CN111786503A - 一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，以在不依靠控制系统的情况下实现自稳定运行，且阻力较小、能耗低。储能飞轮固定安装在传动轴的中部，轴向两侧外对称设置复位装置、轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承，在径向侧外设置电机；电机由固定于储能飞轮外侧的电机转子和固定于外壳内侧的电机定子绕组组成；轴向磁浮轴承由轴向间隔固定于外壳上的上部Halbach阵列、下部Halbach阵列和位于两者之间且通过第一支架固定在传动轴上的轴向线圈组组成；径向磁浮轴承由径向间隔固定于外壳上的内圈Halbach永磁阵列、外圈Halbach永磁阵列和位于两者之间且通过第二支架固定于固定在传动轴上的径向线圈组组成。

Description

一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置

所属技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，具体涉及一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能是一种机电能量转换装置，当外部电能过剩时，电能通过电力电子器件转换后输入电机，带动储能飞轮旋转，将电能转换为机械能；当外部电能不足时，储能飞轮拖动电机发电，经电力电子器件转后，向外提供电能，将机械能转化为电能。

轴承是飞轮储能的核心技术之一，根据轴承的不同，飞轮可分为传动飞轮和磁浮飞轮两大类，传统飞轮使用机械轴承，由于轴承存在摩擦力，因此飞轮转速受到很大限制，这种飞轮储能能力十分有限。

磁浮飞轮采用磁浮轴承提供支撑力，根据电磁力产生原理不同，磁浮飞轮又可分为电磁吸力型飞轮和电动斥力型飞轮。电磁吸力型飞轮利用电磁铁与磁性材料间的吸力提供支撑力，这种飞轮虽然技术相对较为成熟，但由于吸力不稳定，因此必须依靠主动控制系统，不仅增加了成本，且可靠性较低，存在较多电力电子器件，因此飞轮寿命也较短。电动斥力型飞轮由运动导体板与永磁阵列间的排斥力提供支撑，由于通常情况下飞轮转速较快，因此导体板的集肤效应十分明显，使得导体板等效电阻较大，飞轮储能装置能耗和散热量都较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，以在不依靠控制系统的情况下实现自稳定运行，且阻力较小、能耗低。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，包括储能飞轮，其特征是：所述储能飞轮固定安装在传动轴的中部，传动轴的两个轴端通过辅助轴承支撑于外壳上，该储能飞轮的轴向两侧外对称设置复位装置、轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承，在径向侧外设置电机；所述电机由固定于储能飞轮外侧的电机转子和固定于外壳内侧的电机定子绕组组成；所述复位装置由固定于外壳的电磁铁和固定于传动轴上的铁芯组成；所述轴向磁浮轴承由轴向间隔固定于外壳上的上部Halbach阵列、下部Halbach阵列和位于两者之间且通过第一支架固定在传动轴上的轴向线圈组组成；所述径向磁浮轴承由径向间隔固定于外壳上的内圈Halbach永磁阵列、外圈Halbach永磁阵列和位于两者之间且通过第二支架固定于固定在传动轴上的径向线圈组组成；上述安装在传动轴上部件构成装置转子，安装在外壳上的部件构成装置定子，装置转子与装置定子之间无接触。

本发明的有益效果是，储能飞轮由被动磁浮轴承提供支撑力，能在不依靠控制系统的情况下实现自稳定运行，且阻力较小，能耗低，结构简单，可靠性强，能有效解决现有飞轮储能装置的不足。

附图说明

本说明书包括如下十二幅附图：

图1是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置的结构示意图；

图2是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中定子的结构示意图；

图3是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中定子的结构示意图；

图4是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置的初始态示意图；

图5是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中复位装置示意图；

图6是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中轴向磁浮轴承永磁体充磁方向示意图；

图7是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中径向磁浮轴承永磁体充磁方向示意图；

图8是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中轴向线圈和径向线圈实施例1的示意图及电流示意图；

图9是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中轴向线圈和径向线圈实施例2的示意图及电流示意图；

图10是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中轴向线圈实施例3的示意图及电流示意图；

图11是本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置中径向线圈实施例3的示意图及电流示意图；

图12是电磁力刚度计算曲线。

图中示出构件名称及所对应的标记：辅助轴承1、径向磁浮轴承2、内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212、径向线圈组22、径向线圈221、第二支架23、轴向磁浮轴承3、上部Halbach阵列311、下部Halbach阵列312、轴向线圈组32、轴向线圈321、第一支架33、储能飞轮4、复位装置5、电磁铁51、复位线圈511、铁芯52、电机6、电机定子绕组61、电机转子62、电机定子绕组61、外壳7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

参照图1，本发明的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，包括储能飞轮4，该储能飞轮4固定安装在传动轴8的中部，传动轴8的两个轴端通过辅助轴承1支撑于外壳7上。该储能飞轮4的轴向两侧外对称设置复位装置5、轴向磁浮轴承3和径向磁浮轴承2，在径向侧外设置电机6。储能飞轮4由被动磁浮轴承提供支撑力，不仅结构简单，可靠性强，且能耗较低，能有效解决现有飞轮储能装置的不足。

参照图1和图3，所述电机6由固定于储能飞轮4外侧的电机转子62和固定于外壳7内侧的电机定子绕组61组成。所述复位装置5由固定于外壳7的电磁铁51和固定于传动轴8上的铁芯52组成。所述轴向磁浮轴承3由轴向间隔固定于外壳7上的上部Halbach阵列311、下部Halbach阵列312和位于两者之间且通过第一支架33固定在传动轴8上的轴向线圈组32组成。所述径向磁浮轴承2由径向间隔固定于外壳7上的内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212和位于两者之间且通过第二支架23固定于固定在传动轴8上的径向线圈组22组成。参照图3，上述安装在传动轴8上部件构成装置转子。参照图2，安装在外壳7上的部件构成装置定子，装置转子与装置定子之间无接触。

参照图7，所述内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212的径向磁场反向充磁、弧向磁场同向充磁，使气隙磁场加强，径向线圈组22位于气隙中，第二支架23由非金属材料制成。径向永磁阵列充磁方向如图7所示，径向磁场同向，弧向磁场方向，因此上下两个电流产生的排斥力相互叠加，阻力相互抵消，在保证飞轮稳定的同时，能最大限度减小能量损耗。参照图6，所述上部Halbach阵列311、下部Halbach阵列312的轴向磁场反向充磁、弧向磁场同向充磁，使气隙磁场加强，轴向线圈组32位于气隙中，第一支架33由非金属材料制成。

参照图8示出的实施例1，所述径向线圈组22由独立的径向线圈221组成，轴向线圈组32由独立的轴向线圈321组成，径向线圈221、轴向线圈321紧密排列于非金属环形支架上，上下两部分产生的磁通相互抵消，合磁通为零。参照图5，所述电磁铁51以传动轴8轴线为中心环形排列。采用零磁通线圈组，线圈组采用非金属材料填充，并固定于环形支架上，既能保证机械强度，又能降低电磁阻力和能耗。

参照图9示出的实施例2，所述径向线圈组22由独立的径向线圈221组成，轴向线圈组32由独立的轴向线圈321组成，径向线圈221、轴向线圈321为矩形线圈，矩形线圈紧密排列于非金属环形支架上，线圈上下两个边电流方向相反。采用矩形线圈组，线圈组采用非金属材料填充，并固定于环形支架上，既能保证机械强度，又能降低电磁阻力和能耗。

参照图9和图10示出的实施例3，所述径向线圈组22采用带状线圈绕组，轴向线圈组32采用盘式线圈绕组。采用平面线圈，既能节省空间，又能降低电磁阻力和能耗。

装置初始时，由于重力作用，定子与转子相对关系如附图4所示，此时给复位装置5的线圈通电，在电磁铁51边沿效应作用下，将提升转子至附图1所示的工作位置。

当装置工作于储能状态时，外部过剩电能通过电力电子变化后，输入给电机定子绕组61，带动电机转子62旋转，从而带动储能飞轮4和传动轴8旋转，将电能转化为机械能。此时，由于径向线圈组22固定于传动轴8上，因此线圈会以相同角速度旋转，线圈会切割内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212之间的气隙磁场，产生感应电流，电流产生的磁场与Halbach阵列组磁场相互作用产生电磁力。由楞次定律可知，内圈Halbach永磁阵列211对径向线圈组22的电磁力沿径向向外，外圈Halbach永磁阵列212对线圈22的电磁力沿径向向内，两个力均为排斥力。由于内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212具有相同的结构和电磁参数，径向线圈组22会稳定在内圈Halbach永磁阵列211、外圈Halbach永磁阵列212之间的气隙中心处。当装置受到扰动时，如径向线圈组22偏向内圈Halbach永磁阵列211，与内圈Halbach永磁阵列211间气隙减小，此时内圈Halbach永磁阵列211对径向线圈组22的排斥力增大，外圈Halbach永磁阵列212对向线圈组22的排斥力减小，向线圈组22会被推回至气隙中心，从而能实现径向自稳定运行。

另一方面，径向线圈组22由紧密排列的独立零磁通径向线圈221组成，线圈中电流方向如图8所示，线圈上下两个边电流方向相同，径向永磁阵列充磁方向如图7所示，径向磁场反向，弧向磁场同向，线圈受到的阻力等于上下两个边电流与径向磁场的乘积，因此两个电流产生的排斥力相互叠加，阻力相互抵消，在保证飞轮稳定的同时，能最大限度减小能量损耗。

同理，上部Halbach阵列311、下部Halbach阵列312和轴向线圈组32组成的轴向磁浮轴承能保证装置的轴向自稳定运行，与径向轴承类似，产生的电磁阻力也会相互抵消，减小能量损耗。

当装置工作于能量释放状态时，储能飞轮4带动电机6工作于发电机状态，进而通过电力电子变化，将机械能转化为电能输出，与储能状态类似，此时装置也能实现自稳定运行，且电磁阻力相互抵消。

本装置通过线圈与永磁体产生感应电流，飞轮处于高速运行时，线圈上下两个电流产生的阻力会相互抵消，因此能量损耗大大小于现有装置。

综上所述，通过合理的参数配置，该飞轮储能装置能不依靠控制系统的情况下，实现自稳定运行，且阻力较小，能耗低。能解决现有飞轮储能装置存在的各种缺陷。

本装置初始态示意图如附图4所示，复位装置5的复位线圈511通电后，由于边沿效应作用，会将转子提升至启动状态，如附图1所示。当设计参数如下表1所示时，计算了该装置轴向刚度与气隙偏移的变化情况，如图9所示。由图可知，气隙偏移越大，轴向刚度越大，因此装置有良好的自稳定特性，显然径向刚度也有类似特征。

表1计算实例中永磁体和线圈参数

参数	取值	参数	取值
				永磁体剩磁	1.277T	永磁阵列极距	500mm
一对极下模块数	4	永磁单体长度	250mm
				线圈厚度	5mm	永磁体高度	100mm
线圈宽度	100mm	永磁体轴向气隙	80mm
				储能飞轮半径	500mm	储能飞轮高度	300mm
储能飞轮质量	100kg	永磁体径向气隙	20mm

以上所述只是用图解说明本发明一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (7)

1.一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，包括储能飞轮(4)，其特征是：所述储能飞轮(4)固定安装在传动轴(8)的中部，传动轴(8)的两个轴端通过辅助轴承(1)支撑于外壳(7)上，该储能飞轮(4)的轴向两侧外对称设置复位装置(5)、轴向磁浮轴承(3)和径向磁浮轴承(2)，在径向侧外设置电机(6)；所述电机(6)由固定于储能飞轮(4)外侧的电机转子(62)和固定于外壳(7)内侧的电机定子绕组(61)组成；所述复位装置(5)由固定于外壳(7)的电磁铁(51)和固定于传动轴(8)上的铁芯(52)组成；所述轴向磁浮轴承(3)由轴向间隔固定于外壳(7)上的上部Halbach阵列(311)、下部Halbach阵列(312)和位于两者之间且通过第一支架(33)固定在传动轴(8)上的轴向线圈组(32)组成；所述径向磁浮轴承(2)由径向间隔固定于外壳(7)上的内圈Halbach永磁阵列(211)、外圈Halbach永磁阵列(212)和位于两者之间且通过第二支架(23)固定于固定在传动轴(8)上的径向线圈组(22)组成；上述安装在传动轴(8)上部件构成装置转子，安装在外壳(7)上的部件构成装置定子，装置转子与装置定子之间无接触。

2.如权利要求1所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述内圈Halbach永磁阵列(211)、外圈Halbach永磁阵列(212)的径向磁场反向充磁、弧向磁场同向充磁，径向线圈组(22)位于气隙中，第二支架(23)由非金属材料制成。

3.如权利要求1所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述上部Halbach阵列(311)、下部Halbach阵列(312)的轴向磁场反向充磁、弧向磁场同向充磁，轴向线圈组(32)位于气隙中；第一支架(33)由非金属材料制成。

4.如权利要求1所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述径向线圈组(22)由独立的径向线圈(221)组成，轴向线圈组(32)由独立的轴向线圈(321)组成。

5.如权利要求4所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述径向线圈(221)、轴向线圈(321)为矩形线圈，矩形线圈紧密排列于非金属环形支架上。

6.如权利要求4所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述径向线圈组(22)采用带状线圈绕组，轴向线圈组(32)采用盘式线圈绕组。

7.如权利要求1所述的一种采用被动磁浮轴承的飞轮储能装置，其特征是：所述电磁铁(51)以传动轴(8)轴线为中心环形排列。

Images