CN103731068A

CN103731068A - 永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置

Info

Publication number: CN103731068A
Application number: CN201410039428.7A
Authority: CN
Inventors: 唐景春; 查生凯; 苏建徽; 姜卫东; 汪海宁; 张健; 叶斌; 王建国; 薛继鹏
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: CN103731068B

Abstract

本发明涉及永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置。包括由电机壳体、定子、转子和转轴组成的电机，转轴上还固定安装有飞轮，飞轮外部套装有箱体；还包括真空罩、上支撑体和底板；真空罩、上支撑体、电机壳体、箱体和底板各部件相互之间均采用密封垫圈密封确保整个装置的真空度。给电机供电时，该电机就成为电动机，由电动机带动飞轮旋转加速，从而将电能转为机械能储存；当外部负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又成为发电机，将机械能转为电能，并通过控制装置输出。本发明应用领域广，可以应用在风力发电调频，紧急备用电源，车辆刹车动能再生，港口起重机械势能再生、负载频繁变化发动机组动力调峰等领域。

Description

永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置

技术领域

本发明属于物理储能领域，具体涉及一种永磁电磁复合悬浮储能飞轮装置。

背景技术

随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们越来越关注节约能源和保护环境。为此，人们研究了多种储能方式，有化学蓄电池储能、燃料电池储能、超导储能等，但飞轮储能由于无污染、效率高、寿命长、使用方便等特点，受到了广泛的青睐。它可广泛应用于电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断电源等领域，是一种非常有发展前景的储能装置。目前采用的飞轮储能装置一般由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器、控制装置等组成。主动磁轴承因其体积大、需要消耗较大的控制功率、临界转速低、成本高，因而很难适应于超高速运行以及小型、超小型的结构。采用高温超导磁轴承，目前技术尚未成熟，而且需要复杂的制冷装置，不利于装置的小型化。因此以上两种轴承支承方式都不是很理想。近年来，稀土永磁发展较快，出现了许多高性能的永磁材料，如钕铁硼永磁、钐钴永磁等，可以采用永磁体制成刚度大、对称性好的磁轴承，称之为被动磁轴承、永磁轴承。然而仅采用永磁轴承是不可能获得稳定平衡的，至少需要在一个方向上采用机械轴承或主动磁轴承才能使之稳定。

发明内容

为了实现飞轮储能装置的超高速运行以及小型化，本发明将永磁轴承和电磁轴承的稳定作用结合起来，提供一种永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置。

具体的技术解决方案如下：

永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置包括由电机壳体13、定子30、转子31和转轴2组成的电机，转子31固定设于转轴2上，转轴2为阶梯轴，定子30通过锁紧哈夫35轴向压紧固定于电机壳体内。所述转轴2上还固定设有圆柱状的飞轮3，所述飞轮3与转轴2之间的配合为过盈配合；飞轮3一侧的转轴2端部通过下着陆轴承4设于下支撑体16上，与下支撑体16对应的转轴2上设有轴肩，飞轮3的下端面和所述轴肩贴合；电机一侧的转轴2端部通过上着陆轴承5设于上支撑体14上。

所述下支撑体16呈圆柱体状，与飞轮3对应的下支撑体16的上端中部设有沉孔，沉孔中部轴向设有轴承孔，下支撑体16的上端面上均布设有下永磁块9，相邻下永磁块9之间的下支撑体16的上端面上设有线包29，下支撑体16的底部固定在底板11上；与下支撑体16的上端面对应的飞轮3端面上均布固定设有飞轮永磁块8；飞轮3端面上的飞轮永磁块8和下支撑体16的上端面上的下永磁块9、线包29构成轴向磁悬浮轴承；转轴2的轴肩和下着陆轴承4之间的转轴2上固定设有下轴套21，下径向永磁悬浮轴承7的内圈通过下护圈24固定在下轴套21上，下径向永磁悬浮轴承7的外圈通过螺钉固定在下支撑体16上，且下径向永磁悬浮轴承7位于下支撑体16的沉孔内；所述上支撑体14为圆柱体，轴向中部为贯通的轴孔，轴向两端分别为法兰盘；电机10一侧的转轴为台阶轴，所述台阶轴处固定设有上轴套22，上径向永磁悬浮轴承6的内圈通过上护圈23固定在上轴套22上，上径向永磁悬浮轴承6的外圈通过螺钉固定于上支撑体14上。

上支撑体14和转子31之间的转轴2上套设有平衡环37。

上支撑体14的外端面罩设有真空罩15，圆柱管状的箱体1罩设在飞轮3和下支撑体16上；箱体1的轴向两端为连接法兰，一端连接着电机壳体13，另一端连接着底板11；整个装置呈密封状态；箱体1的一侧壁上通过管道连通着真空泵34；所述真空罩15、上支撑体14、电机壳体13、箱体1和底板11之间均采用密封垫圈密封，确保真空度。

所述电机壳体13中部设有螺旋状的冷却水道36，冷却水道36的一端为进水口27，另一端为出水口28；所述上径向永磁悬浮轴承6和下径向永磁悬浮轴承7均为永磁轴承；所述上径向永磁悬浮轴承6、上轴套22的轴向上端设有上护圈23，上径向永磁悬浮轴承6、上轴套22的轴向下端设有下护圈24；所述下径向永磁悬浮轴承7、下轴套21的轴向上端设有上护圈23，下径向永磁悬浮轴承7、下轴套21的轴向下端设有下护圈24。

平衡环37和转子31之间的转轴2上套设有平衡垫38，平衡垫38的两端面分别和平衡环37的端面、转子31的端面接触；所述箱体1的一侧壁上通过管道设有真空阀33，真空阀33的出口连通着真空泵34，所述管道上设有真空传感器32。

本发明将永磁轴承和电磁轴承的稳定作用结合起来，构成一种具有最小能耗的磁轴承支承系统，在支承系统中永磁轴承将大大减轻系统负荷，从而可以减小主动磁轴承的功率损耗。可以预计，这种被动磁轴承与主动磁轴承混合控制的轴承系统是未来的发展趋势之一，可以很好地应用于高速旋转机构的轴承制造中。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明将永磁轴承和电磁轴承的稳定作用结合起来，构成一种具有最小能耗的磁轴承支承系统，在保证稳定性的前提下大大降低了能量损耗。使系统更能长时间保存能量；

2.本发明采用水冷式电机解决了电机的散热问题，确保系统运行可靠；

3.本发明应用领域广，可以应用在风力发电调频，紧急备用电源，车辆刹车动能再生，港口起重机械势能再生、负载频繁变化发动机组动力调峰等领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1的B-B剖视图。

图4为图中电机结构示意图。

上图中序号：箱体1、转轴2、飞轮3、下着陆轴承4、上着陆轴承5、上径向永磁悬浮轴承6、下径向永磁悬浮轴承7、飞轮永磁块8、下永磁块9、电机10、底板11、电机壳体13、上支撑体14、真空罩15、下支撑体16、下轴套21、上轴套22、上护圈23、下护圈24、进水口27、出水口28、线包29、定子30、转子31、真空传感器32、真空阀33、真空泵34、锁紧哈夫35、冷却水道36、平衡环37、平衡垫38。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1和图4，永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置包括由电机壳体13、定子30、转子31和转轴2组成的电机10，转子31固定安装于转轴2上，转轴2为阶梯轴，定子30通过锁紧哈夫（35）轴向压紧固定于电机壳体13内。电机壳体13中部开设有螺旋状的冷却水道36，冷却水道36的一端为进水口27，另一端为出水口28。转轴2上还固定安装有圆柱状的飞轮3，飞轮3与转轴2之间的配合为过盈配合。飞轮3一侧的转轴2端部通过下着陆轴承4安装于下支撑体16上，与下支撑体16对应的转轴2上设有轴肩，飞轮3的下端面和轴肩贴合；电机10一侧的转轴2端部通过上着陆轴承5安装于上支撑体14上。

下支撑体16呈圆柱体状，与飞轮3对应的下支撑体16的上端中部设有沉孔，沉孔中部轴向开设有贯通的轴承孔；由图3可见，下支撑体16的上端面上均布安装有下永磁块9，相邻下永磁块9之间的下支撑体16的上端面上安装有线包29，下支撑体16的底部固定在底板11上；与下支撑体16的上端面对应的飞轮3端面上均布固定安装有飞轮永磁块8，见图2；飞轮3端面上的飞轮永磁块8和下支撑体16的上端面上的下永磁块9、线包29构成轴向磁悬浮轴承。转轴2的轴肩和下着陆轴承4之间的转轴2上固定安装有下轴套21，下径向永磁悬浮轴承7的内圈通过下护圈24固定在下轴套21上，下径向永磁悬浮轴承7的外圈通过螺钉固定在下支撑体16上；且下径向永磁悬浮轴承7位于下支撑体16的沉孔内。下径向永磁悬浮轴承7、下轴套21的轴向上端安装有上护圈23，二者的轴向下端安装有下护圈24。

上着陆轴承5和下着陆轴承4作为静止和启动时转子31的支撑或在高速运转时避免转子31与定子30相碰而造成毁灭性破坏。

上支撑体14为圆柱体，轴向中部为贯通的轴孔，上支撑体14的轴向两端分别为法兰盘；电机10一侧的转轴2为台阶轴，所述台阶轴处固定安装有上轴套22，上径向永磁悬浮轴承6的内圈通过上护圈23固定在上轴套22上，上径向永磁悬浮轴承6的外圈通过螺钉固定于上支撑体14上。上径向永磁悬浮轴承6、上轴套22的轴向上端安装有上护圈23，二者的轴向下端安装有下护圈24。上支撑体14和转子31之间的转轴2上套装有平衡环37。平衡环37和转子31之间的转轴2上套设有平衡垫38，平衡垫38的两端面分别和平衡环37的端面、转子31的端面接触。上径向永磁悬浮轴承6和下径向永磁悬浮轴承7均为永磁轴承。

上支撑体14的外端面罩安装有真空罩15，圆柱管状的箱体1罩装在飞轮3和下支撑体16上；箱体1的轴向两端为连接法兰，一端连接着电机壳体13的下端，另一端连接着底板11；整个装置呈密封状态；箱体1的一侧壁上通过管道安装有真空阀33，真空阀33的出口连通着真空泵34，所述管道上安装有真空传感器32；转轴2采用合金钢材料，利用合金钢的高强度特性；飞轮本体采用高强度钢材料，也可采用高强度铝合金和碳纤维材料。

飞轮3的内径为240-300mm、外径为660-700mm、高度为250-300mm；轴的总长为1100-1200mm。

整体储能飞轮总体转动惯量为48-53kg·m²；轮缘线速度为200-400m/s；输出能量为15-20MJ。

永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置的真空罩15、上支撑体14、电机壳体13、箱体1和底板11各部件相互之间均采用密封垫圈密封，确保真空度；工作真空度要求高于1000Pa，当真空度低于1000Pa时，启动真空机组对真空箱抽真空，当系统无真空机组时，真空传感器用于报警。

电机10由固定在转轴2上的转子31和装设在电机壳体13上的定子30构成，且为发电机和电动机的一体结构。在通过控制装置给电机10供电时，该电机10就成为电动机，由电动机带动飞轮3旋转加速，从而将电能转为机械能储存；当外部负载需要电能时，飞轮3给电机施加转矩，电机又成为发电机，将机械能转为电能，并通过控制装置输出。

储能飞轮的装配过程如下：

1）首先加工好转轴2、飞轮3、箱体1；

2）下支撑体16固定于底板11上，箱体1与底板11通过螺钉联接；

3）飞轮永磁块8均布固定于飞轮3下端，转轴2与飞轮3采用温差法过盈套装，转子31固定于转轴2上，安装上径向永磁悬浮轴承6和下径向永磁悬浮轴承7，安装上着陆轴承5和下着陆轴承4于转轴2的两端；

4）吊装转子31于下支撑体16上，并通过箱体1上的几个支撑孔支撑转子31；

5）安装电机壳体13与定子组件、上支撑体14、和真空罩15。

本发明应用领域广，可以应用在风力发电调频，紧急备用电源，车辆刹车动能再生，港口起重机械势能再生、负载频繁变化发动机组动力调峰等领域。

Claims

1.永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，包括由电机壳体（13）、定子（30）、转子（31）和转轴（2）组成的电机（10），转子（31）固定设于转轴（2）上，转轴2为阶梯轴，定子（30）通过锁紧哈夫（35）轴向压紧固定于电机壳体（13）内；其特征在于：所述转轴（2）上还固定设有圆柱状的飞轮（3），所述飞轮（3）与转轴（2）之间的配合为过盈配合；飞轮（3）一侧的转轴（2）端部通过下着陆轴承（4）设于下支撑体（16）上，与下支撑体（16）对应的转轴（2）上设有轴肩，飞轮（3）的下端面和所述轴肩贴合；电机（10）一侧的转轴（2）端部通过上着陆轴承（5）设于上支撑体（14）上；所述下支撑体（16）呈圆柱体状，与飞轮（3）对应的下支撑体（16）的上端中部设有沉孔，沉孔中部轴向设有轴承孔，下支撑体（16）的上端面上均布设有下永磁块（9），相邻下永磁块（9）之间的下支撑体（16）的上端面上设有线包（29），下支撑体（16）的底部固定在底板（11）上；与下支撑体（16）的上端面对应的飞轮（3）端面上均布固定设有飞轮永磁块（8）；飞轮（3）端面上的飞轮永磁块（8）和下支撑体（16）的上端面上的下永磁块（9）、线包（29）构成轴向磁悬浮轴承；转轴的轴肩和下着陆轴承（4）之间的转轴（2）上固定设有下轴套（21），下径向永磁悬浮轴承（7）的内圈通过下护圈（24）固定在下轴套（21）上，下径向永磁悬浮轴承（7）的外圈通过螺钉固定在下支撑体（16）上，且下径向永磁悬浮轴承（7）位于下支撑体（16）的沉孔内；所述上支撑体（14）为圆柱体，轴向中部为贯通的轴孔，轴向两端分别为法兰盘；电机（10）一侧的转轴为台阶轴，所述台阶轴处固定设有上轴套（22），上径向永磁悬浮轴承（6）的内圈通过上护圈（23）固定在上轴套（22）上，上径向永磁悬浮轴承（6）的外圈通过螺钉固定于上支撑体（14）上；上支撑体（14）和转子（31）之间的转轴（2）上套设有平衡环（37）；上支撑体（14）的外端面罩设有真空罩（15），圆柱管状的箱体（1）罩设在飞轮（3）和下支撑体（16）上；箱体（1）的轴向两端为连接法兰，一端连接着电机壳体（13），另一端连接着底板（11）；整个装置呈密封状态；箱体（1）的一侧壁上通过管道连通着真空泵（34）；所述真空罩（15）、上支撑体（14）、电机壳体（13）、箱体（1）和底板（11）之间均采用密封垫圈密封，确保真空度。

2.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述电机壳体（13）中部设有螺旋状的冷却水道（36），冷却水道（36）的一端为进水口（27），另一端为出水口（28）。

3.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述上径向永磁悬浮轴承（6）和下径向永磁悬浮轴承（7）均为永磁轴承。

4.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述上径向永磁悬浮轴承（6）、上轴套（22）的轴向上端设有上护圈（23），上径向永磁悬浮轴承（6）、上轴套（22）的轴向下端设有下护圈（24）。

5.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述下径向永磁悬浮轴承（7）、下轴套（21）的轴向上端设有上护圈（23），下径向永磁悬浮轴承（7）、下轴套（21）的轴向下端设有下护圈（24）。

6.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：平衡环（37）和转子（31）之间的转轴（2）上套设有平衡垫（38），平衡垫（38）的两端面分别和平衡环（37）的端面、转子（31）的端面接触。

7.根据权利要求1所述的永磁电磁复合的悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述箱体（1）的一侧壁上通过管道设有真空阀（33），真空阀（33）的出口连通着真空泵（34），所述管道上设有真空传感器（32）。