CN107070072B - 一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，转轴，飞轮，永磁卸载轴承，四自由度磁悬浮支承与传动系统置于真空容器内，用于减少风阻带来的能量损耗；飞轮安装在转轴下端，同时永磁卸载轴承固连飞轮与真空容器；飞轮储能装置上端安装四自由度磁悬浮支承与传动系统。四自由度磁悬浮支承与传动系统由磁悬浮开关磁阻电机，永磁体，导磁板和磁轴承组成，永磁体通过导磁板的作用，为磁悬浮开关磁阻电机和磁轴承均提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，省去了多余的用于产生偏置磁轴的线圈，损耗低且系统结构紧凑；磁悬浮开关磁阻电机采用转矩/悬浮自解耦结构，提高了系统运行的稳定性与可靠性。

Description

一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，尤其涉及一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，特别适用于不间断电源、航空航天等领域。

背景技术

随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的新型储能装备，飞轮电池目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承系统、集成式高速/超高速电机的性能与控制等。为减小支承损耗，飞轮电池通常采用多个磁悬浮轴承支承，增加了飞轮轴向长度，降低了临界转速，同时也导致飞轮电池结构复杂、体积庞大。磁悬浮轴承消除了传统机械轴承连续高速运转的发热失效问题和摩擦阻力消耗问题使得飞轮电池的储能总量与储能密度都得到大幅度的提高。而磁悬浮电机集传统电机旋转与磁轴承悬浮功能于一体，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，打破了传统电机仅为了产生电磁转矩而必须保持气隙磁场平衡的思路，开辟了高速电机研究领域的新方向。磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合，在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上，充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，成为目前磁悬浮电机领域一个新的研究热点。为此，本专利提出一种以四自由度磁悬浮支承与传动系统为核心部件的飞轮储能装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机的完全意义上统一，大大增加了系统的结构紧凑性，控制更加灵活，提高了临界转速、功率密度与系统集成度，进一步减小了支承损耗，在高速低损飞轮电池领域具有重大的研究与应用价值。

发明内容

本发明目的是提出一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一，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：包括真空容器、飞轮、转轴、永磁卸载轴承以及四自由度磁悬浮支承与传动系统。

所述四自由度磁悬浮支承与传动系统由磁悬浮开关磁阻电机，永磁体，电机侧导磁板，轴承侧导磁板和磁轴承组成。磁悬浮开关磁阻电机，永磁体，电机侧导磁板，轴承侧导磁板和磁轴承固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一。永磁体通过导磁板的作用，为磁悬浮开关磁阻电机和磁轴承均提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，省去了多余的用于产生偏置磁轴的线圈，损耗低且系统结构紧凑。

所述四自由度磁悬浮支承与传动系统的磁悬浮开关磁阻电机部分：采用转矩/悬浮自解耦结构，提高了系统运行的稳定性与可靠性，磁悬浮开关磁阻电机转矩部分采用短磁路结构，降低了系统漏磁，进一步提高了飞轮储能装置的运行效率。磁悬浮开关磁阻电机由四个隔磁板，四个电机悬浮极，四个电机悬浮绕组，四个电机定子铁心，八个转矩绕组，一个电机定子轭，一个电机转子。其中，电机定子轭外部与电机侧导磁板相连，电机定子轭内部与四个电机悬浮极相连，每个电机悬浮极上叠绕一个电机悬浮绕组，绕组均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极之间安装一个隔磁板，隔磁板外侧与电机定子轭相连，共有四个隔磁板；每个隔磁板内侧安装一个电机定子铁心，每个电机定子铁心上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组；电机定子铁心、电机悬浮极和电机转子之间留有等间隙的径向气隙；电机转子上共有十个等间距分布的齿，电机转子嵌套在转轴上。四个电机悬浮极，相隔90°等间距分布。

所述磁轴承由四个轴承定子极，四个轴承悬浮绕组，一个轴承定子轭，一个轴承转子组成。其中，轴承定子轭外部与轴承侧导磁板相连，轴承定子轭内部与四个轴承定子极相连，每个轴承定子极上叠绕一个轴承悬浮绕组，绕组均由直流电控制；轴承定子极和轴承转子之间留有等间隙的径向气隙；轴承转子嵌套在转轴上；四个轴承定子极相隔90°等间距分布。

所述永磁卸载轴承包括上磁环，下磁环。上磁环与硅钢片固连飞轮，下磁环固连在真空容器；上磁环与下磁环之间有一定有气隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)轴向长度缩短、结构紧凑

该装置采用四自由度磁悬浮支承与传动系统，利用永磁体、导磁板以及隔磁材料，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一，四自由度磁悬浮支承与传动系统可以同时实现四个自由度上的悬浮以及电机的电动/发电运行。缩短了装置轴向长度缩短、增加了装置的结构紧凑性。

(2)降低系统功耗、提高运行效率

利用永磁卸载轴承实现轴向卸载，配合四自由度磁悬浮支承与传动系统实现飞轮转轴五自由度高速低损耗全悬浮，降低了机械摩擦损耗，同时，四自由度磁悬浮支承与传动系统悬浮部分的偏置磁场由永磁体提供，进一步降低了装置的电磁功耗，提高了运行效率。

(3)控制简单，运行可靠

四自由度磁悬浮支承与传动系统中的磁悬浮开关磁阻电机采用转矩/悬浮自解耦结构，提高了系统运行的稳定性与可靠性，磁悬浮开关磁阻电机转矩部分采用短磁路结构，降低了系统漏磁，进一步提高了飞轮储能装置的运行效率。

(4)结构坚固、适合高速运行

整个装置的结构简单，尤其转子上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。

附图说明

图1为一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置图；

图2为四自由度磁悬浮支承与传动系统5装置图；其中(a)为侧面剖分图，(b)为主视图；

图3为四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁轴承505部分示意图；

图4为四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁轴承505部分原理示意图；

图5为四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁悬浮开关磁阻电机501部分示意图；

图6为四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁悬浮开关磁阻电机501工作原理图；

图中，真空容器1，转轴2，飞轮3，永磁卸载轴承4，四自由度磁悬浮支承与传动系统5，磁悬浮开关磁阻电机501，电机侧导磁板502，永磁体503，轴承侧导磁板504和磁轴承505，轴承定子轭505-1，轴承定子极505-2，轴承绕组505-3，轴承转子505-4，隔磁板501-7，电机悬浮极501-1，电机悬浮绕组501-2，电机定子铁心501-3，转矩绕组501-4，电机定子轭501-5，电机转子501-6。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括真空容器1，转轴2，飞轮3，永磁卸载轴承4，四自由度磁悬浮支承与传动系统5。转轴2，飞轮3，永磁卸载轴承4，四自由度磁悬浮支承与传动系统5置于真空容器1内，用于减少风阻带来的能量损耗；飞轮3安装在转轴2下端，同时永磁卸载轴承4固连飞轮3与真空容器1，实现飞轮储能系统的轴向重量卸载，实现轴向一个自由度悬浮；飞轮储能装置上端安装四自由度磁悬浮支承与传动系统5，用于实现径向四自由度悬浮以及电动/发电功能。永磁卸载轴承与四自由度磁悬浮支承与传动系统共同实现五自由度磁悬浮的飞轮储能装置。

如图2所示，本发明所采用的四自由度磁悬浮支承与传动系统5侧面剖分图，包括磁悬浮开关磁阻电机501，电机侧导磁板502，永磁体503，轴承侧导磁板504和磁轴承505。磁悬浮开关磁阻电机501，电机侧导磁板502，永磁体503，环形永磁体503一侧为环形电机侧导磁板502，电机侧导磁板502内部为磁悬浮开关磁阻电机501，永磁体503另一侧为环形轴承侧导磁板504，轴承侧导磁板504内部为磁轴承505；轴承侧导磁板504和磁轴承505固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一。永磁体503采用轴向充磁，通过电机侧导磁板502的作用，为磁悬浮开关磁阻电机501提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，永磁体503通过轴承侧导磁板504的作用为磁轴承505提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。去了多余的用于产生偏置磁轴的线圈，损耗低且系统结构紧凑。电机侧导磁板502，轴承侧导磁板504采用导磁性良好的材料制成，如硅钢片，电工纯铁。

如图3所示，本发明所采用的四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁轴承505部分：由轴承定子轭505-1，轴承定子极505-2，轴承绕组505-3，轴承转子505-4组成。轴承定子轭505-1外部与轴承侧导磁板504相连，轴承定子轭505-1内部等间距安装四个轴承定子极505-2，每个轴承定子极505-2上叠有集中式绕组505-3，轴承定子极505-2与轴承转子505-4之间留有一定气隙。四个轴承定子极505-2相隔90°等间距分布。

如图4所示，本发明所采用的四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁轴承505部分原理为：轴承绕组505-3共有四套，M1，M2，M3，M4。M1和M3控制y方向悬浮(一个自由度)，其控制电流分别为iM1，iM3。M2和M4控制x方向悬浮(一个自由度)，其控制电流分别为im2，iM4。由于结构的对称性，永磁铁503产生的磁通Φ_M在磁轴承505内均匀分布，当此时需要产生y负方向悬浮力时，控制绕组M1和M3中电流iM1，iM3大小和方向，产生控制磁通Φy，控制绕组M1处磁通为：Φ_M–Φy，控制绕组M3处磁通为：Φ_M+Φy，则转子表面因磁场不平衡，会产生y负方向悬浮力。同理可以产生任意方向悬浮力，实现两个自由度悬浮。

如图5所示，本发明所采用的四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁悬浮开关磁阻电机501部分：由四个隔磁板501-7，四个电机悬浮极501-1，四个电机悬浮绕组501-2，四个电机定子铁心501-3，八个转矩绕组501-4，一个电机定子轭501-5，一个电机转子501-6。其中，电机定子轭501-5外部与电机侧导磁板502相连，电机定子轭内部501-5与四个电机悬浮极501-1相连，每个电机悬浮极501-1上叠绕一个电机悬浮绕组501-2，电机悬浮绕组501-2均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极501-1之间安装一个隔磁板501-7，隔磁板501-7外侧与定子轭相连501-5，共有四个隔磁板501-7；每个隔磁板501-7内侧安装一个电机定子铁心501-3，每个电机定子铁心501-3上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组501-4；电机定子铁心501-3、电机悬浮极501-1和电机转子501-6之间留有等间隙的径向气隙；电机转子501-6上共有十个齿，电机转子501-6嵌套在转轴6上。磁悬浮开关磁阻电机501采用转矩/悬浮自解耦结构：转矩绕组501-4与电机悬浮绕组501-2分开安置，提高了系统运行的稳定性与可靠性。实现两个自由度悬浮与电动/发电。

所述电机转子501-6与轴承转子505-4相连，永磁体503与轴承侧导磁板504、电机侧导磁板502相连，并处于磁悬浮开关磁阻电机501和磁轴承505中间；永磁体503产生的磁通经过电机侧导磁板502，电机定子铁心501-3，电机悬浮极501-1，电机转子501-6，轴承转子505-4，轴承定子轭505-1，轴承定子极505-2，轴承侧导磁板504形成一个闭合回路，为磁悬浮开关磁阻电机501两个自由度悬浮力的产生和磁轴承505两个自由度悬浮力的产生提供偏置磁场。

四自由度磁悬浮支承与传动系统5实现四个自由度悬浮与电动/发电，永磁卸载轴承4实现轴向一个自由度的悬浮；四自由度磁悬浮支承与传动系统5与永磁卸载轴承4实现五自由度磁悬浮飞轮储能系统。

如图6所示，本发明所采用的四自由度磁悬浮支承与传动系统5的磁悬浮开关磁阻电机501工作原理：转矩部分采用单绕组短磁路结构，转矩绕组501-4共有八个集中式绕组：A1绕组与A2绕组串联，其控制电流为iA，B1绕组与B2绕组串联，其控制电流为iB，C1绕组与C2绕组串联，其控制电流为iC，D1绕组与D2绕组串联，其控制电流为iD。根据磁阻最小原理，实现电机正、反转，进而实现电动/发电功能。iA，iB，iC，iD电流独立控制，具有单绕组结构，提高了系统的容错性能，且采用短磁路结构，降低了系统漏磁，进一步提高了飞轮储能装置的运行效率。悬浮绕组501-2共有四个集中式绕组：F1绕组控制电流为i F1，F2绕组控制电流为i F2，F3绕组控制电流为i F3，F4绕组控制电流为i F4。与控制电流产生的磁场大小与方向，与永磁体503产生的磁场相叠加或者消弱，进而产生转子上的不对称磁场力，结合相应的控制系统，可以实现两个自由度的悬浮。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：包括真空容器(1)，转轴(2)，飞轮(3)，永磁卸载轴承(4)，四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)；转轴(2)、飞轮(3)、永磁卸载轴承(4)、四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)置于真空容器(1)内，用于减少风阻带来的能量损耗；飞轮(3)安装在转轴(2)下端，同时永磁卸载轴承(4)固连飞轮(3)与真空容器(1)，实现飞轮储能系统的轴向重量卸载，并实现轴向一个自由度悬浮；飞轮储能装置上端安装四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)，是一体化高集成装置，可同时实现径向四自由度悬浮以及电动/发电功能；永磁卸载轴承(4)与四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)共同实现五自由度全悬浮的飞轮储能装置；

所述四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)由磁悬浮开关磁阻电机(501)，电机侧导磁板(502)，永磁体(503)，轴承侧导磁板(504)和磁轴承(505)固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一；环形永磁体(503)一侧为环形电机侧导磁板(502)，电机侧导磁板(502)内部为磁悬浮开关磁阻电机(501)，永磁体(503)另一侧为环形轴承侧导磁板(504)，轴承侧导磁板(504)内部为磁轴承(505)；永磁体(503)采用轴承充磁，通过电机侧导磁板(502)的作用，为磁悬浮开关磁阻电机(501)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，永磁体(503)通过轴承侧导磁板(504)的作用为磁轴承(505)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，去了多余的用于产生偏置磁轴的线圈；电机侧导磁板(502)、轴承侧导磁板(504)采用导磁性良好的材料制成。

2.如权利要求1所述一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)中的磁轴承(505)部分，由轴承定子轭(505-1)，轴承定子极(505-2)，轴承绕组(505-3)，轴承转子(505-4)组成；轴承定子轭(505-1)外部与轴承侧导磁板(504)相连，轴承定子轭(505-1)内部等间距安装四个轴承定子极(505-2)，每个轴承定子极(505-2)上叠有集中式绕组(505-3)，轴承定子极(505-2)与轴承转子(505-4)之间留有一定气隙，可以实现两个自由度悬浮。

3.如权利要求2所述一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)中的磁悬浮开关磁阻电机(501)部分，包括四个隔磁板(501-7)，四个电机悬浮极(501-1)，四个电机悬浮绕组(501-2)，四个电机定子铁心(501-3)，八个转矩绕组(501-4)，一个电机定子轭(501-5)，一个电机转子(501-6)；其中，电机定子轭(501-5)外部与电机侧导磁板(502)相连，电机定子轭(501-5)内部与四个等间隔放置的电机悬浮极(501-1)相连，每个电机悬浮极(501-1)上叠绕一个电机悬浮绕组(501-2)，电机悬浮绕组(501-2)均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极(501-1)之间安装一个隔磁板(501-7)，隔磁板(501-7)外侧与电机定子轭相连(501-5)，共有四个隔磁板(501-7)；每个隔磁板(501-7)内侧安装一个电机定子铁心(501-3)，每个电机定子铁心(501-3)上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组(501-4)；电机定子铁心(501-3)、电机悬浮极(501-1)和电机电机转子(501-6)之间留有等间隙的径向气隙；电机转子(501-6)上共有十个齿，电机转子(501-6)嵌套在转轴(6)上；磁悬浮开关磁阻电机(501)采用转矩/悬浮自解耦结构；转矩绕组(501-4)与悬浮绕组(501-2)分开安置，实现两个自由度悬浮与电动/发电。

4.如权利要求3所述一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述电机转子(501-6)与轴承转子(505-4)相连，永磁体(503)与轴承侧导磁板(504)、电机侧导磁板(502)相连，并处于磁悬浮开关磁阻电机(501)和磁轴承(505)中间；永磁体(503)产生的磁通经过电机侧导磁板(502)，电机定子铁心(501-3)，电机悬浮极(501-1)，电机转子(501-6)，轴承转子(505-4)，轴承定子轭(505-1)，轴承定子极(505-2)，轴承侧导磁板(504)形成一个闭合回路，为磁悬浮开关磁阻电机(501)两个自由度悬浮力的产生和磁轴承(505)两个自由度悬浮力的产生提供偏置磁场。

5.如权利要求1所述一种五自由度磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)是一体化高集成装置，可同时实现四个自由度悬浮与电动/发电，永磁卸载轴承(4)实现轴向一个自由度的悬浮；四自由度磁悬浮支承与传动系统(5)与永磁卸载轴承(4)实现五自由度磁悬浮飞轮储能系统。