一种悬浮飞轮电池

1.本发明涉及飞轮储能技术领域，特别是涉及一种悬浮飞轮电池。


背景技术：

2.飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。技术特点是高功率密度、长寿命。飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量。当前的飞轮储能技术多用低温超导或者电磁悬浮技术，但存在一些缺陷，低温超导磁悬浮应用环境十分苛刻，难以实际应用，而电磁悬浮耗能较大，最终能耗比较大，不具有经济性，所以，有必要设计一种悬浮飞轮电池以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种悬浮飞轮电池，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现利用高压空气和永磁体实现飞轮的稳定悬浮，利用托起单元实现飞轮旋转的低摩擦阻力，提高飞轮电池的储能效率。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种悬浮飞轮电池，包括：转换装置，用于将外部输入的电能转换成机械能储存并且反向将机械能转换成电能；储能装置，用于存储及输出机械能，其包括储能飞轮、悬浮单元和托起单元，所述储能飞轮顶端与底端分别与所述悬浮单元、所述托起单元转动连接，所述托起单元固接并连通有泵油组件，所述托起单元底面固接有真空壳，所述泵油组件、所述储能飞轮所述悬浮单元和所述托起单元均设置于所述真空壳内腔中，所述转换装置与所述真空壳外侧面可拆卸连接；辅助装置，用于抽取所述真空壳内腔空气，并保持真空壳内腔压力，所述辅助装置包括拢气组件和动力组件，所述动力组件设置于所述真空壳一侧，所述拢气组件通过第一管道与所述动力组件固接并连通，所述动力组件通过第二管道与所述托起单元固接并连通，所述第一管道、所述第二管道分别贯穿所述真空壳并与所述真空壳密封连接，所述拢气组件套设在所述储能飞轮底端外侧面并与所述托起单元顶面固定连接。
6.优选的，所述储能飞轮包括结构完全相同的第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘顶面中心和所述第二轮盘底面中心分别固接有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和所述悬浮单元转动连接，所述第二转轴贯穿所述拢气组件并与所述托起单元转动连接，所述第一轮盘和所述第二轮盘之间固接有若干永磁体，所述永磁体的磁极朝向所述真空壳设置，且相邻两个所述永磁体同一侧的磁极相反设置。
7.优选的，所述托起单元包括托壳，所述托壳套设于所述第二转轴底端，所述托壳与所述第二转轴外侧面间隙配合，所述托壳内腔侧面开设有若干矩形的环槽，所述环槽内填充有油液，所述油液与所述第二转轴侧面相接触设置，所述环槽侧面与所述泵油组件固接并连通，所述托壳内腔侧面底端通过所述第二管道与所述动力组件固接并连通，所述托壳顶面与所述拢气组件固定连接。
8.优选的，所述拢气组件包括气罩和环形的气管，所述气罩底面与所述托壳顶面固定连接，所述气罩内腔侧面与所述气管侧面固定连接，所述气管远离所述气罩的一侧开设有若干吸气孔，所述气管的侧面固接并连通有第一管道，所述第一管道贯穿所述气罩并与所述气罩密封连接，所述第二转轴分别穿过所述气罩和所述气管。
9.优选的，所述动力组件包括气罐和空压机，所述气罐与所述空压机通过第三管道固接并连通，所述空压机与所述第一管道固接并连通，所述气罐与所述第二管道固接并连通。
10.优选的，所述泵油组件包括若干根泵油管和油泵，所述泵油管一端与所述环槽侧面固接并连通，所述泵油管的另一端与所述油泵固接并连通，所述油泵和所述泵油管均设置于所述真空壳内腔。
11.优选的，所述悬浮单元包括若干强磁块，若干所述强磁块均分为两组并分别固定安装于所述真空壳内腔侧壁顶端和所述第一轮盘顶面，且一一对应设置，一一对应设置的两个所述强磁块相同磁极的一端正对设置。
12.优选的，所述转换装置包括绕组定子和起吊杆，所述起吊杆与所述绕组定子顶端固定连接，所述起吊杆与外部起吊装置传动连接，所述绕组定子与其相适配的电气组件电性连接。
13.优选的，所述第一轮盘由高强度的碳纤维复合材料加工而成。
14.优选的，所述永磁体靠近所述第一轮盘边缘和所述第二轮盘边缘设置，所述环槽内腔面与所述油液浸润设置，所述托壳内腔侧面和所述第二转轴外侧面均涂覆有与所述油液不浸润的涂层。
15.本发明具有如下技术效果：
16.本发明通过利用转换装置将多余的电能转化成机械能存储到储能飞轮上，并通过悬浮单元和托起单元实现了储能飞轮在储存能量的过程中能量损耗的大幅降低，提高了能量的存储效率。
17.本发明利用储能飞轮的转动将存储的机械能转化成电能并输出，实现了能量的直接释放，优化了能量转换模式。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明侧视结构示意图；
20.图2为本发明结构示意图；
21.图3为储能飞轮侧视结构示意图；
22.图4为托壳侧视结构示意图；
23.其中，1、绕组定子；2、起吊杆；3、真空壳；4、第一管道；5、第二管道；6、第一轮盘；7、第二轮盘；8、第一转轴；9、第二转轴；10、永磁体；11、托壳；12、环槽；13、气罩；14、气管；15、吸气孔；16、气罐；17、空压机；18、泵油管；19、强磁块。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.由图1-4所示的一种悬浮飞轮电池，包括：转换装置，用于将外部输入的电能转换成机械能储存并且反向将机械能转换成电能；转换装置包括绕组定子1和起吊杆2，起吊杆2与绕组定子1顶端固定连接，起吊杆2与外部起吊装置传动连接，绕组定子1与其相适配的电气组件电性连接。储能装置，用于存储及输出机械能，其包括储能飞轮、悬浮单元和托起单元，储能飞轮顶端与底端分别与悬浮单元、托起单元转动连接，托起单元固接并连通有泵油组件，托起单元底面固接有真空壳3，泵油组件、储能飞轮悬浮单元和托起单元均设置于真空壳3内腔中，转换装置与真空壳3外侧面可拆卸连接；辅助装置，用于抽取真空壳3内腔空气，并保持真空壳3内腔压力，辅助装置包括拢气组件和动力组件，动力组件设置于真空壳3一侧，拢气组件通过第一管道4与动力组件固接并连通，动力组件通过第二管道5与托起单元固接并连通，第一管道4、第二管道5分别贯穿真空壳3并与真空壳3密封连接，拢气组件套设在储能飞轮底端外侧面并与托起单元顶面固定连接。
27.进一步的，真空壳3的侧壁的厚度为2mm-10mm，便于抵抗真空的压力。
28.进一步优化方案，储能飞轮包括结构完全相同的第一轮盘6和第二轮盘7，第一轮盘6和第二轮盘7均由碳纤维材料复合而成，提高了两者旋转时承受离心力的强度，第一轮盘6顶面中心和第二轮盘7底面中心分别固接有第一转轴8和第二转轴9，第一转轴8和悬浮单元转动连接，第二转轴9贯穿拢气组件并与托起单元转动连接，第一轮盘6和第二轮盘7之间固接有若干永磁体10，永磁体10的磁极朝向真空壳3设置，且相邻两个永磁体10同一侧的磁极相反设置。通过永磁体10、第一轮盘6和第二轮盘7组合形成一个永磁体的转子，当真空壳3外侧面套设绕组定子1后，通过绕组定子1输入电流，激励储能飞轮开启旋转，实现将电能储备为机械能。
29.进一步的，绕组定子1为定子铁芯环和若干绕设在定子铁芯环上的绕组线圈组成，用于驱动和发电，其为现有技术，在此不再赘述。
30.进一步优化方案，托起单元包括托壳11，托壳11套设于第二转轴9底端，托壳11与第二转轴9外侧面间隙配合，托壳11内腔侧面开设有若干矩形的环槽12，环槽12内填充有油液，油液与第二转轴9侧面相接触设置，环槽12侧面与泵油组件固接并连通，托壳11内腔侧面底端通过第二管道5与动力组件固接并连通，动力组件能够通过第二管道5向托壳11内腔提供高压的空气，利用高压空气实现储能飞轮的悬浮，且此时第二转轴9的侧面涂覆有与油液不浸润的涂层，通过油液实现了第二转轴9与托壳11内腔侧面的密封，降低了托壳11与第二转轴9转动时的摩擦力，托壳11顶面与拢气组件固定连接。悬浮单元包括若干强磁块19，若干强磁块19均分为两组并分别固定安装于真空壳3内腔侧壁顶端和第一轮盘6顶面，且一一对应设置，一一对应设置的两个强磁块19相同磁极的一端正对设置。固定于第一轮盘6上的强磁块19靠近真空壳3的一端磁极均相同，实现了通过相互排斥的两组强磁块19保持了
储能飞轮在托壳11中竖直设置。
31.进一步的，真空壳3为碳纤维复合材料制作而成，具有极高的抗拉强度，能够承受高强度的负压压力。
32.进一步优化方案，拢气组件包括气罩13和环形的气管14，气罩13底面与托壳11顶面固定连接，气罩13内腔侧面与气管14侧面固定连接，气管14远离气罩13的一侧开设有若干吸气孔15，气管14的侧面固接并连通有第一管道4，第一管道4贯穿气罩13并与气罩13密封连接，第二转轴9分别穿过气罩13和气管14。通过将气罩13内少量由托壳11和第二转轴9的间隙泄露的高压气体由吸气孔15吸入并通过第一管道4进入到空压机17内，实现了真空壳3的真空度保持，也避免了多余气体进入到第二轮盘7上方，继而影响储能飞轮的能量蓄积。
33.动力组件包括气罐16和空压机17，气罐16与空压机17通过第三管道(附图未表示)固接并连通，空压机17与第一管道4固接并连通，气罐16与第二管道5固接并连通，气罐16通过第二管道5向托壳11内提供一定压力的气体，实现了对储能飞轮的托起，同时，第一管道4通过将气罩13内少量由托壳11和第二转轴9的间隙泄露的高压气体进行抽出，实现了真空壳3内的真空环境，降低了储能飞轮旋转的能量损失。
34.泵油组件包括若干根泵油管18和油泵(附图未表示)，泵油管18一端与环槽12侧面固接并连通，泵油管18的另一端与油泵固接并连通，油泵和泵油管18均设置于真空壳3内腔，泵油管18能够给予环槽12内的油液提供一定压力和油液的补充，避免托壳11与第二转轴9的密封失效。
35.进一步的，为了油泵给予托壳11进行油液的补充，油泵串联有油箱(附图未表示)，油箱通过管路(附图未表示)与油泵固接并连通，油箱设置于真空壳3外一侧，管路贯穿真空壳3并与真空壳3密封连接，油箱、管路和油泵其结构均为现有技术，在此不再赘述。
36.进一步优化方案，永磁体10靠近第一轮盘6边缘和第二轮盘7边缘设置，既能够便于绕组定子1进行激励其转动，也能够将重量集中于第一轮盘6边缘和第二轮盘7边缘，实现单位质量能量的储存量。环槽12内腔面与油液浸润设置，托壳11内腔侧面和第二转轴9外侧面均涂覆有与油液不浸润的涂层，实现了利用环槽12形成对油液的阻力，利用不浸润的托壳11内腔侧面和第二转轴9外侧面降低了与油液的摩擦力，提高了托壳11内腔侧面和第二转轴9外侧面密封性。
37.本实施例的工作过程如下：
38.当需要使用飞轮电池时，将多余能量转换成电能并通过配电设施输入到绕组定子1内，通过绕组定子1给予真空壳3内部的储能飞轮进行加速，因为储能飞轮由永磁体10、第一轮盘6和第二轮盘7组合形成，其相当于一个永磁电机的转子，而绕组定子1相当于永磁电机的定子，通过多余电能转化成的电流通入绕组定子1实现对储能飞轮的激励并不断旋转。当绕组定子1不再输入动力时，需要利用外部起吊装置将绕组定子1吊离真空壳3，避免储能飞轮的旋转在绕组定子1内产生感应电流，继而损失储存的机械能。
39.当储能飞轮不断旋转过程中，为了降低储能飞轮的自然损耗，需要尽量降低储能飞轮的摩擦损失，需要启动空压机17通过气管14上开设的吸气孔15将真空壳3内的空气抽成真空，实现了对储能飞轮与空气的摩擦力大幅降低，同时，为了降低储能飞轮旋转轴即第二转轴9的旋转能量损失，通过在托壳11内壁开设有多层的环槽12，通过在环槽12内填充有
一定压力的油液，同时，托壳11内腔侧面和第二转轴9外侧面均涂覆有与油液不浸润的涂层，环槽12内腔面与油液浸润设置，实现了油液能够较为稳定的固定在环槽12内，同时，油液也能够填充托壳11与第二转轴8外侧面之间的微小间隙，最终实现了储能飞轮在托壳11内极低的摩擦阻力的浮动转动。同时，当储能飞轮停止旋转时，为了避免储能飞轮歪斜给托壳11造成挤压损伤，在第一转轴8的周侧设置有若干强磁块19，通过相互排斥的强磁块19实现了储能飞轮的竖直悬浮放置。
40.当需要将储能飞轮的机械能释放时，需要利用外部起吊装置将绕组定子1罩在真空壳3外侧，使储能飞轮的旋转在绕组定子1内产生感应电流，使储存的机械能再转化成电能。
41.实施例二：
42.第二转轴9的材质为轴承钢，第二转轴9的内径为102mm，托壳11底面厚度为30mm，壁厚为30mm，环槽12的槽深3mm，长3mm，气罐16的供给压力为20mpa、40mpa、80mpa、200mpa、400mpa、800mpa、1000mpa、1500mpa、2000mpa，则其压力分析结果如下：
[0043][0044]
由上表可知，气浮轴承在压力超过1500mpa时，变形量超过0.1mm，可认定为失效。故气浮轴承可在压力小于1350mpa的情况下正常工作，所以，气罐16的供给压力依据储能飞轮重量控制在1350mpa以下。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。