CN106992626B - 一种双支承磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents

一种双支承磁悬浮飞轮储能装置 Download PDF

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Abstract

一种双支承磁悬浮飞轮储能装置，属于磁悬浮飞轮储能系统领域。飞轮储能装置中飞轮转子组件10工作时由上径向电磁轴承定子4和下径向电磁轴承定子13、上轴向电磁轴承定子6和下轴向电磁轴承定子8支承，限制转子除旋转外的五个自由度，定子和转子均不接触。飞轮储能装置储能时，当电机以电动机方式工作，使飞轮转子加速并储存能量；释放能量时，当电机以发电机方式工作，将飞轮转子的机械能转化为电能。图1中所有定子组件均直接或间接与上支承板5和下支承板12联接，然后再通过上支承板5和下支承板12与真空室缸体9联接，从而形成双支承飞轮储能装置总体结构。使得装卸螺母的时候更方便快捷，提高了工作效率。

Description

一种双支承磁悬浮飞轮储能装置
技术领域
本发明技术领域涉及一种磁悬浮飞轮储能系统，特别是涉及一种双支承磁悬浮飞轮储能装置。
背景技术
目前飞轮储能系统已成功应用到不间断电源、可再生能源光伏发电和风力发电的调峰，以及混合动力汽车等领域。飞轮储能系统由飞轮储能装置和电控系统组成，飞轮储能装置中的飞轮转子在高速下运转，以机械能的方式实现能量的存储；电控系统负责电能与机械能之间的能量转换，以及对飞轮储能装置的监视和控制。为了实现飞轮转子高速旋转和减少阻力，通常采用五自由度电磁轴承支承，并在真空环境下工作。因此，飞轮储能装置应包括飞轮转子轴、飞轮、两个径向电磁轴承、一个轴向电磁轴承、电机、辅助轴承、真空室等零部件，这些零部件工作时分为旋转部分和固定不动部分。旋转部分统称为飞轮转子组件，固定不动部分包括两个径向电磁轴承定子、一个轴向电磁轴承定子、电机定子、两端辅助轴承定子，以及真空室。目前固定不动部分最普通的形式是不用单独的真空室，而是用各部件的定子的支承壳体作为真空室。各定子的支承壳体常见的有两种形式，一种为整体式，各定子分别与壳体联接；另一种是分段式，各定子分别与几段壳体固定，然后再将几段联接。在飞轮储能装置中，飞轮转子上的各定子位置受到转子动力学、结构和装配制造等因素的限制，并且各定子部件均需与相应的转子位置相对应。因此，上面提到两种联接形式存在真空密封困难、结构复杂、加工制造要求高、装配调整不便、内部电线和管路穿出真空室困难等问题，严重影响了飞轮储能装置的性能和加工制造难度。
CN201310169760.0公开了一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法。
CN201220055658.9公开了一种并联式飞轮储能装置。
CN201620542435.3公开了一种新型车载飞轮储能装置。
CN201120203808.1公开了一种飞轮储能系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种双支承结构的磁悬浮飞轮储能装置，解决飞轮储能装置中各定子间联接，以及各定子与真空壳体联接的问题。
本发明的目的是通过如下措施来实现飞轮储能装置中飞轮转子电磁轴承悬浮支承、静止和意外时辅助支承、真空密封。双支承磁悬浮飞轮储能装置如图1所示，适用于飞轮转子轴处于水平方向和垂直方向的飞轮储能装置。
一种双支承磁悬浮飞轮储能装置，包括磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板5、下支撑板2、真空室，其特征在于：磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板5、下支撑板12位于真空室的内部；上支撑板5和下支撑板12一端与真空室联接，另一端与磁悬浮飞轮储能装置联接。
所述磁悬浮飞轮储能装置是由飞轮转子组件10、轴向电磁轴承定子组件、电机定子组件11组成，且飞轮转子位于电磁轴承定子组件和电机定子组件11之间。
所述飞轮转子组件10是由上辅助轴承转子10-1、下辅助轴承转子10-8、上径向电磁轴承转子10-2、下径向电磁轴承转子10-7、轴向电磁轴承转子10-3、飞轮10-4、飞轮转子轴10-5、电机转子10-6组成；飞轮10-4位于飞轮转子组件10中间，上辅助轴承转子10-1和下辅助轴承转子10-8位于飞轮转子组件10的两端；上径向电磁轴承转子10-2和轴向电磁轴承转子10-3位于上辅助轴承转子10-1和飞轮10-4之间；下径向电磁轴承转子10-7和电机转子10-6位于下辅助轴承转子10-8位于飞轮转子组件10和飞轮10-4之间。
所述电磁轴承定子组件是由上辅助轴承定子组件2、下辅助轴承定子组件15、上径向电磁轴承定子组件4、下径向电磁轴承定子组件13、轴向电磁轴承定子部件组成；上辅助轴承定子组件2与上辅助轴承转子10-1配合，下辅助轴承定子组件15与下辅助轴承转子10-8配合，上径向电磁轴承定子组件4与上径向电磁轴承转子10-2配合，下径向电磁轴承定子组件13与下径向电磁轴承转子10-7配合，轴向电磁轴承定子部件与轴向电磁轴承转子10-3配合。
所述上支撑板5和下支撑板12为圆环形，并在圆环上钻孔；上支承板5靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与上径向电磁轴承定子组件4联接，下面与轴向电磁轴承定子支座6联接；下支撑板12靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与下径向电磁轴承定子组件13联接，下面与电机转子10-6联接。
所述真空室是由真空室缸体9、上端盖1、下端盖16组成；上端盖1和下端盖16分别与真空室缸体9联接。
所述电机定子组件11既可以是发电机定子部件也可以是电动机部件。
所述电机转子10-6既可以是发电机转子也可以是电动机转子。
所述轴向电磁轴承定子组件包括轴向电磁轴承定子支撑件6，上轴向电磁轴承定子7和下轴向电磁轴承定子8，其中轴向电磁轴承定子支撑件6含有两个凸肩和一个底座，两个凸肩分别与上轴向电磁轴承定子7和上轴向电磁轴承定子8联接，底座和上支撑板5联接，联接方式为螺栓联接。
本发明双支承磁悬浮飞轮储能装置不限于图1中所示的立式结构，也可以是飞轮转子轴水平方向的卧式结构。各定子有多种总体布置方式，如径向电磁轴承可以处于紧靠飞轮位置，或轴向电磁轴承部件与电机位置互换等
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.双支承飞轮储能装置总体布局合理，易于满足转子动力学设计要求。径向电磁轴承相对于飞轮两端对称布置，使飞轮转子的质心接近于径向支承中心，两径向电磁轴承负荷接近，并能发挥其最大承载能力。总体结构轴向更为紧凑，有利于提高飞轮转子的刚度和固有频率。
2.便于加工制造和装配调整，易于保证精度要求。上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和辅助轴承等可采用相同的零部件。圆环形支承板的内外圆处联接均采用止口定位，易于保证同轴度要求。装配时使飞轮转子与上支承板形成装配组件，下支承板与真空室形成装配组件，然后两个装配组件再进行装配，装配后仅需调整辅助轴承处就可完成轴向间隙的调整，主要调整在装配组件装配中就可完成。
3.便于真空的密封，易于保证整体功能和性能要求。真空室为整体结构，起到支承、安全防护、真空密封多种作用，并且只有上下两个端盖，便于密封和真空保持。真空室圆周进出口采用密封盖形式，电连接器、冷却水管、真空管均与密封盖先联接，然后再通过密封盖装配到真空室上。不仅可满足各零部件功能所需的要求，也能保证整体性能的要求。
附图说明
图1为双支承磁悬浮飞轮储能装置结构图；
图2为上下支承板俯视图；
具体实施方式
本发明的实施例双支承磁悬浮飞轮储能装置如附图1和附图2所示。图1为立式结构，即飞轮转子轴处于垂直方向；同样适用于飞轮转子轴处于水平方向的卧式结构。
一种双支承磁悬浮飞轮储能装置，包括磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板5、下支撑板12、真空室，其特征在于：磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板5、下支撑板12位于真空室的内部；上支撑板5和下支撑板12一端与真空室联接，另一端与磁悬浮飞轮储能装置联接。
所述磁悬浮飞轮储能装置是由飞轮转子10、轴向电磁轴承定子组件、电机定子组件11组成，且飞轮转子位于电磁轴承定子组件和电机定子组件11之间。
所述飞轮转子组件10是由上辅助轴承转子10-1、下辅助轴承转子10-8、上径向电磁轴承转子10-2、下径向电磁轴承转子10-7、轴向电磁轴承转子10-3、飞轮10-4、飞轮转子轴10-5、电机转子10-6组成；飞轮10-4位于飞轮转子组件10中间，上辅助轴承转子10-1和下辅助轴承转子10-8位于飞轮转子组件10的两端；上径向电磁轴承转子10-2和轴向电磁轴承转子10-3位于上辅助轴承转子10-1和飞轮10-4之间；下径向电磁轴承转子10-7和电机转子10-6位于下辅助轴承转子10-8位于飞轮转子组件10和飞轮10-4之间。
所述电磁轴承定子组件是由上辅助轴承定子组件2、下辅助轴承定子组件15、上径向电磁轴承定子组件4、下径向电磁轴承定子组件13、轴向电磁轴承定子部件组成；上辅助轴承定子组件2与上辅助轴承转子10-1配合，下辅助轴承定子组件15与下辅助轴承转子10-8配合，上径向电磁轴承定子组件4与上径向电磁轴承转子10-2配合，下径向电磁轴承定子组件13与下径向电磁轴承转子10-7配合，轴向电磁轴承定子部件与轴向电磁轴承转子10-3配合。
所述上支撑板5和下支撑板12为圆环形，并在圆环上钻孔；上支承板5靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与上径向电磁轴承定子组件4联接，下面与轴向电磁轴承定子支座6联接；下支撑板12靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与下径向电磁轴承定子组件13联接，下面与电机转子10-6联接。
所述真空室是由真空室缸体9、上端盖1、下端盖16组成；上端盖1和下端盖16分别与真空室缸体9联接。
所述电机定子组件11既可以是发电机定子部件也可以是电动机部件。
所述电机转子10-6既可以是发电机转子也可以是电动机转子。
所述轴向电磁轴承定子组件包括轴向电磁轴承定子支撑件6，上轴向电磁轴承定子7和下轴向电磁轴承定子8，其中轴向电磁轴承定子支座6含有两个凸肩和一个底座，两个凸肩分别与上轴向电磁轴承定子7和上轴向电磁轴承定子8联接，底座和上支撑板5联接，联接方式为螺栓联接。
上支承板5和下支承板12俯视图见图2，图2左图为图1中上支承板5的俯视图，图2右图为图1中下支承板12的俯视图。支承板为圆环形，圆周有若干孔，以便电线和管路通过，以及减轻重量，其厚度方向并不限于图1中所示的板形结构。上支承板5内圆上面与上径向电磁轴承定子组件4相联接，下面与轴向电磁轴承定子支座6相联接。轴向电磁轴承定子支座6与上轴向电磁轴承定子7和下轴向电磁轴承定子8共同组成轴向电磁轴承定子部件，上辅助轴承定子2通过上辅助轴承定子组件联接板3与上径向电磁轴承定子组件4联接。由此，上支承板5对飞轮转子组件起到了上径向支承和轴向支承的双重作用。下支承板12内圆下面与下径向电磁轴承定子组件13相联接，上面与电机定子组件11相联接，下辅助轴承定子15通过下辅助轴承定子组件联接板14与下径向电磁轴承定子组件13联接。由此，下支承板12对飞轮转子组件起到了下径向支承和电机定子支承的双重作用。图2中上下支承板的外圆与图1中真空室缸体9联接，对于真空室缸体9只有与两个支承板联接处的要求有较高的加工精度，从而降低了加工制造难度。上下支承板内外圆联接处均采用止口端面定位方式，便于加工制造和装配。
本实施例中，飞轮储能装置的装配可先装配成两个总成部件：一个是将上辅助轴承定子2、上辅助轴承定子组件联接板3、上径向电磁轴承定子组件4、上支承板5、轴向电磁轴承定子支座6、上轴向电磁轴承定子7、下轴向电磁轴承定子8、飞轮转子组件10装配成上支承总成，另一个是将真空室缸体9、电机定子组件11、下支撑板12、下径向电磁轴承定子组件13、下辅助轴承定子组件联接板14、下辅助轴承定子15装配成下支承总成。然后将上支承总成装配到下支承总成中，大部分装配调整均可在总成中进行，降低了装配难度，提高了装配效率。
本发明飞轮10-4处于上支撑板5和下支撑板12中间，上径向电磁轴承4和下径向电磁轴承13采取对称布置方式，辅助轴向组件通过支架与径向电磁轴承联接，电磁轴承和电机各处于飞轮一侧，但不限于本实施例中的布置形式。也可以是电机定子组件处于飞轮上面，轴承电磁轴承部件位于飞轮下面的布置方式；以及径向电磁轴承位于近靠飞轮的位置，即图1中上支承板5的下面和下支承板12上面的布置方式。

Claims (1)

1.一种双支承磁悬浮飞轮储能装置，包括磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板(5)、下支撑板(12)、真空室，其特征在于：磁悬浮飞轮储能装置、上支撑板(5)、下支撑板(12)位于真空室的内部；上支撑板(5)和下支撑板(12)一端与真空室联接，另一端与磁悬浮飞轮储能装置联接；
所述磁悬浮飞轮储能装置是由飞轮转子(10)、轴向电磁轴承定子组件、电机定子组件(11)组成，且飞轮转子位于电磁轴承定子组件和电机定子组件11之间；
所述飞轮转子(10)是由上辅助轴承转子(10-1)、下辅助轴承转子(10-8)、上径向电磁轴承转子(10-2)、下径向电磁轴承转子(10-7)、轴向电磁轴承转子(10-3)、飞轮(10-4)、飞轮转子轴(10-5)、电机转子(10-6)组成；飞轮(10-4)位于飞轮转子(10)中间，上辅助轴承转子(10-1)和下辅助轴承转子(10-8)位于飞轮转子(10)的两端；上径向电磁轴承转子(10-2)和轴向电磁轴承转子(10-3)位于上辅助轴承转子(10-1)和飞轮(10-4)之间；下径向电磁轴承转子(10-7)和电机转子(10-6)位于下辅助轴承转子(10-8)位于飞轮转子(10)和飞轮(10-4)之间；
所述电磁轴承定子组件是由上辅助轴承定子组件(2)、下辅助轴承定子组件(15)、上径向电磁轴承定子组件(4)、下径向电磁轴承定子组件(13)、轴向电磁轴承定子部件组成；上辅助轴承定子组件(2)与上辅助轴承转子(10-1)配合，下辅助轴承定子组件(15)与下辅助轴承转子(10-8)配合，上径向电磁轴承定子组件(4)与上径向电磁轴承转子(10-2)配合，下径向电磁轴承定子组件(13)与下径向电磁轴承转子(10-7)配合，轴向电磁轴承定子部件与轴向电磁轴承转子(10-3)配合；
所述上支撑板(5)和下支撑板(12)为圆环形，并在圆环上钻孔；上支承板(5)靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与上径向电磁轴承定子组件(4)联接，下面与轴向电磁轴承定子支座(6)联接；下支撑板(12)靠近磁悬浮飞轮储能装置一侧的上面与下径向电磁轴承定子组件(13)联接，下面与电机转子(10-6)联接；
所述真空室是由真空室缸体(9)、上端盖(1)、下端盖(16)组成；上端盖(1)和下端盖(16)分别与真空室缸体(9)联接；
所述电机定子组件(11)既可以是发电机定子部件也可以是电动机部件；
所述电机转子(10-6)既可以是发电机转子也可以是电动机转子；
所述轴向电磁轴承定子组件包括轴向电磁轴承定子支撑件(6)，上轴向电磁轴承定子(7)和下轴向电磁轴承定子(8)，其中轴向电磁轴承定子支座(6)含有两个凸肩和一个底座，两个凸肩分别与上轴向电磁轴承定子(7)和下轴向电磁轴承定子(8)联接，底座和上支撑板(5)联接，联接方式为螺栓联接。
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