CN113300532B - 一种定子电励磁飞轮储能电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子电励磁飞轮储能电机，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两段定子铁芯、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；位于两段定子铁芯中间的励磁绕组；位于飞轮转子上方的永磁环；其中，上端盖和下端盖为非铁磁材料，飞轮转子和机壳为铁磁材料。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；另一方面，由于上端盖由非铁磁材料构成，励磁绕组产生的磁通不会影响永磁环在飞轮上产生的磁通，使得飞轮的上表面受到的电磁力与未通入励磁电流时的电磁力保持一致。

Description

一种定子电励磁飞轮储能电机

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，更具体地，涉及一种定子电励磁飞轮储能电机。

背景技术

随着能源的经济化和可持续化发展，能源存储技术已经成为了世界性的研究课题。其中，飞轮储能技术具有对环境友好、充放电响应速度快、寿命长、储能密度高等优点，已经受到了国内外研究人员的高度重视，并且在许多领域得到了广泛的应用，例如电网调峰调频、不间断电源、航空航天等领域。飞轮储能技术是将电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储的技术。在储能阶段，系统通过电力电子变换器将电机驱动至一定的转速，带动飞轮高速旋转，即实现了电能向机械能的转换；在能量保持阶段，整个系统维持电机的转速，几乎不与外界进行能量的交换；在能量释放阶段，飞轮储能电机则作为发电机运行，电机的转速逐渐下降，能量通过功率变换系统以电能的形式向外界释放。

飞轮储能系统一般包括飞轮、电机、电力电子控制器、轴承系统和真空腔体。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。

在中国专利CN112398269A公开的一种定子混合励磁飞轮储能电机中，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；在充放电期间，励磁绕组和永磁环混合励磁，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。然而，由于上下端盖为铁磁材料，励磁绕组的磁路与永磁环的磁路存在耦合，若励磁绕组的电流不稳定，则飞轮转子的悬浮力也不稳定。

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电励磁飞轮储能电机，以解决现有飞轮储能电机存在磁路干扰、悬浮力不稳定的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种定子电励磁飞轮储能电机，包括：

立式安装的飞轮转子，所述飞轮转子为铁磁材料；

环绕设置在所述飞轮转子外侧的第一定子铁芯、第二定子铁芯和电枢绕组；

环绕设置在所述电枢绕组外侧的励磁绕组，且所述励磁绕组位于所述第一定子铁芯和第二定子铁芯之间；

分别设置在飞轮转子上、下两侧的上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖为非铁磁材料；

机壳，所述机壳固定在所述上端盖和下端盖之间，并且环绕在所述第一定子铁芯和第二定子铁芯外侧，所述机壳为铁磁材料；

永磁环，所述永磁环通过铁磁单元安装在所述上端盖上，且所述永磁环和铁磁单元均位于所述飞轮转子的上方；

机械轴承单元，用于连接所述上端盖、飞轮转子的转轴和下端盖。

进一步地，所述铁磁单元包括铁磁块和铁磁环；

所述铁磁块存在一个端面与所述飞轮转子上表面形成气隙，且存在另一个端面与所述永磁环的上表面接触；所述铁磁环的上表面与所述永磁环的下表面接触，所述铁磁环的下表面与所述飞轮转子上表面形成气隙。

进一步地，所述电枢绕组为单套绕组结构，贯穿所述第一定子铁芯和第二定子铁芯。

进一步地，所述飞轮转子为一体化结构，中间部分为电机转子，上下两端圆盘为飞轮；所述电机转子的侧面设置有N个齿槽，N为大于等于2的整数。

进一步地，所述飞轮储能电机包括多个串联的单元电机；

所述单元电机由第一定子铁芯、第二定子铁芯、所述励磁绕组和所述电机转子构成。

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，所述飞轮储能电机通过与所述下端盖相连的底部法兰安装于水平面上。

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)本发明一方面通过永磁卸载轴承和感应子电机的配合，达到减小轴承载荷的效果；另一方面，通过磁路创新、上下端盖采用非铁磁材料使得永磁卸载轴承和电机之间的磁路耦合很小，电机的励磁电流的改变不会对转子的悬浮力产生影响。在电机的工作期间，轴承处的负载波动小，稳定性高，显著的延长了轴承的使用寿命。

(2)本发明通过在永磁环和飞轮之间设置铁磁环，能够减小涡流损耗，使得气隙均匀。

(3)本发明在电机的储能待机期间，可以通过切断励磁电源，来消除空载待机损耗，提高系统的能量利用率。

(4)本发明转子上不设置线圈和永磁体，转子结构简单、强度高。

(5)本发明中的飞轮转子为一体化结构，且在工作期间均能够受到稳定的悬浮力，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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种飞轮储能电机半剖面图；

图2为本发明实施例提供的飞轮转子结构示意图；

图3为本发明实施例提供的空载主磁通路径图；

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，201-第一定子铁芯，202-第二定子铁芯，3-励磁绕组，4-电枢绕组，5-机壳，601-上端盖，602-下端盖，7-铁磁块，8-永磁环，9-铁磁环，10-机械轴承单元，11-环形密封圈，12-电机转子，13-飞轮，14、15-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和图3，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电励磁飞轮储能电机，采用立式安装方式，包括：飞轮转子1、第一定子铁芯201、第二定子铁芯202、励磁绕组3、电枢绕组4、机壳5、上端盖601、下端盖602、铁磁块7、永磁环8、铁磁环9、机械轴承单元10和环形密封圈11。

具体的，第一定子铁芯201、第二定子铁芯202和电枢绕组4环绕设置在飞轮转子1外侧，励磁绕组3环绕设置在电枢绕组4外侧。

机壳5固定在上端盖601和下端盖602之间，并且环绕在第一定子铁芯201和第二定子铁芯202的外侧，机壳5对飞轮储能电机的各个部件进行固定。本实施例中，上端盖601、下端盖602均由非铁磁材料构成，例如铝合金，以起到固定和隔磁的作用。机壳5由铁磁材料构成，例如q235A。上端盖601、下端盖602和机壳5连接处设置有环形密封圈11。

上端盖601和下端盖602分别设置在飞轮转子1上、下两侧。

如图1所示，励磁绕组3位于第一定子铁芯201和第二定子铁芯202的中间，并且紧挨机壳5。电枢绕组4直接穿过两个定子铁芯。

铁磁块7、永磁环8以及铁磁环9装配在一起，再安装在上端盖601上。铁磁块7存在一个端面与飞轮转子1上表面形成气隙，且存在另一个端面与永磁环8的上表面接触；铁磁环9的上表面与永磁环8的下表面接触，其下表面与飞轮转子1上表面形成气隙。

飞轮储能电机还包括机械轴承单元10，飞轮转子1的转轴通过机械轴承单元10与上端盖601和下端盖602连接在一起。

具体的，飞轮转子1为一体化结构，中间部分为电机转子12，上下两端圆盘为飞轮13；飞轮转子1的材料为40Cr，用于储能能量的设计。电机转子12与飞轮13相邻。

其中，电机转子12的侧面设置有N个齿槽，如图2所示，其中，N为大于等于2的整数。齿槽的形状为弧形、梯形、矩形或函数曲线形状。本发明中飞轮转子1上既无永磁体，也无转子绕组。电机转子12分为上下两段，且两段的转子齿错开180°的电角度。

第一定子铁芯201与第二定子铁芯202环绕设置在电机转子12的外侧，并且在电机转子12和第一定子铁芯201、第二定子铁芯202之间形成有气隙，且气隙较大。由于电机转子12表面齿槽的存在，在励磁电流通电的情况下，第一定子铁芯201与第二定子铁芯202的圆周表面存在周期性变化的工作磁场，用于机电能量的转换。

本实施例中，储能待机期间，永磁环8产生的主磁通路径14，如图3所示。14的主磁通路径为：永磁环8→铁磁环9→气隙→飞轮13→气隙→铁磁块7→永磁环8。磁通作用在飞轮13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，从而减小机械轴承单元10所承受的载荷。在励磁绕组3不通电时，第一定子铁芯201与第二定子铁芯202的表面不存在磁通，因此电机无空载待机损耗，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，励磁主磁通路径为15，如图3所示。15的主磁通路径为：第一定子铁芯201→气隙→电机转子12→气隙→第二定子铁芯202→机壳5→第一定子铁芯201。由于上端盖601由非铁磁材料构成，因此励磁绕组产生的磁通几乎不会从上端盖601上通过，即不会影响永磁环8在飞轮13上产生的磁通，使得飞轮13的上表面受到的电磁力与未通入励磁电流时的电磁力保持一致，仍然达到为机械轴承单元10卸载以及减小轴承损耗的效果。

因此，本实施例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，电机在储能待机期间的损耗小，能量转换率高。飞轮转子在整个工作期间都能受到稳定的悬浮力，减小了轴承的载荷与损耗，轴承的使用寿命长。飞轮转子由合金钢构成，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 (6)

1.一种定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，包括：

立式安装的飞轮转子(1)，所述飞轮转子(1)为铁磁材料；

环绕设置在所述飞轮转子(1)外侧的第一定子铁芯(201)、第二定子铁芯(202)和电枢绕组(4)；

环绕设置在所述电枢绕组(4)外侧的励磁绕组(3)，且所述励磁绕组(3)位于所述第一定子铁芯(201)和第二定子铁芯(202)之间；

分别设置在飞轮转子(1)上、下两侧的上端盖(601)和下端盖(602)，所述上端盖(601)和下端盖(602)为非铁磁材料；

机壳(5)，所述机壳(5)固定在所述上端盖(601)和下端盖(602)之间，并且环绕在所述第一定子铁芯(201)和第二定子铁芯(202)外侧，所述机壳(5)为铁磁材料；

永磁环(8)，所述永磁环(8)通过铁磁单元安装在所述上端盖(601)上，且所述永磁环(8)和铁磁单元均位于所述飞轮转子(1)的上方；所述铁磁单元包括铁磁块(7)和铁磁环(9)；所述铁磁块(7)存在一个端面与所述飞轮转子(1)上表面形成气隙，且存在另一个端面与所述永磁环(8)的上表面接触；所述铁磁环(9)的上表面与所述永磁环(8)的下表面接触，所述铁磁环(9)的下表面与所述飞轮转子(1)上表面形成气隙；

机械轴承单元(10)，用于连接所述上端盖(601)、飞轮转子(1)的转轴和下端盖(602)。

2.如权利要求1所述的定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，

所述电枢绕组(4)为单套绕组结构，贯穿所述第一定子铁芯(201)和第二定子铁芯(202)。

3.如权利要求1所述的定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，

所述飞轮转子(1)为一体化结构，中间部分为电机转子(12)，上下两端圆盘为飞轮(13)；所述电机转子(12)的侧面设置有N个齿槽，N为大于等于2的整数。

4.如权利要求3所述的定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，

所述飞轮储能电机包括多个串联的单元电机；

所述单元电机由第一定子铁芯(201)、第二定子铁芯(202)、所述励磁绕组(3)和所述电机转子(12)构成。

5.如权利要求1所述的定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，

所述上端盖(601)、下端盖(602)与所述机壳(5)连接处设置有环形密封圈(11)。

6.如权利要求1所述的定子电励磁飞轮储能电机，其特征在于，

所述飞轮储能电机通过与所述下端盖(602)相连的底部法兰安装于水平面上。

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