[发明专利]一种新型飞轮储能装置

说明书

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，尤其涉及一种新型飞轮储能，特别适用于不间断电源、航空航天等领域。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

本发明目的是提出一种飞轮储能装置，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，本发明采用的技术方案是：

一种飞轮储能装置，包括真空容器、转轴、永磁径向轴承、飞轮、单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机、永磁卸载轴承、永磁偏置径向-轴向磁轴承；所述真空容器内部中心设有转轴；所述转轴上部嵌套有永磁径向轴承；所述转轴的中部和下部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；所述飞轮下端内侧嵌套有单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机，所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机为外转子结构，与内部的定子同心同轴向长度，所述飞轮固定连接在所述单绕组外转子磁悬浮开关磁阻电机的外转子上；所述飞轮下端凸起与真空容器之间安装有永磁卸载轴承；所述永磁卸载轴承同转轴下端的永磁偏置径向-轴向磁轴承相配合，保证转轴轴向稳定悬浮，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。

进一步，所述单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机为双凸极结构，等距等极弧宽，外转子等距等极弧宽，定子上有等间隔30°设置的12个相等极弧宽凸极齿，外转子上有间隔45°设置的8个相等极弧宽凸极齿，所述飞轮直接嵌套在外转子上，所述转轴从飞轮中心穿出并与飞轮相连，无需机械传动装置，转子即可直接驱动飞轮。