一种紧凑型飞轮储能电池的制作方法

1.本发明属于电能存储技术领域，更具体地，涉及一种紧凑型飞轮储能电池。


背景技术：

2.随着新能源技术的不断开发与发展，能量的存储技术得到了较为广泛的关注。在现有的储能技术当中，飞轮储能装置具有的动态性能好，没有二次污染等优点，使其得到了越来越多的关注。飞轮储能装置包括飞轮转子、发电机、永磁轴承、机械轴承以及电机外壳，在真空机腔有限的空间内，如何提高散热效率以及如何选择各部件所采用的结构和安装方式，使得真空机腔空间得到充分合理的应用，已成为大众所关注的问题。
3.此外，飞轮储能装置在设计完成后，其储能容量以及电机功率值仅能在小范围内变化，无法应用于更大容量以及更大功率的场合，需采用更大体积的飞轮储能电池，将会引起占地面积增大、搬运困难等问题。因此，如何提高飞轮储能电池应用的普遍性同样值得关注。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种紧凑型飞轮储能电池，以减小飞轮储能电池转轴的轴向长度，提高一阶临界转速与转子刚度，使得飞轮电池整体结构紧凑，减少材料的使用量，在环形绕组电机处设有环形水道，增加散热效率，同时可通过在阶梯状转轴处增加或减少空心飞轮圆盘的数量来改变储能电池的容量。此外，所设计电机上下端盖平整，可通过法兰将多个飞轮电池轴向叠装，形成更大容量、功率的飞轮储能电池，提高了飞轮电池应用的灵活性与普遍性，同时，还有节省成本以及占地面积的优势。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种紧凑型飞轮储能电池，包括：
6.储能飞轮，所述储能飞轮由n个空心飞轮圆盘在飞轮转轴上叠装而成，n≥1；
7.分别设置在所述储能飞轮上、下两侧的上端盖和下端盖；
8.机壳，固定在所述上端盖和下端盖之间，与上端盖和下端盖构成真空腔；
9.高速电机，设置在上端盖与储能飞轮之间，或储能飞轮与下端盖之间；所述高速电机包括由外向内设置的电机定子固定环、电机定子和电机转子，以及环绕于电机定子的电枢绕组、外贴或内嵌于电机转子的转子永磁体，且所述电机转子固定在飞轮转轴上，电机定子通过电机定子固定环固定在机壳上；
10.机械轴承，用于连接上端盖、飞轮转轴和下端盖；
11.永磁轴承，置于上端盖与储能飞轮之间，安装在上端盖上，且与所述储能飞轮上表面形成气隙。
12.进一步地，所述电枢绕组为环形绕组；所述电机定子内、外侧均开槽，且外侧开槽面积大于等于内侧开槽面积，以便于所述电枢绕组环绕于电机定子上。
13.进一步地，所述飞轮转轴为阶梯状。
14.进一步地，在所述空心飞轮圆盘表面开设环形凹槽。
15.进一步地，所述飞轮转轴两端通过所述机械轴承分别与上端盖和下端盖连接，且所述飞轮转轴两端部以及所述机械轴承均内嵌于上端盖和下端盖中；所述飞轮转轴与电机转子采用过盈配合连接。
16.进一步地，所述永磁轴承呈“n”型，包括：永磁轴承铁轭、外铁磁环、内铁磁环和永磁环；其中，所述永磁轴承铁轭安装在上端盖上，所述外铁磁环上表面与所述永磁轴承铁轭接触，下表面与所述储能飞轮上表面形成气隙，所述内铁磁环上表面与所述永磁环下表面接触，下表面与所述储能飞轮上表面形成气隙，所述永磁环上表面与所述永磁轴承铁轭接触。
17.进一步地，在电机定子固定环中设置环形水道。
18.第二方面，本发明还提供了一种紧凑型飞轮储能电池组，包括若干如第一方面所述的紧凑型飞轮储能电池；各所述紧凑型飞轮储能电池的上端盖与下端盖表面平整均设有法兰，各法兰之间垫有弹性垫片，并通过连接件固定连接，从而形成所述紧凑型飞轮储能电池组。
19.第三方面，本发明还提供了一种紧凑型飞轮储能电池，包括：
20.立式安装的一体式飞轮转子；
21.分别设置在所述飞轮转子上、下两侧的上端盖和下端盖；
22.机壳，固定在所述上端盖和下端盖之间，与上端盖和下端盖构成真空腔；
23.高速电机，设置在上端盖与飞轮转子之间；所述高速电机包括由外向内设置的电机定子和电机转子，以及环绕于电机定子的电枢绕组、外贴或内嵌于电机转子的转子永磁体，且所述电机定子固定在机壳上，所述电机转子固定在飞轮转子的转轴上；
24.机械轴承，用于连接所述上端盖、转轴和下端盖；
25.永磁轴承，置于上端盖与飞轮转子之间，安装在上端盖上，且与飞轮转子上表面形成气隙。
26.进一步地，所述电枢绕组为环形绕组；所述电机定子内、外侧均开槽，且外侧开槽面积大于等于内侧开槽面积，以便于所述电枢绕组环绕于电机定子上。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
28.(1)本发明使得飞轮储能电池整体轴向长度减小，尤其是采用了环形绕组电机，大大缩短了绕组的端部长度，对于2极电机来说，绕组端部长度大大减小，可以采用较低极数电机，降低电机频率，减小损耗，控制简单，并且提高冷却效率。再通过机腔内其余部件的合理选型以及合理装配，使得飞轮储能电池整体轴向长度进一步减小，提高系统的一阶临界转速以及转子刚度，使飞轮储能电池整体结构紧凑，减少材料的使用量。
29.(2)本发明所设计的飞轮储能电池飞轮转子部分由至少一个空心飞轮圆盘在阶梯状飞轮转轴上叠装而成，采取过盈配合固定，可通过增加或减少空心飞轮圆盘的数量来改变飞轮储能电池的容量，使得单个飞轮储能电池的容量可以灵活变化。
30.(3)本发明所设计的飞轮储能电池在电机定子固定环上设有环形水道，可以大大提高电机的散热效率，解决了真空腔难以散热的问题，使得电机的输出功率可以进一步提高，同时，飞轮储能电池的内部结构亦不会因为增设环形水道而变得复杂，不会占用机腔空间。
31.(4)本发明所设计的飞轮储能电池上下端盖均平整，可以在上下端盖处均安装法
兰，使得不同的飞轮储能电池可以轴向叠装，形成更大容量、更大功率的飞轮储能电池组，提高该飞轮储能电池应用的灵活性与普遍性，减小占地面积。
32.(5)本发明所设计“n”型永磁轴承，可以有效保证永磁体为同心，减小电机整体的涡流损耗，同时永磁体磁钢内置于转子铁芯，亦可有效降低涡流损耗。
33.(6)在储能待机期间和充放电期间，飞轮转子均能受到轴向的电磁力，因此，仅需采用一对机械轴承进行定位即可。电机整体结构简单，紧凑，节省成本，加工方便。
附图说明
34.图1为本发明实施例提供的一种紧凑型飞轮储能电池半剖面图；
35.图2为图1中高速电机半剖面放大图；
36.图3为图1中永磁轴承半剖面放大图；
37.图4为多个图1所示的飞轮储能电池轴向叠装的半剖面图；
38.图5为本发明实施例提供的另一种紧凑型飞轮储能电池半剖面图；
39.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
40.1-真空腔，2-空心飞轮圆盘，3-飞轮转轴，401-上端盖、402-下端盖，5-机壳，6-高速电机，601-电机定子固定环、602-电机定子、603-电枢绕组、604-电机转子、605-转子永磁体、606-环形水道，7-法兰，8-机械轴承，9-永磁轴承，901-永磁轴承铁轭、902-外铁磁环、903-内铁磁环、904-永磁环，10-弹性垫片，11-连接件，12-飞轮转子。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
42.参阅图1，结合图2至图4，对本实施例中的紧凑型飞轮储能电池以及电池组进行详细说明。
43.如图1所示，本发明提供了一种紧凑型模块化飞轮储能电池，采用立式安装方式，包括：真空腔1，储能飞轮，飞轮转轴3，上端盖401，下端盖402，机壳5，高速电机6，机械轴承8，永磁轴承9。
44.具体的，飞轮转轴3穿过储能飞轮，储能飞轮和机壳5安装在上端盖401和下端盖402之间，高速电机6置于储能飞轮与下端盖402之间，套在飞轮转轴3下端，上端盖401与下端盖402均安装法兰7，永磁轴承9置于上端盖401与储能飞轮之间，安装在上端盖401上，且与储能飞轮上表面形成气隙。其中，储能飞轮由n个空心飞轮圆盘2在飞轮转轴3上叠装而成，n≥1。
45.进一步地，上端盖401由非铁磁材料构成，减小从机械轴承处的漏磁，减小损耗。
46.进一步地，空心飞轮圆盘2的数量大于等于1，通过阶梯状飞轮转轴叠装为更大容量的飞轮储能电池，并采取过盈配合固定，与机壳5之间留有一定的距离。需要说明的是，当n≥2时，n个空心飞轮圆盘2内孔直径不同。
47.进一步地，飞轮转轴3两端通过机械轴承8分别与上端盖401和下端盖402连接，且
飞轮转轴3两端部以及机械轴承8均内嵌于上端盖401和下端盖402中。
48.进一步地，高速电机6位于储能飞轮与下端盖402之间，安装在阶梯状转轴上。需要说明的是，高速电机6也可位于储能飞轮与上端盖401之间，在实际工程应用中，可根据情况作出适当选择。
49.如图2所示，本发明采用的高速电机6为环形绕组永磁同步电机，包括电机定子固定环601，电机定子602，电枢绕组603，电机转子604，转子永磁体605以及环形水道606。
50.进一步地，电枢绕组603采用环形绕组的形式，电机定子602内、外侧均开槽，外侧开槽面积大于等于内侧开槽面积，转子永磁体605内置于电机转子604，且在电机定子固定环601上开环形水道606，电机转子604固连飞轮转轴3，电机定子602固连电机定子固定环601，电机定子固定环601固连机壳5，高速电机6整体呈扁平状。
51.进一步地，电机定子固定环601由非铁磁材料构成，减小电机定子602外侧开槽所带来的漏磁，降低损耗。
52.进一步地，飞轮转轴3与电机转子604采用过盈配合连接。
53.如图3所示，本发明采用的永磁轴承，包括永磁轴承铁轭901，外磁环902，内磁环903，永磁环904。
54.进一步地，永磁轴承9安装在上端盖401上，与储能飞轮上表面形成气隙，在储能飞轮上表面产生沿z轴正向的磁力，实现储能飞轮与电机转子的质量卸载。
55.进一步地，永磁轴承9呈“n”型，其中，永磁轴承铁轭901安装在上端盖401上，外铁磁环902上表面与永磁轴承铁轭901接触，下表面与储能飞轮上表面形成气隙，内铁磁环903上表面与永磁环904下表面接触，下表面与储能飞轮上表面形成气隙，永磁环904上表面与永磁轴承铁轭901接触。
56.如图4所示，多个飞轮储能电池轴向叠装时，需用到弹性垫片10、连接件11。
57.进一步地，上端盖401与下端盖402均设有法兰7，多个紧凑型飞轮储能电池的法兰7之间垫有弹性垫片10，通过连接件11将不同飞轮电池轴向叠装，连接成为一个整体，形成更大功率、容量的飞轮储能电池组。
58.如图5所示，为另一种紧凑型飞轮储能电池，适用于较大储能量的场合，包括真空腔1，上端盖401，下端盖402，机壳5，高速电机6，机械轴承8，永磁轴承9，飞轮转子12。
59.具体的，飞轮转子12为一体式，连接上端盖401与下端盖402，永磁轴承9置于上端盖401与飞轮转子12之间，安装在上端盖401上，且与飞轮转子12上表面形成气隙。
60.进一步地，上端盖401由非铁磁材料构成，减小从机械轴承处的漏磁，减小损耗。
61.进一步地，飞轮转子12两端通过机械轴承8分别与上端盖401和下端盖402连接，且飞轮转子12两端部以及机械轴承8均内嵌于上端盖401和下端盖402中。
62.进一步地，高速电机6位于飞轮转子12与上端盖401之间。一种情况，高速电机6与图1中高速电机结构相似，也包括由外向内设置的电机定子固定环601、电机定子602和电机转子604，以及环绕于电机定子602的电枢绕组603、外贴或内嵌于电机转子604的转子永磁体605，且电机转子604固定在飞轮转子12的转轴上，电机定子602通过电机定子固定环601固定在机壳5上。另一种情况，当电机定子602外径较大时，该高速电机6可以不需要电机定子固定环601，而直接将电机定子602安装在机壳5上。
63.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。