CN107910979A - 高速磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速磁悬浮飞轮储能装置，机壳立式安装在底座上，机壳顶部安装顶部端盖；定子立式安装在顶部端盖下部；转子包覆在定子外；转子径向集成了电机转子；转子顶部与定子间设有被动磁悬浮轴承用于径向支撑；被动磁悬浮轴承相互作用的两部分磁极分别布置在定子和转子上，转子上的部分是含有永磁粉末的复合磁性材料；转子底部设有针式球轴承作顶部与转子伞状底托固接，底部为球体，球体坐在轴瓦中，轴瓦内设有润滑油，针式球轴承对转子形成轴向支撑，该结构1)降低轴承设计难度；2)解决轴承摩擦损耗以及主动磁悬浮轴承系统控制复杂问题；3)降低转子高频谐波涡流损耗，降低转子发热量，提高单位时间飞轮全功率额定容量工作次数。
Description
技术领域
本发明属于高速大功率飞轮储能技术领域，涉及一种高速磁悬浮飞轮储能装置。
背景技术
飞轮储能作为一种物理储能方式，与化学电池相比具有响应速度快、循环寿命长、对环境友好、免维护等特点，是储能技术发展的重要方向之一；而高速飞轮储能与传统低速飞轮储能相比，更具有能量、功率密度高，毫秒级快速响应等优异性能，更具有应用价值。
高转速飞轮对转子结构强度、低损耗轴系、高效高速电机等技术提出更高要求。现有的高速磁悬浮飞轮存在以下三点缺陷：
1、现有的高速飞轮中支撑结构采用永磁体与转子铁芯配合的结构，飞轮高转速时，高频气隙磁场谐波会在永磁体或转子铁芯上产生大量的涡流损耗。
2、产生的涡流造成转子发热，由于飞轮储能转子或飞轮电机转子运行在真空环境下，转子发出的热量难以辐射散出，降低飞轮储能系统在额定功率及容量时的单位时间工作次数。
3、传统飞轮储能系统一般采用电机与飞轮同轴轴向分布，这种结构对连接轴的刚度、强度的要求更高，转子动力学性能差，且轴向分布造成飞轮储能单元的体积较大。
传统飞轮储能轴系有被动磁悬浮轴承与滚珠轴承配合结构和主动磁悬浮轴承两种。后者需要电力电子装置进行控制，系统的结构复杂，发热量大，不是本发明的研究方向；而前者采用了滚珠轴承方式，此结构仍然有一定摩擦损耗，且存在可优化的空间，并且这种轴承的寿命可靠性低。
我国发明专利申请CN201410614699，公布是：2016年5月18日，公布号：CN105591492A，公开了一种立式磁悬浮飞轮储能系统，壳体内安装飞轮和定子，飞轮和定子间由上到下依次布置着上径向永磁轴承(4)、电动/发电一体电机(7)、下径向永磁轴承，所述的飞轮(2)与壳体(1)之间布置着轴向电磁轴承(6)；所述的轴向电磁轴承(6)也可布置在飞轮(2)与定子(3)之间；所述的定子(3)布置在壳体(1)上；所述的壳体(1)为一个密闭空间。该专利方案径向支撑全部使用永磁轴承，相比滚珠轴承摩擦力小。但是此方案也存在缺点，主要是其轴向支撑采用电磁轴承，结构繁杂，电磁线圈发热大，不能吸收转子旋转时产生的振动。
发明内容
本发明为解决现有技术中飞轮结构涡流损耗大、转子散热难、转子支撑结构待优化的问题。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高速磁悬浮飞轮储能装置，包括机壳、顶部端盖、底座、定子和转子，机壳立式安装在底座上，机壳顶部安装顶部端盖，机壳内构成真空腔体；所述定子立式安装在顶部端盖下部；所述转子包覆在定子外；转子径向集成了电机转子和储能飞轮；所述转子顶部与定子间设有被动磁悬浮轴承用于径向支撑；被动磁悬浮轴承相互作用的两部分磁极分别布置在定子和转子上，转子底部设有针式球轴承作顶部与转子伞状底托固接，底部为球体，球体坐在轴瓦中，轴瓦上设有与球体表面适配的内凹槽，轴瓦内设有润滑油，针式球轴承对转子形成轴向支撑。
本技术方案飞轮转子(飞轮本体)径向集成了电机转子，转子高速动力学性能更优，降低轴承设计难度；通过被动磁悬浮轴承与液态动力针式球轴承相结合的结构设计，解决轴承摩擦损耗以及主动磁悬浮轴承系统控制复杂问题；通过磁粉粉末、树脂和高强度纤维形成的复合材料转子，降低转子高频谐波涡流损耗，降低转子发热量，提高系统运行效率及单位时间飞轮全功率额定容量工作次数。
进一步的，被动磁悬浮轴承定子上的部分是多个圆环形永磁体，转子上的部分是含有永磁粉末的磁性复合材料。
进一步的，所述轴瓦安装在压膜阻尼器上，压膜阻尼器装配在底座中。能够吸收、抑制、隔离因转子旋转引起的振动，保证整个本结构稳定运行。
优选的，针式球轴承的球体表面刻有斜槽。此斜槽结构为润滑油提供油路供入轴瓦的凹槽内，持续消除针式球轴承与轴瓦的运行摩擦力。
优选的，压膜阻尼器侧面开有长孔。
优选的，永磁粉末是采用钕铁硼磁粉，被动磁悬浮轴承转子上的部分是钕铁硼磁粉、环氧树脂和增强纤维结构制成的复合材料缠绕而成。
进一步的，所述转子采用多层高强度复合材料缠绕而成；所述定子采用导磁材料加工而成。
附图说明
图1本发明结构纵剖图；
图2为被动磁悬浮轴承部分图；
图3为针式球轴承结构图；
图4为图2中A-A线剖视图。
图中，被动磁悬浮轴承1，定子2，转子3，针式球轴承4，轴瓦5，底座6，压膜阻尼器7，间隙8，机壳9，顶部端盖10，转子上的部分11，定子上的部分12，磁粉层31，玻璃纤维增强型环氧树脂层32，碳纤维增强型环氧树脂层33，圆柱状连接头41，球体42。
具体实施方式
下面对本发明详细说明：
一种高速磁悬浮飞轮储能装置，如图所示，它包括机壳9、顶部端盖10、底座6、定子2和转子3，机壳9立式安装在底座6上，机壳9顶部安装顶部端盖10，机壳9内构成真空腔体；所述定子2立式安装在顶部端盖10下部；所述转子3包覆在定子2外。
本发明的转子3径向集成了电机转子和储能飞轮，故此部件既是储能单元的飞轮转子也是电机转子，转子3高速动力学性能更优，降低轴承设计难度。
本发明的转子3顶部与定子2间设有被动磁悬浮轴承1用于径向支撑。该被动磁悬浮轴承1相互作用的两部分磁极分别布置在定子2和转子3上，转子3底部设有针式球轴承4作为轴向支撑，针式球轴承顶部为圆柱状连接头41，与转子3的伞状底托固接；针式球轴承底部为球体42。球体42坐在轴瓦5中，轴瓦5上设有与该球体表面适配的内凹槽，轴瓦内设有润滑油。
通过被动磁悬浮轴承1与液态动力针式球轴承4相结合的结构设计，即解决了滚珠轴承摩擦损耗的问题，也不会产生运行热量，并且相比电磁悬浮轴承系统，其结构、控制线路的设计简单很多。此方案降低转子涡流损耗、降低系统复杂度和轴承摩擦损耗，提高系统的储能容量、功率密度和效率。
被动磁悬浮轴承定子上的部分12是多个圆环形永磁体；转子上的部分11是应用永磁粉末的复合磁性材料。所述的永磁粉末可以是钕铁硼磁粉，转子上的部分11是钕铁硼磁粉、环氧树脂和增强纤维结构制成的复合材料缠绕而成。
所述轴瓦5安装在一个压膜阻尼器7上，压膜阻尼器7上装配在底座6中。所述压膜阻尼器7装置能够吸收、抑制、隔离因转子3旋转引起的振动，保证整个本结构稳定运行。
本发明的转子3分为三层结构，内层为磁粉层31，中层为玻璃纤维增强型环氧树脂层32，外层为碳纤维增强型环氧树脂层33。其中磁粉层31处在定子2上的环形永磁块对应的部分为被动磁悬浮轴承在转子上的磁极部分，转子上的部分11为复合材料层缠绕而成的。所述复合材料为钕铁硼磁粉与环氧树脂混合均匀，然后与增强纤维材料结合制作而成。这种结构消除了永磁体运行产生的涡流损耗，降低发热量，避免失磁。
进一步的，转子本体是采用多层高强度复合材料缠绕而成，在磁粉层外进一步缠绕玻璃纤维增强环氧树脂层和碳纤维增强型环氧树脂层，整体缠绕成转子结构。这种转子极大地削减周向应力集中的现象，更适用于真空环境中。
进一步的，所述定子2采用导磁材料加工而成；该结构降低转子高频谐波涡流损耗，降低转子发热量，提高系统运行效率及单位时间飞轮全功率额定容量工作次数。
针式球轴承4的球体42表面刻有斜槽(图中未示出)。该斜槽为润滑油提供一条油路，润滑油可通过此斜槽结构流入轴瓦的凹槽内，持续消除针式球轴承与轴瓦的运行摩擦力。当转子3达到一定转速时，针式球轴承4的球体42表面与轴瓦5表面之间形成油膜层，对转子3形成轴向支撑。
压膜阻尼器7侧面开有长孔。可在压膜阻尼器7中形成短距油路，使阻尼器内充满油膜，起到吸收、抑制、隔离振动的作用。
定子2与转子3之间有一定径向气隙间隔8，转子与机壳有一定径向气隙间隔8。定子2一侧安放所述被动磁悬浮轴承的永磁体，另一侧放置电枢绕组。
本飞轮储能单元的运行原理如下：
本发明提出的一种高速磁悬浮飞轮储能装置，是集成永磁电动机/发电机于一体的双向高效储能单元，飞轮与电机转子一体化径向耦合。本方案利用高速旋转的飞轮本体的动能来存储能量，此时电机做电动运行状态；当该储能单元需要释放能量时，飞轮本体储存的动能转化为电能释放，此时电机做发电运行状态。上述两个状态实现了高速磁悬浮飞轮储能装置的电能和动能的双向变换。该高速磁悬浮飞轮储能装置轴承系统由被动磁悬浮轴承和针式球轴承构成，被动磁悬浮轴承提供径向支撑；当转子达到一定转速时，针式球轴承球体表面与轴瓦表面之间形成油膜层，对转子形成轴向支撑。
Claims (7)
1.一种高速磁悬浮飞轮储能装置，包括机壳、顶部端盖、底座、定子和转子，机壳立式安装在底座上，机壳顶部安装顶部端盖，机壳内构成真空腔体；所述定子立式安装在顶部端盖下部；所述转子包覆在定子外；其特征是：转子径向集成了电机转子和储能飞轮；所述转子顶部与定子间设有被动磁悬浮轴承用于径向支撑；被动磁悬浮轴承相互作用的两部分磁极分别布置在定子和转子上；转子底部设有针式球轴承，其顶部与转子伞状底托固接，底部为球体，球体坐在轴瓦中，轴瓦上设有与球体表面适配的内凹槽，轴瓦内设有润滑油，针式球轴承对转子形成轴向支撑。
2.如权利要求1所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：被动磁悬浮轴承定子上的部分是多个圆环形永磁体，转子上的部分是含有永磁粉末的磁性复合材料。
3.如权利要求2所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述轴瓦安装在压膜阻尼器上，压膜阻尼器装配在底座中。
4.如权利要求3所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：针式球轴承的球体表面刻有斜槽。
5.如权利要求4所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：压膜阻尼器侧面开有长孔。
6.如权利要求2或5所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：永磁粉末是采用钕铁硼磁粉，被动磁悬浮轴承转子上的部分是钕铁硼磁粉、环氧树脂和增强纤维结构制成的复合材料缠绕而成。
7.如权利要求6所述高速磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述转子采用多层高强度复合材料缠绕而成；所述定子采用导磁材料加工而成。
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