CN114448161A - 一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，包括复合磁悬浮轴承系统、飞轮转子系统、电磁分流阻尼器和电机；所述复合磁悬浮轴承系统用于给飞轮转子系统及其飞轮轴上的附件提供悬浮力和刚度，并保证其稳定悬浮；在稳定悬浮条件下，飞轮转子系统在电机带动下运转，飞轮转子系统运转时产生轴向振动，电磁分流阻尼器阻碍飞轮轴向运动，减弱飞轮轴向振。对高温超导磁悬浮飞轮的轴向振动进行隔振。本发明能够在飞轮无机械接触式的悬浮状态下对飞轮的轴向振动进行隔振。具有非接触，高效率，快速响应等优点。

Description

一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮

技术领域

本发明涉及一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，属于飞轮储能领域。

背景技术

新型能源例如风电和光伏发电具有天然的波动特性，其波动性与用户端电负荷的随机性和简短性相矛盾。随着近年来新能源的大规模开发和利用，电力供需矛盾进一步突出。为减小新能源的天然波动性影响使其与用户端向适应，具备常规电源的调节能力和并网性能，需要引入大容量、快响应、高效率和低成本的先进储能技术。目前大规模电储能以抽水储能为主，各种正在研发的新型储能技术具有良好的应用前景，如飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能、压缩空气储能、锂离子电池、液流电池和钠硫电池储能等。相比较上述其他储能技术，飞轮储能具有比容量大、响应速度快、能量转换效率高、安全无污染等优点。

飞轮储能系统的关键部件轴承可分为接触式机械轴承和非接触式磁悬浮轴承两大类。传统的滚珠轴承、滑动轴承和油膜轴承存在机械接触，使其具有机械磨损、能耗高、噪声大、寿命短和油污染等方面的缺点。磁悬浮轴承是一种运行时不存在机械接触，利用永磁体、超导体或通电线圈实现转子悬浮的新型高性能无接触支承轴承。磁悬浮轴承具有避免物体之间摩擦磨损、延长设备使用寿命、改善设备运行条件、高转速低功耗等优点。

磁悬浮轴承以工作原理进行区分，可分为主动、被动以及混合三种形式。主动式磁悬浮轴承实现转子空间悬浮的电磁力是通过给轴承线圈中通入电流来提供，改变电流大小来控制转子的稳定性，按照控制方式的差异可以分为电流控制型和电压控制型。被动式磁悬浮轴承用于悬浮转子的电磁力由永磁体或者超导体来提供，被动式与主动式相比，因使用永磁体或超导体所产生的磁场来悬浮转子，省去了主动电子控制系统，使其体积减小、功耗降低，并且机械结构简单。混合式磁悬浮轴承在结构中既包含主动式中的电磁铁，还包含被动式中的永磁体或超导体，通过电磁铁产生磁场控制轴承平衡，而偏置磁场仅由永磁体或超导体产生。此外，磁悬浮轴承还可以按照支承形式的差异分为径向式、轴向式及径向与轴向的复合式。径向型超导轴承的定转子采用以主轴为中心轴的环绕布置方式，转子采用层叠方式，层间采用软铁材料聚磁，超导定子也采用多层布置方式，每层由多个超导块拼接成圆环，由导冷良好材料封装，以起到传导冷却和保护的作用。轴向型高温超导轴承的结构特征是定转子均做成碟形或盘型，上下平行放置且两者几何轴线重合，超导定子放置在低温杜瓦中，永磁转子与轴相连。

高温超导径向磁悬浮轴承内含有采用高温超导材料，其悬浮力和永磁体位置、速度和历史位移有关。首先由于飞轮整体的制造工艺问题，飞轮运转时飞轮主轴偏心不可避免。其次由于充磁设备的问题，出现永磁体的磁化中心和飞轮旋转中心不完全重合问题。最终飞轮总体运转时，由于永磁体偏心，导致飞轮系统悬浮力变化产生轴向振动。飞轮轴向振动引起电机转子相对定子位置变化，使电机的性能下降。为减弱飞轮轴向振动需要提供一种非接触式高温超导磁悬浮飞轴向振动的隔振装置。

发明内容

本发明目的是提供一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，对高温超导磁悬浮飞轮的轴向振动进行隔振。本发明能够在飞轮无机械接触式的悬浮状态下对飞轮的轴向振动进行隔振。具有非接触，高效率，快速响应等优点。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，包括复合磁悬浮轴承系统、飞轮转子系统、电磁分流阻尼器和电机；

所述复合磁悬浮轴承系统用于给飞轮转子系统及其飞轮轴上的附件提供悬浮力和刚度，并保证其稳定悬浮；

在稳定悬浮条件下，飞轮转子系统在电机带动下运转，飞轮转子系统运转时产生轴向振动，电磁分流阻尼器阻碍飞轮轴向运动，减弱飞轮轴向振。

所述飞轮转子系统包括飞轮底座，飞轮底座的顶部固定有高温超导磁悬浮飞轮支架，高温超导磁悬浮飞轮支架之间垂直安装有飞轮轴，飞轮轴的顶端通过联轴器与电机的主轴传动相连；飞轮轴上安装有飞轮；电机固定在高温超导磁悬浮飞轮支架的顶部。

所述电磁分流阻尼器包括固定在飞轮轴上的轴向充磁永磁体、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架上的电磁阻尼器线圈和外部电路；

在飞轮轴向振动状态下，轴向充磁永磁体随着飞轮转子系统轴向振动，使电磁阻尼器线圈内部磁通量变化，产生电势，利用外部电路消耗飞轮振动的能量，衰减飞轮振动。

所述外部电路包括电阻和电容；电阻和电容和电磁阻尼器线圈共同组成RLC谐振电路，其品质因数为Q；外部振动频率和谐振电路固有频率相近时，相比于在RL电路中电流为I，RLC谐振电路中通过电阻的电流为Q•I，电阻能量消耗增加为Q²倍。

所述复合磁悬浮轴承系统包括两组高温超导径向磁悬浮轴承和永磁轴向轴承。

所述高温超导径向磁悬浮轴承包括安装在飞轮转子轴承上的辐射充磁永磁体阵列、永磁体垫子、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架上的低温薄壁杜瓦和安装在低温薄壁杜瓦内的高温超导块。

所述高温超导块在低温薄壁杜瓦内的具体安装方式为：

高温超导块绕环形低温薄壁杜瓦中心轴均匀分布；

高温超导块的C轴朝向低温薄壁杜瓦中心线。

所述低温薄壁杜瓦的顶部设置有液氮进入口和液氮杜瓦出气孔，在杜瓦真空腔室填充有液氮；在冷却过程中，辐射充磁永磁体阵列水平对称轴和高温超导块的C轴在同一平面；冷却完成时，辐射充磁永磁体阵列缓慢下降直至稳定悬浮。

所述利用两套高温超导径向磁悬浮轴承对转子提供飞轮的悬浮力和刚度，并保证其稳定性。

所述永磁轴向轴承包括飞轮转子轴承上的上端永磁轴向轴承永磁体和固定在飞轮底座上的下端永磁轴向轴承永磁体，用于提高高温超导径向磁悬浮轴承的承载力。

本发明有如下有益效果：

1、本发明的飞轮转子系统及安装在飞轮轴上的附件均与飞轮定子外壳壳体无机械连接，能有效减小机械损耗和疲劳破坏。

2、本发明能够有效利用线圈匝数，提高线圈的利用率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种高温超导磁悬浮飞轮及其轴向振动的隔振装置原理图。

图2是高温超导径向磁悬浮轴承主剖示图。

图3是高温超导径向磁悬浮轴承俯剖示图。

图4是电磁分流阻尼器示意图。

图中：1、电机；2、联轴器；3、高温超导径向磁悬浮轴承；4、螺钉锁定挡圈；5、飞轮；6、轴向充磁永磁体；7、电磁阻尼器线圈；8、飞轮轴；9、上端永磁轴向轴承永磁体；10、下端永磁轴向轴承永磁体；11、飞轮底座；12、高温超导磁悬浮飞轮支架；13、液氮杜瓦出气孔；14、液氮进入口；15、氮气出口；16、杜瓦真空腔室；17、永磁体垫片；18、高温超导块；19、辐射充磁永磁体阵列；20永磁体紧固螺母；21、电容；22、电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，包括复合磁悬浮轴承系统、飞轮转子系统、电磁分流阻尼器和电机1；所述复合磁悬浮轴承系统用于给飞轮转子系统及其飞轮轴8上的附件提供悬浮力和刚度，并保证其稳定悬浮；在稳定悬浮条件下，飞轮转子系统在电机1带动下运转，飞轮转子系统运转时产生轴向振动，电磁分流阻尼器阻碍飞轮5轴向运动，减弱飞轮5轴向振。具体工作过程中，复合磁悬浮轴承系统是由上下两个高温超导径向磁悬浮轴承和安装在飞轮支架上的永磁轴向轴承组成。高温超导径向磁悬浮轴承用于提供飞轮运转过程中的悬浮力和刚度，保证飞轮运转的稳定性。永磁轴向轴承用于提高高温超导径向磁悬浮轴承承载力。飞轮转子系统通过电机将外界的能量转化为转子系统的机械能。电机用来将转子的动能转化为电能。电磁分流阻尼器用于向轴向隔振提供阻尼。

进一步的，所述飞轮转子系统包括飞轮底座11，飞轮底座11的顶部固定有高温超导磁悬浮飞轮支架12，高温超导磁悬浮飞轮支架12之间垂直安装有飞轮轴8，飞轮轴8的顶端通过联轴器2与电机1的主轴传动相连；飞轮轴8上安装有飞轮5；电机1固定在高温超导磁悬浮飞轮支架12的顶部。通过上述的飞轮转子系统主要用于将外界的能量转化为转子系统的机械能，进而再将机械能转化为电能。工作过程中，通过飞轮5驱动飞轮轴8，通过飞轮轴8驱动联轴器2，通过联轴器2同步带动电机1，再由电机1将机械能转化为电能。

进一步的，所述电磁分流阻尼器包括固定在飞轮轴8上的轴向充磁永磁体6、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架12上的电磁阻尼器线圈7和外部电路；在飞轮轴向振动状态下，轴向充磁永磁体6随着飞轮转子系统轴向振动，使电磁阻尼器线圈7内部磁通量变化，产生电势，利用外部电路消耗飞轮5振动的能量，衰减飞轮振动。通过电磁分流阻尼器能够用于减少飞轮轴8在转动过程中轴向振动，起到很好的隔振效果；通过使用电磁分流阻尼器能有效提高线圈的利用效率。

进一步的，所述外部电路包括电阻22和电容21；电阻22和电容21和电磁阻尼器线圈7共同组成RLC谐振电路，其品质因数为Q；外部振动频率和谐振电路固有频率相近时，相比于在RL电路中电流为I，RLC谐振电路中通过电阻的电流为Q•I，电阻能量消耗增加为Q²倍。通过使用电磁分流阻尼器能有效提高线圈的利用效率。通过使用电磁分流阻尼器能有效提高线圈的利用效率。

进一步的，所述复合磁悬浮轴承系统包括两组高温超导径向磁悬浮轴承3和永磁轴向轴承。

进一步的，所述高温超导径向磁悬浮轴承3包括安装在飞轮转子轴承上的辐射充磁永磁体阵列19、永磁体垫子17、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架12上的低温薄壁杜瓦和安装在低温薄壁杜瓦内的高温超导块18。

进一步的，所述高温超导块18在低温薄壁杜瓦内的具体安装方式为：高温超导块18绕环形低温薄壁杜瓦中心轴均匀分布；高温超导块18的C轴朝向低温薄壁杜瓦中心线。

进一步的，所述低温薄壁杜瓦的顶部设置有液氮进入口14和液氮杜瓦出气孔13，在杜瓦真空腔室16填充有液氮15；在冷却过程中，辐射充磁永磁体阵列19水平对称轴和高温超导块18的C轴在同一平面；冷却完成时，辐射充磁永磁体阵列19缓慢下降直至稳定悬浮。

进一步的，所述利用两套高温超导径向磁悬浮轴承3对转子提供飞轮的悬浮力和刚度，并保证其稳定性。

进一步的，所述永磁轴向轴承包括飞轮转子轴承上的上端永磁轴向轴承永磁体9和固定在飞轮底座11上的下端永磁轴向轴承永磁体10，用于提高高温超导径向磁悬浮轴承3的承载力。

Claims (10)

1.一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，包括复合磁悬浮轴承系统、飞轮转子系统、电磁分流阻尼器和电机（1）；

所述复合磁悬浮轴承系统用于给飞轮转子系统及其飞轮轴（8）上的附件提供悬浮力和刚度，并保证其稳定悬浮；

在稳定悬浮条件下，飞轮转子系统在电机（1）带动下运转，飞轮转子系统运转时产生轴向振动，电磁分流阻尼器阻碍飞轮（5）轴向运动，减弱飞轮（5）轴向振。

2.根据权利要求1所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述飞轮转子系统包括飞轮底座（11），飞轮底座（11）的顶部固定有高温超导磁悬浮飞轮支架（12），高温超导磁悬浮飞轮支架（12）之间垂直安装有飞轮轴（8），飞轮轴（8）的顶端通过联轴器（2）与电机（1）的主轴传动相连；飞轮轴（8）上安装有飞轮（5）；电机（1）固定在高温超导磁悬浮飞轮支架（12）的顶部。

3.根据权利要求1所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述电磁分流阻尼器包括固定在飞轮轴（8）上的轴向充磁永磁体（6）、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架（12）上的电磁阻尼器线圈（7）和外部电路；

在飞轮轴向振动状态下，轴向充磁永磁体（6）随着飞轮转子系统轴向振动，使电磁阻尼器线圈（7）内部磁通量变化，产生电势，利用外部电路消耗飞轮（5）振动的能量，衰减飞轮振动。

4.根据权利要求3所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述外部电路包括电阻（22）和电容（21）；电阻（22）和电容（21）和电磁阻尼器线圈（7）共同组成RLC谐振电路，其品质因数为Q；外部振动频率和谐振电路固有频率相近时，相比于在RL电路中电流为I，RLC谐振电路中通过电阻的电流为Q•I，电阻能量消耗增加为Q²倍。

5.根据权利要求1所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述复合磁悬浮轴承系统包括两组高温超导径向磁悬浮轴承（3）和永磁轴向轴承。

6.根据权利要求1所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述高温超导径向磁悬浮轴承（3）包括安装在飞轮转子轴承上的辐射充磁永磁体阵列（19）、永磁体垫子（17）、固定在高温超导磁悬浮飞轮支架（12）上的低温薄壁杜瓦和安装在低温薄壁杜瓦内的高温超导块（18）。

7.根据权利要求6所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述高温超导块（18）在低温薄壁杜瓦内的具体安装方式为：

高温超导块（18）绕环形低温薄壁杜瓦中心轴均匀分布；

高温超导块（18）的C轴朝向低温薄壁杜瓦中心线。

8.根据权利要求7所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述低温薄壁杜瓦的顶部设置有液氮进入口（14）和液氮杜瓦出气孔（13），在杜瓦真空腔室（16）填充有液氮（15）；在冷却过程中，辐射充磁永磁体阵列（19）水平对称轴和高温超导块（18）的C轴在同一平面；冷却完成时，辐射充磁永磁体阵列（19）缓慢下降直至稳定悬浮。

9.根据权利要求5所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述利用两套高温超导径向磁悬浮轴承（3）对转子提供飞轮的悬浮力和刚度，并保证其稳定性。

10.根据权利要求5所述一种具有轴向轴向振动隔振功能的高温超导磁悬浮飞轮，其特征在于，所述永磁轴向轴承包括飞轮转子轴承上的上端永磁轴向轴承永磁体（9）和固定在飞轮底座（11）上的下端永磁轴向轴承永磁体（10），用于提高高温超导径向磁悬浮轴承（3）的承载力。

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