CN106059248A - 一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置 - Google Patents

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Abstract

一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置，其固定支架(7)位于磁力耦合器主动盘(2)正下方，真空腔(5)外顶壁与主动盘(2)之间。固定支架(7)与磁力耦合器主动盘(2)、从动盘(3)平行，同轴同中心。固定支架(7)与真空腔(5)外顶壁和磁力耦合器主动盘(2)之间预留有间隙。高导磁材料薄板(6)位于固定支架(7)卡槽内，可在卡槽内沿前后方向做直线运动。固定支架(7)右侧有齿轮(9)。电动机系统(8)位于固定支架(7)右侧，垂直安装，并与固定支架(7)保持一定水平距离，电动机系统(8)的电动机轴端连接齿轮(9)，齿轮(9)端面与固定支架(7)同平面，可与高导磁材料薄板(6)齿纹啮合。

Description

一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置
技术领域
本发明涉及一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置。
背景技术
常规高温超导飞轮储能系统(HTSFESS)采用高温超导磁悬浮轴承，利用超导磁悬浮原理，实现飞轮转子的自稳定悬浮，降低了旋转摩擦阻力，省去了常规电磁悬浮系统的悬浮力复杂的控制系统，降低了维护频率和维护成本，提高了系统效率及稳定性。然而，由于电机与飞轮主轴采用一体化设计，飞轮在能量保持阶段电机轴随着飞轮旋转消耗能量，产生空载损耗；同时电机内置于真空腔，电机定子需要冷却系统。这些制约因素造成了系统效率的降低及运行成本的增加，故提出了一种永磁驱动的高温超导飞轮储能系统。
永磁驱动高温超导飞轮储能系统将磁驱动技术与高温超导飞轮储能系统相结合，将磁悬浮飞轮与电机分别置于真空腔内外，电机轴与飞轮主轴通过磁驱动传递转矩，实现完全隔离。在磁驱动系统主动盘与从动盘之间加装磁力开断装置，即磁屏蔽开关。当储能系统处于充电状态即加速飞轮时，磁力开断装置关断，磁驱动系统正常传递转矩；当系统转为能量保持状态即加速飞轮至额定转速时，磁力开断装置闭合阻断主动盘与从动盘之间的磁耦合，从而阻断二者的转矩传输，实现电机与飞轮主轴完全分离，此时电机可关停，从而消除了能量保持阶段电机的空载损耗，同时电机外置也省去了电机定子冷却系统，降低了运行成本，进一步提高了系统效率。
从上述永磁驱动高温超导飞轮储能系统的特点可看出，磁力开断技术是消除电机空载损耗，提高系统效率，实现长期储能的最关键技术之一。磁力开断技术有以下要求：(1)可靠性高，能够长期稳定工作；(2)响应迅速，响应越快则空载损耗越小；(3)屏蔽效果好，发生漏磁则不能完全阻断磁耦合；(4)装置易于实现，主动盘与从动盘间隙较小，空间有限。
目前国际上仅有日本东京铁路技术研究院、超导技术研究实验室等机构联合发表的文献中提及了一种采用非接触式永磁磁力耦合器的高温超导飞轮储能系统，将电机置于真空腔外，飞轮储能系统置于真空腔内，依靠永磁盘间磁力耦合实现转矩传输。该磁力耦合器主动盘和从动盘均采用永磁盘，利用永磁体间的斥力和吸力产生转矩，且未提及磁力开断技术及其装置。
专利CN101719699B在飞轮储能系统电机轴和飞轮主轴之间安装永磁联轴器即磁力耦合器，通过磁耦合传递转矩，其目的在于隔离装置运行期间电机轴的热传导，防止电机轴温升对高温超导磁悬浮轴承的稳定性造成影响，但未提及电机是否置于真空腔外，也未涉及磁力开断技术及其装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术由于能量保持阶段电机空转长期耗能，效率低下，难以长期储能的缺点。提出一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置。本发明可消除能量保持阶段的电机空载损耗，节约电能，提高系统效率，实现飞轮储能系统的长期储能。
本发明利用高导磁材料的低磁阻特性将永磁体的磁场旁路，从而阻断磁力耦合器主动盘和从动盘之间的磁场耦合，阻断转矩的传输，实现电机与飞轮主轴的分离。
本发明采用以下技术方案：
永磁驱动高温超导飞轮储能系统主要包括电动机或发电机、电机轴、磁力耦合器主动盘、磁力耦合器从动盘、飞轮主轴、飞轮、真空腔和基于高导磁材料的磁力开断装置等。其中电动机或发电机、电机轴、磁力耦合器主动盘、整个磁力开断装置位于真空腔外部，从动盘、飞轮主轴、飞轮位于真空腔内部。
整个超导飞轮储能系统垂直安装，最上端为发电机或电动机，发电机或电动机轴端连接磁力耦合器主动盘，主动盘正下方是磁力开断装置，发电机或电动机、磁力耦合器和磁力开断装置位于真空腔外部。磁力开断装置正下方为真空腔，磁力开断装置和真空腔外顶壁之间预留mm级间隙。磁力耦合器从动盘、飞轮及其主轴、超导磁轴承均位于真空腔内。磁力开断装置位于磁力耦合器主动盘与真空腔外顶壁之间，主动盘位于磁力开断装置的正上方，且磁力耦合器主动盘、磁力开断装置、磁力耦合器从动盘同轴同中心，从动盘与真空腔内顶壁预留间隙，从动盘的下端面与飞轮主轴固定连接，飞轮及超导磁轴承位于从动盘下方。
永磁驱动高温超导飞轮储能系统磁力耦合器由主动盘和从动盘组成，主动盘位于真空腔外，主动盘的正下方为磁力开断装置，磁力开断装置正下方为真空腔，从动盘位于真空腔内，主动盘与从动盘上下相对布置，主动盘的下端面与从动盘的上端面平行，两个端面之间留有极小间隙。本发明磁力开断装置位于永磁驱动高温超导飞轮储能系统磁力耦合器的主动盘与真空腔外顶壁之间，并与主动盘和从动盘端面保持平行。
所述的磁力开断装置包括高导磁材料薄板、固定支架、电动机系统以及齿轮。
所述的磁力开断装置整体位于真空腔外，磁力耦合器主动盘的下端面与真空腔外顶壁之间。高导磁材料薄板与固定支架同平面，且高导磁材料薄板、固定支架与磁力耦合器的主动盘、从动盘同轴同中心。
所述的高导磁材料薄板为矩形，由含镍量为76％～86％的铁镍合金、硅钢片或坡莫合金等高导磁材料制成，其一侧有齿纹，可与电动机轴端连接齿轮啮合。高导磁材料薄板位于磁力耦合器主动盘下底面和真空腔外顶壁之间，并与真空腔外顶壁及主动盘预留一定间隙。高导磁材料薄板嵌入固定支架卡槽，可在电动机驱动下在固定支架卡槽内沿一个方向做直线运动。
固定支架为矩形框架，与高导磁材料薄板同中心、同平面，高导磁材料薄板嵌入固定支架内。固定支架由四条边框组成，四条边框内有卡槽，其中左边框和后边框的卡槽的外侧封闭，前边框和右边框的卡槽为未封闭的通槽。前边框的通槽用于高导磁材料薄板作直线运动，相邻的右边框的通槽用于超导磁材料薄板与电动机轴端连接齿轮啮合。为避免固定支架在变化磁场中产生涡流损耗，固定支架采用环氧树脂等非金属材料制作。
电动机系统为中速电动机并集成控制系统，可实现正反转控制，垂直安装于固定支架的一侧，电动机的轴端连接齿轮。齿轮与电动机轴同轴，齿轮平面与高导磁材料薄板同平面，且齿轮可与高导磁材料薄板齿纹啮合。在电动机系统驱动下齿轮与高导磁材料薄板齿纹啮合，高导磁材料薄板在固定支架卡槽内做直线运动。
当飞轮储能系统处于充电状态，即加速飞轮时，通过远程或遥控装置控制电机反转，电动机轴端连接齿轮与高导磁材料薄板齿纹啮合，推动高导磁材料薄板做直线运动，将高导磁材料薄板退出固定支架卡槽，即整个磁力开断装置呈关断状态，磁力耦合器主动盘产生的磁场可穿过真空腔与磁力耦合器从动盘形成磁耦合，主动盘与从动盘正常传输转矩；当加速飞轮至额定转速即永磁驱动高温超导飞轮储能系统转为能量保持状态时，通过远程控制或遥控装置控制电机正转，电动机轴端连接齿轮与高导磁材料薄板齿纹啮合，将高导磁材料薄板推入固定支架卡槽，即磁力开断装置呈闭合状态，此时利用高导磁材料薄板的低磁阻特性为磁场提供磁通捷径，进而将磁场旁路，磁力耦合器主动盘产生的磁场无法到达磁力耦合器的从动盘，从而阻断了主动盘与从动盘之间的磁耦合，即阻断了二者之间的转矩传输，实现电机与飞轮主轴完全分离，电机可关停，消除了能量保持阶段的电机空载损耗，提高了系统运行效率。
本发明利用高导磁材料的低磁阻特性为磁场提供磁通捷径，从而将磁场旁路，通过控制电机将高导磁材料薄板推入或退出固定支架卡槽，关断或闭合主、从动盘之间的磁通路径，实现电机与飞轮主轴分离，装置结构简单，可通过自动控制实现，适用于永磁驱动的径向型或轴向型高温超导飞轮储能系统。
附图说明
图1安装本发明磁力开断装置的永磁驱动高温超导飞轮储能系统结构示意图；
图2磁力开断装置结构正视图；
图3磁力开断装置结构右视图；
图4a磁力开断装置关断时俯视图；
图4b磁力开断装置闭合时俯视图。
具体实施方式
如图1所示，永磁驱动高温超导飞轮储能系统包括发电机或电动机1、磁力耦合器主动盘2、真空腔5、磁力耦合器从动盘3、飞轮主轴4、磁力开断装置。飞轮储能系统垂直安装，发电机或电动机1位于最上端，发电机或电动机1的轴端连接磁力耦合器主动盘2，磁力耦合器主动盘2的正下方为磁力开断装置，发电机或电动机1、磁力耦合器主动盘2及磁力开断装置位于真空腔5的外部。磁力耦合器从动盘3、飞轮主轴4等位于真空腔5内部。
本发明磁力开断装置位于磁力耦合器主动盘2与真空腔5外顶壁之间，磁力开断装置的正下方为真空腔5，磁力开断装置与磁力耦合器主动盘2的端面平行，同轴同中心。磁力耦合器从动盘3的下端面与飞轮主轴4固定连接。
本发明磁力开断装置包括高导磁材料薄板6、固定支架7、电动机系统8以及齿轮9。
固定支架7为由四条边框组成的矩形框架，四条边框内有卡槽，且前边框和右边框卡槽为通槽，开口未封闭。固定支架7位于磁力耦合器主动盘2的正下方，磁力耦合器主动盘2和真空腔5外顶壁之间。固定支架7与磁力耦合器主动盘2的端面，以及磁力耦合器从动盘3的端面平行，同轴同中心。且固定支架7与磁力耦合器主动盘2和真空腔5外顶壁之间留有极小间隙。高导磁材料薄板6为一矩形薄板，嵌于固定支架7边框卡槽内，高导磁材料薄板6的右侧边为齿纹状。固定支架7的右边框为通槽，开口未封闭。电动机系统8垂直安装于固定支架7的右侧，与高导磁材料薄板6的平面垂直，且与高导磁材料薄板6保持有水平距离。齿轮9位于固定支架7右侧，与电动机系统8的电动机轴端连接，齿轮9与电动机系统8的电动机同轴同圆心。齿轮9的端面与固定支架7、高导磁材料薄板6同平面，齿轮9与高导磁材料薄板6右侧边的齿纹啮合。固定支架7、高导磁材料薄板6、电动机系统8、齿轮9均位于真空腔5外部，位于磁力耦合器主动盘2的正下方，并紧贴于真空腔5的外顶壁。固定支架7、高导磁材料薄板6、电动机系统8、齿轮9与磁力耦合器主动盘2下表面之间有一定间隙。
固定支架7为由四个边框组成的矩形框架，四条边框内有卡槽，前边框和右边框的卡槽为开口未封闭的通槽。为避免在磁力耦合器主动盘2旋转磁场下产生涡流损耗，固定支架7采用环氧树脂等非金属材料加工而成。高导磁材料薄板6为矩形薄板，由镍含量76％～86％的铁镍合金或硅钢片、坡莫合金等高导磁材料加工而成，内嵌于固定支架7的卡槽内。高导磁材料薄板6的右侧边有齿纹，与齿轮9啮合。高导磁材料薄板6在电动机系统8的驱动下，在固定支架7内做前后方向的直线运动。
电动机系统8垂直安装于固定支架7的右侧，与固定支架7保持一定的水平距离。电动机系统包含一台中速电机，并集成有自动控制系统，可通过远程控制或遥控装置控制电机正转或反转，电动机轴端连接齿轮9。齿轮9由金属材料加工而成，位于固定支架7的右侧，与电动机系统8的电动机同轴同圆心。齿轮9的端面与固定支架7、高导磁材料薄板6同平面。齿轮9与高导磁材料薄板6右侧边的齿纹啮合。
如图2所示，固定支架7前边框的卡槽呈开口状，高导磁材料薄板6由此开口嵌入固定支架7前边框的卡槽，并沿卡槽在固定支架7内滑动。电动机系统8与固定支架7保持一定水平距离。高导磁材料薄板6、固定支架7、齿轮9三者保持同平面。
如图3所示，电动机系统8位于固定支架的右侧。固定支架7右边框的卡槽呈开口状，齿轮9与高导磁材料薄板6右侧边的齿纹啮合。
如图4a和图4b所示，高导磁材料薄板6的右侧边有齿纹，与齿轮9啮合，齿轮9在电动机系统8驱动下带动高导磁材料薄板6在固定支架7内沿前后方向做直线运动，使高导磁材料薄板6完全进入或退出固定支架7。固定支架7、高导磁材料薄板6与磁力耦合器的主动盘2、从动盘3的端面保持平行、同轴。

Claims (3)

1.一种永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置，所述的永磁驱动高温超导飞轮储能系统包括发电机或电动机(1)、磁力耦合器主动盘(2)、真空腔(5)、磁力耦合器从动盘(3)、飞轮主轴(4)和磁力开断装置；飞轮储能系统垂直安装，发电机或电动机(1)位于最上端，发电机或电动机(1)的轴端连接磁力耦合器主动盘(2)，磁力耦合器主动盘(2)正下方是磁力开断装置，发电机或电动机(1)、磁力耦合器主动盘(2)和磁力开断装置位于真空腔(5)的外部；磁力耦合器从动盘(3)、飞轮主轴(4)位于真空腔(5)的内部，其特征是：所述的磁力开断装置位于磁力耦合器主动盘(2)和真空腔(5)外顶壁之间，磁力开断装置的正上方为磁力耦合器主动盘(2)；磁力开断装置与磁力耦合器主动盘(2)的端面平行，同轴同中心；磁力耦合器从动盘(3)的下端面与飞轮主轴(4)固定连接；
所述的磁力开断装置包括高导磁材料薄板(6)、固定支架(7)、电动机系统(8)和齿轮(9)；
所述的固定支架(7)为矩形框架结构，位于磁力耦合器主动盘(2)的正下方，真空腔(5)的外顶壁与主动盘(2)之间；固定支架(7)的端面与磁力耦合器主动盘(2)的端面，以及磁力耦合器从动盘(3)的端面平行，同轴同中心；固定支架(7)与真空腔(5)外顶壁和磁力耦合器主动盘(2)之间预留有间隙；高导磁材料薄板(6)位于固定支架(6)的卡槽内，能够在卡槽内沿前后方向做直线运动；固定支架(7)的右侧有齿轮(9)；电动机系统(8)位于固定支架(7)右侧，并与固定支架(7)保持有水平距离；电动机系统(8)垂直安装，电动机系统(8)的电动机轴端连接齿轮(9)，齿轮(9)与电动机系统(8)的电动机同轴同圆心；齿轮(9)的端面与固定支架(7)及高导磁材料薄板(6)同平面，齿轮(9)与高导磁材料薄板(6)齿纹啮合；所述的高导磁材料薄板(6)、固定支架(7)、电动机系统(8)、齿轮(9)均位于磁力耦合器主动盘(2)的正下方，真空腔(5)外部，并紧贴真空腔(5)的外顶壁；高导磁材料薄板(6)、固定支架(7)与真空腔(5)外顶壁和磁力耦合器主动盘(2)下表面之间有间隙。
2.根据权利要求1所述的永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置，其特征是：所述的固定支架(7)为由四条边框组成的矩形框架，四条边框内有卡槽，且前边框和右边框卡槽为开口未封闭通槽，采用非金属材料加工而成；高导磁材料薄板(6)为矩形薄板，由铁镍合金或硅钢片或坡莫合金加工而成；高导磁材料薄板(6)内嵌于固定支架(7)的卡槽内，用于阻断磁力耦合器的主动盘(2)和从动盘(3)之间的磁场耦合，阻断转矩的传输，实现电机与飞轮主轴的分离。
3.根据权利要求2所述的永磁驱动高温超导飞轮储能系统的磁力开断装置，其特征是：所述的高导磁材料薄板(6)与固定支架(7)同平面同中心；高导磁材料薄板(6)、固定支架(7)、磁力耦合器主动盘(2)，以及从动盘(3)端面平行、同轴同中心；电动机系统(8)的电动机与齿轮(9)同轴同圆心；齿轮(9)的端面与固定支架(7)、高导磁材料薄板(6)同平面；齿轮(9)与高导磁材料薄板(6)的齿纹啮合，高导磁材料薄板(6)在电动机系统(8)驱动下沿固定支架(7)的卡槽做直线运动。
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