CN116505707B - 一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其中，包括金属壳体和一体式飞轮转轴，一体式飞轮转轴由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；高速永磁电机同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机的电机永磁体固定于上轴伸段表面，高速永磁电机的其余部分固定于金属壳体内壁；上径向磁轴承同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；下径向磁轴承同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；轴向磁轴承的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁。本发明自身损耗低、散热效果好。
Description
技术领域
本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统。
背景技术
飞轮储能是一种通过高速电机带动飞轮转子高速旋转将外界电网多余电能快速转化为机械能存储起来，在电网电能不足时再通过高速电机将存储的机械能快速转化为电能对外输出的一种新型机械储能方式，具有绿色无污染、安全可靠、循环寿命长的优点。
目前的飞轮储能产品多采用全机械支撑方式或半机械支撑方式，由于存在机械摩擦，待机损耗很大；而一些采用电磁全悬浮支撑的飞轮产品也存在总体电磁损耗偏大，特别是转子损耗偏高等问题，由于全悬浮飞轮转子处于真空环境中散热极为不便，不利于飞轮系统在高负荷状态下长时稳定运行。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，适用于高转速、大功率应用场合，具有自身损耗低、散热效果好的特点，尤其是转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
本发明采用的技术方案是：一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，包括金属壳体以及由下到上依次布置在金属壳体内部的下径向磁轴承、一体式飞轮转轴、轴向磁轴承、高速永磁电机、和上径向磁轴承，且下径向磁轴承和上径向磁轴承结构相同；其中，所述一体式飞轮转轴包括由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；所述金属壳体内部为真空状态；
高速永磁电机同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机的电机永磁体固定于上轴伸段表面，高速永磁电机的其余部分固定于金属壳体内壁；
上径向磁轴承同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；
下径向磁轴承同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；
轴向磁轴承的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁；储能轮毂作为轴向磁轴承的转子。
上述技术方案中，下径向磁轴承包括两个径向磁轴承转子铁心、两个径向磁轴承定子铁心、两个径向磁轴承导磁套、一个环形径向磁轴承永磁体和一个环形非导磁的径向磁轴承隔磁套；
径向磁轴承隔磁套的一侧面与金属壳体的内壁固定连接，另一侧面与径向磁轴承导磁套和环形径向磁轴承永磁体固定连接；环形径向磁轴承永磁体夹在两个径向磁轴承导磁套中间，三者轴向布置，充磁方向为轴向，产生径向磁轴承偏置磁场；两个径向磁轴承定子铁心分别固定于两个径向磁轴承导磁套内侧；径向磁轴承定子铁心上布置有励磁线圈。
上述技术方案中，所述轴向磁轴承包括轴向磁轴承定子铁心、轴向磁轴承永磁体、轴向磁轴承极靴、轴向磁轴承外环励磁线圈和轴向磁轴承内环励磁线圈；所述轴向磁轴承定子铁心上表面与金属壳体固定连接；轴向磁轴承定子铁心下表面设置有内外两个圆环凹槽，分别放置有轴向磁轴承外环励磁线圈和轴向磁轴承内环励磁线圈；轴承定子铁心下表面设置有轴向磁轴承永磁体，轴向磁轴承永磁体下部安装有轴向磁轴承极靴，磁轴承永磁体为轴向充磁；轴向磁轴承极靴与储能轮毂之间存在轴向磁轴承气隙。
上述技术方案中，所述高速永磁电机包括由内到外依次分布的一体式飞轮转轴、表贴于一体式飞轮转轴上轴伸段的电机转子永磁体和电机定子铁心；电机定子铁心固定于金属壳体内壁；电机定子铁心上套装有电机绕组。
上述技术方案中，电机转子永磁体在轴向上采用分段结构，段与段之间由绝缘涂层隔开，电机转子永磁体在圆周方向上每极由多块圆弧形组成，采用Halbach充磁方式；电机转子永磁体的内表面胶粘接在一体式飞轮转轴表面，外表面采用电机转子复合材料缠绕预紧；电机定子铁心采用低损耗超薄硅钢片叠压而成。
上述技术方案中，金属壳体通过由下至上同轴固定设置的飞轮底座、下壳体、上壳体和顶盖组装而成，各组装面上设置有相互配合的密封槽和多个密封圈，并通过螺栓锁紧形成冗余密封；下径向磁轴承与一体式飞轮转轴的储能轮毂和下轴伸段设置于下壳体内；体式飞轮转轴的下轴伸段、高速永磁电机和上径向磁轴承设置于上壳体；轴向磁轴承固定于上壳体的底面。
上述技术方案中，下壳体底部设置有下保护轴承，下保护轴承套接于一体式飞轮转轴下轴伸段的末端；上壳体顶部设置有上保护磁轴承，上保护轴承套接于一体式飞轮转轴上轴伸段的顶端；上保护轴承和下保护轴承的轴承形式为双列角接触轴承或无油润滑轴承。
上述技术方案中，下壳体的内面喷涂有吸热涂层；下壳体与外接真空泵相连通；下壳体的外表面设置沿圆周布置的纵向散热筋。
上述技术方案中，上壳体中部设置有冷却水套；所述冷却水套设置于电机定子铁心和上壳体的内壁之间；上壳体内部的各部件定子部分采用热固化的导热胶填充间隙。
上述技术方案中，下径向磁轴承的径向磁轴定子铁心和径向磁轴转子铁心均采用低损耗超薄硅钢片沿轴向叠压而成；径向磁轴承转子铁心不开槽，径向磁轴承定子铁心开设有四个半闭口槽；径向磁轴承定子铁心和径向磁轴转子铁心之间设置有气隙。
本发明的有益效果是：提出了一种适用于高转速、大功率应用场合的全悬浮飞轮储能系统，该飞轮系统具有自身损耗低、散热效果好的特点，尤其是转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
进一步，金属壳体设置有多道密封结构，可以确保金属飞轮壳体内腔具有良好的真空保压能力；在下壳体的壁上开设通道与外接真空泵相连，真空泵可动态维持金属飞轮壳体内腔的真空度，使高速飞轮转子的风摩损耗近似为零。
进一步地，一体式飞轮转轴由导磁金属锻件锻造而成，中部为储能轮毂，储能轮毂的上表面为水平圆环面，用作轴向磁轴承的吸（推）力盘，储能轮毂下部的轴用于安装下径向磁轴承转子铁心，储能轮毂上部的轴用于粘贴高速电机永磁体，电机永磁体上部的轴用于安装上径向轴承转子铁心，使得全悬浮飞轮储能系统的转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
进一步地，上壳体内面安装水冷机套，电机定子铁心外圆套装于水冷套内面，增强了电机定子侧的散热能力；上径向磁轴承定子、电机定子、轴向磁轴承定子均安装于上壳体内侧，并采用热固化的导热胶灌填各间隙，导热胶有效提升了上壳体内腔各定子部件的对外散热能力，适用于大功率飞轮电机。
进一步地，所述上下径向磁轴承结构相同，径向磁轴承隔磁套置于径向磁轴承最外侧，采用非导磁材料，确保径向磁轴承的永磁体磁通不漏到机壳上，提高承载力密度。
进一步地，飞轮下壳体内壁上喷涂辅助吸热的涂层材料，转子上积累的热量传递到飞轮储能轮毂后，通过其巨大的外表面对下壳体辐射散热，吸热涂层可以有效提升转子散热能力，并将热量传导到下壳体外部。
进一步地，飞轮下壳体外表面设置散热筋；一方面可增加散热面积提升散热能力，另一方面可以提升下壳体的机械强度，尤其下壳体内腔主要用于容纳储能轮毂，可有效提升安全性。
进一步地，电机转子永磁体在圆周方向上采用表贴式结构，每极由4块或者6块不同充磁方向的永磁组成，由此可以保证气隙磁密分布有很高的正弦度，电机定子铁耗也可得到较好的抑制；各永磁体先用胶粘接在导磁转轴表面，外部再由高强度复合材料护套缠绕，由此可以保证电机转子安全可靠地高速旋转，而且在护套上不产生电磁损耗。
进一步地，电机转子永磁体在轴向上进行分段，各段表面喷涂上绝缘涂层；所述分段永磁体可在轴向粘接成一体后再充磁；通过所述永磁轴向分段可以极大地降低电机定子齿槽谐波和驱动电机的PWM电流高频谐波在转子永磁体上产生的涡流损耗。
进一步地，电机定子铁心采用超薄低损耗硅钢片叠压而成，以减小电机定子铁耗。
进一步地，轴向磁轴承通过其环状永磁体产生的吸力抵消飞轮转轴的重力，使得飞轮转子在轴向上处于悬浮状态；在飞轮转子悬浮的平衡位置时，轴向磁轴承的励磁线圈电流在零附近微调，平均电流为零，而且由于飞轮高速旋转时，轴向磁轴承定子和导磁轮毂上的磁密基本不变，因此二者涡流损耗近似为零。
进一步地，径向磁轴承的转子铁心采用超薄低损耗硅钢片叠压而成；在飞轮转子悬浮的平衡位置时，径向磁轴承的励磁线圈电流在零附近微调，平均电流为零；飞轮高速旋转时，径向磁轴承铁心仅会因定子齿谐波产生铁耗，但因定子齿槽数仅有4个，且为半闭口槽，所以径向磁轴承的转子损耗很小。
进一步地，在上壳体和下壳体上均安装机械保护轴承，用于在径向和轴向电磁保护轴承失效时，飞轮转轴跌落其中继续维持旋转。
附图说明
图1为本发明实施例的低损耗全悬浮飞轮系统的结构示意图；
图2为轴向磁轴承结构及永磁磁路示意图；
图3为径向磁轴承结构及永磁磁路示意图；
图4为径向电磁轴承定转子铁心结构示意图；
图5为电机转子永磁体充磁方向示意图；
图6为高速永磁电机结构示意图；
图7为具体实施例的试验结果图。
其中，1—轴向磁轴承，2—电机定子铁心，3—上径向磁轴承，4—下径向磁轴承，5—一体式飞轮转轴，6—飞轮底座，7—下壳体，8—上壳体，9—顶盖，10—上保护轴承，11—下保护轴承，12—密封圈，13—冷却水套，14—真空泵，15—吸热涂层，16—导热胶，17—电机转子永磁体，18—电机绕组，19—电机转子复合材料护套，20—电机定转子气隙，21—散热筋，22—高速永磁电机，23—轴向磁轴承永磁体，24—轴向磁轴承定子铁心，25—轴向磁轴承外环励磁线圈，26—轴向磁轴承内环励磁线圈，27—轴向磁轴承极靴，28—轴向磁轴承气隙，29—径向磁轴承转子铁心，30—径向磁轴承定子铁心，31—径向磁轴承定子导磁套，32—径向磁轴承定子隔磁套，33—径向磁轴承永磁体，34—径向磁轴承定转子铁心气隙，35—径向磁轴承励磁线圈，36—绝缘涂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，包括金属壳体以及由下到上依次布置在金属壳体内部的下径向磁轴承4、一体式飞轮转轴5、轴向磁轴承1、高速永磁电机22、和上径向磁轴承3，且下径向磁轴承4和上径向磁轴承3结构相同；其中，所述一体式飞轮转轴5包括由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；所述金属壳体内部为真空状态。
一体式飞轮转轴5由导磁金属锻件锻造而成，中部为储能轮毂，储能轮毂的上表面为水平圆环面，用作轴向磁轴承的吸（推）力盘，储能轮毂下部的轴用于安装下径向磁轴承转子铁心，储能轮毂上部的轴用于粘贴高速电机永磁体，电机永磁体17上部的轴用于安装上径向轴承转子铁心。
高速永磁电机22同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机22的电机永磁体17固定于上轴伸段表面，高速永磁电机22的其余部分固定于金属壳体内壁；
上径向磁轴承3同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承3的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承3的其余部分固定于金属壳体内壁；
下径向磁轴承4同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承4的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承4的其余部分固定于金属壳体内壁；
轴向磁轴承1的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁；储能轮毂作为轴向磁轴承1的转子。
具体地，金属壳体通过由下至上同轴固定设置的飞轮底座6、下壳体7、上壳体8和顶盖9组装而成，各组装面上设置有相互配合的密封槽和两道密封圈12，并通过螺栓锁紧形成冗余密封。当各密封面用螺栓锁紧后，多道密封结构可以确保金属飞轮壳体内腔具有良好的真空保压能力。下径向磁轴承4与一体式飞轮转轴5的储能轮毂和下轴伸段设置于下壳体7内；体式飞轮转轴5的下轴伸段、高速永磁电机22和上径向磁轴承3设置于上壳体8；轴向磁轴承1固定于上壳体8的底面。
下壳体7的内面喷涂有吸热涂层15用以增强对转子辐射热量的吸收，飞轮下壳体内壁上喷涂的辅助吸热的吸热涂层，使转子上积累的热量传递到储能轮毂后，通过其巨大的外表面对下壳体辐射散热，吸热涂层可以有效提升转子散热能力，并将热量传导到下壳体外部。
下壳体7的外表面设置沿圆周布置的纵向散热筋21，一方面可增加散热面积提升散热能力，另一方面可以提升下壳体的机械强度，尤其下壳体内腔主要用于容纳储能轮毂，可有效提升安全性。
下壳体7与外接真空泵14相连通；各壳体组成包裹飞轮工作部件的真空腔室，在下壳体的壁上开设通道与外接真空泵相连，真空泵可动态维持金属飞轮壳体内腔的真空度，使高速飞轮转子的风摩损耗近似为零。真空度可通过外接于下壳体的真空泵14动态维持在10Pa以内。
如图2所示，所述轴向磁轴承1包括轴向磁轴承定子铁心24、轴向磁轴承永磁体23、轴向磁轴承极靴27、轴向磁轴承外环励磁线圈25和轴向磁轴承内环励磁线圈26；所述轴向磁轴承定子铁心24上表面与金属壳体固定连接；轴向磁轴承定子铁心24下表面设置有内外两个圆环凹槽，分别放置有轴向磁轴承外环励磁线圈25和轴向磁轴承内环励磁线圈26；轴承定子铁心24下表面设置有轴向磁轴承永磁体23，轴向磁轴承永磁体23下部安装有轴向磁轴承极靴27，磁轴承永磁体23为轴向充磁；轴向磁轴承极靴27与储能轮毂之间存在轴向磁轴承气隙28。
轴向磁轴承1由定子和转子两部分组成，其转子部分就是一体式飞轮转轴5的储能轮毂，飞轮的材质为高强度导磁锻钢，故而轴向磁轴承定子可以通过轴向磁轴承永磁体产生磁力吸附飞轮储能轮毂的上表面以抵消飞轮转轴重力，使之整体悬浮。在飞轮转子轴5悬浮的平衡位置时，轴向磁轴承1的励磁线圈电流在零附近微调，平均电流为零，而且由于一体式飞轮转轴5高速旋转时，轴向磁轴承定子铁心24和导磁的储能轮毂上的磁密基本不变，因此二者涡流损耗近似为零。
轴向磁轴承定子部分安装在上壳体下表面，轴向磁轴承永磁体23为环形，由多块扇形拼接而成，充磁为轴向。轴向磁轴承内环励磁线圈26和轴向磁轴承外环励磁绕组25的绕制方向相反，二者反向串联，通入电流后可对轴向磁轴承永磁体23产生的偏置磁场进行调节，励磁电流可以双向调节，通正电流时内外环励磁绕组产生的磁通方向与轴向磁轴承永磁体23相同，加强轴向磁轴承定转子间的吸力，通反向电流时内外环励磁绕组产生的磁通方向与轴向磁轴承永磁体23相反，削弱轴向磁轴承定转子间的吸力；通过调节内外环励磁绕组电流，使之在零附近微动，此时完全依靠永磁体产生的偏置磁场将飞轮转轴悬浮在平衡位置，通常将平衡位置轴向磁轴承定转子气隙28的长度为设计为1.0~2.0mm。
如图3所示，下径向磁轴承4包括两个径向磁轴承转子铁心29、两个径向磁轴承定子铁心30、两个径向磁轴承导磁套31、一个环形径向磁轴承永磁体33和一个环形非导磁的径向磁轴承隔磁套32；
径向磁轴承隔磁套32的一侧面与金属壳体的内壁固定连接，另一侧面与径向磁轴承导磁套31和环形径向磁轴承永磁体固定连接33；环形径向磁轴承永磁体33夹在两个径向磁轴承导磁套31中间，三者轴向布置，充磁方向为轴向，产生径向磁轴承偏置磁场，磁场方向如图3的环路箭头显示。两个径向磁轴承定子铁心30分别固定于两个径向磁轴承导磁套31内侧；径向磁轴承定子铁心30上布置有径向磁轴承励磁线圈35。径向磁轴承转子铁心29为无槽圆环，径向磁轴承定子铁心30上开槽，放置径向磁轴承励磁绕组线圈35，径向磁轴承隔磁套31置于下径向磁轴承4最外侧，采用非导磁材料，确保径向磁轴承的永磁体磁通不漏到机壳上，提高承载力密度。
具体地，所述径向磁轴承转子铁心29作为径向磁轴承的转子铁心固定于一体式飞轮转轴，上径向磁轴承3的径向磁轴承转子铁心29固定于上轴伸段表面；下径向磁轴承4的径向磁轴承转子铁心29固定于下轴伸段表面。径向磁轴承转子铁心29采用0.1mm~0.35mm的硅钢片叠压而成；径向磁轴承定子铁心30上也采用0.1mm~0.35mm的硅钢片叠压而成；径向磁轴承定转子铁心气隙34的单边长度为0.5~1.0mm。
如图4所示，径向磁轴承定子铁心30开槽数为4，将铁心分成4极，每极缠绕一组励磁绕组线圈，槽型为半闭口槽。在飞轮转子悬浮的平衡位置时，径向磁轴承的励磁线圈电流在零附近微调，平均电流为零；飞轮高速旋转时，径向磁轴承铁心仅会因定子齿谐波产生铁耗，但因定子齿槽数仅有4个，且为半闭口槽，所以径向磁轴承的转子损耗很小。
如图6所示，所述高速永磁电机22包括由内到外依次分布的一体式飞轮转轴5、表贴于一体式飞轮转轴5上轴伸段的电机转子永磁体17和电机定子铁心2；电机定子铁心2固定于金属壳体内壁；电机定子铁心2上套装有电机绕组18。
电机转子永磁体17在轴向上采用分段结构，段与段之间由绝缘涂层隔开，电机转子永磁体17在圆周方向上每极由多块圆弧形组成，采用Halbach充磁方式，即逆时针顺序的每块磁体的充磁方向依次顺时针旋转固定角度。所述分段电机转子永磁体可在轴向粘接成一体后再充磁；通过轴向分段可以极大地降低电机定子齿槽谐波和驱动电机的PWM电流高频谐波在转子永磁体上产生的涡流损耗。
电机转子永磁体在圆周方向上采用表贴式结构，每极由4块或者6块不同充磁方向的永磁组成，由此可以保证气隙磁密分布有很高的正弦度，电机定子铁耗也可得到较好的抑制；电机转子永磁体17的内表面胶粘接在一体式飞轮转轴5表面，外表面采用高强度非导电的电机转子复合材料19缠绕预紧，由此可以保证电机转子安全可靠地高速旋转，而且在护套上不产生电磁损耗。电机定子铁心2采用低损耗超薄硅钢片叠压而成，每片厚度为0.10~0.35mm。
下壳体7底部设置有下保护轴承11，下保护轴承11套接于一体式飞轮转轴5下轴伸段的末端；上壳体顶部设置有上保护磁轴承10，上保护轴承10套接于一体式飞轮转轴5上轴伸段的顶端；上保护轴承10和下保护轴承11的轴承形式为双列角接触轴承或无油润滑轴承。上保护轴承10和下保护轴承11在径向和轴向电磁保护轴承失效时，一体式飞轮转轴5跌落其中，使其继续维持旋转。飞轮正常运行时，一体式飞轮转轴与上下保护轴承存在保护径向和轴向保护气隙，设计轴向保护气隙应明显小于轴向磁轴承定转子平衡气隙，设计径向保护气隙应明显小于径向磁轴承定转子铁心气隙。
具体地，上壳体中部设置有冷却水套13；所述冷却水套13设置于电机定子铁心2和上壳体的内壁之间；上壳体内部的各部件定子部分采用热固化的导热胶填充间隙。电机定子铁心外圆套装于螺旋形的冷却水套内面，增强了电机定子侧的散热能力；上径向磁轴承定子、电机定子、轴向磁轴承定子均安装于上壳体内侧，并采用热固化的导热胶16灌填各间隙，导热胶有效提升了上壳体内腔各定子部件的对外散热能力，适用于大功率飞轮电机,导热率可达0.5W/m.K以上。
如图5所示，本实施例中电机转子永磁体17表贴于一体式飞轮转轴5的上轴伸段表面，在圆周方向上共有4个极，每极由4块永磁体组成，相邻的磁极之间充磁方向依次相差45度，为典型的Halbach充磁方式，可极大地提升电机磁场分布的正弦性，减小高阶谐波损耗；永磁体的外表面采用高强度的碳纤维材料（如T800等）进行缠绕预紧。
如图5所示，电机转子永磁体17在轴向上进行分段，各分段永磁体的厚度建议值小于电机转子复合材料护套19和电机定转子气隙20厚度之和，各分段永磁的表面都由绝缘涂层36隔开，绝缘涂层厚度约0.05~0.10mm，通过所述处理方式可以极大抑制电机各次电磁谐波在转子上产生的损耗。
本具体实施例以额定功率为1MW，储能量为11kWh的全悬浮飞轮储能系统循环充放电运行实测结果为例。
如图7所示，循环周期为4分钟，充放电循环与待机工况时间之比为1:3，共连续运行16.67小时（250个循环），此过程中飞轮共对外放电2001kWh，充放电循环损耗为247.5kWh，待机损耗19.2kWh。
通过实验结果可发现，此过程中本具体实施例的飞轮储能系统的循环效率达到89%（2001kWh/(2001kWh+247.5kWh)×100%），远高于常规磁悬浮飞轮不小于80%循环效率的技术要求（参见团体标准T/CNESA 1202-2002 《飞轮储能系统通用技术条件》），而且平均待机损耗功率仅为1.54kW（19.2kWh/（16.67h×3/4））。另外，本具体实施例的飞轮在转子处于高真空环境不便散热的情况下，连续高负荷运行近17小时后转子平均温升仅30K，实际转子平均温升允许值达60K以上，说明其转子损耗很低，具有很好的长时持续运行能力。
由此可见，本发明可有效降低磁悬浮飞轮系统损耗，尤其是转子损耗，适合于长时高负荷稳定运行。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：包括金属壳体以及由下到上依次布置在金属壳体内部的下径向磁轴承(4)、一体式飞轮转轴(5)、轴向磁轴承(1)、高速永磁电机(22)、和上径向磁轴承(3)，且下径向磁轴承(4)和上径向磁轴承(3)结构相同；其中，所述一体式飞轮转轴(5)包括由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；所述金属壳体内部为真空状态；
高速永磁电机(22)同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机(22)的电机永磁体(17)固定于上轴伸段表面，高速永磁电机(22)的其余部分固定于金属壳体内壁；
上径向磁轴承(3)同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承(3)的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承(3)的其余部分固定于金属壳体内壁；
下径向磁轴承(4)同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承(4)的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承(4)的其余部分固定于金属壳体内壁；
轴向磁轴承(1)的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁；储能轮毂作为轴向磁轴承(1)的转子；
所述轴向磁轴承(1)包括轴向磁轴承定子铁心(24)、轴向磁轴承永磁体(23)、轴向磁轴承极靴(27)、轴向磁轴承外环励磁线圈(25)和轴向磁轴承内环励磁线圈(26)；所述轴向磁轴承定子铁心(24)上表面与金属壳体固定连接；轴向磁轴承定子铁心(24)下表面设置有内外两个圆环凹槽，分别放置有轴向磁轴承外环励磁线圈(25)和轴向磁轴承内环励磁线圈(26)；轴承定子铁心(24)下表面设置有轴向磁轴承永磁体(23)，轴向磁轴承永磁体(23)下部安装有轴向磁轴承极靴(27)，磁轴承永磁体(23)为轴向充磁；轴向磁轴承极靴(27)与储能轮毂之间存在轴向磁轴承气隙(28)。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：下径向磁轴承(4)包括两个径向磁轴承转子铁心(29)、两个径向磁轴承定子铁心(30)、两个径向磁轴承导磁套(31)、一个环形径向磁轴承永磁体(33)和一个环形非导磁的径向磁轴承隔磁套(32)；
径向磁轴承隔磁套(32)的一侧面与金属壳体的内壁固定连接，另一侧面与径向磁轴承导磁套(31)和环形径向磁轴承永磁体固定连接(33)；环形径向磁轴承永磁体(33)夹在两个径向磁轴承导磁套(31)中间，三者轴向布置，充磁方向为轴向，产生径向磁轴承偏置磁场；两个径向磁轴承定子铁心(30)分别固定于两个径向磁轴承导磁套(31)内侧；径向磁轴承定子铁心(30)上布置有径向磁轴承励磁线圈(35)。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述高速永磁电机(22)包括由内到外依次分布的一体式飞轮转轴(5)、表贴于一体式飞轮转轴(5)上轴伸段的电机转子永磁体(17)和电机定子铁心(2)；电机定子铁心(2)固定于金属壳体内壁；电机定子铁心(2)上套装有电机绕组(18)。
4.根据权利要求3所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：电机转子永磁体(17)在轴向上采用分段结构，段与段之间由绝缘涂层隔开，电机转子永磁体(17)在圆周方向上每极由多块圆弧形组成，采用Halbach充磁方式；电机转子永磁体(17)的内表面胶粘接在一体式飞轮转轴(5)表面，外表面采用电机转子复合材料(19)缠绕预紧；电机定子铁心(2)采用低损耗超薄硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求4所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：金属壳体通过由下至上同轴固定设置的飞轮底座(6)、下壳体(7)、上壳体(8)和顶盖(9)组装而成，各组装面上设置有相互配合的密封槽和多个密封圈(12)，并通过螺栓锁紧形成冗余密封；下径向磁轴承(4)与一体式飞轮转轴(5)的储能轮毂和下轴伸段设置于下壳体(7)内；体式飞轮转轴(5)的下轴伸段、高速永磁电机(22)和上径向磁轴承(3)设置于上壳体(8)；轴向磁轴承(1)固定于上壳体(8)的底面。
6.根据权利要求5所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：下壳体(7)底部设置有下保护轴承(11)，下保护轴承(11)套接于一体式飞轮转轴(5)下轴伸段的末端；上壳体顶部设置有上保护磁轴承(10)，上保护轴承(10)套接于一体式飞轮转轴(5)上轴伸段的顶端；上保护轴承(10)和下保护轴承(11)的轴承形式为双列角接触轴承或无油润滑轴承。
7.根据权利要求5所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：下壳体(7)的内面喷涂有吸热涂层(15)；下壳体(7)与真空泵(14)相连通；下壳体(7)的外表面设置沿圆周布置的纵向散热筋(21)。
8.根据权利要求5所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：上壳体中部设置有冷却水套(13)；所述冷却水套(13)设置于电机定子铁心(2)和上壳体的内壁之间；上壳体内部的各部件定子部分采用热固化的导热胶填充间隙。
9.根据权利要求2所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：下径向磁轴承(4)的径向磁轴定子铁心(30)和径向磁轴转子铁心(29)均采用低损耗超薄硅钢片沿轴向叠压而成；径向磁轴承转子铁心(29)不开槽，径向磁轴承定子铁心(30)开设有四个半闭口槽；径向磁轴承定子铁心(30)和径向磁轴转子铁心(29)之间设置有气隙。
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