專利名稱：一種飛輪儲能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電能存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及的是一種飛輪儲能裝置。
背景技術(shù)：
飛輪儲能裝置正超著高速、大功率方向發(fā)展，飛輪的體積正變得越來越大。但是從國內(nèi)外技術(shù)市場來看，飛輪儲能裝置仍然廣泛地使用徑向氣隙的電機(jī)，應(yīng)當(dāng)看到徑向氣隙電機(jī)體積大，這就越發(fā)增大了大容量儲能飛輪裝置的體積，因此，如何減小大容量儲能飛輪的體積是飛輪研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時，從支承方式來看，電磁懸浮軸承、超導(dǎo)磁懸浮軸承、永磁懸浮軸承等已成為飛輪儲能裝置的主流支承方式。以上支承方式雖然在一定程度上滿足了儲能飛輪的高轉(zhuǎn)速和低功耗要求，但是也帶來了較為突出的問題電磁懸浮軸承的測控系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，加之磁軸承本身也需要供電，這就降低了飛輪儲能系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率，降低了儲能性價比；高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承需要構(gòu)建低溫環(huán)境，大幅度地增加了運行成本，同樣導(dǎo)致飛輪儲能系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率下降；永磁懸浮軸承對外界激勵的抑制能力較差，單靠永磁懸浮軸承本身無法實現(xiàn)全懸浮。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種飛輪儲能裝置，該飛輪儲能裝置具有體積小的優(yōu)點，并且該裝置中的軸承在軸向和徑向上的承載壓力小。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是本實用新型的飛輪儲能裝置，包括采用立式結(jié)構(gòu)的設(shè)置有上傳動軸和下傳動軸的飛輪本體、上軸承、下軸承和電機(jī)，飛輪本體的上傳動軸和上軸承相配合，飛輪本體的下傳動軸和下軸承相配合，電機(jī)連接在飛輪本體的一端，還包括永磁軸承，永磁軸承的上磁環(huán)固定在飛輪本體的下端面，永磁軸承的下磁環(huán)固定在下軸承固定板上，并且，永磁軸承的上磁環(huán)與永磁軸承的下磁環(huán)相互對應(yīng)，永磁軸承的上磁環(huán)與永磁軸承的下磁環(huán)之間有軸向間隙；所述的電機(jī)的定子位于電機(jī)的轉(zhuǎn)子的上方，電機(jī)的定子固定在機(jī)架上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定在飛輪本體的上端面，并且，電機(jī)的定子與電機(jī)的轉(zhuǎn)子相互對應(yīng)，電機(jī)的定子與電機(jī)的轉(zhuǎn)子之間有軸向間隙。所述的上軸承是上混合陶瓷球軸承，所述的上傳動軸是上彈性軸，上彈性軸呈階梯狀；所述的飛輪本體的上端面與上彈性軸中直徑較大的部分固定連接，上彈性軸中直徑較小的部分嵌在上混合陶瓷球軸承的內(nèi)表面中；所述的下軸承是下混合陶瓷球軸承，所述的下傳動軸是下彈性軸，下彈性軸是階梯軸；所述的飛輪本體的下端面與下彈性軸中直徑較大的部分固定連接，下彈性軸中直徑較小的部分嵌在下混合陶瓷球軸承的內(nèi)表面中。所述的飛輪儲能裝置，還包括彈性鼠籠，彈性鼠籠位于下軸承固定板上部的凹坑中，并且彈性鼠籠與下軸承固定板固定連接；下軸承固定板上部的凹坑中盛有潤滑油；所述的下混合陶瓷球軸承的外表面和彈性鼠籠的內(nèi)表面相配合。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本實用新型技術(shù)方案的有益效果是1.飛輪儲能裝置體積小，同時具有抗傾覆能力，有助于降低軸承的承載力。本技術(shù)方案中，電機(jī)在飛輪儲能裝置上的布置方式是采用軸向氣隙方式。目前常用的是將電機(jī)在飛輪儲能裝置上采用徑向氣隙的布置方式。與徑向氣隙的電機(jī)相比，軸向氣隙的電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢在于相等功率的軸向氣隙的電機(jī)軸向尺寸要遠(yuǎn)小于徑向氣隙的電機(jī)，這樣整個飛輪儲能裝置的體積就相應(yīng)減小。同時，軸向氣隙的電機(jī)可以作為飛輪本體的輔助軸承，具有一定的軸向承載能力與徑向承載能力。位于飛輪本體的下方的永磁軸承可以保證電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的距離位于工作距離之內(nèi)。同時，永磁軸承也具有抗傾覆能力，為下軸承卸載，有助于降低下軸承的承載力。2.減小軸承的摩擦功耗。本技術(shù)方案中，上軸承和下軸承均采用混合陶瓷球軸承。 與其他材質(zhì)的軸承相比，混合陶瓷球軸承可以減小軸承的摩擦功耗，延長軸承的使用壽命。3.整個飛輪儲能裝置順利平穩(wěn)地通過臨界轉(zhuǎn)速。本技術(shù)方案中，飛輪本體的上端面固定連接上彈性軸中直徑較大的部分，上彈性軸的中直徑較小的部分嵌在上混合陶瓷球軸承的內(nèi)表面中。飛輪本體的下端面固定連接下彈性軸中直徑較大的部分，下彈性軸中直徑較小的部分嵌在下混合陶瓷球軸承的內(nèi)表面中，并且下混合陶瓷球軸承位于彈性鼠籠中。根據(jù)飛輪本體的質(zhì)量，合理地選取上彈性軸和下彈性軸的長度與直徑，設(shè)計彈性鼠籠的幾何參數(shù)，使飛輪儲能裝置的一階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于工作轉(zhuǎn)速，形成柔性飛輪轉(zhuǎn)子裝置。該結(jié)構(gòu)的飛輪儲能裝置可以獲得軸系臨界轉(zhuǎn)速的合理分布，使得飛輪通過較低的一階臨界轉(zhuǎn)速后將自動定心，實現(xiàn)在二階臨界轉(zhuǎn)速下較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行。4.混合陶瓷球軸承的使用壽命長。本技術(shù)方案中，軸向氣隙的電機(jī)和永磁軸承可以顯著地降低作用在混合陶瓷球軸承上的徑向載荷。由于混合陶瓷球軸承的使用壽命是徑向載荷三次方函數(shù)，所以本技術(shù)方案能顯著地延長混合陶瓷球軸承使用壽命。5.結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護(hù)。與當(dāng)前流行的電磁懸浮軸承、超導(dǎo)磁懸浮軸承飛輪裝置相比，本技術(shù)方案采用的柔性混合陶瓷球軸承飛輪儲能裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、 易于維護(hù)的技術(shù)優(yōu)勢。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2是本實用新型中的永磁軸承上磁環(huán)仰視圖。圖中有上軸承固定板1、上固定環(huán)2、上混合陶瓷球軸承3、上彈性軸4、電機(jī)的定子5、電機(jī)的轉(zhuǎn)子6、飛輪本體7、永磁軸承的上磁環(huán)8、永磁軸承的下磁環(huán)9、下軸承固定板 10、真空容器11、下彈性軸12、潤滑油13、下固定環(huán)14、下混合陶瓷球軸承15、彈性鼠籠16、 環(huán)片801。
具體實施方式
如圖1所示本實用新型的一種飛輪儲能裝置，包括采用立式結(jié)構(gòu)的設(shè)置有上傳動軸和下傳動軸的飛輪本體7、上軸承、下軸承、電機(jī)和永磁軸承。飛輪本體7采用金屬材料制成。所謂立式結(jié)構(gòu)就是指飛輪本體7的軸線是豎線。電機(jī)既可以當(dāng)電動機(jī)帶動飛輪本體 7轉(zhuǎn)動，將電能轉(zhuǎn)換為動能，也可以當(dāng)發(fā)電機(jī)，把高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體7的動能轉(zhuǎn)換為電能。 飛輪本體7的上端面固定連接有上傳動軸，該上傳動軸與上軸承相配合。飛輪本體7的下端面固定連接有下傳動軸，該下傳動軸與下軸承相配合。飛輪本體7位于上軸承和下軸承之間。永磁軸承的上磁環(huán)8固定在飛輪本體7的下端面，永磁軸承的下磁環(huán)9固定在下軸承固定板10上，并且，永磁軸承的上磁環(huán)8與永磁軸承的下磁環(huán)9相互對應(yīng)，永磁軸承的上磁環(huán)8與永磁軸承的下磁環(huán)9之間有軸向間隙。永磁軸承的上磁環(huán)8和永磁軸承的下磁環(huán) 9共同組成了一只永磁軸承。電機(jī)的定子5固定在機(jī)架上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子6固定在飛輪本體7 的上端面，并且，電機(jī)的定子5與電機(jī)的轉(zhuǎn)子6相互對應(yīng)。電機(jī)的定子5與電機(jī)的轉(zhuǎn)子6之間有軸向間隙。上述結(jié)構(gòu)的飛輪儲能裝置，設(shè)置在飛輪本體7下方的永磁軸承，可以保證電機(jī)的定子5與電機(jī)的轉(zhuǎn)子6之間的距離位于工作距離之內(nèi)。當(dāng)電機(jī)通電初始，電機(jī)的定子5與電機(jī)的轉(zhuǎn)子6的距離太遠(yuǎn)，不能工作。永磁軸承可以保證電機(jī)的定子5與電機(jī)的轉(zhuǎn)子6之間的距離位于工作距離之內(nèi)，使電機(jī)正常工作。同時，永磁軸承可以提供一定的軸向剛度，具有抗傾覆能力，減小飛輪儲能裝置軸承上的軸向載荷。電機(jī)在飛輪儲能裝置上的布置方式是采用軸向氣隙方式。目前常用的是將電機(jī)在飛輪儲能裝置上采用徑向氣隙的布置方式。 徑向氣隙的布置方式是將電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定在飛輪本體的上傳動軸或者下傳動軸上，電機(jī)的定子固定在上軸承固定板或者下軸承固定板上。與徑向氣隙的電機(jī)相比，軸向氣隙的電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢在于相等功率的軸向氣隙的電機(jī)軸向尺寸要遠(yuǎn)小于徑向氣隙的電機(jī)，這樣整個飛輪儲能裝置的體積就相應(yīng)減小。同時，軸向氣隙的電機(jī)可以作為飛輪本體的輔助軸承， 具有一定的軸向承載能力與徑向承載能力。由于軸向氣隙的電機(jī)與永磁軸承的共同作用， 卸掉飛輪本體7的大部分載荷，大幅降低下軸承的軸向載荷，可以達(dá)到減小摩擦，降低功耗與延長壽命之功效。進(jìn)一步，如圖2所示，所述的永磁軸承的上磁環(huán)8是由八塊大小相同的環(huán)片801沿周向排成的圓環(huán)，并且每塊環(huán)片801的S極到N極的指向均為從上向下或者均為從下向上。 每塊環(huán)片801的S極到N極的指向均為從上向下或者均為從下向上，也就是說環(huán)片801與永磁軸承的下磁環(huán)9相對應(yīng)的一面，均為N極或者均為S極。上磁環(huán)8沒有采用整體式，而是由八塊大小相同的環(huán)片801組成的圓環(huán)。這樣可以大幅度降低磁性材料在高速轉(zhuǎn)動時的環(huán)向拉應(yīng)力，保證永磁軸承的上磁環(huán)8的環(huán)向強(qiáng)度，從而確保在高轉(zhuǎn)速下，大尺寸的永磁軸承仍然能夠穩(wěn)定運行。進(jìn)一步，上軸承和下軸承均采用混合陶瓷球軸承。上軸承是上混合陶瓷球軸承3。 上傳動軸是上彈性軸4。上彈性軸4是階梯軸。上彈性軸4包含兩段直徑不同的軸。飛輪本體7的上端面與上彈性軸4中直徑較大的部分固定連接，上彈性軸4中直徑較小的部分嵌在上混合陶瓷球軸承3的內(nèi)表面中。下軸承是下混合陶瓷球軸承15。下傳動軸是下彈性軸12，下彈性軸12也是階梯軸。下彈性軸12包含兩段直徑不同的軸。飛輪本體7的下端面與下彈性軸12中直徑較大的部分固定連接，下彈性軸12中直徑較小的部分嵌在下混合陶瓷球軸承15的內(nèi)表面中。采用混合陶瓷球軸承，可大幅減小軸承的摩擦功耗。其中，上彈性軸4和上混合陶瓷球軸承3之間采用間隙配合，并且，上彈性軸4中直徑較大的部分的頂面到上軸承固定板1底面的距離小于電機(jī)的定子5和電機(jī)的轉(zhuǎn)子6之間的軸向間隙。上彈性軸4中直徑較大的部分的頂面到上軸承固定板1底面之間的距離，即圖1中標(biāo)示的T。 上彈性軸4中直徑較大的部分的頂面到上軸承固定板1底面的距離，小于電機(jī)的定子5和電機(jī)的轉(zhuǎn)子6之間的軸向間隙，可以減輕甚至避免在運輸或者裝配過程中發(fā)生的碰撞對電機(jī)造成的損傷。進(jìn)一步，所述的飛輪儲能裝置，還包括彈性鼠籠16，彈性鼠籠16位于下軸承固定板10上部的凹坑中，并且彈性鼠籠16與下軸承固定板10固定連接；下軸承固定板10上部的凹坑中盛有潤滑油13。所述的下混合陶瓷球軸承15的外表面和彈性鼠籠16的內(nèi)表面相配合。潤滑油13、彈性鼠籠16和下混合陶瓷球軸承15共同組成一個擠壓油膜阻尼器。在裝配后，下混合陶瓷球軸承15浸沒在潤滑油13中。這樣可以保證整個飛輪順利平穩(wěn)地通過臨界轉(zhuǎn)速。飛輪本體7通過上彈性軸4和下彈性軸12支承在一對角接觸的混合陶瓷球軸承上。根據(jù)飛輪本體7的質(zhì)量，合理地選取上彈性軸4和下彈性軸12的長度與直徑，設(shè)計彈性鼠籠16的幾何參數(shù)，使飛輪儲能裝置的一階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于工作轉(zhuǎn)速，形成柔性飛輪轉(zhuǎn)子裝置。該結(jié)構(gòu)的飛輪儲能裝置可以獲得軸系臨界轉(zhuǎn)速的合理分布，使得飛輪通過較低的一階臨界轉(zhuǎn)速后將自動定心，實現(xiàn)在二階臨界轉(zhuǎn)速下較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行。進(jìn)一步，飛輪儲能裝置還包括下固定環(huán)14，下固定環(huán)14嵌在彈性鼠籠16 中，并且，下固定環(huán)14的頂面和下混合陶瓷球軸承15的外圈底面相觸，下固定環(huán)14的底面和彈性鼠籠16的內(nèi)壁底面相觸。下固定環(huán)14可以起到限位作用。由于下固定環(huán)14的限制，所以下混合陶瓷球軸承15在工作時不會往下移動，確保整個飛輪儲能裝置的安全運行。進(jìn)一步，所述的飛輪儲能裝置，還包括上固定環(huán)2，上固定環(huán)2與飛輪本體7同軸， 上固定環(huán)2嵌在上軸承固定板1的內(nèi)壁上，并且上固定環(huán)2的底面與上混合陶瓷球軸承3 的外圈頂面相觸。設(shè)置上固定環(huán)2可以用來固定上軸承的軸向位置，并且利于拆卸上軸承。進(jìn)一步，所述的飛輪本體7、上軸承、下軸承和電機(jī)位于真空容器11中。設(shè)置在真空容器11中，可以減少整個飛輪儲能裝置運行過程中的風(fēng)損。
權(quán)利要求1.一種飛輪儲能裝置，包括采用立式結(jié)構(gòu)的設(shè)置有上傳動軸和下傳動軸的飛輪本體 (7)、上軸承、下軸承和電機(jī)，飛輪本體(7)的上傳動軸和上軸承相配合，飛輪本體(7)的下傳動軸和下軸承相配合，電機(jī)連接在飛輪本體(7)的一端，其特征在于，還包括永磁軸承，永磁軸承的上磁環(huán)(8)固定在飛輪本體(7)的下端面，永磁軸承的下磁環(huán)(9)固定在下軸承固定板(10)上，并且，永磁軸承的上磁環(huán)(8)與永磁軸承的下磁環(huán)(9)相互對應(yīng)，永磁軸承的上磁環(huán)(8)與永磁軸承的下磁環(huán)(9)之間有軸向間隙；所述的電機(jī)的定子(5)位于電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6)的上方，電機(jī)的定子(5)固定在機(jī)架上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6)固定在飛輪本體(7)的上端面，并且，電機(jī)的定子(5)與電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6)相互對應(yīng)，電機(jī)的定子(5)與電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6)之間有軸向間隙。
2.按照權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，所述的永磁軸承的上磁環(huán)(8)是由八塊大小相同的環(huán)片(801)沿周向排成的圓環(huán)，并且每塊環(huán)片(801)的S極到N極的指向均為從上向下或者均為從下向上。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，所述的上軸承是上混合陶瓷球軸承(3)，所述的上傳動軸是上彈性軸(4)，上彈性軸(4)呈階梯狀；所述的飛輪本體 (7)的上端面與上彈性軸(4)中直徑較大的部分固定連接，上彈性軸(4)中直徑較小的部分嵌在上混合陶瓷球軸承(3)的內(nèi)表面中；所述的下軸承是下混合陶瓷球軸承(15)，所述的下傳動軸是下彈性軸(12)，下彈性軸(12)是階梯軸；所述的飛輪本體(7)的下端面與下彈性軸(12)中直徑較大的部分固定連接，下彈性軸(12)中直徑較小的部分嵌在下混合陶瓷球軸承(15)的內(nèi)表面中。
4.按照權(quán)利要求3所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，還包括彈性鼠籠(16)，彈性鼠籠 (16)位于下軸承固定板(10)上部的凹坑中，并且彈性鼠籠(16)與下軸承固定板(10)固定連接；下軸承固定板(10)上部的凹坑中盛有潤滑油(13);所述的下混合陶瓷球軸承(15)的外表面和彈性鼠籠(16)的內(nèi)表面相配合。
5.按照權(quán)利要求4所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，所述的上彈性軸(4)和上混合陶瓷球軸承(3)之間為間隙配合，并且，上彈性軸(4)中直徑較大的部分的頂面到上軸承固定板(1)底面的距離小于電機(jī)的定子(5)和電機(jī)的轉(zhuǎn)子(6)之間的軸向間隙。
6.按照權(quán)利要求5所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，還包括下固定環(huán)(14)，下固定環(huán) (14)嵌在彈性鼠籠(16)中，并且，下固定環(huán)(14)的頂面和下混合陶瓷球軸承(15)的外圈底面相觸，下固定環(huán)(14)的底面和彈性鼠籠(16)的內(nèi)壁底面相觸。
7.按照權(quán)利要求6所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，還包括上固定環(huán)(2)，上固定環(huán) (2)嵌在上軸承固定板(1)的內(nèi)壁上，并且上固定環(huán)(2)的底面與上混合陶瓷球軸承(3)的外圈頂面相觸。
8.按照權(quán)利要求7所述的飛輪儲能裝置，其特征在于，還包括真空容器(11)，所述的飛輪本體(7)、上軸承、下軸承和電機(jī)位于真空容器(11)中。
專利摘要本實用新型公開了一種飛輪儲能裝置，包括采用立式結(jié)構(gòu)的飛輪本體、上軸承、下軸承和電機(jī)，飛輪本體的上傳動軸和上軸承相配合，飛輪本體的下傳動軸和下軸承相配合，電機(jī)連接在飛輪本體的一端，還包括永磁軸承，永磁軸承的上磁環(huán)固定在飛輪本體的下端面，永磁軸承的下磁環(huán)固定在下軸承固定板上，并且，永磁軸承的上磁環(huán)與永磁軸承的下磁環(huán)相互對應(yīng)，永磁軸承的上磁環(huán)與下磁環(huán)之間有軸向間隙；電機(jī)的定子位于電機(jī)的轉(zhuǎn)子的上方，電機(jī)的定子固定在機(jī)架上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定在飛輪本體的上端面，并且，電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子相互對應(yīng)，電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間有軸向間隙。該結(jié)構(gòu)的飛輪儲能裝置體積小，同時具有抗傾覆能力，有助于降低軸承的承載力。
文檔編號H02K7/02GK201956795SQ20112003933
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者王洪昌, 蔣書運 申請人:東南大學(xué)