CN212543563U - 磁悬浮飞轮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磁悬浮飞轮装置，包括壳体，壳体内部嵌有飞轮轴、能量存储与转化部和磁悬浮支撑部，飞轮轴与能量存储与转化部过盈配合，飞轮轴与磁悬浮支撑部过盈配合；用分轮轴、能量存储与转化部与磁悬浮支撑部垂直放置的结构；飞轮轴、变速器及电机之间采用四个离合器连接，该控制离合器的压紧与放松实现飞轮轴与电机的结合与分离，实现飞轮储能的低功耗；磁悬浮支撑部中利用永磁磁轴承和辅助保护轴承实现飞轮装置的悬浮，永磁磁轴承不产生功耗，辅助轴承实现低功耗直至零功耗运行，使整个飞轮装置的悬浮功耗得以降低。

Description

磁悬浮飞轮装置

技术领域

本实用新型属于飞轮储能技术领域，涉及一种磁悬浮飞轮装置。

背景技术

飞轮储能作为高效、清洁、环境适应性强的储能手段，最早是由美国的Richard博士在1973年提出；利用高速旋转的飞轮转子把能量以机械能的方式储存起来，届时以释放机械能的形式输出能量。

飞轮储能装置是由电机驱动飞轮高速旋转，将电能转变为机械能储存的一种储能装置，其具有高储能密度、可大功率、高密度充放电等优点，而将磁轴承应用于飞轮储能装置中，可实现高转速，低功耗，长寿命，充放电次数几乎没有限制等优点，在国防、航空、电力等领域具有广泛的应用前景。但在实际运行的飞轮装置中，对轴承功耗有一定的要求，轴承损耗功率小于电机功率3％以下才有工程实用价值。为降低轴承功耗，使磁轴承能够在实际中得以应用，则需广泛采用不产生功耗的永磁磁力轴承，但永磁轴承在6个自由度方向至少存在一个自由度方向不稳定，所以它不能单独用于支承转子，而必须与其它轴承(如电磁轴承、超导磁轴承或机械轴承)联合使用，这就要求电磁轴承也应是低功耗运行。现有的飞轮储能装置中，虽也有采用磁轴承与永磁磁力轴承相结合的轴承支撑方式，但其一般采用主动磁轴承的结构形式，功耗较高，未能实现飞轮装置的真正低功耗运行。

飞轮转子是飞轮储能系统中最主要的储能部件,是飞轮储能系统设计中的关键环节。飞轮转子所储存的能量为高速旋转产生的动能,高转速将给转子带来极大的负荷,为了达到高转速,就需要转子材料具有很高的强度。对于能源系统,希望它具有高的储能密度(单位质量所储存的能量),也就是希望它能用尽可能小的质量存储尽可能多的能量,飞轮转子的储能密度与转子材料的比强度(强度与密度的比值)呈正比,比强度越高,转子的储能密度越高,因此储能用的飞轮转子的材料应具有密度小,强度高的特点。传统的飞轮采用钢等金属材料,尽管这种飞轮具有工艺成熟、设计简单,价格低廉等优点,但也存在着致命的缺点，比如：低的能量存储密度、需要多点支撑以及较大的空气动力学噪声等。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置，能够降低轴承的功耗，提高飞轮储能密度、飞轮刚度。

本实用新型所采用的技术方案是：一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置，包括壳体，壳体内部嵌有飞轮轴、能量存储与转化部和磁悬浮支撑部，飞轮轴与能量存储与转化部过盈配合，飞轮轴与磁悬浮支撑部过盈配合。

本实用新型的特点还在于，

能量存储与转化部包括飞轮、变速器及电机；飞轮与飞轮轴过盈配合；变速器与飞轮轴通过第一离合器连接；变速器与电机通过第二离合器连接。

磁悬浮支撑部包括第一支撑部和第二支撑部，第一支撑部和第二支撑部设置在飞轮的两侧，第一支撑部和第二支撑部分别与飞轮轴过盈配合。

第一支撑部包括第一辅助轴承和第一永磁轴承，第一辅助轴承与飞轮轴间隙配合；第一永磁轴承与飞轮轴过盈配合。

第二支撑部包括第二永磁轴承和第二辅助轴承，第二永磁轴承与飞轮轴间隙配合，第二辅助轴承与飞轮轴过盈配合。

第一离合器的数量为2个；第二离合器的数量为2个；

第一离合器与第二离合器均选用单片电磁离合器。

变速器采用行星轮变速器。

飞轮轴通过键与其中一个第一离合器的动盘连接，变速器的行星架通过键与其中一个第一离合器的法兰连接；

飞轮轴通过键与另一个第一离合器的动盘连接，变速器的太阳轮轴通过键与另一个第一离合器的法兰连接。

电机的轴通过键与其中一个第二离合器的动盘连接；变速器的太阳轮轴通过键与其中一个第二离合器的法兰连接；

电机的轴通过键与另一个第二离合器的动盘连接；变速器的行星架过键与另一个第二离合器的法兰连接。

飞轮轴嵌有速度传感器；壳体的外部嵌有控制器。

本实用新型的有益效果是：一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置，采用分轮轴、能量存储与转化部与磁悬浮支撑部垂直放置的结构；飞轮轴、变速器及电机之间采用四个离合器连接，该控制离合器的压紧与放松实现飞轮轴与电机的结合与分离，实现飞轮储能的低功耗；磁悬浮支撑部中利用永磁磁轴承和辅助保护轴承实现飞轮装置的悬浮，永磁磁轴承不产生功耗，辅助轴承实现低功耗直至零功耗运行，使整个飞轮装置的悬浮功耗得以降低。本实用新型的一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置的结构紧凑，临界转速高，飞轮转子寿命长，功耗低，在电网调频、电网安全稳定控制、电能质量控制及高功率脉冲等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型磁悬浮飞轮装置的结构示意图；

图2是本实用新型磁悬浮飞轮装置的变速器、第一离合器和第二离合器的结构示意图；

图3是本实用新型磁悬浮飞轮装置的变速器俯视结构示意图。

图中，1.壳体，2.飞轮轴，3.能量存储与转化部，4.磁悬浮支撑部，4-1.第一支撑部，4-1-1.第一辅助轴承，4-1-2.第一永磁轴承，4-2.第二支撑部，4-2-1.第二永磁轴承，4-2-2.第二辅助轴承，5.飞轮，6.变速器，6-1.行星架，6-2.太阳轮，6-3.行星轮，6-4.太阳轮轴，6-5.行星轮轴，7.电机，8.速度传感器，9.控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置，如图1所示，包括壳体1，壳体1内部嵌有飞轮轴2、能量存储与转化部3和磁悬浮支撑部4，飞轮轴2与能量存储与转化部3过盈配合，飞轮轴2与磁悬浮支撑部4过盈配合。当飞轮充能、储能、释放能量时，磁悬浮支撑部4能够降低能量损耗，使飞轮最大程度储存能量。

能量存储与转化部3包括飞轮5、变速器6及电机7；飞轮5与飞轮轴2过盈配合；变速器6与飞轮轴2通过第一离合器连接；变速器6与电机7通过第二离合器连接。

第一离合器的数量为2个，第二离合器的数量为2个。

第一离合器与第二离合器均选用单片电磁离合器，单片电磁离合器的型号为MAYR型号ROBATIC。

变速器6选择行星轮变速器。具体的结构，如图2和图3所示，变速器6包括行星架6-1，行星架6-1的内壁焊接有齿圈，行星架6-1的中心设有太阳轮6-2，太阳轮6-2啮合传动有行星轮6-3，行星轮6-3与齿圈啮合传动；

行星轮6-3设置有3个，每个行星轮6-3均与太阳轮6-2啮合传动；

每个行星轮6-3与齿圈啮合传动。

飞轮轴2通过键与其中一个第一离合器的动盘连接，行星架6-1通过键与其中一个第一离合器的法兰连接；

飞轮轴2通过键与另一个第一离合器的动盘连接，太阳轮轴6-4通过键与另一个第一离合器的法兰连接；

电机7的轴通过键与其中一个第二离合器的动盘连接；太阳轮轴6-4通过键与其中一个第二离合器的法兰连接；

电机7的轴通过键与另一个第二离合器的动盘连接；行星架6-1过键与另一个第二离合器的法兰连接。

如图1所示，磁悬浮支撑部4包括第一支撑部4-1和第二支撑部4-2，第一支撑部4-1和第二支撑部4-2设置在飞轮5的两侧，第一支撑部4-1和第二支撑部4-2分别与飞轮轴2过盈配合；

第一支撑部4-1包括第一辅助轴承4-1-1和第一永磁轴承4-1-2，第一辅助轴承4-1-1与飞轮轴2间隙配合、第一永磁轴承4-1-2过盈配合在飞轮轴2上，第一辅助轴承4-1-1用来控制飞轮轴的轴向定位，第一永磁轴承4-1-2用来径向支撑。

第二支撑部4-2包括第二永磁轴承4-2-1和第二辅助轴承4-2-2，第二永磁轴承4-2-1与飞轮轴2间隙配合、第二辅助轴承4-2-2过盈配合在飞轮轴2上，第一辅助轴承4-2-1用来控制飞轮轴的轴向定位，第一永磁轴承4-2-2用来径向支撑。

第一永磁轴承4-1-1选择内转子结构，第一永磁轴承4-1-1的定子内表面贴装环形永磁体，第一永磁轴承4-1-1的转子外表面贴装环形永磁体。

第二永磁轴承4-2-1选择内转子结构，第二永磁轴承4-2-1的定子内表面贴装环形永磁体，第二永磁轴承4-2-1的转子外表面贴装环形永磁体。

第一永磁轴承4-1-1、第二永磁轴承4-2-1、第一辅助轴承4-1-2、第二辅助轴承4-2-2实现飞轮装置的悬浮，永磁磁轴承不产生功耗，辅助轴承与飞轮轴2间隙配合摩擦力小，能量损耗低，能够实现低功耗直至零功耗运行，使整个飞轮装置的悬浮功耗得以降低。当飞轮充能、储能、释放能量时，磁悬浮支撑部分转子与定子不接触不会对飞轮产生摩擦损耗，能够降低能量损耗，是飞轮最大程度储存能量。

飞轮轴2的上顶端上嵌有速度传感器8。

速度传感器8选用Vibro-meter的PV102型号速度传感器。速度传感器8检测飞轮5转速，将信号传递给控制器9。

控制器9在壳体1外部嵌入安装，控制器9为C51单片机；C51单片机内有STC89C52RC-401芯片；控制器9通过速度传感器8检测飞轮5转速，将飞轮5转速传递给控制器9，控制器9控制第一离合器和第二离合器的结合与分离；进而控制飞轮轴2与行星架6-1、飞轮轴2与太阳轮轴6-4、电机7的轴与太阳轮轴6-4、电机7的轴与行星架6-1的传动。

飞轮5采用铝基碳纤维编制轮廓，压铸铝合金成型，提高了飞轮5的钢度。铝基碳纤维材料提升飞轮的储能密度，使飞轮储能能力提高。

本实用新型的一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置工作过程是：

控制器9控制电机7启动，控制器9接收到速度传感器8检测飞轮转速为0的信号后，控制其中一个第一离合器和其中一个第二离合器结合，电机7的轴与行星架6-1传动，飞轮轴2与太阳轮轴6-4传动，电机7带动变速器6给飞轮5加速，电能转化为飞轮机械能，此过程为飞轮5充能；

控制器9内设定有额定速度450m/s。当速度传感器8检测到飞轮5转速达到轮缘线速度达到450m/s时，控制器9接收到速度传感器8传递的数据后，控制该其中一个第一离合器和其中一个第二离合器分离，飞轮轴2与太阳轮轴6-4分离，电机7的轴与行星架6-1分离，控制器9控制电机7停止运转，飞轮5在真空环境下运转，此过程为飞轮5储能；

当飞轮释放能量时控制器9控制另一个第一离合器和另一个第二离合器的结合，飞轮轴2与行星架6-1传动，电机7的轴与太阳轮轴6-4传动，飞轮作为动力源带动变速器给电机加速，电机工作处于发电状态将飞轮机械能转化为电能，此过程为飞轮5释放能量。

通过上述方式，本实用新型的一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置，采用分轮轴2、能量存储与转化部3与磁悬浮支撑部4垂直放置的结构；飞轮轴2、变速器6及电机7之间采用四个离合器连接，该控制离合器的压紧与放松实现飞轮轴2与电机7的结合与分离，实现飞轮储能的低功耗；磁悬浮支撑部4中利用永磁磁轴承和辅助保护轴承实现飞轮装置的悬浮，永磁磁轴承不产生功耗，辅助轴承实现低功耗直至零功耗运行，使整个飞轮装置的悬浮功耗得以降低。飞轮5的材料选用铝基碳纤维织物，提高飞轮的刚度、飞轮的极限转速和飞轮储能密度。本实用新型的一种磁悬浮支撑碳纤维飞轮装置的结构紧凑，临界转速高，飞轮转子寿命长，功耗低，在电网调频、电网安全稳定控制、电能质量控制及高功率脉冲等领域具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)内部嵌有飞轮轴(2)、能量存储与转化部(3)和磁悬浮支撑部(4)，所述飞轮轴(2)与所述能量存储与转化部(3)过盈配合，所述飞轮轴(2)与所述磁悬浮支撑部(4)过盈配合。

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述能量存储与转化部(3)包括飞轮(5)、变速器(6)及电机(7)；所述飞轮(5)与所述飞轮轴(2)过盈配合；所述变速器(6)与所述飞轮轴(2)通过第一离合器连接；所述变速器(6)与所述电机(7)通过第二离合器连接。

3.如权利要求2所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述磁悬浮支撑部(4)包括第一支撑部(4-1)和第二支撑部(4-2)，所述第一支撑部(4-1)和所述第二支撑部(4-2)设置在所述飞轮(5)的两侧，所述第一支撑部(4-1)和所述第二支撑部(4-2)分别与所述飞轮轴(2)过盈配合。

4.如权利要求3所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述第一支撑部(4-1)包括第一辅助轴承(4-1-1)和第一永磁轴承(4-1-2)，所述第一辅助轴承(4-1-1)与所述飞轮轴(2)间隙配合；所述第一永磁轴承(4-1-2)与所述飞轮轴(2)过盈配合。

5.如权利要求3所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述第二支撑部(4-2)包括第二永磁轴承(4-2-1)和第二辅助轴承(4-2-2)，所述第二永磁轴承(4-2-1)与所述飞轮轴(2)间隙配合，所述第二辅助轴承(4-2-2)与所述飞轮轴(2)过盈配合。

6.如权利要求2所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述第一离合器的数量为2个；所述第二离合器的数量为2个；

所述第一离合器与所述第二离合器均采用单片电磁离合器。

7.如权利要求6所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述变速器(6)采用行星轮变速器。

8.如权利要求7所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述飞轮轴(2)通过键与其中一个所述第一离合器的动盘连接，所述变速器(6)的行星架(6-1)通过键与其中一个所述第一离合器的法兰连接；

所述飞轮轴(2)通过键与另一个所述第一离合器的动盘连接，所述变速器(6)的太阳轮轴(6-4)通过键与另一个所述第一离合器的法兰连接。

9.如权利要求7所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述电机(7)的轴通过键与其中一个所述第二离合器的动盘连接；所述变速器(6)的太阳轮轴(6-4)通过键与其中一个所述第二离合器的法兰连接；

所述电机(7)的轴通过键与另一个所述第二离合器的动盘连接；所述变速器(6)的行星架(6-1)过键与另一个所述第二离合器的法兰连接。

10.如权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮装置，其特征在于，所述飞轮轴(2)嵌有速度传感器(8)；所述壳体(1)的外部嵌有控制器(9)。

Images