CN221177424U - 飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件及飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件及飞轮储能装置。飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，包括固定布设的上盖和底座，以及转动轴由上盖向底座方向布设且可转动地布设于上盖与底座之间的飞轮转子，飞轮转子与上盖之间设置有至少两组用于对飞轮转子进行主动磁悬浮控制的轴向磁轴承，相邻两组轴向磁轴承在飞轮转子的径向方向呈间隔排布。以相对较小的控制电流实现对飞轮转子的轴向主动磁悬浮控制，从而大幅降低了其悬浮控制功耗。特别适用于重型飞轮转子的使用。

Description

飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件及飞轮储能装置

技术领域

本实用新型涉及机械储能装置技术领域，特别地，涉及一种飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件。此外，本实用新型还涉及一种包括上述飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件的飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，飞轮储能的基本原理是电能与旋转体动能之间的转换：在储能阶段，通过电动机拖动飞轮加速，将电能转换为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，飞轮电机减速，将机械能转换为电能并输出。飞轮储能系统是一种具有广阔应用前景的机械储能系统，具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。

在相关技术中，为实现飞轮转子的重力支撑，一般采用磁轴承进行平衡支撑，如中国发明专利CN115395719A内部为真空环境的储能飞轮和储能设备，公开了：储能飞轮还包括轴向磁轴承和径向磁轴承，轴向磁轴承和径向磁轴承均设于第一壳体内，轴向磁轴承用于在飞轮转子的高度方向上保持飞轮转子的平衡，径向磁轴承包括两组，且两组径向磁轴承在飞轮转子的高度方向上间隔布置，两组径向磁轴承用于在飞轮转子的周向上保持飞轮转子的平衡。但是其为了实现平衡支撑，轴向磁轴承与径向磁轴承均采用轴向相对成组排布的方式，磁轴承之间彼此制约、彼此产生作用力的抵消，需要消耗大量的能量来维持飞轮转子的平衡，特别是针对于重型飞轮转子时，导致能耗增加、成本增加。

实用新型内容

本实用新型提供了一种飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件及飞轮储能装置，以解决现有飞轮转子的重力支撑结构，能耗高、成本高的技术问题。

根据本实用新型的一个方面，提供一种飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，包括固定布设的上盖和底座，以及转动轴由上盖向底座方向布设且可转动地布设于上盖与底座之间的飞轮转子，飞轮转子与上盖之间设置有至少两组用于对飞轮转子进行主动磁悬浮控制的轴向磁轴承，相邻两组轴向磁轴承在飞轮转子的径向方向呈间隔排布。

进一步地，多组轴向磁轴承包括第一轴向磁轴承以及第二轴向磁轴承，第一轴向磁轴承采用电磁吸力轴承，第二轴向磁轴承采用永磁吸力轴承。

进一步地，第一轴向磁轴承的静止部分包括固定布设于上盖上的铁芯以及镶嵌于铁芯内的线圈，铁芯的朝向底座的一面的中部开设有第一圆环形凹槽，第一圆环形凹槽的两个槽壁设有磁极，线圈镶嵌于第一圆环形凹槽中并采用环氧树脂胶进行灌封固定；第一轴向磁轴承的运动部分包括设于飞轮转子上并随飞轮转子转动的第一转子导磁体，铁芯和线圈与第一转子导磁体呈相对的布设。

进一步地，第一轴向磁轴承的静止部分与运动部分之间形成有第一气隙，第一气隙的间隙长度为0.3mm～0.6mm。

进一步地，第二轴向磁轴承的静止部分包括固定布设于上盖上的磁轭以及镶嵌于磁轭内的永磁磁钢，磁轭的朝向底座的一面的中部开设有第二圆环形凹槽，第二圆环形凹槽的两个槽壁设有磁极，永磁磁钢为轴向充磁的圆环体，多块永磁磁钢沿轴向依次拼接并镶嵌于第二圆环形凹槽内，并使永磁磁钢的外端面与磁轭的磁极面处于同一平面；第二轴向磁轴承的活动部分包括设于飞轮转子上并随飞轮转子转动的第二转子导磁体，磁轭和永磁磁钢与第二转子导磁体呈相对的布设。

进一步地，第二轴向磁轴承的静止部分与运动部分之间形成有第二气隙，第二气隙的间隙长度为0.6mm～2.0mm。

进一步地，第一轴向磁轴承的静止部分与活动部分之间形成的第一气隙的间隙长度小于第二轴向磁轴承的静止部分与活动部分之间形成的第二气隙的间隙长度。

进一步地，上盖上开设有沿轴向布设的通孔，飞轮转子的转子轴通过第一径向轴承转动连接在上盖的通孔内；底座的朝向上盖的一面开设有盲孔，飞轮转子的转子轴通过第二径向轴承转动连接在底座的盲孔内，第一径向轴承、通孔、第二径向轴承以及盲孔同轴布设。

进一步地，飞轮转子的转子轴的轴端与盲孔的孔底之间留有3mm～5mm的安全间距。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种飞轮储能装置，其包括上述飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，在飞轮转子可转动地布设于上盖与底座的基础上，在飞轮转子与上盖之间布设间隔排布的至少两组轴向磁轴承，轴向磁轴承协同作用，通过主动磁悬浮控制的方式以实现飞轮转子的重力支撑；轴向磁轴承均处于飞轮转子的一侧，优选地轴向磁轴承均处于与飞轮转子重力方向相反的一侧，且沿飞轮转子的径向间隔排布，轴向磁轴承彼此之间是协同增效作用，相对作用力仅有飞轮转子的重力，进而做到低耗下的促使飞轮转子的平衡稳定。具体地：至少两组轴向磁轴承构成对飞轮转子的多点向上的磁吸力，结合飞轮转子自身重力，实现对飞轮转子的轴向主动磁悬浮控制，进而形成对飞轮转子的稳定支撑。相对于单一电磁轴承，或者呈上下相对布设的两组电磁轴承，本实用新型飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，可以以相对较小的控制电流实现对飞轮转子的轴向主动磁悬浮控制，从而大幅降低了其悬浮控制功耗。特别适用于重型飞轮转子的使用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件的结构示意图；

图2是图1的局部放大图。

图例说明：

1、上盖；101、通孔；2、底座；201、盲孔；3、飞轮转子；4、第一轴向磁轴承；401、铁芯；4011、第一圆环形凹槽；402、线圈；403、第一气隙；5、第二轴向磁轴承；501、磁轭；5011、第二圆环形凹槽；502、永磁磁钢；503、第二气隙；6、第一径向轴承；7、第二径向轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本实用新型优选实施例的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件的结构示意图；图2是图1的局部放大图。

如图1所示，本实施例的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，包括固定布设的上盖1和底座2，以及转动轴由上盖1向底座2方向布设且可转动地布设于上盖1与底座2之间的飞轮转子3，飞轮转子3与上盖1之间设置有至少两组用于对飞轮转子3进行主动磁悬浮控制的轴向磁轴承，相邻两组轴向磁轴承在飞轮转子3的径向方向呈间隔排布。本实用新型飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，在飞轮转子3可转动地布设于上盖1与底座2的基础上，在飞轮转子3与上盖1之间布设间隔排布的至少两组轴向磁轴承，其中一组轴向磁轴承为电磁吸力磁轴承，另一组轴向磁轴承为永磁吸力磁轴承，轴向磁轴承协同作用，通过主动磁悬浮控制的方式以实现飞轮转子3的重力支撑；轴向磁轴承均处于飞轮转子3的一侧，优选地轴向磁轴承均处于与飞轮转子3重力方向相反的一侧，且沿飞轮转子3的径向间隔排布，轴向磁轴承彼此之间是协同增效作用，相对作用力仅有飞轮转子3的重力，进而做到低耗下的促使飞轮转子3的平衡稳定。具体地：至少两组轴向磁轴承构成对飞轮转子3的多点向上的磁吸力，结合飞轮转子3自身重力，实现对飞轮转子3的轴向主动磁悬浮控制，进而形成对飞轮转子3的稳定支撑。相对于单一电磁轴承，或者呈上下相对布设的两组电磁轴承，本实用新型飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，可以以相对较小的控制电流实现对飞轮转子3的轴向主动磁悬浮控制，从而大幅降低了其悬浮控制功耗；另外，多组轴向磁轴承的协同增效作用，还在于彼此构成飞轮转子3上下摆动的限制，进而促进飞轮转子3转动平稳；有效制止飞轮转子3失稳掉落。特别适用于重型飞轮转子3的使用。可选地，轴向磁轴承布设两组、三组、四组或者五组，其中包含至少一组电磁吸力轴承和一组永磁吸力轴承；通过增设轴向磁轴承，彼此产生磁悬浮增效控制的同时，将飞轮转子3的重力进行分散，可以一定程度的降低悬浮控制功耗；但是轴向磁轴承的数量也不是越多越好，当轴向磁轴承增加超过上限以后，彼此将会形成干涉，而导致悬浮控制功耗增加。可选地，轴向磁轴承靠近飞轮转子3的外边排布。可选地，相邻两组轴向磁轴承之间的最小间隔距离，以使其各自磁路不产生相互影响为准。

如图1所示，本实施例中，多组轴向磁轴承包括第一轴向磁轴承4以及第二轴向磁轴承5，第一轴向磁轴承4采用电磁吸力轴承，第二轴向磁轴承5采用永磁吸力轴承。第一轴向磁轴承4为电磁吸力轴承，承载飞轮转子3的10～20％重力，第二轴向磁轴承5为永磁吸力轴承，承载飞轮转子3的80～90％重力。在第一轴向磁轴承4对飞轮转子3向上可控吸力、第二轴向磁轴承5对飞轮转子3向上的吸力、以及飞轮转子3的重力作用下，实现对飞轮转子3的轴向主动磁悬浮控制。由于第二轴向磁轴承5承载了飞轮转子3的大部分重力，第一轴向磁轴承4只承载飞轮转子3的小部分重力，相比于只采用单一电磁轴承的技术方案，本实用新型技术方案以较小的控制电流实现了实现对飞轮转子3的轴向主动磁悬浮控制，从而大幅降低了其悬浮控制功耗。可选地，第一轴向磁轴承4靠近飞轮转子3的外边布设，第二轴向磁轴承5远离飞轮转子3的外边布设；或者第一轴向磁轴承4远离飞轮转子3的外边布设，第二轴向磁轴承5靠近飞轮转子3的外边布设。可选地，第二轴向磁轴承5与第一轴向磁轴承4相隔适当间距，以使得其各自磁路不产生相互影响。

如图1和图2所示，本实施例中，第一轴向磁轴承4的静止部分包括固定布设于上盖1上的铁芯401以及镶嵌于铁芯401内的线圈402，铁芯401的朝向底座2的一面的中部开设有第一圆环形凹槽4011，第一圆环形凹槽4011的两个槽壁设有磁极，线圈402镶嵌于第一圆环形凹槽4011中并采用环氧树脂胶进行灌封固定；第一轴向磁轴承4的运动部分包括设于飞轮转子3上并随飞轮转子3转动的第一转子导磁体，铁芯401和线圈402与第一转子导磁体呈相对的布设。可选地，第一轴向磁轴承4设于外边，其静止部分包括铁芯401和线圈402。可选地，铁芯401采用导磁性能良好的金属材料如10号钢制造。第一轴向磁轴承4的铁芯401上端面与上盖1的下端面相接，用螺钉将第一轴向磁轴承4的铁芯401与上盖1连接，第一轴向磁轴承4的转子导磁体与飞轮转子3一体制造。第一轴向磁轴承4的磁极面与飞轮转子3的上端面之间设有第一气隙403，线圈402通控制电流时形成电磁磁动势，在第一气隙403产生可控磁通，形成对飞轮转子3的向上可控吸力。

如图1和图2所示，本实施例中，第一轴向磁轴承4的静止部分与运动部分之间形成有第一气隙403，第一气隙403的间隙长度为0.3mm～0.6mm，以保障第一轴向磁轴承4的安全工作范围，并使得第一轴向磁轴承4的电磁磁动势利用效率较高。

如图1和图2所示，本实施例中，第二轴向磁轴承5的静止部分包括固定布设于上盖1上的磁轭501以及镶嵌于磁轭501内的永磁磁钢502，磁轭501的朝向底座2的一面的中部开设有第二圆环形凹槽5011，第二圆环形凹槽5011的两个槽壁设有磁极，永磁磁钢502为轴向充磁的圆环体，多块永磁磁钢502沿轴向依次拼接并镶嵌于第二圆环形凹槽5011内，并使永磁磁钢502的外端面与磁轭501的磁极面处于同一平面；第二轴向磁轴承5的活动部分包括设于飞轮转子3上并随飞轮转子3转动的第二转子导磁体，磁轭501和永磁磁钢502与第二转子导磁体呈相对的布设。可选地，第二轴向磁轴承5设于内边，其静止部分包括永磁磁钢502与磁轭501。可选地，磁轭501采用导磁性能良好的金属材料如10号钢制造。可选地，磁轭501的上端面与上盖1的下端面相接，用螺钉将第二轴向磁轴承5的磁轭501与上盖1连接。可选地，第二轴向磁轴承5的转子导磁体与飞轮转子3一体制造。第二轴向磁轴承5的下端面与飞轮转子3的上端面之间设有第二气隙503，永磁磁钢502的磁动势在第二气隙503产生磁通，形成对飞轮转子3的向上吸力。

如图1和图2所示，本实施例中，第二轴向磁轴承5的静止部分与运动部分之间形成有第二气隙503，第二气隙503的间隙长度为0.6mm～2.0mm，以保障第二轴向磁轴承5的安全工作范围，并使得第二轴向磁轴承5的电磁磁动势利用效率较高。

如图1所示，本实施例中，第一轴向磁轴承4的静止部分与活动部分之间形成的第一气隙403的间隙长度小于第二轴向磁轴承5的静止部分与活动部分之间形成的第二气隙503的间隙长度，以保障第一轴向磁轴承4与第二轴向磁轴承5的安全工作范围，并使得第一轴向磁轴承4的电磁磁动势和第二轴向磁轴承5的永磁磁动势利用效率较高。

如图1所示，本实施例中，上盖1上开设有沿轴向布设的通孔101，飞轮转子3的转子轴通过第一径向轴承6转动连接在上盖1的通孔101内；底座2的朝向上盖1的一面开设有盲孔201，飞轮转子3的转子轴通过第二径向轴承7转动连接在底座2的盲孔201内，第一径向轴承6、通孔101、第二径向轴承7以及盲孔201同轴布设。

如图1所示，本实施例中，飞轮转子3的转子轴的轴端与盲孔201的孔底之间留有3mm～5mm的安全间距。在盲孔201内设有第二径向轴承7，飞轮转子3的转动轴下部穿过第二径向轴承7的内孔，飞轮转子3的转动轴下端面与盲孔201之间留有3mm～5mm安全间距，能够自适应于飞轮转子3受到外力下的微小振动等情况，避免飞轮转子3的转动轴轴端发生撞击。其中，飞轮转子3的转动轴下端面与盲孔201之间留有的安全间距过小而小于3mm时，当发生飞轮转子3的微小振动时，容易使飞轮转子3的转动轴端部误触盲孔201底部而导致整个飞轮转子3失稳，甚至导致整个飞轮储能装置破坏；飞轮转子3的转动轴下端面与盲孔201之间留有的安全间距过大而大于5mm时，使得底座2的厚度增加，进而导致整个飞轮储能装置尺寸增加、成本增加。

在一些实施例中，第二径向轴承7为主动控制磁轴承，第二径向轴承7的外圆周面与盲孔201的内圆周面过盈配合，第二径向轴承7的内圆周面与飞轮转子3的转动轴的外圆周面之间设有工作气隙，为保证在转子着陆及失稳时不损坏磁轴承，此时在第二径向轴承7的下面设有飞轮转子3的着陆保护机械轴承，着陆保护机械轴承与第二径向轴承7同轴安装，其内圆周面与转动轴的外圆周面之间设有保护间隙，保护间隙的径向长度为第二径向轴承7的工作气隙径向长度的1/3～1/5。

在一些实施例中，第二径向轴承7为机械轴承，第二径向轴承7的外圆周面与盲孔201的内圆周面间隙配合，第二径向轴承7的内圆周面与飞轮转子3的转动轴的外圆周面之间间隙配合。

进一步地，在通孔101下部内设有第一径向轴承6，飞轮转子3的转动轴上部穿过第一径向轴承6的内孔。

在一些实施例中，第一径向轴承6为主动控制磁轴承，第一径向轴承6的外圆周面与通孔101的内圆周面过盈配合，第一径向轴承6的内圆周面与飞轮转子3的转动轴的外圆周面之间设有工作气隙；为保证在转子着陆及失稳时不损坏磁轴承，此时在第一径向轴承6的上面设有飞轮转子3的着陆保护机械轴承，着陆保护机械轴承与第一径向轴承6同轴安装，其内圆周面与转动轴的外圆周面之间设有保护间隙，保护间隙的径向长度为第一径向轴承6的工作气隙径向长度的1/3～1/5。

在一些实施例中，第一径向轴承6为机械轴承，第一径向轴承6的外圆周面与通孔101的内圆周面间隙配合，第一径向轴承6的内圆周面与飞轮转子3的转动轴的外圆周面之间间隙配合。

在一些实施例中，第一径向轴承6和第二径向轴承7同时为主动控制磁轴承，为保证第一径向轴承6和第二径向轴承7同步工作，第一径向轴承6和第二径向轴承7的工作气隙取相同长度，其保护机械轴承的保护间隙也取相同长度。

本实施例的飞轮储能装置，其包括上述飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，包括固定布设的上盖(1)和底座(2)，以及转动轴由上盖(1)向底座(2)方向布设且可转动地布设于上盖(1)与底座(2)之间的飞轮转子(3)，

其特征在于，

飞轮转子(3)与上盖(1)之间设置有至少两组用于对飞轮转子(3)进行主动磁悬浮控制的轴向磁轴承，

相邻两组轴向磁轴承在飞轮转子(3)的径向方向呈间隔排布。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

多组轴向磁轴承包括第一轴向磁轴承(4)以及第二轴向磁轴承(5)，

第一轴向磁轴承(4)采用电磁吸力轴承，第二轴向磁轴承(5)采用永磁吸力轴承。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

第一轴向磁轴承(4)的静止部分包括固定布设于上盖(1)上的铁芯(401)以及镶嵌于铁芯(401)内的线圈(402)，

铁芯(401)的朝向底座(2)的一面的中部开设有第一圆环形凹槽(4011)，第一圆环形凹槽(4011)的两个槽壁设有磁极，线圈(402)镶嵌于第一圆环形凹槽(4011)中并采用环氧树脂胶进行灌封固定；

第一轴向磁轴承(4)的运动部分包括设于飞轮转子(3)上并随飞轮转子(3)转动的第一转子导磁体，铁芯(401)和线圈(402)与第一转子导磁体呈相对的布设。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

第一轴向磁轴承(4)的静止部分与运动部分之间形成有第一气隙(403)，

第一气隙(403)的间隙长度为0.3mm～0.6mm。

5.根据权利要求2所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

第二轴向磁轴承(5)的静止部分包括固定布设于上盖(1)上的磁轭(501)以及镶嵌于磁轭(501)内的永磁磁钢(502)，

磁轭(501)的朝向底座(2)的一面的中部开设有第二圆环形凹槽(5011)，第二圆环形凹槽(5011)的两个槽壁设有磁极，

永磁磁钢(502)为轴向充磁的圆环体，多块永磁磁钢(502)沿轴向依次拼接并镶嵌于第二圆环形凹槽(5011)内，并使永磁磁钢(502)的外端面与磁轭(501)的磁极面处于同一平面；

第二轴向磁轴承(5)的活动部分包括设于飞轮转子(3)上并随飞轮转子(3)转动的第二转子导磁体，磁轭(501)和永磁磁钢(502)与第二转子导磁体呈相对的布设。

6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

第二轴向磁轴承(5)的静止部分与运动部分之间形成有第二气隙(503)，

第二气隙(503)的间隙长度为0.6mm～2.0mm。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

第一轴向磁轴承(4)的静止部分与活动部分之间形成的第一气隙(403)的间隙长度小于第二轴向磁轴承(5)的静止部分与活动部分之间形成的第二气隙(503)的间隙长度。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

上盖(1)上开设有沿轴向布设的通孔(101)，飞轮转子(3)的转子轴通过第一径向轴承(6)转动连接在上盖(1)的通孔(101)内；

底座(2)的朝向上盖(1)的一面开设有盲孔(201)，飞轮转子(3)的转子轴通过第二径向轴承(7)转动连接在底座(2)的盲孔(201)内，

第一径向轴承(6)、通孔(101)、第二径向轴承(7)以及盲孔(201)同轴布设。

9.根据权利要求8所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件，其特征在于，

飞轮转子(3)的转子轴的轴端与盲孔(201)的孔底之间留有3mm～5mm的安全间距。

10.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的飞轮储能装置用飞轮转子重力支撑组件。