CN117294052B - 飞轮储能电机以及飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及飞轮储能技术领域，公开了一种飞轮储能电机以及飞轮储能装置，飞轮储能电机包括机座和定子组件，定子组件设于机座的内部，定子组件包括定子铁芯、定子绕组、第一绝缘层和第二绝缘层；第一绝缘层封装于定子绕组和定子铁芯的外表面，第二绝缘层封装于第一绝缘层的外表面；其中，第二绝缘层材料的耐高低温性能大于第一绝缘层材料的耐高低温性能，且第二绝缘层材料的韧性大于所述第一绝缘层材料的韧性；第一绝缘层材料的粘结强度大于第二绝缘层材料的粘结强度。本申请的飞轮储能电机旨在解决环氧树脂容易开裂，导致定子绕组失去绝缘保护的技术问题。

Description

飞轮储能电机以及飞轮储能装置

技术领域

本申请涉及飞轮储能技术领域，特别是涉及一种飞轮储能电机以及飞轮储能装置。

背景技术

飞轮储能电机是飞轮储能***的核心组成部分，用于将电能转化为机械能以加速飞轮，在需要时将储存的机械能转化成电能。

飞轮储能电机的定子封装结构设计紧凑、坚固而且能够容纳飞轮转子，以确保飞轮转子的安全运转。飞轮储能电机往往在低真空环境下运行，现阶段采用环氧树脂灌封的方式将飞轮储能电机的定子绕组与外部真空环境隔离，由于环氧树脂在高低温状态下或者在温度骤变情况下容易开裂，导致定子绕组失去绝缘保护，造成局部放电情况的发生，严重威胁飞轮储能***的绝缘***可靠性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种飞轮储能电机以及飞轮储能装置，以解决环氧树脂容易开裂，导致定子绕组失去绝缘保护的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种飞轮储能电机，其包括机座和定子组件，所述定子组件设于所述机座的内部，所述定子组件包括定子铁芯、定子绕组、第一绝缘层和第二绝缘层；所述第一绝缘层封装于所述定子绕组和所述定子铁芯的外表面，所述第二绝缘层封装于所述第一绝缘层的外表面；

其中，所述第二绝缘层材料的耐高低温性能大于所述第一绝缘层材料的耐高低温性能，且所述第二绝缘层材料的韧性大于所述第一绝缘层材料的韧性；所述第一绝缘层材料的粘结强度大于所述第二绝缘层材料的粘结强度。

第二方面，本申请提供了一种飞轮储能装置，其包括所述飞轮储能电机。

本申请提供的一种飞轮储能电机，其有益效果在于：

本申请的飞轮储能电机在定子表面设置内外两层绝缘层，内层为第一绝缘层，外层为第二绝缘层。在材料的粘结强度方面，第一绝缘层优于第二绝缘层，使用第一绝缘层封装定子绕组和定子铁芯的外表面，绝缘材料能够更加稳定地固化在定子绕组和定子铁芯的外表面，从而隔离和保护定子绕组和定子铁芯；在材料的耐高低温性能以及韧性方面，第二绝缘层优于第一绝缘层，使用第二绝缘层封装第一绝缘层的外表面，以隔离和保护第一绝缘层，即使内层绝缘材料在高低温状态下或者温度骤变情况下产生开裂，外层绝缘材料依然保持其绝缘性能，可以继续有效地隔离和保护定子绕组和定子铁芯。本实施例的飞轮储能电机采用内外两层绝缘材料组成复合灌装结构，外层绝缘材料比内层绝缘材料韧性好、弹性足，并且外层绝缘材料的耐高低温性能比内层绝缘材料强，有效提高了定子绕组与外部真空环境隔离的可靠性，弥补了环氧灌封胶容易开裂的缺陷，增强了飞轮储能电机的安全性能。

附图说明

图1是本申请实施例一提供的飞轮储能电机的结构示意图；

图2是本申请实施例一提供的飞轮储能电机去除第一绝缘层和第二绝缘层的截面示意图；

图3是本申请实施例一提供的飞轮储能电机去除第二绝缘层的截面示意图；

图4是本申请实施例一提供的飞轮储能电机的截面示意图；

图5是本申请实施例一提供的飞轮储能电机的另一个截面示意图；

图6是图5中X处的放大图；

图7是图5中Y处的放大图。

图中标记如下：100、机座；11、环形凹槽；111、第一环形槽；112、第二环形槽；12、环形台阶；200、定子组件；21、定子铁芯；22、定子绕组；23、第一绝缘层；24、第二绝缘层；25、环行凸起；251、第一凸起部；252、第二凸起部；300、压紧片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

在本申请的描述中，应当说明的是，本申请中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置和元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，应当理解的是，本申请中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

飞轮储能电机是一种能够将电能转化为机械能，并将机械能存储为旋转动能的电机***，其本质上是利用旋转惯性来储存和释放能量。飞轮储能电机的绕组由导线或线圈组成，绕组用于传导电流。这些导线或线圈在电机运行时受到电流的作用，产生电磁场并进行电磁能量转换。为了确保电机的安全性、可靠性和性能，绕组通常需要进行绝缘保护，从而防止短路和电击、防止电气击穿、提供电磁屏蔽以及提供电磁屏蔽等。因此，绕组的绝缘保护是确保飞轮储能电机稳定、高效运行以及提高其安全性的关键因素。

相关技术中，飞轮储能电机使用环氧树脂作为绝缘层封装和固化电机的内部组件，因为环氧树脂具有优良的电绝缘性和耐化学腐蚀性，可以有效地隔离和保护电机中的电线、定子绕组以及其他电子元件。但是，当飞轮储能电机在高温状态下运行，环氧树脂内部产生的热应力或结构应力可能会大于固化物自身的强度，导致环氧树脂产生开裂，或者飞轮储能电机在启停过程中温度骤升或骤降，急剧的温度变化可以引起环氧树脂热膨胀或收缩，其内部应力积聚，也会导致环氧树脂产生开裂。所以，传统的环氧树脂灌封保护并不可靠，外部温度的高低以及温度变化均会影响其绝缘保护效果，导致定子绕组与外部真空相接触，产生局部放电的危险情况。

实施例一

如图1和图4所示，本申请实施例提供一种飞轮储能电机，其包括机座100和定子组件200，定子组件200设于机座100的内部，定子组件200包括定子铁芯21、定子绕组22、第一绝缘层23和第二绝缘层24；第一绝缘层23封装于定子绕组22和定子铁芯21的外表面，第二绝缘层24封装于第一绝缘层23的外表面；其中，第二绝缘层24材料的耐高低温性能大于第一绝缘层23材料的耐高低温性能，且第二绝缘层24材料的韧性大于第一绝缘层23材料的韧性；第一绝缘层23材料的粘结强度大于第二绝缘层24材料的粘结强度。

基于上述技术方案，本申请设置内外两层绝缘层，内层为第一绝缘层23，外层为第二绝缘层24。在材料的粘结强度方面，第一绝缘层23优于第二绝缘层24，使用第一绝缘层23封装定子绕组22和定子铁芯21的外表面，绝缘材料能够更加稳定地固化在定子绕组22和定子铁芯21的外表面，从而隔离和保护定子绕组22和定子铁芯21；在材料的耐高低温性能以及韧性方面，第二绝缘层24优于第一绝缘层23，使用第二绝缘层24封装第一绝缘层23的外表面，以隔离和保护第一绝缘层23，即使内层绝缘材料在高低温状态下或者温度骤变情况下产生开裂，外层绝缘材料在高低温状态下或者温度骤变情况下依然保持其绝缘性能，可以继续有效地隔离和保护定子绕组22和定子铁芯21。本实施例的飞轮储能电机采用内外两层绝缘材料组成复合灌装结构，外层绝缘材料比内层绝缘材料韧性好、弹性足，并且外层绝缘材料的耐高低温性能比内层绝缘材料强，有效提高了定子绕组与外部真空环境隔离的可靠性，弥补了环氧灌封胶容易开裂的缺陷，增强了飞轮储能电机的安全性能。

具体地，如图2所示，在飞轮储能电机结构中，定子绕组22和定子铁芯21是电机的两个关键组成部分。其中，定子铁芯21是定子组件200的主要支撑结构，通常由高导磁材料制成，如硅钢片等，其作用是集中和引导磁场，提高电磁感应效率，并降低能量损耗。定子铁芯21的设计需要考虑磁通密度、铁损耗和磁滞损耗等因素，其结构是由一系列绝缘薄片叠加组成，减少涡流损耗和磁滞损耗。定子绕组22是由导线绕制成的线圈，部分包裹在定子铁芯21上，其作用是产生电磁场，与旋转的电机转子相互作用以产生转矩，从而实现能量转换。定子绕组22的设计需要考虑电机的电流、电压、频率和功率等因素，根据绕组特定的设计要求以特定的方式绕制和连接，以确保电机的高效运行和稳定性能。

作为一种实施方式，如图3所示，第一绝缘层23覆盖定子绕组22和定子铁芯21的外表面，并且第一绝缘层23填装于定子绕组22与定子铁芯21的间隙。

具体地，本实施例采用灌封方式将第一绝缘层23材料包裹在定子绕组22和定子铁芯21的外表面并填装于定子绕组22和定子铁芯21的间隙，确保第一绝缘层23材料能够覆盖定子绕组22和定子铁芯21的全部表面，并且稳定地固化于定子绕组22和定子铁芯21的外表面，从而有效地隔离和保护定子绕组22和定子铁芯21。

作为一种实施方式，如图3和图4所示，第一绝缘层23与机座100具有间隙，第二绝缘层24填装于第一绝缘层23与机座100的间隙。

具体地，本实施例在第一绝缘层23覆盖定子绕组22和定子铁芯21的基础上，采用第二绝缘层24封装第一绝缘层23的外表面并填装于第一绝缘层23与机座100的间隙。一方面，第二绝缘层24材料相对于第一绝缘层23而言具有较强韧性，第一绝缘层23与机座100之间预留一定间隙，当第一绝缘层23膨胀收缩时，可以避免第一绝缘层23材料内部产生热应力而迅速开裂；另一方面，第二绝缘层24材料能够覆盖第一绝缘层23的全部表面，充分地隔离和保护第一绝缘层23，从而间接地隔离和保护定子绕组22和定子铁芯21。

作为一种较佳的实施方式，第一绝缘层23与机座100的间隙大于或等于2毫米，换言之，第二绝缘层24材料在这个间隙的厚度大于或等于2毫米，可以有效地隔离和保护第一绝缘层23。

作为一种实施方式，如图5所示，机座100的内壁设有环形凹槽11，第二绝缘层24朝向机座100的一侧设有环行凸起25，环行凸起25嵌入环形凹槽11。

具体地，机座100的内壁设置环形凹槽11，第二绝缘层24设置对应的环行凸起25，环行凸起25嵌入环形凹槽11可以适应电机本体高低温变化。比如在高温状态下，第一绝缘层23受热膨胀向两侧位置顶开，由于第二绝缘层24的环行凸起25嵌入机座100的环形凹槽11，能够以此对抗第一绝缘层23膨胀对第二绝缘层24与机座100结合处的威胁，从而保证第二绝缘层24的密封效果。

作为一种实施方式，机座100的内壁设有多个环形凹槽11，第二绝缘层24朝向机座100的一侧设有多个环行凸起25，各环行凸起25一一对应嵌入各环形凹槽11。

具体地，如图5所示，机座100四个顶角的内壁均设置有多个环形凹槽11，对机座100四个顶角的第一绝缘层23进行保护。但是环形凹槽11不局限于机座100四个顶角的内壁，第二绝缘层24与机座100接触的表面均可以设置一个或者多个环形凹槽11。在实际应用中，根据机座100受热部位以及第一绝缘层23热应力集中位置相应地设置更多环形凹槽11，以维持第二绝缘层24与机座100结合密封效果。

作为一种较佳的实施方式，如图6所示，环形凹槽11包括第一环形槽111和第二环形槽112，第一环形槽111的开口沿机座100的径向，第二环形槽112的开口沿机座100的轴向；环行凸起25包括第一凸起部251和第二凸起部252，第一凸起部251对应嵌入第一环形槽111，第二凸起部252对应嵌入第二环形槽112。

具体地，机座100的径向设置一个或者多个第一环形槽111，机座100的轴向设置一个或者多个第二环形槽112，换言之，在机座100的轴向和径向同时设置环形凹槽11，第一凸起部251、第二凸起部252分别嵌入第一环形槽111和第二环形槽112，对抗第一绝缘层23在水平和竖直方向上的热胀冷缩变化，最大限度地保证第二绝缘层24的密封效果。

示例性地，如图7所示，本实施例以机座100的一个顶角设置第二绝缘层24进行说明，机座100在轴向和径向分别设置两个环形凹槽11，第二绝缘层24在轴向和径向对应分别设置两个环行凸起25。其中，第二绝缘层24的热膨胀系数比机座100的热膨胀系数大，当第二绝缘层24受热膨胀时，环行凸起25的B、D、F、G面胀紧密封；当第二绝缘层24冷却收缩时，A、C、E、H面缩紧密封，从而保证第二绝缘层24的密封效果。

作为一种实施方式，如图5所示，机座100的内壁包括环形台阶12，环形台阶12的侧面设有第一环形槽111，环形台阶12的端面设有第二环形槽112。

具体地，机座100的内壁向机座100的中心凸出形成环形台阶12，以便于在机座100的径向设置第一环形槽111，同时在机座100的轴向设置第二环形槽112。

作为一种实施方式，如图5所示，飞轮储能电机还包括压紧片300，压紧片300设于第二绝缘层24沿机座100轴向的端面，压紧片300用于压紧第二绝缘层24，以使第二绝缘层24封装于第一绝缘层23的外表面。

具体地，本实施例通过压紧片300将第二绝缘层24材料压缩和固定在定子绕组22上，以确保绝缘材料牢固地粘附在导线或线圈表面，避免松散或移动，提供一定的预压缩量来增加绝缘材料的密封性。在具体应用中，可以使用绝缘胶水、胶带、粘合剂或机械夹具完成绝缘材料的固化。

作为一种实施方式，第一绝缘层23包括环氧树脂，第二绝缘层24包括硅橡胶、有机硅灌封胶、氟橡胶中的一种或多种。

在本实施例中，使用环氧树脂灌封飞轮储能电机有一些显著的优势，主要包括以下几点：第一，环氧树脂可以防止外部环境因素（如湿气、腐蚀物质、污染物和灰尘）进入飞轮储能电机的内部。第二，环氧树脂具有良好的电绝缘性能，可以有效地防止电流泄漏和电气短路。第三，环氧树脂对化学品的抵抗性较强。第四，环氧树脂可以提供机械保护，减少振动和冲击对飞轮储能电机的影响。第五，环氧树脂容易加工和填充，可以适应各种不同的电机设计，适合填充和封装电机内部的空隙和裂缝。

在本实施例中，使用硅橡胶、有机硅灌封胶或氟橡胶灌封飞轮储能电机具有同样的优势，以硅橡胶为例进行说明，主要包括以下几点：第一，硅橡胶具有出色的高温稳定性，能够在极端温度条件下工作而不失去其弹性和物理性质。这使其适用于一些需要在高温环境下运行的飞轮储能电机。第二，硅橡胶具有出色的柔软性和弹性，可以在灌封过程中填充电机内部的不规则空隙和形状。这有助于确保电机内部各部件之间的紧密接触和机械防护。第三，电绝缘性能：硅橡胶具有良好的电绝缘性能，能够有效地阻止电流泄漏，降低电气短路的风险。这对于保护电机内部的电子元件和绕组非常重要。第四，耐化学品和腐蚀性物质：硅橡胶对许多化学品和腐蚀性物质的抵抗性较高，可以保护电机内部不受外部环境中的腐蚀性物质的侵害。第五，良好的耐磨性：硅橡胶通常具有良好的耐磨性，这在一些应用中可以提供额外的保护，特别是对于涉及高速旋转部件的电机。第六，灵活性和容易加工：硅橡胶容易加工和填充，能够适应各种不同的电机设计和形状。

在本实施例中，飞轮储能电机中的绕组绝缘采用绝缘材料和绝缘工艺来实现，包括以下步骤和方法：（1）绝缘材料选择：首先，选择适当的绝缘材料，这些材料必须具有出色的电绝缘性和耐热性。常用的绝缘材料包括环氧树脂、绝缘纸、绝缘胶带、聚酰亚胺薄膜（、聚酰胺等。（2）绝缘层设计：设计绕组绝缘层，确定绝缘材料的厚度和分层结构。这需要考虑电压、温度、机械应力和环境因素，以确保绕组充分绝缘。（3）绕组制备：将绝缘材料切割成适当的形状，然后将其包裹在绕组的导线或线圈周围。这通常涉及到将绝缘材料层层包裹在绕组上，确保覆盖每个绕组。（4）固定和压缩：将绝缘材料压缩和固定在绕组上，以确保其牢固地粘附在导线或线圈表面，避免松散或移动，这可以使用绝缘胶水、胶带、粘合剂或机械夹具完成。（5）固化和固定：进一步固化或硬化绝缘材料，以确保绝缘层的稳定性。（6）绝缘测试：在装配电机之前，通常需要对绕组绝缘进行测试，以确保它满足设计要求。这包括绝缘电阻测试、介电强度测试和其他相关测试。（7）组装：将绕组与电机的其他部件组装在一起，确保绕组绝缘不受损害或受到外部环境的影响。总而言之，绕组绝缘的质量和可靠性对于飞轮储能电机的性能和长寿命至关重要，绕组绝缘的失效可能导致电机故障。

实施例二

本实施例提供的飞轮储能电机与实施例一、二不同之处主要在于凹槽的设置方式不同，具体体现为：本实施例的机座100的内壁设有多个凹槽（附图未示出），第二绝缘层24朝向机座100的一侧设有多个凸起，各凸起一一对应嵌入各凹槽。这种设置方式，凸起嵌入凹槽也可以适应电机高低温变化，吸收第一绝缘层23热胀冷缩的变化量，缓冲第一绝缘层23的膨胀收缩，保证绝缘材料的可靠密封。其中，凹槽可以规则排列也可以不规则排列，凹槽可以是圆槽也可以是方槽，槽体的数量、形状和大小没有具体限制，只要能形成凸起嵌入凹槽的结构即可。

除了上述不同之处，本实施例提供的飞轮储能电机的其他部分，可参照实施例一，在此不再详述。

另一方面，本申请实施例还提供了一种飞轮储能装置，包括飞轮储能电机。

具体地，飞轮储能装置是一种能量储存技术，利用旋转的飞轮将机械能转化为电能以实现能量存储。飞轮储能装置由一个高速旋转的飞轮和与之连接的飞轮储能电机以及控制***组成。当电网需要额外的电能时，储存在电机中的机械能可以被转换为电能，并输送到电网。相反地，当电网产生过剩的电能时，这些多余的电能可以被用来驱动电机，将机械能转移到飞轮电机中以进行能量存储。飞轮储能装置通常在电网调节和平衡方面发挥重要作用，可以用作电网峰值负荷平衡***，用于短期能量储存和释放，其响应速度快、效率高、寿命长等特点使其成为可再生能源集成和电力***稳定性增强工具。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞轮储能电机，其特征在于，包括机座和定子组件，所述定子组件设于所述机座的内部，所述定子组件包括定子铁芯、定子绕组、第一绝缘层和第二绝缘层；所述第一绝缘层封装于所述定子绕组和所述定子铁芯的外表面，所述第二绝缘层封装于所述第一绝缘层的外表面；

所述机座的内壁设有多个凹槽，所述第二绝缘层朝向所述机座的一侧设有多个凸起，各所述凸起一一对应嵌入各所述凹槽；

其中，所述第二绝缘层的材料的耐高低温性能大于所述第一绝缘层的材料的耐高低温性能，且所述第二绝缘层的材料的韧性大于所述第一绝缘层的材料的韧性；所述第一绝缘层的材料的粘结强度大于所述第二绝缘层的材料的粘结强度。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述第一绝缘层覆盖所述定子绕组和所述定子铁芯的外表面，并且所述第一绝缘层填装于所述定子绕组与所述定子铁芯的间隙。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述第一绝缘层与所述机座具有间隙，所述第二绝缘层填装于所述第一绝缘层与所述机座的间隙。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述机座的内壁设有环形凹槽，所述第二绝缘层朝向所述机座的一侧设有环行凸起，所述环行凸起嵌入所述环形凹槽。

5.根据权利要求4所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述机座的内壁设有多个所述环形凹槽，所述第二绝缘层朝向所述机座的一侧设有多个所述环行凸起，各所述环行凸起一一对应嵌入各所述环形凹槽。

6.根据权利要求4或5所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述环形凹槽包括第一环形槽和第二环形槽，所述第一环形槽的开口沿所述机座的径向，所述第二环形槽的开口沿所述机座的轴向；

所述环行凸起包括第一凸起部和第二凸起部，第一凸起部对应嵌入所述第一环形槽，所述第二凸起部对应嵌入所述第二环形槽。

7.根据权利要求6所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述机座的内壁包括环形台阶，所述环形台阶的侧面设有所述第一环形槽，所述环形台阶的端面设有所述第二环形槽。

8.根据权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述飞轮储能电机还包括压紧片，所述压紧片设于所述第二绝缘层沿所述机座轴向的端面，所述压紧片用于压紧所述第二绝缘层，以使所述第二绝缘层封装于所述第一绝缘层的外表面。

9.根据权利要求1所述的飞轮储能电机，其特征在于，所述第一绝缘层包括环氧树脂，所述第二绝缘层包括硅橡胶、有机硅灌封胶、氟橡胶中的一种或多种。

10.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的飞轮储能电机。