CN102723804B

CN102723804B - 分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池

Info

Publication number: CN102723804B
Application number: CN201210200147.6A
Authority: CN
Inventors: 项倩雯; 孙玉坤; 嵇小辅; 张新华
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: CN102723804A

Abstract

本发明公开一种分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池，包括外壳及真空腔，真空腔中容纳有轴向永磁轴承、两个径向永磁轴承、电机A、飞轮转轴、飞轮转子、电机B及轴向电磁轴承；飞轮转轴的轴向正中间固套飞轮转子，飞轮转轴的上下两端分别设置轴向永磁轴承与轴向电磁轴承，两个径向永磁轴承分别位于轴向永磁轴承的下方和轴向电磁轴承的上方，两个径向永磁轴承和飞轮转子之间分别是电机A和电机B；电机A转矩绕组与电机B转矩绕组串联，悬浮绕组均分开独立绕制；轴向电磁轴承提供轴向自由度的可控悬浮，悬浮绕组励磁产生径向悬浮力与径向永磁轴承径向恢复力一起提供飞轮转子在四个径向自由度上的可控悬浮，提高储能效率。

Description

分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池

技术领域

本发明涉及飞轮电池（也称飞轮储能装置）领域，尤其是一种采用分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池。

背景技术

在众多储能装置中，飞轮电池突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。当飞轮以一定角速度旋转时，就具有一定的动能，飞轮电池以其动能转换成电能。飞轮电池以其大储能、强功率、高效率、长寿命、充放电速度快、清洁无污染等突出优势有望成为最具前景的储能电池。

飞轮电池的工作原理是：飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮的动能储存起来，即飞轮电池“充电”；当外界需要电能时，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出给外部负载，即飞轮电池“放电”；当与外界无能量交换时，飞轮电池“待机”。飞轮电池大部分时间工作在高速“待机”状态，因此飞轮电池的支承系统应兼具低损耗、高可靠性的特点，通常采用电磁/永磁混合型磁悬浮轴承。飞轮电池依靠电机实现机电能量转换，并且飞轮电池储能容量与电机转速的平方成正比，因此飞轮电池用电动/发电一体化的电机应兼具空载损耗小、负载效率高、高速运行时可靠性高的特点，通常采用永磁电机、开关磁阻电机和异步电机。

由于目前永磁电机转子上的永磁体和异步电机转子上的绕组导致电机高速运行下空载损耗大、可靠性低，因此，限制了飞轮电池临界转速的提高及储能容量的增大。现有技术的飞轮电池将飞轮转子、混合型磁悬浮轴承和电机分别作为独立的个体安装在转轴上，混合型磁悬浮轴承需提供飞轮电池5个自由度可控的悬浮支承，因此，导致飞轮电池体积大、成本高、能耗大、结构复杂，限制了飞轮电池储能密度和储能效率的提高。因此，如何提高飞轮电池的储能容量、储能密度和储能效率是目前飞轮电池研究领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术的问题而提供一种结构紧凑、效率高、储能容量大、能量密度高的分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池。

本发明采用的技术方案是：本发明包括外壳及由外壳围成的密闭的真空腔，真空腔中容纳有轴向永磁轴承、两个径向永磁轴承、分体式磁悬浮开关磁阻电机A、飞轮转轴、飞轮转子、分体式磁悬浮开关磁阻电机B以及轴向电磁轴承；飞轮转轴的轴向正中间固套飞轮转子，飞轮转轴的上下两端分别设置轴向永磁轴承与轴向电磁轴承，两个径向永磁轴承分别位于轴向永磁轴承的下方和轴向电磁轴承的上方，两个径向永磁轴承和飞轮转子之间分别是电机A和电机B；电机A由电机A转子、电机A定子以及绕组组成，电机A转子固套在飞轮转轴上，电机A定子固定连接外壳内壁；电机B由电机B转子、电机B定子以及绕组组成，电机B转子固套在飞轮转轴上，电机B定子固定连接外壳内壁；电机A定子的每一极上绕有电机A转矩绕组与电机A的x向悬浮绕组或电机A的y向悬浮绕组；电机B定子的每一极上绕有电机B转矩绕组与电机B的x向悬浮绕组或电机B的y向悬浮绕组；所述电机A转矩绕组与所述电机B转矩绕组串联，电机A的x向悬浮绕组、电机A的y向悬浮绕组、电机B的x向悬浮绕组、电机B的y向悬浮绕组均分开独立绕制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用轴向永磁轴承能卸载飞轮转子80%以上的质量，轴向电磁轴承提供轴向自由度的可控悬浮；分体式磁悬浮开关磁阻电机的悬浮绕组励磁产生径向悬浮力，并与径向永磁轴承的径向恢复力一起提供飞轮转子在四个径向自由度上的可控悬浮，不仅简化了飞轮电池的结构，而且降低了支承系统的能量损耗，特别是飞轮电池“待机”状态下的能量损耗，提高了飞轮电池的储能效率。

2、本发明利用支承与传动一体化的分体式磁悬浮开关磁阻电机，将飞轮电池的径向悬浮与能量转换合二为一，转矩绕组与悬浮绕组励磁后既可实现飞轮电池的机电能量转换，也可实现飞轮系统的径向可控悬浮，利用电机的功率和容量不仅降低了支承系统的能量损耗，而且减小了飞轮电池的体积和成本，大幅度提高了飞轮电池的储能密度。

3、本发明磁悬浮开关磁阻电机采用双凸极机构，转子仅为导磁铁心，结构坚固可靠，适于高速、超高速运行，提高了飞轮电池的储能容量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中分体式磁悬浮开关磁阻电机A定子5中和分体式磁悬浮开关磁阻电机B定子9中的一相绕组的结构示意图；

图3为分体式磁悬浮开关磁阻电机A产生x径向悬浮力的工作原理示意图。

图中：1.外壳；2.真空腔；3.轴向永磁轴承；4.径向永磁轴承；5.电机A定子；6.电机A转子；7.飞轮转轴；8.飞轮转子；9.电机B定子；10.电机B转子；11.轴向电磁轴承；

501.电机A定子铁心；502.电机A转矩绕组；503.电机A的y向悬浮绕组；504.电机A的x向悬浮绕组；

901.电机B定子铁心；902.电机B转矩绕组；903.电机B的y向悬浮绕组；904.电机B的x向悬浮绕组。

具体实施方式

参见图1所示，本发明包括外壳1以及由外壳1围成的密闭的真空腔2。在真空腔2中容纳了轴向永磁轴承3、两个径向永磁轴承4、分体式磁悬浮开关磁阻电机A、飞轮转轴7、飞轮转子8、分体式磁悬浮开关磁阻电机B以及轴向电磁轴承11。其中，飞轮转子8固定套在飞轮转轴7的轴向正中间位置，与飞轮转轴7共同旋转。位于飞轮转子8上部分的飞轮转轴7上，飞轮转轴7的轴向上从下至下依次固定安装电机A、径向永磁轴承4和轴向永磁轴承3，位于飞轮转子8下部分的飞轮转轴7上，飞轮转轴7的轴向上从上至下依次固定安装电机B、另一个径向永磁轴承4和轴向电磁轴承11。这样，沿飞轮转轴7的轴向上，使轴向永磁轴承3与轴向电磁轴承11分别设置在飞轮转轴7的上下两端；两个径向永磁轴承4分别位于轴向永磁轴承3的下方和轴向电磁轴承11的上方，两个径向永磁轴承4和飞轮转子8之间分别电机A和电机B。两个径向永磁轴承4均由钕铁硼材料制成，由多个轴向充磁永磁环经轴向叠加而成，永磁环的动磁环与静磁环之间为斥力。

分体式磁悬浮开关磁阻电机A由电机A转子6、电机A定子5以及绕组组成，电机A转子6固定套在飞轮转轴7上，电机A转子6径向外设置相应的电机A定子5，电机A定子5固定连接于外壳1内壁上。分体式磁悬浮开关磁阻电机B由电机B转子10、电机B定子9以及绕组组成，电机B转子10固定套在飞轮转轴7上，电机B转子10径向外设置相应的电机B定子9，电机B定子9固定连接于外壳1内壁上。

上述电机A定子5和电机B定子9结构相同，电机A转子6和电机B转子10结构相同，电机A定子5、电机B定子9、电机A转子6、电机B转子10均采用三相12/8极的定转子凸极结构，且均为导磁铁心冲片压制而成。本发明的电机A转子6、电机B转子10、飞轮转子8以及飞轮转轴7合为一个整体。

这样，由电机A、电机B与上、下两个径向永磁轴承4共同构成飞轮电池的电磁/永磁混合型径向支承系统。当飞轮电池所受径向扰动小时，由两个径向永磁轴承4提供径向恢复力；当飞轮电池所受径向扰动大时，由电机A、电机B励磁产生的径向悬浮力与两个径向永磁轴承4提供的径向恢复力一起承担飞轮电池的可控径向悬浮支承，电机悬浮支承能耗小。

参见图2所例举的分体式磁悬浮开关磁阻电机A定子5和分体式磁悬浮开关磁阻电机B定子9的其中一相绕组的结构，电机A定子5包括电机A定子铁心501、电机A转矩绕组502、电机A的x向悬浮绕组504和电机A的y向悬浮绕组503。电机A定子5的每一极上绕有电机A转矩绕组502与电机A的x向悬浮绕组504或y向悬浮绕组503。电机A转矩绕组502与x向悬浮绕组504、y向悬浮绕组503为同心绕组。

电机B定子9包括电机B定子铁心901、电机B转矩绕组902、电机B的x向悬浮绕组904和电机B的y向悬浮绕组903。电机B定子9的每一极上绕有电机B转矩绕组902与电机B的x向悬浮绕组904或电机B的y向悬浮绕组903。电机B转矩绕组902与x向悬浮绕组904、y向悬浮绕组903为集中式同心绕组。

将电机A转矩绕组502与电机B转矩绕组902串联起来构成一套转矩绕组，励磁产生转矩或发电电压实现飞轮电池能量的转换。电机A的x向悬浮绕组504、电机A的y向悬浮绕组503，电机B的x向悬浮绕组904、电机B的y向悬浮绕组903均分开独立绕制，分别励磁后与一套转矩绕组磁场相互作用产生径向四个自由度的可控悬浮力，实现飞轮电池径向可控的悬浮支承。

如图3所示，电机A转矩绕组502由四极绕组串联而成，其励磁可产生对称四极磁场，方向如图3中实线所示；电机A的x向悬浮绕组504为径向相对的两极绕组串联而成，其励磁可产生对称两极磁场，方向如图3中虚线所示；对称四极磁场经对称两极磁场的调制，产生x向的径向悬浮力。y向悬浮绕组以及分体式磁悬浮开关磁阻电机B产生的径向悬浮力的原理与此相同。

Claims

1.一种分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池，包括外壳（1）及由外壳（1）围成的密闭的真空腔（2），其特征是：真空腔（2）中容纳有轴向永磁轴承（3）、两个径向永磁轴承（4）、分体式磁悬浮开关磁阻电机A、飞轮转轴（7）、飞轮转子（8）、分体式磁悬浮开关磁阻电机B以及轴向电磁轴承（11）；飞轮转轴（7）的轴向正中间固套飞轮转子（8），飞轮转轴（7）的上下两端分别设置轴向永磁轴承（3）与轴向电磁轴承（11），两个径向永磁轴承（4）分别位于轴向永磁轴承（3）的下方和轴向电磁轴承（11）的上方，两个径向永磁轴承（4）和飞轮转子（8）之间分别是电机A和电机B；电机A由电机A转子（6）、电机A定子（5）以及绕组组成，电机A转子（6）固套在飞轮转轴（7）上，电机A定子（5）固定连接外壳（1）内壁；电机B由电机B转子（10）、电机B定子（9）以及绕组组成，电机B转子（10）固套在飞轮转轴（7）上，电机B定子（9）固定连接外壳（1）内壁；电机A定子（5）的每一极上绕有电机A转矩绕组（502）与电机A的x向悬浮绕组（504）或电机A的y向悬浮绕组（503）；电机B定子（9）的每一极上绕有电机B转矩绕组（902）与电机B的x向悬浮绕组（904）或电机B的y向悬浮绕组（903）；所述电机A转矩绕组（502）与所述电机B转矩绕组（902）串联，电机A的x向悬浮绕组（504）、电机A的y向悬浮绕组（503）、电机B的x向悬浮绕组（904）、电机B的y向悬浮绕组（903）均分开独立绕制。

2.根据权利要求1所述的分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池，其特征是：电机A定子（5）和电机B定子（9）结构相同，电机A转子（6）和电机B转子（10）结构相同。

3.根据权利要求1所述的分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池，其特征是：电机A定子（5）、电机B定子（9）、电机A转子（6）、电机B转子（10）均是三相12/8极的定转子凸极结构。

4.根据权利要求1所述的分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池，其特征是：电机A转子（6）、电机B转子（10）、飞轮转子（8）及飞轮转轴（7）为一个整体结构。