CN102684365A

CN102684365A - 一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置

Info

Publication number: CN102684365A
Application number: CN2012101393441A
Authority: CN
Inventors: 孙玉坤; 朱志莹; 项倩雯; 张新华; 周云红
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，飞轮转轴的上端和下端之间依次套有永磁卸载轴承、磁悬浮开关磁阻电机、飞轮转子、混合磁轴承，永磁卸载轴承卸载飞轮转轴轴向重量；下端混合磁轴承克服飞轮转轴剩余重量和动载荷，保证飞轮转轴轴向稳定悬浮，同时提供飞轮转轴径向两自由度悬浮支承，磁悬浮开关磁阻电机完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能；本发明利用磁悬浮开关磁阻电机高速电动/发电运行优势和自悬浮功能，有机结合永磁卸载轴承和混合磁轴承强卸载和可控悬浮特点，实现了飞轮五自由度低损耗、高可靠悬浮，且提高飞轮运行速度，降低系统功耗和体积。

Description

一种采用磁悬浮开关磁阻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，尤其涉及一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，特别适用于不间断电源、轨道交通和电力工程等领域。

背景技术

随着新能源、智能电网和电动汽车等新兴产业的快速发展，储能技术成为当今世界一个重要的研究课题。目前，全球储能代表技术有抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导储能、超级电容储能及飞轮储能等，其中飞轮储能是将电能转化为飞轮的旋转动能加以储存的一种物理储能技术，具备储能密度大、转换效率高、使用寿命长、充放电快捷、清洁无污染等优点。特别适合不间断电源、轨道交通和电力工程等领域。

飞轮储能技术在工程化实现时，由于自身高速运行特点，给支承轴承和传动电机提出高性能要求。为了减少飞轮储能装置自身能量损耗，通常采用磁悬浮和真空技术。而飞轮储能装置用电机主要有感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。其中感应电机固有能耗大、调速范围窄、能量转换效率低。而永磁电机高速运行磁滞损耗大、嵌/贴有永磁体的转子机械强度差、永磁体高温下退磁现象严重。相比之下，开关磁阻电机定、转子采用双凸极结构，转子无绕组/导条和永磁体，具备结构简单牢固、机械强度大、调速范围宽、运行效率高、临界转速高、空载几乎无损耗等一系列其它电机无法比拟的优点，特别适用于高速、超高速运行的飞轮储能装置。

但是目前飞轮储能装置多采用相互独立的传动与支承部件，存在许多不足，由于未全面考虑飞轮储能装置的综合性能要求，未找到悬浮支承和传动电机的最佳结构方案，未形成完善的悬浮支承和传动电机的结构，使得飞轮储能装置的成本和效率远未达到理想情况。因此，如何将悬浮支承与传动电机相结合，优化复合悬浮支承和高速传动电机的结构方案，降低飞轮储能系统运行损耗和成本，提高运行效率和可靠性是目前高效飞轮储能装置迫切需要解决的关键问题。

发明内容

本发明目的是提出一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，将悬浮支承与传动电机相结合，利用磁悬浮开关磁阻电机高速运行优势和自悬浮功能，能提高飞轮极限转速和动态性能，降低支承功耗、成本和体积，降低飞轮储能系统运行损耗，提高运行效率和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是: 包括外壳、飞轮转子和飞轮转轴，飞轮转轴的上端和下端之间依次套有永磁卸载轴承、磁悬浮开关磁阻电机、飞轮转子、混合磁轴承；所述磁悬浮开关磁阻电机为三相12/8双凸极结构，包括转矩绕组、悬浮绕组、电机定子和电机转子，电机转子固连飞轮转轴，电机定子固连外壳，电机定子和电机转子之间留有0.5mm径向气隙，转矩绕组和悬浮绕组叠绕在电机定子上，悬浮绕组靠近电机转子侧，转矩绕组靠近电机定子轭侧。

所述永磁卸载轴承包括上导磁体、下导磁体、内永磁环、中永磁环和外永磁环，上导磁体固连外壳内壁，下导磁体固连飞轮转轴，在上导磁体和下导磁体之间且沿飞轮转轴的径向由内而外间隔设置等厚度且同轴心并排固连上导磁体的内永磁环、中永磁环和外永磁环，内永磁环和外永磁环沿飞轮转轴的轴向负方向充磁，中永磁环环沿飞轮转轴的轴向正方向充磁，中永磁环轴向充磁面积等于内永磁环和外永磁环轴向充磁面积之和；下导磁体与永磁环之间留有1mm轴向气隙。

所述混合磁轴承包括轴向定子、径向定子、轴承转子、径向控制线圈、轴向控制线圈和径向永磁环；径向永磁环径向充磁，轴向定子固连外壳，2个轴向控制线圈固连轴向定子，径向定子沿圆周120度均匀分布，每个径向定子均叠绕径向控制线圈，径向永磁环嵌在轴向定子和径向定子的交接处，轴承转子与径向定子之间留有0.5mm的径向气隙，轴承转子与轴向定子之间留有0.5mm的上轴向气隙和下轴向气隙；2个轴向控制线圈通直流电，3个径向控制线圈绕组通三相交流电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

（1）轴向长度缩短、临界转速提高

该装置采用磁悬浮开关磁阻电机提供主动型径向支承力和旋转力，可省去一个径向磁轴承，使得转子轴向长度缩短，有利于提高系统临界转速。

（2）结构坚固、适合高速运行

整个装置的结构简单，尤其转子无永磁体仅为导磁铁心，结构简单坚固，便于高速、超高速运行，有利于提高飞轮的极限转速，进而提高该飞轮储能系统的储能容量。

(3）减少体积和成本，降低系统功耗

利用永磁卸载轴承实现轴向卸载，混合磁轴承只需克服转轴剩余重量和动载荷，同时采用永磁卸载轴承和混合磁轴承并利用磁悬浮开关磁阻电机实现飞轮转轴的五自由度低功耗高可靠全悬浮，降低了装置体积、成本和功耗。

附图说明

图1为本发明所述的一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置结构示意图；

图1中标号名称：1、外壳；2、上辅助轴承；3、永磁卸载轴承；4、磁悬浮开关磁阻电机；5、飞轮转子；6、混合磁轴承；7、下辅助轴承；8、飞轮转轴。

图2为图1中永磁卸载轴承3的结构放大示意图；

图2中标号名称：301、上导磁体；302、下导磁体；303、内永磁环；304、中永磁环；305、外永磁环。

图3为图1中磁悬浮开关磁阻电机4的俯视放大示意图；

图3中标号名称：401、转矩绕组；402、悬浮绕组；403、电机定子；404、电机转子。

图4为图1中混合磁轴承6的结构放大示意图；

图4中标号名称：601、轴向定子；602、径向定子；603、轴承转子；604、径向控制线圈；605、轴向控制线圈；606、径向永磁环。

图5为图4的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括外壳1、上辅助轴承2、永磁卸载轴承3、磁悬浮开关磁阻电机4、飞轮转子5、混合磁轴承6、下辅助轴承7和飞轮转轴8。飞轮转轴8的上下两端分别设置在上辅助轴承2和下辅助轴承7上，上辅助轴承2和下辅助轴承7分别固定在外壳1的上下两端。飞轮转轴8的上端和下端之间依次套装永磁卸载轴承3、磁悬浮开关磁阻电机4、飞轮转子5、混合磁轴承6。飞轮转子5固定套接在飞轮转轴8上。上端的永磁卸载轴承3卸载飞轮转轴8的轴向重量，下端的混合磁轴承6配合永磁卸载轴承3克服飞轮转轴8剩余重量和动载荷，保证飞轮转轴8轴向稳定悬浮，同时提供飞轮转轴8径向两自由度悬浮支承，而磁悬浮开关磁阻电机4完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能装置。

如图2所示，本发明所采用的永磁卸载轴承3包括上导磁体301、下导磁体302、内永磁环303、中永磁环304和外永磁环305，上导磁体301固定在外壳1内壁上，下导磁体302固定在飞轮转轴8上，在上导磁体301和下导磁体302之间沿飞轮转轴8的径向由内而外间隔设置内永磁环303、中永磁环304和外永磁环305，内永磁环303、中永磁环304和外永磁环305等厚度且同轴心并排固定在上导磁体301上。内永磁环303和外永磁环305沿飞轮转轴8的轴向负方向充磁，中永磁环304环沿轴向正方向充磁，中永磁环304轴向充磁面积等于内永磁环303和外永磁环305轴向充磁面积之和，永磁环可以采用但不限于汝铁硼材料，上导磁体301和下导磁体302是可以采用但不限于导磁性能优良的合金钢材料制成，下导磁体302与3个永磁环之间均留有1mm轴向气隙306；三个永磁环提供的偏置磁场在下导磁体302表面产生沿Z轴正向的磁力，实现飞轮转子5的质量卸载。

如图3所示，本发明所采用的磁悬浮开关磁阻电机4为三相12/8双凸极结构，位于永磁卸载轴承3和飞轮转子5之间，包括转矩绕组401、悬浮绕组402、电机定子403和电机转子404，电机转子404固定在飞轮转轴8上，电机定子403固定在外壳1上，电机定子403和电机转子404之间留有0.5mm径向气隙406，转矩绕组401和悬浮绕组402叠绕在电机定子403上，悬浮绕组402靠近电机转子404侧，转矩绕组402靠近电机定子403轭侧，以A相为例，转矩绕组401由4个正对凸极上的绕组串联而成；悬浮绕组402包括α方向和β方向悬浮绕组，分别由各自方向2个正对凸极上的绕组串联而成。转矩绕组401每隔15度轮流励磁导通，悬浮绕组402根据径向负载和转矩绕组电流的变化，计算悬浮力所需电流，实现稳定悬浮运行。

如图4和图5所示，本发明所采用的混合磁轴承6包括轴向定子601、径向定子602、轴承转子603、径向控制线圈604、轴向控制线圈605和径向永磁环606。径向永磁环606采用径向充磁方式，轴向定子601固定在外壳1内壁下侧面上，2个轴向控制线圈605固定在轴向定子601上，径向定子602沿圆周120度均匀分布，每个径向定子602均叠绕径向控制线圈604，径向永磁环606嵌在轴向定子601和径向定子602的交接处，轴承转子603与径向定子602之间留有0.5mm的径向气隙607，轴承转子603与轴向定子601之间留有0.5mm上轴向气隙608和下轴向气隙609。径向定子602由硅钢片叠压而成，径向永磁环606采用稀土材料钕铁硼径向充磁制成。工作时轴向2个轴向控制线圈605通直流电对轴向单自由度进行控制，沿圆周120度均匀分布的A、B、C 3个径向控制线圈604绕组通以三相交流电产生可旋转的合成磁通来控制径向2个自由度。该混合磁轴承6配合永磁卸载轴承3完成轴向自由度的可控悬浮，同时提供径向两自由度的悬浮力，与磁悬浮开关磁阻电机4配合完成储能装置五自由度全悬浮。

Claims

1.一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，包括外壳（1）、飞轮转子（5）和飞轮转轴（8），其特征是：飞轮转轴（8）的上端和下端之间依次套有永磁卸载轴承（3）、磁悬浮开关磁阻电机（4）、飞轮转子（5）、混合磁轴承（6）；所述磁悬浮开关磁阻电机（4）为三相12/8双凸极结构，包括转矩绕组（401）、悬浮绕组（402）、电机定子（403）和电机转子（404），电机转子（404）固连飞轮转轴（8），电机定子（403）固连外壳1，电机定子（403）和电机转子（404）之间留有0.5mm径向气隙（406），转矩绕组（401）和悬浮绕组（402）叠绕在电机定子（403）上，悬浮绕组（402）靠近电机转子（404）侧，转矩绕组（402）靠近电机定子（403）轭侧。

2.根据权利要求1所述的一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，其特征是：所述永磁卸载轴承（3）包括上导磁体（301）、下导磁体（302）、内永磁环（303）、中永磁环（304）和外永磁环（305），上导磁体（301）固连外壳（1）内壁，下导磁体（302）固连飞轮转轴（8），在上导磁体（301）和下导磁体（302）之间且沿飞轮转轴（8）的径向由内而外间隔设置等厚度且同轴心并排固连上导磁体（301）的内永磁环（303）、中永磁环（304）和外永磁环（305），内永磁环（303）和外永磁环（305）沿飞轮转轴（8）的轴向负方向充磁，中永磁环（304）环沿飞轮转轴（8）的轴向正方向充磁，中永磁环（304）轴向充磁面积等于内永磁环（303）和外永磁环（305）轴向充磁面积之和；下导磁体（302）与3个所述永磁环之间均留有1mm轴向气隙（306）。

3.根据权利要求1所述的一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，其特征是：所述混合磁轴承（6）包括轴向定子（601）、径向定子（602）、轴承转子（603）、径向控制线圈（604）、轴向控制线圈（605）和径向永磁环（606）；径向永磁环（606）径向充磁，轴向定子（601）固连外壳（1），2个轴向控制线圈（605）固连轴向定子（601），径向定子（602）沿圆周120度均匀分布，每个径向定子（602）均叠绕径向控制线圈（604），径向永磁环（606）嵌在轴向定子（601）和径向定子（602）的交接处，轴承转子（603）与径向定子（602）之间留有0.5mm的径向气隙（607），轴承转子（603）与轴向定子（601）之间留有0.5mm的上、下轴向气隙（608、609）；2个轴向控制线圈（605）通直流电，3个径向控制线圈（604）绕组通三相交流电。

4.根据权利要求1所述的一种采用磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能装置，其特征是：飞轮转轴（8）的上、下两端分别通过上辅助轴承（2）、下辅助轴承（7）固连外壳（1）的上、下两端。