[发明专利]立式永磁轴承与流体动压轴承支撑的飞轮转子系统

说明书

本发明公开了一种立式永磁轴承与流体动压轴承支撑的飞轮转子系统，包括飞轮转子、飞轮上轴、飞轮下轴、设置于飞轮上轴的上支撑结构以及设置于飞轮下轴的电机机构和下支撑机构；上支撑结构包括依次套设的径向永磁轴承内环和外环、上部挤压膜阻尼器和轴向永磁轴承；电机机构包括依次套设的电机转子磁钢和电机定子铁芯与线圈，电机定子铁芯与线圈外部设置电机外壁散热水腔；下支撑机构包括流体动压轴承以及与其连接的轴窝，轴窝与下部挤压膜阻尼器连接。本发明在转子上下部均配置了挤压膜阻尼器，结合良好的转子动力学参数匹配设计，对转子的二个振动模态无论是通过临界转速还是地震冲击响应均实现了高效率的振动抑制，升速运行非常平稳。

技术领域

本发明属于飞轮转子系统，具体涉及一种立式永磁轴承与流体动压轴承支撑的飞轮转子系统。

背景技术

储能技术在供电系统的节能、稳定与供电品质方面的应用越来越重要，储能飞轮作为一项重要的储能技术，受到世界各国的重视。尤其是国内对储能飞轮的研发应用不断的提供政策与资金的支持，使飞轮储能技术获得了长足的进步。

在飞轮研发中轴承的设计是重要的技术要素，目前国内外飞轮厂家采用的轴承技术以电磁轴承辅助以永磁轴承，机械轴承辅助以永磁轴承为多，URENCO采用了上部为永磁轴承，下部为流体动压轴承的支撑系统，相比以上二种支撑方式，是目前待机磨耗较小的支撑系统。

由于储能飞轮最大的应用市场在电力系统，而电力系统对储能飞轮的能量与功率均有较高的要求，单体储能飞轮的储能在50kWh~1MWh，功率则在数百kW~MW之间，大能量、大功率、低磨耗的飞轮技术显得日益重要。

面对飞轮储能市场逐步增涨的需求，储能飞轮的专利发表也出现了暴涨。

在2007年的第八届欧洲超导体应用会议(EUCAS 2007)上，R Viznichenko1, A VVelichko, Z Hong and T A Coombs,Journal of Physics: Conference Series 97(2008) 012120 发表了“Advantage of superconducting bearing in a commercialflywheel system”论文，公布了URENCO 储能飞轮的详细结构与技术参数。文中给出了转子的高90cm，外径33cm，内径17cm，转子质量110kg，极转动惯量1.82kgm²，螺旋槽球轴承摩擦力矩0.053Nm（其中主要损耗为定子铁心的磁滞损失）。该飞轮上部采用永磁轴承支撑，无上部阻尼器，下部采用流体动压轴承支撑，配置了挤压膜阻尼器，构成了永磁轴承与流体动压轴承组合的转子支撑系统。

中国发明专利（CN 209730966 U）“应用双定子无刷直流电机的飞轮储能装置”转子上部使用了永磁轴承，下部使用了流体动压轴承。但是该发明最大的缺陷是上部没有阻尼器，对应转子刚体振动的二个模态，即平动第一模态（倒立摆）与锥摆第二模态，其下部与流体动压轴承座连接的挤压膜阻尼器只能顾及振动能量较大的第二锥摆模态，而对第一平动模态未采取任何减震措施。在升速过程中必然会出现无阻尼强迫振动的第一临界转速，大质量的转子升速较慢，有可能出现强烈的碰撞现象，严重时会导致转子破损。同时根据典型的地震谱分析，采用磁轴承的飞轮转子对10Hz以上的地震频谱反应不明显，如果飞轮转子的第一阶模态频率落到10Hz以内，当地震出现时，飞轮的径向振动幅度很大，转子破损的可能性也会变得很大。URENCO的公开资料显示，其飞轮转子的第一模态频率为10 Hz，第二模态频率为25Hz，基本上避开了地震的影响。而重型转子的第一阶模态频率主要取决于上部永磁轴承的径向刚度，将转子的第一模态频率提升到10Hz以上，几乎没有可能性，也就无法避免地震带来的严重危害。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种立式永磁轴承与流体动压轴承支撑的飞轮转子系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：