CN111435807A - 飞轮储能装置及径向磁轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种飞轮储能装置及径向磁轴承，该径向磁轴承包括相互配合的转子和定子；该定子包括由多个第一磁铁在轴向上叠置而成的第一组磁铁，该转子包括由多个第二磁铁在轴向上叠置而成的第二组磁铁；其中，在径向上，该第二组磁铁与该第一组磁铁内外对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。转子处于外侧，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

Description

飞轮储能装置及径向磁轴承

技术领域

本发明涉及一种径向磁轴承，特别涉及一种适用于飞轮储能装置的径向磁轴承。

背景技术

磁轴承利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。飞轮储能装置（也称飞轮储能电池）利用超高速旋转的飞轮储存能量，并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。将磁轴承应用于飞轮储能装置上，能极大地提高储能密度，而飞轮转子的半径越大，其转动惯量也会越大，同样转速下得到的转动能量也会越大。

现有的磁轴承大部分是内转子结构，即转子固定在轴上，定子处于转子的***。这种内转子的设计无法适用于大尺寸的飞轮转子，将会限制飞轮储能装置的储能密度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种径向磁轴承，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：提供一种径向磁轴承，包括相互配合的转子和定子；该定子包括由多个第一磁铁在轴向上叠置而成的第一组磁铁，该转子包括由多个第二磁铁在轴向上叠置而成的第二组磁铁；其中，在径向上，该第二组磁铁与该第一组磁铁内外对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。

在一些实施例中，该Halbach阵列为四到八对结构。

在一些实施例中，由上往下，在第一对中，第二磁铁的充磁方向向下，第一磁铁的充磁方向向下；在第二对中，第二磁铁的充磁方向向内，第一磁铁的充磁方向向外；在第三对中，第二磁铁的充磁方向向上，第一磁铁的充磁方向向上；在第四对中，第二磁铁的充磁方向向外，第一磁铁的充磁方向向内。

在一些实施例中，该第一组磁铁和该第二组磁铁之间的气隙为2mm。

在一些实施例中，该第一组磁铁装设在第一套筒中；该第二组磁铁装设在第二套筒中。

在一些实施例中，该第一套筒包括筒状的主体和设置在主体上并向外侧开口的收容槽，该第一组磁铁装设在收容槽中；该第二套筒包括筒状的主体和设置在该主体上并向内侧开口的收容槽，该第二组磁铁装设在收容槽中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案还包括：提供一种飞轮储能装置，包括筒状的飞轮转子，还包括装设在该飞轮转子的中空处且分别位于两端的两个如权上所述的径向磁轴承；其中，该径向磁轴承的转子装设在该飞轮转子上。

在一些实施例中，该飞轮转子由金属筒体和设置在该金属筒体外周的碳环组成。

在一些实施例中，还包括装设在该飞轮转子的中空处且位于中部的两个轴向磁轴承。

在一些实施例中，该轴向磁轴承由磁铁、定子铁芯、硅钢片和线圈组成；其中，所有线圈呈串联或者并联形式。

与现有技术相比，本发明的径向磁轴承，通过巧妙地使定子中由多个第一磁铁在轴向上叠置而成的第一组磁铁与转子中由多个第二磁铁在轴向上叠置而成的第二组磁铁，构成Halbach阵列，转子处于外侧，有利于提高飞轮储能装置的储能密度。

附图说明

图1为本发明的飞轮储能装置的剖视结构示意。

图2为本发明的飞轮储能装置的分解结构示意。

图3为本发明的径向磁轴承的剖视结构示意。

图4为本发明的径向磁轴承中磁铁排列关系示意。

图5为本发明的径向磁轴承中单个磁铁的立体结构示意。

图6为本发明的径向磁轴承中第一套筒的立体结构示意。

图7为本发明的径向磁轴承中转子的立体结构示意。

图8为本发明的径向磁轴承中磁感线分布示意。

其中，主要附图标记说明如下：10、飞轮储能装置，1、飞轮转子，11、金属筒体，12、碳环，2、轴向磁轴承 7、径向磁轴承，3、第一组磁铁，31、32、33、34、35、36、37、38、第一磁铁，4、第一套筒，41、主体，45、收容槽，5、第二组磁铁，51、52、53、54、55、56、57、58、第一磁铁，6、第二套筒，61、主体，65、收容槽。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参见图1和图2，图1为本发明的飞轮储能装置的剖视结构示意。图2为本发明的飞轮储能装置的分解结构示意。本发明提出一种飞轮储能装置10，其包括：呈筒状的飞轮转子1，装设在飞轮转子1的中空处且位于中部的两个轴向磁轴承2以及装设在飞轮转子1的中空处且分别位于两端的两个径向磁轴承7。其中，飞轮转子1由金属筒体11和设置在金属筒体11外周的碳环12组成。借助于最外侧包裹的碳纤维材料的碳环12，能防止金属筒体11因高速旋转发生大变形甚至炸裂，有利于提高飞轮转子1转速和转动惯量。

参见图3至图8，图3为本发明的径向磁轴承的剖视结构示意。图4为本发明的径向磁轴承中磁铁排列关系示意。图5为本发明的径向磁轴承中单个磁铁的立体结构示意。图6为本发明的径向磁轴承中第一套筒的立体结构示意。图7为本发明的径向磁轴承中转子的立体结构示意。图8为本发明的径向磁轴承中磁感线分布示意。本发明的径向磁轴承7由第一组磁铁3，第一套筒4，第二组磁铁5和第二套筒6组成。其中，第二组磁铁5与第二套筒6相结合构成径向磁轴承7的定子，第一组磁铁3与第一套筒4相结合构成径向磁轴承7的转子。

结合参见图1，第一套筒4与飞轮转子1结合在一起，会随飞轮转子1转动，进而带动装设在第一套筒4上的第一组磁铁3转动。

参见图4，八个磁铁31、32、33、34、35、36、37、38沿飞轮转子1的轴向延伸地叠置成第一组磁铁3，八个磁铁51、52、53、54、55、56、57、58沿飞轮转子1的轴向延伸地叠置成第二组磁铁5。第二组磁铁5与第一组磁铁3内外对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列（Halbach Array, 海尔贝克阵列）。

由上往下，在第一对上，第二磁铁51和第一磁铁31沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁51的充磁方向向下，第一磁铁31的充磁方向向下。在第二对上，第二磁铁52和第一磁铁32沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁52的充磁方向向内，第一磁铁32的充磁方向向外。在第三对上，第二磁铁53和第一磁铁33沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁53的充磁方向向上，第一磁铁33的充磁方向向上。在第四对上，第二磁铁54和第一磁铁34沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁54的充磁方向向外，第一磁铁34的充磁方向向内。

在第五对上，第二磁铁55和第一磁铁35沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁55的充磁方向向下，第一磁铁35的充磁方向向下。在第六对上，第二磁铁56和第一磁铁36沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁56的充磁方向向内，第一磁铁36的充磁方向向外。在第七对上，第二磁铁57和第一磁铁37沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁57的充磁方向向上，第一磁铁37的充磁方向向上。在第八对上，第二磁铁58和第一磁铁38沿飞轮转子1的径向相对应组成一对，第二磁铁58的充磁方向向外，第一磁铁38的充磁方向向内。

值得一提的是，位于上方的一到四对与位于下方的五到八对的充磁方向的排布结构是相同的。在本实施例中，Halbach阵列是以八对为例进行说明，在其他实施例中，根据实际应用的需要，Halbach阵列可以灵活在四对到八对之中任意选取。

可以理解的是，第一组磁铁3和第二组磁铁5通过上述的充磁方向上的设计，构成了Halbach阵列。结合参见图8，对于第一组磁铁3和第二组磁铁5之间的气隙为2mm的应用情形，位于气隙两侧的磁铁的极性相斥，使得位于外侧的第一组磁铁3能够处于径向悬浮状态。

参见图5、图6和图7，第一组磁铁3和第二组磁铁5中的单个磁铁（例如第二磁铁51）为磁环。第一套筒4包括筒状的主体41和设置在主体41上并向外侧开口的收容槽45。第二套筒6包括筒状的主体61和设置在主体61上并向内侧开口的收容槽65。

通过对转子的磁铁3的径向厚度、轴向高度和定子的磁铁5的外径做参数扫描，寻找径向刚度最大和轴向刚度最小的组合，经仿真发现：在磁铁3的径向厚度为10mm、轴向高度为10mm以及定子的磁铁5的外径为95mm的实例中，径向刚度为负值，表示转子在产生径向位移时会受到反方向的回复力，使其回到平衡位置，该值的大小为3360N/mm；而在轴向方向，一旦转子和定子出现偏移（装配精度或者转动过程中的扰动），转子的磁铁3将会受到使该偏移扩大的力，描述该力的效果的物理量称之为轴向刚度，其大小为7275N/mm。可见，通过永磁体3、5实现径向悬浮，同时也会导致轴向的刚度变大，轴向悬浮就需要主动控制的电磁铁来实现。

适用于本发明的飞轮储能装置10的轴向磁轴承2的现有实现方式多种多样。举例而言，轴向磁轴承2由磁铁、定子铁芯、硅钢片和线圈组成。其中，定子铁芯是由电工纯铁加工而成，组成磁路的主体结构；上下定子夹着轴向充磁的环形磁铁，材料优选稀土永磁体——钕铁硼；定子铁芯的上下端面均有开槽，中间缠绕着线圈，每个磁轴承有8个线圈，对称放置；硅钢片是由厚度非常薄的电工硅钢叠压而成（也可换成非晶合金等低铁损材料），固定在转子上，硅钢片的上下端面和电工纯铁之间有0.5mm的气隙。永磁体轴向充磁，在气隙处产生大约为0.55T左右的偏置磁场。在线圈无电流时，上下定子的极靴对硅钢片的轴向吸引力相同。通过设定线圈的电流I乘以匝数N的乘积为安匝数，可以得出气隙磁场随着安匝数的变化关系；同时可得出硅钢片受到的电磁力随安匝数的变化关系。定子线圈串联或者并联均可，合理地选择线圈的接线方式，使线圈中通电流时，能一起改变气隙磁场，使硅钢片受到的电磁力同时增大或者减小。由于本结构的轴对称设计，当硅钢片与定子同轴时，无论线圈的电流怎样变化，其受到的径向吸引力的合力都为零。通过以上设计，可算出电流刚度为0.448N/A，轴向位移刚度为850N/mm。

本发明的飞轮储能装置10通过轴向电磁铁主动控制轴向位移，径向的Halbach阵列被动控制径向位移，可实现5自由度悬浮。由于径向磁轴承7的转子是处于外侧，有利于增加飞轮转子1的转动惯量，提高飞轮储能装置10的储能密度。

举例而言，飞轮储能装置10的总体设计指标有：直径为370mm，总重量141.5kg，高度为370mm，飞轮转子的重量为126.5kg，飞轮转子1的厚度为70mm，转动惯量为2.6kg*m²，碳环12的厚度为13mm，径向气隙为2mm。其中，飞轮转子1的转速为10Krpm时，最大储能为0.4KWH；飞轮转子1的转速为30Krpm时，最大储能为3.625KWH；飞轮转子1的转速为60Krpm时，最大储能为14.5KWH。

与现有技术相比，本发明的飞轮储能装置10的有益之处至少包括：

1、基于Halbach阵列的径向磁轴承7能使用少量磁铁，在大气隙（2mm）中产生强磁场，实现径向悬浮，且位移刚度很大（3360N/mm）；该悬浮方式无需控制，且由于磁铁的电导率低，在高速旋转过程中产生的涡流损耗也低，有利于降低飞轮储能装置10的能耗。

2、轴向磁轴承2通过基于永磁偏置的电磁铁实现轴向悬浮，所有线圈呈串联或者并联形式，磁悬浮调试时一起工作，单通道控制，简单方便。

3、飞轮转子1的外转子设计，借助于最外侧的碳环12，可进一步提高转速和转动惯量。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种径向磁轴承，包括相互配合的转子和定子；其特征在于，该定子包括由多个第一磁铁在轴向上叠置而成的第一组磁铁，该转子包括由多个第二磁铁在轴向上叠置而成的第二组磁铁；其中，在径向上，该第二组磁铁与该第一组磁铁内外对齐、一一对应地成对设置，构成Halbach阵列。

2.根据权利要求1所述的径向磁轴承，其特征在于，该Halbach阵列为四到八对结构。

3.根据权利要求2所述的径向磁轴承，其特征在于，由上往下，在第一对中，第二磁铁的充磁方向向下，第一磁铁的充磁方向向下；在第二对中，第二磁铁的充磁方向向内，第一磁铁的充磁方向向外；在第三对中，第二磁铁的充磁方向向上，第一磁铁的充磁方向向上；在第四对中，第二磁铁的充磁方向向外，第一磁铁的充磁方向向内。

4.根据权利要求1所述的径向磁轴承，其特征在于，该第一组磁铁和该第二组磁铁之间的气隙为2mm。

5.根据权利要求1所述的径向磁轴承，其特征在于，该第一组磁铁装设在第一套筒中；该第二组磁铁装设在第二套筒中。

6.根据权利要求5所述的径向磁轴承，其特征在于，该第一套筒包括筒状的主体和设置在主体上并向外侧开口的收容槽，该第一组磁铁装设在收容槽中；该第二套筒包括筒状的主体和设置在该主体上并向内侧开口的收容槽，该第二组磁铁装设在收容槽中。

7.一种飞轮储能装置，包括筒状的飞轮转子，其特征在于，还包括装设在该飞轮转子的中空处且分别位于两端的两个如权利要求1至6任一项所述的径向磁轴承；其中，该径向磁轴承的转子装设在该飞轮转子上。

8.根据权利要求7所述的径向磁轴承，其特征在于，该飞轮转子由金属筒体和设置在该金属筒体外周的碳环组成。

9.根据权利要求7所述的径向磁轴承，其特征在于，还包括装设在该飞轮转子的中空处且位于中部的两个轴向磁轴承。

10.根据权利要求9所述的径向磁轴承，其特征在于，该轴向磁轴承由磁铁、定子铁芯、硅钢片和线圈组成；其中，所有线圈呈串联或者并联形式。

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