本发明专利技术公开了一种飞轮储能装置，该装置外层罩有真空容器，所述真空容器内部中心设有转轴；所述转轴的上端嵌套有径向-轴向永磁轴承，所述转轴的下端自上而下依次套装飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁偏置径向-轴向磁轴承，所述转轴从飞轮中心穿出并与飞轮相连，飞轮直接嵌套在单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子上；本发明专利技术利用单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机可以直接驱动飞轮特点和高速自悬浮功能，有机结合径向-轴向永磁轴承和混合磁轴承强卸载可控悬浮特点，实现了飞轮五自由度低损耗、高可靠悬浮，且提高飞轮运行速度，降低系统功耗和体积。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电能存储
，尤其涉及一种新型飞轮储能，特别适用于不间断电源、新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域。
技术介绍
随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的新型储能装备，飞轮电池目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承系统、集成式高速/超高速电机的性能与控制等。为减小支承损耗，飞轮电池通常采用多个磁悬浮轴承支承，增加了飞轮轴向长度，降低了临界转速，同时也导致飞轮电池结构复杂、体积庞大。利用提高飞轮转速来增加飞轮储能总量的途径必须克服飞轮轮缘材料强度约束、轴承发热及摩擦阻力消耗等技术难题。近年来高强度复合材料及磁轴承技术的发展为解决上述难题提供了新思路:采用真空下磁悬浮轴承支承的复合材料飞轮超高速旋转来储存能量。磁悬浮轴承消除了传统机械轴承连续高速运转的发热失效问题和摩擦阻力消耗问题。这两项技术的结合运用使得飞轮电池的储能总量与储能密度都得到大幅度的提高。与发达国家相比较，目前我国的技术水平与投资规模较低，对飞轮电池的研究还处于起步阶段。特别是如何研制出能够适用于航空航天的飞轮电池，国内更是没有涉及。虽然国外飞轮电池技术的研究取得了很大进展，但远没有达到取代其他电池的水平，要研制出这种装置，需解决一系列的技术难题，主要有:飞轮转子设计、磁浮轴承技术、真空技术、变频技术、合理的结构设计等。而磁悬浮电机集传统电机旋转与磁轴承悬浮功能于一体，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，打破了传统电机仅为了产生电磁转矩而必须保持气隙磁场平衡的思路，开辟了高速电机研究领域的新方向。磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合，在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上，充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题，成为目前磁悬浮电机领域一个新的研究热点。为此，本专利提出一种以单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机为核心部件用五自由度磁悬浮支承与传动的新型飞轮储能系统，实现了悬浮支承系统与驱动电机的统一，大大缩短了飞轮转子轴向长度，控制更加灵活，提高了临界转速、功率密度与系统集成度，进一步减小了支承损耗，在高速低损飞轮电池领域具有重大的研究与应用价值。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种飞轮储能装置，整个装置密闭于真空容器中消除了空气产生的损耗，并将悬浮支承与传动电机相结合，利用磁悬浮开关磁阻电机高速运行优势和自悬浮功能，能提高飞轮极限转速和动态性能，降低支承功耗、成本和体积，降低飞轮储能系统运行损耗，提高运行效率和可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种飞轮储能装置，该装置外层罩有真空容器，所述真空容器内部中心设有转轴；所述转轴的上端嵌套有径向-轴向永磁轴承，所述转轴的下端自上而下依次套装飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁偏置径向-轴向磁轴承，所述转轴从飞轮4中心穿出并与飞轮相连，飞轮直接嵌套在单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子上；所述径向-轴向永磁轴承上设有轴向充磁的磁环，能够卸载转轴在轴向方向上的重量与实现径向悬浮；所述径向-轴向永磁轴承的磁环包括:顶置磁环、内磁环、外磁环、上磁环、下磁环；所述顶置磁环、外磁环、下磁环固连在真空容器上，所述内磁环和上磁环固连在转轴上端对称的轴肩处；内磁环上方为轴向充磁方向相反的顶置磁环，内磁环一侧为轴向充磁方向相同的外磁环，上磁环下方为轴向充磁方向相反的下磁环；内磁环与外磁环、顶置磁环之间均有一定气隙，上磁环与下磁环之间有一定有气隙；所述永磁偏置径向-轴向磁轴承配合径向-轴向永磁轴承克服飞轮转轴剩余重量和动载荷，保证轴向稳定悬浮，同时提供转轴的径向两自由度悬浮支承；所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机为双凸极结构，等距等极弧宽，完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能装置。进一步，所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子等距等极弧宽，夕卜转子上有间隔45°设置的8个相等极弧宽凸极齿；所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机的定子上有等间隔30°设置的12个相等极弧宽凸极齿。进一步，所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机的每个定子凸极齿上仅有一套绕组，该绕组能够同时提供转矩力和悬浮力，相差90°的4套转矩/悬浮绕组构成一相，且每套绕组独立控制，其中绕组A1, A2，A3, A4构成A相转矩/悬浮绕组，绕组B B2, B3, 84构成B相转矩/悬浮绕组，绕组C1, C2，C3, C4构成C相转矩/悬浮绕组，共有3相；每套绕组可以同时提供电动的转矩力和转子悬浮的悬浮力，B1, C1分别位于A1逆时针30°和60°处，B2，Cj别位于A2逆时针30°和60°处，B3，CA、别位于A3逆时针30°和60°处，B4，C4*别位于A4逆时针30°和60°处。进一步，所述径向-轴向永磁轴承上的各个磁环之间的气隙均为0.5mm，上磁环与下磁环尺寸相同其径向厚度为8_，轴向厚度为8_，周长为51_，；内磁环与顶置磁环采用相同的尺寸，其径向厚度为6mm，轴向厚度为6mm，周长为45m ;外磁环的径向厚度为6mm，轴向厚度为6mm，周长为54mm。进一步，所述永磁偏置径向-轴向磁轴承包括:轴向定子、轴向控制线圈、轴承转子、径向控制线圈、轴向控制线圈、径向定子、永磁环；所述轴向定子一侧固连真空容器，轴向定子内部靠近真空容器的一侧上下端嵌有2个轴向控制线圈，2个轴向控制线圈之间设有径向定子，径向定子沿圆周90均匀分布，每个径向定子的一端均叠绕径向控制线圈，永磁环径向充磁嵌在轴向定子和径向定子的交接处，所述轴承转子固连在转轴上，轴承转子与径向定子之间留有径向气隙，轴承转子与轴向定子之间留有轴向气隙；2个轴向控制线圈，4个径向控制线圈绕组均通直流电。进一步，所述飞轮靠近转轴的部分在轴向厚度薄于飞轮的四周边缘处的厚度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:(I)轴向长度缩短、结构紧凑该装置采用单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机，电机为外转子、内定子结构，转子可以直接驱动飞轮，可省机械传动装置，降低转轴轴向长度，结构更加紧凑。同时径向-轴向永磁轴承将径向永磁轴承与轴向卸载轴承结合，进一步减少了装置轴向长度。一般的飞轮储能悬浮系统分别采用轴向卸载轴承与径向永磁轴承来控制轴向与径向上的两个自由度，导致悬浮系统轴向尺寸较大，影响其运行性能。本专利技术引入径向永磁轴承与轴向永磁磁轴承相结合的结构，在不减小磁轴承承载力的前提下，有效地减小了磁轴承的轴向尺寸，对临界转速的提高及磁悬浮电机向微型化方向发展具有现实意义。(2)降低系统功耗装置密闭于真空容器当中，消除了空气带来的损耗，利用径向-轴向永磁轴承取代传统的机械备用轴承，实现径向载荷与轴向卸载和自稳定，混合磁轴承只需克服转轴剩余重量和动载荷，同时采用径向-轴向永磁轴承和混合磁轴承并利用磁悬浮开关磁阻电机实本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种飞轮储能装置，其特征在于：该装置外层罩有真空容器(1)，所述真空容器(1)内部中心设有转轴(2)；所述转轴(2)的上端嵌套有径向‑轴向永磁轴承(3)，所述转轴(2)的下端自上而下依次套装飞轮(4)、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)、永磁偏置径向‑轴向磁轴承(6)，所述转轴(2)从飞轮(4)中心穿出并与飞轮相连，所述飞轮(4)直接嵌套在单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)的外转子上；所述径向‑轴向永磁轴承(3)上设有轴向充磁的磁环，能够卸载转轴(2)在轴向方向上的重量与实现径向悬浮；所述径向‑轴向永磁轴承(3)的磁环包括：顶置磁环(301)、内磁环(302)、外磁环(303)、上磁环(304)、下磁环(305)；所述顶置磁环(301)、外磁环(303)、下磁环(305)固连在真空容器(1)上，所述内磁环(302)和上磁环(304)固连在转轴(2)上端对称的轴肩处；内磁环(302)上方为轴向充磁方向相反的顶置磁环(301)，内磁环(302)一侧为轴向充磁方向相同的外磁环(303)，上磁环(304)下方为轴向充磁方向相反的下磁环(305)；内磁环(302)与外磁环(303)、顶置磁环(301)之间均有一定气隙，上磁环(304)与下磁环(305)之间有一定有气隙；所述永磁偏置径向‑轴向磁轴承(6)配合径向‑轴向永磁轴(3)承克服飞轮转轴剩余重量和动载荷，保证轴向稳定悬浮，同时提供转轴的径向两自由度悬浮支承；所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机(5)为双凸极结构，等距等极弧宽，完成径向另外两个自由度的悬浮和电动/发电功能，实现五自由度全悬浮的飞轮储能装置。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉坤，刘良田，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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