CN114069949A - 储能飞轮和具有其的储能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能飞轮和具有其的储能设备，所述储能飞轮包括壳体、飞轮转子、轴承转子和轴承定子，飞轮转子设置在壳体内，自轴承电机与飞轮转子的上端连接，轴承转子套设在飞轮转子的下端，且轴承转子的下端设有环形转子磁钢，轴承定子位于轴承转子的下端，轴承定子具有朝向轴承转子开口的空腔，轴承转子的下端配合在空腔内，空腔的周面上设有环形定子磁钢，环形定子磁钢的至少部分在上下方向上与环形转子磁钢相对并位于环形转子磁钢的下方，以及环形定子磁钢的至少部分在轴承转子的径向上与环形转子磁钢相对，环形转子磁钢和环形定子磁钢相斥。本发明的储能飞轮的磁轴承数量少，飞轮转子的有效装配空间足，储能密度大，成本低。

Description

储能飞轮和具有其的储能设备

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，具体地，涉及一种储能飞轮和具有其的储能设备。

背景技术

飞轮能量储存系统是一种高效节能惯性储能装置，它采用超高速旋转的飞轮储存能量,并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。基于其比能量高、比功率高、电能和机械能之间的转化效率高、能快速充电、可实现免维护和具有良好的性能价格比等特点，在电动汽车、航空航天、电网调峰、风力发电系统的不间断供电及军事等领域有着广泛的应用前景。然而，相关技术中的储能飞轮结构不合理，储能密度小，零部件数量多，成本高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种储能飞轮，所述储能飞轮的磁轴承数量少，飞轮转子的有效装配空间足，储能密度大，成本低。

本发明的实施例还提出一种储能设备。

本发明实施例的储能飞轮包括:壳体；飞轮转子，所述飞轮转子竖向设置在所述壳体内，且所述飞轮转子相对所述壳体可转动；自轴承电机，所述自轴承电机设于所述壳体内并与所述壳体连接，且所述自轴承电机的电机转子与所述飞轮转子的上端连接；轴承转子和轴承定子，所述轴承转子套设在所述飞轮转子的下端，且所述轴承转子的下端设有沿所述轴承转子的周向延伸的环形转子磁钢，所述轴承定子位于所述轴承转子的下端并与所述壳体连接，所述轴承定子具有朝向所述轴承转子开口的空腔，所述轴承转子的下端配合在所述空腔内，所述空腔的周面上设有沿所述轴承转子的周向延伸的环形定子磁钢，所述环形定子磁钢的至少部分在所述上下方向上与所述环形转子磁钢相对并位于所述环形转子磁钢的下方，以及所述环形定子磁钢的至少部分在所述轴承转子的径向上与所述环形转子磁钢相对，所述环形转子磁钢和所述环形定子磁钢相斥。

本发明实施例的储能飞轮，轴承转子套设在飞轮转子的下端，定子轴承连接在壳体的内底壁上并位于飞轮转子的下方，轴承转子上设有环形转子磁钢，轴承定子上设有环形定子磁钢，且环形定子磁钢的至少部分在上下方向上与环形转子磁钢相对，以及环形定子磁钢的至少部分在轴承转子的径向上与环形转子磁钢相对，由此，环形定子磁钢和环形转子磁钢既可以在上下方向上产生能够平衡飞轮转子和轴承转子的重力的磁性斥力，又可以在轴承转子的径向上产生相对平衡的磁性斥力，以实现本申请的一组轴承转子和轴承定子可同时代替径向磁轴承和轴向磁轴承的目的，即本申请的储能飞轮的磁轴承数量少，成本低，拆装方便，同时磁轴承安装空间占用少，飞轮转子的有效安装空间大，储能飞轮的储能密度大。另外，本申请采用自轴承电机，可以进一步减少轴承数量，优化储能飞轮的结构。

在一些实施例中，所述环形转子磁钢从上到下向内倾斜延伸，以及所述环形定子磁钢从上到下向内倾斜延伸，且所述环形转子磁钢位于所述环形定子磁钢的上方。

在一些实施例中，所述轴承转子的下端具有锥形段，所述锥形段配合在所述空腔内，所述锥形段的外周面为从上到下向内倾斜延伸的倾斜面，所述空腔的周面为从上到下向内延伸的倾斜面，所述锥形段的外周面和所述空腔的周面在第一方向上相对且间隔开，所述第一方向垂直于所述锥形段的外周面，所述环形转子磁钢环设在所述锥形段的外周面上，所述环形定子磁钢环设在所述空腔的周面上。

在一些实施例中，所述环形转子磁钢在所述第一方向上与所述环形定子磁钢正对。

在一些实施例中，所述锥形段的外周面上设有沿其周向延伸的第一环形配合槽，所述环形转子磁钢配合在所述第一环形配合槽内，所述空腔的周面上设有沿其周向延伸的第二环形配合槽，所述环形定子磁钢配合在所述第二环形配合槽内。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括定子磁钢套和转子磁钢套，所述转子磁钢套沿所述轴承转子的周向延伸并配合在所述第一环形配合槽内，所述环形转子磁钢配合在所述转子磁钢套内，所述定子磁钢套沿所述轴承转子的周向延伸并配合在所述第二环形配合槽内。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括转子压环和定子压环，所述转子压环与所述锥形段可拆卸地连接，且所述转子压环可止抵所述转子磁钢套以压紧所述转子磁钢套，所述定子压环与所述轴承定子可拆卸地连接，且所述定子压环可止抵所述定子磁钢套以压紧所述定子磁钢套。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括保护轴承，所述壳体的内顶壁和所述壳体的内底壁的至少一个上设有所述保护轴承，且所述保护轴承与所述飞轮转子同轴并相对所述壳体可转动，所述保护轴承在所述飞轮转子的径向上可止抵所述飞轮转子。

在一些实施例中，所述空腔在所述上下方向上具有相对的第一开口和第二开口，所述轴承转子通过所述第一开口配合在所述空腔内，所述壳体的内地壁上设有朝向所述飞轮转子凸出的凸台，所述飞轮转子的下端面具有向上凹陷的限位槽，所述凸台的上端通过所述第二开口伸入所述空腔并配合在所述限位槽内，所述保护轴承套设在所述凸台的上端，且所述保护轴承与所述限位槽的内壁面在所述飞轮转子的径向上间隔开。

本发明的储能设备包括上述任一实施例所述的储能飞轮。

本发明实施例的储能设备，通过采用上述储能飞轮，设备结构简单，成本低。

附图说明

图1是根据本发明实施例的储能飞轮的结构示意图。

附图标记：

壳体1，凸台11，飞轮转子2，自轴承电机3，电机转子31，轴承转子4，环形转子磁钢41，轴承定子5，环形定子磁钢51，保护轴承6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的储能飞轮包括壳体1、飞轮转子2、自轴承电机3、轴承转子4和轴承定子5。

如图1所示，飞轮转子2竖向设置在壳体1内，且飞轮转子2相对壳体1可转动，自轴承电机3设于壳体1内，且自轴承电机3的电机转子31与飞轮转子2的上端连接。可以理解的是，自轴承电机3可以驱动飞轮转子2转动。另外，相关技术中的飞轮储能装置采用电机和磁轴承的组合方式，利用磁轴承支撑飞轮转子2与电机的连接端，本申请通过采用自轴承电机3，可以减少一组磁轴承，即减少壳体1内零部件数量，节省磁轴承的安装空间占比。

进一步地，如图1所示，轴承转子4套设在飞轮转子2的下端，且轴承转子4的下端设有沿轴承转子4的周向延伸的环形转子磁钢41，轴承定子5位于轴承转子4的下端并与壳体1连接，轴承定子5具有朝向轴承转子4开口的空腔，轴承转子4的下端配合在空腔内，空腔的周面上设有沿轴承转子4的周向延伸的环形定子磁钢51，环形定子磁钢51的至少部分在上下方向上与环形转子磁钢41相对并位于环形转子磁钢41的下方，以及环形定子磁钢51的至少部分在轴承转子4的径向上与环形转子磁钢41相对，环形转子磁钢41和环形定子磁钢51相斥。

可以理解的是，在飞轮转子2竖向设置时，飞轮转子2和轴承转子4自身具有重力，而环形定子磁钢51在上下方向上与环形转子磁钢41相对的部分可以与环形转子磁钢41相斥，以平衡轴承转子4和飞轮转子2的重力，使飞轮转子2在其轴向上保持平衡，即本申请的轴承转子4和轴承定子5起到轴向磁轴承的作用。

进一步地，环形定子磁钢51在飞轮转子2的径向上与环形转子磁钢41相对的部分可以与环形转子磁钢41相斥，以在飞轮转子2的周向上形成相对平衡的力以支撑飞轮转子2，可以理解的是，当飞轮转子2具偏转的趋势时，侧偏的飞轮转子2会带动轴承转子4侧偏，侧偏方向的环形转子磁钢41和环形定子磁钢51的斥力增大，从而可以阻止飞轮转子2偏转，即本申请的轴承转子4和轴承定子5同时起到径向磁轴承的作用。

发明人发现，相关技术中常用的储能飞轮包括径向磁轴承和轴向磁轴承，在应用于设备时，径向磁轴承和轴向磁轴承分别设置，以在飞轮转子的径向和轴向上实现对转子的支撑和平衡，但是，上述方式需要的轴承数量多，存在安装空间占用大，成本高，且安装繁琐的问题。另外，另外，本申请的采用磁钢产生磁力，相较于电磁铁，无须设置控制系统，进一步降低了成本。

而本申请的轴承转子4上设置环形转子磁钢41，轴承定子5上设置环形定子磁钢51，且环形转子磁钢41和环形定子磁钢51既存在上下方向上的磁性斥力，又存在径向上的磁性斥力，即本申请的轴承转子4和轴承定子5同时具备径向磁轴承和轴向磁轴承的作用，从而可以减少磁轴承的数量。换言之，本申请仅需一组轴承转子4和轴承定子5即可代替径向磁轴承和轴向磁轴承。

本发明实施例的储能飞轮，轴承转子套设在飞轮转子的下端，定子轴承连接在壳体的内底壁上并位于飞轮转子的下方，轴承转子上设有环形转子磁钢，轴承定子上设有环形定子磁钢，且环形定子磁钢的至少部分在上下方向上与环形转子磁钢相对，以及环形定子磁钢的至少部分在轴承转子的径向上与环形转子磁钢相对，由此，环形定子磁钢和环形转子磁钢既可以在上下方向上产生能够平衡飞轮转子和轴承转子的重力的磁性斥力，又可以在轴承转子的径向上产生相对平衡的磁性斥力，以实现本申请的一组轴承转子和轴承定子可同时代替径向磁轴承和轴向磁轴承的目的，即本申请的储能飞轮的磁轴承数量少，成本低，拆装方便，同时磁轴承安装空间占用少，飞轮转子的有效安装空间大，储能飞轮的储能密度大。另外，本申请采用自轴承电机，可以进一步减少轴承数量，优化储能飞轮的结构。

优选地，如图1所示，环形转子磁钢41从上到下向内倾斜延伸，以及环形定子磁钢51从上到下向内倾斜延伸，且环形转子磁钢41位于环形定子磁钢51的上方。由此，环形定子磁钢51和环形转子磁钢41之间的磁性斥力朝向斜上方，则该磁性斥力具有竖直方向的分力以用于平衡重力，以及具有水平方向的分力以在转子的径向上形成平衡。

进一步地，如图1所示，轴承转子4的下端具有锥形段，锥形段配合在空腔内，锥形段的外周面为从上到下向内倾斜延伸的倾斜面，空腔的周面为从上到下向内延伸的倾斜面，锥形段的外周面和空腔的周面在第一方向上相对且间隔开，第一方向垂直于锥形段的外周面，环形转子磁钢41环设在锥形段的外周面上，环形定子磁钢51环设在空腔的周面上。

换言之，锥形段的外周面和空腔的周面为相对且倾斜的面，从而便于稳定装配倾斜设置的环形转子磁钢41和环形定子磁钢51。

优选地，如图1所示，环形转子磁钢41在第一方向上与环形定子磁钢51正对。

进一步地，锥形段的外周面上设有沿其周向延伸的第一环形配合槽，环形转子磁钢41配合在第一环形配合槽内，空腔的周面上设有沿其周向延伸的第二环形配合槽，环形定子磁钢51配合在第二环形配合槽内。

进一步地，储能飞轮还包括定子磁钢套和转子磁钢套，转子磁钢套沿轴承转子4的周向延伸并配合在第一环形配合槽内，环形转子磁钢41配合在转子磁钢套内，定子磁钢套沿轴承转子4的周向延伸并配合在第二环形配合槽内。由此，定子磁钢套和转子磁钢套方便容纳环形定子磁钢51和环形转子磁钢41，以便于磁钢的整体拆装，且用于容纳磁钢套的配合槽有利于磁钢套的精准装配，且无须设置复杂的连接件，结构简单。

进一步地，储能飞轮还包括转子压环（未示出）和定子压环（未示出），转子压环与锥形段可拆卸地连接，且转子压环可止抵转子磁钢套以压紧转子磁钢套，定子压环与轴承定子5可拆卸地连接，且定子压环可止抵定子磁钢套以压紧定子磁钢套。

具体地，转子压环设于锥形段的底部，定子压环设于轴承定子5的顶部。由此，定子压环可防止环形定子磁钢51晃动，转子压环可防止环形转子磁钢41晃动。

在一些实施例中，如图1所示，储能飞轮还包括保护轴承6，壳体1的内顶壁和壳体1的内底壁的至少一个上设有保护轴承6，且保护轴承6与飞轮转子2同轴并相对壳体1可转动，保护轴承6在飞轮转子2的径向上可止抵飞轮转子2。由此，保护轴承6可以在环形转子磁钢41和环形定子磁钢51出现失效现象时作为机械轴承，维持飞轮转子2的转动。具体地，飞轮转子2在径向上出现偏转时，保护轴承6可止抵轴承转子4，轴承转子4可带动保护轴承6一同转动。

进一步地，如图1所示，空腔在上下方向上具有相对的第一开口和第二开口，轴承转子4通过第一开口配合在空腔内，壳体1的内地壁上设有朝向飞轮转子2凸出的凸台11，飞轮转子2的下端面具有向上凹陷的限位槽，凸台11的上端通过第二开口伸入空腔并配合在限位槽内，保护轴承6套设在凸台11的上端，且保护轴承6与限位槽的内壁面在飞轮转子2的径向上间隔开。

换言之，保护轴承6和限位槽可实现失效保护，即飞轮转子2出现偏转时，限位槽的内壁可与保护轴承6止抵，凸台11可作为保护轴承6的支撑轴，飞轮转子2可带动保护轴承6绕凸台11转动。

可以理解的是，限位槽的径向尺寸小于飞轮转子2的径向尺寸，相较于保护轴承6配合在飞轮转子2外侧，保护轴承6配合在限位槽内时，飞轮转子2上与保护轴承6的接触面的线速度小，从而使保护轴承6以较小的速度转动，保护轴承6不易磨损，使用寿命长。

本发明实施例的储能设备包括上述实施例所述的储能飞轮。

本发明实施例的储能设备，通过采用上述储能飞轮，设备结构简单，成本低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种储能飞轮，其特征在于，包括:

壳体；

飞轮转子，所述飞轮转子竖向设置在所述壳体内，且所述飞轮转子相对所述壳体可转动；

自轴承电机，所述自轴承电机设于所述壳体内并与所述壳体连接，且所述自轴承电机的电机转子与所述飞轮转子的上端连接；

轴承转子和轴承定子，所述轴承转子套设在所述飞轮转子的下端，且所述轴承转子的下端设有沿所述轴承转子的周向延伸的环形转子磁钢，所述轴承定子位于所述轴承转子的下端并与所述壳体连接，所述轴承定子具有朝向所述轴承转子开口的空腔，所述轴承转子的下端配合在所述空腔内，所述空腔的周面上设有沿所述轴承转子的周向延伸的环形定子磁钢，所述环形定子磁钢的至少部分在上下方向上与所述环形转子磁钢相对并位于所述环形转子磁钢的下方，以及所述环形定子磁钢的至少部分在所述轴承转子的径向上与所述环形转子磁钢相对，所述环形转子磁钢和所述环形定子磁钢相斥。

2.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述环形转子磁钢从上到下向内倾斜延伸，以及所述环形定子磁钢从上到下向内倾斜延伸，且所述环形转子磁钢位于所述环形定子磁钢的上方。

3.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，所述轴承转子的下端具有锥形段，所述锥形段配合在所述空腔内，所述锥形段的外周面为从上到下向内倾斜延伸的倾斜面，所述空腔的周面为从上到下向内延伸的倾斜面，所述锥形段的外周面和所述空腔的周面在第一方向上相对且间隔开，所述第一方向垂直于所述锥形段的外周面，所述环形转子磁钢环设在所述锥形段的外周面上，所述环形定子磁钢环设在所述空腔的周面上。

4.根据权利要求3所述的储能飞轮，其特征在于，所述环形转子磁钢在所述第一方向上与所述环形定子磁钢正对。

5.根据权利要求3所述的储能飞轮，其特征在于，所述锥形段的外周面上设有沿其周向延伸的第一环形配合槽，所述环形转子磁钢配合在所述第一环形配合槽内，所述空腔的周面上设有沿其周向延伸的第二环形配合槽，所述环形定子磁钢配合在所述第二环形配合槽内。

6.根据权利要求5所述的储能飞轮，其特征在于，还包括定子磁钢套和转子磁钢套，所述转子磁钢套沿所述轴承转子的周向延伸并配合在所述第一环形配合槽内，所述环形转子磁钢配合在所述转子磁钢套内，所述定子磁钢套沿所述轴承转子的周向延伸并配合在所述第二环形配合槽内。

7.根据权利要求6所述的储能飞轮，其特征在于，所述储能飞轮还包括转子压环和定子压环，所述转子压环与所述锥形段可拆卸地连接，且所述转子压环可止抵所述转子磁钢套以压紧所述转子磁钢套，所述定子压环与所述轴承定子可拆卸地连接，且所述定子压环可止抵所述定子磁钢套以压紧所述定子磁钢套。

8.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，还包括保护轴承，所述壳体的内顶壁和所述壳体的内底壁的至少一个上设有所述保护轴承，且所述保护轴承与所述飞轮转子同轴并相对所述壳体可转动，所述保护轴承在所述飞轮转子的径向上可止抵所述飞轮转子。

9.根据权利要求8所述的储能飞轮，其特征在于，所述空腔在上下方向上具有相对的第一开口和第二开口，所述轴承转子通过所述第一开口配合在所述空腔内，所述壳体的内地壁上设有朝向所述飞轮转子凸出的凸台，所述飞轮转子的下端面具有向上凹陷的限位槽，所述凸台的上端通过所述第二开口伸入所述空腔并配合在所述限位槽内，所述保护轴承套设在所述凸台的上端，且所述保护轴承与所述限位槽的内壁面在所述飞轮转子的径向上间隔开。

10.一种储能设备，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的储能飞轮。

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