CN221748110U - 一种电机下置式平衡飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电机下置式平衡飞轮储能装置，包括：壳体；通过中心轴设置于所述壳体内腔的飞轮；通过中心轴安装于所述壳体内腔的电机，且电机位于所述飞轮下方；通过中心轴安装于所述壳体上下两端的轴承组件；所述轴承组件包括：分别安装于壳体上、下两端用于对轴承进行限位的上、下轴承座；分别安装于上、下轴承座与中心轴之间的上、下保护轴承；分别安装于上、下轴承座的上、下径向磁轴承；安装于上径向磁轴承下方的轴向磁轴承。通过本发明，不仅方便飞轮轴向卸载，还避免了轴向磁轴承与电机之间形成干涉，同时轴向磁轴承的磁力与飞轮的重力形成平衡，提高了飞轮的稳定性。

Description

一种电机下置式平衡飞轮储能装置

技术领域

本申请涉及飞轮储能装置技术领域，更具体地说，是一种电机下置式平衡飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能装置是一种利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。这种装置主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。

立式飞轮储能装置的飞轮和电机轴是垂直设置，立式飞轮储能装置适合用于需要垂直存储动能的场景。

立式飞轮储能装置的飞轮转速更快，可以更快地进行能量存储和转化，更适合用于需要快速响应的场景，但由于现有技术中，立式飞轮储能电机普遍安装在飞轮上方，不仅造成飞轮卸载困难，还造成轴向磁轴承与电机之间形成干涉，影响了轴向磁轴承对飞轮施加的轴向磁力。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供一种电机下置式平衡飞轮储能装置，将电机置于飞轮储存装置内部的飞轮下方，不仅方便飞轮轴向卸载，还避免了轴向磁轴承与电机之间形成干涉，同时轴向磁轴承与飞轮的重力形成平衡，并且飞轮储能装置的中心下移，提高了飞轮的稳定性。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种电机下置式平衡飞轮储能装置，包括：壳体；通过中心轴设置于所述壳体内腔的飞轮；通过中心轴安装于所述壳体内腔的电机，且电机位于所述飞轮下方；通过中心轴安装于所述壳体上下两端的轴承组件；所述轴承组件包括：分别安装于壳体上、下两端用于对轴承进行限位的上、下轴承座；分别安装于上、下轴承座与中心轴之间的用于将中心轴安装于壳体的上、下保护轴承；分别安装于上、下轴承座的上、下径向磁轴承；安装于上径向磁轴承下方的轴向磁轴承。

在本发明中，将电机的设置方式由常规的设置在飞轮上方改变为设置在飞轮下方，本申请将电机设置在下方不仅方便了飞轮的轴向卸载，并且本申请将飞轮电机下置，降低了飞轮储能装置的整体重心，可以提高飞轮的稳定性。本申请将电机置于飞轮下方后，设置在飞轮上方的轴向磁轴承和电机不会发生干涉，飞轮的重力和轴向磁轴承的磁力实现平衡，提高了飞轮运行的稳定性。综上，本发明将飞轮下置后，从多方面提高了飞轮储能装置的稳定性。

作为本发明壳体的一种改进，壳体包括：用于支撑飞轮装置整体的下底座；安装于下底座用于飞轮和电机的保护壳的中环；安装于中环的上壳。

在该改进中，下底座是飞轮装置整体结构的支撑体，中环为环状壳体，是飞轮和电机的保护壳，上壳是飞轮的上保护壳体。

作为本发明电机的一种改进，电机通过电机座安装于下底座。其中，电机还包括：安装于电机座内的电机定子，位于电机定子内层的电机转子。

电机安装于飞轮储能装置底部，可以平衡稳定立式储能装置整体，作为飞轮储能装置的电机，电机即为发电机，又为电动机，电机包括转子和定子，实现在电力系统供电充足时，将电能转化为动能，驱动飞轮旋转进行“充电”，并在需要时将储存的动能转化为电能，通过发电机对外供电进行“放电”。

作为一种轴向磁轴承的设置方式，所述轴向磁轴承限位于安装在壳体与上轴承座之间的轴向承载环，轴向承载环的截面为Z形，以使轴向承载环卡接限位在上壳与上轴承座之间。Z形结构卡接在轴向承载环卡接限位在上壳与上轴承座之间，从而确保了轴向承载环的位置不发生偏移。

作为上述飞轮储能装置的进一步改进，在所述上径向磁轴承的上方和下径向磁轴承的下方安装径向传感器。在所述轴向磁轴承的内圈安装轴向传感器。

径向传感器用于检测飞轮转子的径向位置，判断飞轮转子是否偏离了正常的旋转轴线，从而控制飞轮转子的运动轨迹，保证其在正常范围内旋转。

轴向传感器用于检测飞轮转子的轴向位置，判断飞轮转子是否偏离了轴线方向，从而控制飞轮转子的轴向位置，保证其在正常范围内悬浮。

作为本申请飞轮储能装置的一种改进，在所述上、下径向磁轴承和中心轴之间设置硅钢片。

作为本发明飞轮储能装置的进一步改进，上、下轴承座的外端还设有轴承盖，中心轴的两端设有限位螺栓，轴承盖与螺栓对上、下保护轴承进行限位。通过该设置，进一步提高了对保护轴承进行限位的稳定性。

本申请的有益效果在于：

在本发明中，将电机的设置方式由常规的设置在飞轮上方改变为设置在飞轮下方，本申请将电机设置在下方不仅方便了飞轮的轴向卸载，并且本申请将飞轮电机下置，降低了飞轮储能装置的整体重心，可以提高飞轮的稳定性。本申请将电机置于飞轮下方后，设置在飞轮上方的轴向磁轴承和电机不会发生干涉，飞轮的重力和轴向磁轴承的磁力实现平衡，提高了飞轮运行的稳定性。综上，本发明将飞轮下置后，从多方面提高了飞轮储能装置的稳定性。

除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本申请所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本申请实施例中一种飞轮储能装置；

图2是本申请实施例中另一种飞轮储能装置；

图中，

1、壳体；11、下底座；12、中环；13、上壳；

2、飞轮；

3、中心轴；31、螺栓

4、电机；41、电机座；42、电机定子；43、电机转子；

5、轴承组件；51a、上轴承座；51b、下轴承座；52a、上保护轴承；52b、下保护轴承；53a、上径向磁轴承；53b、下径向磁轴承；54、轴向磁轴承；55、轴向承载环；56、轴承盖；

61、径向传感器；62、轴向传感器；

7、硅钢片。

具体实施方式

下面将结合附图1～2对本申请技术方案的实施例进行详细地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1示意了一种电机下置式平衡飞轮储能装置，包括：壳体1、飞轮2、电机4、轴承组件5；飞轮2通过中心轴3设置于所述壳体1内腔，电机4通过中心轴3安装于所述壳体1内腔，且电机4位于所述飞轮2下方；轴承组件5通过中心轴3设置于所述壳体1上下两端；所述轴承组件5包括：分别安装于壳体1上、下两端的上、下轴承座51a、51b，用于对轴承进行限位；分别安装于上、下轴承座51a、51b与中心轴3之间的上、下保护轴承52a、52b，上、下保护轴承52a、52b用于将中心轴3安装在壳体1中；分别安装于上、下轴承座51a、51b的上、下径向磁轴承53a、53b；安装于上径向磁轴承53a下方的轴向磁轴承54。

在本发明一种电机下置式平衡飞轮储能装置的实施方式中，电机4的作用是在供电系统电力充足时，将电能转化为动能，电机4驱动飞轮2旋转进行“充电”，并在电力系统供电不充足时，将储存的在飞轮2的动能转化为电能，飞轮2的动能通过发电机4对外供电进行“放电”。在该实施例中，中心轴3连接电机4和飞轮2，在飞轮储能装置工作过程中，中心轴3将电机4输出的机械能传递给飞轮2，使其高速旋转并储存能量。在释放能量时，中心轴3将飞轮2转子储存的动能传递给电机4，通过电机4将动能转化为电能供负载使用。在该实施例中，上、下保护轴承52a、52b分别设置在壳体1上、下两端，中心轴3通过上、下保护轴承52a、52b安装在壳体1内，本申请的上、下保护轴承52a、52b可选用普通机械轴承，其主要作用是保护飞轮转子在低速或启动时正常运转，减小磨损。在该实施例中，还包括上、下径向磁轴承53a、53b，上、下径向磁轴承53a、53b分别安装在壳体的上、下两侧，上、下径向磁轴承53a、53b通过磁场力支撑和悬浮飞轮转子，为了实现稳定的悬浮和支撑，径向磁轴承采用多个磁铁环形排列在中心轴外侧，形成磁场力，用于对飞轮的径向位置进行限制。在该实施例中，在壳体1的上方位于飞轮上方的一侧设置轴向磁轴承54，轴向磁轴承54对飞轮提供轴向力，用于对飞轮的轴向位置进行限制。

在该实施例中，将电机的设置方式由常规的设置在飞轮上方改变为设置在飞轮下方，本申请将电机设置在下方不仅方便了飞轮的轴向卸载，并且本申请将飞轮电机下置，降低了飞轮储能装置的整体重心，可以提高飞轮的稳定性。本申请将电机置于飞轮下方后，设置在飞轮上方的轴向磁轴承和电机不会发生干涉，飞轮的重力和轴向磁轴承的磁力实现平衡，提高了飞轮运行的稳定性。综上，本发明将飞轮下置后，从多方面提高了飞轮储能装置的稳定性。如图1是转速为18000r/min(300Hz/min)、功率为500kW的飞轮储能装置，图2是一种转速为12000r/min(200Hz/min)、功率为500kW的飞轮储能装置。

作为本发明上述实施例的一种改进实施例，壳体1包括：用于支撑飞轮装置整体的下底座11；安装于下底座11作为飞轮2和电机4保护壳的中环12；安装于中环12上的上壳13。

在该实施例中，下底座13是飞轮装置整体结构的支撑体，中环12为环状壳体，是飞轮2和电机4的保护壳，上壳13是飞轮的上保护壳体。电机4通过电机座41安装于下底座11。电机4安装于飞轮储能装置底部，不仅降低了飞轮储能系统的整体占用空间，也可以平衡稳定立式储能装置。电机4还包括：安装于电机座41内的电机定子42，位于电机定子42内层的电机转子43。作为飞轮储能装置的电机4，电机4即为发电机，又为电动机，电机包括转子和定子，实现在电力系统供电充足时，将电能转化为动能，驱动飞轮旋转进行“充电”，并在需要时将储存的动能转化为电能，通过发电机对外供电进行“放电”。

作为本发明上述实施例的一种改进实施例，所述轴向磁轴承54限位于安装在壳体1与上轴承座51a之间的轴向承载环55，轴向承载环55的截面为Z形，以使轴向承载环55卡接限位在上壳与上轴承座51a之间。

在该实施例中，为了提高轴向磁轴54的稳定性和可靠性，使轴向磁轴54的位置相对飞轮储能装置整体结构不发生偏移，将轴向承载环55的截面设计为Z形的环状结构，Z形环状结构可使在轴向承载环55卡接限位在上壳13与上轴承座51a之间，从而确保了轴向承载环55的位置不发生偏移，进而可实现轴向磁轴承54的位置不会发生偏移，从而可稳定地支撑和限位飞轮的位置，提供克服转子重量的轴向永磁偏置力，以及提供克服轴向干扰的轴向动态电磁力，保持飞轮转子限制在特定的轴向位置，确保飞轮处于稳定悬浮状态。

在上述实施的基础之上，进一步地，为了对飞轮储能的运行状态进行监测和控制，在可选的实施例中，在所述上径向磁轴承53a的上方和下径向磁轴承53b的下方安装径向传感器61。在所述轴向磁轴承54的内圈安装轴向传感器62。

径向传感器61用于检测飞轮转子的径向位置，判断飞轮转子是否偏离了正常的旋转轴线，从而控制飞轮转子的运动轨迹，保证其在正常范围内旋转。轴向传感器62用于检测飞轮转子的轴向位置，判断飞轮转子是否偏离了轴线方向，从而控制飞轮转子的轴向位置，保证其在正常范围内悬浮。

进一步地，在所述上、下径向磁轴承53a、53b和中心轴3之间设置硅钢片7。由于磁悬浮的上、下径向磁轴承53a、53b需要利用磁场力来支撑和悬浮中心轴3，进而支撑和悬浮飞轮2，因此需要使用导磁材料来传递磁场，硅钢片7作为一种常用的导磁材料，具有高磁导率和低损耗的特性，可以有效地传递磁场，提上、下径向磁轴承53a、53b的支撑和悬浮能力。同时，硅钢片还可以减小磁阻，降低磁滞损耗和涡流损耗，从而提高整个飞轮储能装置的能量转换效率。

作为保护轴承限位的一种具体的实施例，上、下轴承座51a、51b的外端还设有轴承盖56，中心轴3的两端设有限位螺栓31，轴承盖56与螺栓31对上、下保护轴承52a、52b进行限位。上、下保护轴承52a、52b通过轴承盖56和螺栓31的盖纤维在壳体两端，该具体的实施例进一步提高了对保护轴承进行限位的稳定性。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“设置”“设有”“连接”“安装”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种电机下置式平衡飞轮储能装置，其特征在于，包括：

壳体(1)；

飞轮(2)，通过中心轴(3)设置于所述壳体(1)内腔；

电机(4)，通过中心轴(3)安装于所述壳体(1)内腔，且位于所述飞轮(2)下方；

轴承组件(5)，通过中心轴(3)设置于所述壳体(1)上下两端；

所述轴承组件(5)包括：

分别安装于壳体(1)上、下两端的上、下轴承座(51a、51b)，用于对轴承进行限位；

分别安装于上、下轴承座(51a、51b)与中心轴(3)之间的上、下保护轴承(52a、52b)，用于将中心轴(3)安装于壳体(1)；

分别安装于上、下轴承座(51a、51b)的上、下径向磁轴承(53a、53b)；

安装于上径向磁轴承(53a)下方的轴向磁轴承(54)。

2.根据权利要求1所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，壳体(1)包括：

下底座(11)，用于支撑飞轮装置整体；

中环(12)，安装于下底座(11)，用于飞轮(2)和电机(4)的保护壳；

上壳(13)，安装于中环(12)。

3.根据权利要求2所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，电机(4)通过电机座(41)安装于下底座(11)。

4.根据权利要求3所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，电机(4)还包括：安装于电机座(41)内的电机定子(42)，位于电机定子(42)内层的电机转子(43)。

5.根据权利要求1或2所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，所述轴向磁轴承(54)限位于安装在壳体(1)与上轴承座(51a)之间的轴向承载环(55)，轴向承载环(55)的截面为Z形，以使轴向承载环(55)卡接限位在上壳与上轴承座(51a)之间。

6.根据权利要求1所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，在所述上径向磁轴承(53a)的上方和下径向磁轴承(53b)的下方安装径向传感器(61)。

7.根据权利要求1所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，在所述轴向磁轴承(54)的内圈安装轴向传感器(62)。

8.根据权利要求1所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，在所述上、下径向磁轴承(53a、53b)和中心轴(3)之间设置硅钢片(7)。

9.根据权利要求1所述的电机下置式平衡飞轮储能装置，其中，上、下轴承座(51a、51b)的外端还设有轴承盖(56)，中心轴(3)的两端设有限位螺栓(31)，轴承盖(56)与螺栓(31)对上、下保护轴承(52a、52b)进行限位。