永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置製造方法

2023-05-19 16:51:06 2

永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置。包括由電機殼體、定子、轉子和轉軸組成的電機，轉軸上還固定安裝有飛輪，飛輪外部套裝有箱體；還包括真空罩、上支撐體和底板；真空罩、上支撐體、電機殼體、箱體和底板各部件相互之間均採用密封墊圈密封確保整個裝置的真空度。給電機供電時，該電機就成為電動機，由電動機帶動飛輪旋轉加速，從而將電能轉為機械能儲存；當外部負載需要電能時，飛輪給電機施加轉矩，電機又成為發電機，將機械能轉為電能，並通過控制裝置輸出。本發明應用領域廣，可以應用在風力發電調頻，緊急備用電源，車輛剎車動能再生，港口起重機械勢能再生、負載頻繁變化發動機組動力調峰等領域。
【專利說明】永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於物理儲能領域，具體涉及一種永磁電磁複合懸浮儲能飛輪裝置。
【背景技術】
[0002]隨著社會的進步和科學技術的不斷發展，人們越來越關注節約能源和保護環境。為此，人們研究了多種儲能方式，有化學蓄電池儲能、燃料電池儲能、超導儲能等，但飛輪儲能由於無汙染、效率高、壽命長、使用方便等特點，受到了廣泛的青睞。它可廣泛應用於電動汽車、航空航天、電網調峰、不間斷電源等領域，是一種非常有發展前景的儲能裝置。目前採用的飛輪儲能裝置一般由飛輪、軸、軸承、電機、真空容器、控制裝置等組成。主動磁軸承因其體積大、需要消耗較大的控制功率、臨界轉速低、成本高，因而很難適應於超高速運行以及小型、超小型的結構。採用高溫超導磁軸承，目前技術尚未成熟，而且需要複雜的製冷裝置，不利於裝置的小型化。因此以上兩種軸承支承方式都不是很理想。近年來，稀土永磁發展較快，出現了許多高性能的永磁材料，如釹鐵硼永磁、釤鈷永磁等，可以採用永磁體製成剛度大、對稱性好的磁軸承，稱之為被動磁軸承、永磁軸承。然而僅採用永磁軸承是不可能獲得穩定平衡的，至少需要在一個方向上採用機械軸承或主動磁軸承才能使之穩定。

【發明內容】

[0003]為了實現飛輪儲能裝置的超高速運行以及小型化，本發明將永磁軸承和電磁軸承的穩定作用結合起來，提供一種永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置。
[0004]具體的技術解決方案如下:
永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置包括由電機殼體13、定子30、轉子31和轉軸2組成的電機，轉子31固定設於轉軸2上，轉軸2為階梯軸，定子30通過鎖緊哈夫35軸向壓緊固定於電機殼體內。所述轉軸2上還固定設有圓柱狀的飛輪3，所述飛輪3與轉軸2之間的配合為過盈配合；飛輪3 —側的轉軸2端部通過下著陸軸承4設於下支撐體16上，與下支撐體16對應的轉軸2上設有軸肩，飛輪3的下端面和所述軸肩貼合；電機一側的轉軸2端部通過上著陸軸承5設於上支撐體14上。
[0005]所述下支撐體16呈圓柱體狀，與飛輪3對應的下支撐體16的上端中部設有沉孔，沉孔中部軸向設有軸承孔，下支撐體16的上端面上均布設有下永磁塊9，相鄰下永磁塊9之間的下支撐體16的上端面上設有線包29，下支撐體16的底部固定在底板11上；與下支撐體16的上端面對應的飛輪3端面上均布固定設有飛輪永磁塊8 ;飛輪3端面上的飛輪永磁塊8和下支撐體16的上端面上的下永磁塊9、線包29構成軸向磁懸浮軸承；轉軸2的軸肩和下著陸軸承4之間的轉軸2上固定設有下軸套21，下徑向永磁懸浮軸承7的內圈通過下護圈24固定在下軸套21上，下徑向永磁懸浮軸承7的外圈通過螺釘固定在下支撐體16上，且下徑向永磁懸浮軸承7位於下支撐體16的沉孔內；所述上支撐體14為圓柱體，軸向中部為貫通的軸孔，軸向兩端分別為法蘭盤；電機10 —側的轉軸為臺階軸，所述臺階軸處固定設有上軸套22，上徑向永磁懸浮軸承6的內圈通過上護圈23固定在上軸套22上，上徑向永磁懸浮軸承6的外圈通過螺釘固定於上支撐體14上。
[0006]上支撐體14和轉子31之間的轉軸2上套設有平衡環37。
[0007]上支撐體14的外端面罩設有真空罩15，圓柱管狀的箱體I罩設在飛輪3和下支撐體16上；箱體I的軸向兩端為連接法蘭，一端連接著電機殼體13，另一端連接著底板11 ；整個裝置呈密封狀態；箱體I的一側壁上通過管道連通著真空泵34 ;所述真空罩15、上支撐體14、電機殼體13、箱體I和底板11之間均採用密封墊圈密封，確保真空度。
[0008]所述電機殼體13中部設有螺旋狀的冷卻水道36，冷卻水道36的一端為進水口
27,另一端為出水口 28 ;所述上徑向永磁懸浮軸承6和下徑向永磁懸浮軸承7均為永磁軸承；所述上徑向永磁懸浮軸承6、上軸套22的軸向上端設有上護圈23，上徑向永磁懸浮軸承
6、上軸套22的軸向下端設有下護圈24 ;所述下徑向永磁懸浮軸承7、下軸套21的軸向上端設有上護圈23，下徑向永磁懸浮軸承7、下軸套21的軸向下端設有下護圈24。
[0009]平衡環37和轉子31之間的轉軸2上套設有平衡墊38，平衡墊38的兩端面分別和平衡環37的端面、轉子31的端面接觸；所述箱體I的一側壁上通過管道設有真空閥33，真空閥33的出口連通著真空泵34，所述管道上設有真空傳感器32。
[0010]本發明將永磁軸承和電磁軸承的穩定作用結合起來，構成一種具有最小能耗的磁軸承支承系統，在支承系統中永磁軸承將大大減輕系統負荷，從而可以減小王動磁軸承的功率損耗。可以預計，這種被動磁軸承與主動磁軸承混合控制的軸承系統是未來的發展趨勢之一，可以很好地應用於高速旋轉機構的軸承製造中。
[0011]本發明的有益技術效果體現在以下方面:
1.本發明將永磁軸承和電磁軸承的穩定作用結合起來，構成一種具有最小能耗的磁軸承支承系統，在保證穩定性的前提下大大降低了能量損耗。使系統更能長時間保存能量；
2.本發明採用水冷式電機解決了電機的散熱問題，確保系統運行可靠；
3.本發明應用領域廣，可以應用在風力發電調頻，緊急備用電源，車輛剎車動能再生，港口起重機械勢能再生、負載頻繁變化發動機組動力調峰等領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明結構示意圖。
[0013]圖2為圖1的A-A剖視圖。
[0014]圖3為圖1的B-B剖視圖。
[0015]圖4為圖中電機結構示意圖。
[0016]上圖中序號:箱體1、轉軸2、飛輪3、下著陸軸承4、上著陸軸承5、上徑向永磁懸浮軸承6、下徑向永磁懸浮軸承7、飛輪永磁塊8、下永磁塊9、電機10、底板11、電機殼體13、上支撐體14、真空罩15、下支撐體16、下軸套21、上軸套22、上護圈23、下護圈24、進水口 27、出水口 28、線包29、定子30、轉子31、真空傳感器32、真空閥33、真空泵34、鎖緊哈夫35、冷卻水道36、平衡環37、平衡墊38。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地描述。
[0018]參見圖1和圖4，永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置包括由電機殼體13、定子30、轉子31和轉軸2組成的電機10，轉子31固定安裝於轉軸2上，轉軸2為階梯軸，定子30通過鎖緊哈夫(35)軸向壓緊固定於電機殼體13內。電機殼體13中部開設有螺旋狀的冷卻水道36，冷卻水道36的一端為進水口 27，另一端為出水口 28。轉軸2上還固定安裝有圓柱狀的飛輪3，飛輪3與轉軸2之間的配合為過盈配合。飛輪3 —側的轉軸2端部通過下著陸軸承4安裝於下支撐體16上，與下支撐體16對應的轉軸2上設有軸肩，飛輪3的下端面和軸肩貼合；電機10 —側的轉軸2端部通過上著陸軸承5安裝於上支撐體14上。
[0019]下支撐體16呈圓柱體狀，與飛輪3對應的下支撐體16的上端中部設有沉孔，沉孔中部軸向開設有貫通的軸承孔；由圖3可見，下支撐體16的上端面上均布安裝有下永磁塊9，相鄰下永磁塊9之間的下支撐體16的上端面上安裝有線包29，下支撐體16的底部固定在底板11上；與下支撐體16的上端面對應的飛輪3端面上均布固定安裝有飛輪永磁塊8，見圖2 ;飛輪3端面上的飛輪永磁塊8和下支撐體16的上端面上的下永磁塊9、線包29構成軸向磁懸浮軸承。轉軸2的軸肩和下著陸軸承4之間的轉軸2上固定安裝有下軸套21，下徑向永磁懸浮軸承7的內圈通過下護圈24固定在下軸套21上，下徑向永磁懸浮軸承7的外圈通過螺釘固定在下支撐體16上；且下徑向永磁懸浮軸承7位於下支撐體16的沉孔內。下徑向永磁懸浮軸承7、下軸套21的軸向上端安裝有上護圈23，二者的軸向下端安裝有下護圈24。
[0020]上著陸軸承5和下著陸軸承4作為靜止和啟動時轉子31的支撐或在高速運轉時避免轉子31與定子30相碰而造成毀滅性破壞。
[0021]上支撐體14為圓柱體，軸向中部為貫通的軸孔，上支撐體14的軸向兩端分別為法蘭盤；電機10 —側的轉軸2為臺階軸，所述臺階軸處固定安裝有上軸套22，上徑向永磁懸浮軸承6的內圈通過上護圈23固定在上軸套22上，上徑向永磁懸浮軸承6的外圈通過螺釘固定於上支撐體14上。上徑向永磁懸浮軸承6、上軸套22的軸向上端安裝有上護圈23，二者的軸向下端安裝有下護圈24。上支撐體14和轉子31之間的轉軸2上套裝有平衡環37。平衡環37和轉子31之間的轉軸2上套設有平衡墊38，平衡墊38的兩端面分別和平衡環37的端面、轉子31的端面接觸。上徑向永磁懸浮軸承6和下徑向永磁懸浮軸承7均為永磁軸承。
[0022]上支撐體14的外端面罩安裝有真空罩15，圓柱管狀的箱體I罩裝在飛輪3和下支撐體16上；箱體I的軸向兩端為連接法蘭，一端連接著電機殼體13的下端，另一端連接著底板11 ;整個裝置呈密封狀態；箱體I的一側壁上通過管道安裝有真空閥33，真空閥33的出口連通著真空泵34，所述管道上安裝有真空傳感器32 ;轉軸2採用合金鋼材料，利用合金鋼的高強度特性；飛輪本體採用高強度鋼材料，也可採用高強度鋁合金和碳纖維材料。
[0023]飛輪3的內徑為240-300mm、外徑為660_700mm、高度為250_300mm ;軸的總長為1100-1200mmo
[0024]整體儲能飛輪總體轉動慣量為48_53kg -m2 ;輪緣線速度為200_400m/S ;輸出能量為 15-20MJ。
[0025]永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置的真空罩15、上支撐體14、電機殼體13、箱體I和底板11各部件相互之間均採用密封墊圈密封，確保真空度；工作真空度要求高於IOOOPa,當真空度低於IOOOPa時，啟動真空機組對真空箱抽真空，當系統無真空機組時，真空傳感器用於報警。[0026]電機10由固定在轉軸2上的轉子31和裝設在電機殼體13上的定子30構成，且為發電機和電動機的一體結構。在通過控制裝置給電機10供電時，該電機10就成為電動機，由電動機帶動飛輪3旋轉加速,從而將電能轉為機械能儲存；當外部負載需要電能時，飛輪3給電機施加轉矩，電機又成為發電機，將機械能轉為電能，並通過控制裝置輸出。
[0027]儲能飛輪的裝配過程如下:
O首先加工好轉軸2、飛輪3、箱體I ;
2)下支撐體16固定於底板11上，箱體I與底板11通過螺釘聯接；
3)飛輪永磁塊8均布固定於飛輪3下端，轉軸2與飛輪3採用溫差法過盈套裝，轉子31固定於轉軸2上，安裝上徑向永磁懸浮軸承6和下徑向永磁懸浮軸承7，安裝上著陸軸承5和下著陸軸承4於轉軸2的兩端；
4)吊裝轉子31於下支撐體16上，並通過箱體I上的幾個支撐孔支撐轉子31；
5)安裝電機殼體13與定子組件、上支撐體14、和真空罩15。
[0028]本發明應用領域廣，可以應用在風力發電調頻，緊急備用電源，車輛剎車動能再生，港口起重機械勢能再生、負載頻繁變化發動機組動力調峰等領域。
【權利要求】
1.永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，包括由電機殼體(13)、定子(30)、轉子(31)和轉軸(2)組成的電機(10)，轉子(31)固定設於轉軸(2)上，轉軸2為階梯軸，定子(30)通過鎖緊哈夫(35)軸向壓緊固定於電機殼體(13)內；其特徵在於:所述轉軸(2)上還固定設有圓柱狀的飛輪(3)，所述飛輪(3)與轉軸(2)之間的配合為過盈配合；飛輪(3) —側的轉軸(2)端部通過下著陸軸承(4)設於下支撐體(16)上，與下支撐體(16)對應的轉軸(2)上設有軸肩，飛輪(3)的下端面和所述軸肩貼合；電機(10)—側的轉軸(2)端部通過上著陸軸承(5)設於上支撐體(14)上；所述下支撐體(16)呈圓柱體狀，與飛輪(3)對應的下支撐體(16)的上端中部設有沉孔，沉孔中部軸向設有軸承孔，下支撐體(16)的上端面上均布設有下永磁塊(9 )，相鄰下永磁塊(9 )之間的下支撐體(16 )的上端面上設有線包(29 )，下支撐體(16)的底部固定在底板(11)上；與下支撐體(16)的上端面對應的飛輪(3)端面上均布固定設有飛輪永磁塊(8);飛輪(3)端面上的飛輪永磁塊(8)和下支撐體(16)的上端面上的下永磁塊(9 )、線包(29 )構成軸向磁懸浮軸承；轉軸的軸肩和下著陸軸承(4 )之間的轉軸(2)上固定設有下軸套(21)，下徑向永磁懸浮軸承(7)的內圈通過下護圈(24)固定在下軸套(21)上，下徑向永磁懸浮軸承(7)的外圈通過螺釘固定在下支撐體(16)上，且下徑向永磁懸浮軸承(7)位於下支撐體(16)的沉孔內；所述上支撐體(14)為圓柱體，軸向中部為貫通的軸孔，軸向兩端分別為法蘭盤；電機(10)—側的轉軸為臺階軸，所述臺階軸處固定設有上軸套(22 )，上徑向永磁懸浮軸承(6 )的內圈通過上護圈(23 )固定在上軸套(22 )上，上徑向永磁懸浮軸承(6)的外圈通過螺釘固定於上支撐體(14)上；上支撐體(14)和轉子(31)之間的轉軸(2)上套設有平衡環(37);上支撐體(14)的外端面罩設有真空罩(15)，圓柱管狀的箱體(1)罩設在飛輪(3)和下支撐體(16)上；箱體(1)的軸向兩端為連接法蘭，一端連接著電機殼體(13 )，另一端連接著底板(11);整個裝置呈密封狀態；箱體(1)的一側壁上通過管道連通著真空泵(34);所述真空罩(15)、上支撐體(14)、電機殼體(13)、箱體(1)和底板(11)之間均採用密封墊圈密封，確保真空度。
2.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:所述電機殼體(13)中部設有螺旋狀的冷卻水道(36)，冷卻水道(36)的一端為進水口(27)，另一端為出水口(28)。
3.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:所述上徑向永磁懸浮軸承(6)和下徑向永磁懸浮軸承(7)均為永磁軸承。
4.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:所述上徑向永磁懸浮軸承(6)、上軸套(22)的軸向上端設有上護圈(23)，上徑向永磁懸浮軸承(6)、上軸套(22)的軸向下端設有下護圈(24)。
5.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:所述下徑向永磁懸浮軸承(7 )、下軸套(21)的軸向上端設有上護圈(23 )，下徑向永磁懸浮軸承(7 )、下軸套(21)的軸向下端設有下護圈(24)。
6.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:平衡環(37)和轉子(31)之間的轉軸(2)上套設有平衡墊(38)，平衡墊(38)的兩端面分別和平衡環(37)的端面、轉子(31)的端面接觸。
7.根據權利要求1所述的永磁電磁複合的懸浮儲能飛輪裝置，其特徵在於:所述箱體(!)的一側壁上通過管道設有真空閥(33)，真空閥(33)的出口連通著真空泵(34)，所述管道上設有 真空傳感器(32)。
【文檔編號】H02K7/02GK103731068SQ201410039428
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】唐景春, 查生凱, 蘇建徽, 姜衛東, 汪海寧, 張健, 葉斌, 王建國, 薛繼鵬 申請人:合肥工業大學