CN112117861B - 一种飞轮储能电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞轮储能电机，属于电能存储技术领域，包括飞轮转子以及环绕设置在飞轮转子外侧的定子，飞轮储能电机还包括：轴承单元，用于沿竖直方向对飞轮转子进行定位及支撑；永磁环，包括分别设置在飞轮转子上、下两侧的两部分，用于在飞轮转子上产生竖直向上的电磁力，以减小飞轮转子施加在轴承单元上的载荷，永磁环还用于为飞轮转子和定子提供工作磁场。永磁环磁通既能用于电机励磁，又能为飞轮转子提供悬浮力以减小轴承负载和损耗，提高电机运行稳定性，延长轴承寿命，仅需一对机械轴承定位，电机整体结构简单、紧凑、成本低，加工方便，非常适用于飞轮储能场合，其磁路结构实现飞轮储能感应子电机的储能容量与功率设计之间的解耦。

Description

一种飞轮储能电机
技术领域
本发明属于电能存储技术领域，更具体地，涉及一种飞轮储能电机。
背景技术
随着能源的经济化和可持续化发展，储能技术已经成为全世界的研究热点。在众多技术中，飞轮储能技术由于对环境友好、充放电时间短、寿命长、储能密度高、不受地理环境限制等优点，在能量存储技术中的地位越来越高。飞轮储能系统的核心部件是电机，飞轮储能电机通常工作在高速下，因此要求电机转子具有高机械强度和高可靠性。
永磁电机在飞轮储能系统中应用广泛，但永磁体的机械强度较低，通常在轴向上将飞轮用轮毂和永磁转子连接以提高系统的储能能量，但这增加了储能系统的轴向长度，集成度低。感应子电机由于储能密度高，转子机械强度高，可靠性高等特点，适用于飞轮储能的场合，但常规感应子电机的功率和储能能量之间存在耦合，不利于设计。飞轮转子一般质量较大，对轴承具有很高的要求。飞轮储能系统往往采用磁悬浮轴承的方式，以减小飞轮转子高速旋转下的损耗，但是磁悬浮轴承的控制方式复杂，成本高，并且增加了电机的轴向长度，影响转子的动力力学特性，并且导致飞轮储能系统紧凑性欠佳。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种飞轮储能电机，其目的在于为电机提供工作磁场的同时，为飞轮转子提供悬浮力以减小轴承负载和损耗，提高电机运行稳定性，延长轴承使用寿命，电机整体结构简单、紧凑、成本低、转子动力学特性好、加工方便，并且实现感应子电机功率和储能能量设计之间的解耦。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种飞轮储能电机，包括飞轮转子以及环绕设置在所述飞轮转子外侧的定子，所述飞轮储能电机还包括：轴承单元，用于沿竖直方向对所述飞轮转子进行定位及支撑；永磁环，包括分别设置在所述飞轮转子上、下两侧的两部分，用于在所述飞轮转子上产生竖直向上的电磁力，以减小所述飞轮转子施加在所述轴承单元上的载荷，所述永磁环还用于为所述飞轮转子和定子提供工作磁场以进行电机能量转换。
更进一步地，所述飞轮转子的侧面环绕设置有两个环形沟槽，以沿竖直方向将所述飞轮转子划分为三部分，所述飞轮转子中位于所述两个环形沟槽之间的部分为转子，其余部分为飞轮。
更进一步地，所述定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述定子铁芯环绕设置在所述转子的外侧，且在所述转子和定子铁芯之间形成有径向气隙。
更进一步地，所述转子的侧面设置有n个齿槽，n≥2，使得所述永磁环的磁力线流经所述径向气隙后为所述电枢绕组提供周期性变化的工作磁场。
更进一步地，所述飞轮转子由合金钢锻件加工形成，或者由所述转子和飞轮组合形成。
更进一步地，所述飞轮储能电机还包括：铁磁环，设置在所述永磁环的表面，且位于所述永磁环与飞轮转子之间。
更进一步地，所述飞轮储能电机还包括：非铁磁环，环绕设置在所述永磁环的内外两侧，用于安装所述永磁环。
更进一步地，所述轴承单元包括上轴承单元和下轴承单元，以分别从上下两侧对所述飞轮转子进行定位及支撑。
更进一步地，所述飞轮转子的上下表面设置有环形凹槽，用于为所述轴承单元提供安装空间。
更进一步地，所述轴承单元的材料为非铁磁材料，所述飞轮转子的材料为合金钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)永磁环产生的磁通既能用于电机励磁，又能为飞轮转子提供悬浮力，大大减小了轴承负荷和轴承损耗，提高电机运行稳定性，延长轴承的使用寿命，由此，仅需一对机械轴承定位，电机整体结构简单、紧凑、成本低，加工方便，非常适用于飞轮储能场合；
(2)将一体化飞轮转子沿竖直轴向方向分为三层，上下两侧的飞轮可以避免中间转子不平衡加工所造成的影响，机械强度高，临界转速高，动平衡好，振动小，转子动力学特性好；
(3)将定子铁芯环绕设置在转子外侧，基于此形成的磁路结构实现了感应子电机功率和储能能量设计之间的解耦，便于设计，并且减小了轴向进入定子铁芯的磁通，提高永磁环的利用率；
(4)在永磁环表面设置铁磁环，可以消除永磁体分块所造成的磁场分布不均匀，并大幅降低飞轮转子表面的涡流损耗；
(5)在飞轮转子两侧设置环形凹槽，为轴承单元提供安装空间，并且提高了转子的机械强度和储能密度。
附图说明
图1为本发明提出的飞轮储能电机的剖面图；
图2为本发明提出的飞轮储能电机的爆炸图；
图3为本发明提出的飞轮储能电机中飞轮转子的结构示意图；
图4为本发明提出的飞轮储能电机的磁通路径示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为飞轮转子，11为环形沟槽，12为转子，12a为齿槽，13为飞轮，14为环形凹槽，14a为上环形凹槽，14b为下环形凹槽，15为转轴，15a为上转轴，15b为下转轴，2为定子，21为定子铁芯，22为电枢绕组，3为轴承单元，31为上轴承单元，31a为上轴承座，31b为上轴承，32为下轴承单元，32a为下轴承座，32b为下轴承，4为永磁环，41为第一永磁环，42为第二永磁环，5为铁磁环，51为第一铁磁环，52为第二铁磁环，6为非铁磁环，61为第一非铁磁环，62为第二非铁磁环，7为端盖，71为上端盖，72为下端盖，8为机壳，101为径向气隙，102为上轴向气隙，103为下轴向气隙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明提出的飞轮储能电机的剖面图。参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中的飞轮储能电机进行详细说明。
飞轮储能电机包括飞轮转子1、定子2、轴承单元3和永磁环4。轴承单元3沿竖直方向对飞轮转子1进行定位及支撑，使得飞轮储能电机处于立式安装状态。定子2环绕设置在飞轮转子1的外侧。
永磁环4包括分别设置在飞轮转子1上、下两侧的两部分，用于在飞轮转子1上产生竖直向上的电磁力，以减小飞轮转子1施加在轴承单元3上的载荷，永磁环4还用于为飞轮转子1和定子2提供工作磁场。具体地，永磁环4包括第一永磁环41和第二永磁环42两部分，第一永磁环41位于飞轮转子1的上侧，为飞轮转子1提供竖直向上的第一电磁力，并为飞轮转子1和定子2提供第一工作磁场；第二永磁环42位于飞轮转子1的下侧，为飞轮转子1提供竖直向下的第二电磁力，并为飞轮转子1和定子2提供第二工作磁场；第一电磁力和第二电磁力的合力竖直向上，用于部分抵消或全部抵消飞轮转子1的重力所施加在轴承单元3上的载荷；第一工作磁场和第二工作磁场叠加后生成的磁场作为飞轮储能电机的工作磁场。
第一永磁环41和第二永磁环42可以为整块环形永磁体，也可以均由多块扇环形永磁体组成。永磁环4的材料为剩磁低、成本低的材料，例如为铁氧体材料、合金永磁材料等，以减小漏磁并降低成本。
本发明实施例中，在飞轮转子1的侧面环绕设置两个环形沟槽11，以沿竖直方向上将飞轮转子1划分为上、中、下三部分，如图1和图2所示。飞轮转子1中位于这两个环形沟槽11之间的部分为转子12，位于这两个环形沟槽11两侧的部分为飞轮13。将一体化的飞轮转子1分为三层，使得飞轮转子具有更好的动力学特性。飞轮转子1既可以由整块合金钢锻件加工而成，也可以由转子12、飞轮13组合形成，或者进一步由转子12、飞轮13以及转轴组合形成。本实施例中，飞轮转子1为实心合金钢构成的一体化结构，机械强度高。
定子2包括定子铁芯21和电枢绕组22。对于划分为三部分的飞轮转子而言，定子铁芯21仅仅环绕在转子12的外侧，并且在转子12和定子铁芯21之间形成有径向气隙101。中间部分的转子12用于在定子铁芯21圆周表面产生周期性变化的磁场；飞轮13作为永磁环磁通的一部分轴向路径，由于环形沟槽11的存在，减小了轴向进入定子铁芯21的磁通，提高永磁环的利用率。
本实施例中，可以在定子铁芯21中与转子12相对的圆周面上设置有多个凹槽，电枢绕组22放置在定子铁芯的凹槽中；也可以将电枢绕组设置在定子铁芯21的内侧表面上，由此，使得飞轮转子1上既无永磁体，也无转子绕组。
飞轮13作为磁通轴向路径的一部分，其轴向长度和转子12表面径向气隙101的气隙磁通之间没有约束关系，因此，可以通过改变飞轮13的轴向长度来改变飞轮转子1的储能能量，而不会影响电机功率的设计，实现了电机功率和飞轮转子储能能量设计之间的解耦，方便设计，解决了传统感应子电机功率和储能能量耦合的问题。飞轮转子1的轴向长度由电机功率和转速决定，飞轮转子1的整体尺寸由电机储能能量、转速和组成飞轮转子的材料的力学性能决定。
本发明实施例中，在转子12的侧面设置n个齿槽12a，如图3所示，其中，n≥2。齿槽12a的形状为弧形、梯形、矩形或函数曲线形状，齿槽的个数例如为3。由于齿槽12a的存在，使得永磁环4的磁力线流经转子12和径向气隙101后为电枢绕组22提供周期性变化的工作磁场，以进行电机能量转换。
飞轮储能电机还包括铁磁环5。将铁磁环5设置在永磁环4的表面，并且位于永磁环4与飞轮转子1之间。具体地，铁磁环5包括第一铁磁环51和第二铁磁环52。第一铁磁环51设置在第一永磁环41的下表面。第二铁磁环52设置在第二永磁环42的上表面。铁磁环5可以消除永磁体分块所导致的磁场分布不均匀，并且能大幅减小飞轮转子1表面的涡流损耗。进一步地，飞轮13的端面应与第一铁磁环51和第二铁磁环52的端面相对，以保证飞轮转子1与铁磁环之间存在均匀相等的轴向气隙。
飞轮储能电机还包括非铁磁环6。将非铁磁环6环绕设置在永磁环4的内外两侧，以固定安装永磁环4。非铁磁环6包括第一非铁磁环61和第二非铁磁环62。第一非铁磁环61包括分别环绕设置在第一永磁环41内外两侧的两部分，用于配合安装第一永磁环41。第二非铁磁环62包括分别环绕设置在第二永磁环42内外两侧的两部分，用于配合安装第二永磁环42。
飞轮储能电机还包括端盖7，端盖7包括上端盖71和下端盖72，上端盖71设置在飞轮转子1的上侧，下端盖72设置在飞轮转子1的下侧。进一步地，可以将第一永磁环41固定在上端盖71的下表面，并在第一永磁环41的下表面与飞轮转子1的上表面之间形成上轴向气隙102，如图1所示；或者，也可以将第一永磁环41固定设置在上端盖71的内部，上端盖71的下表面与飞轮转子1的上表面之间形成为上轴向气隙102。可以将第二永磁环42固定设置在下端盖72的上表面，并在第二永磁环42的上表面与飞轮转子1的下表面之间形成下轴向气隙103，如图1所示；第二永磁环42还可以固定设置在下端盖72的内部，下端盖42的上表面与飞轮转子1的下表面之间形成为下轴向气隙103。
本发明实施例中，轴承单元3包括上轴承单元31和下轴承单元32，以分别从上下两侧对飞轮转子1进行定位及支撑。具体地，上轴承单元31用于连接飞轮转子1与上端盖71，下轴承单元32用于连接飞轮转子1与下端盖72。永磁环4为飞轮转子1提供的电磁力减小了轴承负荷和损耗，由此，仅需一对机械轴承定位，电机整体结构简单、紧凑、成本低，加工方便，非常适用于飞轮储能场合。
上轴承单元31包括上轴承座31a和上轴承31b；下轴承单元32包括下轴承座32a和下轴承32b。飞轮转子1的上下两侧分别设置有上转轴15a和下转轴15b。上端盖71和下端盖72中均设置有通孔。上轴承单元31穿过上端盖71中的通孔并通过上轴承31b连接上转轴15a，上轴承座31a的侧面设置有凸起结构，该凸起结构卡接在上端盖71的上表面以对上轴承单元31进行固定，从而实现上端盖21与飞轮转子1之间的轴承连接。下轴承单元32穿过下端盖72中的通孔并通过下轴承32b连接下转轴15b，下轴承座32a的侧面设置有凸起结构，该凸起结构卡接在下端盖72的上表面以对下轴承单元32进行固定，从而实现下端盖21与飞轮转子1之间的轴承连接。由此，利用一对机械轴承对飞轮转子1进行定位及支撑。
本发明实施例中，飞轮转子1的上下表面均设置有环形凹槽14，用于为轴承单元3提供安装空间，使得电机结构更为紧凑，并且还可以提升飞轮转子1的机械强度和储能密度。参阅图1，例如将以飞轮13轴线为圆心的一定范围内的圆形区域划分为转轴区域，在该区域外侧加工出环形凹槽14，其中，飞轮转子上表面加工出上环形凹槽14a，飞轮转子下表面加工出下环形凹槽14b，从而在飞轮转子1的上下表面分别形成上转轴15a和下转轴15b，上环形凹槽14a环绕上转轴15a，下环形凹槽14b环绕下转轴15b，转轴15的外侧面即为环形凹槽14的内侧槽壁。上环形凹槽14a可以为上轴承单元31提供安装空间，下环形凹槽14b可以为下轴承单元32提供安装空间。
飞轮储能电机还包括机壳8，机壳8固定设置在上端盖71和下端盖72之间，并且环绕在定子铁芯21的外侧，以对飞轮储能电机的各个部件进行固定。本实施例中，上端盖71、下端盖72、机壳8的材料均为铁磁材料，铁磁材料例如为铁、钴、镍等具有强磁性的材料，以起到固定和导磁的作用。轴承单元3的材料为非铁磁材料，非铁磁材料例如为铜、铝、锌等不能被磁化的有色金属等，由此，磁力线不会流经轴承单元3。
本实施例中，第一永磁环41和第二永磁环42都为轴向充磁，第一永磁环41的充磁方向轴向向下，第二永磁环42的充磁方向轴向向上。以图4中示出的第一永磁环41位于上端盖71下表面、第二永磁环42位于下端盖72上表面为例说明飞轮储能电机中的磁路。参阅图4，第一永磁环41的主磁通路径为：第一永磁环41→第一铁磁环51→上轴向气隙102→转子上侧的飞轮13→转子12→径向气隙101→定子铁芯21→机壳8→上端盖71→第一永磁环41；第二永磁环42的主磁通路径为：第二永磁环42→第二铁磁环52→下轴向气隙103→转子下侧的飞轮13→转子12→径向气隙101→定子铁芯21→机壳8→下端盖72→第二永磁环42。第一永磁环41和第二永磁环42产生的磁通在定子铁芯21表面气隙进行叠加，由于转子12表面存在齿槽12a，由此在定子铁芯21表面产生不均匀的单极性气隙磁密，用于电机的机电能量转换。第一永磁环41和第二永磁环42产生的磁场既能用于为飞轮转子1提供轴向悬浮力，又起到电机励磁作用。
仍以图4中示出的结构为例，第一永磁环41和第二永磁环42的磁场在飞轮转子1上产生的电磁力方向相反，电磁力合力方向向上，各电磁力及电磁力合力的大小可以表示为：
F1＝B1 2S1/2μ1
F2＝B2 2S2/2μ2
F＝B1 2S1/2μ1-B2 2S2/2μ2
其中，F为电磁力合力，方向轴向向上，F1为第一永磁环41的磁场在飞轮转子1上产生的电磁力，方向轴向向上，F2为第二永磁环42的磁场在飞轮转子1上产生的电磁力，方向轴向向下，B1为第一永磁环41的磁场强度，B2为第二永磁环42的磁场强度，S1为上轴向气隙102的端面积，S2为下轴向气隙103的端面积，μ1为上轴向气隙102的磁导率，μ2为下轴向气隙103的磁导率。
通过控制B1、B2、S1、S2、μ1、μ2的大小来调节合力的大小，根据飞轮转子1的重力设置B1、B2、S1、S2、μ1、μ2，使得第一永磁环41和第二永磁环42在飞轮转子1上施加的电磁力合力刚好与飞轮转子1的重力相抵消，减小甚至消除上轴承31b和下轴承32b上所承受的载荷。
以第一永磁环41的厚度大于第二永磁环42的厚度，上轴向气隙102与下轴向气隙103的端面积和磁导率均相同为例，此情况下，第一永磁环41的磁场强度B1大于第二永磁环42的磁场强度B2，根据合力F公式可知飞轮转子1受到的合力轴向向上，根据实际应用场景调节第一永磁环41和第二永磁环42的厚度使得电磁力合力与飞轮转子1的重力相抵消，此时，仅需要一对机械轴承就能满足系统要求。可以理解的是，本实施例中，也可以通过调节上轴向气隙102和下轴向气隙103的端面积、磁导率等来控制飞轮转子1受到的电磁力合力，来为飞轮转子1提供轴向的悬浮力，大幅减小轴承负荷和损耗，仅需一对机械轴承就能满足要求，电机整体结构简单、紧凑、成本低，转子动力学特性好，方便加工，非常适用于飞轮储能场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞轮储能电机，包括飞轮转子(1)以及环绕设置在所述飞轮转子(1)外侧的定子(2)，其特征在于，所述飞轮转子(1)的侧面环绕设置有两个环形沟槽(11)，以沿竖直方向将所述飞轮转子(1)划分为三部分，所述飞轮转子(1)中位于所述两个环形沟槽(11)之间的部分为转子(12)，其余部分为飞轮(13)，所述飞轮储能电机还包括：
轴承单元(3)，用于沿竖直方向对所述飞轮转子(1)进行定位及支撑；
端盖(7)，包括上端盖(71)和下端盖(72)；
永磁环(4)，包括分别设置在所述飞轮转子(1)上、下两侧的第一永磁环(41)和第二永磁环(42)，所述第一永磁环(41)固定在所述上端盖(71)下表面，所述第二永磁环(42)固定在所述下端盖(72)上表面，用于在所述飞轮转子(1)上产生竖直向上的电磁力，以减小所述飞轮转子(1)施加在所述轴承单元(3)上的载荷，所述永磁环(4)还用于为所述飞轮转子(1)和定子(2)提供工作磁场以进行电机能量转换。
2.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述定子(2)包括定子铁芯(21)和电枢绕组(22)，所述定子铁芯(21)环绕设置在所述转子(12)的外侧，且在所述转子(12)和定子铁芯(21)之间形成有径向气隙(101)。
3.如权利要求2所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述转子(12)的侧面设置有n个齿槽(12a)，n≥2，使得所述永磁环(4)的磁力线流经所述径向气隙(101)后为所述电枢绕组(22)提供周期性变化的工作磁场。
4.如权利要求1-3任一项所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述飞轮转子(1)由合金钢锻件加工形成，或者由所述转子(12)和飞轮(13)组合形成。
5.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述飞轮储能电机还包括：
铁磁环(5)，设置在所述永磁环(4)的表面，且位于所述永磁环(4)与飞轮转子(1)之间。
6.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述飞轮储能电机还包括：
非铁磁环(6)，环绕设置在所述永磁环(4)的内外两侧，用于安装所述永磁环(4)。
7.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述轴承单元(3)包括上轴承单元(31)和下轴承单元(32)，以分别从上下两侧对所述飞轮转子(1)进行定位及支撑。
8.如权利要求1或7所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述飞轮转子(1)的上下表面设置有环形凹槽(14)，用于为所述轴承单元(3)提供安装空间。
9.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述轴承单元(3)的材料为非铁磁材料，所述飞轮转子(1)的材料为合金钢。
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