CN111435806A

CN111435806A - 飞轮储能装置及轴向磁轴承

Info

Publication number: CN111435806A
Application number: CN201910030065.3A
Authority: CN
Inventors: 刘成涛
Original assignee: Candela Shenzhen Technology Innovations Co Ltd
Current assignee: Candela Shenzhen Technology Innovations Co Ltd
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-07-21

Abstract

本发明提出一种飞轮储能装置及轴向磁轴承，该轴向磁轴承包括相互配合的转子和定子；该转子包括由多个第一磁铁在径向上叠置而成的第一组磁铁，该定子包括由多个第二磁铁在径向上叠置而成的第二组磁铁；其中，该第二组磁铁与该第一组磁铁上下对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。转子处于外侧，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

Description

飞轮储能装置及轴向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种轴向磁轴承，特别涉及一种适用于飞轮储能装置的轴向磁轴承。

背景技术

磁轴承利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。飞轮储能装置（也称飞轮储能电池）利用超高速旋转的飞轮储存能量，并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。将磁轴承应用于飞轮储能装置上，能极大地提高储能密度，而飞轮转子的半径越大，其转动惯量也会越大，同样转速下得到的转动能量也会越大。

现有的磁轴承大部分是内转子结构，即转子固定在轴上，定子处于转子的外围。这种内转子的设计不能适用于大尺寸的飞轮转子，会限制飞轮储能装置的储能密度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种轴向磁轴承，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：提供一种轴向磁轴承，包括相互配合的转子和定子；该转子包括由多个第一磁铁在径向上叠置而成的第一组磁铁，该定子包括由多个第二磁铁在径向上叠置而成的第二组磁铁；其中，该第二组磁铁与该第一组磁铁上下对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。

在一些实施例中，该Halbach阵列为四到八对结构。

在一些实施例中，由外往里，在第一对中，第二磁铁的充磁方向向内，第一磁铁的充磁方向向内；在第二对中，第二磁铁的充磁方向向下，第一磁铁的充磁方向向上；在第三对中，第二磁铁的充磁方向向外，第一磁铁的充磁方向向外；在第四对中，第二磁铁的充磁方向向上，第一磁铁的充磁方向向下。

在一些实施例中，该第一组磁铁和该第二组磁铁之间的气隙为2mm。

在一些实施例中，该第一组磁铁装设在飞轮转子的端头；该第二组磁铁装设在套筒中。

在一些实施例中，该套筒设有向下开口的收容槽，该第二组磁铁装设在该收容槽中；该飞轮转子的端头设有收容槽，该第一组磁铁装设在该收容槽中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案还包括：提供一种飞轮储能装置，包括筒状的飞轮转子和装设在该飞轮转子的中空处且分别位于两端的两个如上所述的轴向磁轴承；其中，该轴向磁轴承的转子装设在该飞轮转子上。

在一些实施例中，该飞轮转子由金属筒体和设置在该金属筒体外周的碳环组成。

在一些实施例中，还包括装设在该飞轮转子的中空处且位于中部的两个径向磁轴承。

在一些实施例中，该径向磁轴承的转子的转子叠片选用非晶合金材料。

与现有技术相比，本发明的轴向磁轴承，通过巧妙地使转子中由多个第一磁铁在径向上叠置而成的第一组磁铁与定子中由多个第二磁铁在径向上叠置而成的第二组磁铁一一对应，构成Halbach阵列，转子处于外侧，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

附图说明

图1为本发明的飞轮储能装置的剖视结构示意。

图2为本发明的飞轮储能装置的分解结构示意。

图3为本发明的轴向磁轴承的剖视结构示意。

图4为本发明的轴向磁轴承的分解结构示意。

图5为本发明的轴向磁轴承中磁铁排列关系示意。

图6为本发明的轴向磁轴承中单个磁铁的立体结构示意。

图7为本发明的轴向磁轴承中第一套筒的立体结构示意。

图8为本发明的飞轮储能装置中飞轮转子的立体结构示意。

图9为本发明的轴向磁轴承中磁感线分布示意。

图10为本发明的径向磁轴承中转子叠片材料的特性示意。

其中，主要附图标记说明如下：10、飞轮储能装置，1、飞轮转子，11、金属筒体，15、收容槽，2、径向磁轴承 7、轴向磁轴承，3、第一组磁铁，31、32、33、34、第一磁铁，4、套筒，45、收容槽，5、第二组磁铁，51、52、53、54、第二磁铁。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参见图1和图2，图1为本发明的飞轮储能装置的剖视结构示意。图2为本发明的飞轮储能装置的分解结构示意。本发明提出一种飞轮储能装置10，其包括：呈筒状的飞轮转子1，装设在飞轮转子1的中空处且位于中部的两个径向磁轴承2以及装设在飞轮转子1两端的两个轴向磁轴承7。其中，飞轮转子1由金属筒体和设置在金属筒体外周的碳环组成。借助于最外侧包裹的碳纤维材料的碳环，能够防止金属筒体因高速旋转发生大变形甚至炸裂，有利于提高飞轮转子1转速和转动惯量。

参见图3至图10，图3为本发明的轴向磁轴承的剖视结构示意。图4为本发明的轴向磁轴承的分解结构示意。图5为本发明的轴向磁轴承中磁铁排列关系示意。图6为本发明的轴向磁轴承中单个磁铁的立体结构示意。图7为本发明的轴向磁轴承中第一套筒的立体结构示意。图8为本发明的飞轮储能装置中飞轮转子的立体结构示意。图9为本发明的轴向磁轴承中磁感线分布示意。图10为本发明的径向磁轴承中转子叠片材料的特性示意。本发明的轴向磁轴承7由第一组磁铁3，套筒4和第二组磁铁5组成。其中，第二组磁铁5与套筒相结合构成轴向磁轴承7的定子，第一组磁铁3（与飞轮转子1上的收容槽15相结合）构成轴向磁轴承7的转子。

参见图1，第一组磁铁3与飞轮转子1装设在一起，会随飞轮转子1转动。参见图5，第一组磁铁3中的四个磁铁31、32、33、34沿飞轮转子1的径向延伸地叠置在一起，第二组磁铁5中的四个磁铁51、52、53、54沿飞轮转子1的径向延伸地叠置在一起。第二组磁铁5中的四个磁铁51、52、53、54与第一组磁铁3中的四个磁铁31、32、33、34上下对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列（Halbach Array, 海尔贝克阵列）。

由外往里，在第一对上，第二磁铁51和第一磁铁31沿飞轮转子1的轴向相对应组成一对，第二磁铁51的充磁方向向内，第一磁铁31的充磁方向向内。在第二对上，第二磁铁52和第一磁铁32沿飞轮转子1的轴向相对应组成一对，第二磁铁52的充磁方向向下，第一磁铁32的充磁方向向上。在第三对上，第二磁铁53和第一磁铁33沿飞轮转子1的轴向相对应组成一对，第二磁铁53的充磁方向向外，第一磁铁33的充磁方向向外。在第四对上，第二磁铁54和第一磁铁34沿飞轮转子1的轴向相对应组成一对，第二磁铁54的充磁方向向上，第一磁铁34的充磁方向向下。

值得一提的是，在本实施例中，Halbach阵列是以四对为例进行说明，在其他实施例中，根据实际应用的需要，Halbach阵列可以灵活在四对到八对之中任一选取。举例而言，对于由八对组成的Halbach阵列，位于外侧的一到四对与位于内侧的五到八对的充磁方向的排布结构是相同的。

可以理解的是，第一组磁铁3和第二组磁铁5通过上述的充磁方向上的设计，构成了Halbach阵列。结合参见图10，对于第一组磁铁3和第二组磁铁5之间的气隙为2mm的应用情形，位于气隙两侧的磁铁的极性相斥，使得位于下侧的第一组磁铁3能够处于轴向悬浮状态。

参见图4、图6、图7和图8，第一组磁铁3和第二组磁铁5中的单个磁铁（例如第二磁铁51）为磁环。套筒4包括向下侧开口的收容槽45。飞轮转子1的端头设有向上开口的收容槽15。

适用于本发明的径向磁轴承2的现有实现方式多种多样。举例而言，径向磁轴承2由磁铁、定子铁芯、硅钢片和线圈组成。其中，定子铁芯是由电工纯铁加工而成，组成磁路的主体结构；上下定子夹着轴向充磁的环形磁铁，材料优选稀土永磁体——钕铁硼；定子铁芯的上下端面均有开槽，中间缠绕着线圈，每个磁轴承有8 个线圈，对称放置；硅钢片是由厚度非常薄的电工硅钢叠压而成，固定在转子上，硅钢片与定子铁芯之间有约0.5mm 的气隙。永磁体轴向充磁，在气隙处产生大约为0.68T 左右的偏置磁场。线圈无电流时，定子的对硅钢片的径向吸引力的合力为零。合理地选择线圈的接线方式，使线圈中通电流时，能一起改变气隙磁场，使硅钢片受到的电磁力同时增大或者减小。线圈通电后，受电流磁场的影响，两端气隙的磁场一边增大，一边减小；两边磁场的差异导致转子所受的合力不为零，从而产生径向拉力。通过仿真计算可得出该电磁力随安匝数（线圈的电流乘以匝数）的变化关系。

值得一提的是，参见图10，固定在转子上的硅钢片也可换成非晶合金等低铁损材料。举例而言，在转速为6万的情形下，最大储能均为11844KJ，每瓦的铁损：硅钢片约为64，非晶合金约为12.8。可见，采用非晶合金替代硅钢片的话，可以大大降低铁损。

本发明的飞轮储能装置10通过轴向Halbach 阵列被动控制轴向位移，径向的电磁铁主动控制径向位移，可实现5 自由度悬浮。并且，由于轴向磁轴承7的转子是处于飞轮转子1的端头，有利于增加飞轮转子1的转动惯量，提高飞轮储能装置10的储能密度。

举例而言，飞轮储能装置10的总体设计指标有：直径为240mm，总重量61kg，高度为400mm，飞轮转子的重量为37.5kg，飞轮转子1的厚度为60mm，转动惯量为0.6kg*m²，碳环的厚度为10mm，径向气隙为0.5mm。其中，飞轮转子1的转速为10Krpm时，最大储能为0.0914KWH；飞轮转子1的转速为30Krpm时，最大储能为0.822KWH；飞轮转子1的转速为60Krpm时，最大储能为3.29KWH。

与现有技术相比，本发明的飞轮储能装置10的有益之处至少包括：

1、轴向磁轴承7能使用少量磁铁，在大气隙（2mm）中产生强磁场，实现径向悬浮，且位移刚度很大；该悬浮方式无需控制，且由于磁铁的电导率低，在高速旋转过程中产生的涡流损耗也低，有利于降低飞轮储能装置10的能耗。

2、在径向磁轴承2中，采用非晶合金替代硅钢，有利于降低铁损；。

3、飞轮转子1的外转子设计，借助于最外侧的碳环12，可进一步提高转速和转动惯量。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种轴向磁轴承，包括相互配合的转子和定子；其特征在于，该转子包括由多个第一磁铁在径向上叠置而成的第一组磁铁，该定子包括由多个第二磁铁在径向上叠置而成的第二组磁铁；其中，该第二组磁铁与该第一组磁铁上下对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。

2.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于，该Halbach阵列为四到八对结构。

3.根据权利要求2所述的轴向磁轴承，其特征在于，由外往里，在第一对中，第二磁铁的充磁方向向内，第一磁铁的充磁方向向内；在第二对中，第二磁铁的充磁方向向下，第一磁铁的充磁方向向上；在第三对中，第二磁铁的充磁方向向外，第一磁铁的充磁方向向外；在第四对中，第二磁铁的充磁方向向上，第一磁铁的充磁方向向下。

4.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于，该第一组磁铁和该第二组磁铁之间的气隙为2mm。

5.根据权利要求1所述的轴向磁轴承，其特征在于，该第一组磁铁装设在飞轮转子的端头；该第二组磁铁装设在套筒中。

6.根据权利要求5所述的轴向磁轴承，其特征在于，该套筒设有向下开口的收容槽，该第二组磁铁装设在该收容槽中；该飞轮转子的端头设有收容槽，该第一组磁铁装设在该收容槽中。

7.一种飞轮储能装置，包括筒状的飞轮转子，其特征在于，还包括装设在该飞轮转子的中空处且分别位于两端的两个如权利要求1至6任一项所述的轴向磁轴承；其中，该轴向磁轴承的转子装设在该飞轮转子上。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能装置，其特征在于，该飞轮转子由金属筒体和设置在该金属筒体外周的碳环组成。

9.根据权利要求7所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括装设在该飞轮转子的中空处且位于中部的两个径向磁轴承。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能装置，其特征在于，该径向磁轴承的转子的转子叠片选用非晶合金材料。