CN101924418A

CN101924418A - 一种双圆盘结构飞轮储能系统

Info

Publication number: CN101924418A
Application number: CN2009102159670A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托弗·盖卜瑞斯
Original assignee: SUZHOU FEILAITE ENERGY SOURCES TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU FEILAITE ENERGY SOURCES TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明涉及一种飞轮储能系统。一种双圆盘结构飞轮储能系统，由两个圆盘组成，两个飞轮在中央部位耦合在一起，在其余部位分开，并在一个密封的容器内由轴承支撑，做轴向旋转。飞轮通过集成其上的电机进行加速或减速，从而实现充电或放电。飞轮的电机包括轴向吸附在轮盘上的一组轴向磁极交替的磁铁组成，这样磁力线就可以来回穿过上下两个轮盘之间的空隙，形成磁隙。电机的空心电枢就位于磁隙中，包括多相绕组与磁铁产生电磁感应。磁铁在径向上由外部的一个约束环箍住，用来抵抗旋转时产生的离心力。

Description

一种双圆盘结构飞轮储能系统

技术领域

本实用型涉及一种高效率、高功率、低成本的飞轮储能系统。

背景技术

作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，飞轮储能系统储存电能，具有寿命长、维护量小、高效率、和高功率的优点。飞轮储能依靠旋转的飞轮把电能转换为动能储存起来。飞轮储能系统依靠电机来实现充放电。充电时，电机推动飞轮转动，把电能转换为动能储存起来；放电时，飞轮驱动电机，把动能转换为电能释放出去。电机有多种设计方法，不同方法有各自的优点，适合于不同的要求。飞轮一般使用钢和复合材料来制造，所以有钢飞轮、复合材料飞轮、以及钢和复合材料混合飞轮。飞轮储能系统一般使用磁悬浮轴承来支撑飞轮，来实现减少摩擦和提高系统寿命。为了减少空气阻力，飞轮一般放在密闭的真空容器中。尽管有许多方法来设计飞轮储能系统，一种具有低成本、高效率、高功率的飞轮储能系统是目前业界追求的目标。

发明内容

本发明是提供了一种双圆盘结构飞轮储能系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双圆盘结构飞轮储能系统，具有两个不含孔洞的实心钢质轮盘，在两个轮盘在外径部位是分开的，在中心部位固定连接在一起，在轮盘的盘面上设置有作为电机的磁通来源的环形轴向交替磁极的磁体，在磁体气隙中间设置有电机定子的空心电枢，在磁体的外围设置有径向约束磁体的约束环。

轮盘的固定方式具体可采用：轮盘通过过盈配合到中央的一个独立的圆管实现连接到一起。或者，轮盘通过设置于轮盘上的中心凹凸的插口过盈配合连接到一起。

外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度，但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。或者，复合材料环使用过盈配合来预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合材料环的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。第三种方法，约束环由轮盘外缘轴向伸出的剪切唇及剪切唇的外侧设置的碳纤维树脂约束环组成。

由于圆盘上没有孔洞，提高了飞轮的转速。两个圆盘在中央位置通过盈配合套在一起，在其余部位是分开的。

集成在飞轮上的电机，使飞轮通过加速和减速来实现充电和放电。电机的轴向磁极交替的磁体分别吸附在上下两个钢圆盘上。磁力线来回穿过圆盘之间的空隙，构成回路。电机的定子位于磁体气隙中间，采用空心电枢。空心电枢使用多相绕组，与旋转磁体产生感应。磁体使用永磁体，轴向吸附在钢圆盘上。磁体在径向上被外围一个约束环束缚，来抵抗旋转时产生的离心力。

虽然使用两个圆盘比使用一个圆盘造价高，然而本方法降低了整个系统的成本。两个圆盘扣在一起，构成了电机的一部分。把磁体简单的吸附到圆盘上，构成了电机的磁通来源。这种电机实现了非常高的效率和功率，因为它免去了电机常用的叠片，并且提高了磁体的线速度。电机叠片的免去，是因为整个磁通路径与飞轮一同转动，周向变化的磁通不需要穿过定子。叠片的免去和使用空心电枢进一步降低了成本。

空心电枢使用利兹导线缠绕，放在绝磁的盘上，这样实现了最高的效率和简单的制作。利兹导线，或者多股相互绝缘的导线，阻止了绕组中的涡流电流。也可以采用其它种类的空心电枢。由于钢圆盘使用过盈配合扣在一起，没有孔洞，是一种有效提高飞轮转速的方法。

外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度，但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。第三种方法，复合材料环使用过盈配合来预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合材料环的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。

除了轮盘和约束环的应力之外，磁体的应力也是个问题。弯曲应力可以很容易使磁体产生裂缝。为了消除这个问题，在磁体和环之间插入一个缓冲，这个缓冲环材料的弹性模量要比约束环和磁体的弹性模量低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的飞轮储能系统的正视图。

图2是本发明的第一种替代飞轮储能系统的正视图。

图3是本发明的第二种替代飞轮储能系统的正视图。

图4是本发明的第三种替代飞轮储能系统的正视图。

图5是本发明的飞轮储能系统空心电枢的平面示意图。

图6是本发明的飞轮储能系统空心电枢的正视图。

具体实施方式

如图1所示的一种双圆盘结构飞轮储能系统，飞轮系统30由包括轮盘32和33的飞轮体31构成。两个轮盘通过过盈配合于中间的圆管34来连接在一起，圆管34通常采用非铁性材料制作，如采用铝管。集成在轮盘32、33上，是电机35。电机35由一组环形轴向交替磁极的磁体36、37构成，磁体36、37吸附在轮盘32和轮盘33上。这组磁体由永磁体构成或是磁化的磁铁构成。磁铁可以吸附在一个轮盘上，最好是两个轮盘，这样能提高电机效率和功率。轮盘32、33分别轴向伸出的剪切唇50、51，构成了环形约束环，在径向上约束磁体36、37。磁体36、37驱动磁通在轮盘32和33之间的空隙来回穿过，构成回路，并穿过轮盘32和33之间的空心电枢38。空心电枢最好由多相利兹导线绕成，可以减少涡流损耗。绕组放在绝磁体上，来减少磁损失和简化制造。

轮盘32、33在径向上由上下两个机械轴承39、40来支撑。轴向磁轴承41支撑着轮盘32、33的重量，有效地提高了机械轴承39、40的寿命。磁轴承41由两个轴向相互排斥的旋转磁体42和静止磁体43组成。这种轴承系统实现了低成本和高寿命。电枢导线44通过密闭馈通45从容器52中伸出，连接到电力电子46上。电力电子46连接系统外部的电力连接47。容器52包含着内部的腔53，真空泵48通过真空连接49连接着容器52。吸气泵，可以替代真空泵对腔53维持真空，并在一些场合非常合适。

图2是第一种替代设计。飞轮储能系统60由包括两个钢轮盘62、63的飞轮体61组成。轮盘62、63包含在真空密闭的容器64中的内腔65中。轮盘62、63由插口66过盈配合连接在一起。

集成上轮盘上62、63上面的是电机67，电机通过飞轮的加速和减速来实现充放电。电机67由环形轴向交替磁极的磁体68、69组成，磁体68、69粘在轮盘轮盘上62、63上面。磁体68、69在径向上被轮盘轴向伸出的剪切唇和碳纤维树脂约束环70、71约束，这样能够减少磁体所承受的离心力。约束环70、71被预压到轮盘62、63上。剪切唇和约束环70、71变厚度预压扣在一起。这种预压方法能够实现高转速，但是比较图1的设计，它增加了成本。

磁体68、69驱动磁通轴向穿过位于轮盘62、63之间的磁体空隙84，并环形地充满整个轮盘周向。空心电枢85位于在磁体空隙84之间，空心电枢85由多相绕组构成。轮盘62、63由上下两个机械轴承72、73，以及一个被动磁轴承74所支撑。磁轴承74由吸附在轮盘63上的旋转磁体75和静止磁体76构成。电枢导线77通过密闭馈通78退出容器64，连接到电力电子79和电力主线80。容器64中的真空腔体65由真空泵81通过真空管82来维持真空。

第二种替代方法是图3的飞轮储能系统100，由包含两个钢轮盘102、103的飞轮体101组成。钢轮盘102、103通过中央的圆管104过盈连接在一起。轮盘102、103在密闭容器105中的真空腔106中，真空由真空泵107和真空连接管108产生。

集成在轮盘102、103上是电机109，它由吸附在轮盘102、103上的轴向交替变化磁极的磁体110、111构成。磁体110、111驱动磁通穿过轮盘102、103的磁隙112。空心电枢113位于磁隙112之间，由多相绕组组成。磁体110、111在径向上被碳纤维树脂环114、115约束住。轮盘102、103由上下两个球轴承116、117支撑。磁轴承118通过旋转磁体119和静止磁体120的互斥来支撑轮盘102、103的重量。电枢导线121退出容器105连接到外部的电力电子122和电力主线123。

第三种替代方法是图4所示的飞轮储能系统150，由包括两个实心轮盘152、153的飞轮体151组成。轮盘152、153是通过过盈配合到中央的圆管154连接一起，过盈配合可以通过压或者热处理来实现。轮盘152、153在一个真空密闭的容器内部的腔155内，真空是通过真空泵和真空连接管157来维持的。

电机158集成在轮盘152、153上，并包括了一组环形的轴向磁极交替的磁体159、160，磁体159、160吸附到轮盘152、153上。磁体159、160驱动磁通穿过轮盘152、153之间的磁隙161。空心电枢162位于磁隙161中间。电枢162包含绕组来实现飞轮系统动能和电能的转换。轮盘152、153伸出剪切唇163、164，用来约束磁体159、160。为了避免高速转动时磁体159、160的断裂，低弹性模量环165、166(低于磁体和轮盘的弹性模量)设置在磁体和轮盘之间。低弹性模量环165、166一般由黄铜或铝，或者塑料材料制造。轮盘152、153由上下两个机械轴承167、168径向支撑。一个被动轴向磁力轴承用来支撑轮盘152、153的重量。旋转磁体170和静止磁体171互斥组成了这个被动轴向磁力轴承。电枢的导线172通过一个密封连接173退出飞轮本体151，连接到外部的电力电子174和电力主线175。

空心电枢可以有几种方法制作。一种良好的方法是图5中的电枢190。电枢190由利兹导线绕组191构成，这些绕组嵌在塑料盘192上的沟槽中。绕组191由多束导线绕成，起始点分别是193和194。

图6所示空心电枢190(正视图)。电枢190中的利兹导线绕组191嵌在塑料盘192的沟槽中。多个塑料盘轴向装配在一起，用来容纳三相绕组196、197、、198，每相绕组在周向上相差120度。其它相数的绕组也可以使用。

Claims

1.一种双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：具有两个不含孔洞的实心钢质轮盘，在两个轮盘在外径部位是分开的，在中心部位固定连接在一起，在轮盘的盘面上设置有作为电机的磁通来源的环形轴向交替磁极的磁体，在磁体气隙中间设置有电机定子的空心电枢，在磁体的外围设置有径向约束磁体的约束环。

2.根据权利要求1所述的双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：所述轮盘通过过盈配合到中央的一个独立的圆管实现连接到一起。

3.根据权利要求1所述的双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：所述轮盘通过设置于轮盘上的中心凹凸的插口过盈配合连接到一起。

4.根据权利要求1所述的双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：所述约束环为由轮盘外缘轴向伸出的剪切唇。

5.根据权利要求1所述的双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：所述约束环为轮盘外缘粘结的碳纤维树脂约束环。

6.根据权利要求1所述的双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：所述约束环为由轮盘外缘轴向伸出的剪切唇及剪切唇的外侧设置的碳纤维树脂约束环组成。