CN117713435A - 储能飞轮和储能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能飞轮和储能设备，所述储能飞轮包括壳体、飞轮转子、驱动电机和磁联轴器组件，飞轮转子具有朝向驱动电机开口的配合槽，驱动电机的转子轴伸入配合槽内，磁联轴器组件包括径向被动磁轴承、转子磁体和定子磁体，转子磁体环设在配合槽的内周面上，定子磁体环设在转子轴的外周面上，且定子磁体和转子磁体均由不同磁性的永磁体交替排列构成，径向被动磁轴承包括环设在配合槽的内周面上的联轴器外磁钢和环设在转子轴的外周面上的联轴器内磁钢，联轴器外磁钢与联轴器内磁钢相对且磁极相反。本发明的储能飞轮利用集成在电机转子和飞轮转子上的磁联轴器组件进行无接触式传动，储能飞轮的轴向空间布局小，飞轮转子的可控性高。

Description

储能飞轮和储能设备

技术领域

本发明涉及储能设备技术领域，具体地，涉及一种储能飞轮和储能设备。

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。

相关技术中，为实现电机与飞轮转子的传动，电机与飞轮转子之间通常设有联轴器，常用联轴器包括机械联轴器和磁联轴器两种形式，其中，机械联轴器结构复杂，制造精度高，且为了保证壳体内的真空性，必须受用密封元件进行密封，这样就存在加大旋转阻力来保证密封可靠，要么就会出现密封不严导致真空环境破坏的问题。而磁性联轴器可以实现非接触时传动以解决上述问题，但是，现有磁性联轴器的设置会增大飞轮的轴向空间布局，降低飞轮转子的可控性，且现有储能飞轮的驱动电机和飞轮转子需要两套磁悬浮系统，支撑在驱动电机下端的径向磁轴承和支撑在飞轮转子上端的径向磁轴承易产生耦合干扰，进一步降低了飞轮转子的可控性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷及不足，提供一种储能飞轮，该储能飞轮的在飞轮转子的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体和设置在转子轴上的定子磁体不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子的失控风险，且配合槽的内周面上和转子轴的外周面上分别设有磁极相反的联轴器外磁钢和联轴器内磁钢，从而可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子和飞轮转子的平衡，且径向被动磁轴承可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进一步提高飞轮转子的可控性。

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；飞轮转子和驱动电机，所述飞轮转子和所述驱动电机均设于所述壳体内，且所述飞轮转子在其轴向上具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述驱动电机相对，且所述第一端具有朝向所述驱动电机开口的配合槽，所述驱动电机的转子轴伸入所述配合槽内；磁联轴器组件，所述磁联轴器组件包括径向被动磁轴承、转子磁体和定子磁体，所述转子磁体环设在所述配合槽的内周面上，所述定子磁体环设在所述转子轴的外周面上并与所述转子磁体相对，且所述定子磁体和所述转子磁体均由不同磁性的永磁体交替排列构成，所述径向被动磁轴承包括环设在所述配合槽的内周面上的联轴器外磁钢和环设在所述转子轴的外周面上的联轴器内磁钢，所述联轴器外磁钢与所述联轴器内磁钢相对且磁极相反。

本发明实施例的储能飞轮，飞轮转子朝向驱动电机的一端具有配合槽，驱动电机的转子轴伸入配合槽内，且配合槽的内周壁上环设有转子磁体，转子轴的外周壁上环设有与转子磁体相对的定子磁体，定子磁体和转子磁体均由不同磁性的永磁体交替排列构成，且配合槽的内周面上环设有联轴器外磁钢，转子轴的外周面上环设有与联轴器外磁钢相对联轴器内磁钢，由此定子磁体和转子磁体的磁力作用可实现驱动电机和飞轮转子之间的无接触式传动，同时，由于飞轮转子的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体和设置在转子轴上的定子磁体不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子的失控风险，且径向被动磁轴承在驱动电机与飞轮转子装配时可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子和飞轮转子的平衡，且径向被动磁轴承可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进一步提高飞轮转子的可控性。

在一些实施例中，所述定子磁体嵌设在所述转子轴的外周面上，和/或，所述转子磁体嵌设在所述配合槽的内周面上。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括第一轴向被动磁轴承和第二轴向被动磁轴承，所述第一轴向被动磁轴承包括第一轴向被动磁钢和第二轴向被动磁钢，所述第一轴向被动磁钢设于所述转子轴朝向所述配合槽的底壁的端面上，所述第二轴向被动磁钢设于所述配合槽的底壁上并与所述第一轴向被动磁钢相对，所述第二轴向被动磁轴承包括设于所述飞轮转子的下侧面上的第三轴向被动磁钢和设于所述壳体的底壁上的第四轴向被动磁钢，所述第四轴向被动磁钢与所述第三轴向被动磁钢相对。

在一些实施例中，所述飞轮转子的下侧面上设有沿其周向延伸的环形槽，所述第三轴向被动磁钢嵌设在所述环形槽内。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括第一径向磁轴承，所述驱动电机包括电机转子和环设在所述电机转子外周的电机定子，所述第一径向磁轴承包括环设在所述电机转子的上端的外周面上的第一径向转子磁体和环设在所述电机定子的内周面上并与所述第一径向转子磁体相对的第一径向定子磁体。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括第二径向磁轴承，所述第二径向磁轴承包括环设在所述飞轮转子的外周面上的第二径向转子磁体和环设在所述壳体的内周面上并与所述第二径向转子磁体相对的第二径向定子磁体。

在一些实施例中，所述配合槽包括相连通的第一槽段和第二槽段，所述第一槽段相对所述第二槽段远离所述配合槽的底壁，且所述第一槽段的截面积大于所述第二槽段的截面积，所述转子轴包括配合在所述第一槽段内的第一转子段和配合在所述第二槽段内的第二转子段，所述第一转子段的截面积大于所述第二转子段的截面积且所述第一转子段的外周面上设有所述磁联轴器外磁钢，所述第二转子段的外周面上设有所述转子磁体。

在一些实施例中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述飞轮转子设于所述第一壳体内，所述驱动电机设于所述第二壳体内。

在一些实施例中，所述第二壳体具有朝向所述配合槽凸出的并与所述配合槽相匹配的真空隔离罩。

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，飞轮转子朝向驱动电机的一端具有配合槽，驱动电机的转子轴伸入配合槽内，且配合槽的内周壁上环设有转子磁体，转子轴的外周壁上环设有与转子磁体相对的定子磁体，定子磁体和转子磁体均由不同磁性的永磁体交替排列构成，且配合槽的内周面上环设有联轴器外磁钢，转子轴的外周面上环设有与联轴器外磁钢相对联轴器内磁钢，由此定子磁体和转子磁体的磁力作用可实现驱动电机和飞轮转子之间的无接触式传动，同时，由于飞轮转子的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体和设置在转子轴上的定子磁体不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子的失控风险，且径向被动磁轴承在驱动电机与飞轮转子装配时可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子和飞轮转子的平衡，且径向被动磁轴承可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进一步提高飞轮转子的可控性，储能设备安全性高。

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。

图2是根据本发明实施例的储能飞轮的局部结构放大图。

附图标记：

壳体1，真空隔离罩11，第一壳体12，第二壳体13，飞轮转子2，驱动电机3，电机转子31，电机定子32，转子磁体4，定子磁体5，径向被动磁轴承6，联轴器内磁钢61，联轴器外磁钢62，第一径向磁轴承7，第二径向磁轴承8，第一轴向被动磁轴承9，第二轴向被动磁轴承10。

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和图2所示，本发明实施例的储能飞轮包括壳体1、飞轮转子2、驱动电机3和磁联轴器组件。

具体地，飞轮转子2和驱动电机3均设于壳体1内，且飞轮转子2在其轴向上具有相对的第一端和第二端，第一端与驱动电机3相对，且第一端具有朝向驱动电机3开口的配合槽，驱动电机3的转子轴伸入配合槽内，磁联轴器组件包括径向被动磁轴承6、转子磁体4和定子磁体5，转子磁体4环设在配合槽的内周面上，定子磁体5环设在转子轴的外周面上并与转子磁体4相对，且定子磁体5和转子磁体4均由不同磁性的永磁体交替排列构成，径向被动磁轴承6包括环设在配合槽的内周面上的联轴器外磁钢62和环设在转子轴的外周面上的联轴器内磁钢61，联轴器外磁钢62与联轴器内磁钢61相对且磁极相反。

可以理解的是，驱动电机3的转子轴转动时可通过转子磁体4和定子磁体5的磁力作用带动飞轮转子2转动，且由于飞轮转子2的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体4和设置在转子轴上的定子磁体5不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子2的失控风险。

进一步地，由于联轴器外磁钢62设于在飞轮转子2上，联轴器内磁钢61设置在转子轴上，则径向被动磁轴承6在驱动电机3与飞轮转子2装配时可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子31和飞轮转子2的平衡，且径向被动磁轴承6可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进而提高飞轮转子2的可控性。

本发明实施例的储能飞轮，飞轮转子2朝向驱动电机3的一端具有配合槽，驱动电机3的转子轴伸入配合槽内，且配合槽的内周壁上环设有转子磁体4，转子轴的外周壁上环设有与转子磁体4相对的定子磁体5，定子磁体5和转子磁体4均由不同磁性的永磁体交替排列构成，且配合槽的内周面上环设有联轴器外磁钢62，转子轴的外周面上环设有与联轴器外磁钢62相对联轴器内磁钢61，由此定子磁体5和转子磁体4的磁力作用可实现驱动电机3和飞轮转子2之间的无接触式传动，同时，由于飞轮转子2的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体4和设置在转子轴上的定子磁体5不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子2的失控风险，且径向被动磁轴承6在驱动电机3与飞轮转子2装配时可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子31和飞轮转子2的平衡，且径向被动磁轴承6可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进一步提高飞轮转子2的可控性。

优选地，定子磁体5嵌设在转子轴的外周面上，转子磁体4嵌设在配合槽的内周面上。由此，定子磁体5和转子磁体4的装配稳定性高，且不会侵占转子轴与配合槽的装配间隙。

进一步地，如图1和图2所示，储能飞轮还包括第一轴向被动磁轴承9和第二轴向被动磁轴承10，第一轴向被动磁轴承9包括第一轴向被动磁钢和第二轴向被动磁钢，第一轴向被动磁钢设于转子轴朝向配合槽的底壁的端面上，第二轴向被动磁钢设于配合槽的底壁上并与第一轴向被动磁钢相对，第二轴向被动磁轴承10包括设于飞轮转子2的下侧面上的第三轴向被动磁钢和设于壳体1的底壁上的第四轴向被动磁钢，第四轴向被动磁钢与第三轴向被动磁钢相对。

由此，第一轴向被动磁钢和第二轴向被动磁钢之间磁力可向上支撑电机转子31进而实现电机转子31的轴向平衡，同时向下支撑飞轮转子2，第三轴向被动磁钢和第四轴向被动磁钢之间的磁力可向上支撑飞轮转子2，进而实现飞轮转子2的轴向平衡。可以理解的是，第一轴向被动磁轴承9和第二轴向被动磁轴承10可构成一个完整的轴向磁悬浮系统，以维持电机转子31和飞轮转子2的轴向平衡，不会产生耦合干扰。

优选地，第一轴向被动磁钢嵌设在转子轴上，第二轴向被动磁钢嵌设在飞轮转子2的上端面上，飞轮转子2的下侧面上设有沿其周向延伸的环形槽，第三轴向被动磁钢嵌设在环形槽内，第四轴向被动磁钢嵌设在壳体1的底壁上。

进一步地，如图1和图2所示，储能飞轮还包括第一径向磁轴承7，驱动电机3包括电机转子31和环设在电机转子31外周的电机定子32，第一径向磁轴承7包括环设在电机转子31的上端的外周面上的第一径向转子磁体和环设在电机定子32的内周面上并与第一径向转子磁体相对的第二径向定子磁体。可以理解的是，第一径向磁轴承7和径向被动磁轴承6可分别布置在电机转子31的两端，以平衡支撑电机转子31，第一径向磁轴承7、径向被动磁轴承6和第一轴向被动磁轴承9可实现电机转子31在径向和轴向上的悬空。优选地，第一径向转子磁体嵌设在电机转子31的外周面上。

进一步地，如图1和图2所示，储能飞轮还包括第二径向磁轴承8，第二径向磁轴承8包括环设在飞轮转子2的外周面上的第二径向转子磁体和环设在壳体1的内周面上并与第二径向转子磁体相对的第二径向定子磁体。由此，第二径向磁轴承8可配合第一轴向被动磁轴承9及第二轴向被动磁轴承10实现飞轮转子2在径向和轴向上的悬空。

优选地，第二径向磁轴承8为两组并分别布置在飞轮转子2的两端，以实现更好的平衡支撑效果。

优选地，第二径向转子磁体嵌设在飞轮转子2的外周面上。

在一些实施例中，配合槽包括相连通的第一槽段和第二槽段，第一槽段相对第二槽段远离配合槽的底壁，且第一槽段的截面积大于第二槽段的截面积，转子轴包括配合在第一槽段内的第一转子段和配合在第二槽段内的第二转子段，第一转子段的截面积大于第二转子段的截面积且第一转子段的外周面上设有磁联轴器外磁钢62，第二转子段的外周面上设有转子磁体4。由此，联轴器外磁钢62和联轴器内磁钢61可构成一组径向被动平衡系统，转子磁体4和定子磁体5可构成另一组径向被动平衡系统，两组径向被动平衡系统可提高同轴配合的可靠性，消除单一被动平衡系统出现偏差导致飞轮失控的风险。

进一步地，如图1和图2所示，壳体1包括第一壳体12和第二壳体13，飞轮转子2设于第一壳体12内，驱动电机3设于第二壳体13内。由此，飞轮转子2和驱动电机3处于不同的空间内，进而可以避免驱动电机3产生的热量干涉飞轮转子2的散热，提高飞轮转子2的散热效果。

优选地，第二壳体13具有朝向配合槽凸出的并与配合槽相匹配的真空隔离罩11。

本发明实施例的储能设备包括上述实施例的储能飞轮。

本发明实施例的储能设备，通过采用上述储能飞轮，飞轮转子2朝向驱动电机3的一端具有配合槽，驱动电机3的转子轴伸入配合槽内，且配合槽的内周壁上环设有转子磁体4，转子轴的外周壁上环设有与转子磁体4相对的定子磁体5，定子磁体5和转子磁体4均由不同磁性的永磁体交替排列构成，且配合槽的内周面上环设有联轴器外磁钢62，转子轴的外周面上环设有与联轴器外磁钢62相对联轴器内磁钢61，由此定子磁体5和转子磁体4的磁力作用可实现驱动电机3和飞轮转子2之间的无接触式传动，同时，由于飞轮转子2的端部构建了用于配合转子轴的配合槽，设于在配合槽内的转子磁体4和设置在转子轴上的定子磁体5不会占用轴向空间，从而可以减小储能飞轮的轴向空间布局，进而降低飞轮转子2的失控风险，且径向被动磁轴承6在驱动电机3与飞轮转子2装配时可利用磁力作用自动完成同轴安装，无需进行复杂繁琐的调试，并能够在径向上维持电机转子31和飞轮转子2的平衡，且径向被动磁轴承6可取代驱动电机底部的主动径向磁轴承，从而可以解决两套磁悬浮系统存在的耦合干扰问题，进一步提高飞轮转子2的可控性，储能设备安全性高。

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；

飞轮转子和驱动电机，所述飞轮转子和所述驱动电机均设于所述壳体内，且所述飞轮转子在其轴向上具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述驱动电机相对，且所述第一端具有朝向所述驱动电机开口的配合槽，所述驱动电机的转子轴伸入所述配合槽内；

磁联轴器组件，所述磁联轴器组件包括径向被动磁轴承、转子磁体和定子磁体，所述转子磁体环设在所述配合槽的内周面上，所述定子磁体环设在所述转子轴的外周面上并与所述转子磁体相对，且所述定子磁体和所述转子磁体均由不同磁性的永磁体交替排列构成，所述径向被动磁轴承包括环设在所述配合槽的内周面上的联轴器外磁钢和环设在所述转子轴的外周面上的联轴器内磁钢，所述联轴器外磁钢与所述联轴器内磁钢相对且磁极相反。

2.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述定子磁体嵌设在所述转子轴的外周面上，和/或，所述转子磁体嵌设在所述配合槽的内周面上。

3.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，还包括第一轴向被动磁轴承和第二轴向被动磁轴承，所述第一轴向被动磁轴承包括第一轴向被动磁钢和第二轴向被动磁钢，所述第一轴向被动磁钢设于所述转子轴朝向所述配合槽的底壁的端面上，所述第二轴向被动磁钢设于所述配合槽的底壁上并与所述第一轴向被动磁钢相对，所述第二轴向被动磁轴承包括设于所述飞轮转子的下侧面上的第三轴向被动磁钢和设于所述壳体的底壁上的第四轴向被动磁钢，所述第四轴向被动磁钢与所述第三轴向被动磁钢相对。

4.根据权利要求3所述的储能飞轮，其特征在于，所述飞轮转子的下侧面上设有沿其周向延伸的环形槽，所述第三轴向被动磁钢嵌设在所述环形槽内。

5.根据权利要求3所述的储能飞轮，其特征在于，还包括第一径向磁轴承，所述驱动电机包括电机转子和环设在所述电机转子外周的电机定子，所述第一径向磁轴承包括环设在所述电机转子的上端的外周面上的第一径向转子磁体和环设在所述电机定子的内周面上并与所述第一径向转子磁体相对的第一径向定子磁体。

6.根据权利要求5所述的储能飞轮，其特征在于，还包括第二径向磁轴承，所述第二径向磁轴承包括环设在所述飞轮转子的外周面上的第二径向转子磁体和环设在所述壳体的内周面上并与所述第二径向转子磁体相对的第二径向定子磁体。

7.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述配合槽包括相连通的第一槽段和第二槽段，所述第一槽段相对所述第二槽段远离所述配合槽的底壁，且所述第一槽段的截面积大于所述第二槽段的截面积，所述转子轴包括配合在所述第一槽段内的第一转子段和配合在所述第二槽段内的第二转子段，所述第一转子段的截面积大于所述第二转子段的截面积且所述第一转子段的外周面上设有所述磁联轴器外磁钢，所述第二转子段的外周面上设有所述转子磁体。

8.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述飞轮转子设于所述第一壳体内，所述驱动电机设于所述第二壳体内。

9.根据权利要求8所述的储能飞轮，其特征在于，所述第二壳体具有朝向所述配合槽凸出的并与所述配合槽相匹配的真空隔离罩。

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。