CN102290910A

CN102290910A - 一种使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置

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Publication number: CN102290910A
Application number: CN2011102277778A
Authority: CN
Inventors: 程明; 张淦; 张建忠; 花为
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102290910B

Abstract

一种使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置包括上磁性轴承（1），真空腔（2），飞轮本体（3），外壳（4），电机转子（5），电机定子（6），下磁性轴承（7），飞轮转轴（8）；飞轮转轴（8）的上下两端分别设置在上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）上，上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）分别固定在外壳（4）的上下两端，飞轮本体（3）和电机转子（5）分别固定在飞轮转轴（8）上，电机定子（6）固定在电机转子（5）外侧的外壳（4）上，构成记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置。该装置可以显著减小飞轮储能系统的能量消耗，大大延长飞轮的储能时间，提高系统整体的能量转换效率及系统的安全性。

Description

一种使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，具体来说，涉及的是一种新型的高效飞轮储能装置。

背景技术

随着新能源发电和电动汽车等的快速发展，电能储存装置的应用日益广泛。在众多电能储存装置中，飞轮储能装置因动态性能好，没有二次污染等优点，正受到越来越多的重视。飞轮储能的基本原理是，首先通过电机作电动机运行驱动飞轮加速，将电能转换为动能储存在飞轮转子上，需要时，再由飞轮带动电机作发电机运行，将飞轮中的动能转换为电能。由于飞轮转子中储存的动能与飞轮转速的平方成正比，因此，飞轮转速应尽量高，通常达数万转/分甚到数十万转/分。在飞轮不与外界交换能量，即处于待机状态时，为了减小转轮的自身损耗，通常采用磁悬浮轴承，并将飞轮腔抽成真空，以减小轴承和转子的磨擦损耗。为了提高能量转换效率，飞轮储能装置中广泛使用永磁电机。于是，在飞轮储能系统不与外界进行能量传递，即系统处于储能工作状态时，随着飞轮高速旋转，永磁磁场会在电机铁心内部产生涡流损耗和磁滞损耗，这将不断消耗飞轮中所存储的能量，转速越高，电机铁心中的磁场越强，则损耗越大。这不仅导致能量的浪费，降低了飞轮储能系统整体的效率，使目前的飞轮储能时间很短（短则几分钟，长则几十分钟），极大地限制了飞轮储能装置的应用。而且，涡流损耗和磁滞损耗还会引起电机铁心发热，这将导致飞轮储能系统安全性降低，同时对飞轮储能系统的散热提出更高要求，使得飞轮储能系统的整体结构更加复杂，也对制造工艺提出更高要求。因此，如何减小飞轮储能系统的能量损耗，提高能量转换效率，以及提高系统安全性是飞轮研发的关键技术之一。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供了一种使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，可以显著减小飞轮储能系统的能量消耗，大大延长飞轮的储能时间，提高系统整体的能量转换效率及系统的安全性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置包括上磁性轴承，真空腔，飞轮本体，外壳，电机转子，电机定子，下磁性轴承，飞轮转轴；飞轮转轴的上下两端分别设置在上磁性轴承和下磁性轴承上，上磁性轴承和下磁性轴承分别固定在外壳的上下两端，飞轮本体和电机转子分别固定在飞轮转轴上，电机定子固定在电机转子外侧的外壳上，构成记忆式径向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。

所述的电机转子和电机定子采用轴向设置，即电机转子设置在飞轮本体上，电机定子设置在电机转子的下方，构成记忆式轴向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。电机转子和电机定子均为双凸极结构。

电机定子包括电机定子铁心，励磁绕组，电枢绕组和铝镍钴永磁体；其中电机定子铁心由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有铝镍钴永磁体，在铝镍钴永磁体外设有励磁绕组，电枢绕组位于电机定子铁心内圆的齿上。

电机定子包括电机定子铁心，励磁绕组，电枢绕组和铝镍钴永磁体；其中电机定子铁心由2n块扇形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块扇形铁心之间设有铝镍钴永磁体，在铝镍钴永磁体外设有励磁绕组，每一组电枢绕组环绕于相邻两电机定子铁心侧面的齿上。

有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果是：

1. 当飞轮储能系统与外界进行能量传递时，先给励磁绕组通入脉冲电流，给铝镍钴永磁体充磁，然后励磁绕组开路，由铝镍钴永磁体单独提供电机的励磁磁场，因此避免了电机运行时励磁绕组的损耗。而当系统不与外界进行能量传递时，在励磁绕组上施加一反向脉冲电流给铝镍钴永磁体消磁，此时电机无励磁磁场，避免了产生涡流损耗和磁滞损耗，延长了储能时间，提高了飞轮储能系统整体的能量转换效率。

2. 由于在飞轮储能系统不进行能量传递时，避免了铁心内部涡流损耗和磁滞损耗的产生，在提高系统效率的同时，也避免了由涡流损耗和磁滞损耗损耗所引起的铁心发热，于是更加有利于改善系统的冷却条件。

3. 整个装置的结构简单，尤其是由于电机采用定子永磁型结构，转子仅为导磁铁心，所以转子结构非常简单坚固，特别适合于高速运行。这将更有利于提高飞轮的最高转速，进而提高该飞轮储能系统的能量存储能力。

同时，电枢绕组可以采用集中绕组和分布绕组两种形式，转子也可以采用直槽和斜槽两种方式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明所述飞轮储能装置的整体结构的剖视图。其中有：上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8。

图2列举了一种本发明中电机可以采用的记忆式径向气隙定子永磁型电机的截面图。图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604。

图3列举了另一种本发明中电机可以采用的记忆式径向气隙定子永磁型电机的截面图，图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604。

需要说明的是，除图2和图3所列举的两种记忆式径向气隙定子永磁型电机外，本发明所述飞轮储能装置也可以采以其他类型的记忆式径向气隙定子永磁型电机，在此不再一一列举。

图4所示为该飞轮储能系统中电机采用记忆式轴向气隙定子永磁型电机的剖视图。其中有：上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8。

图5列举了一种记忆式轴向气隙定子永磁型电机的三维图，图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604。需要说明的是，为了便于观察，图5中只显示了电枢绕组603的一个线圈。

图6所示为图5中电机转子5的三维示意图。

除图5所列举的一种记忆式轴向气隙定子永磁型电机外，本发明所述飞轮储能装置在使用图4所示结构时，也可以采以其他类型的记忆式轴向气隙定子永磁型电机，在此不再一一列举。

具体实施方式

本发明的飞轮储能装置，包括上磁性轴承、下磁性轴承、飞轮本体、电机本体，电机连接在飞轮本体的一端，飞轮轴与电机的转子合成一体，而电机的定子固定在外壳上，所述电机的定子和转子均为双凸极结构，定子由硅钢片等导磁材料构成，其上设有电枢绕组、励磁绕组和铝镍钴永磁体，转子由硅钢片等铁磁材料构成，即转子仅为导磁铁心。

当该飞轮储能系统与外界进行能量传递（能量传递指电机作为电动机，将电能转换成飞轮本体的动能来存储能量；或电机作为发电机，把飞轮本体的动能转换成电能来释放能量）时，先在位于定子上的励磁绕组施加一脉冲电流给位于定子上的铝镍钴永磁体充磁，然后励磁绕组开路，由铝镍钴永磁体提供电机的励磁磁场。而飞轮储能系统不与外界进行能量传递时，在励磁绕组上施加一反方向脉冲电流给铝镍钴永磁体消磁，此时电机气隙中没有磁场，则电机铁心内部无涡流损耗和磁滞损耗，可以显著减小飞轮储能系统的能量消耗，大大延长飞轮的储能时间，提高系统整体的能量转换效率及系统的安全性。

如图1所示，本发明的使用记忆式径向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置包括上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8；飞轮转轴8的上下两端分别设置在上磁性轴承1和下磁性轴承7上，上磁性轴承1和下磁性轴承7分别固定在外壳4的上下两端，飞轮本体3和电机转子5分别固定在飞轮转轴8上，电机定子6固定在电机转子5外侧的外壳4上，构成记忆式径向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。

所述的电机转子5和电机定子6还可以采用轴向设置，即电机转子5设置在飞轮本体3上，电机定子6设置在电机转子5的下方，构成记忆式轴向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。电机转子5和电机定子6均为双凸极结构。

电机定子6包括电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604；其中电机定子铁心601由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有铝镍钴永磁体604，在铝镍钴永磁体604外设有励磁绕组602，电枢绕组603位于电机定子铁心601内圆的齿上。

电机定子6包括电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604；其中电机定子铁心601由2n块扇形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块扇形铁心601之间设有铝镍钴永磁体604，在铝镍钴永磁体604外设有励磁绕组602，每一组电枢绕组603环绕于相邻两电机定子铁心（601）侧面的齿上。

所述的电机采用记忆式径向气隙定子永磁型结构，电机包括定子和转子两个部分，如图2和图3所示为两种典型的记忆式定子永磁型电机。以图2中电机结构为例，所述转子5结构非常简单，既无永磁体也无绕组，为简单的导磁铁心冲片压叠而成。可根据需要，制为直槽转子或斜槽转子。所述电机定子包括定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603和铝镍钴永磁体604。定子铁心601由简单的导磁铁心冲片压叠而成，对于电枢绕组603，可以采用集中式绕组，也可以采用分布式绕组。

当该飞轮储能系统需要跟外界进行能量传递时，先在位于定子上的励磁绕组施加一脉冲电流给位于定子上的铝镍钴永磁体充磁，各铝镍钴永磁体充磁后的磁化方向如图中箭头所示，然后励磁绕组开路，由铝镍钴永磁体提供电机的励磁磁场。而飞轮储能系统不与外界进行能量传递时，在励磁绕组上施加一反方向脉冲电流给铝镍钴永磁体消磁，此时电机气隙中没有磁场，因此没有涡流损耗和磁滞损耗。图3中所示为另一种磁通切换型记忆式定子永磁型电机，其在飞轮储能系统中的工作原理同上。

需要说明的是，图2与图3只列举了两种常见的记忆式径向气隙定子永磁型电机结构，该飞轮储能系统也可采用其他具有上述特征的记忆式径向气隙定子永磁型电机，在此不一一列举。

如图4所示，本发明的飞轮储能装置也可以使用记忆式轴向气隙定子永磁型电机，包括上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8。电机转子5与飞轮本体3合成一体，电机定子6固定在外壳4上。此种结构的飞轮储能系统的工作原理同图1所示飞轮储能系统的工作原理相同，在此不再赘述。

图5只列举了一种记忆式轴向气隙定子永磁型电机结构，该飞轮储能系统也可采用其他具有上述特征的记忆式轴向气隙定子永磁型电机，在此不一一列举。

Claims

1.一种使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，其特征在于该装置包括上磁性轴承（1），真空腔（2），飞轮本体（3），外壳（4），电机转子（5），电机定子（6），下磁性轴承（7），飞轮转轴（8）；飞轮转轴（8）的上下两端分别设置在上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）上，上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）分别固定在外壳（4）的上下两端，飞轮本体（3）和电机转子（5）分别固定在飞轮转轴（8）上，电机定子（6）固定在电机转子（5）外侧的外壳（4）上，构成记忆式径向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。

2.如权利要求1所述的使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，其特征在于所述的电机转子（5）和电机定子（6）采用轴向设置，即电机转子（5）设置在飞轮本体（3）上，电机定子（6）设置在电机转子（5）的下方，构成记忆式轴向气隙定子永磁型电机的飞轮储能装置。

3.如权利要求1或2所述的使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，其特征在于电机转子（5）和电机定子（6）均为双凸极结构。

4.如权利要求1所述的使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，其特征在于电机定子（6）包括电机定子铁心（601），励磁绕组（602），电枢绕组（603）和铝镍钴永磁体（604）；其中电机定子铁心（601）由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有铝镍钴永磁体（604），在铝镍钴永磁体（604）外设有励磁绕组（602），电枢绕组（603）位于电机定子铁心（601）内圆的齿上。

5.如权利要求2所述的使用记忆式定子永磁型电机的飞轮储能装置，其特征在于电机定子（6）包括电机定子铁心（601），励磁绕组（602），电枢绕组（603）和铝镍钴永磁体（604）；其中电机定子铁心（601）由2n块扇形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块扇形铁心（601）之间设有铝镍钴永磁体（604），在铝镍钴永磁体（604）外设有励磁绕组（602），每一组电枢绕组（603）环绕于相邻两电机定子铁心（601）侧面的齿上。