CN115173571B - 一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能*** - Google Patents

一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，包括***边框，所述***边框内设有真空室，真空室内设有储能飞轮和驱动电机，其特征在于：所述储能飞轮包括超导定子和永磁‑超导转子，超导定子固设于***边框内壁上，永磁‑超导转子固设于悬浮主轴上，超导定子和永磁‑超导转子及悬浮主轴同轴设置，驱动电机设于***边框内侧并位于储能飞轮上方，***边框的顶端设有真空接口和电接口。本发明克服了通过轴向轴承和径向轴承进行定位给***带来的弊端，通过储能飞轮自身进行轴向定位和径向定位，储能飞轮旋转过程中的稳定性好，结构简单，且加工和维护成本大大降低，适用于电能存储技术领域。

Description

一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***
技术领域
本发明属于电能存储技术领域，具体的说，涉及一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***。
背景技术
飞轮储能***在储能时,电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动,飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程,能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能***实现了电能的输入、储存和输出过程。
高温超导飞轮储能***是一种效率高且损耗小的飞轮储能***，其工作原理为；***中电机的定子通电，驱动电机的转子转动，电机的转子通过悬浮主轴驱动超导飞轮加速旋转，进行能量存储，实现了由电能转化为动能；当***作为发电机需要输出能量时，超导飞轮储存的动能通过电机将机械能转换成电能输送出来。***中悬浮主轴无接触的旋转，极大地降低了摩擦阻力以及旋转损耗，进而提高了储能***的转换效率。
现有技术中，高温超导飞轮储能***内部主要由驱动电机、轴向轴承、径向轴承以及储能飞轮组成，其中径向轴承以及轴向轴承的一部分需要直接或间接的单独固定在悬浮主轴上，在***运行过程中跟随主轴旋转以保持储能飞轮和悬浮主轴在轴向方向保持平稳。该结构形式对悬浮主轴的悬浮力要求较高，且对各部分结构配合安装精度要求严格，设备加工和维护成本较高。
发明内容
本发明提供一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，通过储能飞轮自身进行轴向定位和径向定位，以克服通过轴向轴承和径向轴承进行定位给***带来的弊端。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，包括***边框，所述***边框内设有真空室，真空室内设有储能飞轮和驱动电机，其特征在于：所述储能飞轮包括超导定子和永磁-超导转子，超导定子固设于***边框内壁上，永磁-超导转子固设于悬浮主轴上，超导定子和永磁-超导转子及悬浮主轴同轴设置，驱动电机设于***边框内侧并位于储能飞轮上方，***边框的顶端设有真空接口和电接口。
进一步的，所述永磁-超导转子包括无磁不锈钢支架、永磁转子本体和若干组超导转子本体，无磁不锈钢支架套装于悬浮主轴上，永磁转子本体套装于无磁不锈钢支架上，若干组超导转子本体嵌装于永磁转子本体上并沿其轴向均匀布置。
进一步的，所述无磁不锈钢支架为工字型结构，包括支架本体和两凸起部，支架本体为柱状结构并套装于悬浮主轴上，两凸起部套装于悬浮主轴上并分别固设于支架本体的两端，永磁转子本体和若干组超导转子本体固设于两凸起部之间。
进一步的，所述永磁转子本体包括两端部永磁转子本体和若干组中间永磁转子本体，两端部永磁转子本体固设于无磁不锈钢支架的两凸起部分下端，若干组超导转子本体均匀设置于两端部永磁转子本体之间并与若干组永磁转子本体间隔设置。
进一步的，所述中间永磁转子本体为2组，超导转子本体为3组，2组中间永磁转子本体和3组超导转子本体套装于支架本体外侧并间隔设置。
进一步的，所述超导定子与上方的端部永磁转子本体相斥，与下方的端部转子本体相吸。
进一步的，所述支架本体和两凸起部一体成型。
进一步的，所述超导定子包括定子本体，定子本体固设于***框架内壁上，定子本体与永磁转子本体和超导转子本体之间设有气隙。
进一步的，所述驱动电机包括电机定子和电机转子，电机定子固设于***边框顶部的侧壁上并通过电接口与***电源相连，电机转子固设于悬浮主轴顶部，并与电机定子、储能飞轮的超导定子和永磁-超导转子同轴设置。
进一步的，所述超导定子和超导转子本体的超导转子本体采用超导块材。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
(1)本发明克服了通过轴向轴承和径向轴承进行定位给***带来的弊端，与传统高温超导飞轮储能***相比，本***创新的将悬浮主轴上的径向轴承、轴向轴承与飞轮融合为一体，通过飞轮自身进行轴向定位和径向定位，储能飞轮的超导定子和永磁-超导转子充当了径向轴承与轴向轴承的角色，保证了悬浮主轴在旋转过程中不会出现较大的径向或轴向偏移，确保了***运行的稳定性，此外也极大地降低了悬浮主轴对悬浮力的要求以及加工精度和安装精度的要求；
(2)该储能飞轮的超导定子与永磁-超导转子中的永磁构型与超导构型中，永磁-超导转子的突出部分与超导定子的突出部分具有较大的感应面积，超导定子上方突出部分与永磁-超导转子上方突出部分之间为相互斥力，超导定子下方突出部分与永磁-超导转子下方突出部分为相互吸引力，超导定子中间竖直部分与永磁-超导转子中间竖直部分可提供径向作用力，即该***可同时提供径向和轴向的悬浮力；
(3)超导定子的结构在确保获得较大悬浮力的同时也大大减少了制做成本。
综上所述，本***减少了***的制作成本，同时减少了悬浮主轴的重量，也降低了对悬浮主轴悬浮力的要求，提高了***运行稳定性，结构简单，且加工和维护成本大大降低，适用于电能存储技术领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
标注部件：1-真空接口，2-电接口，3-悬浮主轴，4-电机转子，5-电机定子，6-端部永磁转子本体，7-中间永磁转子本体，8-超导转子本体，9-超导定子，10-***框架，11-无磁不锈钢支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，如图1所示，包括***边框，所述***边框内设有真空室，真空室内设有储能飞轮和驱动电机，其特征在于：所述储能飞轮包括超导定子9和永磁-超导转子，超导定子9固设于***边框内壁上，永磁-超导转子固设于悬浮主轴3上，超导定子9和永磁-超导转子及悬浮主轴3同轴设置，驱动电机设于***边框内侧并位于储能飞轮上方，***边框的顶端设有真空接口1和电接口2。所述驱动电机包括电机定子5和电机转子4，电机定子5固设于***边框顶部的侧壁上并通过电接口2与***电源相连，电机转子4固设于悬浮主轴3顶部，并与电机定子5、储能飞轮的超导定子9和永磁-超导转子同轴设置。所述超导定子9包括定子本体，定子本体固设于***框架10内壁上，定子本体与永磁转子本体和超导转子本体8之间设有气隙。
***边框顶部设有真空接口1和电接口2，***可通过真空接口1将真空室内的空气排出，使整个***内部处于真空状态，保证储能飞轮运行环境良好。通过电接口2，可以使***与外部之间进行电能的供给和输送。
作为一个优选的实施例，所述永磁-超导转子包括无磁不锈钢支架11、永磁转子本体和若干组超导转子本体8，无磁不锈钢支架11套装于悬浮主轴3上，永磁转子本体套装于无磁不锈钢支架11上，若干组超导转子本体8嵌装于永磁转子本体上并沿其轴向均匀布置。所述永磁转子本体包括两端部永磁转子本体6和若干组中间永磁转子本体7，两端部永磁转子本体6固设于无磁不锈钢支架11的两凸起部分下端，若干组超导转子本体8均匀设置于两端部永磁转子本体6之间并与若干组永磁转子本体间隔设置。
作为一个优选的实施例，所述无磁不锈钢支架11为工字型结构，包括支架本体和两凸起部，支架本体为柱状结构并套装于悬浮主轴3上，两凸起部套装于悬浮主轴3上并分别固设于支架本体的两端，永磁转子本体和若干组超导转子本体8固设于两凸起部之间。所述支架本体和两凸起部一体成型。所述超导定子9和超导转子本体8采用超导块材。
作为一个优选的实施例，具体的，在本发明中，所述中间永磁转子本体7为2组，超导转子本体8为3组，2组中间永磁转子本体7和3组超导转子本体8套装于支架本体外侧并间隔设置。可以根据实际需要增加或减少永磁转子本体和超导转子本体8的数量和厚度，以满足实际需要。
所述超导定子9与上方的端部永磁转子本体6相斥，与下方的端部转子本体相吸。储能飞轮由永磁-超导转子和超导定子9组成，超导定子9和永磁-超导转子中的超导部分采用超导块材，永磁部分采用永磁体。由于超导体在一定条件下既可表现为抗磁性磁矩又可表现为顺磁性磁矩，因此，它既可以实现磁悬浮又可以实现磁倒挂。即永磁-超导转子上方突出部分的端部永磁转子本体6与超导定子9上方的突出部分为磁倒挂形式。永磁-超导转子下方突出部分的端部永磁转子本体6与超导定子9方的突出部分为磁悬浮形式。
永磁-超导转子的上方和下方的突出部分与超导定子9两端的突出部分相结合，增大了感应面积，同时也增大了超导定子9与永磁-超导转子之间的悬浮力，超导定子9与上方的端部永磁转子本体6相斥，与下方的端部转子本体相吸，具体表现为：超导定子9与永磁-超导转子上方突出部分为斥力，超导定子9与永磁-超导转子下方突出部分为吸引力，这样的结构可以使储能飞轮在运行过程中在轴向保持相对稳定，使***在高速运行过程中提供较大轴向的悬浮力，永磁-超导转子的永磁体上下方的突出部分与超导定子9产生的力相互牵制，所以，在***运行过程中，不会出现较大的轴向偏移。
储能飞轮中使用了永磁-超导结合的方式，永磁-超导转子中永磁与超导的相互作用产生的磁场更强，可以与超导定子产生较强的悬浮力，即转子与定子之间的径向悬浮力更强，保证了***运行过程中悬浮主轴3径向的稳定性。该结构在增大储能飞轮中永磁-超导转子和超导定子9之间轴向和径向悬浮力的本***永磁-超导转子中使用了永磁与超导混合，与传统相比，用超导代替铁轭。永磁与超导混合可以使储能飞轮的转子与定子之间产生较强的径向悬浮力，转子的上下凸出部分与超导定子增大接触面积产生较强的轴向悬浮力。可使***运行时不会产生较大的径向和轴向的偏移，从而保证了***运行过程中的稳定性，同时，不需要进行轴承高精度的安装与设计，便于维护，大大的减少了制作成本。
本发明的工作原理如下：在高温超导飞轮储能***中，***真空室内部的驱动电机通过电接口2与外部相连，***中的超导块材均处于超导状态。默认情况下，悬浮主轴3在储能飞轮的超导定子9与永磁-超导转子的共同作用下处于悬浮状态，并保持相对静止状态。
***处于静止状态时，悬浮主轴3在飞轮的作用下处于一个相对稳定的悬浮状态。***进入工作状态后，驱动电机通过外部接口通电，电机定子5产生变化的磁场来带动电机转子4转动，此时***内部稳定的悬浮状态在受到外力的作用后被打破，在电机定子5和电机转子4的作用下，带动悬浮主轴3旋转，储能飞轮的永磁-超导转子部分跟随悬浮主轴3旋转，另一部分超导定子9固定在***框架10内壁上。在驱动电机的带动下，飞轮最终会处于一个稳定的高速旋转状态。电机关闭，飞轮继续旋转，***完成了电能转换为动能，当***需要作为发电机工作时，相同原理，由储存的动能转化为电能输出。
当***通过驱动电机经悬浮主轴3给储能飞轮一个初始的动力后，储能飞轮在电机转子4和电机定子5的共同作用下开始旋转，当储能飞轮达到一定转速时，可切断电源，飞轮在不受到外部阻力的情况下，会继续旋转，将输入的电能存储为机械能，当需要电能输出时，再通过储能飞轮旋转过程中的机械能转化为电能输出。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，包括***边框，所述***边框内设有真空室，真空室内设有储能飞轮和驱动电机，其特征在于：所述储能飞轮包括超导定子（9）和永磁-超导转子，超导定子（9）固设于***边框内壁上，永磁-超导转子固设于悬浮主轴（3）上，超导定子（9）和永磁-超导转子及悬浮主轴（3）同轴设置，驱动电机设于***边框内侧并位于储能飞轮上方，***边框的顶端设有真空接口（1）和电接口（2）；
所述永磁-超导转子包括无磁不锈钢支架（11）、永磁转子本体和若干组超导转子本体（8），无磁不锈钢支架（11）套装于悬浮主轴（3）上，永磁转子本体套装于无磁不锈钢支架（11）上，若干组超导转子本体（8）嵌装于永磁转子本体上并沿其轴向均匀布置；
所述无磁不锈钢支架（11）为工字型结构，包括支架本体和两凸起部，支架本体为柱状结构并套装于悬浮主轴（3）上，两凸起部套装于悬浮主轴（3）上并分别固设于支架本体的两端，永磁转子本体和若干组超导转子本体（8）固设于两凸起部之间；
所述永磁转子本体包括两端部永磁转子本体（6）和若干组中间永磁转子本体（7），两端部永磁转子本体（6）固设于无磁不锈钢支架（11）的两凸起部分下端，若干组超导转子本体（8）均匀设置于两端部永磁转子本体（6）之间并与若干组永磁转子本体间隔设置；
所述超导定子（9）与上方的端部永磁转子本体（6）相斥，与下方的端部转子本体相吸。
2.根据权利要求1所述的一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，其特征在于：所述中间永磁转子本体（7）为2组，超导转子本体（8）为3组，2组中间永磁转子本体（7）和3组超导转子本体（8）套装于支架本体外侧并间隔设置。
3.根据权利要求1所述的一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，其特征在于：所述支架本体和两凸起部一体成型。
4.根据权利要求1所述的一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，其特征在于：所述超导定子（9）包括定子本体，定子本体固设于***框架（10）内壁上，定子本体与永磁转子本体和超导转子本体（8）之间设有气隙。
5.根据权利要求1所述的一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，其特征在于：所述驱动电机包括电机定子（5）和电机转子（4），电机定子（5）固设于***边框顶部的侧壁上并通过电接口（2）与***电源相连，电机转子（4）固设于悬浮主轴（3）顶部，并与电机定子（5）、储能飞轮的超导定子（9）和永磁-超导转子同轴设置。
6.根据权利要求1所述的一种含超导体的工型永磁转子的高温超导飞轮储能***，其特征在于：所述超导定子（9）和超导转子本体（8）采用超导块材。
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