一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，由外壳形成真空腔，真空腔内上端是通过托架与外壳固定连接的三自由度磁轴承，其包括径向磁轴承、轴向磁轴承和永磁体；三自由度磁轴承的下端为飞轮转子，单绕组外转子无轴承电机位于飞轮转子的下端，其转子装嵌在飞轮转子下表面的环形凹槽内，定子通过支架固定在外壳下端，因此通过三自由度磁轴承配合单绕组外转子无轴承电机实现了飞轮转子的五自由度平衡，简化了控制方式，提高了集成度；外壳上端设有一卧式复合真空泵，真空泵为左右镜像对称的双转子结构，提高了真空度和抽速。

A New High Integration Flywheel Energy Storage Device for Horizontal Self-pumping Vacuum Chamber

【技术实现步骤摘要】
一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置
本专利技术涉及飞轮储能
，具体指一种三自由度磁轴承配合单绕组外转子无轴承电机实现五自由度平衡，且采用卧式真空泵自抽真空的飞轮储能装置。
技术介绍
随着全球经济的飞速发展，自然资源的消耗日益加剧，人类面临自然资源即将消耗殆尽和环境污染的重大难题，因此，人们在寻求环保、清洁的新能源的同时，也更加注重如何更加有效地利用现有能源和积极开发先进的能源存储技术。传统的化学蓄电池储能密度大、价格低廉,被广泛采用,但是它需要定期维护、寿命短、能量损耗大、充电时间长,还会给环境带来污染。由于飞轮储能系统具有高比能量、长寿命、高效率、无污染等优点,因此，采用飞轮储能系统储能成为绿色可持续发展的重要手段。传统的飞轮储能系统采用五自由度磁轴承来支承飞轮转子，一个轴向磁轴承单元控制轴向单自由度，两个径向磁轴承单元分别控制转子上端和下端两自由度。采用五自由度磁轴承支承的飞轮储能系统有效解决了转子与轴承之间的摩擦问题，但由于系统结构的复杂性，仍然存在许多的固有难题，如由于需采用多个磁轴承单元支承转子，造成飞轮储能系统体积庞大、轴向较长、系统临界转速低，限制了飞轮转速和功率的进一步提升。此外，目前国内外飞轮储能系统一般采用一套外置立式真空系统抽真空，抽气速度慢，难度相对较大。现有技术涉及一种一级涡轮分子泵与牵引分子泵结合的复合分子泵，取消涡轮分子泵的间隙叶片，做成泵转子的连续叶片，目的是为了减少因离心力大导致叶片滑落从而引起的故障发生，但是，这种结构的真空泵的涡轮级数较少，达不到装置在理想真空侧对抽速的要求，且涡轮级到牵引级的过度过程较短，影响了抽气速率和压缩比的提高，达不到高真空高性能飞轮储能系统的要求；立式结构也使得飞轮储能系统重心加高，不利于系统的可靠运行；此外，采用单个泵转子抽真空，不仅抽速不乐观，而且不节能。因此，人们亟需一种结构简单、控制方便、价格便宜、储能密度较高且采用运行稳定可靠、抽速较高的真空泵抽真空的高集成度飞轮储能系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服传统飞轮储能装置集成度不高、控制复杂以及储能密度不高的缺点，提出一种三自由度磁轴承配合单绕组外转子无轴承电机的飞轮储能装置，简化了飞轮储能装置的结构和控制方式，同时提高了飞轮储能系统的集成度和储能密度，并降低了成本和损耗。另外，本专利技术为了克服目前外置真空系统抽速慢的缺点，提出一种卧式双转子复合真空泵，提高了真空室的真空抽速。本专利技术的目的是采用以下技术方案实现的：一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，包括双转子复合真空泵，所述双转子复合真空泵横卧于外壳上端，外壳内部从上到下依次设有三自由度磁轴承、飞轮转子以及单绕组外转子无轴承电机，三自由度磁轴承、单绕组外转子无轴承电机分别与外壳内表面上下端固定，三自由度磁轴承和飞轮转子之间设有间隙，单绕组外转子无轴承电机和飞轮转子固连。上述方案中，所述双转子复合真空泵是两端镜像对称的双转子结构，前级为涡轮式、后级为牵引式的复合真空泵。上述方案中，所述双转子复合真空泵包括泵定子和泵转子，所述泵转子包括对称结构的泵转子轴，泵转子轴一端为圆台状，靠近泵转子轴中间部分对称设有前级涡轮动叶片，泵转子轴两端部对称设有后级牵引螺旋叶片，所述泵定子包括前级涡轮定叶片，前级涡轮定叶片与前级涡轮动叶片间隔排列，前级涡轮定叶片固定在泵定子外壳内表面上。上述方案中，所述三自由度磁轴承由圆心沿径向向外依次为径向磁轴承、内侧偏置永磁体，内侧轴向磁轴承、外侧偏置永磁体、外侧轴向磁轴承。上述方案中，所述径向磁轴承包括径向磁轴承铁芯，径向磁轴承铁芯中间为圆桌状凸台，外部是截面为L形的凸台，L形凸台与圆桌状凸台之间设有间隙，且L形凸台均匀设有n个开口，n≥3。上述方案中，所述内侧、外侧轴向磁轴承的铁芯的凸台匀设有n个开口，内侧、外侧轴向磁轴承铁芯凸台的开口径向上位于同一条直线，n≥3。上述方案中，所述飞轮转子飞轮盘的上表面设有环形凸台，环形凸台与L形凸台和圆桌状凸台之间的间隙配合，飞轮盘下表面开有环形槽。上述方案中，所述单绕组外转子无轴承电机的转子装嵌在环形槽内部。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：1、本专利技术突破了传统飞轮储能装置采用有轴设计的局限，采用无轴设计，实现了电机飞轮一体化，减小了飞轮储能系统的轴向长度，提高了系统的集成度、空间利用率和储能密度。2、本专利技术突破了传统飞轮电池采用五自由度磁轴承控制的方式，采用一个三自由度磁轴承配合单绕组外转子无轴承电机的方式来实现五自由度平衡，利用无轴承电机实现一个径向二自由度控制，在保持五自由度磁轴承支承的优点外，其轴向尺寸缩小，突破更高转速和大功率的限制，从根本上改变了传统飞轮储能系统的结构和控制，拓宽了飞轮储能系统的应用范围。3、本专利技术的真空环境由卧式双转子复合真空泵实现，卧式泵叶片在水平轴上被安装，充分增加了涡轮的级数，并改善了涡轮级到牵引级的过度过程，提高了抽气速率和压缩比，进气口口位于泵中间位置，采用双转子两侧抽气，两侧的复合泵转子同轴连接，可用一个电机拖动，不仅节能，而且在转子叶片几何尺寸和转速相同的条件下，抽气速度最高可达立式泵的2倍。附图说明图1是本专利技术立体结构剖视图；图2是外壳的底座三维结构图；图3是卧式双转子复合真空泵内部结构正视图；图4是卧式双转子复合真空泵转子的三维结构图；图5是三自由度磁轴承的仰视图；图6是三自由度磁轴承的三维结构剖视图；图7是三自由度磁轴承托架的三维结构图；图8是飞轮转子的三维结构剖视图；图9是单绕组外转子无轴承电机定子支架三维结构剖视图；图10是单绕组外转子无轴承电机的俯视图；图11是本专利技术的三自由度磁轴承中永磁体产生的偏置磁通示意图；图12是本专利技术工作时轴向磁轴承实现轴向单自由度平衡控制的原理图；图13是本专利技术工作时径向磁轴承实现径向二自由度平衡控制的原理图；图14是本专利技术工作时单绕组外转子无轴承电机实现径向二自由度平衡控制的原理图。图中：1.外壳；11.上端盖；111.上端盖中心孔；12.外壳身；13.下端盖；2.支撑底座；21.底座支架；22.限位孔；3.卧式双转子复合真空泵；31.真空泵定子；311.真空泵定子外壳；312.真空泵出气口；313.真空泵进气口；314.前级涡轮定叶片；32.真空泵转子；321.真空泵转轴；322.前级涡轮动叶片；323.后级牵引螺旋叶片；33.真空泵支架；4.托架；41-43.辐条；44.中心圆盘；5.三自由度磁轴承；51.径向磁轴承；511.径向磁轴承铁芯；512.径向磁轴承控制线圈；52.轴向磁轴承；521.轴向磁轴承铁芯；522.轴向磁轴承控制线圈；53.偏置永磁体；531.内侧偏置永磁体；532.外侧偏置永磁体；6.飞轮转子；61.飞轮盘；62.飞轮盘上端环形凸台；63.飞轮盘下端环形凹槽；7.单绕组外转子无轴承电机；71.单绕组外转子无轴承电机定子；72.单绕组外转子无轴承电机转子；73.单绕组外转子无轴承电机定子绕组；8.支架。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合实例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处说明的具体实施只适用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术的储能装置外部是一个由外壳1形成的空腔，外壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，其特征在于，包括双转子复合真空泵(3)，所述双转子复合真空泵(3)横卧于外壳(1)上端，外壳(1)内部从上到下依次设有三自由度磁轴承(5)、飞轮转子(6)以及单绕组外转子无轴承电机(7)，三自由度磁轴承(5)、单绕组外转子无轴承电机(7)分别与外壳(1)内表面上下端固定，三自由度磁轴承(5)和飞轮转子(6)之间设有间隙，单绕组外转子无轴承电机(7)和飞轮转子(6)固连。

【技术特征摘要】
1.一种新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，其特征在于，包括双转子复合真空泵(3)，所述双转子复合真空泵(3)横卧于外壳(1)上端，外壳(1)内部从上到下依次设有三自由度磁轴承(5)、飞轮转子(6)以及单绕组外转子无轴承电机(7)，三自由度磁轴承(5)、单绕组外转子无轴承电机(7)分别与外壳(1)内表面上下端固定，三自由度磁轴承(5)和飞轮转子(6)之间设有间隙，单绕组外转子无轴承电机(7)和飞轮转子(6)固连。2.根据权利要求1所述新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，其特征在于，所述双转子复合真空泵(3)是两端镜像对称的双转子结构，前级为涡轮式、后级为牵引式的复合真空泵。3.根据权利要求2所述新型卧式自抽真空室高集成度飞轮储能装置，其特征在于，所述双转子复合真空泵(3)包括泵定子(31)和泵转子(32)，所述泵转子(32)包括对称结构的泵转子轴(321)，泵转子轴(321)一端为圆台状，靠近泵转子轴(321)中间部分对称设有前级涡轮动叶片(322)，泵转子轴(321)两端部对称设有后级牵引螺旋叶片(323)，所述泵定子(31)包括前级涡轮定叶片(314)，前级涡轮定叶片(314)与前级涡轮动叶片(322)间隔排列，前级涡轮定叶片(314)固定在泵定...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，杨启富，程烨东，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32