CN113315295A - 一种飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞轮储能装置，包括：壳体；芯轴；第一径向电磁轴承；第二径向电磁轴承，径向电磁轴承的定子和转子间的径向间隙为b；第一保护轴承；第二保护轴承，保护轴承内圈与芯轴间的径向间隙为a，a＜b；电机，电机定子和转子间的径向间隙为c，c＞b；飞轮，包括轮体和轮毂，轮毂内环壁和外环壁形成环形空间；摩擦限位件，包括伸入环形空间内的伸入部，伸入部与内、外环壁间的径向间隙为d，d＜b。本发明通过设置摩擦限位件，强迫限制芯轴的径向振动位移，保护电机转子不与电机定子发生摩擦，协同保护轴承保护径向电磁轴承的轴承转子不与轴承定子发生摩擦，更好的保护电磁轴承和电机，保证飞轮储能装置的使用安全和使用寿命。

Description

一种飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，具体涉及一种飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能装置通常采用磁悬浮轴承（简称磁轴承），以减少电机转子旋转时的摩擦，为了保护磁悬浮轴承，飞轮储能装置通常还包括保护轴承，保护轴承是在磁轴承的支承不工作或者因某种原因失效的情况下定转子发生触碰的机械边界，这是一套额外的被动轴承，通常采用得比较多的有精密角接触球轴承、深沟球轴承等。当处在额定工况下运行的磁轴承设备发生故障时，设备中的保护轴承应能承受全速运行的转子跌落，在有限时间内支承转子直至恢复正常运行工况，或者直至安全降速。

例如申请公布号为CN103233984A的中国发明专利申请公开的一种立式磁悬浮飞轮转子的辅助支承，包括上辅助支承组件（即上保护轴承）、上径向磁轴承、轴向磁轴承、飞轮、飞轮转子轴、电动机/发电机、下径向磁轴承、下辅助支承组件（即下保护轴承）等，上辅助支承组件包括上支承套和向心球轴承，上支承套与转子轴上端过盈配合，而与向心球轴承内圈动配合，即留有上径向间隙，当磁轴承故障或过载时，上支承套外表面与向心球轴承内圈表面碰摩，对转子轴上端起到辅助支承的作用，下辅助支承组件同理。

飞轮储能装置为实现大功率、高储能量，需要增加飞轮电机转子的轴向长度，形成长芯轴结构，长轴轴系的弓型挠曲临界转速进入飞轮电机转子的升降速工作区域，飞轮电机轴系通过共振区时，大的径向振动位移可能超过电机定转子、电磁轴承定转子的气隙，导致电机、电磁轴承发生碰摩，无法保证飞轮储能装置的使用安全和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对电机和电磁轴承均形成防护作用的飞轮储能装置。

为实现上述目的，本发明中的飞轮储能装置采用如下技术方案：

一种飞轮储能装置，包括：

壳体；

芯轴，转动安装在壳体内；

第一径向电磁轴承，设于壳体内且安装在芯轴上；

第二径向电磁轴承，设于壳体内且安装在芯轴上，第二径向电磁轴承和第一径向电磁轴承均包括与芯轴固定的轴承转子以及相对于壳体固定设置的轴承定子，定义轴承定子和轴承转子之间的径向间隙为b；

第一保护轴承，设于壳体内且位于芯轴的一端；

第二保护轴承，设于壳体内且位于芯轴的另一端，定义第二保护轴承和第一保护轴承的内圈与芯轴之间的径向间隙均为a，则a＜b；

电机，设于壳体内，电机包括与芯轴固定的电机转子以及相对于壳体固定设置的电机定子，定义电机定子和电机转子之间的径向间隙为c，则c＞b；

飞轮，设于壳体内，飞轮包括轮体和轮毂，轮毂包括与芯轴固定的内环壁以及与轮体固定的外环壁，内环壁和外环壁之间形成环形空间；

摩擦限位件，固定设置于壳体内，摩擦限位件包括伸入所述环形空间内的伸入部，定义伸入部与内环壁和外环壁之间的径向间隙为d，则d＜b。

上述技术方案的有益效果在于：第二保护轴承和第一保护轴承的内圈与芯轴之间的径向间隙均为a，第二径向电磁轴承和第一径向电磁轴承的轴承定子和轴承转子之间的径向间隙为b，由于a＜b，因此第二保护轴承和第一保护轴承可以约束芯轴两端的径向位移，第二保护轴承和第一保护轴承的内圈会先与芯轴接触，防止第二径向电磁轴承和第一径向电磁轴承的轴承定子和轴承转子碰摩，从而保护电磁轴承。

同时，飞轮的轮毂包括内环壁和外环壁，摩擦限位件的伸入部与内环壁和外环壁之间的径向间隙为d，由于d＜b，因此摩擦限位件也可以保护电磁轴承，和两个保护轴承一起加强了对电磁轴承的保护作用。并且，电机定子和电机转子之间的径向间隙为c，由于c＞b，则可以得出d＜c，因此摩擦限位件很好的限制了芯轴的径向位移，可以防止电机定子和电机转子碰摩，从而保护电机。

综上，本发明通过设置摩擦限位件，强迫限制芯轴的径向振动位移，可以协助挠性轴系通过临界共振区，保护电机转子不与电机定子发生摩擦，协同保护轴承保护径向电磁轴承的轴承转子不与轴承定子发生摩擦，更好的保护电磁轴承和电机，保证了飞轮储能装置的使用安全和使用寿命。

进一步的，为了方便摩擦限位件的加工和设置，摩擦限位件包括套体，所述伸入部由套体的一端形成。

进一步的，为了方便摩擦限位件与壳体的固定，摩擦限位件还包括设置在套体另一端的法兰，法兰与壳体固定连接。

进一步的，为了方便安装，法兰上设置有止口结构，止口结构用于与壳体定位配合。

进一步的，为了方便壳体的加工和组装，同时方便摩擦限位件的安装固定，壳体包括飞轮壳和电机壳，飞轮、第一径向电磁轴承以及第一保护轴承均设置于飞轮壳内，电机、第二径向电磁轴承以及第二保护轴承均设置于电机壳内，飞轮壳与电机壳相对的一端分别设置有向外延伸的翻沿，飞轮壳和电机壳通过翻沿固定连接，飞轮壳与电机壳的翻沿的外径相等，电机壳的翻沿长度大于飞轮壳的翻沿长度，所述止口结构与电机壳定位配合，所述法兰与电机壳的翻沿固定连接。

进一步的，为了方便壳体的加工和组装，壳体包括固定连接的飞轮壳和电机壳，飞轮、第一径向电磁轴承以及第一保护轴承均设置于飞轮壳内，电机、第二径向电磁轴承以及第二保护轴承均设置于电机壳内，摩擦限位件与电机壳或飞轮壳固定连接；壳体还包括与飞轮壳固定连接的第一端盖以及与电机壳固定连接的第二端盖。

进一步的，为了方便轮毂的制造，保证轮毂的整体强度，轮毂还包括一体连接在内环壁和外环壁端部之间的连接壁。

进一步的，为了优化参数设置，a=(1/3~1/2)b。

进一步的，为了优化参数设置，d=（0.6~0.8）b。

进一步的，为了优化参数设置，c=(2~3)b。

附图说明

图1为本发明中飞轮储能装置的结构示意图；

图2为图1中飞轮的轮毂和摩擦限位件的放大图。

图中：1、飞轮壳；1-1、第一翻沿；2、电机壳；2-1、第二翻沿；3、第一端盖；4、第二端盖；5、芯轴；6、第一径向电磁轴承转子；7、第一径向电磁轴承定子；8、第二径向电磁轴承转子；9、第二径向电磁轴承定子；10、第一保护轴承；11、第一轴承座；12、第二保护轴承；13、第二轴承座；14、电机转子；15、电机定子；16、轴向电磁轴承定子；17、推力盘；18、轮毂；18-1、内环壁；18-2、外环壁；18-3、连接壁；19、轮体；20、摩擦限位件；20-1、套体；20-2、法兰；20-3、止口结构。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明中飞轮储能装置的一个实施例如图1所示，包括壳体、芯轴5、第一径向电磁轴承、第二径向电磁轴承、第一保护轴承10、第二保护轴承12、电机、飞轮、摩擦限位件20、轴向电磁轴承。

其中，芯轴5转动安装在壳体内，壳体包括固定连接的飞轮壳1和电机壳2，壳体还包括与飞轮壳1固定连接的第一端盖3以及与电机壳2固定连接的第二端盖4。

第一径向电磁轴承设于飞轮壳1内且安装在芯轴5上靠近一端的位置，第一径向电磁轴承包括与芯轴5固定的第一径向电磁轴承转子6以及相对于飞轮壳1固定设置的第一径向电磁轴承定子7。第二径向电磁轴承设于电机壳2内且安装在芯轴5上靠近另一端的位置，第二径向电磁轴承包括与芯轴5固定的第二径向电磁轴承转子8以及相对于电机壳2固定设置的第二径向电磁轴承定子9。定义第一径向电磁轴承转子6与第一径向电磁轴承定子7之间的径向间隙、第二径向电磁轴承转子8与第二径向电磁轴承定子9之间的径向间隙均为b。

第一保护轴承10通过第一轴承座11安装在飞轮壳1内，且位于芯轴5的一端。第二保护轴承12通过第二轴承座13安装在电机壳2内，且位于芯轴5的另一端。定义第二保护轴承12和第一保护轴承10的内圈与芯轴5之间的径向间隙均为a，则a＜b，因此第二保护轴承12和第一保护轴承10可以约束芯轴5两端的径向位移，第二保护轴承12和第一保护轴承10的内圈会先与芯轴5接触，防止第一径向电磁轴承转子6和第一径向电磁轴承定子7碰摩，同时防止第二径向电磁轴承转子8和第二径向电磁轴承定子9碰摩，从而保护两个径向电磁轴承。

轴向电磁轴承设于飞轮壳1内，且位于第一保护轴承10和第一径向电磁轴承之间，轴向电磁轴承包括与芯轴5固定的推力盘17以及相对于飞轮壳1固定设置的轴向电磁轴承定子16。

电机设于电机壳2内，电机包括与芯轴5固定的电机转子14以及相对于电机壳2固定设置的电机定子15，定义电机定子15和电机转子14之间的径向间隙为c，则c＞b，也即电机定子和转子之间的径向间隙比径向电磁轴承定子和转子之间的径向间隙大。

飞轮设于飞轮壳1内，飞轮包括轮体19和轮毂18，结合图2所示，轮毂18包括与芯轴5固定的内环壁18-1以及与轮体19固定的外环壁18-2，内环壁18-1和外环壁18-2之间形成环形空间，轮毂18还包括一体连接在内环壁18-1和外环壁18-2端部之间的连接壁18-3。

如图1所示，摩擦限位件20固定设置于壳体内，摩擦限位件20包括伸入上述环形空间内的伸入部，结合图2所示，摩擦限位件20包括套体20-1，上述伸入部由套体20-1的一端形成。定义套体20-1与内环壁18-1和外环壁18-2之间的径向间隙为d，则d＜b，因此摩擦限位件20也可以保护径向电磁轴承，和两个保护轴承一起加强了对径向电磁轴承的保护作用。并且，电机定子15和电机转子14之间的径向间隙为c，由于c＞b，则可以得出d＜c，这样是考虑到当芯轴5通过临界共振区时，芯轴5中部在飞轮的离心作用下，会产生较大的径向位移，引起电机转子14也产生较大的径向位移，从而和电机定子15发生碰摩，如果d＜c，就可以通过摩擦限位件20限制芯轴中部的径向位移，使芯轴中部先与摩擦限位件20摩擦，防止电机定子和电机转子碰摩，保护电机，芯轴快速通过临界共振后，振动会减小，从而能正常工作。

如图2所示，摩擦限位件20还包括设置在套体20-1另一端的法兰20-2，法兰20-2上设置有止口结构20-3，法兰20-2与电机壳2固定连接。具体的，如图1所示，飞轮壳1与电机壳2相对的一端分别设置有向外延伸的翻沿，分别是第一翻沿1-1和第二翻沿2-1，飞轮壳1和电机壳2通过第一翻沿1-1和第二翻沿2-1固定连接。并且，第一翻沿1-1和第二翻沿2-1的外径相等，第二翻沿2-1的长度大于第一翻沿1-1长度，上述止口结构20-3与电机壳定位配合，上述法兰20-2与第二翻沿2-1固定连接。

另外，为了优化参数设置，设计a=(1/3~1/2)b，d=（0.6~0.8）b，c=(2~3)b，摩擦限位件20能够对径向电磁轴承和电机均形成防护作用，且对于径向电磁轴承来说，两个保护轴承构成第一道防护，摩擦限位件20构成第二道防护，摩擦限位件20与轮毂的内环壁18-1和外环壁18-2均能摩擦耗能、限位，与外环壁18-2接触摩擦有利于抑制轴系的正进动、与内环壁18-1接触摩擦有利于抑制反进动，瞬间摩擦力矩大部分抵消，大幅度减少非同步进动的干扰力矩，防止轴系失稳。

综上，本发明通过设置摩擦限位件，强迫限制芯轴的径向振动位移，可以协助挠性轴系通过临界共振区，保护电机转子不与电机定子发生摩擦，协同保护轴承保护径向电磁轴承的轴承转子不与轴承定子发生摩擦，更好的保护电磁轴承和电机，保证了飞轮储能装置的使用安全和使用寿命。

在飞轮储能装置的其他实施例中，在保证a＜b且d＜b＜c的前提下，a和b之间的比例系数、d和b之间的比例系数以及c和b之间的比例系数均可以是其他的数值或数值范围。

在飞轮储能装置的其他实施例中，轮毂的连接壁也可以不是设在内环壁和外环壁的端部，而是在中部。

在飞轮储能装置的其他实施例中，轮毂不包括连接壁，内环壁和外环壁之间通过多个连接杆相连。

在飞轮储能装置的其他实施例中，摩擦限位件也可以是与飞轮壳固定连接。

在飞轮储能装置的其他实施例中，法兰上的止口结构也可以是与飞轮壳定位配合。

在飞轮储能装置的其他实施例中，飞轮和电机也可以设置在一个一体壳内。

在飞轮储能装置的其他实施例中，法兰上不设置止口结构，法兰直接与壳体固定连接。

在飞轮储能装置的其他实施例中，摩擦限位件不包括法兰，此时套体直接与壳体固定连接。

在飞轮储能装置的其他实施例中，伸入部可以不是由套体的一端形成，例如摩擦限位件包括固定环以及固定在固定环上的多个固定杆，多个固定杆伸入环形空间内形成伸入部，或者，伸入部仅仅是一块具有一定弧长的弧形板。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括：

壳体；

芯轴（5），转动安装在壳体内；

第一径向电磁轴承，设于壳体内且安装在芯轴（5）上；

第二径向电磁轴承，设于壳体内且安装在芯轴（5）上，第二径向电磁轴承和第一径向电磁轴承均包括与芯轴（5）固定的轴承转子以及相对于壳体固定设置的轴承定子，定义轴承定子和轴承转子之间的径向间隙为b；

第一保护轴承（10），设于壳体内且位于芯轴（5）的一端；

第二保护轴承（12），设于壳体内且位于芯轴（5）的另一端，定义第二保护轴承（12）和第一保护轴承（10）的内圈与芯轴（5）之间的径向间隙均为a，则a＜b；

电机，设于壳体内，电机包括与芯轴（5）固定的电机转子（14）以及相对于壳体固定设置的电机定子（15），定义电机定子（15）和电机转子（14）之间的径向间隙为c，则c＞b；

飞轮，设于壳体内，飞轮包括轮体（19）和轮毂（18），轮毂（18）包括与芯轴（5）固定的内环壁（18-1）以及与轮体（19）固定的外环壁（18-2），内环壁（18-1）和外环壁（18-2）之间形成环形空间；

摩擦限位件（20），固定设置于壳体内，摩擦限位件（20）包括伸入所述环形空间内的伸入部，定义伸入部与内环壁（18-1）和外环壁（18-2）之间的径向间隙为d，则d＜b。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，摩擦限位件（20）包括套体（20-1），所述伸入部由套体（20-1）的一端形成。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于，摩擦限位件（20）还包括设置在套体（20-1）另一端的法兰（20-2），法兰（20-2）与壳体固定连接。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能装置，其特征在于，法兰（20-2）上设置有止口结构（20-3），止口结构（20-3）用于与壳体定位配合。

5.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，壳体包括飞轮壳（1）和电机壳（2），飞轮、第一径向电磁轴承以及第一保护轴承（10）均设置于飞轮壳（1）内，电机、第二径向电磁轴承以及第二保护轴承（12）均设置于电机壳（2）内，飞轮壳（1）与电机壳（2）相对的一端分别设置有向外延伸的翻沿，飞轮壳（1）和电机壳（2）通过翻沿固定连接，飞轮壳（1）与电机壳（2）的翻沿的外径相等，电机壳（2）的翻沿长度大于飞轮壳（1）的翻沿长度，所述止口结构（20-3）与电机壳（2）定位配合，所述法兰（20-2）与电机壳（2）的翻沿固定连接。

6.根据权利要求1~4任意一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，壳体包括固定连接的飞轮壳（1）和电机壳（2），飞轮、第一径向电磁轴承以及第一保护轴承（10）均设置于飞轮壳（1）内，电机、第二径向电磁轴承以及第二保护轴承（12）均设置于电机壳（2）内，摩擦限位件（20）与电机壳（2）或飞轮壳（1）固定连接；壳体还包括与飞轮壳（1）固定连接的第一端盖（3）以及与电机壳（2）固定连接的第二端盖（4）。

7.根据权利要求1~5任意一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，轮毂（18）还包括一体连接在内环壁（18-1）和外环壁（18-2）端部之间的连接壁（18-3）。

8.根据权利要求1~5任意一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，a=(1/3~1/2)b。

9.根据权利要求1~5任意一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，d=（0.6~0.8）b。

10.根据权利要求1~5任意一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，c=(2~3)b。

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