CN108110942B - 一种磁悬浮机械储能系统 - Google Patents

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Abstract

一种磁悬浮机械储能系统，包括转子、安装于转子上的三个磁极、安装于转子上的支撑轮、安装于固定腔体上的三个线圈、用于转子和固定腔体间无线能量传输的发电机、以及抽真空设备和变流设备。磁悬浮机械储能系统存储能量时，通过变流设备(5)的控制，从电网吸收能量，由第一线圈(17)和第一磁极(18)组成的直线电机驱动转子转动，增加存储的动能。当磁悬浮机械储能系统释放能量时，由第一线圈(17)和第一磁极(18)组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备回馈电网。第一线圈(17)和第一磁极(18)的相互作用将转子悬浮；第二线圈(19)和第二磁极(20)、第三磁极(21)与第三线圈(24)的相互作用对转子定位。

Description

一种磁悬浮机械储能系统
技术领域
本发明涉及一种大型磁悬浮机械储能系统。
背景技术
机械储能，也称飞轮储能，是一种机电能量转换的储能装置，利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。它具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点，因而得到了广泛的关注。
随着风能、太阳能等新能源的规模化开发和利用，对于大型储能需求迫切。但是，目前的储能通常具有效率低，成本高，对环境不友好，反应较慢等缺点，飞轮储能虽然具备反应快，对环境友好，效率高的优势，但是其储存容量通常有限，因为飞轮通常需要运行在较高的旋转速度，而目前的材料通常强度有限无法承受高速旋转带来的离心力和环向应力。这些因素限制了飞轮储能向兆瓦级大型储能方向发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种大型磁悬浮机械储能系统。所述的磁悬浮机械储能系统包括：转子、固定腔体、第一磁极、第二磁极、第三磁极、支撑轮、第一线圈、第二线圈、第三线圈，用于转子和固定腔体间无线能量传输的发电机，以及抽真空设备和变流设备。所述的第一磁极、第二磁极、第三磁极安装于转子上。固定腔体为环形。所述的第一线圈、第二线圈和第三线圈安装于固定腔体内。转子位于固定腔体内，由支撑轮固定。发电机、抽真空设备与变流设备与固定腔体连接，放置在固定腔体外的任意位置。第一线圈与第一磁极位置对应，第二磁极与第二线圈位置对应、第三磁极与第三线圈位置对应。所述的支撑轮安装在转子上，起到固定转子位置的作用。
所述的转子为环形结构。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备的控制，从电网吸收能量，由第一磁极和第一线圈组成的直线电机驱动，使得转子加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由所述的第一磁极和第一线圈组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备回馈电网。所述的第一磁极和第一线圈的相互作用还起到将转子悬浮的作用，从而减小转子与固定腔体间的摩擦。所述的第二磁极与第二线圈的相互作用，以及第三磁极与第三线圈的相互作用均起到对转子定位的作用，从而避免转子与固定腔体间的摩擦。发电机将电能无线传输到转子，用于转子中用电负荷部件的供电。转子中的用电负荷部件包括第一磁极、第二磁极及其传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备用于将转子与固定腔体之间的空隙抽成真空状态，从而减小转子运行时的风阻。
所述的转子可由一整个圆形转子组成，也可以仅为一段或数段弧形转子首尾相连组成，多段之间的连接方式可以硬性连接，也可以柔性连接。
所述的第一磁极、第二磁极、第三磁极和第一线圈、第二线圈、第三线圈中的一个或多个可由直流励磁线包或永磁体组成，也可由直流励磁线包和永磁磁体共同组成。
所述的第一磁极、第二磁极和第三磁极可分别沿环形转子的顶部、左侧面，以及右侧面全部铺设，也可以将第一磁极，第二磁极和第三磁极分割成数段，分别间隔铺设在转子的顶部、左侧面和右侧面。第一磁极，第二磁极和第三磁极可单排布置，也可以多排布置。
所述的第二磁极与第三磁极均可以由定位轮替代，此时，安装在固定腔体上对应的第二线圈与第三线圈也替换成对应的导轨。
安装于固定腔体上的第一线圈既可安装于转子的上方，也可安装于转子的下方。安装于固定腔体上的第二线圈和第三线圈分别安装于转子的左侧和右侧。
安装于转子上的第一磁极的位置随安装在固定腔体的第一线圈的位置做相应的变化。转子与固定腔体的交界面与水平线之间可以存在夹角α。
所述的转子的外形可以为方形或圆形，也可以为其他形状。
当所述的转子为除方形外的另一种形状时，所述的磁悬浮机械储能系统包括转子、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第一磁极、第二磁极、第三磁极、安装于转子上，用以固定转子的支撑轮、用于转子和固定腔体间无线能量传输的发电机、抽真空设备和变流设备，以及固定腔体内的固定平台，固定平台上可以铺设导轨，导轨的位置与转子支撑轮的位置对应，固定平台位于转子下方。第一磁极、第二磁极和第三磁极安装于转子上。第一线圈、第二线圈和第二线圈安装于固定腔体上。转子位于固定腔体内，发电机、抽真空设备与变流设备与固定腔体连接，放置在环形固定腔体外的任意位置。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备的控制，磁悬浮机械储能系统从电网吸收能量，通过由第一线圈和第一磁极组成的直线电机的驱动，使得转子加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由第一线圈和第一磁极组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备回馈电网。第一线圈和第一磁极的相互作用还起到将转子悬浮的作用，从而减小转子与固定腔体间的摩擦。第二线圈和第二磁极的相互作用，第三线圈和第三磁极的相互作用均起到定位转子的作用，从而避免转子与固定腔体间的摩擦。发电机将电能无线传输到转子，用于转子中用电负荷部件的供电，所述的用电负荷部件包括第一磁极、第二磁极、第三磁极，以及传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备用于将转子与固定腔体之间的空隙抽成真空，从而减小转子运行时的风阻。
第三磁极也可以由定位轮代替，与其对应的第三线圈也替换成对应的导轨。
安装于转子上的第一磁极既可安装于固定平台的上面，也可安装于固定平台的下面。相应的，安装于固定腔体上的第一线圈也应根据第一磁极的位置贴近第一磁极安装。
转子与固定腔体的交界面与水平线之间可以存在夹角β。
本发明与现有技术相比，优点在于：
1、容易实现，无需考虑传统飞轮储能的转子轴的材料应力问题；
2、具有飞轮储能响应迅速的优势；
3、成本较低；
4、采用真空与磁悬浮技术，有效降低了机械损耗和风阻损耗。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图，图1a为整体结构示意图，图1b为剖面图；
图2为本发明第二实施例示意图；
图3为本发明第三实施例示意图；
图4为本发明第四实施例示意图；
图5为本发明第五实施例示意图；
图6为本发明第六实施例示意图；
图7为本发明第七实施例示意图；
图8为本发明第八实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，所述的磁悬浮机械储能系统包括转子14、固定腔体15、第一磁极18、第二磁极20、第三磁极21，安装于转子14上的支撑轮22、第一线圈17、第二线圈19和第三线圈24、用于转子14和固定腔体15间无线能量传输的发电机23，以及抽真空设备4和变流设备5。所述的第一磁极18、第二磁极20、第三磁极21安装于转子14上。所述的第一线圈17、第二线圈19和第三线圈24安装于固定腔体15上。转子14位于固定腔体内，发电机23、抽真空设备4与变流设备5与固定腔体连接，可放置在环形固定腔体外的任意位置。第一线圈17与第一磁极18的位置对应，第二磁极19与第二线圈20的位置对应、第三磁极21与第三线圈24的位置对应。转子14在固定腔体15内，发电机23、抽真空设备4与变流设备5在固定腔体15外，并与固定腔体15连接。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备5的控制，从电网吸收能量，由第一线圈17和第一磁极18组成的直线电机进行驱动，使得转子14加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由所述的第一线圈17和第一磁极18组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备5回馈电网。第一线圈17和第一磁极18的相互作用还起到将转子14悬浮的作用，从而减小转子14与固定腔体15之间的摩擦。所述的第二线圈19和第二磁极20的相互作用起到对转子14的定位作用，从而避免转子14与固定腔体15间的摩擦。所述的第三磁极21与第三线圈24的相互作用也起到对转子的定位作用，从而避免转子14与固定腔体15间的摩擦。发电机23将电能无线传输到转子14，用于转子14中用电负荷部件的供电，所述的用电负荷部件包括第一磁极18、第二磁极20以及传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备4用于将转子14与固定腔体15之间的空隙16抽成真空，从而减小转子14运行时的风阻。所述的转子14可由数段弧形转子首尾相连组成。
安装于转子14上的所述的第一磁极18、第二磁极20和第三磁极21和安装于固定腔体15上的所述的第一线圈17、第二线圈19、第三线圈24这些磁极和线圈中的一个或多个可由直流励磁线包或永磁体组成，也可由直流励磁线包和永磁磁体共同组成。
所述的第一磁极18、第二磁极20和第三磁极21可沿环形转子14全部铺设，也可以由数段组成，并间隔放置。所述的第一磁极18、第二磁极20和第三磁极21可分别沿环形转子14的顶部、左侧面，以及右侧面全部铺设，也可以将第一磁极18，第二磁极20和第三磁极21分割成数段，分别间隔铺设在转子14的顶部、左侧面和右侧面。第一磁极18，第二磁极20和第三磁极21可单排布置，也可以多排布置。
安装于固定腔体15上的第一线圈217既可安装于转子14的上方，也可安装于转子14的下方。安装于转子14上的第一磁极218随安装在固定腔体上的第一线圈217的位置做相应的变化,也即可安装于转子14的顶部，也可安装于转子14的底部。
转子14与固定腔体15的交界面30与水平线之间可以存在夹角α。
所述的转子可以为方形或圆形，也可以为其他形状。
当所述的转子为除方形外的另一种形状时，所述的磁悬浮机械储能系统包括转子114、固定腔体115、第一磁极118和第二磁极120、第三磁极121、安装于转子114上的支撑轮122、第一线圈117、第二线圈119和第三线圈124。还包括用于转子114和固定腔体115间无线能量传输的发电机123、以及抽真空设备4和变流设备5。第一磁极118、第二磁极120和第三磁极121安装于转子114上。第一线圈117、第二线圈119和第三线圈124安装于固定腔体115上，此时的固定腔体115还包括固定平台22，固定平台22安装在固定腔体115内，位于转子114的下方。固定平台22上可以铺设导轨，导轨的位置与转子支撑轮的位置对应。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备5的控制，从电网吸收能量，通过由第一线圈117和第一磁极118组成的直线电机的驱动，使得转子114加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由第一线圈117和第一磁极118组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备5回馈电网。第一线圈117和第一磁极118的相互作用还起到将转子114悬浮的作用，从而减小转子114与固定腔体115间的摩擦。第二线圈119和第二磁极120的相互作用、第三线圈124和第三磁极121的相互作用均起到定位转子114的作用，从而避免转子114与固定腔体115间的摩擦。发电机123将电能无线传输到转子114，用于转子114中用电负荷部件的供电，所述的用电负荷部件包括第一磁极118、第二磁极120、第三磁极121以及传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备4用于将转子114与固定腔体115之间的空隙116抽成真空，从而减小转子114运行时的风阻。
安装于转子14上的第一磁极318既可安装于固定平台22的上面，也可安装于固定平台22的下面。相应的，安装于固定腔体15上的第一线圈317也应根据转子上的第一磁极318的位置进行贴近第一磁极318安装。
转子114与固定腔体115的交界面130与水平线之间可以存在夹角β。
实施例1
所述的磁悬浮机械储能系统包括转子14、固定腔体15、第一磁极18、第二磁极20、第三磁极21，安装于转子14上的支撑轮22、第一线圈17、第二线圈19和第三线圈24、用于转子14和固定腔体15之间无线能量传输的发电机23、以及抽真空设备4和变流设备5。第一磁极18、第二磁极20和第三磁极21安装于转子14上，第一线圈17、第二线圈19和第三线圈24安装于固定腔体15上。转子14位于固定腔体15内，发电机23、抽真空设备4与变流设备5与固定腔体连接，可放置在环形固定腔体的任意位置第一线圈17与第一磁极18位置对应，第二磁极19与第二线圈20位置对应、第三磁极21与第三线圈24位置对应。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备5的控制，从电网吸收能量，由第一线圈17和第一磁极18组成的直线电机进行驱动，使得转子14加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由第一线圈17和第一磁极18组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备5回馈电网。第一线圈17、第一磁极18的相互作用还起到将转子14悬浮的作用，从而减小转子与固定腔体15间的摩擦。第二线圈19、第二磁极20的相互作用对转子14定位，避免转子14与固定腔体15间的摩擦。第三磁极21、第三线圈24的相互作用也起到对转子定位的作用，从而避免转子14与固定腔体15间的摩擦。无线供能发电机23将电能无线传输到转子14，用于转子14中用电负荷部件的供电：包括第一磁极18、第二磁极20以及传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备4用于将转子14与固定腔体15之间的空隙16抽成真空，从而减小转子14运行时的风阻。所述的转子14可由数段弧形转子首尾相连组成。
实施例2
如图2所示，安装于转子14上的所述第一磁极沿环形转子14分段布置。分为第一磁极的第一段181，第一磁极的第二段182，第一磁极的第三段183。
实施例3
如图3所示，安装于转子14上的所述第一磁极沿环形转子14分段间隔布置：第一磁极分为第一段281、第二段282、第三段283、第四段284、第五段285和第六段286，六段磁极中，第一段281和第四段284相对布置，之间有间隔；第二段282和第五段285相对布置，之间有间隔；第三段283和第六段286相对布置，之间有间隔。
实施例4
如图4所示，第一线圈217安装于转子14的底部。安装于转子14上的第一磁极218随第一线圈217的位置做相应的变化，安装在转子14的下方。
所述的转子14的第三磁极由定位轮210代替。
实施例5
如图5所示，转子14与固定腔体15的交界面30与水平线之间可以存在夹角α。
实施例6
如图6所示，所述的转子为非方形的另一种形状。所述的磁悬浮机械储能系统包括转子114、固定腔体115、安装于转子114上的第一磁极117和第二磁极120、安装于转子114上的支撑轮122和定位轮121、安装于固定腔体115上的第一线圈118和第二线圈119、用于转子114和固定腔体115间无线能量传输的发电机123，以及抽真空设备4和变流设备5。转子114位于固定腔体115内，发电机23、抽真空设备4与变流设备5与固定腔体连接，可放置在环形固定腔体外的任意位置。
当磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备5的控制，从电网吸收能量，通过由转子第一磁极117和固定腔体第一线圈118组成的直线电机的驱动，使得转子114加速转动，从而增加所存储的动能；当磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由第一线圈117和第一磁极118组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备5回馈电网。第一磁极118、第一线圈117的相互作用还起到将转子114悬浮的作用，从而减小与固定腔体115间的摩擦。第二线圈119、转子第二磁极120的相互作用，第三线圈121和第三磁极124的相互作用起到定位转子114的作用，从而避免转子114与固定腔体115间的摩擦。无线供能发电机123将电能无线传输到转子114，用于转子114中用电负荷部件的供电，用电负荷部件包括第一磁极117、第一磁极120以及传感器、控制设备、通信设备等。抽真空设备4用于将转子114与固定腔体115之间的空隙116抽成真空，从而减小转子114运行时的风阻。
实施例7
如图7所示，所述的转子为如图7中所示的转子形状时，第一线圈318安装在固定平台22上部，对应的，第一磁极317也安装在转子上与第一线圈318相对的位置。
实施例8
如图8所示，所述的转子为如图8中所示的转子形状时，如图5所示，转子114与固定腔体115的交界面130与水平线之间可以存在夹角α。

Claims (10)

1.一种磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的磁悬浮机械储能系统包括转子、固定腔体、第一磁极、第二磁极、第三磁极，支撑轮、第一线圈、第二线圈、第三线圈、用于转子和固定腔体间无线能量传输的发电机,以及抽真空设备和变流设备;第一磁极、第二磁极和第三磁极安装在转子上；所述的第一线圈、第二线圈、第三线圈安装在固定腔体上;所述的转子为环形结构; 转子位于固定腔体内；支撑轮安装于转子上，用以固定转子；发电机，抽真空设备与变流设备在固定腔体外，并与固定腔体连接；第一线圈与第一磁极位置对应，第二磁极与第二线圈位置对应、第三磁极与第三线圈位置对应；
当所述的磁悬浮机械储能系统需要存储能量时，通过变流设备的控制，从电网吸收能量，由第一线圈和第一磁极组成的直线电机驱动，使得转子加速转动，增加所存储的动能；当所述的磁悬浮机械储能系统需要释放能量时，由所述的第一线圈和第一磁极组成的直线电机工作于发电机状态，所发出的电能通过变流设备回馈电网；第一线圈和第一磁极的相互作用将转子悬浮，减小转子与固定腔体之间的摩擦；所述的第二线圈和第二磁极的相互作用对转子定位，所述的第三磁极与第三线圈的相互作用也对转子定位，避免转子与固定腔体间的摩擦；发电机将电能无线传输到转子，用于转子中用电负荷部件的供电；抽真空设备用于将转子与固定腔体之间的空隙抽成真空，减小转子运行时的风阻。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的转子（14）由数段弧形转子首尾相连组成。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的第一磁极、第二磁极、第三磁极、第一线圈、第二线圈、第三线圈中的一个或多个由直流励磁线包或永磁体组成，或由直流励磁线包和永磁磁体共同组成。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的第一磁极、第二磁极和第三磁极沿环形转子的顶部、左侧面，以及右侧面全部铺设，或者将第一磁极，第二磁极和第三磁极分割成数段，分别间隔铺设在转子的顶部、左侧面和右侧面。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的第一磁极安装于转子的上方或下方；所述的第二线圈和第三线圈分别安装于转子的左侧和右侧。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的第二磁极与第三磁极由定位轮替代，安装在固定腔体上对应的第二线圈与第三线圈替换成对应的导轨。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的转子与固定腔体的交界面与水平线之间存在夹角α。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：所述的磁悬浮机械储能系统包括固定腔体、安装于转子上的第一磁极、第二磁极、第三磁极安装于转子上的支撑轮、安装于固定腔体上的第一线圈和第二线圈、第三线圈用于转子和固定腔体间无线能量传输的发电机、以及抽真空设备和变流设备；转子为方形或圆形。
9.根据权利要求8所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：安装于转子上的第一磁极安装于固定平台的上面或下面；相应的，安装于固定腔体上的第一线圈根据磁极的位置贴近第一磁极安装。
10.根据权利要求8所述的磁悬浮机械储能系统，其特征在于：转子与固定腔体的交界面与水平线之间存在夹角β。
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