CN112398269B - 一种定子混合励磁飞轮储能电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子混合励磁飞轮储能电机，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铁芯、电枢绕组；以及分别设置在飞轮转子上、下两侧的上端盖和下端盖；沿径向由外向内依次分布的上励磁绕组、上铁磁环、上永磁环；沿径向由外向内依次分布的下励磁绕组、下铁磁环。储能保持期间，上永磁环在飞轮转子上产生轴向向上的电磁力，减小轴承负荷；充放电期间，励磁绕组和上永磁环混合励磁为飞轮储能电机提供工作磁场，同时为飞轮转子提供轴向向上电磁力。如此，本发明的电机拓扑结构能够减小轴承负荷和损耗，降低储能保持期间电磁损耗，提升储能效率，并且电机整体结构坚固耐用、简单可靠、待机损耗低、性价比高。

Description

一种定子混合励磁飞轮储能电机

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，更具体地，涉及一种定子混合励磁飞轮储能电机。

背景技术

随着能源的经济化和可持续化发展，电能存储飞轮储能技术由于对环境友好、充放电时间短、寿命长、储能密度高等优点，逐渐成为人们研究的热点。

飞轮储能电机是系统能量转换的核心部件，其性能优劣直接影响了整个飞轮储能系统的性能。飞轮储能电机通常需要工作在高速下，因此要求电机转子具有高机械强度和高可靠性。永磁电机由于转子无刷，效率高等特点，在飞轮储能系统中应用广泛。但是，在飞轮储能系统处于储能保持期间时，永磁磁场会在电机中产生一定的铁耗，这将会不断消耗飞轮中储存的能量，且转子转速越高，其损耗越大，降低了飞轮储能系统整体能量转换的效率。如何提高飞轮储能的能量利用率，是一个急需解决的问题。

飞轮转子一般质量和转动惯量较大，因此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，本发明提供了一种定子混合励磁飞轮储能电机，其目的在于通过磁路创新，使得飞轮储能系统在储能待机运行时，永磁磁场主要用于给飞轮转子提供轴向向上的电磁力，定子铁耗与转子涡流损耗低，且轴承负荷和摩擦损耗小，电机运行稳定性高；充放电运行时，通过混合励磁的方式，在为电机提供气隙磁场的同时，保持飞轮转子受到的电磁力不变，仍然达到减小轴承负荷和摩擦损耗的效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种定子混合励磁飞轮储能电机，包括飞轮转子以及环绕设置在所述飞轮转子外侧的定子铁芯、电枢绕组，其特征在于，还包括：

分别设置在飞轮转子上、下两侧的上端盖和下端盖；

机壳，所述机壳固定在所述上端盖和下端盖之间，并且环绕在所述定子铁芯的外侧；

上励磁绕组、上铁磁环、上永磁环，所述上励磁绕组、上铁磁环、上永磁环沿径向由外向内依次分布，或者，所述上励磁绕组、上永磁环、上铁磁环沿径向由外向内依次分布；其中，所述上铁磁环、上永磁环固定在所述上端盖上，且与所述飞轮转子上表面形成气隙；

下励磁绕组、下铁磁环，所述下励磁绕组、下铁磁环沿径向由外向内依次分布；其中，所述下铁磁环固定在所述下端盖上，且与所述飞轮转子下表面形成气隙。

进一步地，所述上端盖、下端盖与所述机壳连接处设置有环形密封圈。

进一步地，所述上励磁绕组、下励磁绕组分别固定在所述上端盖、下端盖上，或者所述机壳的上部和下部。

进一步地，所述飞轮储能电机还包括：转轴和轴承，所述转轴两端部通过所述轴承分别与所述上端盖和下端盖连接，且所述转轴两端部以及所述轴承均内嵌在上端盖和下端盖中；所述飞轮转子和转轴为非一体化结构。

进一步地，所述转轴由非铁磁材料构成；所述飞轮转子、机壳、上端盖、下端盖均由铁磁材料构成。

进一步地，所述飞轮储能电机还包括：转轴、轴承和轴承座，所述转轴两端部通过所述轴承、轴承座分别与所述上端盖和下端盖连接，且所述轴承座内嵌在上端盖和下端盖中；所述飞轮转子和转轴为一体化结构。

进一步地，所述轴承座由非铁磁材料构成；所述飞轮转子、机壳、上端盖、下端盖、转轴均由铁磁材料构成。

进一步地，所述飞轮转子中间部分为转子，其余部分为飞轮；所述转子的侧面设置有N个齿槽，N为大于等于2的整数。

进一步地，所述上励磁绕组、下励磁绕组在充、放电期间流通直流励磁电流，在储能保持期间停止直流励磁。

进一步地，所述飞轮储能电机还包括：固定在所述下端盖上的下永磁环；所述下励磁绕组、下铁磁环、下永磁环沿径向由外向内分布，或者，所述下励磁绕组、下永磁环、下铁磁环沿径向由外向内分布。

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)本发明通过磁路创新，使得在储能保持期间，永磁环产生的磁场主要用于给飞轮转子提供轴向向上电磁力，轴承负荷和损耗小，电机运行稳定性高，同时定子铁芯表面的气隙磁密低，定转子的电磁损耗低，从而提高了飞轮储能的能量利用率；在充放电期间，励磁绕组和永磁环混合励磁，用于建立电机的气隙工作磁场，同时，通过励磁绕组的配合可以使得飞轮转子受到的电磁力保持不变，同样达到给轴承卸载的作用。

(2)本发明转子上无需设置线圈和永磁体，使得转子无刷、强度高。

(3)当采用飞轮转子一体化结构时，在储能待机期间和充放电期间，飞轮转子均能够受到轴向的电磁力，因此仅需要采用一对机械轴承进行定位，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的场合。

(4)储能保持期间，永磁环在定子铁芯气隙产生的磁通可以用于检测转子运动状态，并且能够通入电流维持飞轮转子恒速运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种定子混合励磁飞轮储能电机半剖面图；

图2为本发明实施例提供的另一种定子混合励磁飞轮储能电机半剖面图；

图3为本发明实施例提供的飞轮转子结构示意图；

图4为本发明实施例提供的空载永磁环主磁通路径图；

图5为本发明实施例提供的负载励磁主磁通路径图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-飞轮转子，2-定子铁芯，3-电枢绕组，4-机壳，501-上端盖，502-下端盖，601-上励磁绕组，602-下励磁绕组，701-上铁磁环，702-下铁磁环，8-上永磁环，9-转轴，10-轴承，11-飞轮，12-转子，12a-齿槽，13-轴承座，14、15a、15b-主磁通路径。

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。

参阅图1，结合图2-图5，对本实施例中的飞轮储能电机进行详细说明。

本发明提供了一种定子混合励磁飞轮储能电机，采用立式安装方式，包括：飞轮转子1以及环绕设置在飞轮转子1外侧的定子铁芯2、电枢绕组3；以及机壳4、上端盖501、下端盖502、上励磁绕组601、下励磁绕组602、上铁磁环701、下铁磁环702、上永磁环8、转轴9和轴承10。

具体的，机壳4固定在上端盖501和下端盖502之间，并且环绕在定子铁芯2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501、下端盖502、机壳4均由铁磁材料组成，以起到固定和导磁的作用。并且，上端盖501、下端盖502和机壳4连接处设置有环形密封圈。

上端盖501和下端盖502分别设置在飞轮转子1上、下两侧。

如图1所示，上励磁绕组601、上铁磁环701、上永磁环8沿径向由外向内依次分布；其中，上铁磁环701、上永磁环8固定在上端盖501上，且与飞轮转子1上表面形成气隙。需要说明的是，上励磁绕组601、上永磁环8、上铁磁环701沿径向由外向内依次分布也是可以的，只需满足上励磁绕组601在最外侧，上铁磁环701和上永磁环8相对位置不固定。

下励磁绕组602、下铁磁环702沿径向由外向内依次分布；其中，下铁磁环702固定在下端盖502上，且与飞轮转子1下表面形成气隙。

进一步地，上励磁绕组601、下励磁绕组602分别安装在上端盖501、下端盖502上，用于产生电机工作的气隙工作磁场。需要说明的是，上励磁绕组601、下励磁绕组602还可以分别固定在机壳4的上部和下部。

如图1所示，飞轮储能电机还包括转轴9和轴承10，转轴9两端部通过轴承10分别与上端盖501和下端盖502连接，且转轴9两端部以及轴承10均内嵌在上端盖501和下端盖502中。此时，飞轮转子1和转轴9为非一体化结构，且转轴9由非铁磁材料构成，飞轮转子1、机壳4、上端盖501、下端盖502均由铁磁材料构成。

如图2所示，飞轮储能电机还包括转轴9、轴承10和轴承座13，转轴9两端部通过轴承10、轴承座13分别与上端盖501和下端盖502连接，且轴承座13内嵌在上端盖501和下端盖502中。此时，飞轮转子1和转轴9为一体化结构，且轴承座13由非铁磁材料构成，飞轮转子1、机壳4、上端盖501、下端盖502、转轴9均由铁磁材料构成。

具体的，飞轮转子1的材料为合金钢，飞轮转子1中间部分为转子12，其余部分为飞轮11。

其中，转子12的侧面设置有N个齿槽12a，如图3所示，其中，N为大于等于2的整数。齿槽12a的形状为弧形、梯形、矩形或函数曲线形状。由于齿槽的存在，中间部分的转子12可以在定子铁芯2圆周表面产生周期性变化的磁场。

定子铁芯2环绕设置在转子12的外侧，并且在转子12和定子铁芯2之间形成有气隙，且气隙较大。本实施例中，在定子铁芯2中与转子12相对的圆周面上设置有多个凹槽，电枢绕组3放置在定子铁芯2光滑圆周面上。本发明中飞轮转子1上既无永磁体，也无转子绕组。

如图1所示，上永磁环8固定设置在上端盖501的下表面，并在上永磁环8的下表面与飞轮转子1的上表面之间形成上气隙。需要说明的是，上永磁环8还可以固定设置在上端盖501的内部，即采用内嵌的方式。此外，上永磁环8可以为整块环形永磁体，也可以由多块扇环形永磁体组成。上永磁环8的材料为剩磁低、成本低的材料，例如为铁氧体材料，能够减小漏磁并降低成本。本实施例中，上永磁环8轴向充磁，方向轴向向下。

进一步地，飞轮储能电机还包括：固定在下端盖502上的下永磁环；且下励磁绕组602、下铁磁环702、下永磁环沿径向由外向内分布，或者，下励磁绕组602、下永磁环、下铁磁环702沿径向由外向内分布。此时，下永磁环轴向充磁，方向轴向向上。需要说明的是，当电机中同时存在上永磁环和下永磁环时，在上永磁环和下永磁环其他参数一致的情况下，上永磁环的厚度大于下永磁环，从而为飞轮转子1提供轴向向上的电磁力。

以上铁磁环701设置在上端盖501下表面，下铁磁环702设置在下端盖502上表面为例，飞轮11的端面应与上铁磁环701和下铁磁环702的端面相对，以保证飞轮转子1与上铁磁环701和下铁磁环702之间存在均匀相等的轴向气隙。

本实施例中，储能待机期间，上永磁环8产生的主磁通路径14，如图4所示：上永磁环8→气隙→飞轮11→气隙→上铁磁环701→上端盖501→上永磁环8。磁通作用在飞轮11的表面上，为飞轮转子1提供轴向向上的电磁力，以部分抵消或全部抵消飞轮转子1的重力，从而减小轴承单元中轴承所承受的载荷。此时，定子铁芯2的表面气隙磁密非常小，因此定子铁耗和转子表面的涡流损耗很小，电机的损耗低，从而提高电机的能量转换效率。

本实施例中，充放电运行期间，励磁主磁通路径分别为15a和15b，如图5所示。15a是上励磁绕组601、下励磁绕组602的主磁通路径，15b是上永磁环8的主磁通路径。由于上励磁绕组601、下励磁绕组602产生的磁通大，上铁磁环701、下铁磁环702中的磁密高，上永磁环8产生的磁通被挤压到定子铁芯2表面上，从而参与建立电机的气隙工作磁场。上永磁环8的主磁通路径为：上永磁环8→气隙→飞轮11→转子12→定子铁芯2→机壳4→上端盖501→上永磁环8。以上励磁绕组601为例，上励磁绕组601的主磁通路径为：上铁磁环701→气隙→飞轮11→转子12→气隙→定子铁芯2→机壳4→上端盖501→上铁磁环701。这两部分的磁场在定子铁芯2的表面气隙进行叠加，用以建立电机的气隙工作磁场，通过对上励磁绕组601、下励磁绕组602的合理设计，使得飞轮11的上表面受到的电磁力大于飞轮11的下表面受到的电磁力，则飞轮转子1受到的电磁力合力向上，仍然达到为轴承大幅卸载以及减小轴承损耗的效果。该混合励磁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。

以上铁磁环701和下铁磁环702端面面积和轴向气隙长度相等为例，在储能保持期间，上永磁环8的作用已经能够抵消大部分的飞轮转子1的重力。上励磁绕组601和下励磁绕组602中产生相同的磁动势时，若没有上永磁环8，则飞轮转子1受到的轴向悬浮力为0。根据叠加原理，在不考虑磁路饱和的情况下，加入上永磁环8后，飞轮转子1受到的悬浮力与只有上永磁环8单独作用时的悬浮力基本相同，或者，通过上励磁绕组601和下励磁绕组602的匝数配合，也能够达到飞轮转子1受到的悬浮力和储能保持期间相同的效果。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，在储能保持期间，电机的定子铁耗和转子涡流损耗低，能量转换率高。可以通过励磁绕组匝数、电流，永磁体尺寸等来实时控制飞轮转子1受到的电磁力合力，从而大幅减小轴承负荷和摩擦损耗，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)

1.一种定子混合励磁飞轮储能电机，包括飞轮转子(1)以及环绕设置在所述飞轮转子(1)外侧的定子铁芯(2)、电枢绕组(3)，其特征在于，还包括：

分别设置在飞轮转子(1)上、下两侧的上端盖(501)和下端盖(502)；

机壳(4)，所述机壳(4)固定在所述上端盖(501)和下端盖(502)之间，并且环绕在所述定子铁芯(2)的外侧；

上励磁绕组(601)、上铁磁环(701)、上永磁环(8)，所述上励磁绕组(601)、上铁磁环(701)、上永磁环(8)沿径向由外向内依次分布，或者，所述上励磁绕组(601)、上永磁环(8)、上铁磁环(701)沿径向由外向内依次分布；其中，所述上铁磁环(701)、上永磁环(8)固定在所述上端盖(501)上，且与所述飞轮转子(1)上表面形成气隙；

下励磁绕组(602)、下铁磁环(702)，所述下励磁绕组(602)、下铁磁环(702)沿径向由外向内依次分布；其中，所述下铁磁环(702)固定在所述下端盖(502)上，且与所述飞轮转子(1)下表面形成气隙；

其中，所述飞轮转子(1)中间部分为转子(12)，其余部分为飞轮(11)；所述转子(12)的侧面设置有N个齿槽，N为大于等于2的整数。

2.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，

所述上端盖(501)、下端盖(502)与所述机壳(4)连接处设置有环形密封圈。

3.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，

所述上励磁绕组(601)、下励磁绕组(602)分别固定在所述上端盖(501)、下端盖(502)上，或者所述机壳(4)的上部和下部。

4.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：转轴(9)和轴承(10)，所述转轴(9)两端部通过所述轴承(10)分别与所述上端盖(501)和下端盖(502)连接，且所述转轴(9)两端部以及所述轴承(10)均内嵌在上端盖(501)和下端盖(502)中；所述飞轮转子(1)和转轴(9)为非一体化结构。

5.如权利要求4所述的飞轮储能电机，其特征在于，

所述转轴(9)由非铁磁材料构成；所述飞轮转子(1)、机壳(4)、上端盖(501)、下端盖(502)均由铁磁材料构成。

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：转轴(9)、轴承(10)和轴承座(13)，所述转轴(9)两端部通过所述轴承(10)、轴承座(13)分别与所述上端盖(501)和下端盖(502)连接，且所述轴承座(13)内嵌在上端盖(501)和下端盖(502)中；所述飞轮转子(1)和转轴(9)为一体化结构。

7.如权利要求6所述的飞轮储能电机，其特征在于，

所述轴承座(13)由非铁磁材料构成；所述飞轮转子(1)、机壳(4)、上端盖(501)、下端盖(502)、转轴(9)均由铁磁材料构成。

8.如权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，

所述上励磁绕组(601)、下励磁绕组(602)在充、放电期间流通直流励磁电流，在储能保持期间停止直流励磁。

9.如权利要求1至8任一项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：固定在所述下端盖(502)上的下永磁环；所述下励磁绕组(602)、下铁磁环(702)、下永磁环沿径向由外向内分布，或者，所述下励磁绕组(602)、下永磁环、下铁磁环(702)沿径向由外向内分布。

Images