一種新型飛輪儲(chǔ)能裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型飛輪儲(chǔ)能裝置，所述真空容器內(nèi)部中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸；所述轉(zhuǎn)軸上部嵌套有永磁徑向軸承；所述轉(zhuǎn)軸的中部和下部自上而下依次套裝飛輪、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁偏置徑向-軸向磁軸承；所述飛輪下端內(nèi)側(cè)嵌套有單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)；每套繞組獨(dú)立控制，除了電動(dòng)/發(fā)電功能外，同時(shí)可以提供徑向兩自由度懸浮力。本發(fā)明利用單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)飛輪特點(diǎn)和高速自懸浮功能，有機(jī)結(jié)合永磁軸向軸承，永磁徑向軸承和混合磁軸承強(qiáng)卸載可控懸浮特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛輪五自由度低損耗、高可靠懸浮，且提高飛輪運(yùn)行速度，降低系統(tǒng)功耗和體積。
【專利說明】一種新型飛輪儲(chǔ)能裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電能存儲(chǔ)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種新型飛輪儲(chǔ)能，特別適用于不間斷電源、航空航天等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源發(fā)電、分布式電源系統(tǒng)、混合動(dòng)力車輛、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)已成為世界性的研究課題。眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪電池以功率大、效率高、壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度大、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外的高度重視。作為一種集機(jī)械、控制、電子等技術(shù)于一體的新型儲(chǔ)能裝備，飛輪電池目前還存在諸多制約其工程化應(yīng)用的技術(shù)難題，主要表現(xiàn)于懸浮支承系統(tǒng)、集成式高速/超高速電機(jī)的性能與控制等。為減小支承損耗，飛輪電池通常采用多個(gè)磁懸浮軸承支承，增加了飛輪軸向長(zhǎng)度，降低了臨界轉(zhuǎn)速，同時(shí)也導(dǎo)致飛輪電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。
[0003]利用提高飛輪轉(zhuǎn)速來增加飛輪儲(chǔ)能總量的途徑必須克服飛輪輪緣材料強(qiáng)度約束、軸承發(fā)熱及摩擦阻力消耗等技術(shù)難題。近年來高強(qiáng)度復(fù)合材料及磁軸承技術(shù)的發(fā)展為解決上述難題提供了新思路:采用真空下磁懸浮軸承支承的復(fù)合材料飛輪超高速旋轉(zhuǎn)來儲(chǔ)存能量。磁懸浮軸承消除了傳統(tǒng)機(jī)械軸承連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)熱失效問題和摩擦阻力消耗問題。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用使得飛輪電池的儲(chǔ)能總量與儲(chǔ)能密度都得到大幅度的提高。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，目前我國(guó)的技術(shù)水平與投資規(guī)模較低，對(duì)飛輪電池的研究還處于起步階段。特別是如何研制出能夠適用于航空航天的飛輪電池，國(guó)內(nèi)更是沒有涉及。雖然國(guó)外飛輪電池技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展.但遠(yuǎn)沒有達(dá)到取代其他電池的水平，要研制出這種裝置，需解決一系列的技術(shù)難題，主要有:飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、磁浮軸承技術(shù)、真空技術(shù)、變頻技術(shù)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
[0004]而磁懸浮電機(jī)集傳統(tǒng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)與磁軸承懸浮功能于一體，以同時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電磁轉(zhuǎn)矩和支承轉(zhuǎn)子的懸浮力為目標(biāo)，打破了傳統(tǒng)電機(jī)僅為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而必須保持氣隙磁場(chǎng)平衡的思路，開辟了高速電機(jī)研究領(lǐng)域的新方向。磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)將磁懸浮技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，在繼承一般磁懸浮電機(jī)無摩擦、無磨損、軸向空間利用率高、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速大等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了開關(guān)磁阻電機(jī)的高速優(yōu)越性以及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)通過徑向力的主動(dòng)控制，有效改善了開關(guān)磁阻電機(jī)因不平衡磁拉力造成的振動(dòng)和噪聲問題，成為目前磁懸浮電機(jī)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。為此，本發(fā)明提出一種以單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)為核心部件用五自由度磁懸浮支承與傳動(dòng)的新型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了懸浮支承系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的統(tǒng)一，大大縮短了飛輪轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，控制更加靈活，提高了臨界轉(zhuǎn)速、功率密度與系統(tǒng)集成度，進(jìn)一步減小了支承損耗，在高速低損飛輪電池領(lǐng)域具有重大的研究與應(yīng)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提出一種飛輪儲(chǔ)能裝置，將懸浮支承與傳動(dòng)電機(jī)相結(jié)合，利用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行優(yōu)勢(shì)和自懸浮功能，能提高飛輪極限轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)性能，降低支承功耗、成本和體積，降低飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行損耗，提高運(yùn)行效率和可靠性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種飛輪儲(chǔ)能裝置，包括真空容器、轉(zhuǎn)軸、永磁徑向軸承、飛輪、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁卸載軸承、永磁偏置徑向-軸向磁軸承；所述真空容器內(nèi)部中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸；所述轉(zhuǎn)軸上部嵌套有永磁徑向軸承；所述轉(zhuǎn)軸的中部和下部自上而下依次套裝飛輪、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁偏置徑向-軸向磁軸承；所述飛輪下端內(nèi)側(cè)嵌套有單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與內(nèi)部的定子同心同軸向長(zhǎng)度，所述飛輪固定連接在所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的外轉(zhuǎn)子上；所述飛輪下端凸起與真空容器之間安裝有永磁卸載軸承；所述永磁卸載軸承同轉(zhuǎn)軸下端的永磁偏置徑向-軸向磁軸承相配合，保證轉(zhuǎn)軸軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供轉(zhuǎn)軸的徑向兩自由度懸浮支承，所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)完成徑向另外兩個(gè)自由度的懸浮和電動(dòng)/發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)五自由度全懸浮的飛輪儲(chǔ)能。
[0008]進(jìn)一步，所述單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，等距等極弧寬，外轉(zhuǎn)子等距等極弧寬，定子上有等間隔30°設(shè)置的12個(gè)相等極弧寬凸極齒，外轉(zhuǎn)子上有間隔45°設(shè)置的8個(gè)相等極弧寬凸極齒，所述飛輪直接嵌套在外轉(zhuǎn)子上，所述轉(zhuǎn)軸從飛輪中心穿出并與飛輪相連，無需機(jī)械傳動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)子即可直接驅(qū)動(dòng)飛輪。
[0009]進(jìn)一步，所述單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的每個(gè)定子凸極齒上僅有一套繞組，該繞組可以同時(shí)提供轉(zhuǎn)矩力和懸浮力，相差90°的4套轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組構(gòu)成一相，且每套繞組獨(dú)立控制，其中繞組A1, A2, A3, A4構(gòu)成A相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，繞組B1, B2, B3, B4構(gòu)成B相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，繞組C1, C2，C3，C4構(gòu)成C相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，共有三相；每套繞組可以同時(shí)提供電動(dòng)的轉(zhuǎn)矩力和轉(zhuǎn)子懸浮的懸浮力，B1, C1分別位于A1順時(shí)針30°和60°處，B2，C2分別位于A2順時(shí)針30°和60。處，B3, C3分別位于A3順時(shí)針30°和60。處，B4, C4分別位于A4順時(shí)針30°和60°處。
[0010]進(jìn)一步，所述永磁卸載軸承包括上磁環(huán)，下磁環(huán)，硅鋼片，上磁環(huán)兩側(cè)貼有硅鋼片，固連在飛輪上，下磁環(huán)兩側(cè)貼有硅鋼片，固連在真空容器上。上磁環(huán)與下磁環(huán)之間有一定的氣隙。
[0011]進(jìn)一步，所述永磁徑向軸承采用軸向磁化或徑向磁化，為同圓心，同等軸向長(zhǎng)度的內(nèi)外雙磁環(huán)；內(nèi)磁環(huán)兩側(cè)貼有硅鋼片，固連內(nèi)環(huán)壓板，內(nèi)環(huán)壓板固連轉(zhuǎn)軸，外磁環(huán)兩側(cè)貼有硅鋼片，固連外環(huán)壓板，外環(huán)壓板固連真空容器；內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間有一定的氣隙。
[0012]進(jìn)一步，所述永磁偏置徑向-軸向磁軸承包括:軸向定子、軸向控制線圈、軸承轉(zhuǎn)子、徑向控制線圈、軸向控制線圈、徑向定子、永磁環(huán)；軸向定子固連真空容器，兩個(gè)軸向控制線圈固連在軸向定子內(nèi)側(cè)，徑向定子沿圓周90°均勻分布，每個(gè)徑向定子均疊繞徑向控制線圈，永磁環(huán)徑向充磁嵌在軸向定子和徑向定子的交接處，軸承轉(zhuǎn)子與徑向定子之間留有徑向氣隙，軸承轉(zhuǎn)子與軸向定子之間留有軸向氣隙；兩個(gè)軸向控制線圈，四個(gè)徑向控制線圈繞組均通直流電。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0014](I)軸向長(zhǎng)度縮短、結(jié)構(gòu)緊湊
[0015]該裝置采用單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，電機(jī)為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子可以直接驅(qū)動(dòng)飛輪，可省機(jī)械傳動(dòng)裝置，降低轉(zhuǎn)軸軸向長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)永磁卸載軸承固連飛輪與真空容器，進(jìn)一步減少了裝置軸向長(zhǎng)度。
[0016](2)降低系統(tǒng)功耗
[0017]利用永磁徑向軸承取代傳統(tǒng)的機(jī)械備用軸承，利用永磁卸載軸承實(shí)現(xiàn)軸向卸載，混合磁軸承只需克服轉(zhuǎn)軸剩余重量和動(dòng)載荷，同時(shí)采用永磁卸載軸承和混合磁軸承并利用磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)軸五自由度高速低損耗全懸浮，降低了裝置的電磁功耗和機(jī)械摩擦損耗。
[0018](3)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適合高速運(yùn)行
[0019]整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其轉(zhuǎn)子無永磁體僅為導(dǎo)磁鐵心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，便于高速、超高速運(yùn)行，有利于提高飛輪的極限轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高該飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為永磁卸載軸承結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為永磁徑向軸承結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5為永磁偏置徑向-軸向磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為永磁偏置徑向-軸向磁軸承軸向磁路示意圖；
[0026]圖7為永磁偏置徑向-軸向磁軸承徑向磁路示意圖。
[0027]圖中:1_真空容器；2_轉(zhuǎn)軸；3_永磁徑向軸承；4_飛輪；5_單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)；6_永磁卸載軸承-J-永磁偏置徑向-軸向磁軸承；301_內(nèi)磁環(huán)；302_娃鋼片；303-內(nèi)環(huán)壓板；304_外環(huán)壓板;305_外磁環(huán);501_轉(zhuǎn)子;502_定子;503_繞組;601_上磁環(huán)；602-下磁環(huán)；603_硅鋼片；701-軸向定子；702_軸向控制線圈；703_軸向氣隙；704-徑向氣隙；705_軸承轉(zhuǎn)子；706_控制線圈；707_徑向定子；708_永磁環(huán)。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明包括真空容器1、轉(zhuǎn)軸2、永磁徑向軸承3、飛輪4、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5、永磁卸載軸承6、永磁偏置徑向-軸向磁軸承7。永磁徑向軸承3嵌套在轉(zhuǎn)軸2的上端，起到備用軸承的作用。轉(zhuǎn)軸下端依次套裝飛輪4、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5、永磁偏置徑向-軸向磁軸承7，飛輪4固連單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的外轉(zhuǎn)子。永磁卸載軸6上安裝于飛輪4下端與真空容器I之間，用于卸載飛輪轉(zhuǎn)軸大部分的軸向重量。轉(zhuǎn)軸2下端的永磁偏置徑向-軸向磁軸承7配合永磁卸載軸承克服飛輪轉(zhuǎn)軸剩余重量和動(dòng)載荷，保證軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供轉(zhuǎn)軸的徑向兩自由度懸浮支承。單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5完成徑向另外兩個(gè)自由度的懸浮和電動(dòng)/發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)五自由度全懸浮的飛輪儲(chǔ)能裝置。
[0030]如圖2所示，本發(fā)明所采用的單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5為三相12/8極外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子雙凸結(jié)構(gòu)，位于永磁偏置徑向-軸向磁軸承7和永磁徑向軸承3之間，包括轉(zhuǎn)子501，定子502，繞組503。定子502在轉(zhuǎn)子501內(nèi)部，兩者同心同軸。轉(zhuǎn)子501固連飛輪4，飛輪4固連轉(zhuǎn)軸2。轉(zhuǎn)軸2從飛輪中心穿出。電機(jī)轉(zhuǎn)子501與定子502之間留徑向氣隙。繞組503疊繞在電機(jī)定子502上，以A相為例，其中繞組A1, A2, A3, A4構(gòu)成A相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，分別施加電流 ial、ia2、ia3、ia4，其中 ial = imal+isal，ia2 = ima2+isa2，ia3 = ima3+isa3，ia4 = ima4+isa4。ial的分量imal為轉(zhuǎn)矩電流，根據(jù)磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合,拉動(dòng)轉(zhuǎn)子501旋轉(zhuǎn)。ial的分量isal為懸浮電流,通過調(diào)節(jié)isal, isa2, isa3, isa4的大小實(shí)現(xiàn)單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5徑向兩自由度懸浮。繞組B1, B2, B3, B4構(gòu)成B相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組。繞組C1, C2, C3, C4構(gòu)成C相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，共有3相。每套繞組可以同時(shí)提供電動(dòng)的轉(zhuǎn)矩力和轉(zhuǎn)子懸浮的懸浮力。B1, C1分別位于A1順時(shí)針30°和60°處，B2, C2分別位于A2順時(shí)針30°和60°處，B3, C3分別位于A3順時(shí)針30°和60°處。B4, C4分別位于A4順時(shí)針30°和60°處。每套繞組獨(dú)立控制，可以同時(shí)提供轉(zhuǎn)矩和懸浮力。轉(zhuǎn)子501旋轉(zhuǎn)時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)固連的飛輪4，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。
[0031]如圖3所示，本發(fā)明所采用的永磁卸載軸承6包括:上磁環(huán)601，下磁環(huán)602，硅鋼片603。磁環(huán)材料一般采用但不局限于稀土材料釹鐵硼材料。上磁環(huán)601兩側(cè)貼上硅鋼片603固連飛輪4，可與飛輪4 一起旋轉(zhuǎn)。下磁環(huán)602兩側(cè)貼上硅鋼片603固連真空容器I。上磁環(huán)601與下磁環(huán)602采用但不局限于軸向充磁，充磁方向相反。利用兩磁環(huán)之間的斥力實(shí)現(xiàn)軸向重量卸載。需要說明的是:為獲得更大的剛度和承載力本發(fā)明采用多對(duì)磁環(huán)進(jìn)行軸向疊加，磁環(huán)兩側(cè)貼上硅鋼片，磁通在硅鋼片中集中徑向流動(dòng)從而增加徑向磁通密度降低漏磁。
[0032]如圖4所示，本發(fā)明所采用的永磁徑向軸承3位于轉(zhuǎn)軸2上端，包括內(nèi)磁環(huán)301，硅鋼片302，內(nèi)環(huán)壓板303，外環(huán)壓板304，外磁環(huán)305。內(nèi)磁環(huán)301固連內(nèi)環(huán)壓板303，內(nèi)環(huán)壓板303固連轉(zhuǎn)軸2，內(nèi)磁環(huán)301可與轉(zhuǎn)軸2 —起轉(zhuǎn)動(dòng)。外磁環(huán)301固連外環(huán)壓板304，外環(huán)壓板304固連真空容器I。磁環(huán)材料一般采用但不局限于稀土材料釹鐵硼材。外磁環(huán)305與內(nèi)磁環(huán)301 —般但不局限于軸向充磁,充磁方向相反,利用兩磁環(huán)之間的斥力,將轉(zhuǎn)軸2固定在平衡位置。兩者同心同軸向長(zhǎng)度。需要說明的是:磁環(huán)兩側(cè)貼上硅鋼片硅鋼片302，磁通在硅鋼片中集中徑向流動(dòng)從而增加徑向磁通密度降低漏磁。
[0033]如圖5所示，本發(fā)明所采用的永磁徑向軸承永磁偏置徑向-軸向7位于轉(zhuǎn)軸2下端，包括軸向定子701，軸向控制線圈702，軸承轉(zhuǎn)子705，徑向控制線圈706，軸向控制線圈702，徑向定子707，永磁環(huán)708。軸向定子701固連真空容器1，2個(gè)軸向控制線圈702固連軸向定子701，徑向定子707沿圓周90度均勻分布，每個(gè)徑向定子707均疊繞徑向控制線圈706，永磁環(huán)708徑向充磁嵌在軸向定子701和徑向定子707的交接處，軸承轉(zhuǎn)子705與徑向定子707之間留有徑向氣隙704，軸承轉(zhuǎn)子705與軸向定子701之間留有軸向氣隙703。軸向控制線圈702線圈由徑向分別對(duì)置的兩個(gè)線圈串聯(lián)作為相關(guān)自由度的控制線圈。2個(gè)軸向控制線圈702，4個(gè)徑向控制線圈706繞組均通直流電。軸向定子701與徑向定子707采用硅鋼片疊壓而成，永磁環(huán)708 —般采用但不局限于稀土材料釹鐵硼材料，并徑向充磁。當(dāng)徑向-軸向都穩(wěn)定懸浮時(shí)，轉(zhuǎn)軸2在永磁環(huán)708產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)吸力下處于懸浮的中間位置。
[0034]圖6是軸向磁軸承的磁路圖，圖中Φ PM是永磁環(huán)708產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，Φ ΖΕηι是軸向控制線圈702中電流產(chǎn)生的控制磁通，氣隙磁通由這兩部分磁通合成。當(dāng)軸向穩(wěn)定懸浮時(shí)，磁軸承轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)吸力下處于懸浮的中間位置，也稱這個(gè)位置為參考位置。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子右面的氣隙Z1處和轉(zhuǎn)子左面的氣隙Z2處是相等的，此時(shí)左右吸力相等。如果在此平衡位置時(shí)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向右的外擾力，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離參考位置向右運(yùn)動(dòng)，造成永久磁鐵產(chǎn)生的左右氣隙的磁通變化(假設(shè)徑向在平衡位置)，即左面的氣隙增大，使永磁體產(chǎn)生的磁通ΦΡΜΖ2減少，右面的氣隙減少，使永磁體產(chǎn)生的磁通ΦΡΜΖ1增加。由于外擾力使轉(zhuǎn)子向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)，功率放大器又將此控制信號(hào)變換成控制電流，這個(gè)電流經(jīng)電磁鐵線圈繞組使鐵芯內(nèi)產(chǎn)生電磁磁通φΖΕΜ，在轉(zhuǎn)子左面的Z2處由勵(lì)磁磁通和永磁磁通的流向相同，與永磁磁通ΦρΜζ2疊加,使氣隙Z2處總的磁通增加，即Φζ2 = Φ ΡΜΖ2+Φ ZEM ;勵(lì)磁磁通ΦΖΕΜ在右面氣隙Z2處，由于與永磁磁通ΦρΜζ1的流向相反，故在氣隙Z1處的總磁通減少為Φζ? = ΦΡΜζ1-ΦΖΕΜ。因此,不論轉(zhuǎn)子受到Z正方向還是Z負(fù)方向的外擾動(dòng)，帶位置負(fù)反饋的永磁偏置軸向磁軸承系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子通過控制器控制勵(lì)磁繞組中的電流，調(diào)節(jié)左右氣隙磁通的大小，始終能保持轉(zhuǎn)子在平衡位置。
[0035]圖7是徑向磁軸承的磁路圖，圖中標(biāo)明了 X方向磁通的路徑，ΦΡΜ是永磁環(huán)(708)產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，φΧΕΜ是X方向的控制磁通，用同樣的方法可以標(biāo)明Y方向磁通的路徑。徑向懸浮原理與軸向懸浮原理相同。
[0036]本發(fā)明涉及一種新型飛輪儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)軸2上端安裝永磁徑向軸承，取代了傳統(tǒng)飛輪裝置中的機(jī)械備用軸承，可以解決因軸承摩擦導(dǎo)致的能量損耗問題，當(dāng)磁懸浮電機(jī)正常工作時(shí)，永磁軸承可以作為備用軸承，分擔(dān)電機(jī)徑向負(fù)荷；當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)，可以作為二自由度徑向軸承，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸兩自由度懸浮。永磁卸載軸承6固連飛輪4與真空容器1，實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的軸向重量卸載。轉(zhuǎn)軸下端采用永磁偏置徑向-軸向磁軸承克服飛輪轉(zhuǎn)軸剩余重量和動(dòng)載荷，保證飛輪轉(zhuǎn)軸軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供飛輪轉(zhuǎn)軸徑向兩自由度懸浮支承，單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)5的外轉(zhuǎn)子可以直接驅(qū)動(dòng)飛輪，省去機(jī)械傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能；每套繞組獨(dú)立控制，除了電動(dòng)/發(fā)電功能外，同時(shí)可以提供徑向兩自由度懸浮力。本發(fā)明利用單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)飛輪特點(diǎn)和高速自懸浮功能，有機(jī)結(jié)合永磁軸向軸承，永磁徑向軸承和混合磁軸承強(qiáng)卸載可控懸浮特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛輪五自由度低損耗、高可靠懸浮，且提高飛輪運(yùn)行速度，降低系統(tǒng)功耗和體積。
[0037]上面已經(jīng)結(jié)合具體實(shí)施步驟說明了本發(fā)明，然而對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，對(duì)本發(fā)明做出不同的改進(jìn)和變型。因而落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和變型，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:包括真空容器(1)、轉(zhuǎn)軸(2)、永磁徑向軸承(3)、飛輪(4)、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)、永磁卸載軸承￠)、永磁偏置徑向-軸向磁軸承(7)； 所述真空容器(1)內(nèi)部中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸(2); 所述轉(zhuǎn)軸(2)上部嵌套有永磁徑向軸承(3)； 所述轉(zhuǎn)軸(2)的中部和下部自上而下依次套裝飛輪(4)、單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)、永磁偏置徑向-軸向磁軸承(7)； 所述飛輪(4)下端內(nèi)側(cè)嵌套有單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)，所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)為外轉(zhuǎn)子(501)結(jié)構(gòu)，與內(nèi)部的定子(502)同心同軸向長(zhǎng)度，所述飛輪(4)固定連接在所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)的外轉(zhuǎn)子上；所述飛輪(4)下端凸起與真空容器(1)之間安裝有永磁卸載軸承(6)； 所述永磁卸載軸承￠)同轉(zhuǎn)軸(2)下端的永磁偏置徑向-軸向磁軸承(7)相配合，保證轉(zhuǎn)軸(2)軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)提供轉(zhuǎn)軸(2)的徑向兩自由度懸浮支承，所述單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)完成徑向另外兩個(gè)自由度的懸浮和電動(dòng)/發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)五自由度全懸浮的飛輪儲(chǔ)能。
2.如權(quán)利要求1所述一種飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:所述單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)為雙凸極結(jié)構(gòu)，等距等極弧寬，外轉(zhuǎn)子(501)等距等極弧寬，定子(502)上有等間隔30°設(shè)置的12個(gè)相等極弧寬凸極齒，外轉(zhuǎn)子(501)上有間隔45°設(shè)置的8個(gè)相等極弧寬凸極齒，所述飛輪(4)直接嵌套在外轉(zhuǎn)子(501)上，所述轉(zhuǎn)軸(2)從飛輪(4)中心穿出并與飛輪(4)相連，無需機(jī)械傳動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)子即可直接驅(qū)動(dòng)飛輪(4)。
3.如權(quán)利要求1或2所述一種飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:所述單繞組混合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(5)的每個(gè)定子凸極齒上僅有一套繞組(503)，該繞組(503)可以同時(shí)提供轉(zhuǎn)矩力和懸浮力，相差90°的4套轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組(503)構(gòu)成一相，且每套繞組獨(dú)立控制，其中繞組A1; A2，A3，A4構(gòu)成A相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，繞組B1; B2，B3, B4構(gòu)成B相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，繞組構(gòu)成C相轉(zhuǎn)矩/懸浮繞組，共有三相；每套繞組可以同時(shí)提供電動(dòng)的轉(zhuǎn)矩力和轉(zhuǎn)子懸浮的懸浮力，分別位于仏順時(shí)針30°和60°處，B2，C2分別位于八2順時(shí)針30°和60。處，B3，C3*別位于A3順時(shí)針30°和60。處，B4，C4分別位于A4順時(shí)針30° 和 60° 處。
4.如權(quán)利要求1所述一種飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:所述永磁卸載軸承(6)包括上磁環(huán)(601)，下磁環(huán)(602)，硅鋼片(603)，上磁環(huán)(601)兩側(cè)貼有硅鋼片(603)，固連在飛輪(4)上，下磁環(huán)(602)兩側(cè)貼有硅鋼片(603)，固連在真空容器(1)上，上磁環(huán)(601)與下磁環(huán)(602)之間有一定的氣隙。
5.如權(quán)利要求1所述一種飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:所述永磁徑向軸承(3)采用軸向磁化或徑向磁化，為同圓心，同等軸向長(zhǎng)度的內(nèi)外雙磁環(huán)；內(nèi)磁環(huán)(301)兩側(cè)貼有硅鋼片(302)，固連內(nèi)環(huán)壓板(303)，內(nèi)環(huán)壓板(303)固連轉(zhuǎn)軸(2)，外磁環(huán)(305)兩側(cè)貼有硅鋼片(302)，固連外環(huán)壓板(304)，外環(huán)壓板(304)固連真空容器(1);內(nèi)磁環(huán)(301)與外磁環(huán)(305)之間有一定的氣隙。
6.如權(quán)利要求1所述一種新型的飛輪儲(chǔ)能裝置，其特征在于:所述永磁偏置徑向-軸向磁軸承(7)包括:軸向定子(701)、軸向控制線圈(702)、軸承轉(zhuǎn)子(705)、徑向控制線圈(706)、軸向控制線圈(702)、徑向定子(707)、永磁環(huán)(708);軸向定子(701)固連真空容器(I)，兩個(gè)軸向控制線圈(702)固連在軸向定子(701)內(nèi)側(cè)，徑向定子(707)沿圓周90°均勻分布，每個(gè)徑向定子(707)均疊繞徑向控制線圈(706),永磁環(huán)(708)徑向充磁嵌在軸向定子(701)和徑向定子(707)的交接處，軸承轉(zhuǎn)子(705)與徑向定子(707)之間留有徑向氣隙(704)，軸承轉(zhuǎn)子(705)與軸向定子(701)之間留有軸向氣隙(703);兩個(gè)軸向控制線圈(702)，四個(gè)徑向控制線圈(706)繞組均通直流電。
【文檔編號(hào)】H02K7/02GK104410204SQ201410713995
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】孫玉坤, 袁野, 劉良田, 朱志瑩, 周云紅 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)