CN104410204A - 一种新型飞轮储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型飞轮储能装置，所述真空容器内部中心设有转轴；所述转轴上部嵌套有永磁径向轴承；所述转轴的中部和下部自上而下依次套装飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁偏置径向-轴向磁轴承；所述飞轮下端内侧嵌套有单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机；每套绕组独立控制，除了电动/发电功能外，同时可以提供径向两自由度悬浮力。本发明利用单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机可以直接驱动飞轮特点和高速自悬浮功能，有机结合永磁轴向轴承，永磁径向轴承和混合磁轴承强卸载可控悬浮特点，实现了飞轮五自由度低损耗、高可靠悬浮，且提高飞轮运行速度，降低***功耗和体积。

Description

一种新型飞轮储能装置
技术领域
本发明属于电能存储技术领域，尤其涉及一种新型飞轮储能，特别适用于不间断电源、航空航天等领域。
背景技术
随着新能源发电、分布式电源***、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的新型储能装备，飞轮电池目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承***、集成式高速/超高速电机的性能与控制等。为减小支承损耗，飞轮电池通常采用多个磁悬浮轴承支承，增加了飞轮轴向长度，降低了临界转速，同时也导致飞轮电池结构复杂、体积庞大。
利用提高飞轮转速来增加飞轮储能总量的途径必须克服飞轮轮缘材料强度约束、轴承发热及摩擦阻力消耗等技术难题。近年来高强度复合材料及磁轴承技术的发展为解决上述难题提供了新思路：采用真空下磁悬浮轴承支承的复合材料飞轮超高速旋转来储存能量。磁悬浮轴承消除了传统机械轴承连续高速运转的发热失效问题和摩擦阻力消耗问题。这两项技术的结合运用使得飞轮电池的储能总量与储能密度都得到大幅度的提高。与发达国家相比较，目前我国的技术水平与投资规模较低，对飞轮电池的研究还处于起步阶段。特别是如何研制出能够适用于航空航天的飞轮电池，国内更是没有涉及。虽然国外飞轮电池技术的研究取得了很大进展.但远没有达到取代其他电池的水平，要研制出这种装置，需解决一系列的技术难题，主要有：飞轮转子设计、磁浮轴承技术、真空技术、变频技术、合理的结构设计等。
而磁悬浮电机集传统电机旋转与磁轴承悬浮功能于一体，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，打破了传统电机仅为了产生电磁转矩而必须保持气隙磁场平衡的思路，开辟了高速电机研究领域的新方向。磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合，在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上，充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，成为目前磁悬浮电机领域一个新的研究热点。为此，本发明提出一种以单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机为核心部件用五自由度磁悬浮支承与传动的新型飞轮储能***，实现了悬浮支承***与驱动电机的统一，大大缩短了飞轮转子轴向长度，控制更加灵活，提高了临界转速、功率密度与***集成度，进一步减小了支承损耗，在高速低损飞轮电池领域具有重大的研究与应用价值。
发明内容
本发明目的是提出一种飞轮储能装置，将悬浮支承与传动电机相结合，利用磁悬浮开关磁阻电机高速运行优势和自悬浮功能，能提高飞轮极限转速和动态性能，降低支承功耗、成本和体积，降低飞轮储能***运行损耗，提高运行效率和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种飞轮储能装置，包括真空容器、转轴、永磁径向轴承、飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁卸载轴承、永磁偏置径向-轴向磁轴承；所述真空容器内部中心设有转轴；所述转轴上部嵌套有永磁径向轴承；所述转轴的中部和下部自上而下依次套装飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁偏置径向-轴向磁轴承；所述飞轮下端内侧嵌套有单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机，所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机为外转子结构，与内部的定子同心同轴向长度，所述飞轮固定连接在所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子上；所述飞轮下端凸起与真空容器之间安装有永磁卸载轴承；所述永磁卸载轴承同转轴下端的永磁偏置径向-轴向磁轴承相配合，保证转轴轴向稳定悬浮，同时提供转轴的径向两自由度悬浮支承，所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能。
进一步，所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机为双凸极结构，等距等极弧宽，外转子等距等极弧宽，定子上有等间隔30°设置的12个相等极弧宽凸极齿，外转子上有间隔45°设置的8个相等极弧宽凸极齿，所述飞轮直接嵌套在外转子上，所述转轴从飞轮中心穿出并与飞轮相连，无需机械传动装置，转子即可直接驱动飞轮。
进一步，所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机的每个定子凸极齿上仅有一套绕组，该绕组可以同时提供转矩力和悬浮力，相差90°的4套转矩/悬浮绕组构成一相，且每套绕组独立控制，其中绕组A1，A2，A3，A4构成A相转矩/悬浮绕组，绕组B1，B2，B3，B4构成B相转矩/悬浮绕组，绕组C1，C2，C3，C4构成C相转矩/悬浮绕组，共有三相；每套绕组可以同时提供电动的转矩力和转子悬浮的悬浮力，B1，C1分别位于A1顺时针30°和60°处，B2，C2分别位于A2顺时针30°和60°处，B3，C3分别位于A3顺时针30°和60°处，B4，C4分别位于A4顺时针30°和60°处。
进一步，所述永磁卸载轴承包括上磁环，下磁环，硅钢片，上磁环两侧贴有硅钢片，固连在飞轮上，下磁环两侧贴有硅钢片，固连在真空容器上。上磁环与下磁环之间有一定的气隙。
进一步，所述永磁径向轴承采用轴向磁化或径向磁化，为同圆心，同等轴向长度的内外双磁环；内磁环两侧贴有硅钢片，固连内环压板，内环压板固连转轴，外磁环两侧贴有硅钢片，固连外环压板，外环压板固连真空容器；内磁环与外磁环之间有一定的气隙。
进一步，所述永磁偏置径向-轴向磁轴承包括：轴向定子、轴向控制线圈、轴承转子、径向控制线圈、轴向控制线圈、径向定子、永磁环；轴向定子固连真空容器，两个轴向控制线圈固连在轴向定子内侧，径向定子沿圆周90°均匀分布，每个径向定子均叠绕径向控制线圈，永磁环径向充磁嵌在轴向定子和径向定子的交接处，轴承转子与径向定子之间留有径向气隙，轴承转子与轴向定子之间留有轴向气隙；两个轴向控制线圈，四个径向控制线圈绕组均通直流电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)轴向长度缩短、结构紧凑
该装置采用单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机，电机为外转子、内定子结构，转子可以直接驱动飞轮，可省机械传动装置，降低转轴轴向长度，结构更加紧凑。同时永磁卸载轴承固连飞轮与真空容器，进一步减少了装置轴向长度。
(2)降低***功耗
利用永磁径向轴承取代传统的机械备用轴承，利用永磁卸载轴承实现轴向卸载，混合磁轴承只需克服转轴剩余重量和动载荷，同时采用永磁卸载轴承和混合磁轴承并利用磁悬浮开关磁阻电机实现飞轮转轴五自由度高速低损耗全悬浮，降低了装置的电磁功耗和机械摩擦损耗。
(3)结构坚固、适合高速运行
整个装置的结构简单，尤其转子无永磁体仅为导磁铁心，结构简单坚固，便于高速、超高速运行，有利于提高飞轮的极限转速，进而提高该飞轮储能***的储能容量。
附图说明
图1为单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机飞轮储能装置的结构示意图；
图2为单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机结构示意图；
图3为永磁卸载轴承结构示意图；
图4为永磁径向轴承结构示意图；
图5为永磁偏置径向-轴向磁轴承结构示意图；
图6为永磁偏置径向-轴向磁轴承轴向磁路示意图；
图7为永磁偏置径向-轴向磁轴承径向磁路示意图。
图中：1-真空容器；2-转轴；3-永磁径向轴承；4-飞轮；5-单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机；6-永磁卸载轴承；7-永磁偏置径向-轴向磁轴承；301-内磁环；302-硅钢片；303-内环压板；304-外环压板；305-外磁环；501-转子；502-定子；503-绕组；601-上磁环；602-下磁环；603-硅钢片；701-轴向定子；702-轴向控制线圈；703-轴向气隙；704-径向气隙；705-轴承转子；706-控制线圈；707-径向定子；708-永磁环。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明包括真空容器1、转轴2、永磁径向轴承3、飞轮4、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5、永磁卸载轴承6、永磁偏置径向-轴向磁轴承7。永磁径向轴承3嵌套在转轴2的上端，起到备用轴承的作用。转轴下端依次套装飞轮4、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5、永磁偏置径向-轴向磁轴承7，飞轮4固连单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子。永磁卸载轴6上安装于飞轮4下端与真空容器1之间，用于卸载飞轮转轴大部分的轴向重量。转轴2下端的永磁偏置径向-轴向磁轴承7配合永磁卸载轴承克服飞轮转轴剩余重量和动载荷，保证轴向稳定悬浮，同时提供转轴的径向两自由度悬浮支承。单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能装置。
如图2所示，本发明所采用的单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5为三相12/8极外转子、内定子双凸结构，位于永磁偏置径向-轴向磁轴承7和永磁径向轴承3之间，包括转子501，定子502，绕组503。定子502在转子501内部，两者同心同轴。转子501固连飞轮4，飞轮4固连转轴2。转轴2从飞轮中心穿出。电机转子501与定子502之间留径向气隙。绕组503叠绕在电机定子502上，以A相为例，其中绕组A1，A2，A3，A4构成A相转矩/悬浮绕组，分别施加电流ia1、ia2、ia3、ia4，其中ia1＝ima1+isa1，ia2＝ima2+isa2，ia3＝ima3+isa3，ia4＝ima4+isa4。ia1的分量ima1为转矩电流，根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，拉动转子501旋转。ia1的分量isa1为悬浮电流，通过调节isa1，isa2，isa3，isa4的大小实现单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5径向两自由度悬浮。绕组B1，B2，B3，B4构成B相转矩/悬浮绕组。绕组C1，C2，C3，C4构成C相转矩/悬浮绕组，共有3相。每套绕组可以同时提供电动的转矩力和转子悬浮的悬浮力。B1，C1分别位于A1顺时针30°和60°处，B2，C2分别位于A2顺时针30°和60°处，B3，C3分别位于A3顺时针30°和60°处。B4，C4分别位于A4顺时针30°和60°处。每套绕组独立控制，可以同时提供转矩和悬浮力。转子501旋转时，直接驱动固连的飞轮4，实现储能。
如图3所示，本发明所采用的永磁卸载轴承6包括：上磁环601，下磁环602，硅钢片603。磁环材料一般采用但不局限于稀土材料钕铁硼材料。上磁环601两侧贴上硅钢片603固连飞轮4，可与飞轮4一起旋转。下磁环602两侧贴上硅钢片603固连真空容器1。上磁环601与下磁环602采用但不局限于轴向充磁，充磁方向相反。利用两磁环之间的斥力实现轴向重量卸载。需要说明的是：为获得更大的刚度和承载力本发明采用多对磁环进行轴向叠加，磁环两侧贴上硅钢片，磁通在硅钢片中集中径向流动从而增加径向磁通密度降低漏磁。
如图4所示，本发明所采用的永磁径向轴承3位于转轴2上端，包括内磁环301，硅钢片302，内环压板303，外环压板304，外磁环305。内磁环301固连内环压板303，内环压板303固连转轴2，内磁环301可与转轴2一起转动。外磁环301固连外环压板304，外环压板304固连真空容器1。磁环材料一般采用但不局限于稀土材料钕铁硼材。外磁环305与内磁环301一般但不局限于轴向充磁，充磁方向相反，利用两磁环之间的斥力，将转轴2固定在平衡位置。两者同心同轴向长度。需要说明的是：磁环两侧贴上硅钢片硅钢片302，磁通在硅钢片中集中径向流动从而增加径向磁通密度降低漏磁。
如图5所示，本发明所采用的永磁径向轴承永磁偏置径向-轴向7位于转轴2下端，包括轴向定子701，轴向控制线圈702，轴承转子705，径向控制线圈706，轴向控制线圈702，径向定子707，永磁环708。轴向定子701固连真空容器1，2个轴向控制线圈702固连轴向定子701，径向定子707沿圆周90度均匀分布，每个径向定子707均叠绕径向控制线圈706，永磁环708径向充磁嵌在轴向定子701和径向定子707的交接处，轴承转子705与径向定子707之间留有径向气隙704，轴承转子705与轴向定子701之间留有轴向气隙703。轴向控制线圈702线圈由径向分别对置的两个线圈串联作为相关自由度的控制线圈。2个轴向控制线圈702，4个径向控制线圈706绕组均通直流电。轴向定子701与径向定子707采用硅钢片叠压而成，永磁环708一般采用但不局限于稀土材料钕铁硼材料，并径向充磁。当径向-轴向都稳定悬浮时，转轴2在永磁环708产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置。
图6是轴向磁轴承的磁路图，图中ΦPM是永磁环708产生的静态偏置磁通，ΦZEm是轴向控制线圈702中电流产生的控制磁通，气隙磁通由这两部分磁通合成。当轴向稳定悬浮时，磁轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，也称这个位置为参考位置。由于结构的对称性，永久磁铁产生的磁通在转子右面的气隙Z1处和转子左面的气隙Z2处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此平衡位置时转子受到一个向右的外扰力，转子就会偏离参考位置向右运动，造成永久磁铁产生的左右气隙的磁通变化(假设径向在平衡位置)，即左面的气隙增大，使永磁体产生的磁通ΦPMz2减少，右面的气隙减少，使永磁体产生的磁通ΦPMz1增加。由于外扰力使转子向右运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号转变成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生电磁磁通ΦZEM，在转子左面的Z2处由励磁磁通和永磁磁通的流向相同，与永磁磁通ΦPMz2叠加，使气隙Z2处总的磁通增加，即Φz2＝ΦPMz2+ΦZEM；励磁磁通ΦZEM在右面气隙Z2处，由于与永磁磁通ΦPMz1的流向相反，故在气隙Z1处的总磁通减少为Φz1＝ΦPMz1-ΦZEM。因此，不论转子受到Z正方向还是Z负方向的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置轴向磁轴承***，其转子通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节左右气隙磁通的大小，始终能保持转子在平衡位置。
图7是径向磁轴承的磁路图，图中标明了X方向磁通的路径，ΦPM是永磁环(708)产生的静态偏置磁通，ΦXEM是X方向的控制磁通，用同样的方法可以标明Y方向磁通的路径。径向悬浮原理与轴向悬浮原理相同。
本发明涉及一种新型飞轮储能，飞轮储能装置转轴2上端安装永磁径向轴承，取代了传统飞轮装置中的机械备用轴承，可以解决因轴承摩擦导致的能量损耗问题，当磁悬浮电机正常工作时，永磁轴承可以作为备用轴承，分担电机径向负荷；当电机不工作时，可以作为二自由度径向轴承，实现转轴两自由度悬浮。永磁卸载轴承6固连飞轮4与真空容器1，实现飞轮储能***的轴向重量卸载。转轴下端采用永磁偏置径向-轴向磁轴承克服飞轮转轴剩余重量和动载荷，保证飞轮转轴轴向稳定悬浮，同时提供飞轮转轴径向两自由度悬浮支承，单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机5的外转子可以直接驱动飞轮，省去机械传动装置，结构紧凑，实现高速旋转储能；每套绕组独立控制，除了电动/发电功能外，同时可以提供径向两自由度悬浮力。本发明利用单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机可以直接驱动飞轮特点和高速自悬浮功能，有机结合永磁轴向轴承，永磁径向轴承和混合磁轴承强卸载可控悬浮特点，实现了飞轮五自由度低损耗、高可靠悬浮，且提高飞轮运行速度，降低***功耗和体积。
上面已经结合具体实施步骤说明了本发明，然而对于本领域的技术人员来说，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下，对本发明做出不同的改进和变型。因而落入本发明的权利要求范围内的各种改进和变型，都应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种飞轮储能装置，其特征在于：包括真空容器(1)、转轴(2)、永磁径向轴承(3)、飞轮(4)、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)、永磁卸载轴承(6)、永磁偏置径向-轴向磁轴承(7)；
所述真空容器(1)内部中心设有转轴(2)；
所述转轴(2)上部嵌套有永磁径向轴承(3)；
所述转轴(2)的中部和下部自上而下依次套装飞轮(4)、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)、永磁偏置径向-轴向磁轴承(7)；
所述飞轮(4)下端内侧嵌套有单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)，所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)为外转子(501)结构，与内部的定子(502)同心同轴向长度，所述飞轮(4)固定连接在所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)的外转子上；所述飞轮(4)下端凸起与真空容器(1)之间安装有永磁卸载轴承(6)；
所述永磁卸载轴承(6)同转轴(2)下端的永磁偏置径向-轴向磁轴承(7)相配合，保证转轴(2)轴向稳定悬浮，同时提供转轴(2)的径向两自由度悬浮支承，所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能。
2.如权利要求1所述一种飞轮储能装置，其特征在于：所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)为双凸极结构，等距等极弧宽，外转子(501)等距等极弧宽，定子(502)上有等间隔30°设置的12个相等极弧宽凸极齿，外转子(501)上有间隔45°设置的8个相等极弧宽凸极齿，所述飞轮(4)直接嵌套在外转子(501)上，所述转轴(2)从飞轮(4)中心穿出并与飞轮(4)相连，无需机械传动装置，转子即可直接驱动飞轮(4)。
3.如权利要求1或2所述一种飞轮储能装置，其特征在于：所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)的每个定子凸极齿上仅有一套绕组(503)，该绕组(503)可以同时提供转矩力和悬浮力，相差90°的4套转矩/悬浮绕组(503)构成一相，且每套绕组独立控制，其中绕组A1，A2，A3，A4构成A相转矩/悬浮绕组，绕组B1，B2，B3，B4构成B相转矩/悬浮绕组，绕组C1，C2，C3，C4构成C相转矩/悬浮绕组，共有三相；每套绕组可以同时提供电动的转矩力和转子悬浮的悬浮力，B1，C1分别位于A1顺时针30°和60°处，B2，C2分别位于A2顺时针30°和60°处，B3，C3分别位于A3顺时针30°和60°处，B4，C4分别位于A4顺时针30°和60°处。
4.如权利要求1所述一种飞轮储能装置，其特征在于：所述永磁卸载轴承(6)包括上磁环(601)，下磁环(602)，硅钢片(603)，上磁环(601)两侧贴有硅钢片(603)，固连在飞轮(4)上，下磁环(602)两侧贴有硅钢片(603)，固连在真空容器(1)上，上磁环(601)与下磁环(602)之间有一定的气隙。
5.如权利要求1所述一种飞轮储能装置，其特征在于：所述永磁径向轴承(3)采用轴向磁化或径向磁化，为同圆心，同等轴向长度的内外双磁环；内磁环(301)两侧贴有硅钢片(302)，固连内环压板(303)，内环压板(303)固连转轴(2)，外磁环(305)两侧贴有硅钢片(302)，固连外环压板(304)，外环压板(304)固连真空容器(1)；内磁环(301)与外磁环(305)之间有一定的气隙。
6.如权利要求1所述一种新型的飞轮储能装置，其特征在于：所述永磁偏置径向-轴向磁轴承(7)包括：轴向定子(701)、轴向控制线圈(702)、轴承转子(705)、径向控制线圈(706)、轴向控制线圈(702)、径向定子(707)、永磁环(708)；轴向定子(701)固连真空容器(1)，两个轴向控制线圈(702)固连在轴向定子(701)内侧，径向定子(707)沿圆周90°均匀分布，每个径向定子(707)均叠绕径向控制线圈(706)，永磁环(708)径向充磁嵌在轴向定子(701)和径向定子(707)的交接处，轴承转子(705)与径向定子(707)之间留有径向气隙(704)，轴承转子(705)与轴向定子(701)之间留有轴向气隙(703)；两个轴向控制线圈(702)，四个径向控制线圈(706)绕组均通直流电。
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