多層盤式飛輪儲能器的製作方法

2023-07-15 07:35:56 2

專利名稱：多層盤式飛輪儲能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及飛輪儲能領域，尤其是一種多層盤式飛輪儲能器。
背景技術：
作為化學電池和超級電容器的一種替代產品，飛輪儲能系統儲存電能，具有壽命長、維護量小、高效率和高功率等優點。飛輪儲能的原理是依靠電機來實現充放電，依靠旋轉的飛輪把電能轉換為動能儲存起來，充電時電機推動飛輪轉動，把電能轉換為動能儲存起來；放電時飛輪驅動電機，把動能轉換為電能釋放出去。電機有多種設計方法，不同方法有各自的優缺點，適合於不同的使用要求。永磁電機是其中的一種，這種電機在飛輪充電時充當電動機，由外界電源通過變頻器來驅動；放電時充當發電機，所發的電能的電壓和頻率隨著飛輪的轉速變化而變化，必須通過電力電子器件把這種電壓和頻率變化的電能轉變為電壓和頻率相對穩定的電能，釋放出去。在飛輪儲能器待機時，既不充電也不放電，飛輪儲能器會消耗自身一定的能量。為了減小這種能量的消耗，整個系統放置在一個真空的殼體中，由空氣阻力引起的能量消耗得到有效的降低。另外，飛輪系統使用磁懸浮軸承或者磁懸浮與機械軸承相結合的混合軸承來降低飛輪的能量損耗。現有的飛輪儲能器的飛輪由上下兩個飛輪盤堆疊構成，飛輪盤在徑向中間部位連接在一起，其它部分是分離的並構成空隙。電機由定子和轉子組成轉子是飛輪盤，構成空隙的上下飛輪盤上吸附著環形軸向磁極交替變化的磁鋼；定子為夾在上下飛輪盤之間的空隙中的一個圓環，又稱電樞盤，外周固定在殼體上，電樞盤上布置著線圈繞組，線圈繞組與外部電力電子連接。上下飛輪盤在軸向上相對應的磁鋼的極性相反，磁極驅動磁力線來回穿過氣隙和電樞盤，構成迴路。飛輪儲能器的充電和放電由同一個電機完成充電時電力電子(變頻器)驅動電機，帶動飛輪加速轉動，直到飛輪加速到最高額定轉速，此時飛輪儲能器充滿電，此後飛輪一直保持這個速度；放電時飛輪依靠慣性轉動，驅動電機釋放出電能，電能通過電力電子(變換器)變換為符合外界要求的電能。這種飛輪儲能器結構存在一些缺點。首先，飛輪儲能器使用同一個電機進行充電和放電，不利於其功率大小的靈活布置；在一些場合，飛輪儲能器的充電時間可以靈活要求，不必配備大功率的電機和變頻器進行充電，但是如果飛輪儲能器的放電功率要求大，則必須配備大功率的電機進行放電。使用同一個電機進行充電和放電，大功率的電機就會造成充電系統的浪費，小功率的電機又會造成放電系統功率的不足。其次，大功率的飛輪儲能器如果只使用一個電機，電機的體積過大，限制了飛輪轉速的提高。還有，使用單個大功率電機工作在飛輪儲能器的真空中，散熱比較困難。

發明內容
本申請人針對上述現有飛輪儲能器僅設置有單個電機，靈活性差，散熱困難，成本高等缺點，提供一種結構合理的多層盤式飛輪儲能器，從而可以靈活配置電機功率，適應多種規格電源輸出的需要。
本發明所採用的技術方案如下 一種多層盤式飛輪儲能器，定子電樞盤固定在殼體內壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側設置有作為飛輪盤的轉子，環形軸向交替磁極的磁鋼吸附在轉子上；所述定子至少設置兩個，所述定子至少包括一個多相繞組定子或一個單相繞組定子。作為上述技術方案的進一步改進多個所述的單相繞組定子上的電樞布置相互相差一定角度。所述多相繞組定子通過變頻器連接至輸入電源，所述單相繞組定子通過變換器連接至外部輸出電路。定子數目優選為4個，其中多相繞組定子設置一個，單相繞組定子設置三個。所述轉子的中央設置有通孔，多個轉子在軸向上迭加在中軸上。所述轉子的盤面中央開設有圓形凹槽，並採用環形連接件通過過盈配合連接相鄰的上下盤面。所述磁鋼採用永磁材料。飛輪盤由外部電動機進行充電驅動。本發明的有益效果如下
本發明通過設置兩個或兩個以上的多相或單相繞組定子，組成兩個或兩個以上的多相或單相電機，通過其間任意的搭配，形成多組單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，增加輸出功率的大小，提高了電源配置的靈活性，適應於多種適用場合的領域。本發明的單相繞組定子大大降低了製造難度，定子厚度減小很多，電機氣隙可以更小，電機功率可以更大；同時定子厚度的減小有效地提高了電機的散熱性能。多個電機的集成可以保證飛輪儲能器的充電和放電功率的倍增，在不增加飛輪直徑的前提下使飛輪高速旋轉，有效的提高了能源的轉化與輸出。


圖I為本發明實施例一的中剖圖。圖2為本發明的實施例二的中剖圖。圖3為本發明的單相定子電樞盤分布的立體示意圖。圖4為本發明的實施例三。圖5為本發明的實施例四。圖6為本發明的實施例五。圖中1、磁鋼；2、單相繞組定子；3、多相繞組定子；4、剪切唇；5、磁懸浮軸承；6、真空泵；7、變頻器；8、變換器；9、密閉饋通；10、電樞導線；11、殼體；12、轉子；13、端蓋；14、中軸；15、軸承；16、環形連接件；17、圓形凹槽；18、外部電動機。
具體實施例方式下面結合附圖，說明本發明的具體實施方式
。如圖I所示，本發明所述的多層盤式飛輪儲能器的殼體11兩端採用端蓋13進行封閉，並用真空泵6將殼體11內部抽成真空；定子電樞盤上排布線圈繞組，並固定在殼體11的內壁上，作為飛輪盤的轉子12安裝在中央中軸14上，環形軸向交替磁極的磁鋼I吸附在飛輪盤端面上，中軸14通過兩端軸承15安裝在上下端蓋13之間，在下端蓋與轉子12的底部之間，設置有磁懸浮軸承5，磁懸浮軸承5由下端蓋和轉子底部分別布置磁極相同的永磁體構成，產生相斥的磁場，將整套轉子懸浮起來從而減少或者去除軸承軸向荷載。與現有的單一定子的盤式飛輪儲能器不同，本發明設置多個定子，即在殼體11內至少設置一個具有多相繞組定子3的電機作為充電電機(當然也可以作為放電電機)，多相繞組定子3通過電樞導線10穿過殼體11上的密閉饋通9，連接至外部的變頻器7和輸入電源；如果需要此電機放電，則電樞導線10在電機放電的時候連接到變換器8，連接方法為本領域常規技術人員所公知的技術，其他若干電機具有單相繞組定子2，每一組單相繞組定子2連接電樞導線10穿過密閉饋通9，匯集後通過變換器8作為電能輸出。相應的在定子之間設置有多層轉子12，環形軸向交替磁極的磁鋼I吸附在轉子12的一側或者兩側端面，磁鋼I由永磁體或磁化的磁鐵構成，並利用轉子12的圓周的剪切唇4形成的環形約束環進行徑向約束。實際工作時，磁鋼I驅動磁通來回穿過定子及其上下的氣隙，構成迴路，通過轉子12旋轉，實現充放電。
圖I所示為本發明的一種實施例，作為充電電路的一個多相繞組定子3設置在殼體11的下部(當然也可以放置在殼體11的上部或其它位置)；三個單相繞組定子2各自獨立的平行設置於多相繞組定子3，這三個單相繞組定子2上的電樞布置，必須彼此相差120度的電磁角度，這樣它們放電時的輸出交流電的波形的相位彼此相差120度，可以保證經過變換器8變換後輸出為標準的三相交流電，參見圖3。根據情況的需要，例如外界要求飛輪儲能器不需要輸出標準的三相交流電或者變換器8不需要三個定子輸出的電流波形相差120度，這三個單相繞組定子2上的電樞布置也可以不做上述角度的要求。定子上的繞組優先選用利茲導線，可這樣以減少渦流損耗；繞組放在由絕磁材料製成的電樞盤上，以減少磁損失和簡化製造。相鄰的兩組定子之間設置有轉子12，共計五個轉子12順序迭加在中軸14上。旋轉時，轉子12上外周設置的磁鋼I與定子電樞盤上的繞組產生電磁感應，分別形成單相電機與三相電機。本實施例充電時，外部電源通過變頻器7輸入至多相繞組定子3的電樞上，與多相繞組定子3上下相鄰的兩個轉子12上的磁鋼I產生的磁場產生電磁感應，帶動全部轉子12圍繞中軸14旋轉直至最高額定轉速。放電時，轉子12在飛輪慣性原理作用下繼續旋轉，此時轉子12上的磁鋼I切割每個電樞盤上的線圈繞組，在每個線圈繞組上產生感應電動勢,三個單相繞組通過電樞導線10與外圍電路連接，每個單相繞組產生單相電流，三個單相電流通過變換器8的變換成所需要的一個三相交流電向外部輸出。在有些情況下，為了增大飛輪儲能器的輸出功率，需要多相繞組定子3輸出電流，此時也可將多相繞組定子3連接變換器8後並與外圍電路連接，產生三相電流；三個單相繞組產生的電流和一個三相繞組產生的電流匯集在一起，通過變換器8變換為要求的三相交流電，然後輸出去。多相繞組定子3與三個單相繞組定子2必須按照一定的方式布置，保證各自的輸出能夠同相位，從而能夠同相位疊加，該實施方法為本領域常規技術人員所公知的技術。根據情況的需要，例如外界要求飛輪儲能器不需要輸出標準的三相交流電或者變換器8不需要多相繞組定子3和三個定子2輸出的電流波形相差一定角度，則多相繞組定子3和三個單相繞組定子2上的電樞布置也可以不做上述角度的要求。實施例一的飛輪本體由一根中軸14串接多個飛輪盤組成，在盤面中間打孔比較簡便，拆卸也容易，便於飛輪本體的拆卸和維護；但是由於飛輪儲能器工作時，飛輪始終在高速旋轉，產生的離心力會在飛輪盤中央圓孔的邊緣產生非常高的應力，長時間工作後，飛輪盤的中央圓孔邊緣處結構會產生裂紋，損壞飛輪盤，嚴重時甚至發生安全危險。圖2為本發明的另一種實施例，飛輪盤的盤體為實心結構，不設置中央通孔，而在盤面中央開設有圓形凹槽17，並採用金屬材質或者高強度的複合材料的環形連接件16通過過盈配合連接相鄰的上下盤面；這種結構有效提高了飛輪盤的強度，確保了設備的安全，提高了可靠性。如圖2所示，圖中的雙摺線表示本發明可以不止設置三個單相繞組定子2，還可以設置兩個或兩個以上的任意多數的單相繞組定子2，通過其任意的搭配，形成單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，並增加輸出功率的大小，並提高了電源配置的靈活性，適應於多種適用場合。飛輪儲能器充電時，使 用的電機可以是其中任意一個電機，可以是單相的，也可以是多相的，根據使用的要求來決定。目前，市場上比較常見的變頻器是三相的，為了方便或者降低成本，可以使用這種變頻器。本發明的單相繞組定子2大大降低了製造難度，定子厚度減小很多，電機氣隙可以更小，電機功率可以更大。同時定子厚度的減小有效地提高了電機的散熱性能。圖4是本發明的實施例三。在該結構中，每個定子均為多相繞組定子3，形成多個多相電機；每個電機都可以作為電動機和發電機，也可以只作為電動機或發電機；使用多個電機可以保證飛輪儲能器的充電和放電功率的倍增。這種結構不需要設計體直徑過大的電機，從而可以提高飛輪轉速。當然，也可以每一層的定子均設置為單相繞組定子2，如圖5所示的實施例四。圖6是本發明的實施例五。在該結構中，殼體11內部的定子與轉子結構與上述實施例一、實施實例二、實施例三、實施例四的結構都相同，只是轉子12的主軸伸出殼體11的上部，由外部電動機18進行充電驅動，而在放電時，外部電動機18停機，飛輪盤依靠慣性，線圈繞組產生電流向外部輸出。外部電動機18可以是多種類型的電機，配置適合自身需要的變頻器，這樣就可以使用低成本的電機或變頻器，從而降低成本。以上描述是對本發明的解釋，不是對發明的限定，本發明所限定的範圍參見權利要求，在不違背本發明精神的情況下，本發明可以作任何形式的修改。
權利要求
1.一種多層盤式飛輪儲能器,定子電樞盤固定在殼體(11)內壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側設置有作為飛輪盤的轉子(12)，環形軸向交替磁極的磁鋼(I)吸附在轉子(12)上；其特徵在於所述定子至少設置兩個，所述定子至少包括一個多相繞組定子(3)或一個單相繞組定子(2)。
2.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於多個所述單相繞組定子 (2)上的電樞布置相互相差一定角度。
3.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於所述多相繞組定子(3)通過變頻器(7)連接至輸入電源，所述單相繞組定子(2)通過變換器(8)連接至外部輸出電路。
4.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於定子數目優選為4個，其中多相繞組定子(3)設置一個，單相繞組定子(2)設置三個。
5.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於所述轉子(12)的中央設置有通孔，多個轉子(12)在軸向上迭加在中軸(14)上。
6.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於所述轉子(12)的盤面中央開設有圓形凹槽(17)，並採用環形連接件(16)通過過盈配合連接相鄰的上下盤面。
7.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於所述磁鋼(I)採用永磁材料。
8.按照權利要求I所述的多層盤式飛輪儲能器，其特徵在於飛輪盤由外部電動機(18)進行充電驅動。
全文摘要
本發明公開了一種多層盤式飛輪儲能器，定子電樞盤固定在殼體內壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側設置有作為飛輪盤的轉子，環形軸向交替磁極的磁鋼吸附在轉子上；所述定子至少設置兩個，所述定子至少包括一個多相繞組定子或一個單相繞組定子。本發明通過定子任意的搭配，形成多組單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，增加輸出功率的大小，提高了電源配置的靈活性，適應於多種適用場合的領域。單相繞組定子大大降低了製造難度，厚度減小，氣隙更小，電機功率更大；同時有效地提高了電機的散熱性能。多個電機的集成可以保證飛輪儲能器的充電和放電功率的倍增，在不增加飛輪直徑的前提下使飛輪高速旋轉，有效的提高了能源的轉化與輸出。
文檔編號H02K7/02GK102624177SQ20121010084
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者李文聖 申請人:李文聖