[发明专利]具有阻尼能量回收和在线模态监测的多功能储能飞轮系统

说明书

本发明涉及一种具有阻尼能量回收和在线模态监测的多功能储能飞轮系统，其包括：外壳顶部设置有轴承端盖，外壳内底部设置有底座；芯轴穿设在外壳内，芯轴中部设置有飞轮，所述芯轴的顶部与所述轴承端盖活动连接，所述芯轴的底部穿过所述底座延伸至所述外壳底部的外部，形成延伸部；上辅助轴承设置在所述芯轴的顶部，用于支撑所述飞轮的旋转；永磁轴承位于所述上辅助轴承的下方，设置在所述芯轴上端面与所述外壳之间；斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置设置在所述底座与所述芯轴之间，为所述飞轮提供轴向力，与所述永磁轴承配合使所述飞轮完成悬浮；下辅助轴承设置在所述外壳底部与所述芯轴之间，用于支撑所述飞轮的旋转。本发明能在储能飞轮领域中应用。

技术领域

本发明涉及一种储能飞轮技术领域，特别是关于一种具有阻尼能量回收和在线模态监测的多功能储能飞轮系统。

背景技术

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，具有储能密度高、功率大，效率高，寿命长，无污染等优点，可以广泛应用于航空航天、电网调频、不间断电源、机车牵引、军事(大功率电磁炮、鱼雷)等众多方面。

飞轮储能系统主要由转子系统、轴承系统和电动/发电机、电力转换器以及辅助运行系统(包括冷却系统，真空系统和状态检测系统)组成。为了储存足够多的能量，飞轮转子一般设计为大惯量回转体结构，由于飞轮的几何中心和质量中心不可能完全重合，在飞轮高速旋转时，不可避免的会产生振动，剧烈的振动冲击力会直接损害轴承，严重时会导致系统损坏，除了轴承系统以外，还需要有效的阻尼系统衰减振动并控制稳定性。

由于储能飞轮的质量、转动惯量较大，转速很高，陀螺效应十分明显，并存在过临界问题，传统的滚动轴承、流体动压轴承难以满足高速重载而摩擦损耗低的要求。一般采用磁悬浮轴承卸载飞轮大部分重量，再配合机械保护轴承使用。磁悬浮轴承主要分为两类，主动磁轴承和被动磁轴承。主动磁轴承主要指电磁轴承，被动磁轴承主要指永磁轴承。电磁轴承利用受控电磁力实现定转子的非接触支承，具有转速高、无磨损、不需润滑系统、低工耗、自带在线振动监测功能等优点，适用于高速转子系统。但对于大惯量低速飞轮系统而言，电磁轴承的优势难以发挥，且成本高昂，低速大惯量飞轮的陀螺效应显著，电磁轴承控制难度大，容易造成轴系动力学失稳，将直接损坏机械保护轴承甚至整机。

为了尽可能减少风阻损耗，飞轮转子运行在真空环境中，并采用高效的永磁同步电机和变流器实现飞轮机械能和电能的快速转换。飞轮系统通过频繁的升降速实现充放电循环，因此要频繁地跨越临界转速，准确、及时地掌握飞轮转子系统的模态特性，对飞轮的平稳运转也是很重要的。

发明内容

针对飞轮储能系统在运行过程中的轴承问题、飞轮模态特性在线监测问题，以及飞轮振动控制及能量回收问题，本发明的目的是提供一种具有阻尼能量回收和在线模态监测的多功能储能飞轮系统，可以支承转子的运动，降低摩擦阻力，减小损耗，可以对飞轮的振动有阻尼作用，并把这部分振动能量进行回收，也可以及时获取飞轮轴系的模态特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有阻尼能量回收和在线模态监测的多功能储能飞轮系统，其包括：外壳，其顶部设置有轴承端盖，位于所述外壳内底部设置有底座；芯轴，穿设在所述外壳内，所述芯轴中部设置有飞轮，所述芯轴的顶部与所述轴承端盖活动连接，所述芯轴的底部穿过所述底座延伸至所述外壳底部的外部，形成延伸部；上辅助轴承，设置在所述芯轴的顶部，用于支撑所述飞轮的旋转；永磁轴承，位于所述上辅助轴承的下方，设置在所述芯轴上端面与所述外壳之间，用于为所述飞轮提供轴向力；斥力型Halbach圆环阵列磁悬浮装置，设置在所述底座与所述芯轴之间，为所述飞轮提供轴向力，与所述永磁轴承配合使所述飞轮完成悬浮；下辅助轴承，设置在所述外壳底部与所述芯轴之间，用于支撑所述飞轮的旋转。

进一步，所述上辅助轴承的外环设置在所述外壳的内壁面，所述上辅助轴承的内环与所述芯轴配合安装，且所述上辅助轴承由所述芯轴的上部轴肩进行定位。