CN102082483A - 一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，包括上轴、下轴、飞轮本体、永磁轴承、电机、轴承座、阻尼器和容器，下轴的底端设有球头，球头位于轴承座顶端的凹槽中，阻尼器定子嵌在上软磁环的圆环槽中；阻尼器转子嵌在飞轮本体上部的圆环槽中，并且转子外绝磁环的上端面与定子外永磁环的下端面相对，转子外永磁环的上端面与定子中绝磁环的下端面相对，转子中绝磁环的上端面与定子中永磁环的下端面相对，转子内永磁环的上端面与定子内绝磁环的下端面相对，转子内绝磁环的上端面与定子内永磁环的下端面相对。该结构的飞轮储能装置，可以使飞轮本体能够顺利通过低阶临界转速，整个飞轮储能装置具有良好的动态特性。

Description

一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置

技术领域

本发明属于电能转换与存储技术领域，具体来说，涉及一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能装置具有电能转换效率高、充放电快捷、不受地理环境的限制、不污染环境、单位质量储能密度大等突出优势，可以用于电力调峰、电动汽车飞轮电池、不间断供电、电磁炮、电化学炮和大功率电焊机等领域。目前飞轮技术正超着高速化、大功率方向发展。立式永磁悬浮轴承和枢轴宝石轴承飞轮储能装置为一类经典结构，倍受学术界关注。为抑制转子振动，国内外的飞轮储能装置多使用滑块式阻尼器、悬吊式阻尼器或者摆动式油膜阻尼器，以便使转子具有良好的动态特性。但是，在轴系中引入油膜阻尼器，会导致飞轮结构复杂、成本较高。大储能量飞轮迫切需要提高永磁轴承的承载能力，这就迫使增大当前广泛采用的永磁轴承的尺寸。但是，大尺寸单环永磁轴承，由于受稀土永磁材料的强度极限的制约，难以在高速工况下运转。传统型的高速枢轴宝石轴承，在较大承载力下易产生裂纹而失效，这就迫切需要提出新型的低功耗轴向止推轴承。立式永磁悬浮轴承和枢轴宝石轴承飞轮储能装置还存在一个固有技术缺陷：通过低阶临界转速时，容易发生大幅度振动而失稳。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，使得飞轮本体能够顺利地通过低阶临界转速，不会发生大幅度振，使整个飞轮储能装置具有良好的动态特性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，包括上轴、下轴、飞轮本体、由上磁环和下磁环组成的永磁轴承、电机、轴承座、阻尼器和由机架构成的容器，上轴、下轴、飞轮本体、永磁轴承、电机、轴承座、阻尼器位于容器中；所述的飞轮本体的上部设有上轴, 下部设有下轴,电机的转子与上轴连接，电机的定子固定在机架上，下轴的底端设有球头，球头位于轴承座顶端的凹槽中，并且轴承座浸没在润滑油中；所述的飞轮本体的底面的圆环槽中放置永磁轴承的上磁环，永磁轴承的下磁环位于机架上；所述的阻尼器为涡流阻尼器，涡流阻尼器包括阻尼器定子和阻尼器转子，阻尼器定子包括由外向内依次贴合连接的定子外绝磁环、定子外永磁环、定子中绝磁环、定子中永磁环、定子内绝磁环和定子内永磁环，阻尼器定子嵌在上软磁环的圆环槽中，上软磁环固定在机架上；阻尼器转子包括由外向内依次贴合连接的转子外绝磁环、转子外永磁环、转子中绝磁环、转子内永磁环和转子内绝磁环，阻尼器转子嵌在飞轮本体上部的圆环槽中，并且转子外绝磁环的上端面与定子外永磁环的下端面相对，转子外永磁环的上端面与定子中绝磁环的下端面相对，转子中绝磁环的上端面与定子中永磁环的下端面相对，转子内永磁环的上端面与定子内绝磁环的下端面相对，转子内绝磁环的上端面与定子内永磁环的下端面相对；所述的定子外永磁环、定子中永磁环和转子内永磁环S极到N极的指向均为从上向下，或者均为从下向上；定子内永磁环和转子外永磁环S极到N极的指向均为从下向上，或者均为从上向下；定子内永磁环S极到N极的指向和定子外永磁环S极到N极的指向相反。

进一步，所述的永磁轴承的上磁环S极到N极的指向为从上向下，或者从下向上，永磁轴承的下磁环S极到N极的指向与永磁轴承的上磁环S极到N极的指向相反。

进一步，所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，还包括碰摩保护装置，碰摩保护装置包括青铜环和聚四氟乙烯保护环，青铜环套装在上轴的外侧，聚四氟乙烯保护环固定在机架上，并且聚四氟乙烯保护环的内壁和青铜环的外壁相对应。

进一步，所述的轴承座的凹槽的表面和球头的表面分别设置有碳化钛膜涂层、或者氮化钛膜涂层、或者钛膜涂层、或者金刚石膜涂层。

有益效果：与现有技术相比，采用本技术方案的有益效果是：1.飞轮储能装置中飞轮本体能够顺利地通过临界转速，不会发生大幅度振，使整个飞轮储能装置具有良好的动态特性。在本技术方案中，阻尼器为涡流阻尼器。涡流阻尼器包含阻尼器定子和阻尼器转子，阻尼器定子固定在软磁环中，阻尼器转子固定在飞轮本体的上表面。整个涡流阻尼器的结构简单。当飞轮本体做横向振动时，引起阻尼器定子和阻尼器转子之间的轴向气隙中的磁感性强度发生变化，导电的磁绝缘环在交变的磁场作用下产生电涡流，对飞轮本体起到阻尼减振作用。涡流阻尼器克服了传统油膜阻尼器的结构复杂、制造复杂、成本较高的问题。另外，本技术方案的支撑方式采用球头位于轴承座顶端的凹槽中，轴承座浸没在润滑油中。这样，球头与轴承座的凹槽的接触为点接触，摩擦损耗很低。这一支撑方式对转子还具有一定的防倾覆能力，有助于减小下轴的直径，有助于降低转子支承装置的一阶临界频率。这对于高速旋转飞轮的动态特性是非常有利的，不仅可减小转子通过临界转速时的动载荷，而且确保一阶临界转速远远低于工作转速，使得转子的质心和中心惯性主轴通过一阶临界转速后能“自动对中”。因此，采用结构简单的涡流阻尼器和利用轴承座支撑飞轮，飞轮本体可以顺利地通过临界转速，并具有良好的动态特性。

2.飞轮装置通过低阶临界转速时，不会发生大幅度振动而失稳。在本技术方案中，永磁轴承的下磁环S极到N极的指向与永磁轴承的上磁环S极到N极的指向相反。本技术方案中的永磁轴承为斥力永磁轴承。斥力永磁轴承可以起到轴向与径向承载作用，可以卸去飞轮本体的重量，减小飞轮本体下轴承的载荷，从而保证飞轮装置通过低阶临界转速时，不会发生大幅度振动而失稳。

3.飞轮储能装置平稳地通过临界转速，并对突加激励具有防护作用。在本技术方案中，飞轮储能装置还包括由青铜环和聚四氟乙烯保护环组成的碰摩保护装置。碰摩保护装置可以防止飞轮本体由于径向失稳而出现的灾难性事故。当发生径向失稳时，青铜环和聚四氟乙烯保护环通过相互的碰撞来耗散能量，提高飞轮储能装置的动态特性。因此，碰摩保护装置可以保证飞轮储能装置平稳地通过临界转速，并对突加激励具有防护作用。

4.止推轴承的使用寿命长。在技术方案中，在球头和轴承座的凹槽的表面分别设置有碳化钛膜涂层、或者氮化钛膜涂层、或者钛膜涂层、或者金刚石膜涂层。这样，由球头和轴承座组成的止推轴承具有高硬度、低摩擦系数、优异耐磨性和良好抗粘着性能。止推轴承的使用寿命得以大幅度延长。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图。

图2本发明中的涡流阻尼器的结构剖视图图。

图3本发明中的永磁轴承的上磁环的一种结构俯视图。

图中有：上软磁环1、电机2、聚四氟乙烯保护环3、青铜环4、上轴5、限位柱6、阻尼器定子7、阻尼器转子8、飞轮本体9、上磁环10、下磁环11、下轴12、球头13、轴承座14、润滑油15、下软磁环16、容器17、半圆形环片101、定子外绝磁环701、定子外永磁环702、定子中绝磁环703、定子中永磁环704、定子内绝磁环705和定子内永磁环706、转子外绝磁环801、转子外永磁环802、转子中绝磁环803、转子内永磁环804、转子内绝磁环805。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，包括上轴5、下轴12、飞轮本体9、由上磁环10和下磁环11组成的永磁轴承、电机2、轴承座14、阻尼器和由机架构成的容器17。上轴5、下轴12、飞轮本体9、永磁轴承、电机2、轴承座14、阻尼器14位于容器17中。容器17优选真空密封容器。这样可以降低飞轮储能装置在运行过程中的风损。飞轮本体9采用金属制造。采用金属制造飞轮本体9，具有成本低廉、单位体积惯性大和出气率低的优点。整个飞轮储能装置采用立式结构。为了安装与调试的方便，电机2安装在飞轮本体9的上方。所述的飞轮本体9的上部设有上轴5，下部设有下轴12。电机2的转子与上轴5连接，电机2的定子固定在机架上，电机2的定子和电机2的转子相对应。电机2的转子可以与飞轮做成一体。这样，电机2结构简单、充放电同步快捷。下轴12的底端设有球头13，球头13位于轴承座14顶端的凹槽中，并且轴承座14浸没在润滑油15中。这样，球头13与轴承座14的凹槽的接触为点接触，摩擦损耗很低。飞轮本体9的底面的圆环槽中放置永磁轴承的上磁环10，永磁轴承的下磁环11位于机架上。永磁轴承的上磁环10和永磁轴承的下磁环11相对应。永磁轴承的下磁环11优选通过下软磁环16设置在机架上。通过将永磁轴承的下磁环11设置在下软磁环16上部的圆环槽中，下软磁环16位于机架上，来对永磁轴承的下磁环11进行定位。阻尼器为涡流阻尼器。涡流阻尼器包括阻尼器定子7和阻尼器转子8。阻尼器定子7包括定子外绝磁环701、定子外永磁环702、定子中绝磁环703、定子中永磁环704、定子内绝磁环705和定子内永磁环706。定子外绝磁环701、定子中绝磁环703和定子内绝磁环705均优选由导电、绝磁的黄铜材料制成。定子外绝磁环701、定子外永磁环702、定子中绝磁环703、定子中永磁环704、定子内绝磁环705和定子内永磁环706由外向内依次贴合连接，成为一个整体。阻尼器定子7嵌在软磁环1的圆环槽中中。上软磁环1固定在机架上。阻尼器转子8包括转子外绝磁环801、转子外永磁环802、转子中绝磁环803、转子内永磁环804和转子内绝磁环805。转子外绝磁环801、转子中绝磁环803和转子内绝磁环805均优选由导电、绝磁的黄铜材料制成。转子外绝磁环801、转子外永磁环802、转子中绝磁环803、转子内永磁环804和转子内绝磁环805由外向内依次贴合连接，成为一个整体。阻尼器转子8嵌在飞轮本体9上部的圆环槽中，并且转子外绝磁环801的上端面与定子外永磁环702的下端面相对，转子外永磁环802的上端面与定子中绝磁环703的下端面相对，转子中绝磁环803的上端面与定子中永磁环704的下端面相对，转子内永磁环804的上端面与定子内绝磁环705的下端面相对，转子内绝磁环805的上端与定子内永磁环706的下端相对。定子外永磁环702S极到N极的指向、定子中永磁环704S极到N极的指向和转子内永磁环804S极到N极的指向均为从上向下，或者均为从下向上。定子内永磁环706S极到N极的指向和转子外永磁环802S极到N极的指向均为从下向上，或者均为从上向下。定子内永磁环706S极到N极的指向和定子外永磁环702S极到N极的指向相反。

使用该结构的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，飞轮储能装置中的阻尼器为涡流阻尼器。涡流阻尼器中的磁绝缘环，即定子外绝磁环701、定子中绝磁环703、定子内绝磁环705、转子外绝磁环801、转子中绝磁环803和转子内绝磁环805均由导电、绝磁材料制成。当飞轮本体9做横向振动时，引起阻尼器定子7和阻尼器转子8之间的轴向气隙中的磁感性强度发生变化，导电的磁绝缘环在交变的磁场作用下产生电涡流，对飞轮本体9起到阻尼减振作用。在飞轮本体9上端面设置涡流阻尼器，克服了传统油膜阻尼器的结构复杂、制造复杂、成本较高的问题。另外，本技术方案的支撑方式采用下轴12的底端设有球头13，球头13位于轴承座14顶端的凹槽中。轴承座14浸没在润滑油15中。这样，球头13与轴承座14的凹槽的接触为点接触，摩擦损耗很低。这一支撑方式对转子还具有一定的防倾覆能力，有助于减小下轴12的直径，降低转子支承装置的一阶临界频率。这对于高速旋转飞轮的动态特性是非常有利的，不仅可减小转子通过临界转速时的动载荷，而且确保一阶临界转速远远低于工作转速，使得转子的质心和中心惯性主轴通过一阶临界转速后能“自动对中”。因此，采用结构简单的涡流阻尼器和利用轴承座支撑飞轮，整个飞轮储能装置可以顺利地通过临界转速，并具有良好的动态特性。

进一步，永磁轴承的上磁环10的S极到N极的指向为从上向下，或者从下向上，永磁轴承的下磁环11的S极到N极的指向与永磁轴承的上磁环10的S极到N极的指向相反。在现有技术中，在飞轮本体上设置的永磁轴承为吸力永磁轴承，即永磁轴承的上磁环和下磁环的S极到N极的指向相同。在本技术方案中，永磁轴承的上磁环10的S极到N极的指向和永磁轴承的下磁环11的S极到N极的指向相反。这样，本技术方案中的永磁轴承为斥力永磁轴承。斥力永磁轴承可以起到轴向与径向承载作用，可以卸去飞轮本体9的重量，减小飞轮本体9下轴承的载荷，从而保证飞轮储能装置通过低阶临界转速时，不会发生大幅度振动而失稳。

进一步，所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，还包括碰摩保护装置，碰摩保护装置包括青铜环4和聚四氟乙烯保护环3，青铜环4套装在上轴5的外侧，聚四氟乙烯保护环3固定在机架上，并且聚四氟乙烯保护环3的内壁和青铜环4的外壁相对应。设置碰摩保护装置，一方面，可以防止飞轮本体9由于径向失稳而出现的灾难性事故，起到安全保护的作用；另一方面，当发生径向失稳时，青铜环4和聚四氟乙烯保护环3通过相互的碰撞来耗散能量，提高飞轮储能装置的动态特性，起到阻尼的作用。因此，碰摩保护装置可以保证飞轮储能装置平稳地通过临界转速，并对突加激励具有防护作用。

进一步，所述的球头13和轴承座14的凹槽的表面分别设置有碳化钛膜涂层、或者氮化钛膜涂层、或者钛膜涂层、或者金刚石膜涂层。利用化学气相沉积技术，在合金钢Cr12MoV的球头13和轴承座14的表面进行碳化钛膜涂层、氮化钛膜涂层、钛膜涂层、或者金刚石膜涂层沉积。这样，由球头13和轴承座组成的止推轴承具有高硬度、低摩擦系数、优异耐磨性和良好抗粘着性能。涂层的硬度在HV1900—4500，而合金钢Cr12MoV淬火硬度为HV765。与现有的由中碳钢材料制成的止推轴承相比，本技术方案大幅度延长了止推轴承的使用寿命。

进一步，如图3所示，永磁轴承的上磁环10是由两个磁极相同的半圆形环片101组成的圆环，并且两个半圆形环片101的S极到N极的指向均为从下向上，或者均为从上向下。为了保证永磁轴承的上磁环10在高速下仍能正常运转，永磁轴承的上磁环10采用由两个半圆形环片101组成的圆环。这样可以降低永磁轴承的上磁环10在高速转动时的环向拉应力。

进一步，所述的转子内永磁环804和转子外永磁环802均是由两个半圆环形磁钢组成的圆环。为了保证在高速下仍能正常运转，阻尼器中的转子内永磁环804和转子外永磁环802均是由两个半圆环形磁钢组成的圆环。这样可以降低转子内永磁环804和转子外永磁环802在高速转动时的环向拉应力。

进一步，所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，还包括限位柱6。限位柱6固定在机架上，并且位于上轴5的上方。为了防止在安装和运输过程中出现的突然的轴向运动会破坏永磁轴承，在上轴5的上方设置限位柱6。

Claims (10)

1.一种带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，该飞轮储能装置包括上轴（5）、下轴（12）、飞轮本体（9）、由上磁环（10）和下磁环（11）组成的永磁轴承、电机（2）、轴承座（14）、阻尼器和由机架构成的容器（17），上轴（5）、下轴（12）、飞轮本体（9）、永磁轴承、电机（2）、轴承座（14）、阻尼器（14）位于容器（17）中；所述的飞轮本体（9）的上部设有上轴（5），下部设有下轴（12），电机（2）的转子与上轴（5）连接，电机（2）的定子固定在机架上，下轴（12）的底端设有球头（13），球头（13）位于轴承座（14）顶端的凹槽中，并且轴承座（14）浸没在润滑油（15）中；所述的飞轮本体（9）的底面的圆环槽中放置永磁轴承的上磁环（10），永磁轴承的下磁环（11）位于机架上；所述的阻尼器为涡流阻尼器，涡流阻尼器包括阻尼器定子（7）和阻尼器转子（8），阻尼器定子（7）包括由外向内依次贴合连接的定子外绝磁环（701）、定子外永磁环（702）、定子中绝磁环（703）、定子中永磁环（704）、定子内绝磁环（705）和定子内永磁环（706），阻尼器定子（7）嵌在上软磁环（1）的圆环槽中，上软磁环（1）固定在机架上；阻尼器转子（8）包括由外向内依次贴合连接的转子外绝磁环（801）、转子外永磁环（802）、转子中绝磁环（803）、转子内永磁环（804）和转子内绝磁环（805），阻尼器转子（8）嵌在飞轮本体（9）上部的圆环槽中，并且转子外绝磁环（801）的上端面与定子外永磁环（702）的下端面相对，转子外永磁环（802）的上端面与定子中绝磁环（703）的下端面相对，转子中绝磁环（803）的上端面与定子中永磁环（704）的下端面相对，转子内永磁环（804）的上端面与定子内绝磁环（705）的下端面相对，转子内绝磁环（805）的上端面与定子内永磁环（706）的下端面相对；所述的定子外永磁环（702）、定子中永磁环（704）和转子内永磁环（804）S极到N极的指向均为从上向下，或者均为从下向上；定子内永磁环（706）和转子外永磁环（802）S极到N极的指向均为从下向上，或者均为从上向下；定子内永磁环（706）S极到N极的指向和定子外永磁环（702）S极到N极的指向相反。

2.根据权利要求1所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的永磁轴承的上磁环（10）S极到N极的指向为从上向下，或者从下向上，永磁轴承的下磁环（11）S极到N极的指向与永磁轴承的上磁环（10）S极到N极的指向相反。

3.根据权利要求1或2所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，还包括碰摩保护装置，碰摩保护装置包括青铜环（4）和聚四氟乙烯保护环（3），青铜环（4）套装在上轴（5）的外侧，聚四氟乙烯保护环（3）固定在机架上，并且聚四氟乙烯保护环（3）的内壁和青铜环（4）的外壁相对应。

4.根据权利要求3所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的轴承座（14）的凹槽的表面和球头（13）的表面分别设置有碳化钛膜涂层、或者氮化钛膜涂层、或者钛膜涂层、或者金刚石膜涂层。

5.根据权利要求4所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的永磁轴承的上磁环（10）是由两个半圆形环片（101）组成的圆环，并且两个半圆形环片（101）S极到N极的指向均为从下向上，或者均为从上向下。

6.根据权利要求5所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的转子内永磁环（804）和转子外永磁环（802）分别由两个半圆环形磁钢组成的圆环。

7.根据权利要求6所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的永磁轴承的下磁环（11）设置在下软磁环（16）上部的圆环槽中，下软磁环（16）位于机架上。

8.根据权利要求7所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，还包括限位柱（6），限位柱（6）固定在机架上，并且位于上轴（5）的上方。

9.根据权利要求8所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的容器（17）是真空密封容器。

10.根据权利要求1所述的带有永磁轴承和止推轴承的飞轮储能装置，其特征在于，所述的定子外绝磁环（701）、定子中绝磁环（703）、定子内绝磁环（705）、转子外绝磁环（801）、转子中绝磁环（803）和转子内绝磁环（805）均由黄铜材料制成。

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