CN211958962U

CN211958962U - 一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统

Info

Publication number: CN211958962U
Application number: CN202020905557.0U
Authority: CN
Inventors: 苏森; 王志强
Original assignee: Huachi Kinetic Energy Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Huachi Kinetic Energy Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2030-05-26

Abstract

本实用新型公开了一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，包括：底座、定子外壳、上盖、顶端密封圆板、转子系统、上径向混合磁轴承定子、下径向混合磁轴承定子、轴向永磁被动磁轴承、混合励磁同极型感应子电机定子、连接底座与定子外壳的第一紧固螺栓、连接定子外壳与上盖的第二紧固螺栓、连接上盖与顶端密封圆板的第三紧固螺栓、下端备用轴承系统、下端备用轴承室、磁阻式旋转变压器定子、上端备用轴承室、上端备用轴承系统，本实用新型因此具有结构紧凑、转子比能量利用率高、转子强度高和旋转铁耗低等优势。本实用新型用于15分钟级飞轮UPS电池、电力辅助调频储能电池、高频次充放电特种电池。

Description

一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统

技术领域

本实用新型设计涉及一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，特别涉及一种主被动混合磁悬浮轴承支承和永磁电磁混合励磁的同极型感应子电动发电机。

背景技术

现有的储能飞轮电动发电机，采用三相永磁同步电机、三相异步电机或电励磁同步磁阻电机。当储能飞轮放电时，转速下降永磁同步电机的反电动势随之下降，随着放电深度增加飞轮电机输出功率也随之下降，无法保证额定功率持续放电。电励磁同步磁阻电机尽管能够通过增加励磁电流保持反电动势随转速下降保持恒定，但随着转速下降励磁电流需要持续增加，导致励磁线圈发热，通常飞轮运行在真空环境下，散热条件差，使得难以电机定子温度过高，额定功率输出工况下难以达到温度平衡，并且体积大效率低。现有的商用储能飞轮产品的转子支承方案有：上下径向永磁被动支承、轴向针式油膜轴承方案；上下径向机械轴承支承、轴向电磁轴承卸载支承方案；五自由度全主动磁轴承支承方案。前两种转子支承方案能够支承的转子重量有限；第三种支承方案安全性无法充分保证，高速失稳会导致飞轮损坏甚至造成严重事故。因此，对于大电量储能飞轮需要研究设计全新的方案，满足重型转子的安全可靠支承。

实用新型内容

本实用新型技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，具有转子支承安全可靠、转子比能量密度利用率高、励磁效率高、空间紧凑、损耗低等一系列优点。本实用新型用于15分钟级飞轮UPS电池、电力辅助调频储能电池、高频次充放电特种电池。

本实用新型提出的大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，转子的轴向支承采用永磁被动磁轴承、上下径向为永磁偏置混合磁悬浮轴承。飞轮电机的转子为高强度合金钢实心转子，其转子凸、凹极沿圆周均匀分布，且上下两端为反对称结构。储能飞轮电机的励磁位于电机定子侧，采用永磁体和电励磁的混合励磁方式，电励磁绕组沿转子周向绕制，通入外加电流产生空间磁场，激励磁通从转子一端出来，经过外导磁环、气隙进入转子另一端，使其上下端部磁极极性相反。定子绕组与转子中心轴线平行且沿转子周向均匀分布，并按一定规律绕制，定子绕组通入三相电流，产生空间旋转磁场，对应转子凸极感应电磁力带动电机旋转，由于转子为不含永磁体的实心结构，且沿其周向磁场无磁极极性交变。因此具有结构紧凑、转子比能量利用率高、转子强度高和旋转铁耗低等优势。

本实用新型设计的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的电机额定功率为500kW，储电量为125kWh，额定转速9000rpm，当储能飞轮发电时，转子降速动能转化为电能，从额定转速9000rpm降至6000rpm电机工作于恒功率段，从6000rpm降至2000rpm电机通过增加电励磁绕组的电流来保证额定功率输出，电机的电励磁绕组电流值范围为5A～20A。

本实用新型的技术方案为，一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，包括：底座、定子外壳、上盖、顶端密封圆板、转子系统、上径向混合磁轴承定子、下径向混合磁轴承定子、轴向永磁被动磁轴承、混合励磁同极型感应子电机定子、连接底座与定子外壳的第一紧固螺栓、连接定子外壳与上盖的第二紧固螺栓、连接上盖与顶端密封圆板的第三紧固螺栓、下端备用轴承系统、下端备用轴承室、磁阻式旋转变压器定子、上端备用轴承室、上端备用轴承系统，所述的底座与定子外壳通过个均布的第一紧固螺栓连接、定子外壳与上盖通过个均布的第二紧固螺栓连接，上盖与顶端密封圆板通过个均布的第三紧固螺栓连接，轴向永磁被动磁轴承和下径向混合磁轴承定子安装在底座上，上径向混合磁轴承定子和磁阻式旋转变压器定子安装在上盖上，混合励磁同极型感应子电机定子以过盈热装方式安装在定子外壳上，下端备用轴承系统安装在下端备用轴承室内，下端备用轴承室安装在底座上，上端备用轴承系统安装在上端备用轴承室内，上端备用轴承室安装在上盖上。

进一步的，所述转子系统的径向采用四自由度混合磁悬浮轴承支承，转子下端轴向采用无需主动控制的轴向永磁被动磁轴承支承，混合励磁同极型感应子电机定子的电励磁绕组提供附加的轴向阻尼。

进一步的，所述轴向永磁被动磁轴承包括依次相连的轴向充磁永磁体环A、永磁体环B、永磁体环C、永磁体环D、永磁体环E、外护套和内护套；各个永磁体环之间通过磁钢胶粘接，外护套以过盈热装方式箍在永磁体环E外侧，内护套与永磁体环A以液氮冷装方式压装在永磁体环A内侧。

进一步的，轴向永磁被动磁轴承的定子使用16个均布的螺栓，通过16个均布的螺栓孔与底座紧固连接；磁悬浮储能飞轮系统的轴向永磁被动磁轴承的定子和转子组件具有相同的机械结构和磁路结构，轴向永磁被动磁轴承的转子翻转180后使用16个均布的通过16个均布的螺栓孔与转子系统紧固连接；轴向永磁被动磁轴承永磁体环数为奇数，环数为3、5、7、9环之一。

进一步的，所述大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的电机额定功率为500kW，储电量为125kWh。

进一步的，储能飞轮转子系统包括上径向混合磁轴承转子组件、下径向混合磁轴承转子组件、混合励磁同极型感应子电机转子极、转子储能体、轴向永磁被动磁轴承转子组件、转子上吊装孔、转子下吊装孔，所述的上径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体上的第一电工纯铁导磁环、第一冷轧无取向上导磁叠片环和第一下导磁叠片环、第一位移传感器检测环、第一转子径磁组件锁紧螺母，所述的下径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体上的第二电工纯铁导磁环、第二冷轧无取向上导磁叠片环和第二下导磁叠片环、第二位移传感器检测环、第二转子径磁组件锁紧螺母。

进一步的，混合励磁同极型感应子电机定子包括定子绕组、冷轧无取向上导磁定子铁心叠片环和下导磁定子铁心叠片环、周向盘绕的电励磁绕组、电工纯铁励磁导磁环、上永磁体环和下永磁体环，螺栓用于将电机定子组件紧固，螺栓用于将电机定子组件与定子外壳紧固。

进一步的，混合励磁同极型感应子电机定子周向盘绕的电励磁绕组匝数为300匝，混合励磁同极型感应子电动发电机定转子气隙为4mm，永磁体环的轴向厚度为40mm。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)储能飞轮转子结构紧凑强度高。混合励磁同极型感应子电机的励磁绕组和永磁体都位于电机定子上，而传统的永磁同步电机多采用烧结钕铁硼永磁材料，其抗压强度较大能够达到1000MPa，而抗拉强度很小仅有80MPa左右，需要采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套或碳纤维、玻璃纤维等复合材料护套的新型转子结构，需要对护套应用弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立高速永磁转子应力计算模型，来确定护套和永磁体之间的过盈量，这种复合结构的永磁电机转子分析设计与加工装配工艺复杂，同时由于护套的薄壁结构限制了电机转子部分的直径，使得该部分转子的比能量密度非常低；本实用新型中的励磁绕组和永磁体均位于电机定子上，转子的强度为材料本身的抗拉强度，转子结构紧凑、比能量密度利用率高，显著提高了转子结构的鲁棒性。

(2)转子的径向采用四自由度混合磁悬浮轴承支承，转子下端轴向采用无需主动控制的轴向永磁被动磁轴承支承，混合励磁同极型感应子电机定子的电励磁绕组提供附加的轴向阻尼，支承转子重量由一两百公斤提高到几吨甚至十几吨，储能飞轮额定转速下的储电量由几度电提升到几十度电甚至上百度电；该支承结构轴向无控制故障导致的失稳问题，充分保证了转子系统运行的本质安全性和可靠性。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统剖面图；

图2是根据本实用新型实施例的大电量高功率磁悬浮储能飞轮转子系统剖面图；

图3是根据本实用新型实施例的混合励磁同极型感应子电动发电机定子剖面图；

图4是根据本实用新型实施例的径向混合磁轴承定子剖面图；

图5是根据本实用新型实施例的轴向永磁被动磁轴承剖面图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，所述大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的电机额定功率为500kW，储电量为125kWh，额定转速9000rpm，当储能飞轮发电时，转子降速动能转化为电能，从额定转速9000rpm降至6000rpm电机工作于恒功率段，从6000rpm降至2000rpm电机通过增加电励磁绕组的电流来保证额定功率输出，电机的电励磁绕组电流值范围为5A～20A。

所述大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统包括底座1、定子外壳2、上盖3、顶端密封圆板4、转子系统5、上径向混合磁轴承定子6、下径向混合磁轴承定子7、轴向永磁被动磁轴承8、混合励磁同极型感应子电机定子9、底座1与定子外壳2的第一紧固螺栓10、定子外壳2与上盖3的第二紧固螺栓11、上盖3与顶端密封圆板4的第三紧固螺栓12、下端备用轴承系统13、下端备用轴承室14、磁阻式旋转变压器定子15、上端备用轴承室16、上端备用轴承系统17；

具体的，底座1与定子外壳2通过16个均布的第一紧固螺栓10连接、定子外壳2与上盖3通过16个均布的第二紧固螺栓11连接，上盖3与顶端密封圆板4通过16个均布的第三紧固螺栓12连接，轴向永磁被动磁轴承8和下径向混合磁轴承定子7安装在底座1上，上径向混合磁轴承定子6和磁阻式旋转变压器定子15安装在上盖3上，混合励磁同极型感应子电机定子9以过盈热装方式安装在定子外壳2上，下端备用轴承系统13安装在下端备用轴承室14内，下端备用轴承室14安装在底座1上，上端备用轴承系统17安装在上端备用轴承室16内，上端备用轴承室16安装在上盖3上。储能飞轮转子的最大直径为1600mm。下端备用轴承系统13和上端备用轴承系统17为两只面对面安装的重载角接触轴承，轴承润滑采用能够在真空环境下不挥发的锂基润滑油，备用轴承内圈与转子之间的单边间隙为0.6mm。

如图2所示，本实用新型大电量高功率磁悬浮储能飞轮转子系统包括上径向混合磁轴承转子组件、下径向混合磁轴承转子组件、混合励磁同极型感应子电机转子极506、转子储能体505、轴向永磁被动磁轴承转子组件、转子上吊装孔501、转子下吊装孔512；转子组件507；所述的上径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体505上的第一电工纯铁导磁环514、第一冷轧无取向上导磁叠片环502和第一下导磁叠片环504、第一位移传感器检测环503、第一转子径磁组件锁紧螺母515，所述的下径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体505上的第二电工纯铁导磁环513、第二冷轧无取向上导磁叠片环508和第二下导磁叠片环510、第二位移传感器检测环509、第二转子径磁组件锁紧螺母511。

如图3所示，本实用新型实施例的混合励磁同极型感应子电动发电机定子包括定子绕组901、冷轧无取向上导磁定子铁心叠片环902和下导磁定子铁心叠片环906、周向盘绕的电励磁绕组904、电工纯铁励磁导磁环905、上永磁体环903和下永磁体环907，螺栓909用于将电机定子组件紧固，螺栓908用于将电机定子组件与定子外壳2紧固。周向盘绕的电励磁绕组904通入直流励磁电流后产生的磁场经过电工纯铁励磁导磁环905、冷轧无取向上导磁定子铁心叠片环902、电机定转子气隙、混合励磁同极型感应子电机转子极506、电机定转子气隙、下导磁定子铁心叠片环906闭合。上永磁体环903和下永磁体环907的充磁方向为沿径向倾斜45度角充磁，产生的永磁励磁磁场经过电工纯铁励磁导磁环905、冷轧无取向上导磁定子铁心叠片环902、电机定转子气隙、混合励磁同极型感应子电机转子极506、电机定转子气隙、下导磁定子铁心叠片环906闭合。周向盘绕的电励磁绕组904匝数为300匝，混合励磁同极型感应子电动发电机定转子气隙为4mm，永磁体环的轴向厚度为40mm。

如图4所示，本实用新型实施例的径向混合磁轴承定子包括8个磁轴承控制绕组701、4个沿周向均布的位移传感器定子组件702、导磁叠片磁极703、上电工纯铁导磁环705、轴向充磁永磁体环706、下电工纯铁导磁环707，上下导磁叠片磁极703和位移传感器定子组件702通过4个均布的螺栓704紧固为一个整体，上电工纯铁导磁环705和下电工纯铁导磁环707以过盈热装的方式安装到径向磁轴承隔磁套709上。下径向混合磁轴承定子使用16个均布的螺栓通过16个均布的螺栓孔708与底座1紧固连接。大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的上径向混合磁轴承组件的结构与下径向混合磁轴承组件的结构完全相同，上径向混合磁轴承定子翻转180后使用16个均布的螺栓通过16个均布的螺栓孔708与上盖3紧固连接。径向混合磁轴承定转子之间的单边气隙为1mm。

如图5所示，本实用新型实施例的轴向永磁被动磁轴承(8)包括轴向充磁永磁体环A803、永磁体环B804、永磁体环C805、永磁体环D806、永磁体环E807、外护套808和内护套801。各个永磁体环之间通过磁钢专用胶粘接，外护套808以过盈热装方式箍在永磁体环E807外侧，内护套801与永磁体环A803以液氮冷装方式压装在永磁体环A803内侧。轴向永磁被动磁轴承的定子和图2的转子组件507具有相同的机械结构和磁路结构。轴向永磁被动磁轴承的定子使用16个均布的螺栓，通过16个均布的螺栓孔802与底座1紧固连接。大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的轴向永磁被动磁轴承的定子和转子组件具有完全相同的机械结构和磁路结构，轴向永磁被动磁轴承的转子翻转180后使用16个均布的通过16个均布的螺栓孔802与转子系统5紧固连接。轴向永磁被动磁轴承永磁体环数一般为奇数，环数可以是3、5、7、9环，本实施例中采用5环结构。永磁体环A803充磁方向为轴向充磁上端N极、永磁体环B804充磁方向为径向充磁外侧N极、永磁体环C805充磁方向为轴向充磁上端N极、永磁体环D806充磁方向为径向充磁内侧N极、永磁体环E807充磁方向为轴向充磁上端N极，每一环永磁体均为多块拼装成一个整环。

上述详细描述了大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的示例实施例，但系统并不局限于此处描述的特殊实施例。虽然说明书参照了示例实施例，但可以理解，本领域技术人员可以再说明书的范围内作出各种不同的变形和等效替换。另外，在不背离本说明书主旨的情况下，可以作出修改适应特定环境或材料。因此，说明书不局限在作为最佳实施方式公开的特殊实例中，公开的内容包括落入权利要求保护范围的所有实例。

Claims

1.一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于，包括：底座(1)、定子外壳(2)、上盖(3)、顶端密封圆板(4)、转子系统(5)、上径向混合磁轴承定子(6)、下径向混合磁轴承定子(7)、轴向永磁被动磁轴承(8)、混合励磁同极型感应子电机定子(9)、连接底座(1)与定子外壳(2)的第一紧固螺栓(10)、连接定子外壳(2)与上盖(3)的第二紧固螺栓(11)、连接上盖(3)与顶端密封圆板(4)的第三紧固螺栓(12)、下端备用轴承系统(13)、下端备用轴承室(14)、磁阻式旋转变压器定子(15)、上端备用轴承室(16)、上端备用轴承系统(17)；

所述的底座(1)与定子外壳(2)通过16个均布的第一紧固螺栓(10)连接、定子外壳(2)与上盖(3)通过16个均布的第二紧固螺栓(11)连接，上盖(3)与顶端密封圆板(4)通过16个均布的第三紧固螺栓(12)连接，轴向永磁被动磁轴承(8)和下径向混合磁轴承定子(7)安装在底座(1)上，上径向混合磁轴承定子(6)和磁阻式旋转变压器定子(15)安装在上盖(3)上，混合励磁同极型感应子电机定子(9)以过盈热装方式安装在定子外壳(2)上，下端备用轴承系统(13)安装在下端备用轴承室(14)内，下端备用轴承室(14)安装在底座(1)上，上端备用轴承系统(17)安装在上端备用轴承室(16)内，上端备用轴承室(16)安装在上盖(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

所述转子系统(5)的径向采用四自由度混合磁悬浮轴承支承，转子下端轴向采用无需主动控制的轴向永磁被动磁轴承支承，混合励磁同极型感应子电机定子的电励磁绕组提供附加的轴向阻尼。

3.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

所述轴向永磁被动磁轴承(8)包括依次相连的轴向充磁永磁体环A(803)、永磁体环B(804)、永磁体环C(805)、永磁体环D(806)、永磁体环E(807)、外护套(808)和内护套(801)；各个永磁体环之间通过磁钢胶粘接，外护套(808)以过盈方式箍在永磁体环E(807)外侧，内护套(801)装在永磁体环A(803)内侧。

4.根据权利要求3所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

轴向永磁被动磁轴承(8)的定子使用16个均布的螺栓，通过16个均布的螺栓孔(802)与底座(1)紧固连接；磁悬浮储能飞轮系统的轴向永磁被动磁轴承(8)的定子和转子组件具有相同的机械结构和磁路结构，轴向永磁被动磁轴承的转子翻转180后使用16个均布的通过16个均布的螺栓孔(802)与转子系统(5)紧固连接；轴向永磁被动磁轴承永磁体环数为奇数，环数为3、5、7、9环之一。

5.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

所述大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统的电机额定功率为500kW，储电量为125kWh。

6.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

储能飞轮转子系统包括上径向混合磁轴承转子组件、下径向混合磁轴承转子组件、混合励磁同极型感应子电机转子极(506)、转子储能体(505)、轴向永磁被动磁轴承转子组件、转子上吊装孔(501)、转子下吊装孔(512)，所述的上径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体(505)上的第一电工纯铁导磁环(514)、第一冷轧无取向上导磁叠片环(502)和第一下导磁叠片环(504)、第一位移传感器检测环(503)、第一转子径磁组件锁紧螺母(515)，所述的下径向混合磁轴承转子组件包括热装在转子储能体(505)上的第二电工纯铁导磁环(513)、第二冷轧无取向上导磁叠片环(508)和第二下导磁叠片环(510)、第二位移传感器检测环(509)、第二转子径磁组件锁紧螺母(511)。

7.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

混合励磁同极型感应子电机定子包括定子绕组(901)、冷轧无取向上导磁定子铁心叠片环(902)和下导磁定子铁心叠片环(906)、周向盘绕的电励磁绕组(904)、电工纯铁励磁导磁环(905)、上永磁体环(903)和下永磁体环(907)，螺栓(909)用于将电机定子组件紧固，螺栓(908)用于将电机定子组件与定子外壳(2)紧固。

8.根据权利要求1所述的一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：

混合励磁同极型感应子电机定子周向盘绕的电励磁绕组(904)匝数为300匝，混合励磁同极型感应子电动发电机定转子气隙为4mm，永磁体环的轴向厚度为40mm。