CN107240981B - 一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子，涉及飞轮转子的可拆装结构和拆装工艺。飞轮转子轴(14)为阶梯轴，轴向电磁轴承推力盘(6)有均布的螺纹孔，与飞轮转子轴(14)的联接采用螺纹轴向压紧的方式；辅助轴承转子上有均布的螺纹孔，与飞轮转子轴(14)采用过盈配合；电磁轴承胀紧套和储能飞轮(9)采用胀紧套联接方式装配在飞轮转子轴(14)上；电动机/发电机转子(10)与飞轮转子轴(14)一般采用过盈配合，用热装配方法装配。本装置拆卸方便，节省维修成本，缩短制造周期；加工制造方便，易于保证加工制造精度；装配方便，易于保证飞轮转子工作性能,解决大过盈量配合的电磁轴承转子拆装问题。

Description

一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子
技术领域
本发明属于磁悬浮储能飞轮系统领域，尤其涉及一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子。
背景技术
现代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。采用电磁轴承磁悬浮支承储能飞轮转子技术，已成为解决高速飞轮转子安全运行的主要技术手段。飞轮储能系统主要由储能飞轮、电动机/发电机、电磁轴承、能量转换系统和真空系统等组成，储能飞轮转子是其中的高速旋转部件，它的工作状况会直接影响整个系统的性能和可靠性。
磁悬浮储能飞轮转子包括储能飞轮、电动机/发电机转子、径向电磁轴承转子、轴向电磁轴承推力盘、辅助轴承转子、转子轴等零部件。目前转子轴与其他零部件的联接普遍采用大过盈量的配合方式，使其足以补偿由于离心力、热等引起的径向位移，装配时采取热装或压力装配的方法。飞轮转子制造精度要求很高，并且在高转速和复杂工况下工作，不可避免地出现某个转子损坏或性能下降，在维修和更换时存在拆卸的情况。另一方面，对于双作用轴向电磁轴承，两个轴向电磁轴承定子位于推力盘的两侧，这样在装配内侧轴向电磁轴承定子时，一般需要拆卸推力盘后才能装配。对于叠片结构的径向电磁轴承和电动机/发电机转子，以及不同的转子外径和转子轴结构，常需要特殊的工装才能进行拆装。由于大过盈量配合，导致拆卸困难，甚至造成转子和转子轴的损坏，继而可能引起飞轮转子精度下降甚至整体报废。因此，解决飞轮转子上各零部件拆装问题，可保证制造精度、提高装配效率、节省维修费用。特别是对于大型、制造周期较长、结构复杂的储能飞轮转子具有明显作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决大过盈量配合的电磁轴承转子拆装问题，避免拆装过程存在飞轮转子零部件损坏、需专用工装、降低装配制造精度等问题的可拆装的磁悬浮储能飞轮转子。
一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子，由储能飞轮9、电动机/发电机转子10、上径向电磁轴承转子2、下径向电磁轴承转子11、轴向电磁轴承推力盘6、上辅助轴承转子1、下辅助轴承转子13、飞轮转子轴14组成。
飞轮转子轴14为阶梯轴，各转子处于飞轮转子轴的不同直径上，轴向由飞轮转子轴的台阶定位；飞轮转子轴14上装配的零部件均为整体的零件或组件，与飞轮转子轴14的联接依据工况以胀紧套和轴向螺纹压紧为主；胀紧套的联接采用两段联接方式，一段采用配合进行径向定位，另一段用于夹紧。
上径向电磁轴承转子2、下径向电磁轴承转子11、储能飞轮9采用胀紧套联接，上径向电磁轴承转子2、下径向电磁轴承转子11为部件结构。转子内孔和飞轮轮毂内孔与所联接的相应轴段外径全部或其中之一为阶梯形状，电磁轴承胀紧套只与阶梯轴的一段相联接，即飞轮转子轴的最小外径和最大内孔处。飞轮转子轴14的另一段，即最大外径和最小内孔处，采用过渡配合或小间隙配合，以实现径向电磁轴承转子、储能飞轮的径向定位；电磁轴承胀紧套有圆锥表面，通过轴向螺栓使成对的圆锥表面产生相对运动来联接，联接的过盈量可通过轴向螺栓的扭矩确定，电磁轴承胀紧套可选用标准件或自行设计，有多种结构形式，成对的圆锥表面可以均在电磁轴承胀紧套上，也可以在飞轮转子轴外径上或要联接的内孔上。
轴向电磁轴承推力盘与飞轮转子轴的联接采用螺纹轴向压紧的方式，飞轮转子轴的外径有外螺纹，用圆螺母使轴向电磁轴承推力盘与飞轮转子轴的台阶面压紧，联接外轴的外径和轴向电磁轴承推力盘内孔采用过渡配合或小间隙配合，实现径向定位要求，轴向电磁轴承推力盘靠近内孔处有均布的螺纹孔，以便用顶丝的方法拆卸。轴向电磁轴承推力盘与飞轮转子轴的联接也可采用胀紧套联接形式。
上下辅助轴承转子与飞轮转子轴采用过盈配合，上下辅助轴承转子为带凸缘套筒形，在凸缘上有均布的螺纹孔，用于顶丝方法拆卸。
电动机/发电机转子与飞轮转子轴一般采用过盈配合，用热装方法装配，也可以采用螺纹轴向压紧的方式或胀紧套联接形式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）拆卸方便，节省维修成本，缩短制造周期。飞轮转子轴上的主要零部件均可拆卸，拆卸过程不需额外工艺装备，对零部件几乎不会造成损坏。为具有诸多零部件和结构复杂飞轮转子零件的更换、维修提供方便，不至于拆卸时对零部件造成损坏和整体更换，可节省维修成本，缩短制造周期；
（2）加工制造方便，易于保证加工制造精度。径向电磁轴承转子和电动机/发电机转子为减小涡流损失，多采用叠片结构，其性能对系统影响较大，自成部件采用胀紧套联接形式，许多性能试验可在部件制造阶段进行，减少了系统性能的不确定性。另外对于飞轮转子动平衡影响较大的零部件，如电磁轴承转子和电磁轴承推力盘，电动机/发电机转子、储能飞轮等，可在部件上进行动平衡，总装后再进行整体动平衡，从而减小了飞轮转子整体动平衡时的工作量，易于保证动平衡精度；
（3）装配方便，易于保证飞轮转子工作性能。一般的过盈配合联接实际过盈量要受到零件表面加工精度影响，有很大的不确定性。而采用胀紧套联接或螺纹压紧联接方式，使转子与转子轴的过盈量可通过扭矩调节，可以更好地满足联接要求，既保证了飞轮转子的高转速工作要求，又可使零件变形应力最小。另外，对于双作用轴向电磁轴承内定子的装配提供便利。
附图说明
图1是可拆装的磁悬浮储能飞轮转子结构图；
图2是下径向电磁轴承转子的胀紧套联接结构图；
图3是飞轮储能系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来具体说明本发明。
本发明的实施例为立式飞轮储能系统，飞轮转子轴水平的卧式飞轮储能系统与其原理相同。
如图1所示，飞轮转子轴14上的零部件依次装配。上径向电磁轴承转子2，储能飞轮9，电动机/发电机转子10，下径向电磁轴承转子11均为部件，可整体装配，并可在部件阶段进行动平衡。飞轮转子轴14上零部件的联接以胀紧套和轴向螺母压紧为主，对于非胀紧套的联接设置了拆卸螺孔。储能飞轮9是由金属轮毂和复合材料轮圈构成的组件，可在部件上进行初步的动平衡，其与飞轮转子轴的联接采用胀紧套联接方式，采用两段联接结构，一段用于径向定位的配合段，另一段为胀紧夹紧段。上径向电磁轴承转子2，下径向电磁轴承转子11与飞轮转子轴14采用过盈配合，可用热装方法装配，其结构为凸缘套筒形件，在凸缘上也设有拆卸螺孔，可用顶丝拆卸，另外螺孔也具有储存润滑脂的作用。电动机/发电机转子10为整体部件，通过内孔轴套与飞轮转子轴14相联接，本实施例由于采用与飞轮转子轴14等寿命设计，所以采用过盈配合，加热装配。必要时也可整体拆卸，且不需专用夹具。电动机/发电机转子10与飞轮转子轴14的联接根据总体设计要求也可采用胀紧套或轴向螺母压紧的联接方式。
如图2所示，上径向电磁轴承转子2和下径向电磁轴承转子11为相同部件，与飞轮转子轴14采取相同的胀紧套联接方式。下径向电磁轴承转子11包括轴承套11-1、隔环11-2、叠片组件11-3、检测环11-4，它们采用过盈配合方式组装成部件，图2中G、H为部件动平衡去重孔位置，可进行部件动平衡。轴承套11-1和对应飞轮转子轴联接轴段均为阶梯形，D处是飞轮转子轴14最大外径和轴承套11-1最小内径的配合处，可采用过渡配合或小间隙配合，保证径向定位，轴向利用轴台阶定位。电磁轴承胀紧套的联接在阶梯的另一段，即飞轮转子轴14的小径处和轴承套11-1的大孔处，电磁轴承胀紧套有多种结构形式，可根据需要选择标准件或自行设计，本实施例选用JB/T7934-1999（胀紧联结套型式与基本尺寸）标准中的Z12B型，由螺钉12-1、上内套12-2、外套12-3、下内套12-4组成，内部有成对的圆锥面E、F，通过扭紧螺钉12-1实现胀紧联接，联接的过盈量可根据螺钉扭矩调整，既保证最高转速要求，又可使变形和内应力更小。
如图3所示，上辅助轴承定子21，下辅助轴承定子29，上径向电磁轴承传感器22，下径向电磁轴承传感器28，上径向电磁轴承定子23，下径向电磁轴承定子27，上轴向电磁轴承定子24，下轴向电磁轴承定子25，电动机/发电机定子26。所有定子与机架联接，为静止不动件。飞轮转子14高速旋转，对动平衡精度要求很高，除其上部件进行各自动平衡外，在装配后还要进行整体动平衡。上轴向电磁轴承定子24，轴向电磁轴承推力盘6，下轴向电磁轴承定子25构成了双作用轴向电磁轴承，其中下轴向电磁轴承定子位于轴向电磁轴承推力盘6和储能飞轮9之间，因此，在飞轮储能系统装配时需要先拆卸轴向电磁轴承推力盘6，装配下轴向电磁轴承定子25后再装配轴向电磁轴承推力盘6。图1中圆螺母4、隔套5、轴向电磁轴承推力盘6、拆卸垫7是轴向电磁轴承推力盘装配零件，轴向电磁轴承推力盘6用圆螺母在轴向压紧，轴向电磁轴承推力盘6内孔与飞轮转子轴14可用过渡配合或小间隙配合进行径向定位，轴向通过拆卸垫7和轴台阶定位。轴向电磁轴承推力盘6靠近内孔处有均布的螺孔，用于顶丝拆卸，顶丝顶到硬度较高的拆卸垫7上，可实现轴向电磁轴承推力盘6的拆卸。
本发明，解决了转子轴上零部件卸装问题，特别是双作用轴向电磁轴承的内定子装配问题，特别适用于大型磁悬浮飞轮储能系统的飞轮转子，以及新产品或试验阶段的飞轮转子。

Claims (1)

1.一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：一种可拆装的磁悬浮储能飞轮转子的组成部件均为整体的零件或组件，从上至下依次为上辅助轴承转子（1）、上径向电磁轴承转子（2）、轴向电磁轴承推力盘(6)、储能飞轮（9）、电动机/发电机转子（10）、下径向电磁轴承转子（11）、下辅助轴承转子（13），与飞轮转子轴（14）相结合，得到可拆装的磁悬浮储能飞轮转子装置；飞轮转子轴（14）为阶梯轴，由两端向中间直径不断增大，部件均布在飞轮转子轴（14）上；在相应的所述零件或组件径向对应的飞轮转子轴（14）的最大外径和所述零件或组件的最小内孔处，上径向电磁轴承转子（2）、下径向电磁轴承转子（11）和储能飞轮（9）均采用过渡配合或小间隙配合；在相应的所述零件或组件径向对应的飞轮转子轴（14）的最小外径和所述零件或组件的最大内孔处，采用胀紧套联接方式，利用电磁轴承胀紧套将上径向电磁轴承转子（2）、下径向电磁轴承转子（11）和储能飞轮（9）装配在飞轮转子轴（14）上；胀紧套的表面为一个圆锥体，轴向螺栓位于电磁轴承胀紧套的侧面，螺栓宽度满足螺栓前后移动可以与电磁轴承胀紧套的表面接触；轴向电磁轴承推力盘（6）靠近内孔处有均布的螺纹孔，轴的外径有外螺纹，与飞轮转子轴（14）的联接采用螺纹轴向压紧的方式，用圆螺母使轴向电磁轴承推力盘(6)与轴的台阶面压紧；上辅助轴承转子（1）、下辅助轴承转子（13）为带凸缘套筒形，在凸缘上有均布的螺纹孔，与飞轮转子轴（14）采用过盈配合；电动机/发电机转子（10）与飞轮转子轴（14）采用过盈配合联接方式，用热装配方法装配在飞轮转子轴（14）上，上径向电磁轴承转子与下径向电磁轴承转子的结构为凸缘套筒形件，在凸缘上也设有拆卸螺孔，用顶丝拆卸且该螺孔具有储存润滑脂的作用。
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