一种基于磁悬浮承载的盘式电动发电机的飞轮储能装置的制作方法

1.本发明涉及飞轮储能，飞轮电池，旋转电池领域，具体是一种基于磁悬浮承载 的盘式电动发电机的飞轮储能装置。


背景技术：

2.目前，现有的飞轮储能装置因大规模推广而不断模块化、标准化。根据现有资 料显示，立式飞轮转子、电机转子独立串联，整体高度较高，而美国active power公司 的飞轮储能装置高度超过2400mm，无疑对安装环境高度提出了较高的要求。由于大多数 应用场景的功率密度要求较高，飞轮储能一般只能保持几秒到几分钟的放电，相对能量 密度较低。现有较高的储能装置高度与相对较低的能量密度综合造成单位高度储能密度 低的特点。
3.因飞轮转子的陀螺效应，轴心具有规律性章动和进动特性，对运行中的轴承产 生非对称的径向载荷，严重缩短了轴承寿命；另外，狭长形的飞轮转子在高转速下产生 扰动，存在电机轴动静碰磨风险。
4.专利申请号为201210066795.7，名为“双定子盘式电机飞轮储能器转子磁悬浮 结构”的发明专利，提供了盘式电机与飞轮储能的结合方式，将转子嵌入飞轮转子内， 运用永磁体作为轴向磁轴承，初步实现了盘式电机与飞轮储能模块化的推广标准，但该 装置中，转子高速旋转下势必大幅增加转子与永磁体解体的可能；轴向磁轴承中永磁体 的磁场密度不均匀与高速轴承的强制限制章动特性，将不可避免的带来较高幅值的振 动，存在较大的安全隐患；
5.专利申请号为202010638878.3，名为“盘式异步电机、飞轮储能装置、转子悬 浮控制系统及方法”的发明专利，提供了双定子盘式电机飞轮储能方案，该方案控制双 定子的磁性差异进而达到抵消轴向载荷的目标，理论推导中可以实现，实际方案中因磁 力瞬息变化，实现较困难，且飞轮储能由电动机到发电机工作时，反电动势将不足以抵 消轴向载荷，实际工作状态为高速轴承承载较大载荷；


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于轴向磁悬浮承载(俗称“磁轴承”)的盘式电 机的飞轮储能装置，以解决上述背景技术中提出的关于整体高度和动静碰摩风险的问 题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.本发明公开了一种盘式电机飞轮储能装置，包括飞轮转子，盘式电机系统，下径 轴承，下径保护轴承，下径轴承端盖，下径端面端盖，上径轴承，上径保护轴承，上径轴 向磁轴承，壳体，上径端面端盖，上径轴承端盖。
9.所述壳体分上下端面，均匀分布通孔，上端面分别与上径轴向磁轴承、上端面端 盖先后经通孔配合螺栓固定；下端面与下径端面端盖经通孔配合螺栓固定；
10.所述上径轴向磁轴承通常采用不锈钢或铝制材质，可起到隔离磁场作用；为放 置电磁铁线圈，其端面以圆心为原点均匀分布可安装电磁铁线圈的截面形状为倒“凸”型 通
孔，该通孔为等腰梯形，倒“凸”型通孔设计为面积不同的两个端面；端面通孔面积较 大为上端面，端面通孔面积较小为下端面；下端面与壳体上端面接触经通孔配合螺栓固定， 上端面与上端面端盖接触经通孔配合螺栓固定；
11.所述上径轴向磁轴承，轴心设计了两个半径不同的同心圆相组合形成的凸台通 孔，凸台通孔中内径为轴承与保护轴承的外径，凸台通孔中外径与上轴承端盖下端面接触 并经螺栓固定；均匀分布四个通孔，可安装轴向电涡流距离传感器；均匀分布有与上端面 端盖对应的盲孔，上端面端盖可通过螺栓与上径轴向磁轴承固定；
12.所述上径轴向磁轴承在飞轮储能系统启动，根据设定电压电流值提供90％-95％的 轴向承载力，根据电涡流位移传感器采集数据研判转子倾角及提升高度，实时改变上径轴 向磁轴承内各电磁线圈的电压电流值，从而调整转子倾角及高度，上径轴向磁轴承可减少 下径轴承的摩擦损耗，转子章动对上径轴承的规则不均衡负载；
13.所述上轴承端盖，均匀分布与上径向磁轴承相对应的通孔，通孔内加工有螺纹， 可通过螺栓相配合；
14.所述上端面端盖，采用不锈钢等金属材质，圆盘状结构；轴心通孔可安装上轴承 端盖；
15.所述飞轮转子，为轴对称钢制结构件；该飞轮转子分为上下端，上端仅有与上径 轴承及上径保护轴承搭配的内径轴，下端含与转子磁阻件轴心通孔，转子轴心通孔同心圆 的同径轴，均匀分布与转子磁阻件相搭配的盲孔，与下径轴承及下径保护轴承搭配的内径 轴；上下端面外缘侧均分布有均匀对称的通孔，可实现与转子磁阻件，转子搭配固定；
16.所述盘式电机系统；该系统包括转子磁阻件、转子、定子、永磁体、硅钢片、控 制器等。飞轮储能系统接到启动信号后，控制器接到电涡流位移信号稳定时启动盘式电机， 逐步增加盘式电机定子电磁线圈的电压电流，确保飞轮转子不会因盘式电机启动而大幅度 掉落。飞轮储能系统由电动状态转换为发电状态时，转子内的永磁体产生的磁场切割线圈 产生电能，同时反电动势产生反向轴向推力，飞轮转子提升高度将陡然增加，因此上径轴 向磁轴承的电压电流应首先减小并根据转速衰减逐渐增大，以保证飞轮转子高度保持在设 定范围内；
17.所述转子磁阻件，为不锈钢结构；该结构件轴心有通孔，直径为飞轮转子下端面 的同径轴，轴心通孔外侧与转子磁阻件圆周内侧均均匀分布多个通孔，可经螺栓与飞轮转 子固定；转子磁阻件可有效隔绝转子永磁体对飞轮转子的磁化，杜绝因转子永磁体的磁化 因素影响上径轴向磁轴承的磁力均衡环境，杜绝飞轮转子大幅振动乃至失衡的可能；
18.所述转子，为铁制结构件；该结构件轴心为同心圆通孔，直径为飞轮转子下端面 的同径轴大小；同心圆通孔外侧与转子圆周内侧均均匀分布多个圆形通孔，可经螺栓与飞 轮转子固定；在两圈圆形通孔之间均匀分布安装永磁材料的截面形状为倒“凸”型通孔， 该通孔为等腰梯形，为安全放置永磁材料，倒“凸”型通孔设计为面积不同的两个端面； 端面通孔面积较大为上端面，端面通孔面积较小为下端面；上端面与转子磁阻件接触经通 孔配合螺栓固定；转子倒“凸”型端面通孔内固定安装有永磁材料；
19.所述定子，为轴对称结构件；该结构件轴心为同心圆通孔，直径为飞轮转子轴承 外径大小；同心圆通孔外侧与定子圆周内侧均均匀分布多个通孔，可经螺栓与下端面端盖 固定；在两圈圆形通孔之间均匀分布安装线圈的截面形状为“凸”型通孔，“凸”型通孔 为等
腰梯形，为安全放置线圈，“凸”型通孔设计为面积不同的两个端面；端面通孔面积 较大为下端面，端面通孔面积较小为上端面；定子下端面与下端面端盖接触经通孔配合螺 栓固定；定子端面通孔内固定安装有电磁线圈；
20.所述下端面端盖，为轴对称圆盘结构件；该结构件轴心为“六棱柱”通孔，该 通孔外侧均匀分布有安装定子的通孔，端面圆周内侧均匀分布有数量，大小不一的通孔， 可分别壳体、定子固定安装；
21.所述下轴承端盖，为“六棱柱”结构件，每个棱角有通孔可经螺栓与定子固定；
22.飞轮储能装置储能量可以根据(1)式确定：式中m为惯性飞轮质量，kg；v为惯性飞轮的转速，r/min；i为飞轮的转动惯量，ω为飞轮 旋转的角速度；
23.在飞轮储能装置运行安全范围内，常常提升速度或者增加飞轮转子重量追求储 能最大化，对于飞轮转子还应考虑几何形状、材料属性等因素，而不能盲目提升速度或增 加质量，否则势必增加了储能装置解体的危险系数。对于单一材料，各向同性转子这种关 系可表示为式中e为惯性飞轮动能，j；m为惯性飞轮的质量，kg；k为飞轮的几何形状系数，无量纲； σ材料的拉伸强度，pa；ρ材料的密度，kg/m3；
24.进而，必须计算飞轮转子在轴心的切向应力：式中ρ为材料密度，kg/m3；ω为旋转角速度，rad/s；μ为泊松比，无量纲；r1、r2分别为 转子内外径；
25.为有效计算切向应力，从飞轮转子中分离出一微元体，长度为y，两径向截面夹 角dθ，两圆弧面半径距离dr，作用在该微元体的离心力为：dc＝dmrω2＝ρr2ω2ydθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中ρ为材料密度，kg/m3；ω为旋转角速度，rad/s；r为转子某截面半径；y为半径r处 厚度；
26.飞轮转子受力平衡方程式：式中σr为飞轮转子径向应力；σ
θ
为飞轮转子切向应力；
27.微元体的半径r处的径向位移为x，则半径将变为r x；而半径r dr处的径 向位移为x dx；故微元体在载荷作用下厚度为dr dx；微元体的径向相对变形和切向相对 变形为：
28.又根据虎克定律可得：
29.联立以上方程(5)、(6)、(7)可得：式中，e为弹性模量；μ为泊松比；a为因数，c1，c2为积分常数，由边界 条件决定。
30.可根据上述计算方法，计算不同转速，不同模型的外表面离心应力和轴心离心 应力值；
31.作为本发明进一步的方案：所述飞轮转子材质可以为钢制、碳纤维等材质；
32.作为本发明再进一步的方案：所述上径轴向磁轴承内的电磁线圈极对数、圈数 不确定，可以按照经验值设定，只要求极对数均匀对称分布；所述转子与定子内的极对数， 圈数，面积，永磁铁极对数，材质不定，可按照设计设定、制造，只要求极对数均匀对称 分布；
33.作为本发明再进一步的方案：所述控制器不涉及具体型号、具体产品；所述控制 器可以采用单片机、plc、dsp、fpga等具有计算、储存、判断而不限于此类的智能芯片；
34.作为本发明再进一步的方案：所述飞轮转子提升高度、飞轮转速、盲孔深度、 通孔盲孔直径不涉及具体高度、具体转速、具体深度、具体直径尺寸；
35.作为本发明进一步的方案：所述飞轮转子只要求大于同径轴、内径轴，不涉及具 体尺寸、厚度；
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该飞轮储能装置大幅度降低了整体高 度，可以在相同空间内储能密度最大化，标准化的零部件可相互使用，减少维护时间，降 低了对安装环境的要求。
附图说明
37.图1为一种基于轴向磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的部件爆炸图；
38.图中：1-上轴承端盖、2-上径保护轴承、3-上径轴承、4-上端面端盖、5-上径轴 向磁轴承、6-壳体、7-飞轮转子、8-转子磁阻件、9-转子、10-定子、11-硅钢片、12-下径轴 承、13-下径保护轴承、14-下端面端盖、15-下轴承端盖；
39.图2为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的上轴承端盖等轴测图；
40.图3为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的上端面端盖等轴测图；
41.图4为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的上径轴向磁轴承等轴 测图；
42.图5为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的壳体等轴测图；
43.图6为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的飞轮转子等轴测图；
44.图7为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的转子磁阻件等轴测图；
45.图8为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的转子等轴测图；
46.图9为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的定子等轴测图；
47.图10为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的下端面端盖等轴测 图；
48.图11为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的下轴承端盖等轴测 图；
49.图12为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的盘式电机方向等轴测 图(不含壳体、上下端面端盖、上下轴承端盖)；
50.图13为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的上径轴向磁轴承方向 等轴测图(不含壳体、上下端面端盖、上下轴承端盖)；
51.图14为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的控制器控制流程图；
52.图15为一种基于磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置的系统流程图；
53.图中：2-1通孔、4-1通孔、4-2上轴承端盖安装孔、4-3电涡流距离传感器安装孔、 5-1盲孔、5-2倒“凸”型通孔、5-3凸台通孔、5-4盲孔、5-5通孔、5-6通孔、6-1通孔、7-1内径 轴、7-2同径轴、7-3盲孔、7-4盲孔、7-5内径轴、8-1通孔、8-2通孔、8-3中心通孔、9-1通孔、 9-2倒“凸”型通孔、9-3通孔、9-4中心通孔、10-1通孔、10-2倒“凸”型通孔、10-3通孔、10-4 通孔、11-1通孔、11-2通孔、11-3通孔、11-4“六棱柱”通孔、12-1通孔；
具体实施方式
54.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
55.请参阅图1，一种基于轴向磁悬浮承载的盘式电机的飞轮储能装置，包括飞轮转 子7，盘式电机系统20，下径轴承12，下径保护轴承13，下径轴承端盖14，下径端面端 盖15，上径轴承3，上径保护轴承2，上径轴向磁轴承5，壳体6，上径端面端盖4，上径 轴承端盖1；
56.请参阅图1，盘式电机系统20包括转子磁阻件8、转子9、定子10、永磁体(未 画出)、硅钢片11等；
57.请参阅图14，控制系统30包括控制器30-1、真空度传感器31、电涡流位移传 感器32、温度传感器33、旋变传感器34、交流接触器35等；
58.请参阅图1，飞轮储能装置以飞轮转子7为中心，有上下之分；上端主要包含上 径轴向磁轴承5；下端主要包含基于轴向磁悬浮承载的盘式电机20等；飞轮转子7的下端 含有同径轴7-2与内径轴7-1；飞轮转子7的上端内径轴7-5装有上径轴承3和上径保护轴 承2，且上端内径轴7-5与上径轴承3及上径保护轴承2的内径存在空隙，以保证飞轮转 子7的章动特性和提升过程不受影响；
59.请参阅图2、4，上轴承端盖1的通孔2-1穿过上轴承端盖安装孔4-2与上径轴 向磁
轴承5的通孔5-4螺栓固定配合；维护时可拆卸上轴承端盖1后查看维护更换上径轴 承3与上径保护轴承2，可在上轴承端盖1加工通孔安装温度传感器(未画出)等；
60.请参阅图3、4，上径轴承3与上径保护轴承2嵌入上径轴向磁轴承5的凸台通 孔5-3过盈配合固定；上径轴向磁轴承5上的通孔5-1与上端面端盖4上通孔4-1同轴心 螺栓固定；上径轴向磁轴承5与飞轮转子7留有空隙，空隙小于等于5mm；
61.请参阅图3、4，电涡流位移传感器(未画出)可穿过电涡流距离传感器安装孔 4-3安装在通孔5-5中；
62.请参阅图4，电磁铁线圈(未画出)安装于倒“凸”型通孔5-2内；
63.请参阅图4、5、13，上径轴向磁轴承5的通孔5-6与壳体6的通孔6-1螺栓连 接固定；
64.请参阅图8，永磁体(未画出)放置于转子9的倒“凸”型通孔9-2内，仅保证相 邻的倒“凸”型通孔9-2内磁极相反，永磁体为铷铁硼材质不涉及型号，形状；
65.请参阅图6、7、8，转子磁阻件8的中心通孔8-3与转子9的中心通孔9-4穿过 飞轮转子7同径轴7-2，通孔8-2、通孔9-3与飞轮转子7的盲孔7-4螺栓固定；转子9上 的通孔9-1、转子磁阻件8上的通孔8-1与飞轮转子7的盲孔7-3同轴心内螺栓固定；
66.请参阅图6、9、12，飞轮转子7的上端内径轴7-1装有下径轴承12和下径保护 轴承13，且内径轴7-1与下径轴承12及下径保护轴承13的内径存在空隙，以保证飞轮转 子7的章动、进动特性和提升过程不受影响；下径轴承12与下径保护轴承13嵌入定子10 的中心通孔过盈配合；
67.请参阅图9、10、12，线圈缠绕硅钢片11形成电枢绕组放置于定子10的倒“凸
”ꢀ
型通孔10-2固定；线圈不涉及粗细，圈数；不涉及线圈极对数，仅保证相邻线圈极性相反； 其后定子10的通孔10-1与通孔10-4分别与通孔11-2及通孔11-3同轴心螺栓固定；
68.请参阅图9、11，下轴承端盖15上的通孔12-1与定子10上的通孔10-3同轴心 螺栓固定，维护时可通过下端面端盖14的“六棱柱”通孔11-4拆卸下轴承端盖15后查看维 护更换下径轴承与下径保护轴承，也可在下轴承端盖15加工通孔安装温度传感器实时观 测轴承工作状态等；
69.请参阅图5、10，下端面端盖14上的通孔11-1与壳体6上的通孔6-1同轴心螺 栓固定；
70.本发明的工作原理：请参阅图15，在使用本装置前，请准备以下工作：1、确认 真空度传感器31工作正常，确认飞轮储能装置壳体内的真空度，确保空气压力维持并小于 20帕；2、确认飞轮储能装置放置在平稳、稳定的地面上，确认飞轮储能的整体角度小于 等于6度；3、确认电涡流位移传感器32、温度传感器33、旋变传感器34工作正常；4、 确认控制器30-1与各部件接线正常，通信正常；第一步，软启动上径轴向磁轴承5，逐步 增加上径轴向磁轴承5的电压电流，缓慢提升飞轮转子7高度至标准范围；第二步，软启 动盘式电机系统20，定子10电枢绕组的电压电流逐步增加，频率逐步增加，飞轮转子7 开始旋转并逐渐提速；控制器30-1根据电涡流位移传感器32和飞轮转子7顶端安装的旋 变传感器34可计算飞轮转子的提升高度和实时转速，并综合控制指令与提升高度做出加 速时间的判断传送至定子10电枢绕组；第三步，当飞轮转子7提速至额定转速时，控制器 30-1接收转速位移信号，控制上径轴向磁轴承5的电压电流保证飞轮转子7的提升高度稳 定在工作范围；控制器30-1仅输出稳定转速的电压电流和频率；第四步，发电状态，当飞 轮储能接收指令立刻释
放储存能量时，盘式电机立刻转为发电机，转子9内的永磁体产生 的磁场切割定子10电枢绕组产生电动势，控制器30-1停止输出转速控制信号并控制上径 轴向磁轴承5的电压电流保证飞轮转子7的提升高度稳定在工作范围；第五步，持续放电 至飞轮储能额定电压输出的最低转速时，旋变传感器34将转速传送至控制器30-1或控制 器30-1接收到停止输电的指令时，控制器30-1根据旋变传感器34的角度、速度信号输出 电压电流信号至定子10电枢绕组，发电状态转换为电动状态；第六步，关机状态，飞轮储 能装置需要维护及停机时，向控制器30-1发出停机指令，飞轮储能转换为发电状态，控制 器30-1接通刹车电阻的交流接触器35，飞轮转子将从当前转速快速减小至零，控制器30
‑ꢀ
1在转速为零时，逐渐减小上径轴向磁轴承5的电压电流，飞轮转子7逐渐降落，提升高 度为零时，切断所有控制信号，停机完成；
71.上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方 式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下 做出各种变化。