一种飞轮储能散热系统

1.本发明属于能量储存设备散热技术领域，具体涉及一种飞轮储能散热系统。


背景技术：

2.飞轮储能从20世纪中叶发展至今，已有超过50年的研究、开发和应用的历史。飞轮储能是将能量储存于高速旋转的飞轮转子中，并能实现电能与动能的双向转换。飞轮储能技术目前主要应用在不间断电源、电能质量调节、能量回收再生、分布式能源功率平滑等工程技术领域。
3.飞轮储能电机、变流器的功率为100-3000kw。损耗的电能通常转化为热量，此外，飞轮转子虽然处于真空环境中，但是在高速旋转下，仍然存在与极少量空气摩擦生热的问题。为了消散飞轮储能装置在长时运行中产生的热量，避免飞轮储能装置发生故障，需要对飞轮储能装置进行散热。
4.目前常用的散热方式仅仅针对飞轮的转轴和飞轮本体进行散热。其中对飞轮的转轴进行散热主要是将系统转子采用空心结构，散热管布置在转子中心轴孔内，且不与轴内壁发生机械接触。转子热量通过热辐射的方式传递至散热管。其中对飞轮本体进行散热方式主要是将飞轮本体沿轴向一分为二，在上下两个飞轮的间隙布置散热盘，散热盘不与飞轮本体接触，飞轮热量通过热辐射的方式传递至散热盘。
5.上述方法存在两个方面的问题：一方面，飞轮在运转过程中，磁轴承和电机定子也会产生一定的热量，在长时运行过程中会导致设备可靠性降低，或出现故障；另一方面，转子采用空心结构制造难度大，结构精度要求高，散热盘对飞轮的散热区域过于局限。
6.综上所述，现有对飞轮储能装置的散热比较局部，散热效果不能达到要求。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种飞轮储能散热系统，它散热范围更广，具有更好的散热效果。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种飞轮储能散热系统，包括上壳体和下壳体以及水冷机；所述上壳体和所述下壳体对合连接；所述上壳体和所述下壳体形成的腔体中安装有飞轮本体、飞轮转轴、上径向磁轴承、下径向磁轴承以及电机；所述飞轮本体安装在所述飞轮转轴上，所述飞轮转轴的上下两个端部分别安装有所述上径向磁轴承和所述下径向磁轴承；所述上壳体内安装有螺旋状的上冷却水道，所述上冷却水道在所述上壳体内延伸；所述下壳体内安装有螺旋状的下冷却水道，所述下冷却水道在所述下壳体内延伸；所述水冷机为所述上冷却水道和所述下冷却水道提供冷却液。
10.优选地，所述上冷却水道从所述上径向磁轴承的上方延伸至所述飞轮本体的底部；所述下冷却水道从所述飞轮本体的底端延伸至所述下径向磁轴承以及所述电机的下方。
11.优选地，所述飞轮本体的顶面还具有顶凹槽，所述飞轮本体的底面还设置有底凹槽；所述上壳体具有上壳体插入段，所述上壳体插入段插入所述顶凹槽，所述下壳体具有下壳体插入段，所述下壳体插入段插入所述底凹槽；部分所述上冷却水道延伸至所述上壳体插入段内，部分所述下冷却水道延伸至所述下壳体插入段内。
12.优选地，所述上壳体插入段和所述下壳体插入段供所述飞轮转轴穿过且与所述飞轮转轴之间的间隙分别为d，所述上径向磁轴承和所述下径向磁轴承与所述飞轮转轴之间的间隙分别为b，d小于b。
13.优选地，所述上壳体内安装有一个所述上冷却水道；所述下壳体内安装有一个所述下冷却水道。
14.优选地，所述飞轮转轴的上下两个外端分别安装有上机械保护轴承和下机械保护轴承，所述上机械保护轴承和下机械保护轴承与所述飞轮转轴之间的间隙分别为a，所述上径向磁轴承和所述下径向磁轴承与所述飞轮转轴之间的间隙分别为b，a小于b。
15.优选地，所述电机的转子与定子的间隙为c，c大于a。
16.优选地，所述电机设置在所述下径向磁轴承的下方。
17.优选地，所述上壳体插入段内形成有两段平行的所述上冷却水道，所述下壳体插入段内形成有两段平行的所述下冷却水道。
18.优选地，所述一种飞轮储能散热系统还包括上机械保护轴承、轴向磁轴承、下机械保护轴承，所述上机械保护轴承、所述轴向磁轴承、所述上径向磁轴承、所述飞轮本体、所述下径向磁轴承、所述电机、所述下机械保护轴承按照从上到下的顺序依次分布。
19.本发明的一种飞轮储能散热系统的有益效果在于：通过将螺旋状的上冷却水道设置在上壳体中，将螺旋状的下冷却水道设置在下壳体中，随着上冷却水道在上壳体内的延伸以及下冷却水道在下壳体中的延伸，上冷却水道和下冷却水道能够对上径向磁轴承、飞轮本体、下径向磁轴承以及电机进行散热。本发明的一种飞轮储能散热系统的散热范围广，散热效果好。
附图说明
20.图1是本发明实施例一种飞轮储能散热系统的整体结构图；
21.图2是本发明实施例上壳体的剖视图；
22.图3是本发明实施例上冷却水道半剖视图；
23.图4是本发明实施例下壳体的剖视图；
24.图5是本发明实施例下冷却水道半剖视图；
25.图6是本发明实施例飞轮本体的剖视图。
26.图中部件名称和标号如下：
27.飞轮储能散热系统(100)、中心线(101)；
28.上壳体(10)、上壳体小直径段(11)、上壳体大直径段(12)、上壳体插入段(13)、上壳体小腔(14)、上壳体大腔(15)、密封板(16)；
29.下壳体(20)、对合部(21)、下壳体小直径段(22)、下壳体插入段(23)、下壳体小腔(24)；
30.上冷却水道(30)；
31.下冷却水道(40)；
32.飞轮本体(51)、轴孔(511)、顶凹槽(512)、底凹槽(513)、飞轮转轴(52)；
33.电机(60)；
34.上径向磁轴承(71)、下径向磁轴承(72)、轴向磁轴承(73)、上机械保护轴承(74)、下机械保护轴承(75)；
35.水冷机(80)。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
37.如图1所示，本实施例公开了一种飞轮储能散热系统100。该飞轮储能散热系统100包括上壳体10和下壳体20。上壳体10和下壳体20对合连接。
38.上壳体10和下壳体20形成的腔体中安装有飞轮本体51、飞轮转轴52、上径向磁轴承71、下径向磁轴承72、轴向磁轴承73、上机械保护轴承74、下机械保护轴承75以及电机60。飞轮转轴52的中心线与上壳体10和下壳体20的中心线101位于同一条直线上。
39.上机械保护轴承74、轴向磁轴承73、上径向磁轴承71、下径向磁轴承72、电机60、下机械保护轴承75在上壳体10和下壳体20形成的腔体中，且按照从上到下的顺序依次分布。
40.飞轮本体51安装在飞轮转轴52上，随着飞轮转轴52的转动而旋转。飞轮转轴52的上下两个端部分别安装有上径向磁轴承71和下径向磁轴承72。上径向磁轴承71和下径向磁轴承72具有磁力。上径向磁轴承71和下径向磁轴承72对飞轮转轴52施加径向力，以保证飞轮转轴52平稳转动。
41.飞轮转轴52的上下两个外端还分别安装有上机械保护轴承74和下机械保护轴承75。上机械保护轴承74和下机械保护轴承75与飞轮转轴52之间的间隙分别为a。上径向磁轴承71和下径向磁轴承72与飞轮转轴52之间的间隙分别为b。间隙a小于间隙b。
42.飞轮储能散热系统100正常平稳运转时，上机械保护轴承74和下机械保护轴承75不起作用。本实施例的上机械保护轴承74和下机械保护轴承75的作用是：防止飞轮本体51和飞轮转轴52的径向振动过大，防止飞轮转轴52与上径向磁轴承71和下径向磁轴承72发生碰撞造成损坏。
43.上机械保护轴承74和上径向磁轴承71之间的飞轮转轴52上还安装有轴向磁轴承73。轴向磁轴承73具有一个与轴向垂直的圆盘。轴向磁轴承73通过圆盘对飞轮转轴52提供承载力，进而对飞轮本体51和飞轮转轴52的整体提供承载力，保证飞轮转轴52向上的悬浮。
44.本实施例将飞轮储能散热系统100的壳体一分为二，分为上壳体10和下壳体20，上壳体10内安装上冷却水道30，下壳体20内安装下冷却水道40，从而使得本实施例的飞轮储能散热系统100装配更加容易。
45.本实施例的上冷却水道30主要对轴向磁轴承73和上径向磁轴承71以及飞轮本体51进行散热。上冷却水道30还能够对飞轮转轴52进行散热。下冷却水道40主要对飞轮转轴52、下径向磁轴承72以及电机60进行散热。下冷却水道40也能够对飞轮转轴52进行散热。本实施例对飞轮储能散热系统100的散热范围广，散热效果好。
46.如图4和图5所示，本实施例的上冷却水道30和下冷却水道40均为螺旋状结构，便于加工且利于换热。上冷却水道30和下冷却水道40的螺旋走向包括竖直螺旋部分和水平螺旋部分。
47.本实施例的上径向磁轴承71与下径向磁轴承72相对于飞轮本体51对称分布。现有的电机60设置在飞轮本体51与下径向磁轴承72之间，由于电机60需要走线。这种结构布置会导致下冷却水道40无法向下延伸更长的长度。本实施例将电机60设置在下径向磁轴承72的下方，使得下冷却水道40能够向下延伸更长的长度，从而能够对下径向磁轴承72和电机60进行散热，散热效果更好。
48.本实施例的电机60充电时能够为飞轮转轴52提供驱动力，放电时能够将动能转化为电能。电机60转子与定子的间隙为c。间隙a小于间隙b。间隙b小于间隙c。本实施例的电机60转子与定子的间隙大于上机械保护轴承74和下机械保护轴承75与飞轮转轴52之间的间隙，使得电机60的定子和转子不会发生摩擦，从而有利于保护电机60，提高飞轮储能散热系统100的安全性以及延长飞轮储能散热系统100的使用寿命。电机60转子下端为电机线圈绕组，电机线圈绕组下端为下机械保护轴承75。
49.如图6所示，飞轮本体51具有供飞轮转轴52穿过的轴孔511，飞轮本体51的顶面还具有顶凹槽512，底面还设置有底凹槽513。顶凹槽512和底凹槽513均与轴孔511连通，形成工字型结构。
50.如图1和图2所示，上壳体10具有上壳体小直径段11和上壳体大直径段12。上壳体小直径段11形成上壳体小腔14，上壳体大直径段12形成上壳体大腔15。上壳体10还具有伸入上壳体大腔15中的上壳体插入段13。本实施例的上壳体小直径段11、上壳体大直径段12以及上壳体插入段13一体成型。上壳体小直径段11的顶端还安装有密封板16。
51.上机械保护轴承74、轴向磁轴承73和上径向磁轴承71位于上壳体小腔14中。飞轮本体51位于上壳体大腔15中。飞轮转轴52的上部经过上壳体插入段13的中心孔伸入上壳体小腔14。
52.如图2和图3所示，上冷却水道30设置在上壳体10的内部。具体地，上壳体10具有一定的厚度且内部设置有容纳腔，用于容纳上冷却水道30。本实施例的上壳体10的材质可以为钢材。
53.上冷却水道30为一个水道，上冷却水道30的入水口或者起始点位于上壳体小直径段11的上部，位置高于上径向磁轴承71。上冷却水道30从起始点开始往下螺旋，到达上壳体小直径段11与上壳体大直径段12的交接处；接着在交接处朝向中心线101螺旋，接着向下进入上壳体插入段13至上壳体插入段13的底部，接着在上壳体插入段13中远离中心线101螺旋，接着在上壳体插入段13中向上螺旋到达交接处，接着远离中心线101螺旋到达上壳体大直径段12的顶端，接着在上壳体大直径段12中向下螺旋至上壳体大直径段12的底部，该底部也为上冷却水道30出水口或者终点。
54.上冷却水道30能够对部分的轴向磁轴承73进行散热，还能够对上径向磁轴承71和飞轮本体51进行散热。由于上壳体插入段13插入顶凹槽512中，上壳体插入段13内的上冷却水道30部分能够进一步对飞轮本体51进行散热，还能够对飞轮转轴52进行散热。
55.本实施例的飞轮储能散热系统100还包括水冷机80。水冷机80的出水口通过管道将冷却液输送至上冷却水道30的入水口。上冷却水道30的出水口通过管道连接至水冷机80
的入水口。
56.如图1、图4和图5所示，下壳体20具有密封上壳体大直径段12底端的对合部21，对合部21下方连接有下壳体小直径段22。下壳体20还具有自对合部21向上延伸的下壳体插入段23。下壳体插入段23用于插入底凹槽513且中心孔用于供飞轮转轴52通过。
57.本实施例的对合部21、下壳体小直径段22以及下壳体插入段23一体成型。
58.下壳体小直径段22形成有下壳体小腔24。下壳体小腔24中安装有下径向磁轴承72、电机60、下机械保护轴承75。
59.下冷却水道40设置在下壳体20的内部。具体地，下壳体20具有一定的厚度，且内部开设有容纳腔，用于容纳下冷却水道40。下壳体20的材质可以为钢材。
60.下冷却水道40的入水口或者起始点设置在对合部21上。下冷却水道40从起始点朝向中心线101螺旋至下壳体插入段23的底部；接着在下壳体插入段23中向上螺旋至下壳体插入段23的顶部；接着在下壳体插入段23中朝向中心线101螺旋至下壳体插入段23的内壁；接着在下壳体插入段23中向下螺旋至下壳体插入段23的底部，接着远离中心线101螺旋至下壳体小直径段22的顶部，接着在下壳体小直径段22中向下螺旋至下壳体小直径段22的底部，该底部位置为下冷却水道40的出水口或者终点。该终点的位置低于电机60。
61.本实施例的下冷却水道40能够对下径向磁轴承72和电机60进行散热。还能够对部分的下机械保护轴承75进行散热。由于下壳体插入段23插入底凹槽513，因此，下冷却水道40还能够对飞轮本体51进一步散热以及对飞轮转轴52进行散热。
62.水冷机80的出水口通过管道将冷却液输送至下冷却水道40的入水口。下冷却水道40的出水口通过管道连接至水冷机80的入水口。本实施例的冷却介质可以为水或者其它的冷却液。冷却介质在水冷机80与上冷却水道30和下冷却水道40之间循环。
63.本实施例的上冷却水道30和下冷却水道40的入水口通过管道连接至同一个水冷机80的出水口。上冷却水道30和下冷却水道40的出水口通过管道连接至同一个水冷机80的入水口。
64.本实施例的上冷却水道30和下冷却水道40分别为一个水道，只有一个入水口和一个出水口，有利于简化部件，安装方便。
65.在其它的实施例中，上壳体10和下壳体20内也可以安装两个以上的水道，同样能够达到所需的散热效果。
66.当飞轮转轴52的长度过长时，仅仅依靠两个外端的上机械保护轴承74和下机械保护轴承75对上径向磁轴承71、下径向磁轴承72以及电机60进行保护略有不足。高速旋转的飞轮本体51和飞轮转轴52中部会发生挠性变形。
67.本实施例的上壳体插入段13插入飞轮本体51的顶凹槽512，下壳体插入段23插入飞轮本体51的底凹槽513。这样的设置还能够对飞轮转轴52进行限位，提供一定的阻尼力，确保飞轮本体51和飞轮转轴52稳定过渡临界状态而不失稳。
68.本实施例的上壳体插入段13和下壳体插入段23与飞轮转轴52之间的间隙分别为d。间隙d小于间隙b，以进一步保护上径向磁轴承71和下径向磁轴承72。
69.当飞轮本体51和飞轮转轴52处于高速运转时，飞轮本体51和飞轮转轴52由于动不平衡而发生振动。振动较小时，上径向磁轴承71和下径向磁轴承72能够保持飞轮本体51和飞轮转轴52的平稳运行。当飞轮本体51和飞轮转轴52处于过临界状态时，振动过大而出现
失稳，此时，由上机械保护轴承74、下机械保护轴承75、上壳体插入段13以及下壳体插入段23承载径向的振动，保持飞轮本体51和飞轮转轴52继续运行。
70.飞轮储能散热系统100工作过程为：打开水冷机80对飞轮储能散热系统100进行散热。打开真空泵对飞轮储能散热系统100内腔抽真空，减小空气阻力。启动轴向磁轴承73使得飞轮本体51和飞轮转轴52悬浮。启动上径向磁轴承71、下径向磁轴承72使得飞轮转轴52处于轴对中。启动电机60，飞轮本体51和飞轮转轴52运转，飞轮储能散热系统100处于充电状态。
71.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。