CN109510382A - 一种新型磁悬浮储能飞轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型磁悬浮储能飞轮转子，由电机转子、磁轴承转子、飞轮上轴、飞轮下轴四部分组成；所述电机转子通过磁钢隔板与飞轮上轴和飞轮下轴粘接，并用非导磁合金钢护套连接以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力；所述磁轴承转子叠片采用高强度叠片并保证具有较高的叠片系数用来承受飞轮转子高速旋转产生的离心力，并将速度传感器集成在靠近磁轴承转子附近，提高了传感器的检测精度。本发明是基于转子结构强度、动力特性和电磁特性的综合设计。

Description

一种新型磁悬浮储能飞轮转子
技术领域
本发明涉及高速磁悬浮储能飞轮领域，通过对磁轴承转子和电机转子的技术要求综合考虑，结合磁悬浮储能飞轮的工况，提出一种新型磁悬浮储能飞轮转子。
背景技术
飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮进行能量存储的一种机械储能装置，所存储的能量是由飞轮转子的转动惯量和转速决定的，飞轮高速旋转储存的能量与其转动惯量成正比，而与其转速的平方成正比。提高飞轮转子的转速可以显著提高飞轮的储能量，而飞轮的旋转速度又取决于制作飞轮所用材料的强度。所以说飞轮储能系统所能存储的最大能量受飞轮结构材料及所建立并分布在其中的应力大小限制。在不断提高飞轮转速的过程中不可避免遇到了轴承发热、磨损、润滑以及维护等问题，这势必会减小储能飞轮的使用寿命和可靠性，增加系统成本，将磁悬浮轴承技术引入储能飞轮中可以解决以上问题。
磁悬浮储能飞轮转子由飞轮体和电机转子组成，高速旋转时飞轮转子的离心力很大，宜采用比强度大的材料制作飞轮转子，一般飞轮体采用的材料为高强度合金钢或者高强度纤维材料，合金钢的密度比纤维材料大，在相同体积和机械结构的情况下，合金钢转子的转动惯量比纤维材料的大，但是合金钢材料能承受的最高转速却比纤维材料低不少，因此在设计飞轮转子过程中需要综合考虑。电机转子大多采用烧结钕铁硼或衫钴永磁材料，该类型材料能够承受很大的压应力，但却不能承受较大拉应力，在高速旋转情况下，会产生很大的离心力，必须采取保护措施，而电机以及磁轴承的常规叠片转子同样难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。飞轮中的高频电磁场以及各种谐波磁场将会在转子中产生比较大涡流损耗，而磁悬浮储能飞轮大多为封闭结构，转子的散热条件比较差，这势必会增加转子的温升，不利于飞轮的长期安全运行，采用叠片转子能够减小转子的涡流损耗。鉴于磁悬浮飞轮转子的高度集成，需要采用基于强度、电磁及动力学特性分析的综合设计。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出一种新型磁悬浮储能飞轮转子，根据转子表面最大线速度初选转子外径，为了满足临界转速要求进行动力学特性分析确定转子总长度，在此基础上进行满足强度和电磁性能要求的转子结构综合设计，并在制造过程中采用一体式装配及加工工艺来保证结构强度和电磁特性。
本发明的一种新型磁悬浮储能飞轮转子主要由电机转子、磁轴承转子、飞轮上轴、飞轮下轴四部分组成，为了解决电机转子涡流损耗的问题，并考虑电机频率不宜过高，永磁体为2极整体圆柱形电机转子，通过简单的径向充磁工艺就可以获得正弦分布的气隙磁场，电机转子通过磁钢隔板与飞轮上轴和飞轮下轴粘接，并用非导磁合金钢护套连接以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力。磁轴承转子叠片采用特殊的高强度叠片并保证具有较高的叠片系数用来承受飞轮转子高速旋转(500Hz)产生的离心力，并将速度传感器集成在靠近磁轴承转子附近，提高了传感器的检测精度。
磁悬浮储能飞轮转子转速高、长度大、直径也比较大，特别是对于拼接而成的转子，其对装配和加工精度有很高的要求，采用一体式装配和加工工艺能够保证转子的尺寸公差和形位公差要求，同时也可以保证电机和磁轴承的转子周向磁拉力均匀等电磁性能。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的一种新型磁悬浮储能飞轮转子结构示意图；
图2是本发明的新型磁悬浮储能飞轮转子加工装配过程示意图。
具体实施方式
如图所示，图中：上速度传感器转子1；上磁轴承转子2；飞轮上轴3；电机转子护套4；磁钢隔板5；转子磁钢6；飞轮下轴7；下磁轴承转子8；下速度传感器转子9；推力盘座10。一般储能飞轮中电机的永磁体不仅要具有良好的磁性能，也应具有足够高的工作温度和热稳定性，由于高速永磁转子的高速、高频附加损耗较大而散热条件较差，为防止转子过热造成永磁体不可逆失磁，本例中的电机转子永磁体选用整体圆柱形钐钴材料，该材料的磁稳定性最好，而且居里温度比钕铁硼高，温度系数比钕铁硼低，特别适合转子散热比较差的场合。钐钴材料硬而脆，为了减少机械加工，避免多块拼接，本例采用若干块2极整体圆形饼状永磁体粘接，且转子磁钢6两端面各有一块同样形状的非导磁合金钢制成的磁钢隔板5，具有隔磁作用，然后与飞轮上轴3和飞轮下轴7粘接成为飞轮转子。采用材料为INCONEL718的非导磁合金钢制成的电机转子护套4与转子磁钢6为过盈配合，以抵消高速旋转产生的离心力，根据转子结构、运行速度范围和材料属性进行强度分析和应力应变计算来确定护套和磁钢间的过盈量，从而能够决定转子磁钢6外圆的尺寸公差以及电机转子护套4的热装温度。
首先按照图2所示的顺序①，在热装磁轴承转子之前对上磁轴承转子2、下磁轴承转子8和推力盘座10与转子的配合面进行整体加工，保证配合面的尺寸公差和表面粗糙度Ra0.8，加热磁轴承转子内孔到200℃左右并确认装配间隙(＞0.1mm)后与飞轮转子装配保证过盈量。接着按照顺序③中保证上下磁轴承转子端面之间的尺寸公差，以及下磁轴承转子和安装推力盘座处轴肩端面之间尺寸公差，加热推力盘座10和速度传感器转子1、9内孔到250℃左右并确认装配间隙(＞0.1mm)后与飞轮转子装配保证过盈量。最后按照顺序⑤所示，对飞轮转子所有尺寸公差和形位公差进行最后整体加工，且进行动平衡测试，所有加工完成之后在进行整体充磁。如此不但保证转子质量的均衡，而且具有良好的机械性能和电磁特性。
本发明的飞轮转子一体化装配和加工方法在提高制造的便利性的同时能够很好的保证飞轮转子强度、动力特性和电磁特性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种新型磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：由电机转子、磁轴承转子、飞轮上轴、飞轮下轴四部分组成；
所述电机转子通过磁钢隔板与飞轮上轴和飞轮下轴粘接，并用非导磁合金钢护套连接以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力；
所述磁轴承转子叠片采用高强度叠片并保证具有较高的叠片系数用来承受飞轮转子高速旋转产生的离心力，并将速度传感器集成在靠近磁轴承转子附近，提高了传感器的检测精度。
2.根据权利要求1所述的新型磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：飞轮转子采用一体化的整体装配和加工工艺。
3.根据权利要求1所述的新型磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：飞轮转子整体由电机转子、飞轮上轴、飞轮下轴粘接而成，并用非导磁合金钢将三部分过盈连接，保证转子的结构强度和高速旋转的安全性。
4.根据权利要求1所述的新型磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：电机转子永磁体选用整体圆柱形钐钴材料。
5.根据权利要求1所述的新型磁悬浮储能飞轮转子，其特征在于：采用若干块2极整体圆形饼状永磁体粘接，且转子磁钢两端面各有一块同样形状的非导磁合金钢制成的磁钢隔板，与飞轮上轴和飞轮下轴粘接成为飞轮转子。
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