CN202856575U

CN202856575U - 多层盘式飞轮储能器

Info

Publication number: CN202856575U
Application number: CN 201220145020
Authority: CN
Inventors: 李文圣
Original assignee: Individual
Current assignee: Dual Deyang Energy Storage Technology Co Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-04-09

Abstract

本实用新型公开了一种多层盘式飞轮储能器，定子电枢盘固定在壳体内壁，定子电枢盘上排布有电枢绕组，定子电枢盘的两侧设置有作为飞轮盘的转子，环形轴向交替磁极的磁钢吸附在转子上；所述定子电枢盘至少设置两个，所述定子电枢盘至少包括一个多相绕组定子或一个单相绕组定子。本实用新型通过定子电枢盘任意的搭配，形成多组单相、两相、三相甚至多相的电源输出，增加输出功率的大小，提高了电源配置的灵活性，适应于多种适用场合的领域。单相绕组定子大大降低了制造难度，厚度减小，气隙更小，电机功率更大；同时有效地提高了电机的散热性能。多个电机的集成可以保证飞轮储能器的充电和放电功率的倍增，在不增加飞轮直径的前提下使飞轮高速旋转，有效的提高了能源的转化与输出。

Description

多层盘式飞轮储能器

技术领域

本实用新型涉及飞轮储能领域，尤其是一种多层盘式飞轮储能器。

背景技术

作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，飞轮储能系统储存电能，具有寿命长、维护量小、高效率和高功率等优点。飞轮储能的原理是依靠电机来实现充放电，依靠旋转的飞轮把电能转换为动能储存起来，充电时电机推动飞轮转动，把电能转换为动能储存起来；放电时飞轮驱动电机，把动能转换为电能释放出去。电机有多种设计方法，不同方法有各自的优缺点，适合于不同的使用要求。永磁电机是其中的一种，这种电机在飞轮充电时充当电动机，由外界电源通过变频器来驱动；放电时充当发电机，所发的电能的电压和频率随着飞轮的转速变化而变化，必须通过电力电子器件把这种电压和频率变化的电能转变为电压和频率相对稳定的电能，释放出去。在飞轮储能器待机时，既不充电也不放电，飞轮储能器会消耗自身一定的能量。为了减小这种能量的消耗，整个系统放置在一个真空的壳体中，由空气阻力引起的能量消耗得到有效的降低。另外，飞轮系统使用磁悬浮轴承或者磁悬浮与机械轴承相结合的混合轴承来降低飞轮的能量损耗。

现有的飞轮储能器的飞轮由上下两个飞轮盘堆叠构成，飞轮盘在径向中间部位连接在一起，其它部分是分离的并构成空隙。电机由定子和转子组成：转子是飞轮盘，构成空隙的上下飞轮盘上吸附着环形轴向磁极交替变化的磁钢；定子为夹在上下飞轮盘之间的空隙中的一个圆环，又称电枢盘，外周固定在壳体上，电枢盘上布置着线圈绕组，线圈绕组与外部电力电子连接。上下飞轮盘在轴向上相对应的磁钢的极性相反，磁极驱动磁力线来回穿过气隙和电枢盘，构成回路。飞轮储能器的充电和放电由同一个电机完成：充电时电力电子（变频器）驱动电机，带动飞轮加速转动，直到飞轮加速到最高额定转速，此时飞轮储能器充满电，此后飞轮一直保持这个速度；放电时飞轮依靠惯性转动，驱动电机释放出电能，电能通过电力电子（变换器）变换为符合外界要求的电能。

这种飞轮储能器结构存在一些缺点。首先，飞轮储能器使用同一个电机进行充电和放电，不利于其功率大小的灵活布置；在一些场合，飞轮储能器的充电时间可以灵活要求，不必配备大功率的电机和变频器进行充电，但是如果飞轮储能器的放电功率要求大，则必须配备大功率的电机进行放电。使用同一个电机进行充电和放电，大功率的电机就会造成充电系统的浪费，小功率的电机又会造成放电系统功率的不足。其次，大功率的飞轮储能器如果只使用一个电机，电机的体积过大，限制了飞轮转速的提高。还有，使用单个大功率电机工作在飞轮储能器的真空中，散热比较困难。

实用新型内容

本申请人针对上述现有飞轮储能器仅设置有单个电机，灵活性差，散热困难，成本高等缺点，提供一种结构合理的多层盘式飞轮储能器，从而可以灵活配置电机功率，适应多种规格电源输出的需要。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种多层盘式飞轮储能器，定子电枢盘固定在壳体内壁，定子电枢盘上排布有电枢绕组，定子电枢盘的两侧设置有作为飞轮盘的转子，环形轴向交替磁极的磁钢吸附在转子上；所述定子电枢盘至少设置两个，所述定子电枢盘至少包括一个多相绕组定子或一个单相绕组定子。

作为上述技术方案的进一步改进：多个所述的单相绕组定子上的电枢布置相互相差一定角度。

所述多相绕组定子通过变频器连接至输入电源，所述单相绕组定子通过变换器连接至外部输出电路。

定子电枢盘数目优选为4个，其中多相绕组定子设置一个，单相绕组定子设置三个。

所述转子的中央设置有通孔，多个转子在轴向上叠加在中轴上。

所述转子的盘面中央开设有圆形凹槽，并采用环形连接件通过过盈配合连接相邻的上下盘面。

所述磁钢采用永磁材料。

飞轮盘由外部电动机进行充电驱动。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过设置两个或两个以上的多相或单相绕组定子，组成两个或两个以上的多相或单相电机，通过其间任意的搭配，形成多组单相、两相、三相甚至多相的电源输出，增加输出功率的大小，提高了电源配置的灵活性，适应于多种适用场合的领域。本实用新型的单相绕组定子大大降低了制造难度，定子电枢盘厚度减小很多，电机气隙可以更小，电机功率可以更大；同时定子电枢盘厚度的减小有效地提高了电机的散热性能。多个电机的集成可以保证飞轮储能器的充电和放电功率的倍增，在不增加飞轮直径的前提下使飞轮高速旋转，有效的提高了能源的转化与输出。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的中剖图。

图2为本实用新型的实施例二的中剖图。

图3为本实用新型的单相定子电枢盘分布的立体示意图。

图4为本实用新型的实施例三。

图5为本实用新型的实施例四

图6为本实用新型的实施例五。

图中：1、磁钢；2、单相绕组定子；3、多相绕组定子；4、剪切唇；5、磁悬浮轴承；6、真空泵；7、变频器；8、变换器；9、密闭馈通；10、电枢导线；11、壳体；12、转子；13、端盖；14、中轴；15、轴承；16、环形连接件；17、圆形凹槽；18、外部电动机。

具体实施方式

下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型所述的多层盘式飞轮储能器的壳体11两端采用端盖13进行封闭，并用真空泵6将壳体11内部抽成真空；定子电枢盘上排布线圈绕组，并固定在壳体11的内壁上，作为飞轮盘的转子12安装在中央中轴14上，环形轴向交替磁极的磁钢1吸附在飞轮盘端面上，中轴14通过两端轴承15安装在上下端盖13之间，在下端盖与转子12的底部之间，设置有磁悬浮轴承5，磁悬浮轴承5由下端盖和转子底部分别布置磁极相同的永磁体构成，产生相斥的磁场，将整套转子悬浮起来从而减少或者去除轴承轴向荷载。

与现有的单一定子电枢盘的盘式飞轮储能器不同，本实用新型设置多个定子电枢盘，即在壳体11内至少设置一个具有多相绕组定子3的电机作为充电电机（当然也可以作为放电电机），多相绕组定子3通过电枢导线10穿过壳体11上的密闭馈通9，连接至外部的变频器7和输入电源；如果需要此电机放电，则电枢导线10在电机放电的时候连接到变换器8，连接方法为本领域常规技术人员所公知的技术，其他若干电机具有单相绕组定子2，每一组单相绕组定子2连接电枢导线10穿过密闭馈通9，汇集后通过变换器8作为电能输出。相应的在定子电枢盘之间设置有多层转子12，环形轴向交替磁极的磁钢1吸附在转子12的一侧或者两侧端面，磁钢1由永磁体或磁化的磁铁构成，并利用转子12的圆周的剪切唇4形成的环形约束环进行径向约束。实际工作时，磁钢1驱动磁通来回穿过定子电枢盘及其上下的气隙，构成回路，通过转子12旋转，实现充放电。

图1所示为本实用新型的一种实施例，作为充电电路的一个多相绕组定子3设置在壳体11的下部（当然也可以放置在壳体11的上部或其它位置）；三个单相绕组定子2各自独立的平行设置于多相绕组定子3，这三个单相绕组定子2上的电枢布置，必须彼此相差120度的电磁角度，这样它们放电时的输出交流电的波形的相位彼此相差120度，可以保证经过变换器8变换后输出为标准的三相交流电，参见图3。根据情况的需要，例如外界要求飞轮储能器不需要输出标准的三相交流电或者变换器8不需要三个定子电枢盘输出的电流波形相差120度，这三个单相绕组定子2上的电枢布置也可以不做上述角度的要求定子电枢盘上的绕组优先选用利兹导线，可这样以减少涡流损耗；绕组放在由绝磁材料制成的电枢盘上，以减少磁损失和简化制造。相邻的两组定子电枢盘之间设置有转子12，共计五个转子12顺序叠加在中轴14上。旋转时，转子12上外周设置的磁钢1与定子电枢盘上的绕组产生电磁感应，分别形成单相电机与三相电机。本实施例充电时，外部电源通过变频器7输入至多相绕组定子3的电枢上，与多相绕组定子3上下相邻的两个转子12上的磁钢1产生的磁场产生电磁感应，带动全部转子12围绕中轴14旋转直至最高额定转速。放电时，转子12在飞轮惯性原理作用下继续旋转，此时转子12上的磁钢1切割每个电枢盘上的线圈绕组，在每个线圈绕组上产生感应电动势，三个单相绕组通过电枢导线10与外围电路连接，每个单相绕组产生单相电流，三个单相电流通过变换器8的变换成所需要的一个三相交流电向外部输出。在有些情况下，为了增大飞轮储能器的输出功率，需要多相绕组定子3输出电流，此时也可将多相绕组定子3连接变换器8后并与外围电路连接，产生三相电流；三个单相绕组产生的电流和一个三相绕组产生的电流汇集在一起，通过变换器8变换为要求的三相交流电，然后输出去。多相绕组定子3与三个单相绕组定子2必须按照一定的方式布置，保证各自的输出能够同相位，从而能够同相位叠加，该实施方法为本领域常规技术人员所公知的技术。根据情况的需要，例如外界要求飞轮储能器不需要输出标准的三相交流电或者变换器8不需要多相绕组定子3和三个单相绕组定子2输出的电流波形相差一定角度，则多相绕组定子3和三个单相绕组定子2上的电枢布置也可以不做上述角度的要求。

实施例一的飞轮本体由一根中轴14串接多个飞轮盘组成，在盘面中间打孔比较简便，拆卸也容易，便于飞轮本体的拆卸和维护；但是由于飞轮储能器工作时，飞轮始终在高速旋转，产生的离心力会在飞轮盘中央圆孔的边缘产生非常高的应力，长时间工作后，飞轮盘的中央圆孔边缘处结构会产生裂纹，损坏飞轮盘，严重时甚至发生安全危险。图2为本实用新型的另一种实施例，飞轮盘的盘体为实心结构，不设置中央通孔，而在盘面中央开设有圆形凹槽17，并采用金属材质或者高强度的复合材料的环形连接件16通过过盈配合连接相邻的上下盘面；这种结构有效提高了飞轮盘的强度，确保了设备的安全，提高了可靠性。

如图2所示，图中的双折线表示本实用新型可以不止设置三个单相绕组定子2，还可以设置两个或两个以上的任意多数的单相绕组定子2，通过其任意的搭配，形成单相、两相、三相甚至多相的电源输出，并增加输出功率的大小，并提高了电源配置的灵活性，适应于多种适用场合。飞轮储能器充电时，使用的电机可以是其中任意一个电机，可以是单相的，也可以是多相的，根据使用的要求来决定。目前，市场上比较常见的变频器是三相的，为了方便或者降低成本，可以使用这种变频器。

本实用新型的单相绕组定子2大大降低了制造难度，定子电枢盘厚度减小很多，电机气隙可以更小，电机功率可以更大。同时定子电枢盘厚度的减小有效地提高了电机的散热性能。

图4是本实用新型的实施例三。在该结构中，每个定子电枢盘均为多相绕组定子3，形成多个多相电机；每个电机都可以作为电动机和发电机，也可以只作为电动机或发电机；使用多个电机可以保证飞轮储能器的充电和放电功率的倍增。这种结构不需要设计体直径过大的电机，从而可以提高飞轮转速。当然，也可以每一层的定子电枢盘均设置为单相绕组定子2，如图5所示的实施例四。

图6是本实用新型的实施例五。在该结构中，壳体11内部的定子电枢盘与转子结构与上述实施例一、实施实例二、实施例三、实施例四的结构都相同，只是转子12的主轴伸出壳体11的上部，由外部电动机18进行充电驱动，而在放电时，外部电动机18停机，飞轮盘依靠惯性，线圈绕组产生电流向外部输出。外部电动机18可以是多种类型的电机，配置适合自身需要的变频器，这样就可以使用低成本的电机或变频器，从而降低成本。

以上描述是对本实用新型的解释，不是对实用新型的限定，本实用新型所限定的范围参见权利要求，在不违背本实用新型精神的情况下，本实用新型可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种多层盘式飞轮储能器，定子电枢盘固定在壳体（11）内壁，定子电枢盘上排布有电枢绕组，定子电枢盘的两侧设置有作为飞轮盘的转子（12），环形轴向交替磁极的磁钢（1）吸附在转子（12）上；其特征在于：所述定子电枢盘至少设置两个，所述定子至少包括一个多相绕组定子（3）或一个单相绕组定子（2）。

2.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：多个所述单相绕组定子（2）上的电枢布置相互相差一定角度。

3.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：所述多相绕组定子（3）通过变频器（7）连接至输入电源，所述单相绕组定子（2）通过变换器（8）连接至外部输出电路。

4.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：定子电枢盘数目优选为4个，其中多相绕组定子（3）设置一个，单相绕组定子（2）设置三个。

5.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：所述转子（12）的中央设置有通孔，多个转子（12）在轴向上叠加在中轴（14）上。

6.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：所述转子（12）的盘面中央开设有圆形凹槽（17），并采用环形连接件（16）通过过盈配合连接相邻的上下盘面。

7.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：所述磁钢（1）采用永磁材料。

8.按照权利要求1所述的多层盘式飞轮储能器，其特征在于：飞轮盘由外部电动机（18）进行充电驱动。