一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统技术方案

本发明专利技术提供了一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其中，包括金属壳体和一体式飞轮转轴，一体式飞轮转轴由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；高速永磁电机同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机的电机永磁体固定于上轴伸段表面，高速永磁电机的其余部分固定于金属壳体内壁；上径向磁轴承同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；下径向磁轴承同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；轴向磁轴承的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁。本发明专利技术自身损耗低、散热效果好。散热效果好。散热效果好。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统


[0001]本专利技术属于飞轮储能
，具体涉及一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统。

技术介绍

[0002]飞轮储能是一种通过高速电机带动飞轮转子高速旋转将外界电网多余电能快速转化为机械能存储起来，在电网电能不足时再通过高速电机将存储的机械能快速转化为电能对外输出的一种新型机械储能方式，具有绿色无污染、安全可靠、循环寿命长的优点。
[0003]目前的飞轮储能产品多采用全机械支撑方式或半机械支撑方式，由于存在机械摩擦，待机损耗很大；而一些采用电磁全悬浮支撑的飞轮产品也存在总体电磁损耗偏大，特别是转子损耗偏高等问题，由于全悬浮飞轮转子处于真空环境中散热极为不便，不利于飞轮系统在高负荷状态下长时稳定运行。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，适用于高转速、大功率应用场合，具有自身损耗低、散热效果好的特点，尤其是转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，包括金属壳体以及由下到上依次布置在金属壳体内部的下径向磁轴承、一体式飞轮转轴、轴向磁轴承、高速永磁电机、和上径向磁轴承，且下径向磁轴承和上径向磁轴承结构相同；其中，所述一体式飞轮转轴包括由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；所述金属壳体内部为真空状态；高速永磁电机同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机的电机永磁体固定于上轴伸段表面，高速永磁电机的其余部分固定于金属壳体内壁；上径向磁轴承同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；下径向磁轴承同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承的其余部分固定于金属壳体内壁；轴向磁轴承的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁；储能轮毂作为轴向磁轴承的转子。
[0006]上述技术方案中，下径向磁轴承包括两个径向磁轴承转子铁心、两个径向磁轴承定子铁心、两个径向磁轴承导磁套、一个环形径向磁轴承永磁体和一个环形非导磁的径向磁轴承隔磁套；径向磁轴承隔磁套的一侧面与金属壳体的内壁固定连接，另一侧面与径向磁轴承导磁套和环形径向磁轴承永磁体固定连接；环形径向磁轴承永磁体夹在两个径向磁轴承导磁套中间，三者轴向布置，充磁方向为轴向，产生径向磁轴承偏置磁场；两个径向磁轴承定
子铁心分别固定于两个径向磁轴承导磁套内侧；径向磁轴承定子铁心上布置有励磁线圈。
[0007]上述技术方案中，所述轴向磁轴承包括轴向磁轴承定子铁心、轴向磁轴承永磁体、轴向磁轴承极靴、轴向磁轴承外环励磁线圈和轴向磁轴承内环励磁线圈；所述轴向磁轴承定子铁心上表面与金属壳体固定连接；轴向磁轴承定子铁心下表面设置有内外两个圆环凹槽，分别放置有轴向磁轴承外环励磁线圈和轴向磁轴承内环励磁线圈；轴承定子铁心下表面设置有轴向磁轴承永磁体，轴向磁轴承永磁体下部安装有轴向磁轴承极靴，磁轴承永磁体为轴向充磁；轴向磁轴承极靴与储能轮毂之间存在轴向磁轴承气隙。
[0008]上述技术方案中，所述高速永磁电机包括由内到外依次分布的一体式飞轮转轴、表贴于一体式飞轮转轴上轴伸段的电机转子永磁体和电机定子铁心；电机定子铁心固定于金属壳体内壁；电机定子铁心上套装有电机绕组。
[0009]上述技术方案中，电机转子永磁体在轴向上采用分段结构，段与段之间由绝缘涂层隔开，电机转子永磁体在圆周方向上每极由多块圆弧形组成，采用Halbach充磁方式；电机转子永磁体的内表面胶粘接在一体式飞轮转轴表面，外表面采用电机转子复合材料缠绕预紧；电机定子铁心采用低损耗超薄硅钢片叠压而成。
[0010]上述技术方案中，金属壳体通过由下至上同轴固定设置的飞轮底座、下壳体、上壳体和顶盖组装而成，各组装面上设置有相互配合的密封槽和多个密封圈，并通过螺栓锁紧形成冗余密封；下径向磁轴承与一体式飞轮转轴的储能轮毂和下轴伸段设置于下壳体内；体式飞轮转轴的下轴伸段、高速永磁电机和上径向磁轴承设置于上壳体；轴向磁轴承固定于上壳体的底面。
[0011]上述技术方案中，下壳体底部设置有下保护轴承，下保护轴承套接于一体式飞轮转轴下轴伸段的末端；上壳体顶部设置有上保护磁轴承，上保护轴承套接于一体式飞轮转轴上轴伸段的顶端；上保护轴承和下保护轴承的轴承形式为双列角接触轴承或无油润滑轴承。
[0012]上述技术方案中，下壳体的内面喷涂有吸热涂层；下壳体与外接真空泵相连通；下壳体的外表面设置沿圆周布置的纵向散热筋。
[0013]上述技术方案中，上壳体中部设置有冷却水套；所述冷却水套设置于电机定子铁心和上壳体的内壁之间；上壳体内部的各部件定子部分采用热固化的导热胶填充间隙。
[0014]上述技术方案中，下径向磁轴承的径向磁轴定子铁心和径向磁轴转子铁心均采用低损耗超薄硅钢片沿轴向叠压而成；径向磁轴承转子铁心不开槽，径向磁轴承定子铁心开设有四个半闭口槽；径向磁轴承定子铁心和径向磁轴转子铁心之间设置有气隙。
[0015]本专利技术的有益效果是：提出了一种适用于高转速、大功率应用场合的全悬浮飞轮储能系统，该飞轮系统具有自身损耗低、散热效果好的特点，尤其是转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
[0016]进一步，金属壳体设置有多道密封结构，可以确保金属飞轮壳体内腔具有良好的真空保压能力；在下壳体的壁上开设通道与外接真空泵相连，真空泵可动态维持金属飞轮壳体内腔的真空度，使高速飞轮转子的风摩损耗近似为零。
[0017]进一步地，一体式飞轮转轴由导磁金属锻件锻造而成，中部为储能轮毂，储能轮毂的上表面为水平圆环面，用作轴向磁轴承的吸（推）力盘，储能轮毂下部的轴用于安装下径向磁轴承转子铁心，储能轮毂上部的轴用于粘贴高速电机永磁体，电机永磁体上部的轴用
于安装上径向轴承转子铁心，使得全悬浮飞轮储能系统的转子损耗低，不易引起热积累，适合于长时高负荷稳定运行。
[0018]进一步地，上壳体内面安装水冷机套，电机定子铁心外圆套装于水冷套内面，增强了电机定子侧的散热能力；上径向磁轴承定子、电机定子、轴向磁轴承定子均安装于上壳体内侧，并采用热固化的导热胶灌填各间隙，导热胶有效提升了上壳体内腔各定子部件的对外散热能力，适用于大功率飞轮电机。
[0019]进一步地，所述上下径向磁轴承结构相同，径向磁轴承隔磁套置于径向磁轴承最外侧，采用非导磁材料，确保径向磁轴承的永磁体磁通不漏到机壳上，提高承载力密度。
[0020]进一步地，飞轮下壳体内壁上喷涂辅助吸热的涂层材料，转子上积累的热量传递到飞轮储能轮毂后，通过其巨大的外表面对下壳体辐射散热，吸热涂层可以有效提升转子散热能力，并将热量传导到下壳体外部。
[0021]进一步地，飞轮下壳体外表面设置散热筋；一方面可增加散热面积提升散热能力，另一方面可以提升下壳体的机械强度，尤其下壳体内腔主要用于容纳储能轮毂，可有效提升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：包括金属壳体以及由下到上依次布置在金属壳体内部的下径向磁轴承（4）、一体式飞轮转轴（5）、轴向磁轴承（1）、高速永磁电机（22）、和上径向磁轴承（3），且下径向磁轴承（4）和上径向磁轴承（3）结构相同；其中，所述一体式飞轮转轴（5）包括由上至下一体化同轴设置的上轴伸段、储能轮毂和下轴伸段；所述金属壳体内部为真空状态；高速永磁电机（22）同轴套接于上轴伸段外侧；高速永磁电机（22）的电机永磁体（17）固定于上轴伸段表面，高速永磁电机（22）的其余部分固定于金属壳体内壁；上径向磁轴承（3）同轴套接于上轴伸段外侧；上径向磁轴承（3）的转子铁心固定于上轴伸段表面，上径向磁轴承（3）的其余部分固定于金属壳体内壁；下径向磁轴承（4）同轴套接于下轴伸段外侧，下径向磁轴承（4）的转子铁心固定于下轴伸段表面，下径向磁轴承（4）的其余部分固定于金属壳体内壁；轴向磁轴承（1）的定子固定于储能轮毂上方的金属壳体内壁；储能轮毂作为轴向磁轴承（1）的转子。2.根据权利要求1所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：下径向磁轴承（4）包括两个径向磁轴承转子铁心（29）、两个径向磁轴承定子铁心（30）、两个径向磁轴承导磁套（31）、一个环形径向磁轴承永磁体（33）和一个环形非导磁的径向磁轴承隔磁套（32）；径向磁轴承隔磁套（32）的一侧面与金属壳体的内壁固定连接，另一侧面与径向磁轴承导磁套（31）和环形径向磁轴承永磁体固定连接（33）；环形径向磁轴承永磁体（33）夹在两个径向磁轴承导磁套（31）中间，三者轴向布置，充磁方向为轴向，产生径向磁轴承偏置磁场；两个径向磁轴承定子铁心（30）分别固定于两个径向磁轴承导磁套（31）内侧；径向磁轴承定子铁心（30）上布置有径向磁轴承励磁线圈（35）。3.根据权利要求1所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系统，其特征在于：所述轴向磁轴承（1）包括轴向磁轴承定子铁心（24）、轴向磁轴承永磁体（23）、轴向磁轴承极靴（27）、轴向磁轴承外环励磁线圈（25）和轴向磁轴承内环励磁线圈（26）；所述轴向磁轴承定子铁心（24）上表面与金属壳体固定连接；轴向磁轴承定子铁心（24）下表面设置有内外两个圆环凹槽，分别放置有轴向磁轴承外环励磁线圈（25）和轴向磁轴承内环励磁线圈（26）；轴承定子铁心（24）下表面设置有轴向磁轴承永磁体（23），轴向磁轴承永磁体（23）下部安装有轴向磁轴承极靴（27），磁轴承永磁体（23）为轴向充磁；轴向磁轴承极靴（27）与储能轮毂之间存在轴向磁轴承气隙（28）。4.根据权利要求1所述的一种低损耗的大功率全悬浮飞轮储能系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，张庆湖，李亚楗，苏振中，艾胜，姜豪，张贤彪，姜亚鹏，王胜杰，李忠瑞，
申请(专利权)人：湖北东湖实验室，
类型：发明
国别省市：