CN110460190B - 一种大功率磁悬浮储能飞轮装置 - Google Patents

一种大功率磁悬浮储能飞轮装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大功率磁悬浮储能飞轮装置，包括真空容器、设于真空容器内的电机及飞轮，电机包括定子组件及转轴，转轴与飞轮固连，转轴的底端穿过飞轮并与组合磁轴承连接，组合磁轴承包括环状的绕线座、设于绕线座内侧的多个定子磁极叠片组件、位于定子磁极叠片组件内侧的转子叠片组件、设于绕线座外侧的导磁环、位于导磁环上下两侧的轴向定子磁极，导磁环的顶端与底端分别与轴向定子磁极固连，绕线座的外侧绕有轴向控制线圈，定子磁极叠片组件与轴向定子磁极之间设有偏置磁钢，定子磁极叠片上还绕有径向控制线圈。本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置体积较小、输出功率大。

Description

一种大功率磁悬浮储能飞轮装置
技术领域
本发明涉及一种智能电网用物理储能装置，尤其涉及一种大功率磁悬浮储能飞轮装置。
背景技术
近些年，储能技术及其应用发展迅速，其中飞轮储能系统作为一种重要的储能装置，广泛应用于人造卫星、不间断电源等领域，其利用飞轮转轴的升、降速实现电能-机械能双向流动，单体容量大、状态可监控，同时具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、使用寿命长、温度适应性好等优点。其中，大惯量飞轮轮体是能量载体，其在轴承支承下由电机驱动高速旋转充电，放电时拖动发电机释放电能，因此，实现储能飞轮高比能/高比功率设计的关键在于降低轴承支承损耗、提高飞轮转轴临界转速和能量转换效率，同时提高储能飞轮的运行寿命和安全性。
在国家相关专项的牵引下很多机构开展了飞轮储能基础理论和关键技术的研究与原理验证，所研制的储能装置为了降低功耗、提高支承效率，大多采用了特殊设计的机械轴承和轴向永磁卸载的方案，刚度和阻尼特性难以调整；受制于轴承支承，大功率电机速度低(通常为几千转)，系统体积和质量庞大，降低了能量密度；受限于电机功率水平和临界转速，所公开的磁悬浮装置输出功率小、运转速度低，并联扩展能力差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种体积较小、输出功率大的大功率磁悬浮储能飞轮装置。
本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，包括真空容器、设于真空容器内的电机及飞轮，所述电机包括固设于真空容器内的定子组件、设于定子组件内侧的转轴，所述转轴与飞轮固连，所述飞轮位于定子组件的下方，所述转轴的顶端设置有上径向磁轴承，转轴的底端穿过所述飞轮并与组合磁轴承连接，所述组合磁轴承包括环状的绕线座、设于绕线座内侧的多个定子磁极叠片组件、位于定子磁极叠片组件内侧的转子叠片组件、设于绕线座外侧的导磁环、位于导磁环、绕线座及定子磁极叠片组件上下两侧的轴向定子磁极，所述定子磁极叠片组件由多片定子磁极叠片堆叠形成，所述转子叠片组件由多片转子叠片堆叠形成，定子磁极叠片组件的内侧面与转子叠片组件的外侧面之间具有径向工作间隙，转子叠片组件的上端面、下端面与轴向定子磁极之间具有轴向工作间隙，所述导磁环的顶端与底端分别与所述轴向定子磁极固连，所述绕线座的外侧绕有轴向控制线圈，所述定子磁极叠片组件与轴向定子磁极之间设有偏置磁钢，定子磁极叠片上还绕有径向控制线圈。
进一步的，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，所述轴向定子磁极与定子磁极叠片组件之间还设置有与轴向定子磁极固连的压环。
进一步的，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，所述定子磁极叠片组件的上下表面分别设置有线圈挡板，所述径向控制线圈绕设于线圈挡板上。
进一步的，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，所述绕线座的外表面设有绕线槽，所述轴向控制线圈设置于所述绕线槽内。
进一步的，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，所述转轴包括由钐钴材料制成的磁钢轴、位于磁钢轴外侧的保护套位于磁钢轴两端的隔磁板，所述隔磁板通过耐热胶水与所述磁钢轴粘接，所述保护套与飞轮过盈配合。
进一步的，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，还包括柜体，所述真空容器设置于柜体内，所述柜体内还设置有与真空容器连接的真空泵、与所述电机连接的电力电子模块、与所述组合磁轴承连接的磁轴承控制器，柜体的顶壁和侧壁上分别设有散热口，散热口处设置有电磁屏蔽网及风扇。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，组合磁轴承的设置，实现了下径向磁轴承和轴向磁轴承的组合，使得由径向控制线圈形成的下径向磁轴承和由轴向控制线圈形成的轴向磁轴承能够复用磁路，从而使得组合磁轴承相较于分立的下径向磁轴承和轴向磁轴承具有更小的体积、结构更紧凑。其中，径向控制线圈产生的磁场实现了对转子叠片组件及与转子叠片组件连接的转轴X方向和Y方向的定位，轴向控制线圈产生的磁场实现了对转子叠片组件Z向的定位，从而使得转轴及与转轴连接的飞轮能够在上径向磁轴承、组合磁轴承的作用下呈悬浮状态，转轴及飞轮在旋转时与真空容器及定子组件等固定部件无机械式接触，其损耗更小，功率更高。工作时，电机首先带动转轴及飞轮转动，使得多余电能存储于转动的飞轮，当向外放点时，电机作为发电机使用，此时飞轮带动转轴转动，从而使得电机对外发电。
综上所述，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置体积较小、输出功率大。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为真空容器的内部结构示意图；
图2为组成磁轴承的结构示意图；
图3为转轴的结构示意图；
图4为图3中AA向的剖视图；
图5为磁轴承控制器的电路结构框图；
图6为的电力电子模块的电路结构拓扑图；
图7为大功率磁悬浮储能飞轮装置总体结构框图；
图8为柜体及其内各部件的布局图。
其中，1：真空容器；2：电机；3：飞轮；4：定子组件；5：转轴；6：上径向磁轴承；7：组合磁轴承；8：绕线座；9：定子磁极叠片组件；10：转子叠片组件；11：导磁环；12：轴向定子磁极；13：径向工作间隙；14：轴向工作间隙；15：轴向控制线圈；16：偏置磁钢；17：径向控制线圈；18：压环；19：线圈挡板；20：绕线槽；21：磁钢轴；22：保护套；23：隔磁板；24：柜体；25：真空泵；26：电力电子模块；27：磁轴承控制器；28：散热口；29：电磁屏蔽网；30：风扇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图8，本发明的一种大功率磁悬浮储能飞轮装置，包括真空容器1、设于真空容器内的电机2及飞轮3，电机包括固设于真空容器内的定子组件4、设于定子组件内侧的转轴5，转轴与飞轮固连，飞轮位于定子组件的下方，转轴的顶端设置有上径向磁轴承6，转轴的底端穿过飞轮并与组合磁轴承7连接，组合磁轴承包括环状的绕线座8、设于绕线座内侧的多个定子磁极叠片组件9、位于定子磁极叠片组件内侧的转子叠片组件10、设于绕线座外侧的导磁环11、位于导磁环、绕线座及定子磁极叠片组件上下两侧的轴向定子磁极12，定子磁极叠片组件由多片定子磁极叠片堆叠形成，转子叠片组件由多片转子叠片堆叠形成，定子磁极叠片组件的内侧面与转子叠片组件的外侧面之间具有径向工作间隙13，转子叠片组件的上端面、下端面与轴向定子磁极之间具有轴向工作间隙14，导磁环的顶端与底端分别与轴向定子磁极固连，绕线座的外侧绕有轴向控制线圈15，定子磁极叠片组件与轴向定子磁极之间设有偏置磁钢16，定子磁极叠片上还绕有径向控制线圈17。
组合磁轴承的设置，实现了下径向磁轴承和轴向磁轴承的组合，使得由径向控制线圈形成的下径向磁轴承和由轴向控制线圈形成的轴向磁轴承能够复用磁路，从而使得组合磁轴承相较于分立的下径向磁轴承和轴向磁轴承具有更小的体积、结构更紧凑。其中，径向控制线圈产生的磁场实现了对转子叠片组件及与转子叠片组件连接的转轴X方向和Y方向的定位，轴向控制线圈产生的磁场实现了对转子叠片组件Z向的定位，从而使得转轴及与转轴连接的飞轮能够在上径向磁轴承、组合磁轴承的作用下呈悬浮状态，转轴及飞轮在旋转时与真空容器及定子组件等固定部件无机械式接触，其损耗更小，功率更高。工作时，电机首先带动转轴及飞轮转动，使得多余电能存储于转动的飞轮，当向外放点时，电机作为发电机使用，此时飞轮带动转轴转动，从而使得电机对外发电。
作为优选，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，轴向定子磁极与定子磁极叠片组件之间还设置有与轴向定子磁极固连的压环18。
设置于定子磁极叠片组件上下两侧的压环使得定子叠片组件安装更为稳固。
作为优选，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，定子磁极叠片组件的上下表面分别设置有线圈挡板19，径向控制线圈绕设于线圈挡板上。
作为优选，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，绕线座的外表面设有绕线槽20，轴向控制线圈设置于绕线槽内。
作为优选，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，转轴包括由钐钴材料制成的磁钢轴21、位于磁钢轴外侧的保护套22位于磁钢轴两端的隔磁板23，隔磁板通过耐热胶水与磁钢轴粘接，保护套与飞轮过盈配合。
作为优选，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，还包括柜体24，真空容器设置于柜体内，柜体内还设置有与真空容器连接的真空泵25、与电机连接的电力电子模块26、与组合磁轴承连接的磁轴承控制器27，柜体的顶壁和侧壁上分别设有散热口28，散热口处设置有电磁屏蔽网29及风扇30。
柜体的设置，实现对了真空容器、真空泵、电力电子模块、磁轴承控制器等部件的集成安装。其中电磁屏蔽网的设置降低了产品的电磁辐射，风扇的设置实现了对柜体内部的散热。
飞轮采用紧固连接和弹性连接相结合的方式固定在柜体左下，顶部和侧部安装风扇进行对流散热。真空泵安装在右下角，实时监测并保持真空腔体气压。能量控制与管理单元4、5、6安装在柜体中间上部和右部，通过该单元背部的风扇进行风冷散热。磁轴承控制器3安装在柜体左侧上部，人机界面安装在柜体前面板上，提供整机状态监控和人机操控接口。柜体采用风冷和优化的对流布局，提高了柜体的散热能力。
实际实施时，电机可采用永磁同步电机。
在对转轴的位置测量上，组合磁轴承采用非接触式、高精度、高可靠电感传感器、测量精度优于1μm、探头驱动信号频率5～100KHz，能同时监控X、Y、Z三方向的复合位置传感器。
电机定子组件与飞轮热装过盈连接，电机的转轴采用磁钢轴式结构，输出最大功率300kW、工作转速30000rpm、效率99％。参照附图3和4，其包括磁钢轴、保护套、隔磁板，磁钢轴由5块Ф130mm、高30mm的钐钴材料磁钢采用胶水粘接而成，钐钴材料牌号为28H，保护套采用Inconel 718材料制作，隔磁板由TA2材料制作，隔磁板、磁钢轴通过高强度耐热胶水与芯轴粘接为一体，然后保护套加热后整体套入飞轮并与其过盈连接，热装温度500℃。其中，磁钢轴采用安装后整体充磁方案，充磁方向为平行充磁。
磁轴承控制器的电路模块如附图5所示，其多通道开关功放采用模块化电路结构，单通道采用基于空间矢量调制技术的3桥臂开关功放模块，主芯片采用IPM集成芯片、直流母线电压可达300V，各通道开关功放拓扑结构相同，可互换使用。
电力电子模块如附图6所示，其采用基于多相交错并联双向BUCK-BOOST电力变换电路调节直流电压，外加三相全桥电路进行电机驱动控制的主电路拓扑结构，不仅可以得到比较宽的调速范围，而且根据功能划分有力于实现模块化，降低的系统电路复杂度和实现难度。充电回路采用基于滑模变结构的PMSM无位置传感器的矢量控制技术，提高系统抗负载扰动性能和提高系统动态响应能力。放电回路采用基于电流前馈解耦的放电控制技术，改善系统动静态特性。
综上所述，本发明的大功率磁悬浮储能飞轮装置，单体电压高、输出功率大，状态可全监控，采用磁悬浮支承方案、工作转速高，具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、寿命长、温度适应性好等优点；与现有产品相比，组合磁轴承的引入使整机更紧凑、功率密度更高；优化的大功率高速电机和真空磁悬浮技术，提高了工作转速，因而整机能量密度更高、占地面积更小。大功率磁悬浮储能飞轮装置以标准柜的形式实现集成化、模块化，通过直流并联易于容量扩展应用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，本领域技术人员能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的保护范围由所附权利要求而不是上述说明限定。
此外，以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。同时，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种大功率磁悬浮储能飞轮装置，包括真空容器、设于真空容器内的电机及飞轮，所述电机包括固设于真空容器内的定子组件、设于定子组件内侧的转轴，所述转轴与飞轮固连，所述飞轮位于定子组件的下方，所述转轴的顶端设置有上径向磁轴承，其特征在于：转轴的底端穿过所述飞轮并与组合磁轴承连接，所述组合磁轴承包括环状的绕线座、设于绕线座内侧的多个定子磁极叠片组件、位于定子磁极叠片组件内侧的转子叠片组件、设于绕线座外侧的导磁环、位于导磁环、绕线座及定子磁极叠片组件上下两侧的轴向定子磁极，所述定子磁极叠片组件由多片定子磁极叠片堆叠形成，所述转子叠片组件由多片转子叠片堆叠形成，定子磁极叠片组件的内侧面与转子叠片组件的外侧面之间具有径向工作间隙，转子叠片组件的上端面、下端面与轴向定子磁极之间具有轴向工作间隙，所述导磁环的顶端与底端分别与所述轴向定子磁极固连，所述绕线座的外侧绕有轴向控制线圈，所述定子磁极叠片组件与轴向定子磁极之间设有偏置磁钢，定子磁极叠片上还绕有径向控制线圈；
所述转轴包括由钐钴材料制成的磁钢轴、位于磁钢轴外侧的保护套位于磁钢轴两端的隔磁板，所述隔磁板通过耐热胶水与所述磁钢轴粘接，所述保护套与飞轮过盈配合；
还包括柜体，所述真空容器设置于柜体内，所述柜体内还设置有与真空容器连接的真空泵、与所述电机连接的电力电子模块、与所述组合磁轴承连接的磁轴承控制器，柜体的顶壁和侧壁上分别设有散热口，散热口处设置有电磁屏蔽网及风扇；
采用非接触式、高精度、高可靠电感传感器、测量精度优于1um、探头驱动信号频率5～100kHz，能同时监控X、Y、Z三个方向的复合位置传感器；
飞轮特征为高强度复合轮体；
磁钢轴采用安装后整体充磁方案，充磁方向为平行充磁，隔磁板由TA2材料制作，热装温度为500℃；
磁轴承控制器其多通道开关功放采用模块化电路结构，单通道采用基于空间矢量调制技术的3桥臂开关功放模块，主芯片采用IPM集成芯片；
电力电子模块采用基于多相交错并联双向BUCK-BOOST电力变换电路调节直流电压，外加三相全桥电路进行电机驱动控制的主电路拓扑结构；充电回路采用基于滑模变结构的PMSM无位置传感器的矢量控制技术，提高系统抗负载扰动性能和提高系统动态响应能力；放电回路采用基于电流前馈解耦的放电控制技术，改善系统动静态特性；
飞轮采用紧固连接和弹性连接相结合的方式固定在柜体，以标准柜的形式实现集成化、模块化，通过直流并联易于容量扩展应用。
2.根据权利要求1所述的大功率磁悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述轴向定子磁极与定子磁极叠片组件之间还设置有与轴向定子磁极固连的压环。
3.根据权利要求1所述的大功率磁悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述定子磁极叠片组件的上下表面分别设置有线圈挡板，所述径向控制线圈绕设于线圈挡板上。
4.根据权利要求1所述的大功率磁悬浮储能飞轮装置，其特征在于：所述绕线座的外表面设有绕线槽，所述轴向控制线圈设置于所述绕线槽内。
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