CN209730966U - 应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，包含底座、端盖、机壳、外定子、转子、内定子、被动磁悬浮轴承；机壳立式安装在底座上，机壳顶部为端盖，底部为底座；内定子固定在端盖上，外定子固定在机壳内表面，转子位于内定子和外定子之间，被动磁悬浮轴承安装在内定子中心轴上，外定子和内定子均包含定子铁芯以及缠绕在铁芯槽内的线圈，转子由内外两层由磁粉粘结而成的磁极，均匀的分布在转子的内层和外层。本实用新型双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，可确保转子稳定运行，提高流无刷直流电机输出功率，提高飞轮储能装置的稳态性能和运行的可靠性。

Description

应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置

技术领域

本实用新型涉及储能装置，确切地说是一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能装置做为一种新型的机电能量转换系统，具有使用寿命长、转换效率高、适应性强对环境友好并且免维护等优点，是储能发展的重要方向之一；与传统的低速大型飞轮储能相比，双定子高速磁悬浮飞轮储能具有能量、功率密度高，毫秒级快速响应，结构紧凑等优点，在航空航天、分布式发电、削峰填谷、风力发电系统以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。

传统飞轮储能无刷直流电机多采用单定子结构，轴系多为被动磁悬浮轴承与滚珠轴承和主动磁轴承相配合的形式，轴系结构复杂，控制系统繁琐，系统稳定性较差，损耗较大，而且在一定程度上降低整个系统的使用寿命，且功率小，充电时间较长，不利于飞轮的快充和快放。飞轮储能装置以转子做为储能部件，所以对转子结构强度、低损耗轴系、高效高速无刷直流电机性能要求严格。现有高速飞轮转子采用大块永磁体结构，飞轮在高速运行时，在永磁体内部存在高频谐波，导致产生大量的涡流损耗，使得转子温度升高；由于飞轮在真空下运行，热量不易散出，及其不利于飞轮正产运行。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，该装置不仅能够保证转子的稳定运行，而且其双定子的结构使得该储能装置结构更加紧凑，提高无刷直流电机的输出功率，减少飞轮储能装置的充电时间；同时，转子采用双层磁极结构，可提高飞轮储能装置的功率密度，使飞轮储能装置的稳态性能和可靠性得到保证。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术手段：

一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，包含底座、端盖、机壳、定子、转子，机壳立式安装在底座上，机壳顶部为端盖，底部为底座；所述的定子设有内定子、外定子，内定子固定在端盖上，外定子固定在机壳内表面，转子位于内定子和外定子之间，被动磁悬浮轴承定子部分安装在内定子中心轴上，内定子垂直固定在端盖上；外定子包含外定子铁芯以及缠绕在外定子铁芯槽内的外定子线圈，内定子包括内定子铁芯以及缠绕在槽内的内定子线圈，内定子与外定子的铁芯均由超薄硅钢片叠压而成，内定子绕组和外定子绕组均由高频线圈缠绕而成，做为无刷直流电机的励磁部分；转子包覆在内定子外侧，二者之间有一定间隙，外定子固定在机壳上，外定子与转子之间留有一定间隙；转子设有转子外磁粉层和转子内磁粉层，外磁粉层和转子内磁粉层均匀的分布在转子的内层和外层，内层部分的上部分为与被动磁悬浮轴承配合的被动磁悬浮轴承转子部分，内层部分的下部分是与内定子铁芯配合的无刷直流电机转子部分，外磁粉层形成的磁极与外定子铁芯配合工作，被动磁悬浮轴承转子部分和被动磁悬浮轴承定子部分相配合用于径向支撑；所述转子底部为针式螺旋槽轴承，针式螺旋槽轴承由伞状底托与转子连接，另圆台置于内含有润滑油的轴承座中，对转子形成轴向支撑。

本方案的优点在于：

（1）转子既做为飞轮的储能部件，又集成了与双定子配合的内外永磁磁极部分，使得飞轮本体结构更加紧凑。

（2）内外定子的铁芯均由超薄硅钢片叠压而成，在高频工作时，可降低定子本省的磁滞损耗和涡流损耗。

（3）被动磁悬浮轴承与针式螺旋槽轴承的配合使用，不仅解决了轴承之间的摩擦损耗问题，提高转子的高速动力学性能。

（4）飞轮本体双子定子结构的设计以及转子中的双层磁粉结构，不仅可有效降低永磁结构高频下的涡流损耗，而且可提高系统的整体效率以及单位时间内飞轮全功率额定容量的工作次数。

进一步的优选技术方案如下：

所述的转子为三层结构，转子外磁粉层和转子内磁粉层的中间层为玻璃纤维层。

两层磁粉层和一层玻璃纤维层，既保证了转子与内外定子之间的配合工作，也包含了与定子被动磁悬浮轴承配合工作的转子被动磁悬浮轴承部分，使得整体结构更加简洁紧凑。

所述的内层和外层均由钕铁硼磁粉混合环氧树脂及高强度复合材料缠绕而成。

所述的内定子和外定子采用环氧树脂灌封并缠绕增强纤维进行固化。

所述的针式螺旋槽轴承的圆台表面均匀的刻有斜槽，该斜槽结构为润滑油提供油路进入轴承座，持续消除针式螺旋槽轴承与轴承座的摩擦。当转子达到一定转速时，圆台和轴承座表面之间形成一层油膜，使转子处于悬浮状态。螺旋槽轴承与被动磁悬浮轴承的配合使用，不仅可以保证无刷直流电机的轴系稳定性，而且保证转动部件不接触，降低了整个系统的摩擦损耗，提高了无刷直流电机的整体效率。

所述的被动磁悬浮轴承定子部分设有多个圆环形永磁体。

附图说明

图1为本实用新型实施例的纵向剖面图；

图2为图1中A-A线剖视图；

图3为图1中B-B线剖视图；

图4为被动磁悬浮轴承部分图；

图5为螺旋槽轴承部分图；

图中，1-端盖，2-转子，3-内定子，4-螺旋槽轴承，5-轴承座，6-被动磁悬浮轴承定子部分，7-机壳，8-外定子，9-底座，10-外定子铁芯，11-外定子绕组，12-转子外磁粉层，13-玻璃纤维层，14-转子内磁粉层，15-内定子绕组，16-内定子铁芯，17-被动磁悬浮轴承转子部分，18-圆台，19-连接件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本实用新型。

参见图1-图5，一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，由底座9、端盖1、机壳7、定子、转子2组成；机壳7立式安装在底座9上，机壳7顶部为端盖1，底部为底座9；所述的定子设有内定子3、外定子8，内定子3固定在端盖1上，外定子8固定在机壳7内表面，转子2位于内定子3和外定子8之间，被动磁悬浮轴承定子部分6安装在内定子3中心轴上，内定子3垂直固定在端盖1上；外定子8包含外定子铁芯10以及缠绕在外定子铁芯10槽内的外定子8线圈，内定子3包括内定子铁芯16以及缠绕在槽内的内定子3线圈，内定子3与外定子8的铁芯均由超薄硅钢片叠压而成，内定子绕组15和外定子绕组11均由高频线圈缠绕而成，做为无刷直流电机的励磁部分；转子2包覆在内定子3外侧，二者之间有一定间隙，外定子8固定在机壳7上，外定子8与转子2之间留有一定间隙；转子2设有转子外磁粉层12和转子内磁粉层14，外磁粉层和转子内磁粉层14均匀的分布在转子2的内层和外层，内层部分的上部分为与被动磁悬浮轴承配合的被动磁悬浮轴承转子部分17，内层部分的下部分是与内定子铁芯16配合的无刷直流电机转子2部分，外磁粉层形成的磁极与外定子铁芯10配合工作，被动磁悬浮轴承转子部分17和被动磁悬浮轴承定子部分6相配合用于径向支撑；所述转子2底部为针式螺旋槽轴承4，针式螺旋槽轴承4由伞状底托与转子2连接，另圆台18置于内含有润滑油的轴承座5中，对转子2形成轴向支撑。

螺旋槽轴承4上部通过连接件19固定在转子2底部，中间靠圆柱连接底部圆台18：圆台18坐落在轴承座5中，轴承座5内装有润滑油，轴承座5内有与圆台18表面斜槽配合的凹槽。

所述的转子2为三层结构，转子外磁粉层12和转子内磁粉层14的中间层为玻璃纤维层13。

两层磁粉层和一层玻璃纤维层13，既保证了转子2与内外定子8之间的配合工作，也包含了与定子被动磁悬浮轴承配合工作的转子2被动磁悬浮轴承部分，使得整体结构更加简洁紧凑。

所述的内层和外层均由钕铁硼磁粉混合环氧树脂及高强度复合材料缠绕而成。

两层磁粉层均由钕铁硼粉末、高强度玻璃纤维复合材料构成，经Halbach充磁形成磁极。这种方式不仅提高了转子2强度，使转子2的高速性能更优，而且使得转子2磁场更接近理想的正弦曲线，内外双层磁粉结构，提高转子2利用率。

所述的内定子3和外定子8采用环氧树脂灌封并缠绕增强纤维进行固化。

所述的针式螺旋槽轴承4的圆台18表面均匀的刻有斜槽，该斜槽结构为润滑油提供油路进入轴承座5，持续消除针式螺旋槽轴承4与轴承座5的摩擦。当转子2达到一定转速时，圆台18和轴承座5表面之间形成一层油膜，使转子2处于悬浮状态。螺旋槽轴承4与被动磁悬浮轴承的配合使用，不仅可以保证无刷直流电机的轴系稳定性，而且保证转动部件不接触，降低了整个系统的摩擦损耗，提高了无刷直流电机的整体效率。

所述的被动磁悬浮轴承定子部分6设有多个圆环形永磁体。

本实施例的优点在于：

（1）转子2既做为飞轮的储能部件，又集成了与双定子配合的内外永磁磁极部分，使得飞轮本体结构更加紧凑。

（2）内外定子8的铁芯均由超薄硅钢片叠压而成，在高频工作时，可降低定子本省的磁滞损耗和涡流损耗。

（3）被动磁悬浮轴承与针式螺旋槽轴承4的配合使用，不仅解决了轴承之间的摩擦损耗问题，提高转子2的高速动力学性能。

（4）飞轮本体双子定子结构的设计以及转子2中的双层磁粉结构，不仅可有效降低永磁结构高频下的涡流损耗，而且可提高系统的整体效率以及单位时间内飞轮全功率额定容量的工作次数。

本实施例是集永磁电动机/发电机于一体的大功率高效储能系统。飞轮与无刷直流电机转子2融合为一体，利用转子2内外定子8励磁，促使转子2旋转，将电能转化为机械能进行储存，此时为电动机模式；当外界需要能量时，由转子2旋转的机械能转化为定子反电势，通过控制器供给用户。在这个过程中，实现了能量双向转换，即可在电能富裕期储存能量，又可在电能匮乏期释放能量。该种性能，使得飞轮储能装置可广泛应用于电网系统，城市轨道交通领域等。

以上所述仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，包含底座、端盖、机壳、定子、转子，机壳立式安装在底座上，机壳顶部为端盖，底部为底座；其特征在于：所述的定子设有内定子、外定子，内定子固定在端盖上，外定子固定在机壳内表面，转子位于内定子和外定子之间，被动磁悬浮轴承定子部分安装在内定子中心轴上，内定子垂直固定在端盖上；外定子包含外定子铁芯以及缠绕在外定子铁芯槽内的外定子线圈，内定子包括内定子铁芯以及缠绕在槽内的内定子线圈，内定子与外定子的铁芯均由超薄硅钢片叠压而成，内定子绕组和外定子绕组均由高频线圈缠绕而成，做为无刷直流电机的励磁部分；转子包覆在内定子外侧，二者之间有一定间隙，外定子固定在机壳上，外定子与转子之间留有一定间隙；转子设有转子外磁粉层和转子内磁粉层，外磁粉层和转子内磁粉层均匀的分布在转子的内层和外层，内层部分的上部分为与被动磁悬浮轴承配合的被动磁悬浮轴承转子部分，内层部分的下部分是与内定子铁芯配合的无刷直流电机转子部分，外磁粉层形成的磁极与外定子铁芯配合工作，被动磁悬浮轴承转子部分和被动磁悬浮轴承定子部分相配合用于径向支撑；所述转子底部为针式螺旋槽轴承，针式螺旋槽轴承由伞状底托与转子连接，另圆台置于内含有润滑油的轴承座中，对转子形成轴向支撑。

2.根据权利要求1所述的应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，其特征在于：所述的转子为三层结构，转子外磁粉层和转子内磁粉层的中间层为玻璃纤维层。

3.根据权利要求1所述的应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，其特征在于：所述的内层和外层均由钕铁硼磁粉混合环氧树脂及高强度复合材料缠绕而成。

4.根据权利要求1所述的应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，其特征在于：所述的内定子和外定子采用环氧树脂灌封并缠绕增强纤维进行固化。

5.根据权利要求1所述的应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，其特征在于：所述的针式螺旋槽轴承的圆台表面均匀的刻有斜槽，该斜槽结构为润滑油提供油路进入轴承座，持续消除针式螺旋槽轴承与轴承座的摩擦。

6.根据权利要求1所述的应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置，其特征在于：所述的被动磁悬浮轴承定子部分设有多个圆环形永磁体。