專利名稱：一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電能存儲技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，特別適用于不間斷電源、軌道交通和電力工程等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著新能源、智能電網(wǎng)和電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，儲能技術(shù)成為當(dāng)今世界一個(gè)重要的研究課題。目前，全球儲能代表技術(shù)有抽水儲能、壓縮空氣儲能、蓄電池儲能、 超導(dǎo)儲能、超級電容儲能及飛輪儲能等，其中飛輪儲能是將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能加以儲存的一種物理儲能技術(shù)，具備儲能密度大、轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、充放電快捷、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)。特別適合不間斷電源、軌道交通和電力工程等領(lǐng)域。飛輪儲能技術(shù)在工程化實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于自身高速運(yùn)行特點(diǎn)，給支承軸承和傳動電機(jī)提出高性能要求。為了減少飛輪儲能裝置自身能量損耗，通常采用磁懸浮和真空技術(shù)。而飛輪儲能裝置用電機(jī)主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。其中感應(yīng)電機(jī)固有能耗大、調(diào)速范圍窄、能量轉(zhuǎn)換效率低。而永磁電機(jī)高速運(yùn)行磁滯損耗大、嵌/貼有永磁體的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度差、永磁體高溫下退磁現(xiàn)象嚴(yán)重。相比之下，開關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無繞組/導(dǎo)條和永磁體，具備結(jié)構(gòu)簡單牢固、機(jī)械強(qiáng)度大、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行效率高、臨界轉(zhuǎn)速高、空載幾乎無損耗等一系列其它電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速、超高速運(yùn)行的飛輪儲能裝置。但是目前飛輪儲能裝置多采用相互獨(dú)立的傳動與支承部件，存在許多不足，由于未全面考慮飛輪儲能裝置的綜合性能要求，未找到懸浮支承和傳動電機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)方案，未形成完善的懸浮支承和傳動電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使得飛輪儲能裝置的成本和效率遠(yuǎn)未達(dá)到理想情況。因此，如何將懸浮支承與傳動電機(jī)相結(jié)合，優(yōu)化復(fù)合懸浮支承和高速傳動電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，降低飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)行損耗和成本，提高運(yùn)行效率和可靠性是目前高效飛輪儲能裝置迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，將懸浮支承與傳動電機(jī)相結(jié)合，利用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行優(yōu)勢和自懸浮功能，能提高飛輪極限轉(zhuǎn)速和動態(tài)性能，降低支承功耗、成本和體積，降低飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)行損耗，提高運(yùn)行效率和可靠性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括外殼、飛輪轉(zhuǎn)子和飛輪轉(zhuǎn)軸，飛輪轉(zhuǎn)軸的上端和下端之間依次套有永磁卸載軸承、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子、混合磁軸承；所述磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)為三相12/8雙凸極結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)矩繞組、懸浮繞組、電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)轉(zhuǎn)子固連飛輪轉(zhuǎn)軸，電機(jī)定子固連外殼，電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子之間留有0. 5_徑向氣隙，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組疊繞在電機(jī)定子上，懸浮繞組靠近電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)矩繞組靠近電機(jī)定子軛側(cè)。
所述永磁卸載軸承包括上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、內(nèi)永磁環(huán)、中永磁環(huán)和外永磁環(huán),上導(dǎo)磁體固連外殼內(nèi)壁，下導(dǎo)磁體固連飛輪轉(zhuǎn)軸，在上導(dǎo)磁體和下導(dǎo)磁體之間且沿飛輪轉(zhuǎn)軸的徑向由內(nèi)而外間隔設(shè)置等厚度且同軸心并排固連上導(dǎo)磁體的內(nèi)永磁環(huán)、中永磁環(huán)和外永磁環(huán)，內(nèi)永磁環(huán)和外永磁環(huán)沿飛輪轉(zhuǎn)軸的軸向負(fù)方向充磁，中永磁環(huán)環(huán)沿飛輪轉(zhuǎn)軸的軸向正方向充磁，中永磁環(huán)軸向充磁面積等于內(nèi)永磁環(huán)和外永磁環(huán)軸向充磁面積之和；下導(dǎo)磁體與永磁環(huán)之間留有Imm軸向氣隙。所述混合磁軸承包括軸向定子、徑向定子、軸承轉(zhuǎn)子、徑向控制線圈、軸向控制線圈和徑向永磁環(huán)；徑向永磁環(huán)徑向充磁，軸向定子固連外殼，2個(gè)軸向控制線圈固連軸向定子，徑向定子沿圓周120度均勻分布,每個(gè)徑向定子均疊繞徑向控制線圈,徑向永磁環(huán)嵌在軸向定子和徑向定子的交接處，軸承轉(zhuǎn)子與徑向定子之間留有0. 5_的徑向氣隙，軸承轉(zhuǎn)子與軸向定子之間留有0. 5mm的上軸向氣隙和下軸向氣隙；2個(gè)軸向控制線圈通直流電,3個(gè)徑向控制線圈繞組通三相交流電。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(I)軸向長度縮短、臨界轉(zhuǎn)速提高
該裝置采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)提供主動型徑向支承力和旋轉(zhuǎn)力，可省去一個(gè)徑向磁軸承，使得轉(zhuǎn)子軸向長度縮短，有利于提高系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速。(2)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適合高速運(yùn)行
整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)簡單，尤其轉(zhuǎn)子無永磁體僅為導(dǎo)磁鐵心，結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，便于高速、超高速運(yùn)行，有利于提高飛輪的極限轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高該飛輪儲能系統(tǒng)的儲能容量。(3)減少體積和成本，降低系統(tǒng)功耗
利用永磁卸載軸承實(shí)現(xiàn)軸向卸載，混合磁軸承只需克服轉(zhuǎn)軸剩余重量和動載荷，同時(shí)采用永磁卸載軸承和混合磁軸承并利用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)軸的五自由度低功耗高可靠全懸浮，降低了裝置體積、成本和功耗。


圖I為本發(fā)明所述的一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖I中標(biāo)號名稱1、外殼；2、上輔助軸承；3、永磁卸載軸承；4、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)；
5、飛輪轉(zhuǎn)子；6、混合磁軸承；7、下輔助軸承；8、飛輪轉(zhuǎn)軸。圖2為圖I中永磁卸載軸承3的結(jié)構(gòu)放大示意 圖2中標(biāo)號名稱301、上導(dǎo)磁體；302、下導(dǎo)磁體；303、內(nèi)永磁環(huán)；304、中永磁環(huán)；305、外永磁環(huán)。圖3為圖I中磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4的俯視放大示意 圖3中標(biāo)號名稱401、轉(zhuǎn)矩繞組；402、懸浮繞組；403、電機(jī)定子；404、電機(jī)轉(zhuǎn)子。圖4為圖I中混合磁軸承6的結(jié)構(gòu)放大示意 圖4中標(biāo)號名稱601、軸向定子；602、徑向定子；603、軸承轉(zhuǎn)子；604、徑向控制線圈；605、軸向控制線圈；606、徑向永磁環(huán)。圖5為圖4的俯視圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本發(fā)明包括外殼I、上輔助軸承2、永磁卸載軸承3、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4、飛輪轉(zhuǎn)子5、混合磁軸承6、下輔助軸承7和飛輪轉(zhuǎn)軸8。飛輪轉(zhuǎn)軸8的上下兩端分別設(shè)置在上輔助軸承2和下輔助軸承7上，上輔助軸承2和下輔助軸承7分別固定在外殼I的上下兩端。飛輪轉(zhuǎn)軸8的上端和下端之間依次套裝永磁卸載軸承3、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4、飛輪轉(zhuǎn)子5、混合磁軸承6。飛輪轉(zhuǎn)子5固定套接在飛輪轉(zhuǎn)軸8上。上端的永磁卸載軸承3卸載飛輪轉(zhuǎn)軸8的軸向重量，下端的混合磁軸承6配合永磁卸載軸承3克服飛輪轉(zhuǎn)軸8剩余重量和動載荷，保證飛輪轉(zhuǎn)軸8軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供飛輪轉(zhuǎn)軸8徑向兩自由度懸浮支承，而磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4完成徑向另外兩個(gè)自由度的懸浮和電動/發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)五自由度全懸浮的飛輪儲能裝置。如圖2所示，本發(fā)明所采用的永磁卸載軸承3包括上導(dǎo)磁體301、下導(dǎo)磁體302、內(nèi)永磁環(huán)303、中永磁環(huán)304和外永磁環(huán)305,上導(dǎo)磁體301固定在外殼I內(nèi)壁上，下導(dǎo)磁體302固定在飛輪轉(zhuǎn)軸8上，在上導(dǎo)磁體301和下導(dǎo)磁體302之間沿飛輪轉(zhuǎn)軸8的徑向由內(nèi)而外間隔設(shè)置內(nèi)永磁環(huán)303、中永磁環(huán)304和外永磁環(huán)305，內(nèi)永磁環(huán)303、中永磁環(huán)304和外永磁環(huán)305等厚度且同軸心并排固定在上導(dǎo)磁體301上。內(nèi)永磁環(huán) 303和外永磁環(huán)305沿飛輪轉(zhuǎn)軸8的軸向負(fù)方向充磁，中永磁環(huán)304環(huán)沿軸向正方向充磁，中永磁環(huán)304軸向充磁面積等于內(nèi)永磁環(huán)303和外永磁環(huán)305軸向充磁面積之和，永磁環(huán)可以采用但不限于汝鐵硼材料，上導(dǎo)磁體301和下導(dǎo)磁體302是可以采用但不限于導(dǎo)磁性能優(yōu)良的合金鋼材料制成，下導(dǎo)磁體302與3個(gè)永磁環(huán)之間均留有Imm軸向氣隙306 ;三個(gè)永磁環(huán)提供的偏置磁場在下導(dǎo)磁體302表面產(chǎn)生沿Z軸正向的磁力，實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子5的質(zhì)量卸載。如圖3所示，本發(fā)明所采用的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4為三相12/8雙凸極結(jié)構(gòu)，位于永磁卸載軸承3和飛輪轉(zhuǎn)子5之間，包括轉(zhuǎn)矩繞組401、懸浮繞組402、電機(jī)定子403和電機(jī)轉(zhuǎn)子404,電機(jī)轉(zhuǎn)子404固定在飛輪轉(zhuǎn)軸8上，電機(jī)定子403固定在外殼I上，電機(jī)定子403和電機(jī)轉(zhuǎn)子404之間留有0. 5mm徑向氣隙406，轉(zhuǎn)矩繞組401和懸浮繞組402疊繞在電機(jī)定子403上，懸浮繞組402靠近電機(jī)轉(zhuǎn)子404側(cè)，轉(zhuǎn)矩繞組402靠近電機(jī)定子403軛側(cè)，以A相為例，轉(zhuǎn)矩繞組401由4個(gè)正對凸極上的繞組串聯(lián)而成；懸浮繞組402包括a方向和@方向懸浮繞組，分別由各自方向2個(gè)正對凸極上的繞組串聯(lián)而成。轉(zhuǎn)矩繞組401每隔15度輪流勵磁導(dǎo)通，懸浮繞組402根據(jù)徑向負(fù)載和轉(zhuǎn)矩繞組電流的變化，計(jì)算懸浮力所需電流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。如圖4和圖5所示，本發(fā)明所采用的混合磁軸承6包括軸向定子601、徑向定子602、軸承轉(zhuǎn)子603、徑向控制線圈604、軸向控制線圈605和徑向永磁環(huán)606。徑向永磁環(huán)606采用徑向充磁方式,軸向定子601固定在外殼I內(nèi)壁下側(cè)面上，2個(gè)軸向控制線圈605固定在軸向定子601上,徑向定子602沿圓周120度均勻分布，每個(gè)徑向定子602均疊繞徑向控制線圈604,徑向永磁環(huán)606嵌在軸向定子601和徑向定子602的交接處,軸承轉(zhuǎn)子603與徑向定子602之間留有0. 5mm的徑向氣隙607，軸承轉(zhuǎn)子603與軸向定子601之間留有0. 5mm上軸向氣隙608和下軸向氣隙609。徑向定子602由硅鋼片疊壓而成，徑向永磁環(huán)606采用稀土材料釹鐵硼徑向充磁制成。工作時(shí)軸向2個(gè)軸向控制線圈605通直流電對軸向單自由度進(jìn)行控制，沿圓周120度均勻分布的A、B、C 3個(gè)徑向控制線圈604繞組通以三相交流電產(chǎn)生可旋轉(zhuǎn)的合成磁通來控制徑向2個(gè)自由度。該混合磁軸承6配合永磁卸載軸承3完成軸向自由度的可控懸浮，同時(shí)提供徑向兩自由度的懸浮力，與磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)4配合完成儲能裝置五自 由度全懸浮。
權(quán)利要求
1.一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，包括外殼(I)、飛輪轉(zhuǎn)子(5)和飛輪轉(zhuǎn)軸(8)，其特征是飛輪轉(zhuǎn)軸(8)的上端和下端之間依次套有永磁卸載軸承(3)、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(4)、飛輪轉(zhuǎn)子(5)、混合磁軸承(6);所述磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(4)為三相12/8雙凸極結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)矩繞組(401)、懸浮繞組(402)、電機(jī)定子(403)和電機(jī)轉(zhuǎn)子(404)，電機(jī)轉(zhuǎn)子(404)固連飛輪轉(zhuǎn)軸(8),電機(jī)定子(403)固連外殼I,電機(jī)定子(403)和電機(jī)轉(zhuǎn)子(404)之間留有0. 5mm徑向氣隙(406)，轉(zhuǎn)矩繞組(401)和懸浮繞組(402)疊繞在電機(jī)定子(403)上，懸浮繞組(402)靠近電機(jī)轉(zhuǎn)子(404)側(cè)，轉(zhuǎn)矩繞組(402)靠近電機(jī)定子(403)軛側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，其特征是所述永磁卸載軸承(3)包括上導(dǎo)磁體(301)、下導(dǎo)磁體(302)、內(nèi)永磁環(huán)(303)、中永磁環(huán)(304)和外永磁環(huán)(305),上導(dǎo)磁體(301)固連外殼(I)內(nèi)壁，下導(dǎo)磁體(302)固連飛輪轉(zhuǎn)軸(8)，在上導(dǎo)磁體(301)和下導(dǎo)磁體(302)之間且沿飛輪轉(zhuǎn)軸(8)的徑向由內(nèi)而外間隔設(shè)置等厚度且同軸心并排固連上導(dǎo)磁體(301)的內(nèi)永磁環(huán)(303)、中永磁環(huán)(304)和外永磁環(huán)(305 )，內(nèi)永磁環(huán)(303 )和外永磁環(huán)(305 )沿飛輪轉(zhuǎn)軸(8 )的軸向負(fù)方向充磁，中永磁環(huán)(304)環(huán)沿飛輪轉(zhuǎn)軸(8)的軸向正方向充磁，中永磁環(huán)(304)軸向充磁面積等于內(nèi)永磁環(huán)(303)和外永磁環(huán)(305)軸向充磁面積之和；下導(dǎo)磁體(302)與3個(gè)所述永磁環(huán)之間均留有Imm軸向氣隙(306 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，其特征是所述混合磁軸承(6 )包括軸向定子(601)、徑向定子(602 )、軸承轉(zhuǎn)子(603 )、徑向控制線圈(604)、軸向控制線圈(605)和徑向永磁環(huán)(606);徑向永磁環(huán)(606)徑向充磁,軸向定子(601)固連外殼(I), 2個(gè)軸向控制線圈(605)固連軸向定子(601),徑向定子(602)沿圓周.120度均勻分布，每個(gè)徑向定子(602)均疊繞徑向控制線圈(604)，徑向永磁環(huán)(606)嵌在軸向定子(601)和徑向定子(602)的交接處，軸承轉(zhuǎn)子(603)與徑向定子(602)之間留有.0.5mm的徑向氣隙(607 )，軸承轉(zhuǎn)子(603 )與軸向定子(601)之間留有0. 5mm的上、下軸向氣隙(608、609 ); 2個(gè)軸向控制線圈(605 )通直流電，3個(gè)徑向控制線圈(604 )繞組通三相交流電。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，其特征是飛輪轉(zhuǎn)軸(8)的上、下兩端分別通過上輔助軸承(2)、下輔助軸承(7)固連外殼(I)的上、下兩端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的飛輪儲能裝置，飛輪轉(zhuǎn)軸的上端和下端之間依次套有永磁卸載軸承、磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子、混合磁軸承，永磁卸載軸承卸載飛輪轉(zhuǎn)軸軸向重量；下端混合磁軸承克服飛輪轉(zhuǎn)軸剩余重量和動載荷，保證飛輪轉(zhuǎn)軸軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供飛輪轉(zhuǎn)軸徑向兩自由度懸浮支承，磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)完成徑向另外兩個(gè)自由度的懸浮和電動/發(fā)電功能；本發(fā)明利用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)高速電動/發(fā)電運(yùn)行優(yōu)勢和自懸浮功能，有機(jī)結(jié)合永磁卸載軸承和混合磁軸承強(qiáng)卸載和可控懸浮特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛輪五自由度低損耗、高可靠懸浮，且提高飛輪運(yùn)行速度，降低系統(tǒng)功耗和體積。
文檔編號H02N15/00GK102684365SQ20121013934
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者周云紅, 孫玉坤, 張新華, 朱志瑩, 項(xiàng)倩雯 申請人:江蘇大學(xué)