CN114915089A - 一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，包括机壳，机壳内维持真空；飞轮转子，位于机壳内部绕中心轴线转动，上表面设有圆心位于中心轴线上的环形凹槽，凹槽沿飞轮转子轴线方向延伸至飞轮转子内部的设定深度形成空腔；定子组件，包括位于空腔内的定子铁芯和连接在定子铁芯上的定子绕组。在飞轮转子的表面设置环形凹槽下陷至飞轮转子内部形成空腔，空腔容纳永磁体组件和定子组件，进而形成位于空腔中的径向磁通永磁电机，使电机中的转子和定子在轴向方向重合一部分，即缩小了飞轮外径，同时缩短了主轴长度，使飞轮结构更为紧凑，提高功率密度的同时提升飞轮转子的动态稳定性。

Description

一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置
技术领域
本发明涉及储能飞轮技术领域，具体为一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
以太阳能、风能为代表的的新能源发电清洁环保，但始终存在发电侧波动问题，会对电网造成间歇性冲击，同时并网过程中引入的大量电力电子设备也极大影响电力系统的稳定性。因此，现有的太阳能电站、风电场往往需要配套抽水蓄能电站、电化学储能装置或储能飞轮系统，从而平抑电网波动，稳定电能输出。
储能飞轮系统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，具有高功率密度、长寿命的特点。现有技术中的储能飞轮为了给电机、轴承等部件提供安装空间，会延长主轴的长度，尤其是使用径向电机时，主轴延伸更为明显，而储能飞轮的转子工作转速相对极高的状态，主轴延长的方式使转子呈现相对不紧凑的结构，不利于转子的动态稳定性。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，在飞轮转子的表面设置环形凹槽下陷至飞轮转子内部形成空腔，空腔容纳永磁体组件和定子组件，进而形成位于空腔中的径向磁通永磁电机，使电机中的转子和定子在轴向方向重合一部分，即缩小了飞轮外径，同时缩短了主轴长度，使飞轮结构更为紧凑，提高功率密度的同时提升飞轮转子的动态稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，包括：
机壳，机壳内维持真空；
飞轮转子，位于机壳内部绕中心轴线转动，上表面设有圆心位于中心轴线上的环形凹槽，凹槽沿飞轮转子轴线方向延伸至飞轮转子内部的设定深度形成空腔；
定子组件，包括位于空腔内的定子铁芯和连接在定子铁芯上的定子绕组。
飞轮转子的空腔内柱面连接绝缘磁障，空腔外柱面上连接永磁体组件。
空腔靠近飞轮转子轴线的壁面连接绝缘磁障，空腔远离飞轮转子轴线的壁面连接永磁体组件，定子铁芯位于绝缘磁障和永磁体组件之间，定子铁芯、绝缘磁障和永磁体组件之间均具有间隙。
永磁体组件包括以飞轮转子中心轴线沿周向或轴向均匀布置的多个永磁体块，每一个永磁体块通过护圈连接在永磁基座上。
定子绕组连接在定子铁芯顶部，定子绕组与飞轮转子的上表面具有间隙。
飞轮转子连接主轴，主轴穿过飞轮转子和定子铁芯的中心轴线，定子铁芯通过连接组件固定在机壳的顶盖上。
主轴两端分别连接主动径向磁轴承，提供径向悬浮力，磁轴承定子固定在机壳的内壁上，磁轴承转子与主轴连接。
主动径向磁轴承包括主动磁轴承铁芯和主动磁轴承绕组。
飞轮转子下表面设有被动磁轴承，被动磁轴承连接在飞轮转子下表面和机壳底座上，提供轴向悬浮力。
被动轴向磁轴承包括上下布置的被动磁轴承基座和HALBACH磁极阵列。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、定子安装在飞轮转子的空腔中，配合同样位于空间中管道永磁体组件形成径向磁通永磁电机，使飞轮转子和定子铁芯在中心轴线上重合一部分，相较传统外转子永磁电机在储能飞轮中的转子中空方案，即缩小了飞轮外径又缩短了主轴长度，使飞轮结构更为紧凑，提高了功率密度和飞轮的动态稳定性。
2、永磁体组件被安装在空腔的外圆柱面上，在高转速时，离心力作用使永磁体被按压在空腔的外圆柱面上，转速越高，固定越稳固，同时配合框住永磁体的护圈从而避免位移。
3、永磁体组件中，多个永磁体分块进一步分散了高速旋转时的弯曲应力，极大提高了系统安全性。
4、被动磁轴承中使用HALBACH磁极排列方案，通过较少的永磁体用量便可获得高磁密，同时有效减小了背磁材料厚度。
5、通过设置或绝缘磁障，减小或避免了定子轭部漏磁在转子空腔内壁上造成的铁损；通过永磁体分块设计，削弱了气隙谐波在永磁体中的涡流效应，极大降低了涡流损耗。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的储能飞轮内部结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的储能飞轮爆炸结构示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的外转子永磁同步电机定子固定方式示意图；
图中：1机壳、2飞轮转子、3定子铁芯、4定子绕组、5永磁体组件、6绝缘磁障、7被动磁轴承、8上主动磁轴承、8-1上主动磁轴承铁芯、8-2上主动磁轴承绕组、9下主动磁轴承、9-1下主动磁轴承铁芯、9-2下主动磁轴承绕组、10连接臂。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，现有技术中的储能飞轮为了给电机、轴承等部件提供安装空间，会延长主轴的长度，尤其是使用径向电机时，主轴延伸更为明显，而储能飞轮的转子工作转速相对极高的状态，主轴延长的方式使转子呈现相对不紧凑的结构，不利于转子的动态稳定性。
因此以下实施例给出一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，在飞轮转子的表面设置环形凹槽下陷至飞轮转子内部形成空腔，空腔容纳永磁体组件和定子组件，进而形成位于空腔中的径向磁通永磁电机，使电机中的转子和定子在轴向方向重合一部分，即缩小了飞轮外径，同时缩短了主轴长度，使飞轮结构更为紧凑，提高功率密度的同时提升飞轮转子的动态稳定性。
实施例一：
如图1-3所示，一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，包括：
机壳1，机壳内维持真空，减小风阻摩擦；
飞轮转子2，位于机壳1内部绕中心轴线转动，上表面设有圆心位于中心轴线上的环形凹槽，凹槽沿飞轮转子2轴线方向延伸至飞轮转子2内部的设定深度形成空腔；
定子组件，包括位于空腔内的定子铁芯3和连接在定子铁芯3上的定子绕组4。
飞轮转子2的空腔内柱面连接绝缘磁障6，空腔外柱面上连接永磁体组件5。
本实施例中，飞轮转子2上表面沿轴向开环形凹槽，下陷到飞轮转子2内部的设定深度后形成空腔，用于安放永磁体、定子和磁障，径向由内至外分别为飞轮转子2、绝缘磁障6、定子铁芯3、永磁体组件5、飞轮转子2。
其中，如图2-3所示，空腔靠近飞轮转子2轴线的壁面(内柱面)连接绝缘磁障6，空腔远离飞轮转子2轴线的壁面(外柱面)连接永磁体组件5，定子铁芯3位于绝缘磁障6和永磁体组件5之间，形成位于空腔中的径向磁通永磁电机，使径向磁通永磁电机中的转子和定子在轴向方向重合一部分，相较传统外转子永磁电机在储能飞轮中的转子中空方案，即缩小了飞轮外径，同时缩短了主轴长度，使飞轮结构更为紧凑，提高功率密度的同时提升飞轮转子2的动态稳定性。
本实施例中，永磁体组件5安装在空腔的外柱面上，在高转速时，离心力作用使永磁体被按压在远离飞轮转子2轴线的壁面上，转速越高，固定越稳固。
永磁体组件5包括以飞轮转子中心轴线沿周向或轴向均匀布置的多个永磁体块，每一个永磁体块通过护圈连接在永磁基座上。
本实施例中，永磁体组件5包括数块交替径向充磁的永磁体和其固定基座，各部件组装后，再整体装配在飞轮转子空腔朝向外侧的内壁上，作为外转子结构。
本实施例中，永磁体基座使用铁磁材料，从而建立磁路，护圈则使用非铁磁材料，避免漏磁，护圈防止飞轮转子2运行时永磁体块发生移动。
本实施例中，绝缘磁障6可以使用玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂等非导磁材料中的至少一种，避免定子轭部漏磁造成的额外损耗。
本实施例中，绝缘磁障6可以被替换为硅钢叠环，用于减小轭部漏磁造成的铁芯损耗。
本实施例中，机壳1包括基座、壳壁、壳盖三部分，装配过程中依次组装磁轴承转子、电机等部件。
定子绕组4连接在定子铁芯3顶部，定子绕组4与飞轮转子的上表面具有间隙。
本实施例中，飞轮转子2的空腔中为定子绕组4端部预留出内部空间，定子绕组4与飞轮转子2无接触。
飞轮转子2连接主轴，主轴穿过飞轮转子2和定子铁芯3的中心轴线，定子铁芯3在其轭部安装连接组件，通过连接组件固定在机壳1顶盖上。
本实施例中，定子铁芯3安装连接组件后，还可通过在端部以上设置横梁，固定在机壳1的壳壁上。
主轴两端分别连接主动径向磁轴承，提供径向悬浮力，磁轴承定子固定在机壳1的内壁上，磁轴承转子与主轴连接。
本实施例中，径向主动磁轴承为永磁偏置磁轴承、无永磁偏置磁轴承的一种或组合。
本实施例中，如图2所示，主动径向磁轴承包括上主动径向磁轴承8和下主动径向磁轴承9，上主动径向磁轴承8包括上主动磁轴承铁芯8-1和上主动磁轴承绕组8-2两部分，下主动径向磁轴承9包括下主动磁轴承铁芯9-1和下主动磁轴承绕组9-2两部分。其中，主动磁轴承铁芯发挥磁轴承定子的作用，主动磁轴承绕组发挥磁轴承转子的作用。
飞轮转子2下表面设有被动磁轴承7，被动磁轴承7连接在飞轮转子2下表面和机壳1底座上，提供轴向悬浮力。
本实施例中，如图2所示，被动轴向磁轴承7包括上下布置的被动磁轴承基座7-1和HALBACH磁极阵列7-2，永磁块(磁极)呈HALBACH结构排列，基座使用铁磁材料。
HALBACH磁极阵列，指海尔贝克阵列(Halbach Array)是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。
本实施例中，飞轮转子2悬浮于轴向被动磁轴承7上，并通过两组径向的主动磁轴承8和9动态调整偏移，材质为铁磁材料，以建立磁轴承磁路，从而使被动轴向磁轴承提供轴向悬浮力，主动径向磁轴承维持径向位置稳定。
如图3所示，外转子永磁同步电机的定子铁芯3位于空腔中的永磁体组件5与绝缘磁障6之间，连接组件(连接臂10)一端固定在定子铁芯3的定子轭部上，另一端固定在机壳1上。
连接臂10紧贴定子绕组4，可以将定子铁芯3及定子绕组4的热量传导至机壳1，完成辅助散热。
在连接臂10中留出槽空间用于铺设水冷管道，将电机热量引出至机壳1，从而增强散热效果。
上述结构改善了储能飞轮的安装工艺和结构组成。通过设置转子空腔，将径向磁通永磁电机安装在空腔中，极大缩短了主轴长度；相较传统外转子永磁电机在储能飞轮中的转子中空方案，有效缩小了飞轮外径，同时使飞轮结构更为紧凑，提高了功率密度和飞轮的动态稳定性；被动磁轴承中使用HALBACH磁极排列方案，通过较少的永磁体用量便可获得高磁密，同时有效减小了背磁材料厚度。
多处优化设计降低自损耗从而提高储能效率。通过设置硅钢叠环或绝缘磁障，减小或避免了定子轭部漏磁在转子空腔内壁上造成的铁损；通过永磁体分块设计，削弱了气隙谐波在永磁体中的涡流效应，极大降低了涡流损耗。
解决了电机转子部分的强度问题。永磁体组件被安装在空腔的外圆柱面上，在高转速时，离心力作用使永磁体被按压在外圆柱面上，转速越高，固定越稳固。同时设置护圈框住永磁体，避免位移。此外永磁体分块进一步分散了高速旋转时的弯曲应力，极大提高了系统安全性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：包括：
机壳，机壳内维持真空；
飞轮转子，位于机壳内部绕中心轴线转动，上表面设有圆心位于中心轴线上的环形凹槽，凹槽沿飞轮转子轴线方向延伸至飞轮转子内部的设定深度形成空腔；
定子组件，包括位于空腔内的定子铁芯和连接在定子铁芯上的定子绕组。
2.如权利要求1所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述飞轮转子的空腔内柱面连接绝缘磁障，空腔外柱面上连接永磁体组件。
3.如权利要求1所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述空腔靠近飞轮转子轴线的壁面连接绝缘磁障，空腔远离飞轮转子轴线的壁面连接永磁体组件，定子铁芯位于绝缘磁障和永磁体组件之间，定子铁芯、绝缘磁障和永磁体组件之间均具有间隙。
4.如权利要求2所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述永磁体组件包括以飞轮转子中心轴线沿周向或轴向均匀布置的多个永磁体块，每一个永磁体块通过护圈连接在永磁基座上。
5.如权利要求1所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述定子绕组连接在定子铁芯顶部，定子绕组与飞轮转子的上表面具有间隙。
6.如权利要求1所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述飞轮转子连接主轴，主轴穿过飞轮转子和定子铁芯的中心轴线，定子铁芯通过连接组件固定在机壳的顶盖上。
7.如权利要求6所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述主轴两端分别连接主动径向磁轴承，提供径向悬浮力，磁轴承定子固定在机壳的内壁上，磁轴承转子与主轴连接。
8.如权利要求7所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述主动径向磁轴承包括主动磁轴承铁芯和主动磁轴承绕组。
9.如权利要求1所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述飞轮转子下表面设有被动磁轴承，被动磁轴承连接在飞轮转子下表面和机壳的底座上，提供轴向悬浮力。
10.如权利要求9所述的一种基于外转子永磁同步电机的储能飞轮装置，其特征在于：所述被动轴向磁轴承包括上下布置的被动磁轴承基座和HALBACH磁极阵列。
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