高壓氣體支撐飛輪電池的製作方法

2023-04-23 05:53:21

專利名稱：高壓氣體支撐飛輪電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種飛輪儲能裝置，特別是一種用高壓氣體支撐的飛輪儲能電池。
背景技術：
高速飛輪儲能技術是一種高效，前沿的新技術，是一種綠色儲能方法，受到各國的廣泛關注。在未來的綠色能源系統中，將起到重要作用。從國內外研究情況來看，飛輪電池的主要承載形式有機械軸承承載、磁軸承承載以及機械軸承與磁軸承聯合承載。
由於機械軸承具有安裝調試簡單，成本低，技術成熟，穩定性高等特點，因此早期的飛輪電池裝置中，較多地採用機械軸承支撐形式。這類軸承有陶瓷軸承、寶石軸承和滾動軸承等。這類支撐方式的飛輪一般用於快速衝放電系統，如美國的Kaman電磁公司、Satcon公司和英國Newcastle大學研製的飛輪電池裝置中就採用這類支撐方式。但是機械軸承所能達到的極限轉速低，摩擦損耗大，使用壽命短，很難滿足發展高速飛輪的需要。
隨著磁懸浮技術的發展，目前飛輪電池開始採用磁軸承。磁軸承包括主動磁軸承(亦稱電磁軸承)和被動磁軸承(永磁軸承和超導磁軸承)。由於磁懸浮軸承所固有的不穩定性，被動控制的磁懸浮軸承實際很少單獨使用，多是和主動磁軸承組合使用。
美國Maryland大學採用永磁/電磁支撐方式的飛輪用於電力調峰。美國阿貢國家實驗室與州立愛迪生電力公司合作，開發的高溫超導磁軸承摩擦係數達到3×10-7世界記錄，並研製了1MWh單元的高溫超導飛輪電池儲能裝置。美國Houston大學採用永磁/超導支撐方式浮起19kg的飛輪轉子，永磁軸承提供懸浮力，而超導磁軸承用於消除固有的磁—磁不穩定。
國內飛輪儲能研究也取得和很大進展，其中成立於1995年的清華大學飛輪儲能實驗室是國內最早研究儲能飛輪的實驗室之一。他們採用螺旋線滑動軸承和永久磁鐵懸吊式阻尼器相結合的方式支撐飛輪。研究的第二代飛輪線速度達到650m/s，儲能量500w·h。合肥工業大學採用電磁軸承與永磁軸承組合支撐的方式。永磁軸承提供徑向力，電磁軸承提供周向力。華北電力大學採用永磁吸力軸承卸載，油浮軸承定位的準磁懸浮方式提供支撐。
磁懸浮技術雖然能滿足高轉速，低損耗，壽命長的要求，但是其成本高，本身控制系統耗能大。而且電磁軸承系統由於無法準確知道在軸承氣隙處磁通量所產生的強度和路徑，以及與鐵磁材料相關的非線性性，包括非線性的磁導率和磁滯現象；還有諸如功率放大器的輸出電壓飽和轉子限定的位移等的物理約束，以及高速時的陀螺效應和轉子不平衡引起的同步擾動，及外部作用於及其殼體上的非同步擾動等因素，使得它的控制困難，給安裝調試以及系統可靠性帶來一系列問題，這也是磁軸承沒有廣泛使用的原因。

發明內容
本發明的目的是提供一種靠高壓氣體支撐的飛輪電池，可將電能轉化為飛輪的動能加以存儲，在需要放電時，可將飛輪動能轉化為電能釋放，並能夠維持飛輪高速旋轉，減少能量損耗，提高使用壽命。
為實現上述目的，本發明的飛輪電池包括密封防護罩，密封防護罩中央設置主軸，主軸上下兩端與著陸軸承內環過盈配合，著陸軸承外環與密封防護罩過盈配合，在主軸的兩端套有徑向氣體軸承和推力徑向複合氣體軸承並固定在密封防護罩上，徑向氣體軸承和推力徑向複合氣體軸承位於兩著陸軸承之間，推力徑向複合氣體軸承的上端面上設置有靜壓氣浮供氣點和螺旋狀動壓溝槽，在螺旋狀動壓溝槽的外圍設置氣體封邊；推力徑向複合氣體軸承的內壁上設置有靜壓氣浮供氣點和動壓溝槽，徑向氣體軸承的內壁上設置有靜壓氣浮供氣點和動壓溝槽，徑向氣體軸承下方設置電機，電機的定子固定在密封防護罩上，轉子固定在主軸上，電機的轉子下方配置飛輪並固定在主軸上，電機的繞組與電力電子變換裝置的逆變端相連，密封防護罩與氣體回收裝置相連通，氣體回收裝置與高壓氣源相連通，高壓氣源同時與徑向氣體軸承和推力徑向複合氣體軸承相連通。
所述高壓氣源的惰性氣體通入到靜壓氣浮供氣點。
所述氣體回收裝置內有控制器，控制密封防護罩內氣壓在10-3～10-4pa。
所述飛輪形狀可以是圓盤型，套筒型或輪輻型。
所述電機的定子也可固定在密封防護罩外。
所述靜壓氣浮供氣點是孔、縫隙或是用帶有毛細孔材料填充的孔。
所述的靜壓氣浮供氣點與螺旋狀動壓溝槽在同一個工作面上或在與開有螺旋狀動壓溝槽的工作面相對應的工作面上。
所述靜壓氣浮供氣點設置在動壓溝槽中也可不在動壓溝槽中。
本發明採用高壓氣體軸承來承載飛輪，這種氣體懸浮方式比採用機械軸承承載大大減小了摩擦阻力，從而降低了能量損耗和摩擦生熱，提高了電池的效率和使用壽命。與磁懸浮承載相比，降低了成本，提高了可維護性，可靠性更高。
本發明的飛輪機械主體部分用密封防護罩密封，氣體軸承所用氣體為惰性氣體，以避免高速旋轉的飛輪與空氣發生化學反應，從而降低飛輪的壽命。並通過氣體回收裝置使密封防護罩內氣壓維持在10-3～10-4pa，從而減少了飛輪高速旋轉時的風損，並且使惰性氣體得到回收利用。
本發明的氣體軸承具有軸向和徑向承載力，採用溝槽外形，並有靜壓氣浮供氣點，兼有動靜壓氣體軸承的優點。承載力和轉速相比普通氣體軸承有很大提高。同時本裝置還裝有機械軸承，做為著陸軸承，當氣體軸承不提供支撐和氣體軸承發生故障時，由著陸軸承來支撐飛輪。
本發明中的電動機和發電機為同一個電機。
氣體承載技術利用氣膜支撐負荷並減少摩擦，與用滾動軸承及油滑動軸承相比，氣體承載具有速度高、精度高、功耗低和壽命長的四大優點；與機械軸承相比，速度提高了5～10倍，支撐精度提高了2個數量級，功耗降低了3個數量級，而工作壽命則增長了數十倍，由此可見由氣體支撐是機械軸承支撐所無法比擬的。氣體承載同磁懸浮技術一樣具有摩擦阻力小，能量損耗低，承載力大，轉速高，精度高，壽命長的特點。同時又具有成本低，安裝調試簡單，可維護性好等磁懸浮技術不具備的優點。


圖1是本發明的原理圖；圖2是本發明的飛輪裝置結構示意圖；圖3是本發明的推力徑向複合氣體軸承的軸向剖視圖；圖4是本發明的推力徑向複合氣體軸承的軸向俯視圖；圖5是本發明的徑向氣體軸承的軸向剖視圖；圖6是本發明的氣源和氣體回收裝置系統圖；圖7是本發明的功率變換裝置原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
參照圖1所示，從圖中可以看出飛輪儲能系統的能量轉換過程充電時，電能通過電力電子變換裝置6驅動電動機17帶動飛輪7加速旋轉，電能變為機械能存儲。放電時，電動機17作為發電機，由飛輪7帶動發電，由電力電子變換裝置6將電能輸出，同時飛輪動能減少。
參照圖2所示，本發明包括密封防護罩9，密封防護罩9中央設置主軸3，主軸3上下兩端與著陸軸承1內環過盈配合，著陸軸承1外環與密封防護罩9過盈配合，在主軸3的兩端套有徑向氣體軸承2和推力徑向複合氣體軸承8並固定在密封防護罩9上，徑向氣體軸承2和推力徑向複合氣體軸承8位於兩著陸軸承1之間，徑向氣體軸承2下方設置電機17，電機17的定子4固定在密封防護罩9上，轉子5固定在主軸3上，電機17的轉子5下方配置飛輪7並固定在主軸3上，電機17的繞組與電力電子變換裝置6的逆變端相連，密封防護罩9與氣體回收裝置10通過管道相連通，氣體回收裝置10與高壓氣源11相連通，高壓氣源11與徑向氣體軸承2和推力徑向複合氣體軸承8相連通。
使用前應排淨密封防護罩9內的空氣，充入徑向氣體軸承2和推力徑向複合氣體軸承8所用的惰性氣體。當飛輪7靜止時，由著陸軸承1承載，著陸軸承1選用角接觸球軸承。飛輪7旋轉時，高壓氣源11給氣體軸承2和推力徑向複合氣體軸承8供氣，飛輪7和主軸3在氣體浮力作用下上升，著陸軸承1內外圈脫離接觸，從而在摩擦阻力極低的情況下高速旋轉。同時，氣體回收裝置10將氣體軸承噴出的氣體回收，並使密封防護罩內氣壓維持在10-3～10-4pa，以減小風阻。
飛輪7的電機17既是電動機也是發電機，電機17的類型可選用感應電機、永磁無刷直流/交流電機。
飛輪7為金屬或複合材料製成，包括高強度鋼，鋁合金，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和石墨纖維；選用複合材料時包括單層複合和多層複合材料。飛輪形狀為圓盤型，套筒型或輪輻型。
參照圖3所示，推力徑向複合氣體軸承8內腔開有動壓溝槽14和靜壓氣浮點13，螺旋動壓溝槽12的外測帶有氣體封邊15。推力徑向複合氣體軸承8上端面上開有螺旋狀動壓溝槽12和靜壓氣浮點13，動壓溝槽14和螺旋狀動壓溝槽12的旋轉方向與飛輪旋轉方向一致。
參照圖4所示，推力徑向複合氣體軸承8上端面的螺旋狀動壓溝槽12和靜壓氣浮點13沿周向均勻分布。動壓溝槽14的外側帶有氣體封邊15。上端面的螺旋狀動壓溝槽12和靜壓氣浮點13提供軸向力，軸腔內的動壓溝槽14和靜壓氣浮點13提供徑向力，兩個方向都是動靜壓聯合支撐。高壓氣源11的惰性氣體通入到靜壓氣浮點13。螺旋狀動壓溝槽12、動壓溝槽14可在氣體動力作用下產生支承效果。
參照圖5所示，徑向氣體軸承2腔內有動壓溝槽14和靜壓氣浮點13。動壓溝槽14旋向與主軸3旋轉方向一致。高壓氣源11的惰性氣體通入到靜壓氣浮點13。
參照圖6所示，採用高壓氣瓶21作為氣源。氣體回收裝置由控制器19根據密封防護罩9上的壓力表18的讀數控制真空泵20回收氣體，使密封防護罩9內氣壓維持在10-3～10-4pa。真空泵20與儲氣罐23相連。高壓氣瓶21裝有壓力表18，通過閥門開關22與儲氣罐23相連，儲氣罐23上裝有壓力表18。儲氣罐23中的惰性氣體經過粗濾器24，精濾器25，壓力表18，流量計26，閥門開關22，穩壓器27，壓力表18，節流器28，送到氣體軸承的靜壓氣浮點13使用。供氣壓力在0.2～2MPa(絕對壓力)，壓力穩定度為供氣壓力的±5％左右。氣體清潔度要求灰塵粒度一般小於3-5μm；相對溼度不大於35％。
參照圖7所示，飛輪儲能系統功率變換裝置中，三相交流電源30與整流逆變裝置32可控整流端相連，整流逆變裝置32的逆變端與電機17的繞組連接。整流逆變裝置32的輸入和輸出端分別與儲能/放能控制器29的驅動電路端和檢測電路端相連。電機17通過主軸3與飛輪7相連。速度傳感器31把電機的速度信號傳給儲能/放能控制器29。其中整流逆變裝置32和儲能/放能控制器29共同構成電力電子變換裝置6。
飛輪儲能時，儲能/放能控制器29控制整流逆變裝置32，將三相交流電變為驅動電機17所需的電壓和頻率可變的交流電，並根據接收到的整流逆變裝置32的電壓、電流反饋信號和速度傳感器31反饋的電機轉速信號以及給定信號實時調整對整流逆變裝置32的控制。
飛輪放能時，儲能/放能控制器29控制整流逆變裝置32，將電機17所發的交流電轉換並輸送給負載33。並根據接收到的整流逆變裝置32的電壓、電流反饋信號和速度傳感器31反饋的電機轉速信號以及給定信號實時調整對整流逆變裝置32的控制。
權利要求
1.一種高壓氣體支撐飛輪電池，包括密封防護罩(9)，密封防護罩(9)中央設置主軸(3)，主軸(3)上下兩端與著陸軸承(1)內環過盈配合，著陸軸承(1)外環與密封防護罩(9)過盈配合，其特徵在於，在主軸(3)的兩端套有徑向氣體軸承(2)和推力徑向複合氣體軸承(8)並固定在密封防護罩(9)上，徑向氣體軸承(2)和推力徑向複合氣體軸承(8)位於兩著陸軸承(1)之間，徑向氣體軸承(2)下方設置電機(17)，電機(17)的定子(4)固定在密封防護罩(9)上，轉子(5)固定在主軸(3)上，電機(17)的轉子(5)下方配置飛輪(7)並固定在主軸(3)上，電機(17)的繞組與電力電子變換裝置(6)的逆變端相連，密封防護罩(9)與氣體回收裝置(10)相連通，氣體回收裝置(10)與高壓氣源(11)相連通，高壓氣源(11)同時與徑向氣體軸承(2)和推力徑向複合氣體軸承(8)相連通。
2.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於推力徑向複合氣體軸承(8)的上端面上設置有靜壓氣浮供氣點(13)和螺旋狀動壓溝槽(12)，在螺旋狀動壓溝槽(12)的外圍設置氣體封邊(15)；推力徑向複合氣體軸承(8)的內壁上設置有靜壓氣浮供氣點(13)和動壓溝槽(14)。
3.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於徑向氣體軸承(2)的內壁上設置有靜壓氣浮供氣點(13)和動壓溝槽(14)。
4.根據權利要求1或2所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於高壓氣源(11)的惰性氣體通入到靜壓氣浮供氣點(13)。
5.根據權利要求1或3所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於高壓氣源(11)的惰性氣體通入到靜壓氣浮供氣點(13)。
6.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於氣體回收裝置(10)內有控制器，控制密封防護罩(9)內氣壓在10-310-4pa。
7.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於飛輪(7)形狀可以是圓盤型，套筒型或輪輻型。
8.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於所述電機(17)的定子(4)也可固定在密封防護罩(9)外。
9.根據權利要求1所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於所述靜壓氣浮供氣點(13)是孔、縫隙或是用帶有毛細孔材料填充的孔。
10.根據權利要求1或2所述的高壓氣體支撐飛輪電池，其特徵在於所述的靜壓氣浮供氣點(13)與螺旋狀動壓溝槽(12)在同一個工作面上或在與開有螺旋狀動壓溝槽(12)的工作面相對應的工作面上。
全文摘要
本發明公開了一種高壓氣體支撐飛輪電池。本發明利用高壓氣瓶作為氣源，經穩壓器、過濾器等裝置把惰性氣體輸入氣體軸承中，將飛輪浮起。充電時，電源經電力電子變換裝置驅動電動機，電動機帶動飛輪高速轉動，電能轉化為飛輪動能存儲起來。放電時，電動機作為發電機，在飛輪帶動下發電，通過電力電子變換裝置，將電能返回電源。同時真空泵在控制器的作用下將惰性氣體從飛輪密封防護罩中抽出，輸送到氣源。並維持密封防護罩內氣壓在10
文檔編號H02K7/02GK1750364SQ20051009614
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者康龍雲, 郭振宇, 張傳偉, 曹秉剛 申請人:西安交通大學