CN101877511A - 一种飞轮储能装置 - Google Patents

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Abstract

一种飞轮储能装置，包括：一飞轮体，设置在一密封壳体的壳腔内；飞轮体的转动中心设置有一转轴，该转轴的两端设置在密封壳体上；飞轮永磁环轨设置在飞轮体的外表面，与之对应的壳体永磁环轨设置在密封壳体的内表面，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨设有空气间隙；飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨的结构相同、转动半径相等、同性磁极相对应，由此产生的磁斥力对飞轮体进行轴向限位，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨均是由弧形永磁体单元延轨道周长方向连续排列成圆环形；密封壳体为上下两部分连结固定为一整体，在密封壳体的上下端对应于飞轮轴的中央位置各设有一个空腔室，用于设置电动机-发电机设备和电力电子变换设备；密封壳体内设有抽真空阀门。

Description

一种飞轮储能装置
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体地说，涉及一种飞轮储能装置。
背景技术
飞轮储能电池系统一般包括四个核心部分：真空室、磁浮飞轮、电动机-发电机、电力电子变换系统(Electronic Converter)。电力电子变换系统可使电动机-发电机依据工况需要变更工作状态，当飞轮需要存储动能时，其使电动机-发电机处于电动机状态，电动机驱动飞轮加速旋转存储机械动能，当外部负载需要电能时，其使电动机-发电机处于发电状态，由飞轮带动发电机旋转，将飞轮的机械动能转化为电能。为了降低、甚至杜绝飞轮高速旋转时与空气之间的摩擦阻力，均采用了真空室技术，为了减小轴摩擦均采用了磁悬浮轴承技术。
从上个世纪90年代开始，飞轮电池的专利和论文逐步多了起来，例如：《真空磁悬浮飞轮电池》(中国专利申请号：200520081544.1)；《FLYWHEEL DEVICE WITH ACTIVE MAGNETIC BEARINGS》(US006664680B1)；《FLYWHEELS FOR ENERGY STORAGE》(US005760506A)。这些技术具备飞轮物理电池的很好优点的同时，也存在体积大、结构复杂、造价高，在交通运输设备上不方便使用等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞轮储能装置，由高速机械轴承对飞轮轴进行径向限位，由永磁环轨对飞轮体进行轴向限位的飞轮机构，将该机构设置在密封真空室内，并在飞轮的轴端设置“电动机-发电机”等设备。
具体地说，本发明提供的飞轮储能装置，其包括：
一飞轮体，设置在一密封壳体内；
飞轮体的转动中心设置有一转轴，该转轴的两端可转动地设置在密封壳体上，使飞轮体以转轴为中心，在密封壳体内旋转；
在飞轮体的外表面设置有飞轮永磁环轨，与之对应地在密封壳体的内表面上设置有壳体永磁环轨，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨之间设有空气间隙；飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨的结构相同、转动半径相等、同性磁极相对应，由此产生的磁斥力对飞轮体进行轴向限位，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨均是由弧形永磁体单元延轨道周长方向连续排列成圆环形；
密封壳体为上下对称的两部分连结固定为一整体，在密封壳体的上下端对应于飞轮轴的中央位置各设有一个空腔室，用于设置电动机-发电机设备和电力电子变换设备；
密封壳体内设有抽真空阀门。
本发明的一个实施例中的飞轮体较理想的呈扁圆形，相应地，密封壳体的腔体也呈扁圆形。
本发明的一个实施例中的飞轮体和密封壳体由碳纤维、合金钢、玻璃、陶瓷或玻璃钢制成。
本发明的一个实施例中的转轴由金属或碳纤维制成。
本发明的一个实施例中的转轴的两端设有机械轴承，通过机械轴承连接在密封壳体上。
本发明的一个实施例中的永磁体硬磁材料如NdFeB制成。
本发明的一个实施例中的上下密封壳体两部分之间用螺栓和密封垫连结固定成整体，其结合缝设置在密封壳体的正中间。
本发明结构简单、体积小、重量轻、造价低、安全可靠，既可固定使用，也可安装在运输设备上使用。
附图说明
图1为本发明一种物理电池装置剖面结构示意图
具体实施方式
本发明由密封壳体、飞轮机构、电动机-发电机设备、电力电子变换设备四部分构成，其中：
密封壳体部分，由钢板按现有成熟工艺制造成轻质空腔体。也可用铝合金、玻璃钢、碳纤维等成熟工艺制造而成。轻质空腔体围成的内部壳体空间与飞轮体的体形相匹配，两者之间的气隙以飞轮高速旋转产生离心力变形时不发生碰擦为宜；外部壳体形状既可以是椭球体，也可以是矩形体。真空阀门设置在空腔体内，是物理电池运行时将飞轮室抽真空；物理电池维检时向飞轮室充气的通道阀门。
飞轮机构部分：由飞轮体、轮轴、机械轴承、飞轮永磁环轨构成。飞轮体由碳纤维按现有成熟工艺制造而成，也可用高强金属合金、高强玻璃、高强陶瓷、玻璃钢等制造。轮轴设置在飞轮体的转动中心，由金属比如但不限于钢材制造，也可用碳纤维制造。机械轴承可从市场采购。飞轮永磁环轨设置在飞轮体的外表面，与之相对应，在密封壳体内表面设置有相同结构的壳体永磁环轨，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨的转动半径相同，同性磁极相对，由此产生的磁斥力对飞轮进行轴向限位，使之只能转动，不能轴向移动。飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨由同性永磁体连续排列成环形结构而成。
电动机-发电机设备，设置在飞轮的轴端，其轴与飞轮的轴连结。关于电动机-发电机设备可从市场采购。
电力电子变换设备，可设置密封壳体内，也可设置在密封壳体外的操作台上(如电动车的驾驶室内)。其作用是变换电动机-发电机的工作状态。使之按需要即时进入电动机状态或发电机状态。
本发明的工作原理是：高速旋转的飞轮通过机械轴承进行径向约束限位，通过飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨进行轴向约束限位，使之具有良好的稳定旋转外力约束条件，在将飞轮设置在密封壳体内，抽成真空(≤10-7MPa)，使飞轮旋转的空气摩擦阻力接近于零。当飞轮需要储能时，电力电子变换设备使电动机-发电机处于电动机状态，该电动机驱动飞轮加速旋转存储机械动能；当外部负载需要电能时，电力电子变换设备，使电动机-发电机处于发电机状态，由飞轮带动该发电机旋转，将飞轮的机械动能转化为电能。
机械轴承(如深沟球轴承)将产生一定的摩擦阻力，这也是本装置的唯一不可忽略摩擦阻力，所耗掉的功率可按公知的公式计算出数值。然而，扣除这一损耗后，本发明的性能指标仍高于当前最好的锂离子电池性能指标，如比能量＞260wh/kg，使用寿命≥20年，对环境无污染，放电深度深，使用温度不受限制，功率密度大，价格低、性能稳定。与现有磁浮轴飞轮储能技术相比，技术可靠性得到了极大提高，装置结构得到了显著简化，制造与使用成本极大降低。
下面结合一实施例并结合附图对本发明进行详细说明，而不应被理解为对本发明的限定。
请参阅图1，飞轮体1呈扁圆形，由碳纤维制造，也可由高强合金钢、高强玻璃、高强陶瓷、玻璃钢制造。在飞轮体的转动中心设置转轴2，该转轴2由金属或碳纤维制造。在转轴2的两端设有机械轴承3，该机械轴承3设置在密封壳体5上。机械轴承3可从市场上采购。飞轮永磁环轨7设置在飞轮体的上下表面，与之对应，壳体永磁环轨6设置在密封壳体5的上下内表面。两个永磁环轨6、7的结构相同、转动半径相等、同性磁极相对应，由此产生的磁斥力对飞轮体进行轴向限位，使飞轮体只能转动而不能上下移动，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨由弧形永磁体单元延轨道周长方向连续排列成圆环形而成。永磁体可由硬磁材料，比如但不限于NdFeB制造。
密封壳体5，由内壳5a，外壳5b、壳腔5c按照公知的结构力学原理设计，用钢板按公知的成熟制造工艺制造成上下两部分，用螺栓和密封垫将上下两部分连结固定成整体，其结合缝12可设置在壳体对称线上，以方便装配与维检，也可以用铝合金、玻璃钢、碳纤维等成熟工艺制造。内壳5a、外壳5b、壳腔5c所用的制造材料在保证密封壳体5的强度、刚度的条件下，要尽可能薄，以减轻结构重量。内壳5a围成的扁圆形空间室，要与扁圆形飞轮体相匹配，两者之间的空气间隙以飞轮高速旋转产生离心变形时不发生碰擦为宜，外壳5b既可以是椭球体，也可以是方形体。在密封壳体5的上下，对应于飞轮轴2的中央位置，设有两个真空室9，在该真空室9内一个安装有电动机-发电机4，另一个安装有电力电子变换设备11，当电力电子变换设备11设置在密封壳体5之外的操作台上时，上下两个真空室9都可安装电动机-发电机4，一个在用，一个热备，以提高系统的可靠性。电动机-发电机设备和电力电子变换设备既可从市场购买，也可向专业生产厂商订购。在密封壳体5内，还设有真空阀门10，该阀门10是飞轮体运行时将飞轮室8抽真空，或维检时向飞轮室8充气的通道阀门。
本发明的特点是从集成创新的视角出发，广泛采用现有成熟理论、成熟技术、成熟材料、成熟制造工艺生产出了性能优良的物理电池。实验证明，该物理电池的性能与性价比远优于锂离子电池为代表的化学电池。其安全性、可靠性、可用性、可维检性优于现有磁浮轴飞轮储能技术。

Claims (8)

1.一种飞轮储能装置，其包括：
一飞轮体，设置在一密封壳体内；
飞轮体的转动中心设置有一转轴，该转轴的两端可转动地设置在密封壳体上，使飞轮体以转轴为中心，在密封壳体内旋转；
在飞轮体的外表面设置有飞轮永磁环轨，与之对应地在密封壳体的内表面设置有壳体永磁环轨，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨之间设有空气间隙；飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨的结构相同、转动半径相等、同性磁极相对应，由此产生的磁斥力对飞轮体进行轴向限位，飞轮永磁环轨和壳体永磁环轨均是由弧形永磁体单元延轨道周长方向连续排列成圆环形；
密封壳体为上下两部分连结固定为一整体，在密封壳体的上下端对应于飞轮轴的中央位置各设有一个空腔室，用于设置电动机-发电机设备和电力电子变换设备；
密封壳体内设有抽真空阀门。
2.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，飞轮体呈扁圆形，相应地，密封壳体的腔体也呈扁圆形。
3.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，飞轮体和密封壳体由碳纤维、合金钢、玻璃、陶瓷或玻璃钢制成。
4.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，转轴由金属或碳纤维制成。
5.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，转轴的两端设有机械轴承，通过机械轴承连接在密封壳体上。
6.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，永磁体为NdFeB制成。
7.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其中，上下密封壳体两部分之间用螺栓和密封垫连结固定成整体，其结合缝设置在密封壳体的中间。
8.如权利要求1、3或7所述的飞轮储能装置，其中，密封壳体的外壳为椭球体或方形体。
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