CN117424387A - 一种磁力耦合传动的飞轮储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁力耦合传动的飞轮储能装置，属于飞轮储能技术领域，所述装置包括：电机组件、磁力联轴器、飞轮组件；电机组件包括：电机转子和驱动轴；磁力联轴器包括：主动轮、从动轮和第一端轴；飞轮组件包括：设置在飞轮仓内的飞轮转子；其中，电机转子通过驱动轴活动连接至主动轮；主动轮与从动轮之间存在气隙，以传递驱动转矩；从动轮通过第一端轴活动连接至飞轮转子。本方案采用磁力联轴器技术实现电机与飞轮转子的物理隔离，同时实现飞轮储能电机良好的散热环境与飞轮转子的低风摩损耗运行，相比于电机+飞轮传统组合，减小了飞轮转子轴系轴向长度，增大系统临界转速使得飞轮轴系达到更快的转动速度，可以存储更多的动能。
Description
技术领域
本发明属于飞轮储能技术领域，更具体地，涉及一种磁力耦合传动的飞轮储能装置。
背景技术
随着“双碳”目标的提出，近年来能源领域对储能越来越关注，飞轮储能凭借安全稳定、功率密度大、响应速度快、寿命长、回收残值高等特点，已经逐渐走进人们的视野，极具发展前景。
飞轮储能是一种通过将能量存储在高速旋转的飞轮中以实现储能的技术。通常使用高性能电机实现电能与机械能的相互转化，使飞轮高速旋转，然后在需要时将旋转的能量转换回电能。飞轮储能装置的优点包括：高效能储存：飞轮储能系统的功率和效率很高，可以在很短的时间内储存和释放大量的能量。长寿命和可靠性：由于飞轮储能系统是机械运动部件，相对于传统的储能技术，其使用寿命更长，且故障率较低。适应性强：飞轮储能系统可以快速响应变化的负载需求，因此尤其适用于需要快速响应的应用，如电网稳定性控制。
现有飞轮储能装置主要是电机与飞轮转子的组合，作为能量转换的飞轮储能电机性能优劣与否，直接决定整个系统的工作状态，而飞轮是整个系统的核心部件，直接决定着储存能量的上限，因机械强度和可靠性的需要，一般采用高速永磁电机与金属转子的组合形式。飞轮储能装置在高速运行过程中，除电机损耗外，飞轮转子的风摩损耗与轴承损耗不容忽视。传统的高速永磁电机与金属转子的组合形式导致飞轮储能装置整体储能效率偏低，阻碍了高储能型飞轮储能系统的进一步发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁力耦合传动的飞轮储能装置，其目的在于采用磁力联轴器技术实现电机与飞轮转子的物理隔离，同时实现飞轮储能电机良好的散热环境与飞轮转子的低风摩损耗运行，通过磁力联轴器传递速度和转矩，也增大系统临界转速使得飞轮轴系达到更快的转动速度，以存储更多的动能，同时有效降低系统振动、噪声；由此解决现有采用高速永磁电机与金属转子的飞轮储能组合形式整体储能效率偏低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁力耦合传动的飞轮储能装置，包括：自上而下设置在机壳内的：
电机组件，包括：电机转子和驱动轴；
磁力联轴器，包括：主动轮、从动轮和第一端轴；
飞轮组件，包括：设置在飞轮仓内的飞轮转子；
其中，所述电机转子通过所述驱动轴活动连接至所述主动轮；所述主动轮与所述从动轮之间存在气隙，以传递驱动转矩；所述从动轮通过所述第一端轴活动连接至所述飞轮转子；当所述电机转子带动所述主动轮转动时，所述主动轮产生旋转磁场，带动所述从动轮和所述飞轮转子转动。
在其中一个实施例中，所述磁力联轴器还包括：隔离罩；所述隔离罩位于所述主动轮和所述从动轮之间，与所述飞轮仓的腔体共同形成真空室，以使飞轮转子运行在真空环境。
在其中一个实施例中，所述飞轮组件还包括垫片单元；所述飞轮仓和所述隔离罩采用所述垫片单元进行密封。
在其中一个实施例中，所述隔离罩由非导磁材料制成。
在其中一个实施例中，所述主动轮包括第一基体以及圆周分布于所述第一基体内表面的第一磁体；所述第一磁体的数量为偶数，相邻的两个所述第一磁体的极性相反；所述从动轮包括第二基体以及圆周分布于所述第二基体外表面的第二磁体；所述第二磁体的数量为偶数，相邻的两个所述第二磁体的极性相反；所述第二磁体的个数与所述第一磁体的个数相等。
在其中一个实施例中，所述第二磁体和所述第一磁体采用平行充磁、径向充磁或Halbach充磁方式，相对设置的所述第二磁体和所述第一磁体极性相反，以使所述主动轮与所述从动轮之间形成磁耦合。
在其中一个实施例中，所述第一基体内表面的第一磁体和第二基体外表面的第二磁体选用强磁材料制成。
在其中一个实施例中，所述第一基体、所述第二基体、所述驱动轴和所述第一端轴选用铁磁材料制成。
在其中一个实施例中，所述主动轮和所述从动轮同轴设置；所述主动轮的几何中心位于所述驱动轴的中心轴线上，所述从动轮几何中心位于所述第一端轴的中心轴线上。
在其中一个实施例中，电机组件还包括：第一机械轴承、第二机械轴承和电机定子；电机定子固定在机壳内壁，驱动轴通过与磁力联轴器的螺杆与主动轮相联结，电机转轴由第一机械轴承以及第二机械轴承支撑。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本方案采用磁力联轴器技术实现电机与飞轮转子的物理隔离，飞轮储能电机和飞轮转子在不同的轴系中运行，采用电机+磁力联轴器+飞轮组合方式，相比于电机+飞轮传统组合，减小了飞轮转子轴系轴向长度，增大系统临界转速使得飞轮轴系达到更快的转动速度，以存储更多的动能；电机、飞轮转子通过磁力联轴器传递速度和转矩，飞轮储能装置具有低摩擦损耗、低振动、低噪声、高可靠性等优点。
(2)飞轮储能装置在高速运行过程中，除电机损耗外，飞轮转子的风摩损耗与轴承损耗不容忽视，因此飞轮转子需要在真空环境下运行以减少损耗，本方案使飞轮储能电机和飞轮转子工作在不同的腔体中，装置运行时，飞轮储能电机灵活采用自通风等散热方式，飞轮转子运行在真空环境中，同时实现飞轮储能电机良好的散热环境与飞轮转子的低风摩损耗；将飞轮转子置于真空环境中并由磁力联轴器将电机组件和飞轮组件隔离开，缓解了电机在真空环境中散热困难的问题，使得电机可在常规散热环境下运行，推进飞轮储能系统的进一步发展。
附图说明
图1是本专利一实施例提出的飞轮储能装置的结构示意图；
图2是本专利一实施例提出的飞轮储能装置中电机组件及其连接件的截面图；
图3是本专利一实施例提出的飞轮储能装置中永磁联轴器的结构示意图；
图4是本专利一实施例提出的飞轮储能装置中飞轮转子及其连接件的结构示意图。
图5是本专利另一实施例提出的飞轮储能装置中永磁联轴器的结构示意图。
图6是本专利另一实施例提出的飞轮储能装置中飞轮转子及其连接件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在其中一个实施例中，提供了一种磁力耦合传动的飞轮储能装置，包括：自上而下设置在机壳内的：电机组件、磁力联轴器、飞轮组件；电机组件，包括：电机转子和驱动轴；磁力联轴器，包括：主动轮、从动轮和第一端轴；飞轮组件，包括：设置在飞轮仓内的飞轮转子；其中，电机转子通过驱动轴活动连接至主动轮；主动轮与从动轮之间存在气隙，以传递驱动转矩；从动轮通过第一端轴活动连接至飞轮转子；当电机转子带动主动轮转动时，主动轮产生旋转磁场，带动从动轮和飞轮转子转动。
如图1所示，本专利提供了一种飞轮储能装置，采用立式安装方式，主要包括：电机组件、磁力联轴器以及飞轮组件，电机组件、磁力联轴器以及飞轮组件依次相连，由机壳包裹形成密封结构，电机组件转动安装有驱动轴，驱动轴固定安装有电机转子和磁力联轴器主动轮，飞轮转动安装有第一端轴(上端轴)，第一端轴(上端轴)固定安装有飞轮转子和磁力联轴器的从动轮。
在其中一个实施例中，磁力联轴器还包括：隔离罩；隔离罩位于主动轮和从动轮之间，与飞轮仓的腔体共同形成真空室，以使飞轮转子运行在真空环境。
如图2和图3所示，磁力联轴器包括设于靠近电机组件底部的主动轮、隔离罩以及设于靠近飞轮顶部的从动轮。进一步地，隔离罩位于主动轮和从动轮之间，为圆筒形，与飞轮组件形成真空室。
在其中一个实施例中，飞轮组件还包括垫片单元；飞轮仓和隔离罩采用垫片单元进行密封。
需要说明的是，真空室包括隔离罩、飞轮仓、第一密封垫片、第二密封垫片和第三密封垫片；进一步地，飞轮仓和隔离罩之间采用第一密封垫片和周向布置的螺栓密封连接，飞轮仓采用第二密封垫片和第三密封垫片密封连接。
在其中一个实施例中，隔离罩由非导磁材料制成。具体地，隔离罩选用环氧树脂等非导磁材料。
在其中一个实施例中，主动轮包括第一基体以及圆周分布于第一基体内表面的第一磁体；第一磁体的数量为偶数，相邻的两个第一磁体的极性相反；从动轮包括第二基体以及圆周分布于第二基体外表面的第二磁体；第二磁体的数量为偶数，相邻的两个第二磁体的极性相反；第二磁体的个数与第一磁体的个数相等。
在其中一个实施例中，第二磁体和第一磁体采用平行充磁、径向充磁或Halbach充磁方式，相对设置的第二磁体和第一磁体极性相反，以使主动轮与从动轮之间形成磁耦合。
在其中一个实施例中，第一基体内表面的第一磁体和第二基体外表面的第二磁体选用强磁材料制成。
在其中一个实施例中，第一基体、第二基体、驱动轴和第一端轴选用铁磁材料制成，如铷铁硼等强磁材料。
在其中一个实施例中，主动轮和从动轮同轴设置；主动轮的几何中心位于驱动轴的中心轴线上，从动轮几何中心位于第一端轴的中心轴线上。
在其中一个实施例中，电机组件还包括：第一机械轴承、第二机械轴承和电机定子；电机定子固定在机壳内壁，驱动轴通过与磁力联轴器的螺杆与主动轮相联结，电机转轴由第一机械轴承以及第二机械轴承支撑。
具体地，电机定子固定在机壳内壁，电机转子垂直设置，通过螺杆与主动轮相联结，电机定子由第一机械轴承以及第二机械轴承支撑。
在其中一个实施例中，如图4所示，飞轮仓包含第一端轴、第二端轴、飞轮转子、轴向磁轴承、第三机械轴承和第四机械轴承，轴向磁轴承固定安装于飞轮端盖下表面。第一端轴与飞轮转子通过周向布置的螺栓过盈连接，第三机械轴承和第一端轴旋转连接，提供径向支撑；第二端轴与飞轮转子通过周向布置的螺栓过盈连接，第四机械轴承和第二端轴旋转连接，提供径向支撑和轴向支撑；轴向磁轴承用于卸载飞轮转子重量，使飞轮转子在飞轮仓内实现轴向一个自由度悬浮。
在其中一个实施例中，参阅图5和图6，飞轮仓包含第一端轴、第二端轴、飞轮转子、上轴向磁轴承、下轴向磁轴承、上径向磁轴承和下径向磁轴承，上轴向磁轴承固定安装于飞轮端盖下表面，下轴向磁轴承固定安装于飞轮壳体内部；上径向磁轴承固定安装于飞轮端盖上表面，下径向磁轴承固定安装于飞轮仓底部；上轴向磁轴承和下轴向磁轴承用于卸载飞轮转子重量，使飞轮转子在飞轮仓内实现轴向一个自由度悬浮。
进一步地，上径向磁轴承和下径向磁轴承为飞轮转子提供径向支撑，第三机械轴承和第一端轴旋转连接，起径向支撑保护作用，第四机械轴承和第二端轴旋转连接，起径向和轴向支撑保护作用，实现径向四自由度悬浮。
在其中一个实施例中，上轴向磁轴承和下轴向磁轴承用实现轴向一个自由度悬浮，上径向磁轴承和下径向磁轴承为飞轮转子提供径向支撑，实现径向四自由度悬浮，构成一个五自由度磁悬浮飞轮储能系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，包括：设置在机壳内的：
电机组件，包括：电机转子和驱动轴；
磁力联轴器，包括：主动轮、从动轮和第一端轴；
飞轮组件，包括：设置在飞轮仓内的飞轮转子；
其中，所述电机转子通过所述驱动轴活动连接至所述主动轮；所述主动轮与所述从动轮之间存在气隙，以传递驱动转矩；所述从动轮通过所述第一端轴活动连接至所述飞轮转子；当所述电机转子带动所述主动轮转动时，所述主动轮产生旋转磁场，带动所述从动轮和所述飞轮转子转动。
2.如权利要求1所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，所述磁力联轴器还包括：隔离罩；
所述隔离罩位于所述主动轮和所述从动轮之间，与所述飞轮仓的腔体共同形成真空室，以使飞轮转子运行在真空环境。
3.如权利要求2所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，
所述飞轮组件还包括垫片单元；
所述飞轮仓和所述隔离罩采用所述垫片单元进行密封。
4.如权利要求2所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，所述隔离罩由非导磁材料制成。
5.如权利要求1所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，
所述主动轮包括第一基体以及圆周分布于所述第一基体内表面的第一磁体；所述第一磁体的数量为偶数，相邻的两个所述第一磁体的极性相反；
所述从动轮包括第二基体以及圆周分布于所述第二基体外表面的第二磁体；所述第二磁体的数量为偶数，相邻的两个所述第二磁体的极性相反；
所述第二磁体的个数与所述第一磁体的个数相等。
6.如权利要求5所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，
所述第二磁体和所述第一磁体采用平行充磁、径向充磁或Halbach充磁方式，相对设置的所述第二磁体和所述第一磁体极性相反，以使所述主动轮与所述从动轮之间形成磁耦合。
7.如权利要求5所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一基体内表面的第一磁体和第二基体外表面的第二磁体选用强磁材料制成。
8.如权利要求7所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一基体、所述第二基体、所述驱动轴和所述第一端轴选用铁磁材料制成。
9.如权利要求1所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，
所述主动轮和所述从动轮同轴设置；
所述主动轮的几何中心位于所述驱动轴的中心轴线上，所述从动轮几何中心位于所述第一端轴的中心轴线上。
10.如权利要求1所述的磁力耦合传动的飞轮储能装置，其特征在于，
电机组件还包括：第一机械轴承、第二机械轴承和电机定子；
电机定子固定在机壳内壁，驱动轴通过与磁力联轴器的螺杆与主动轮相联结，电机转轴由第一机械轴承以及第二机械轴承支撑。
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|---|---|---|---|---|
| CN118017760A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-05-10 | 徐州汇百通汽车制造有限公司 | 一种用于电机的具有储能结构的飞轮设备 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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