一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，高速永磁電機(jī)為充發(fā)一體式電機(jī)，輸入/輸出端連接矩陣變換器，配以可高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體，使系統(tǒng)具有儲(chǔ)能和放能雙向功能。采用永磁偏置軸、徑向混合磁軸承作為主支撐結(jié)構(gòu)，機(jī)械滾動(dòng)軸承提供系統(tǒng)失穩(wěn)保護(hù)，降低了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的待機(jī)損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)的金屬外殼較厚，形成真空腔，降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)子風(fēng)磨損耗，同時(shí)具有支撐和保護(hù)作用?；^大，降低系統(tǒng)重心，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)具有大容量、高轉(zhuǎn)速、高功率密度、低待機(jī)損耗等特點(diǎn)，可用于電網(wǎng)調(diào)峰、不間斷電源、混合動(dòng)力機(jī)車等場(chǎng)合。
【專利說明】—種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，更具體地，涉及一種大容量、高轉(zhuǎn)速、高能量密度、低待機(jī)損耗的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等新能源具有的隨機(jī)性、間歇性、不可控性等特點(diǎn)，其接入電網(wǎng)造成電能質(zhì)量下降、局部電網(wǎng)無功電壓和頻率不穩(wěn)定等問題，對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來不利影響。傳統(tǒng)發(fā)電方式如水力發(fā)電存在設(shè)備利用率低、電能浪費(fèi)的問題，為了提高電力系統(tǒng)利用率，需要存儲(chǔ)多余的能量。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)大功率負(fù)載沖擊或供電系統(tǒng)發(fā)生實(shí)時(shí)短路故障等情況時(shí)，也迫切需要設(shè)計(jì)能快速反應(yīng)的儲(chǔ)能調(diào)峰電站向沖擊負(fù)載或電網(wǎng)提供短時(shí)大功率電能，以維持電力系統(tǒng)的供電連續(xù)性，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。
[0003]目前以新能源為代表的分布式發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)目前主要有以下四種:蓄電池儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。其中飛輪儲(chǔ)能由于無污染、儲(chǔ)能密度高、充放電次數(shù)無限制、分布不受自然條件限制等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、不間斷電源、混合動(dòng)力機(jī)車、航空航天等場(chǎng)合，發(fā)展前景廣闊。
[0004]目前的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品多采用機(jī)械軸承支撐，待機(jī)損耗大；電機(jī)轉(zhuǎn)速難以提高，系統(tǒng)儲(chǔ)能密度低；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間利用率不高，穩(wěn)定性較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前結(jié)構(gòu)存在的缺陷，提供一種大容量、高轉(zhuǎn)速、高能量密度、低待機(jī)損耗的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括金屬外殼、基座，以及由上到下依次布置在金屬外殼內(nèi)的上徑向混合磁軸承、高速永磁電機(jī)、飛輪本體、下徑向混合磁軸承和軸向混合磁軸承，且上徑向混合磁軸承和下徑向混合磁軸承結(jié)構(gòu)相同。
[0007]進(jìn)一步地，所述上徑向混合磁軸承包括徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)徑向磁軸承定子鐵心及設(shè)置在徑向磁軸承定子鐵心對(duì)應(yīng)位置的徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心，每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心磁極極靴位置布置一導(dǎo)磁塊，導(dǎo)磁塊之間嵌入有徑向磁軸承永磁體，每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心的徑向槽內(nèi)分布有纏繞各個(gè)磁極的徑向磁軸承繞組線圈，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心軸向位置之間布置有導(dǎo)磁環(huán)，所述導(dǎo)磁塊與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心之間留有徑向磁軸承工作氣隙。
[0008]進(jìn)一步地，所述軸向混合磁軸承包括軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸、套置在軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子雙推力盤、上定子端板、下定子端板、設(shè)置在上定子端板和下定子端板中間的定子中心板、位于定子中心板與上定子端板之間的上永磁體及位于定子中心板與下定子端板之間的下永磁體，以及位于定子外殼與上定子端板、定子中心板及下定子端板圍合形成空間內(nèi)的定子勵(lì)磁線圈；所述上定子端板和下定子端板分別與轉(zhuǎn)子雙推力盤的外端面構(gòu)成外上氣隙和外下氣隙，所述定子中心板與轉(zhuǎn)子雙推力盤的內(nèi)端面構(gòu)成內(nèi)上氣隙和內(nèi)下氣隙；所述上永磁體和下永磁體軸向充磁，且充磁方向相反。
[0009]進(jìn)一步地,所述高速永磁電機(jī)由內(nèi)向外依次包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸、表貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸外的電機(jī)永磁體、電機(jī)定子鐵心、電機(jī)繞組線圈及置于金屬外殼內(nèi)的水冷套；所述電機(jī)永磁體與電機(jī)定子鐵心之間留有電機(jī)工作氣隙。
[0010]優(yōu)選地，所述導(dǎo)磁塊為圓弧，所述徑向磁軸承永磁體為圓弧狀,且徑向磁軸承永磁體采用軸向充磁；所述徑向磁軸承定子鐵心的每個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的徑向磁軸承永磁體大小相同、充磁方向相同。
[0011]優(yōu)選地，所述導(dǎo)磁環(huán)的截面積等于所述徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸的截面積。
[0012]優(yōu)選地，所述每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心的磁極數(shù)目為四個(gè)、八個(gè)或十六個(gè)，且每個(gè)磁極的形狀相同。
[0013]優(yōu)選地，所述每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心的磁極數(shù)目為四個(gè)，且每個(gè)磁極的形狀相同。
[0014]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子雙推力盤的兩個(gè)推力盤的外徑相等，為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0015]優(yōu)選地，所述徑向磁軸承工作氣隙的大小在Imm以下；所述外上氣隙與外下氣隙大小相等，所述內(nèi)下氣隙的大小小于內(nèi)上氣隙的大小。
[0016]優(yōu)選地，所述上永磁體和下永磁體采用的是相同的圓弧形永磁體；所述上永磁體距定子中心板和上定子端板的端面距離為其自身高度的一倍以上，所述下永磁體距定子中心板和下定子端板的端面距離為其自身高度的一倍以上。
[0017]優(yōu)選地，所述徑向磁軸承定子鐵心、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心及電機(jī)定子鐵心均由硅鋼片沿軸向疊置而成，厚度為0.2mm、0.35mm或0.5mm。
[0018]優(yōu)選地，所述金屬外殼為密閉的金屬外殼，且所述金屬外殼與基座之間使用加強(qiáng)筋連接；所述金屬外殼在系統(tǒng)上、下端部還設(shè)有機(jī)械滾動(dòng)軸承。
[0019]本發(fā)明的工作原理是:上、下徑向混合磁軸承及軸向混合磁軸承通電后，對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行懸浮支撐，實(shí)現(xiàn)其五個(gè)自由度的懸浮。高速永磁電機(jī)通電后帶動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，真空泵開始工作，金屬外殼形成真空腔。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電模式下運(yùn)行時(shí)，高速永磁電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，恒轉(zhuǎn)矩輸入；在發(fā)電模式下運(yùn)行時(shí)，高速永磁電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，恒功率輸出。如果系統(tǒng)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子端部的機(jī)械滾動(dòng)軸承開始工作，保護(hù)磁軸承和系統(tǒng)安全。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有立式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn):
[0021](I)支撐系統(tǒng)采用軸、徑向混合磁軸承，無接觸支撐，可承受系統(tǒng)轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速、待機(jī)損耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高、軸承使用壽命長(zhǎng)；
[0022](2)充發(fā)一體式高速永磁電機(jī)作為系統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，功率大、充放電速度快；系統(tǒng)可達(dá)到高速、存儲(chǔ)能量大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響??；
[0023](3)飛輪本體可承受高轉(zhuǎn)速，其邊緣線速度大、能量密度高；
[0024](4)系統(tǒng)各組件基本解耦，獨(dú)立性好、系統(tǒng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性強(qiáng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為圖1中徑向混合磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖3為圖2的一個(gè)徑向磁軸承定子鐵心徑向剖面的永磁磁路示意圖；
[0028]圖4為圖1中軸向混合磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5為圖4的永磁磁路示意圖；
[0030]圖6為圖4的電勵(lì)磁磁路示意圖；
[0031]圖7為圖1中高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0033]I一軸向混合磁軸承、10—軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸、11一轉(zhuǎn)子雙推力盤、12—上定子端板、13一下定子端板、14一上永磁體、15—下永磁體、16—定子中心板、17一定子勵(lì)磁線圈、18一定子外殼、1.1一夕卜上氣隙、1.2一內(nèi)上氣隙、1.3一內(nèi)下氣隙、1.4一夕卜下氣隙；
[0034]2—上徑向混合磁軸承、20—徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸、21 一徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心、22—導(dǎo)磁環(huán)、2 3—徑向磁軸承定子鐵心、2 4一導(dǎo)磁塊、2 5—徑向磁軸承永磁體、2 6—徑向磁軸承繞組線圈、2.1—徑向磁軸承工作氣隙；
[0035]3一聞速永磁電機(jī)、31—電機(jī)轉(zhuǎn)軸、32—水冷套、33—電機(jī)永磁體、34—電機(jī)定子鐵心、35—電機(jī)繞組線圈、3.1一電機(jī)工作氣隙；
[0036]4一飛輪本體、5—金屬外殼、6—下徑向混合磁軸承、7—基座、8一加強(qiáng)筋、9一機(jī)械滾動(dòng)軸承。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0038]如圖1所不一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),包括金屬外殼5、基座7,以及由上到下依次布置在金屬外殼5內(nèi)的上徑向混合磁軸承2、高速永磁電機(jī)3、飛輪本體4、下徑向混合磁軸承6和軸向混合磁軸承1，且上徑向混合磁軸承2和下徑向混合磁軸承6結(jié)構(gòu)相同；另外，本實(shí)施例中的金屬外殼5米用的是密閉的金屬外殼,金屬外殼5與基座7之間使用加強(qiáng)筋8連接，加強(qiáng)筋8起到支撐和保護(hù)作用，金屬外殼5在系統(tǒng)上、下端部還設(shè)有機(jī)械滾動(dòng)軸承9，飛輪本體4可采用高強(qiáng)度鋼或者高分子復(fù)合材料。上徑向混合磁軸承2、下徑向混合磁軸承6和軸向混合磁軸承I分布于高速永磁電機(jī)3和飛輪本體4的兩側(cè)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子五個(gè)自由度的懸??；高速永磁電機(jī)3位于飛輪本體4上方，帶動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例中基座7為鑄鐵塊，其重量視系統(tǒng)重心高度而定，一般大于系統(tǒng)總重的一半，因此，系統(tǒng)工作時(shí)，金屬外殼5內(nèi)空氣被真空泵抽走，形成真空腔；如果系統(tǒng)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子端部的機(jī)械滾動(dòng)軸承9開始工作，保護(hù)磁軸承和系統(tǒng)安全。
[0039]如圖2所示，上徑向混合磁軸承包括徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20、兩個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23及設(shè)置在徑向磁軸承定子鐵心23對(duì)應(yīng)位置的徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21，每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23磁極極靴位置布置一導(dǎo)磁塊24，導(dǎo)磁塊24之間嵌入有徑向磁軸承永磁體25，本實(shí)施例中導(dǎo)磁塊24的材料為高導(dǎo)磁率低導(dǎo)電率的電工純鐵，為圓弧，而徑向磁軸承永磁體25為圓弧狀,每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23的徑向槽內(nèi)分布有纏繞各個(gè)磁極的徑向磁軸承繞組線圈26,徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21軸向位置之間布置有導(dǎo)磁環(huán)22,導(dǎo)磁環(huán)22材料為高導(dǎo)磁低導(dǎo)電的電工純鐵；徑向磁軸承定子鐵心23與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21之間留有徑向磁軸承工作氣隙2.1。而徑向磁軸承永磁體25充磁方式采用軸向充磁，且徑向磁軸承定子鐵心23的每個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的徑向磁軸承永磁體25大小相同、充磁方向相同，通過徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21和徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20實(shí)現(xiàn)永磁磁路導(dǎo)通。
[0040]通常情況下，每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23的磁極數(shù)目可以為四個(gè)、八個(gè)或十六個(gè)，且每個(gè)磁極的形狀相同，本實(shí)施例中每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23的磁極數(shù)目為四個(gè)，因此，徑向磁軸承永磁體25有四個(gè)，兩個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23共有八個(gè)徑向磁軸承繞組線圈26，同向兩個(gè)徑向磁軸承繞組線圈26作為一組，一共四組，對(duì)應(yīng)四個(gè)方向。導(dǎo)磁環(huán)22的截面積取決于徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20磁密飽和程度，本實(shí)施例中導(dǎo)磁環(huán)22的截面積等于徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20的截面積，并且轉(zhuǎn)子組件的內(nèi)外表面均為光滑曲面。
[0041 ] 在本實(shí)施例中，徑向混合磁軸承的永磁磁路采用軸向磁路，如圖3所示，徑向磁軸承定子極靴由導(dǎo)磁塊24構(gòu)成，作為徑向磁軸承永磁體25和電勵(lì)磁磁路的延伸，有效減小永磁磁路的磁阻，徑向磁軸承永磁體25嵌入其中；為了便于裝配和考慮實(shí)際加工工藝，徑向磁軸承永磁體25形狀不再設(shè)置為圓環(huán)狀,而是圓弧狀；導(dǎo)磁塊24和徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21之間是徑向磁軸承工作氣隙2.1，為了保證磁軸承能提供較大的承載力，徑向磁軸承工作氣隙2.1必須在Imm以下，本實(shí)施例采用0.5mm ;從減少組件數(shù)目和提高空間利用率的角度考慮，徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20采用高強(qiáng)度高磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁鋼，本實(shí)施例采用25Cr2Ni4Mov，等同于非導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸外套導(dǎo)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，更加緊湊；徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20是各個(gè)徑向磁軸承工作氣隙2.1的永磁磁路共用的組件，但是其外徑受到強(qiáng)度的限制，因此在其中間設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)22防止徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸20磁密飽和。四個(gè)徑向磁軸承永磁體25大小相等，充磁方向相同,產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)相等，具有較好的對(duì)稱性。
[0042]本發(fā)明的徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心21和徑向磁軸承定子鐵心23由硅鋼片沿軸向疊置而成，厚度為0.2mm、0.35mm或0.5mm,電勵(lì)磁磁路徑向分布。因此，圖3選取單個(gè)徑向磁軸承定子鐵心23徑向剖面作為徑向混合磁軸承的電勵(lì)磁磁路分布的示例。徑向磁軸承繞組線圈26分為四組，分別繞在徑向磁軸承定子鐵心23的四個(gè)磁極上，受功率放大器控制，進(jìn)行灌膠處理以便于固定和散熱；以X軸為例，其正負(fù)方向的電勵(lì)磁方向相同，磁場(chǎng)方向可正可負(fù)，由于永磁磁場(chǎng)方向全部是指向圓心，因此二者在氣隙處疊加或者抵消；y軸原理相同，在此不再贅述。
[0043]如圖4所示的軸向混合磁軸承包括軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸10、套置在軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸10上的轉(zhuǎn)子雙推力盤11、上定子端板12、下定子端板13、設(shè)置在上定子端板12和下定子端板13中間的定子中心板16、位于定子中心板16與上定子端板12之間的上永磁體14及位于定子中心板16與下定子端板13之間的下永磁體15,以及位于定子外殼18與上定子端板12、定子中心板16及下定子端板13圍合形成空間內(nèi)的定子勵(lì)磁線圈17,并對(duì)定子勵(lì)磁線圈17進(jìn)行灌膠處理。本實(shí)施例中轉(zhuǎn)子雙推力盤11的兩個(gè)推力盤的外徑相等，為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子雙推力盤11由于受轉(zhuǎn)速影響可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行選擇，高速場(chǎng)合需采用高強(qiáng)度的軟磁材料，強(qiáng)度的大小則需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用計(jì)算而定，而軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸10采用高強(qiáng)度鋼，轉(zhuǎn)子雙推力盤11與軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸10熱套連接；另外,上、下永磁體14、15位于定子中心板16和上、下定子端板12、13之間，與轉(zhuǎn)子雙推力盤11 一起構(gòu)成永磁磁路,定子勵(lì)磁線圈17位于定子外殼18與上、下定子端板12、13、定子中心板16之間，與轉(zhuǎn)子雙推力盤11構(gòu)成電勵(lì)磁磁路，而定子中心板為系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸提供懸浮所需的軸向力。上定子端板12和下定子端板13分別與轉(zhuǎn)子雙推力盤11的外端面構(gòu)成外上氣隙1.1和外下氣隙1.4，定子中心板16與轉(zhuǎn)子雙推力盤11的內(nèi)端面構(gòu)成內(nèi)上氣隙1.2和內(nèi)下氣隙1.3 ;本實(shí)施例中,夕卜上氣隙1.1與外下氣隙1.4大小相等,為系統(tǒng)提供偏置磁場(chǎng)，內(nèi)下氣隙1.3的大小小于內(nèi)上氣隙1.2的大小，使得轉(zhuǎn)子雙推力盤11產(chǎn)生抵消重力的卸載力。
[0044]本實(shí)施例中，上永磁體14和下永磁體15采用的是相同的環(huán)形永磁體；上永磁體14距定子中心板16和上定子端板12的端面距離為其自身高度的一倍以上，下永磁體15距定子中心板16和下定子端板13的端面距離為其自身高度的一倍以上，并且上永磁體14和下永磁體15軸向充磁,且充磁方向相反，在內(nèi)外氣隙1.1、1.2、1.3、1.4內(nèi)產(chǎn)生永磁偏置磁場(chǎng)，可形成三條回路，如圖5所示:外上氣隙1.1與外下氣隙1.4大小相同，內(nèi)上氣隙1.2、內(nèi)下氣隙1.3大小不一樣,在本實(shí)施例中，夕卜上氣隙1.1取0.5mm、內(nèi)上氣隙1.2取1.5mm,內(nèi)下氣隙1.3取0.5mm、夕卜下氣隙1.4取0.5mm,因此上永磁體14形成兩條回路,分別經(jīng)過內(nèi)上氣隙1.2、內(nèi)下氣隙1.3且在內(nèi)下氣隙1.3處的磁密要大于內(nèi)上氣隙1.2,同時(shí)下永磁體15也通過內(nèi)下氣隙1.3形成回路，內(nèi)下氣隙1.3處的磁密遠(yuǎn)大于內(nèi)上氣隙1.2處的磁密(10倍以上)，因此轉(zhuǎn)子雙推力盤11可以提供抵消轉(zhuǎn)子重力的卸載力。
[0045]本發(fā)明實(shí)施例的軸向混合磁軸承的電勵(lì)磁磁路如圖6所示。定子勵(lì)磁線圈17產(chǎn)生的電勵(lì)磁磁場(chǎng)可以對(duì)永磁偏置磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，定子勵(lì)磁線圈17的電流方向可以雙向調(diào)節(jié)，這里取勵(lì)磁電流為正時(shí)的狀態(tài)，電勵(lì)磁磁路沿轉(zhuǎn)子雙推力盤11磁場(chǎng)方向向上，先后穿過外上氣隙1.1、外下氣隙1.4，通過上定子端板12、下定子端板13和定子外殼18形成回路。此時(shí)電勵(lì)磁和永磁回路分別在外上氣隙1.1、外下氣隙1.4處疊加,外上氣隙1.1磁場(chǎng)增強(qiáng),夕卜下氣隙L 4磁場(chǎng)削弱，導(dǎo)致抵消重力后的承載力合力向上；同理，當(dāng)定子勵(lì)磁線圈17的電流為負(fù)時(shí)，抵消重力后的承載力合力向下。
[0046]如圖7所不的高速永磁電機(jī)3由內(nèi)向外依次包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸31、表貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸31外的電機(jī)永磁體33、電機(jī)定子鐵心34、電機(jī)繞組線圈35及置于金屬外殼5內(nèi)的水冷套32 ；本實(shí)施例中，電機(jī)轉(zhuǎn)軸31米用高強(qiáng)度軟磁材料，電機(jī)永磁體33為兩片圓弧狀,表貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸31外,采用徑向充磁,通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸31和電機(jī)定子鐵心34形成回路；電機(jī)定子鐵心34由娃鋼片沿軸向疊置而成，厚度為0.2mm、0.35mm或0.5mm,采用水冷方式冷卻；電機(jī)永磁體33與電機(jī)定子鐵心34之間留有電機(jī)工作氣隙3.1，其電機(jī)工作氣隙3.1相對(duì)較大，本實(shí)施例取5mm。
[0047]本發(fā)明中，高速永磁電機(jī)3為充發(fā)一體式電機(jī),輸入/輸出端連接矩陣變換器，配以可高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體，使系統(tǒng)具有儲(chǔ)能和放能雙向功能。采用永磁偏置軸、徑向混合磁軸承作為主支撐結(jié)構(gòu)，機(jī)械滾動(dòng)軸承提供系統(tǒng)失穩(wěn)保護(hù)，降低了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的待機(jī)損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)的金屬外殼較厚，形成真空腔，降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)子風(fēng)磨損耗，同時(shí)具有支撐和保護(hù)作用?；^大，降低系統(tǒng)重心，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)具有大容量、高轉(zhuǎn)速、高功率密度、低待機(jī)損耗等特點(diǎn)，可用于電網(wǎng)調(diào)峰、不間斷電源、混合動(dòng)力機(jī)車等場(chǎng)
入
口 ο
[0048]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括金屬外殼(5)、基座(7)，以及由上到下依次布置在金屬外殼(5)內(nèi)的上徑向混合磁軸承(2)、高速永磁電機(jī)(3)、飛輪本體(4)、下徑向混合磁軸承(6)和軸向混合磁軸承(1)，且上徑向混合磁軸承(2)和下徑向混合磁軸承(6)結(jié)構(gòu)相同；其特征在于， 所述上徑向混合磁軸承(2 )包括徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸(20 )、兩個(gè)徑向磁軸承定子鐵心(23 )及設(shè)置在徑向磁軸承定子鐵心(23 )對(duì)應(yīng)位置的徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心(21)，每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心(23)磁極極靴位置布置一導(dǎo)磁塊(24)，導(dǎo)磁塊(24)之間嵌入有徑向磁軸承永磁體(25),每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心(23)的徑向槽內(nèi)分布有纏繞各個(gè)磁極的徑向磁軸承繞組線圈(26)，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心(21)軸向位置之間布置有導(dǎo)磁環(huán)(22)，所述徑向磁軸承定子鐵心(23)與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心(21)之間留有徑向磁軸承工作氣隙(2.1)； 所述軸向混合磁軸承(I)包括軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸(10)、套置在軸向磁軸承轉(zhuǎn)軸(10)上的轉(zhuǎn)子雙推力盤(11)、上定子端板(12)、下定子端板(13)、設(shè)置在上定子端板(12)和下定子端板(13)中間的定子中心板(16)、位于定子中心板(16)與上定子端板(12)之間的上永磁體(14)及位于定子中心板(16)與下定子端板(13)之間的下永磁體(15)，以及位于定子外殼(18)與上定子端板(12)、定子中心板(16)及下定子端板(13)圍合形成空間內(nèi)的定子勵(lì)磁線圈(17);所述上定子端板(12)和下定子端板(13)分別與轉(zhuǎn)子雙推力盤(11)的外端面構(gòu)成外上氣隙(1.1)和外下氣隙(1.4)，所述定子中心板(16)與轉(zhuǎn)子雙推力盤(11)的內(nèi)端面構(gòu)成內(nèi)上氣隙 (1.2)和內(nèi)下氣隙(1.3);所述上永磁體(14)和下永磁體(15)軸向充磁，且充磁方向相反； 所述高速永磁電機(jī)(3)由內(nèi)向外依次包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸(31)、表貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸(31)外的電機(jī)永磁體(33)、電機(jī)定子鐵心(34)、電機(jī)繞組線圈(35)及置于金屬外殼(5)內(nèi)的水冷套(32);所述電機(jī)永磁體(33)與電機(jī)定子鐵心(34)之間留有電機(jī)工作氣隙(3.1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)磁塊(24 )為圓弧,所述徑向磁軸承永磁體(25 )為圓弧狀,且徑向磁軸承永磁體(25 )采用軸向充磁；所述徑向磁軸承定子鐵心(23)的每個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的徑向磁軸承永磁體(25)大小相同、充磁方向相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)磁環(huán)(22)的截面積等于所述徑向磁軸承轉(zhuǎn)軸(20)的截面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心(23)的磁極數(shù)目為四個(gè)、八個(gè)或十六個(gè)，且每個(gè)磁極的形狀相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述每個(gè)徑向磁軸承定子鐵心(23)的磁極數(shù)目為四個(gè)，且每個(gè)磁極的形狀相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子雙推力盤(11)的兩個(gè)推力盤的外徑相等，為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述徑向磁軸承工作氣隙(2.1)的大小在Imm以下；所述外上氣隙(1.1)與外下氣隙(1.4)大小相等，所述內(nèi)下氣隙(1.3)的大小小于內(nèi)上氣隙(1.2)的大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述上永磁體(14)和下永磁體(15)采用的是相同的環(huán)形永磁體；所述上永磁體(14)距定子中心板(16)和上定子端板(12)的端面距離為其自身高度的一倍以上，所述下永磁體(15)距定子中心板(16)和下定子端板(13)的端面距離為其自身高度的一倍以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述徑向磁軸承定子鐵心(23)、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心(21)及電機(jī)定子鐵心(34)均由硅鋼片沿軸向疊置而成，厚度為 0.2mm、0.35mm 或 0.5mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式混合磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬外殼(5)為密閉的金屬外殼，且所述金屬外 殼(5)與基座(7)之間使用加強(qiáng)筋(8)連接；所述金屬外殼(5)在系統(tǒng)上、下端部還設(shè)有機(jī)械滾動(dòng)軸承(9)。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK103929010SQ201410113317
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】王東, 張賢彪, 吳磊濤, 蘇振中, 易新強(qiáng), 陳俊全 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)