CN113489231A - 一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统 - Google Patents

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柳哲
杨科
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Abstract

本发明涉及一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，包括系统壳体、电机转子、磁轴承、飞轮转子和飞轮轴，所述飞轮轴安装在飞轮转子的中心孔中，飞轮轴的顶端固定连接在飞轮转子的中心孔内，飞轮轴的下端伸出飞轮转子的中心孔，伸入系统壳体底部的冷却液槽中，飞轮轴为中空轴，飞轮轴的中空腔为进液流道，进液流道的进液口开口于飞轮轴的下端面，飞轮轴的外圆面和所述中心孔的内壁之间留有间隙，作为冷却液的出液流道，飞轮轴的上端设有用以连通进液流道和出液流道的循环孔。本发明可以在不依靠外接设备将冷却液吸入飞轮轴内，完成对飞轮转子的循环散热，并且冷却液与系统中的其他设备均不接触，因此不会对其中的电气设备造成不利影响。

Description

一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统
技术领域
本发明属于飞轮储能系统的散热领域，具体涉及一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统。
背景技术
磁悬浮飞轮储能系统中，转子上的热量来源包括了电机的铁损，磁轴承的铁损，其中电机的铁损较大，并且由于转子完全悬浮在真空中，转子只能通过辐射来散热，没法进行热交换，热量累积会使转子达到很高的温度，从而导致转子上磁钢退磁以及材料的性能降低，造成安全隐患。
现有的转子散热系统一般都是在空气状态下，使用风冷散热或者液冷散热。而磁悬浮飞轮储能系统内部没有空气，无法进行风冷散热；液冷散热一般为纯机械系统，系统内部没有电气部分，而飞轮系统内部的电气部分导致普通的液冷系统会对电气部分造成影响，需要隔离冷却液和电气部分，从而需要专门设计液冷系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，主要是对飞轮转子内的飞轮轴的结构加以改进，使得飞轮转子高速旋转的过程中，可以在不依靠外接设备，就可以将冷却液吸入飞轮轴内，完成对飞轮转子的循环散热，并且该过程中，冷却液与系统中的其他设备均不接触，因此不会对其中的电气设备造成不利影响。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，包括系统壳体、电机转子、磁轴承、飞轮转子和飞轮轴，所述飞轮轴安装在飞轮转子的中心孔中，飞轮轴的顶端固定连接在飞轮转子的中心孔内，飞轮轴的下端伸出飞轮转子的中心孔，伸入系统壳体底部的冷却液槽中，飞轮轴为中空轴，飞轮轴的中空腔为进液流道，进液流道的进液口开口于飞轮轴的下端面，飞轮轴的外圆面和所述中心孔的内壁之间留有间隙，作为冷却液的出液流道，飞轮轴的上端设有用以连通进液流道和出液流道的循环孔。
所述飞轮轴下端的进液口设有自吸结构，用于在随飞轮转子旋转过程中将冷却液吸入飞轮轴的进液流道。
作为一种选择，所述的自吸结构为设置在飞轮轴进液口内壁上的螺旋槽，螺旋槽沿飞轮轴的轴向延伸。
作为另一种选择，所述的自吸结构为设置在飞轮轴进液口处的叶轮，叶轮的叶片相对于水平面倾斜。
所述循环孔沿飞轮轴的周向均匀间隔设置。
所述系统壳体的底部设有位于冷却液槽下方或周围的冷却通道，冷却通道和外部冷却设备连接。
所述飞轮转子包括芯轴和安装在芯轴上的飞轮，所述电机转子安装在芯轴上，所述磁轴承设有两个，两个磁轴承的转子分别位于飞轮的轴向两侧、并安装在芯轴上。
在芯轴的上端和下端还分别设有保护轴承，所述磁轴承的转子位于保护轴承的轴向的内侧。
所述电机转子设置在飞轮的下方或上方。
本发明的有益效果是：本发明对于结构的改动较小，无需增加过多的设备改造成本，利用冷却液在进液流道和出液流道的循环流动，将飞轮储能系统运行中产生的热量及时带走，具有良好的散热效果，提高飞轮储能系统的安全性、可靠性。
本发明在工作中，飞轮轴的下端浸没在冷却液液面以下，在飞轮轴高速旋转的情况下，飞轮轴内部上下存在压差，使冷却液向上运动，飞轮轴进液口的自吸结构又可以进一步确保液体顺利、持续的进入飞轮轴的进液流道从而在飞轮轴内形成稳定的、连续的冷却液流，带走流经的飞轮转子、电机转子部分的热量，冷却液到达飞轮轴顶部时，在离心力作用下从循环孔中被甩出到出液流道内，然后在重力作用下向下流动，从出液口流出，回到下方的冷却液槽中，完成一次液冷循环。冷却液槽中的冷却液还可以被外接的冷却设备所冷却，从而进一步的提高对飞轮转子的冷却效果。
附图说明
图1为实施例1中本发明的结构示意图；
图2为实施例1中冷却液的循环示意图；
图3为实施例1中飞轮轴的结构示意图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为实施例1中稳定环的结构示意图；
图6为实施例2中飞轮轴的剖视图；
图中标记：1、系统壳体，2、飞轮转子，3、中心孔，4、飞轮轴，5、磁轴承转子，6、保护轴承，7、冷却液槽，8、进液口，9、进液流道，10、出液流道，11、飞轮，12、电机转子，13、循环孔，14、芯轴，15、叶轮，16、螺旋槽，17、稳定环，18、过液孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
实施例1：参照附图1-4所示，一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，包括系统壳体1、磁轴承、电机转子12、飞轮转子2和飞轮轴4，其中系统壳体1集成了壳体与定子，定子包括了磁轴承定子和电机定子，所述飞轮转子2包括芯轴14和安装在芯轴14上的飞轮11，芯轴14的中心设有下方开口的中心孔3，并在中心孔3内设置有所述的飞轮轴4，飞轮轴4的上端和中心孔3顶部固定连接，以使飞轮转子2旋转时，飞轮轴4可以同步旋转，在芯轴14的上端和下端还分别设有保护轴承6，磁轴承转子5位于保护轴承6的轴向的内侧，所述的电机转子12设置在芯轴14上，并位于飞轮11的上方。所述飞轮轴4为空心轴，飞轮轴4的中空腔为进液流道9，进液流道9的进液口8开口于飞轮轴4的下端面，飞轮轴4的外圆面和所述中心孔3的内壁之间留有间隙，作为冷却液的出液流道10，飞轮轴4的上端设有用以连通进液流道9和出液流道10的循环孔13，循环孔13沿飞轮轴4的周向均匀间隔设置。飞轮轴4的下端从中心孔3中伸出，可以伸入到系统壳体1底部的冷却液槽的液面以下，在飞轮轴4随飞轮转子2高速旋转时，在飞轮轴4内部上下存在压差，使冷却液向上运动，进入进液流道9，然后在达到飞轮轴4顶端时，在离心力作用下经循环孔13被甩入出液流道10，并向下流动，从而对飞轮转子2以及电机转子12等进行降温冷却，吸收热量后的冷却液从出液流道10下方的出液口流出，重新回到冷却液槽中，完成一次冷却循环。
为了更好的引导冷却液进入进液流道9并向上流动，在飞轮轴4下端的进液口位置设置自吸结构，以吸取冷却液进入飞轮轴4。如图3-4所示，本实施例中，采用的自吸结构是在飞轮轴4进液口8位置的内壁上开设螺旋槽16，螺旋槽16沿飞轮轴4的轴向延伸，螺旋槽16的槽型、深度、宽度以及总长度均可以根据实际情况设置，只要能够顺利的将冷却液吸入进液流道9形成稳定连续的液流即可。使用时进液口8处的螺旋槽16可以全部或者部分浸入冷却液的液面以下。
进一步的，还可以将飞轮轴4下端伸入冷却液的部分设置成锥形段，锥形段的小直径端端面开设所述的进液口8。
进一步的，如图3-5所示，在飞轮轴4上靠近出液流道10下端出液口的位置套设一个稳定环17，稳定环17的内缘与飞轮轴4接触，外缘和出液流道10的内壁接触，稳定环17的环面上均布有供冷却液流出的过液孔18。稳定环17的设置可以对飞轮轴4的下端起到支撑的作用，确保转子高速旋转时的稳定。
为了进一步的提高散热冷却的效果，还可以对回流的吸收热量的冷却液进行冷却，以使冷却液再次进入飞轮轴4时，温度降低到冷却液吸收热量之前的水平。因此，在系统壳体1的底部，设置位于冷却液槽下方或周围的冷却通道，冷却通道与外界的冷却装置相连，以实现冷却介质的持续供应。
在使用时，飞轮转子2和飞轮轴4高速旋转，飞轮轴4进液口8内外形成压力差，并在螺旋槽16的引导下，冷却液进入飞轮轴4，沿螺旋槽16流动，在冷却液上升的过程中，冷却液就可以对飞轮转子2以及电机转子12等进行降温，当冷却液到达飞轮轴4顶部后，在离心力作用下，冷却液被甩入出液流道10，在出液流道10内向下流动，对飞轮转子2等进行第二次的冷却，最后经出液口流出进入下方的冷却液槽，进入冷却液槽的冷却液与冷却通道的冷却介质进行热交换，冷却液温度降低，然后在到达进液口8位置时，可以再次被吸入飞轮轴4，进行下一次的冷却循环。
实施例2：本实施例与实施例1的区别仅在于飞轮轴4进液口8处的自吸结构的差异，其他结构均与实施例1相同。如图6所示，本实施例中，自吸结构采用设置在进液口8内的叶轮15，叶轮15的框架安装在进液口8内壁上，叶轮15随飞轮轴4的旋转而旋转，叶轮15的叶片倾斜设置，因此叶轮15旋转后产生泵的作用，将冷却液吸入进液口8形成向上的液流。在使用时，叶轮15的叶片数量、倾斜角度可以根据实际情况确定。与螺旋槽16类似，在使用时，叶轮15全部或部分浸入冷却液的液面以下。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，包括系统壳体、电机转子、磁轴承、飞轮转子和飞轮轴，其特征在于：所述飞轮轴安装在飞轮转子的中心孔中，飞轮轴的顶端固定连接在飞轮转子的中心孔内，飞轮轴的下端伸出飞轮转子的中心孔，伸入系统壳体底部的冷却液槽中，飞轮轴为中空轴，飞轮轴的中空腔为进液流道，进液流道的进液口开口于飞轮轴的下端面，飞轮轴的外圆面和所述中心孔的内壁之间留有间隙，作为冷却液的出液流道，飞轮轴的上端设有用以连通进液流道和出液流道的循环孔。
2.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述飞轮轴下端的进液口设有自吸结构，用于在随飞轮转子旋转过程中将冷却液吸入飞轮轴的进液流道。
3.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述的自吸结构为设置在飞轮轴进液口内壁上的螺旋槽，螺旋槽沿飞轮轴的轴向延伸。
4.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述的自吸结构为设置在飞轮轴进液口处的叶轮，叶轮的叶片相对于水平面倾斜。
5.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述循环孔沿飞轮轴的周向均匀间隔设置。
6.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述系统壳体的底部设有位于冷却液槽下方或周围的冷却通道，冷却通道和外部冷却设备连接。
7.根据权利要求1所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述飞轮转子包括芯轴和安装在芯轴上的飞轮，所述电机转子安装在芯轴上，所述磁轴承设有两个，两个磁轴承的转子分别位于飞轮的轴向两侧、并安装在芯轴上。
8.根据权利要求7所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：在芯轴的上端和下端还分别设有保护轴承，所述磁轴承的转子位于保护轴承的轴向的内侧。
9.根据权利要求7所述的一种使用液冷散热技术的磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述电机转子设置在飞轮的下方或上方。
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