借助轴向定位装置带动第一套永磁旋转电机装置的转子轴向移动；当无电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子不会沿飞轮的转轴轴向移动，并协同轴向定位装置给第一套永磁旋转电机装置的转子轴向定位。

所述轴向定位装置包括用于把第一套永磁旋转电机装置转子推离飞轮轮盘的弹簧、固定在高真空密封壳体上的弹簧底座和两套推力磁轴承，其中一套推力磁轴承的轴向两端分别连接弹簧和第一套永磁旋转电机装置的转子，另一套推力磁轴承的轴向两端分别连接第一套和第三套永磁旋转电机装置的转子。

第四套永磁旋转电机装置的任务是把从第二套永磁旋转电机装置向其输入的电能转换为飞轮的机械能，其转子固定在飞轮的转轴上。

此外，该磁悬浮飞轮储能系统还设有专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置，该装置由分别固定在高真空密封壳体和飞轮转轴上用于代替所述永磁材料部件对发生自我碰撞的替代碰撞部件对构成。

所述替代碰撞部件对的替代碰撞部件采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，所述替代碰撞部件对的最大间隙，小于它所对应的永磁材料部件对的最大间隙，而且替代碰撞部件对在发生自我碰撞时的碰撞处均位于飞轮转轴的中轴线上或中轴线附近。

与现有技术相比，本发明能够达成目的理由如下：

由于制造材料的比重小，从而高真空密封壳体轴向部分的重量小，因此本发明的自重小；

由于飞轮轮盘的质量向中环高度集中，中环又因内环和外环而拥有更大旋转半径，从而飞轮的储能量大，因此本发明的储能量大；

由于飞轮中没有众多永磁材料部件，保证动平衡精度的难度低，从而飞轮的制造工艺成本低，此外，由于还可以采用制造成本较低的半磁悬浮轴承，多了一种降低制造成本的选择，因此本发明的制造成本低；

由于设有专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置，从而磁轴承具备了移动使用可靠性，因此本发明能够移动使用；

由于第一套永磁旋转电机装置的转子能受控轴向移动，调节转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积，也就是说，所述永磁旋转电机装置的实时磁矩能够自由调节，从而所述永磁旋转电机装置的实时发电量值亦能自由调节，因此本发明能自由调节向外界实时放电量值；

由于第一套永磁旋转电机装置的转子位于飞轮轮盘轴向端面外和其永磁材料部件参与励磁的表面积位于转子径向端面，转子的轴向长度可以很大，从而转子永磁材料部件参与励磁的表面积亦可以很大，也就是说，所述永磁旋转电机装置的功率可以很大，因此本发明能实现快速充电或实时大量放电。

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

(四)附图说明

附图1是依据本发明的一种磁悬浮飞轮储能系统结构半剖视图；

附图2是依据本发明的另一种磁悬浮飞轮储能系统结构半剖视图；

附图3是附图2所述磁悬浮飞轮储能系统的飞轮轮盘结构俯视图。

(五)具体实施方式

在本发明的两个实施例中，磁悬浮飞轮储能系统的结构分别如附图1和2所示。它们都包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮和永磁旋转电机装置。

附图1和2所示磁悬浮飞轮储能系统的高真空密封壳体的轴向部分，由防止飞轮破碎物外逸部分(1a)和散热部分(1b)接合而成。

所述防止飞轮破碎物外逸部分(1a)的径向内缘正对飞轮轮盘的径向外缘，其轴向长度仅略大于飞轮轮盘的轴向长度。附图1中的该部分采用碳纤维短丝增强环氧树脂材料制造；附图2中的该部分用碳纤维长丝层层缠绕以环氧树脂材料粘合而成。鉴于实施例的飞轮设计极限转速均为250000rpm和上述材料的强度，该部分的壳壁厚度分别为5cm和3.5cm，以便能与实现其防止飞轮破碎物外逸的任务相适应，而且为了防止电磁辐射从该部分逸出高真空密封壳体，该部分的壳壁上均贴有金属薄膜(1aa)。

所述散热部分(1b)的径向内缘与永磁旋转电机装置的定子电枢相连，为了减轻自重和更好散热，它采用铝合金材料制造，而且径向外缘为散热片状，以便与实现其散热任务相适应。

附图1所示磁悬浮飞轮储能系统的磁轴承，是轴向和径向运动支承均采用磁悬浮运动支承的全磁悬浮轴承，它包括用于轴向磁悬浮运动支承的永磁材料部件对(2a)和用于径向磁悬浮运动支承的永磁材料部件对(2b)。

附图2所示磁悬浮飞轮储能系统的磁轴承，是轴向运动支承采用磁悬浮运动支承和径向运动支承采用机械轴承的半磁悬浮轴承，它包括用于轴向磁悬浮运动支承的永磁材料部件对(2a)和用于径向机械运动支承的机械轴承(2c)。

附图1和2所示磁悬浮飞轮储能系统的飞轮包括转轴(3a)和固定连接在转轴上的轮盘。所述轮盘从与转轴固定连接处向其径向外缘，依任务划分为内环(3ba)、中环(3bb)和外环(3bc)等三个圆环。

所述中环的任务是为轮盘提供转动惯量，附图1中的中环是一个采用高强度钢材制造的钢环，附图2和3中的中环是一个均匀地插布有采用高强度钢材制造的轴向钢管(3bba)的碳纤维短丝增强环氧树脂材料虚拟圆环(该虚拟圆环的范围在附图3中用虚线标示)。

所述内环的任务是把中环固定在转轴上和让中环在保证高速运行可靠性的前提下有最大旋转半径，它采用高强纤维短丝增强树脂材料制造。

所述外环的任务是提高中环承受离心力作用的能力和在中环损坏时防止其破碎物外逸，附图1中的外环采用碳纤维长丝层层缠绕以环氧树脂材料粘合而成，附图2和3中的外环采用碳纤维短丝增强环氧树脂材料制造。

在附图1和2所示磁悬浮飞轮储能系统中均有四套永磁旋转电机装置，它们都是直流电机装置，它们的转子都位于飞轮轮盘的轴向端面外，转子上永磁材料部件参与励磁的表面积都位于转子径向端面。

第一套永磁旋转电机装置包括转子(4aa)和定子电枢(4ab)，它的任务是让飞轮与外界进行机电能量互换，其转子的轴向两端均与轴向定位装置连接。所述转子(4aa)既伴随飞轮的转轴旋转，又受控在所述转轴上轴向移动和轴向定位，从而调节和确定转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积。该永磁旋转电机装置轴向移动转子、调节转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积时，可调节的幅度在百分之一百到零之间，而且在任何时候，所述转子上永磁材料部件的旋转磁力线都不会影响其它永磁旋转电机装置的定子电枢。附图1和2中所示的是转子(4aa)上永磁材料部件实时参与励磁表面积的幅度为百分之一百，此时，所述表面积全部对正定子电枢(4ab)，与第二套和第四套永磁旋转电机装置的定子电枢有相当距离，所以，其旋转磁力线不会影响到定子电枢(4bb)和(4db)，飞轮机械能不会经由定子电枢(4bb)和(4db)散失；当转子(4aa)轴向移动到另一尽头、其永磁材料部件实时参与励磁表面积的幅度为零时，所述表面积与第三套永磁旋转电机装置的定子电枢亦有相当距离，其旋转磁力线不会影响定子电枢(4cb)，飞轮机械能也不会经由定子电枢(4cb)散失。

第二套永磁旋转电机装置包括转子(4ba)和定子电枢(4bb)，它的任务是监测飞轮的实时转速和在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时向第三套永磁旋转电机装置提供电能，其转子(4ba)固定在飞轮的转轴上。当飞轮旋转时，该套永磁旋转电机装置处于发电的工作状况，在控制电路(5)的控制下，它所产生的电能首先用于监测飞轮的实时转速，然后在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时分别向第三套和第四套永磁旋转电机装置输出，在第一套永磁旋转电机装置的转子不需要轴向移动时把所述电能全部向第四套永磁旋转电机装置输出。

第三套永磁旋转电机装置包括转子(4ca)、定子电枢(4cb)和螺纹导向部件(4cc)，它的任务是轴向移动第一套永磁旋转电机装置的转子和协同轴向定位装置给所述转子轴向定位，其转子径向内缘的螺纹与螺纹导向部件的螺纹滑配，转子的轴向一端连接轴向定位装置。当有电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子在输入电能量值和电流方向的控制下旋转，转子旋转时沿螺纹导向部件轴向移动，并借助轴向定位装置带动第一套永磁旋转电机装置的转子轴向移动；当无电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子停在螺纹导向部件上，并协同轴向定位装置给第一套永磁旋转电机装置的转子轴向定位。

所述轴向定位装置包括用于把第一套永磁旋转电机装置转子推离飞轮轮盘的弹簧(6a)、固定在高真空密封壳体上的弹簧底座(6aa)和两套推力磁轴承；其中一套推力磁轴承(6ba)的轴向两端分别连接弹簧和第一套永磁旋转电机装置的转子，另一套推力磁轴承(6bb)的轴向两端分别连接第一套和第三套永磁旋转电机装置的转子。

第四套永磁旋转电机装置包括转子(4da)和定子电枢(4db)，它的任务是把从第二套永磁旋转电机装置向其输入的电能转换为飞轮的机械能，其转子(4da)固定在飞轮的转轴上。当有电能从第二套永磁旋转电机装置向该套永磁旋转电机装置输入时，该套永磁旋转电机装置处于电动的工作状况。

此外，在附图1和2所示磁悬浮飞轮储能系统中，还设有专门用于防止其磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置。该装置由分别固定在高真空密封壳体和飞轮的转轴上，用于代替所述永磁材料部件对发生自我碰撞的替代碰撞部件对(7a)和(7b)构成。所述替代碰撞部件对的替代碰撞部件采用碳纤维短丝增强环氧树脂材料制造。从附图1中可见，所述替代碰撞部件对(7a)的最大间隙小于它所对应的永磁材料部件对(2a)的最大间隙，所述替代碰撞部件对(7b)的最大间隙小于它所对应的永磁材料部件对(2b)的最大间隙。从附图2中可见，所述替代碰撞部件对(7a)的最大间隙小于它所对应的永磁材料部件对(2a)的最大间隙，从面它们能起到防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的作用。从附图1和2中还可见，所述替代碰撞部件对在发生自我碰撞时的碰撞处，均位于飞轮转轴的中轴线(oo’)上或中轴线(oo’)附近(例如替代碰撞部件对(7a)在发生自我碰撞时的碰撞处位于飞轮转轴的中轴线(oo’)上，替代碰撞部件对(7b)在发生自我碰撞时的碰撞处位于飞轮转轴的中轴线(oo’)附近)，以便碰撞处的旋转半径较小而撞击力较小。

通过上述实施例，本专业的普通技术人员应能了解本发明的实质，而且明白在该实质的前提下不难对实施例的细微之处作出各种各样调整和变化，所以本发明不局限于上述实施例，只要涉及权利要求所述的特征均属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种磁悬浮飞轮储能系统，它包括高真空密封壳体、磁轴承、飞轮和永磁旋转电机装置；其特征在于：

上述高真空密封壳体的轴向部分，由径向内缘正对飞轮轮盘径向外缘的防止飞轮破碎物外逸部分和径向内缘与永磁旋转电机装置定子电枢相连的散热部分接合而成，所述防止飞轮破碎物外逸部分采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂材料粘合而成，所述散热部分采用轻金属材料制造；

上述磁轴承是轴向和径向运动支承均采用磁悬浮运动支承的全磁悬浮轴承，或轴向运动支承采用磁悬浮运动支承和径向运动支承采用机械轴承的半磁悬浮轴承；

上述飞轮包括转轴和固定连接在转轴上的轮盘，所述轮盘从与转轴固定连接处向其径向外缘，依任务划分为内环、中环和外环等三个圆环，中环的任务是为轮盘提供转动惯量，内环的任务是把中环固定在转轴上和让中环在保证高速运行可靠性的前提下有最大旋转半径，外环的任务是提高中环承受离心力作用的能力和在中环损坏时防止其破碎物外逸；

上述永磁旋转电机装置有四套，它们的转子都位于飞轮轮盘的轴向端面外，转子永磁材料部件参与励磁的表面积都位于转子径向端面，

第一套永磁旋转电机装置的任务是让飞轮与外界进行机电能量互换，其转子的轴向两端均与轴向定位装置连接，所述转子既伴随飞轮的转轴旋转，又受控在所述转轴上轴向移动和轴向定位，从而调节和确定转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积，

第二套永磁旋转电机装置的任务是监测飞轮的实时转速和在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时向第三套永磁旋转电机装置提供电能，其转子固定在飞轮的转轴上，当飞轮旋转时，该套永磁旋转电机装置处于发电的工作状况，在控制电路的控制下，它所产生的电能首先用于监测飞轮的实时转速，然后在第一套永磁旋转电机装置的转子需要轴向移动时分别向第三套和第四套永磁旋转电机装置输出，在第一套永磁旋转电机装置的转子不需要轴向移动时全部向第四套永磁旋转电机装置输出，

第三套永磁旋转电机装置的任务是轴向移动第一套永磁旋转电机装置的转子和协同轴向定位装置给所述转子轴向定位，其转子不与飞轮的转轴连接，转子的轴向一端连接轴向定位装置，当有电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子在输入电能量值和电流方向的控制下旋转，转子旋转时沿飞轮的转轴轴向移动，并借助轴向定位装置带动第一套永磁旋转电机装置的转子轴向移动，当无电能向该套永磁旋转电机装置输入时，其转子不会沿飞轮的转轴轴向移动，并协同轴向定位装置给第一套永磁旋转电机装置的转子轴向定位，

所述轴向定位装置包括用于把第一套永磁旋转电机装置转子推离飞轮轮盘的弹簧、固定在高真空密封壳体上的弹簧底座和两套推力磁轴承，其中一套推力磁轴承的轴向两端分别连接弹簧和第一套永磁旋转电机装置的转子，另一套推力磁轴承的轴向两端分别连接第一套和第三套永磁旋转电机装置的转子，

第四套永磁旋转电机装置的任务是把从第二套永磁旋转电机装置向其输入的电能转换为飞轮的机械能，其转子固定在飞轮的转轴上；

此外，该磁悬浮飞轮储能系统还设有专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置，该装置由分别固定在高真空密封壳体和飞轮的转轴上用于代替所述永磁材料部件对发生自我碰撞的替代碰撞部件对构成。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其高真空密封壳体轴向部分的防止飞轮破碎物外逸部分的特征在于：

所述防止飞轮破碎物外逸部分的轴向长度仅略大于飞轮轮盘的轴向长度，其壳壁厚度与实现防止飞轮破碎物外逸的任务相适应，而且壳壁上贴有用于防止电磁辐射外逸的金属薄膜。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其高真空密封壳体轴向部分的散热部分的特征在于：

所述散热部分径向外缘的形状与实现散热任务相适应。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其飞轮轮盘的中环、内环和外环的特征在于：

所述中环是一个钢环部件，或是一个均匀地插布有轴向钢管部件的高强纤维短丝增强树脂材料虚拟圆环；

所述内环采用高强纤维短丝增强树脂材料制造；

所述外环采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，或用高强纤维长丝层层缠绕以树脂材料粘合而成。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其四套永磁旋转电机装置的特征在于：

所述四套永磁旋转电机装置都是直流电机装置。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其第一套永磁旋转电机装置的特征在于：

所述永磁旋转电机装置轴向移动转子、调节转子上永磁材料部件实时参与励磁的表面积时，可调节的幅度在百分之一百到零之间，而且在任何时候所述转子上永磁材料部件的旋转磁力线都不会影响其它永磁旋转电机装置的定子电枢。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能系统；其专门用于防止磁轴承的永磁材料部件对发生自我碰撞的装置的替代碰撞部件对的特征在于：

所述替代碰撞部件对的替代碰撞部件采用高强纤维短丝增强树脂材料制造，所述替代碰撞部件对的最大间隙，小于它所对应的永磁材料部件对的最大间隙，而且替代碰撞部件对在发生自我碰撞时的碰撞处均位于飞轮转轴的中轴线上或中轴线附近。

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