CN202550787U - 飞轮电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种飞轮储能装置，尤其涉及一种能够进行快速充放电的飞轮电池。它包括飞轮装置和驱动飞轮做旋转运动的驱动装置，所述飞轮装置包括飞轮、飞轮转轴、飞轮转轴两端的磁悬浮轴承，飞轮装置的***设置有真空密闭罩，所述真空密闭罩与磁悬浮轴承过盈配合，所述飞轮为磁性材料制成或在飞轮上固设内磁体，所述驱动装置包括传动轴和转子，所述传动轴一端与转子固定连接，另一端与电动机或发动机相连，所述转子由磁性材料制成或转子上设置外磁体，所述驱动装置的转子和飞轮装置之间留有间隙，且转子的轴线与飞轮转轴的轴线平行或重合，所述飞轮与转子通过磁场力相互驱动。本实用新型能够提高储能容量、延长使用寿命、便于量产及维护保养。

Description

飞轮电池

技术领域

本实用新型涉及一种飞轮储能装置，尤其涉及一种能够进行快速充放电的飞轮电池。

背景技术

目前，人们的生产生活中较常使用的电池多为化学电池，化学电池将电能转化为化学能储存，使用时再将化学能还原成电能输出。虽然目前化学电池储能技术已经发展的非常成熟，但是化学电池储能技术存在着诸如储能密度小、充放电次数受限导致使用寿命较短、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等弊端。而利用物理方法实现储能的飞轮储能作为新兴的电能存储方法，近年来受到各国的广泛关注。

飞轮电池早在几千年的古代就有利用，如古代的制陶的制坯机械，到现代蒸汽机和汽车发动机也都用到飞轮技术。而飞轮储能电池的概念起源于20世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，显示出它更加广阔的应用前景。但要将飞轮旋转所储存的动能转变为实用化产品，依然存在很多技术难点：如

1)飞轮的旋转速度必须非常高才会有高的储能密度和动能效果。但在空气环境中，高速旋转的飞轮会造成极高的风阻损耗，大大消耗飞轮旋转时产生的能量，电池储能容量小、充放电的速度慢。

2)飞轮电池中采用机械轴承是不可行的。机械轴承存在机械摩擦，飞轮在高速旋转时由于机械摩擦不会一直保持高速旋转，且由于机械摩擦会使轴承上产生大量的热量造成能量损失，无法实现动能的长期有效储存。

3)动平衡技术。由于飞轮的高速旋转和飞轮本身的质量，旋转体的动平衡技术对飞轮的正常工作起着非常重要的作用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种增强飞轮电池储能的容量，提高飞轮电池充放电的速度，延长飞轮电池的使用寿命且方便飞轮电池的使用及保养维护的飞轮电池。

本实用新型的目的主要是通过下述方案得以实现的：一种飞轮电池，它包括飞轮装置和驱动飞轮做旋转运动的驱动装置，所述飞轮装置包括飞轮、飞轮转轴、飞轮转轴两端的磁悬浮轴承，飞轮装置的***设置有真空密闭罩，所述真空密闭罩与磁悬浮轴承过盈配合，所述飞轮为磁性材料制成或在飞轮上固设内磁体，所述驱动装置包括传动轴和转子，所述传动轴一端与转子固定连接，另一端与电动机或发动机相连，所述转子由磁性材料制成或转子上设置外磁体，所述驱动装置的转子和飞轮装置之间留有间隙，且转子的轴线与飞轮转轴的轴线平行或重合，所述飞轮与转子通过磁场力相互驱动。

采用本方案的飞轮电池，是能够进行快速充放电，其工作原理为：

充电过程：驱动装置的传动轴与电动机连接。驱动电动机，则驱动装置的传动轴旋转，从而带动转子进行高速旋转。由于转子由磁性材料制成或转子上设置外磁体、飞轮为磁性材料制成或在飞轮上固设内磁体，由于驱动装置和飞轮装置间隙配合，这样转子或转子的外磁体与飞轮或飞轮上的内磁体通过磁场的耦合作用带动飞轮进行旋转。当飞轮的旋转速度与驱动装置的传动轴的旋转速度相同时，将驱动装置远离飞轮装置，真空密闭罩的飞轮则在磁悬浮轴承的支撑下在真空腔内高速旋转。真空状态下由于无风阻损耗且飞轮转轴与支撑装置无接触，则飞轮长时间维持其动能不变，从而达到储能的效果，至此飞轮储能即充电过程完毕。

放电过程：驱动装置的传动轴与发电机连接。此时驱动装置与飞轮装置接近并保持一定的间隙，转子的旋转速度为零或低于飞轮的旋转速度。但由于转子或转子的外磁体与飞轮或飞轮上的内磁体之间磁场的耦合作用，转子旋转速度逐渐提高，飞轮的旋转速度逐步降低，向传动轴输出动能，带动发电机发电，从而实现飞轮直接发电。至此放电过程完毕。

由于在飞轮装置的***设置真空密闭罩，这样就使飞轮装置的部件均处于真空状态中，这样当飞轮进行高速旋转时不会出现风阻损耗，能够在较短时间内产生较高的储能密度、充电速度大大提高。当飞轮电池放电时，由于无摩擦损耗，电池储存的能量能够得到充分利用，提高了飞轮电池的储能容量、延长飞轮电池的使用寿命。且驱动飞轮的驱动力为转子与飞轮之间的磁场力，其结构简单，便于飞轮电池的量产及维护保养。

作为优选，所述转子形状为圆形套筒，所述真空密闭罩的横截面为圆环，所述圆形套筒的直径大于圆环外圆的直径。圆形套筒的直径大于真空密闭罩横截面外圆的直径，在飞轮储能时，可使飞轮有加速旋转的作用。

作为优选，所述飞轮装置设置于转子内，所述飞轮转轴的轴线与转子的轴线重合，所述飞轮装置的真空密闭罩与转子的间隙为1～10mm。飞轮装置的真空密闭罩与转子之间留有1-10mm的间隙，则圆形套筒与飞轮之间能够产生较强的磁场力，实现飞轮与转子通过磁场力相互驱动。

作为优选，所述转子的圆周表面内侧和下端面内侧分别设有轴向外磁体和径向外磁体，同时飞轮圆周表面外侧和下端面外侧分别设置轴向内磁体与径向内磁体。在转子的轴向内表面及径向内表面上均设置外磁体，飞轮相对应地设置轴向与径向内磁体，使转子与飞轮之间的磁场力增强，同时限制飞轮的轴向运动，使飞轮绕自身轴线正常旋转。

作为优选，所述飞轮装置设置于圆形套筒外，所述飞轮转轴的轴线与转子的轴线平行，所述飞轮装置的真空密闭罩与转子的间隙为1～10mm。飞轮装置与转子之间留有1-10mm的间隙，使圆形套筒与飞轮之间能够产生较强的磁场力，实现飞轮与转子通过磁场力相互驱动。同时将飞轮装置设置于转子之外，可以使驱动装置能够方便的移动以靠近或远离飞轮装置，进行快速充放电。同时所述飞轮转轴的轴线与转子的轴线平行安装时，真空密封罩内的飞轮的直径要远小于圆形套筒的外径，这样飞轮电池在充电时，圆形套筒以较低的速度旋转时，飞轮做加速运动，圆形套筒的直径越大，飞轮的旋转越快，飞轮充电的时间越短。

作为优选，所述转子的圆周表面外侧设有轴向外磁体，飞轮圆周表面外侧设置轴向内磁体。转子的圆周表面外侧设有轴向外磁体，飞轮圆周表面外侧设置轴向内磁体。且内磁体、外磁体平行设置，则两磁体之间磁力最强，加快转子与飞轮之间的驱动时间，即加快充放电速度。

作为优选，所述磁悬浮轴承的磁极为NNSS成对磁极布置。磁极结构布局分为NNSS和NSNS两种，对于电磁铁而言，随着电流频率的增大，NNSS结构布局下的涡流损耗要小于NSNS的结构布局。磁力轴承的工作控制电流频率通常在10KHz以上，因此考虑到涡流损耗的影响，磁悬浮轴承采用NNSS成对磁极配置。同时为了降低磁极间的耦合效应，要求定子结构的上下、左右必须对称，磁极数一般选为8的倍数。

作为优选，所述轴向内磁体与径向内磁体为永磁或软磁材料片，轴向外磁体和径向外磁体为永磁或电磁材料片。

作为优选，所述真空密闭罩为非磁材料制成的封闭的薄壁腔体。真空密闭罩由非磁材料制成，不会影响转子与飞轮之间磁场力的作用。

总之，本实用新型使飞轮装置能够在较短时间内产生较高的储能密度、充电速度大大提高；当飞轮电池放电时，由于无摩擦损耗，电池储存的能量能够得到充分利用，提高了飞轮电池的储能容量、延长飞轮电池的使用寿命；且具有结构简单，便于飞轮电池的量产及维护保养的优点。

附图说明

图1为实施例1的轴向截面示意图；

图2为实施例1中磁悬浮轴承的磁极布局结构；

图3为实施例2的轴向截面示意图。

图示说明：1-飞轮，2-飞轮转轴，3-磁悬浮轴承，4-真空密闭罩，5-轴向内磁体，6-径向内磁体，7-传动轴，8-转子，9-轴向外磁体，10-径向外磁体。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

一种飞轮电池，如图1所示，包括飞轮装置和驱动飞轮做旋转运动的驱动装置，所述飞轮装置包括飞轮1、飞轮转轴2、飞轮转轴2两端用于支撑飞轮转轴2的磁悬浮轴承3，所述磁悬浮轴承3的磁极为NNSS成对磁极布置。如图2所示，飞轮装置还包括***设置的真空密闭罩4，真空密闭罩4为非磁材料制成的封闭的横截面为圆环状的薄壁腔体。所述真空密闭罩4与磁悬浮轴承3过盈配合，所述飞轮1为磁性材料制成或在飞轮1的圆周表面外侧固设内磁体。由于飞轮1直接由磁性材料制成成本较高，因此在本实施例中，选择在飞轮1的圆周表面外侧与下端面的外侧分别设置轴向内磁体5与径向内磁体6，所述轴向内磁体5与径向内磁体6为永磁或软磁材料片，所述径向内磁体6的磁极也为NNSS成对磁极布置，如图2所示。所述驱动装置包括传动轴7和转子8，所述传动轴7一端与转子8固定连接，另一端与电动机或发动机相连。所述转子8为圆形套筒，由于圆形套简直接由永磁材料制成成本较高，因此在本实施例中，在圆形套筒的圆周表面内侧设置轴向外磁体9，下端面内侧设置径向外磁体10，所述轴向外磁体9与径向外磁体10为永磁或电磁片。所述轴向内磁体与轴向外磁体9、径向内磁体6与径向外磁体10平行设置。所述飞轮装置设置于圆形套筒内，所述飞轮转轴2的轴线与转子8的轴线重合，所述飞轮装置的真空密闭罩4与转子8的的间隙为5mm。

本实用新型能够进行快速充放电，其工作原理为：

充电过程：驱动装置的传动轴7与电动机连接。驱动电动机，则驱动装置的传动轴7旋转，从而带动转子8进行高速旋转。转子8上设置轴向外磁体9与径向外磁体10，同时飞轮1上设置有与轴向外磁体9与径向外磁体10平行的轴向内磁体与径向内磁体6，驱动装置和飞轮装置间隙配合，这样转子8转动，通过磁场的耦合作用带动飞轮1进行旋转。当飞轮1的旋转速度与驱动装置的传动轴7的旋转速度相同时，将驱动装置远离飞轮装置，真空密闭罩4的飞轮1则在磁悬浮轴承3的支撑下在真空腔内高速旋转。真空状态下由于无风阻损耗且飞轮转轴2与支撑装置无接触，则飞轮长时间维持其动能不变，从而达到储能的效果，至此飞轮储能即充电过程完毕。

放电过程：驱动装置的传动轴7与发电机连接。此时驱动装置与飞轮装置接近并保持一定的间隙，转子8的旋转速度为零或低于飞轮1的旋转速度。但由于转子8与飞轮1之间磁场的耦合作用，转子8旋转速度逐渐提高，飞轮1的旋转速度逐步降低，向传动轴7输出动能，带动发电机发电，从而实现飞轮直接发电。至此放电过程完毕。

由于在飞轮装置的***设置真空密闭罩4，这样就使飞轮装置的部件均处于真空状态中，这样当飞轮1进行高速旋转时不会出现风阻损耗，能够在较短时间内产生较高的储能密度、充电速度大大提高。当飞轮电池放电时，由于无摩擦损耗，电池储存的能量能够得到充分利用，提高了飞轮电池的储能容量、延长飞轮电池的使用寿命。且驱动飞轮1的驱动力为转子8与飞轮1之间的磁场力，其结构简单，便于飞轮电池的量产及维护保养。

实施例2：

实施例2与实施例1中的驱动装置与飞轮装置的结构相似，其不同之处在于，驱动装置与飞轮装置的安装位置不同，如图3所示，所述飞轮装置设置于转子8的圆形套筒外，所述飞轮转轴2的轴线与转子8的轴线平行，所述飞轮装置的真空密闭罩4与转子8的间隙为5mm。所述驱动装置与飞轮装置实现平行设置的固定结构为现有常规固定方式，因不在本实用新型的保护范围之内，故不再赘述。

同时由于驱动装置与飞轮装置并列设置，只有转子8轴向外磁体9与飞轮1的轴向内磁体平行，因此在本实施例中，无径向外磁体10。

飞轮装置设置于转子之外，不仅可以使驱动装置能够方便的移动以靠近或远离飞轮装置，进行快速充放电，而且，当驱动装置的圆形套筒的外径远大于飞轮的直径，在充电时可以大大地缩短飞轮的充电时间。

应理解，实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对飞轮装置的真空装置或飞轮转子与转子之间的磁力装置等结构做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种飞轮电池，它包括飞轮装置和驱动飞轮做旋转运动的驱动装置，所述飞轮装置包括飞轮（1）、飞轮转轴（2）、飞轮转轴（2）两端的磁悬浮轴承（3），其特征在于：飞轮装置的***设置有真空密闭罩（4），所述真空密闭罩（4）与磁悬浮轴承（3）过盈配合，所述飞轮（1）为磁性材料制成或在飞轮（1）上固设内磁体，所述驱动装置包括传动轴（7）和转子（8），所述传动轴（7）一端与转子（8）固定连接，另一端与电动机或发动机相连，所述转子（8）由磁性材料制成或转子（8）上设置外磁体，所述驱动装置的转子和飞轮装置之间留有间隙，且转子的轴线与飞轮转轴的轴线平行或重合，所述飞轮（1）与转子（8）通过磁场力相互驱动。

2.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于：所述转子（8）形状为圆形套筒，所述真空密闭罩（4）的横截面为圆环，所述圆形套筒的直径大于圆环外圆的直径。

3.根据权利要求2所述的飞轮电池，其特征在于：所述飞轮装置设置于转子（8）内，所述飞轮转轴（2）的轴线与转子（8）的轴线重合，所述飞轮装置的真空密闭罩（4）与转子（8）的间隙为1~10mm。

4.根据权利要求3所述的飞轮电池，其特征在于：所述转子（8）的圆周表面内侧和下端面内侧分别设有轴向外磁体（9）和径向外磁体（10），同时飞轮（1）圆周表面外侧和下端面外侧分别设置轴向内磁体（5）与径向内磁体（6）。

5.根据权利要求2所述的飞轮电池，其特征在于：所述飞轮装置设置于圆形套筒外，所述飞轮转轴（2）的轴线与转子（8）的轴线平行，所述飞轮装置的真空密闭罩（4）与转子（8）的间隙为1~10mm。

6.根据权利要求5所述的飞轮电池，其特征在于：所述转子（8）的圆周表面外侧设有轴向外磁体（9），飞轮（1）圆周表面外侧设置轴向内磁体（5）。

7.根据权利要求4所述的飞轮电池，其特征在于：所述轴向内磁体（5）与径向内磁体（6）为永磁或软磁材料片，轴向外磁体（9）和径向外磁体（10）为永磁或电磁材料片。

8.根据权利要求1或3或5所述的飞轮电池，其特征在于：所述真空密闭罩（4）为非磁材料制成的封闭的薄壁腔体。

9.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于：所述磁悬浮轴承（3）的磁极为NNSS成对磁极布置。

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