CN102437675B - 磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮飞轮储能装置，包括能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分和辅助部分；能量储存与转化部分包括飞轮、电动机/发电机的转子和定子部分；磁悬浮支撑部分包括径向磁轴承、轴向磁轴承、轴向传感器、径向传感器、保护轴承；辅助部分包括壳体，安装轴；径向磁轴承为径向混合锥形磁轴承，各轴向磁轴承的吸力盘分别设置在飞轮的两侧轮面上，径向混合圆锥磁轴承和轴向磁轴承均为非机械接触的磁悬浮轴承；所述能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分以及辅助部分的安装轴密封在辅助部分的壳体内部，壳体内部保持真空状态。本发明具有结构紧凑，比能量密度和放电深度高，寿命长，功耗低，性能稳定，无污染等特点。

Description

磁悬浮飞轮储能装置
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能装置，可用于航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域。
背景技术
磁悬浮飞轮储能装置，又称为磁悬浮飞轮电池，是利用高速旋转地飞轮储存能量，它以其高比功率、高比能量、充电快、寿命长和无化学污染等特点正受到各行各业的重视，在国外已用于汽车、火车、航天、航空等军用和民用行业。
磁悬浮飞轮电池充电时，其电机作为电动机，由电动机驱动飞轮使其高速旋转，将电能转化为机械能储存起来。磁悬浮飞轮电池放电时，此时其电机作为发电机，由飞轮带动发电机发电，将飞轮的机械能转化为电能输出给用电设备。上述磁悬浮飞轮电池，利用径向磁轴承和轴向磁轴承将飞轮无接触的悬浮起来，可以避免飞轮旋转时因摩擦带来的能量损耗；同时，将飞轮系统密封于一个真空环境(壳体)内，可以有效地减少空气动力学的损耗。国内外现有的磁悬浮飞轮电池很多采用超导磁悬浮轴承，以减少摩擦阻力，但是这种轴承所需要的辅助系统结构复杂，生产成本高，不适合推广普及。此外，在结构上现有的磁悬浮飞轮电池也存在着某些缺陷，如轴向磁轴承的吸力盘为独立部件，这样的部件装在轴上，无疑增大了轴向尺寸，提高了安装要求。由此可见，现有技术中的磁悬浮飞轮储能装置还有待于进一步改进。
发明内容
本发明的任务在于解决现有技术中磁悬浮飞轮储能装置所存在的技术缺陷，提供一种磁悬浮飞轮储能装置。
其技术解决方案是：
一种磁悬浮飞轮储能装置，包括能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分和辅助部分；上述能量储存与转化部分包括飞轮、电动机/发电机的转子和定子部分；上述磁悬浮支撑部分包括径向磁轴承、轴向磁轴承、轴向传感器、径向传感器、保护轴承；上述辅助部分包括壳体，安装轴；其中保护轴承、径向磁轴承、电动机/发电机、轴向磁轴承、飞轮、轴向磁轴承、径向磁轴承与保护轴承在安装轴的轴向上从上到下依次排布，其中飞轮、电动机/发电机的转子部分、径向磁轴承的转子部分都固定在安装轴上，电动机/发电机的转子部分与径向磁轴承的转子部分通过内套筒定位，并通过紧固螺母固定在安装轴上，电动机/发电机的定子部分、径向磁轴承的定子部分、轴向磁轴承、轴向传感器、径向传感器、保护轴承都固定在壳体上；上述径向磁轴承为径向混合锥形磁轴承，各轴向磁轴承的吸力盘分别设置在飞轮的两侧轮面上，飞轮兼作为轴向磁轴承的吸力盘，径向混合圆锥磁轴承和轴向磁轴承均为非机械接触的磁悬浮轴承；上述能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分以及辅助部分的安装轴密封在辅助部分的壳体内部，壳体内部保持真空状态。
上述飞轮为高强度复合材料飞轮，是由金属环和碳纤维复合材料粘结制成的。
上述保护轴承的内圈与安装轴对应的轴段之间形成0.1～0.3mm的径向保护间隙和0.1～0.3mm的轴向保护间隙。
上述径向混合锥形磁轴承为永磁偏置的混合圆锥磁轴承，轴向磁轴承为纯电磁的磁悬浮轴承。
上述永磁偏置的混合圆锥磁轴承，包括定子铁心、第一空气隙、第二孔气隙、转子铁心、永磁体、隔磁环与激磁线圈，其中定子铁心、激磁线圈、永磁体、隔磁环为静止部件，其余部件为转动部件。
上述轴向磁轴承的吸力盘是由电工纯铁制成的，吸力盘的形状为环形，与飞轮的轮面固定在一起。
上述电动机/发电机为永磁无刷直流电动机/发电机，或为开关磁阻电动机/发电机；电动机/发电机定子和转子之间的间隙大于径向磁轴承的定子和转子之间的气隙。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明采用了径向混合锥形磁轴承，既可以提供径向悬浮力，又可以提供轴向悬浮力，从而减小了只靠轴向轴承承受转子系统重力的负担，提高了轴向轴承的可靠性，延长了轴向轴承使用寿命，也降低了功耗；飞轮与轴向磁轴承相对应的轮面上设置有吸力盘(镶有导磁环)，飞轮可兼作为轴向磁轴承的吸力盘，从而缩短了该装置的轴向尺寸，结构更加紧凑；同时采用高效的永磁无刷直流电动机/发电机，减少了损耗、提高了能量转换效率。本发明具有结构紧凑，比能量密度和放电深度高，寿命长，功耗低，性能稳定，无污染等特点。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图。
图2示出了本发明中的径向混合锥形磁轴承，为一种剖示结构原理示意图。
图3为图2的A-A剖示结构原理示意图。
图4主要示出了本发明中的飞轮与轴向磁轴承部分，为一种剖示结构。
图5为图4方式中飞轮的俯视结构原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种磁悬浮飞轮储能装置，包括能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分和辅助部分。上述能量储存与转化部分包括飞轮12、电动机/发电机9的转子和定子部分；磁悬浮支撑部分包括径向混合锥形磁轴承6、轴向磁轴承10、轴向传感器1、径向传感器3、保护轴承2；辅助部分包括壳体11，安装轴8，紧固螺母4和安装螺钉5。其中保护轴承2、径向混合锥形磁轴承6、电动机/发电机9、轴向磁轴承10、飞轮12、轴向磁轴承10、径向混合锥形磁轴承6与保护轴承2在安装轴的轴向上从上到下依次排布，其中飞轮12、电动机/发电机9的转子部分、径向混合锥形磁轴承6的转子部分都固定在安装轴8上，电动机/发电机9的转子部分与径向混合锥形磁轴承6的转子部分通过内套筒7定位，并通过紧固螺母4固定在安装轴8上，电动机/发电机9的定子部分、径向混合锥形磁轴承6的定子部分、轴向磁轴承10、轴向传感器1、径向传感器3、保护轴承2都固定在壳体11上，各轴向磁轴承的吸力盘分别设置在飞轮的两侧轮面上，飞轮兼作为轴向磁轴承的吸力盘。上述径向混合圆锥磁轴承和轴向磁轴承均为非机械接触的磁悬浮轴承。上述能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分以及辅助部分的安装轴密封在辅助部分的壳体内部，壳体内部保持真空状态，以减小空气阻力，提高转速。
上述方式中，飞轮12为高强度复合材料飞轮，是由金属环和碳纤维复合材料粘结制成的。
上述方式中，保护轴承2的内圈与安装轴8对应的轴段形成0.1～0.3mm的径向保护间隙和0.1～0.3mm的轴向保护间隙，各保护间隙优选为0.2mm。
上述方式中，径向混合锥形磁轴承为永磁偏置的混合圆锥磁轴承，轴向磁轴承为纯电磁的磁悬浮轴承。结合图2与图3，上述永磁偏置的混合圆锥磁轴承，包括定子铁心63、第一空气隙64、第二孔气隙67、转子铁心65、永磁体62、隔磁环61、68与激磁线圈66，其中定子铁心、激磁线圈、永磁体、隔磁环为静止部件，其余部件为转动部件。当转速较低时转子铁心65与轴可以用键连接；当转速较高时铁心与轴应按过盈配合装配，以减少转子转动时的偏心引起的振动。
结合图4与图5，上述轴向磁轴承10分别安装在飞轮12两侧的安装轴段上，上述轴向磁轴承的吸力盘是由电工纯铁制成的，吸力盘121的形状为环形，与飞轮的轮面固定在一起，即镶嵌在飞轮轮辐的外表面上。
上述方式中，辅助部分的壳体11起安全防护、防尘或保持内部真空，同时起到减少飞轮旋转时的阻力，提高转速进而提高飞轮的储能密度。
本发明的工作原理大致是：
通过径向混合锥形磁轴承保持飞轮系统旋转部分与飞轮系统静止部分的径向间隙以及电动机/发电机定、转子径向间隙，保证径向稳定悬浮，通过轴向磁轴承保持飞轮系统的旋转部分与飞轮系统的静止部分的轴向间隙均匀以保证轴向稳定悬浮，同时保证电动机/发电机的定、转子轴向对齐。当飞轮受到外界干扰时，飞轮的径向或者轴向间隙发生变化，位移传感器会检测出间隙的变化，发出信号，通过控制器增加或减少径向混合锥形磁轴承、轴向磁轴承的电磁线圈中的电流，进而增大或减小径向混合锥形磁轴承、轴向磁轴承的磁力，以保持飞轮系统的旋转部分和静止部分间隙均匀和稳定悬浮，消除外部的干扰，达到自稳定运转。
上述方式中未述及的有关内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁悬浮飞轮储能装置，包括能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分和辅助部分；其特征在于：所述能量储存与转化部分包括飞轮、电动机/发电机的转子和定子部分；所述磁悬浮支撑部分包括径向磁轴承、轴向磁轴承、轴向传感器、径向传感器、保护轴承；所述辅助部分包括壳体，安装轴；其中保护轴承、径向磁轴承、电动机/发电机、轴向磁轴承、飞轮、轴向磁轴承、径向磁轴承与保护轴承在安装轴的轴向上从上到下依次排布，其中飞轮、电动机/发电机的转子部分、径向磁轴承的转子部分都固定在安装轴上，电动机/发电机的转子部分与径向磁轴承的转子部分通过内套筒定位，并通过紧固螺母固定在安装轴上，电动机/发电机的定子部分、径向磁轴承的定子部分、轴向磁轴承、轴向传感器、径向传感器、保护轴承都固定在壳体上；所述径向磁轴承为径向混合锥形磁轴承，各轴向磁轴承的吸力盘分别设置在飞轮的两侧轮面上，飞轮兼作为轴向磁轴承的吸力盘，径向混合锥形磁轴承和轴向磁轴承均为非机械接触的磁悬浮轴承；所述能量储存与转化部分、磁悬浮支撑部分以及辅助部分的安装轴密封在辅助部分的壳体内部，壳体内部保持真空状态；
所述径向混合锥形磁轴承为永磁偏置的混合圆锥磁轴承，轴向磁轴承为纯电磁的磁悬浮轴承；
所述永磁偏置的混合圆锥磁轴承，包括定子铁心、第一空气隙、第二孔气隙、转子铁心、永磁体、隔磁环与激磁线圈，其中定子铁心、激磁线圈、永磁体、隔磁环为静止部件，其余部件为转动部件；
所述轴向磁轴承的吸力盘是由电工纯铁制成的，吸力盘的形状为环形，与飞轮的轮面固定在一起。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于：所述飞轮为高强度复合材料飞轮，是由金属环和碳纤维复合材料粘结制成的。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于：所述保护轴承的内圈与安装轴对应的轴段之间形成0.1～0.3mm的径向保护间隙和0.1～0.3mm的轴向保护间隙。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于：所述电动机/发电机为永磁无刷直流电动机/发电机，或为开关磁阻电动机/发电机；电动机/发电机定子和转子之间的间隙大于径向磁轴承的定子和转子之间的气隙。
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