專利名稱：微壓氣體支撐飛輪電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的飛輪儲能裝置，特別涉及一種用氣體支撐的飛輪電池。
背景技術(shù)：
飛輪電池與化學(xué)電池相比具有儲能密度高；無過充、過放電問題；充電時(shí)間短；對環(huán)境友好，無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效綠色儲能方法。
早期的飛輪電池裝置中，較多地采用陶瓷軸承、寶石軸承和滾動軸承等機(jī)械軸承支承形式，這類支承方式的飛輪一般用于快速沖放電系統(tǒng)。如美國的Kaman電磁公司、Satcon公司和英國Newcastle大學(xué)研制的飛輪電池裝置中就采用這類支承方式。
隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，目前飛輪電池開始采用磁軸承。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(dǎo)磁軸承)。美國Maryland大學(xué)采用永磁/電磁支承方式的飛輪用于電力調(diào)峰。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室與州立愛迪生電力公司合作，開發(fā)的高溫超導(dǎo)磁軸承摩擦系數(shù)達(dá)到3×10-7世界記錄，并研制了1MWh單元的高溫超導(dǎo)飛輪電池儲能裝置。美國Houston大學(xué)采用永磁/超導(dǎo)支承方式浮起19kg的飛輪轉(zhuǎn)子，永磁軸承提供懸浮力，而超導(dǎo)磁軸承用于消除固有的磁—磁不穩(wěn)定。
國內(nèi)飛輪儲能研究也取得和很大進(jìn)展，其中成立于1995年的清華大學(xué)飛輪儲能實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早研究儲能飛輪的實(shí)驗(yàn)室之一。他們采用螺旋線滑動軸承和永久磁鐵懸吊式阻尼器相結(jié)合的方式支撐飛輪。研究的第二代飛輪線速度達(dá)到650m/s，儲能量500w·h。
飛輪儲存的能量可根據(jù)下式確定E=12Jω2]]>其中E為儲存動能，J為轉(zhuǎn)動慣量，ω為角速度?？梢娫黾愚D(zhuǎn)動慣量J和角速度ω值可以提高飛輪的儲存能量。而且儲存動能E與角速度ω的平方成正比，所以提高飛輪存儲的能量主要是提高角速度ω。由此可見飛輪儲能技術(shù)的關(guān)鍵是提高飛輪轉(zhuǎn)速和使用壽命，減少能量損耗和生產(chǎn)成本。
從國內(nèi)外研究情況來看，飛輪電池的主要承載形式有機(jī)械軸承承載、磁軸承承載以及機(jī)械軸承與磁軸承聯(lián)合承載。機(jī)械軸承所能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速低，摩擦損耗大，使用壽命短，很難滿足發(fā)展高速飛輪的需要。磁懸浮技術(shù)雖然能滿足高轉(zhuǎn)速，低損耗，壽命長的要求，但是其成本高，調(diào)試安裝復(fù)雜，可維護(hù)性差，限制了磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微壓氣體支撐飛輪電池，可將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動能加以存儲，在需要放電時(shí)，可將飛輪動能轉(zhuǎn)化為電能釋放。并做到維持飛輪高速旋轉(zhuǎn)，減少能量損耗，提高使用壽命。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案包括電力電子變換裝置，電力電子變換裝置與飛輪箱內(nèi)的電機(jī)相連，飛輪箱分為上箱體和下箱體，在下箱體中央固定主軸，主軸下端配置有著陸軸承，著陸軸承內(nèi)環(huán)與主軸底端過盈配合，內(nèi)環(huán)下端面與下箱體接觸，下箱體底面和側(cè)壁設(shè)置靜壓氣浮點(diǎn)和氣體動壓溝槽，下箱體內(nèi)配置飛輪，飛輪與著陸軸承外環(huán)過盈配合，飛輪上固定電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)定子固定在主軸上，上箱體上開有排氣孔，排氣孔與氣體回收裝置相連通，氣體回收裝置與氣源相連通，氣源與飛輪箱的靜壓氣浮點(diǎn)相連通。
著陸軸承采用角接觸球軸承。
電機(jī)定子也可固定在飛輪箱的外側(cè)。
電機(jī)可以是感應(yīng)電機(jī)或永磁無刷直流/交流電機(jī)。
靜壓氣浮點(diǎn)是孔、縫隙或是用帶有毛細(xì)孔材料填充的孔。
飛輪是圓柱形或圓錐形。
氣源的惰性氣體通入到靜壓氣浮點(diǎn)。
靜壓氣浮點(diǎn)設(shè)置在氣體動壓溝槽內(nèi)或者氣體動壓溝槽外。
本發(fā)明采用氣體承載的方式支撐飛輪，與采用機(jī)械軸承承載相比，減小了摩擦阻力，從而降低了摩擦引起的能量損耗，提高了電池的能量轉(zhuǎn)化效率。由于氣體承載屬于非接觸承載，所以不存在磨損問題，從而延長了飛輪電池的使用壽命，提高了飛輪電池允許的極限轉(zhuǎn)速。與采用磁懸浮技術(shù)承載相比，降低了成本，提高了可維護(hù)性。


圖1是本發(fā)明的工作原理圖；圖2是本發(fā)明的內(nèi)定子圓柱形飛輪電池軸向剖視圖；圖3是本發(fā)明的內(nèi)定子圓柱形飛輪俯視圖；圖4是本發(fā)明的飛輪箱A-A向剖視圖；圖5是本發(fā)明的飛輪箱B-B向剖視圖；圖6是本發(fā)明的外定子圓柱形飛輪電池軸向剖視圖；圖7是本發(fā)明的外定子圓柱形飛輪電池C-C向剖視圖；圖8是本發(fā)明的內(nèi)定子圓錐形飛輪電池軸向剖視圖；
圖9是本發(fā)明的內(nèi)定子圓錐形飛輪俯視圖；圖10是本發(fā)明的內(nèi)定子圓錐形飛輪箱俯視圖；圖11是本發(fā)明的飛輪箱D-D向剖視圖；圖12是本發(fā)明的外定子圓錐形飛輪電池軸向剖視圖；圖13是本發(fā)明的外定子圓錐形飛輪電池E-E向剖視圖；圖14是本發(fā)明的氣源和氣體回收裝置系統(tǒng)圖；圖15是本發(fā)明的飛輪電池功率變換裝置原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參照圖1所示，電源28和負(fù)載31與電力電子變換裝置1相連，電力電子變換裝置1與飛輪箱2中的電機(jī)繞組相連，飛輪箱2的上箱體的排氣孔5與氣體回收裝置3相連通，氣體回收裝置3與氣源4相連通，氣源4與飛輪箱2的下箱體的靜壓氣浮點(diǎn)9相連通。
充電時(shí)，電能通過電力電子變換裝置1驅(qū)動電動機(jī)帶動飛輪8加速旋轉(zhuǎn)，電能變?yōu)闄C(jī)械能存儲。放電時(shí)，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由飛輪8帶動發(fā)電，由電力電子變換裝置1將電能輸出到負(fù)載31，同時(shí)飛輪動能減少，轉(zhuǎn)速降低。飛輪用惰性氣體支撐，氣體由氣源4送進(jìn)下箱體10中的靜壓氣浮點(diǎn)9，從上箱體6的排氣孔5進(jìn)入氣體回收裝置3，再返回氣源4。
參照圖2所示，本發(fā)明的飛輪箱2包括上箱體6和下箱體10，其中排氣孔5位于上箱體6上，靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14分布在下箱體10上。主軸11固定在飛輪箱2的中央，主軸11下端有著陸軸承13，著陸軸承13采用角接觸球軸承，其內(nèi)環(huán)與主軸11固定，外環(huán)與飛輪8固定在一起。飛輪8的外輪廓為圓柱形，中部下凹，沿飛輪8中部凹槽周向固定有電機(jī)的轉(zhuǎn)子7，電機(jī)的定子12與主軸11固定在一起。飛輪8為金屬或復(fù)合材料制成，包括高強(qiáng)度鋼，鋁合金，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和石墨纖維；使用復(fù)合材料時(shí)包括單層復(fù)合和多層復(fù)合材料飛輪。
靜止時(shí)，飛輪8由著陸軸承13支撐；飛輪8啟動前，先由氣源4為靜壓氣浮點(diǎn)9供氣，飛輪8上浮，著陸軸承13內(nèi)外環(huán)分離，完全由氣體承受軸向和徑向載荷。電機(jī)接通電源，飛輪8在電機(jī)帶動下高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將電能以飛輪動能形式存儲的目的。上箱體6開有惰性氣體的排氣孔5，靜壓氣浮點(diǎn)9噴出的惰性氣體由排氣孔5經(jīng)氣體回收裝置3返回氣源4。
參照圖3所示，沿飛輪8中部凹槽圓周均勻分布六對電機(jī)定子12和轉(zhuǎn)子7。定子12和轉(zhuǎn)子7的極對數(shù)也可以根據(jù)實(shí)際需要增加或減少。定子12可以是永磁鐵或繞組，轉(zhuǎn)子7也可以是永磁鐵或繞組。電機(jī)的類型可以是感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷直流/交流電機(jī)。
參照圖4所示，下箱體10的底面和側(cè)壁上開有靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14，靜壓氣浮點(diǎn)9和氣源4相連通，以實(shí)現(xiàn)對飛輪的動靜壓聯(lián)合支承。靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14在箱體底面分布有三圈，每圈八個(gè)靜壓氣浮點(diǎn)9和十六個(gè)動壓溝槽14。依據(jù)飛輪箱體底面實(shí)際大小，可以增加或減少氣浮點(diǎn)和動壓溝槽的數(shù)量。同時(shí)底面上分布有氣體動壓溝槽14，靜壓氣浮點(diǎn)9可在動壓溝槽14中也可不在動壓溝槽14中。動壓溝槽14旋轉(zhuǎn)方向與飛輪8轉(zhuǎn)向相同。
參照圖5所示，在下箱體10側(cè)壁上，開有至少兩排靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14，動壓溝槽14和靜壓氣浮點(diǎn)9的數(shù)量可依據(jù)下箱體10側(cè)壁實(shí)際面積大小而定。靜壓氣浮點(diǎn)9可在動壓溝槽14中也可不在動壓溝槽14中。動壓溝槽14旋轉(zhuǎn)方向與飛輪8轉(zhuǎn)向相同。上箱體6連接下箱體10，上箱體6上設(shè)置排氣孔5，靜壓氣浮點(diǎn)9和氣源4相連通。
參照圖6所示，排氣孔5位于上箱體6上，靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14分布在下箱體10上。主軸11固定在飛輪箱2中央。主軸11下端有著陸軸承13，著陸軸承13采用角接觸球軸承，其內(nèi)環(huán)與主軸11固定，外環(huán)與飛輪8固定在一起。飛輪8的外輪廓為圓柱形，中部下凹，沿飛輪8中部凹槽周向固定有電機(jī)的轉(zhuǎn)子7，電機(jī)的定子12在飛輪箱2外放置。飛輪8為金屬或復(fù)合材料制成，包括高強(qiáng)度鋼，鋁合金，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和石墨纖維；使用復(fù)合材料時(shí)包括單層復(fù)合和多層復(fù)合材料飛輪。
參照圖7所示，沿圓周方向均勻分布六對電機(jī)定子12和轉(zhuǎn)子7。電機(jī)的轉(zhuǎn)子7為永磁體，定子12為繞組。繞組發(fā)熱量比較大，這種安裝方法可以提高電機(jī)的散熱能力。定子12和轉(zhuǎn)子7的極對數(shù)也可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)?shù)脑鰷p。電機(jī)的類型可以是感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷直流/交流電機(jī)。
參照圖8所示，其中排氣孔5位于上箱體6上，靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14分布在下箱體10上。主軸11固定在飛輪箱2中央。主軸11下端配置有著陸軸承13，著陸軸承13采用角接觸球軸承，其內(nèi)環(huán)與主軸11固定，外環(huán)與飛輪8固定在一起。飛輪8的外輪廓為圓錐形，中部下凹，沿飛輪8中部凹槽周向固定有電機(jī)的轉(zhuǎn)子7，電機(jī)的定子12與主軸11固定在一起。
飛輪轉(zhuǎn)子8外輪廓是圓錐形，下箱體10底面和側(cè)壁上的靜壓氣浮點(diǎn)9噴出的氣體沿圓錐面向上運(yùn)動時(shí)，也會對飛輪提供上升的推力。當(dāng)推力過大時(shí)，圓錐面處縫隙增大，氣體流量加大，這樣氣體壓強(qiáng)減小，推力減小，飛輪8有一定程度的下落。當(dāng)推力小時(shí)，圓錐面處縫隙減小，氣體流量減小，這樣氣體壓強(qiáng)增大，推力增大，飛輪8就會一定程度的上升。所以圓錐形飛輪8還有自動調(diào)節(jié)懸浮高度的功能。
參照圖9所示，沿飛輪8中部凹槽圓周均勻分布六對電機(jī)定子12和轉(zhuǎn)子7，定子12固定在主軸11上，轉(zhuǎn)子7固定在飛輪8上，定子12和轉(zhuǎn)子7的極對數(shù)也可以根據(jù)實(shí)際需要增加或減少。定子12可以是永磁鐵或繞組，轉(zhuǎn)子7也可以是永磁鐵或繞組。電機(jī)的類型可以是感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷直流/交流電機(jī)。
參照圖10所示，箱體底部和側(cè)壁上沿圓周方向，均勻分布靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14。靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14的數(shù)量可依據(jù)箱體實(shí)際底面大小而定。靜壓氣浮點(diǎn)9可在動壓溝槽14中也可不在動壓溝槽14中。動壓溝槽14旋轉(zhuǎn)方向與飛輪8轉(zhuǎn)向相同。
參照圖11所示，下箱體10為圓錐形，在下箱體10側(cè)壁上，有至少兩排靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14。動壓溝槽14和靜壓氣浮點(diǎn)9的數(shù)量可依據(jù)下箱體10側(cè)壁實(shí)際面積大小而定。靜壓氣浮點(diǎn)9可在動壓溝槽14中也可不在動壓溝槽14中。動壓溝槽14旋轉(zhuǎn)方向與飛輪8轉(zhuǎn)向相同。上箱體6連接下箱體10，上箱體6上設(shè)置排氣孔5。
參照圖12所示，當(dāng)飛輪8外輪廓為圓錐形時(shí)，電機(jī)的定子12也可以布置在飛輪箱2之外，此時(shí)定子12為繞組。當(dāng)飛輪8外輪廓為圓錐形時(shí)，排氣孔5位于上箱體6上，靜壓氣浮點(diǎn)9和動壓溝槽14分布在下箱體10上。主軸11固定在飛輪箱2中央。主軸11下端有著陸軸承13，著陸軸承13采用角接觸球軸承，其內(nèi)環(huán)與主軸11固定，外環(huán)與飛輪8固定在一起。飛輪8的外輪廓為圓錐形，中部下凹，沿飛輪8中部凹槽周向固定有電機(jī)的轉(zhuǎn)子7，電機(jī)的定子12在飛輪箱2外放置。飛輪8為金屬或復(fù)合材料制成，包括高強(qiáng)度鋼，鋁合金，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和石墨纖維；使用復(fù)合材料時(shí)包括單層復(fù)合和多層復(fù)合材料飛輪。
參照圖13所示，沿圓周方向均勻分布六對電機(jī)定子12和轉(zhuǎn)子7。電機(jī)的轉(zhuǎn)子7為永磁體，定子12為繞組。繞組發(fā)熱量比較大，這種安裝方法可以提高電機(jī)的散熱能力。定子12和轉(zhuǎn)子7的極對數(shù)也可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)?shù)脑鰷p。電機(jī)的類型可以是感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷直流/交流電機(jī)。
參照圖14所示，采用氣瓶18作為氣源。氣體回收裝置3由控制器16根據(jù)飛輪箱2上的壓力表15的讀數(shù)控制真空泵17回收氣體，使飛輪箱2內(nèi)氣壓保持穩(wěn)定。真空泵17與儲氣罐20相連通。氣瓶18裝有壓力表15，通過閥門開關(guān)19與儲氣罐20相連通，儲氣罐20上裝有壓力表15。儲氣罐20中的惰性氣體經(jīng)過粗濾器21，精濾器22，壓力表15，流量計(jì)23，閥門開關(guān)19，穩(wěn)壓器24，壓力表15，節(jié)流器25，送到下箱體10靜壓氣浮點(diǎn)9使用。供氣壓力在0.002～0.02MPa(絕對壓力)，壓力穩(wěn)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于3-5μm；相對濕度不大于35％。
參照圖15所示，飛輪電池功率變換裝置中，三相交流電源28和負(fù)載31與整流逆變裝置29可控整流端相連，整流逆變裝置29的逆變端與電機(jī)30的繞組連接。整流逆變裝置29的信號輸入和輸出端分別與儲能/放能控制器26的驅(qū)動電路端和檢測電路端相連。其中整流逆變裝置29和儲能/放能控制器26共同構(gòu)成電力電子變換裝置1。
飛輪8儲能時(shí)，儲能/放能控制器26控制整流逆變裝置29，將三相交流電變?yōu)轵?qū)動電機(jī)30所需的電壓和頻率可變的交流電，并根據(jù)接收到的整流逆變裝置29的電壓、電流反饋信號和速度傳感器27反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號以及給定信號實(shí)時(shí)調(diào)整對整流逆變裝置29的控制。
飛輪8放能時(shí)，儲能/放能控制器26控制整流逆變裝置29，將電機(jī)30所發(fā)的交流電轉(zhuǎn)換后，輸送給負(fù)載31。并根據(jù)接收到的整流逆變裝置29的電壓、電流反饋信號和速度傳感器27反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號以及給定信號實(shí)時(shí)調(diào)整對整流逆變裝置29的控制。
權(quán)利要求
1.一種微壓氣體支撐飛輪電池，包括電力電子變換裝置，電力電子變換裝置與飛輪箱(2)內(nèi)的電機(jī)相連，飛輪箱(2)分為上箱體(6)和下箱體(10)，其特征在于，在下箱體(10)中央固定主軸(11)，主軸(11)下端配置有著陸軸承(13)，著陸軸承(13)內(nèi)環(huán)與主軸(11)底端過盈配合，內(nèi)環(huán)下端面與下箱體(10)接觸，下箱體(10)底面和側(cè)壁設(shè)置靜壓氣浮點(diǎn)(9)，下箱體(10)內(nèi)配置飛輪(8)，飛輪(8)與著陸軸承(13)外環(huán)過盈配合，飛輪(8)上固定電機(jī)轉(zhuǎn)子(7)，電機(jī)定子(12)固定在主軸(11)上，上箱體(6)上開有排氣孔(5)，排氣孔(5)與氣體回收裝置(3)相連通，氣體回收裝置(3)與氣源(4)相連通，氣源(4)與飛輪箱(2)的靜壓氣浮點(diǎn)(9)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于下箱體(10)底面和側(cè)壁設(shè)置氣體動壓溝槽(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于著陸軸承(13)采用角接觸球軸承。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于電機(jī)定子(12)也可固定在飛輪箱(2)的外側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于，電機(jī)可以是感應(yīng)電機(jī)或永磁無刷直流/交流電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于，靜壓氣浮點(diǎn)(9)是孔、縫隙或是用帶有毛細(xì)孔材料填充的孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于，飛輪(8)是圓柱形或圓錐形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于，氣源(4)的惰性氣體通入到靜壓氣浮點(diǎn)(9)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微壓氣體支撐飛輪電池，其特征在于，靜壓氣浮點(diǎn)(9)設(shè)置在氣體動壓溝槽(14)內(nèi)或者氣體動壓溝槽(14)外。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微壓氣體支撐飛輪電池，本發(fā)明包括飛輪，飛輪箱，電機(jī)，主軸，著陸軸承，電力電子變換裝置，氣體回收裝置，氣源。電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪固定在一起。飛輪箱底面和側(cè)面有靜壓氣浮點(diǎn)和動壓溝槽。充電時(shí)，氣源給飛輪箱供給惰性氣體，使飛輪脫離著陸軸承而懸浮，電源通過電力電子變換裝置驅(qū)動電動機(jī)，飛輪高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)氣體回收裝置將惰性氣體輸送回氣源供再次使用。放電時(shí)，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用。隨著飛輪轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芡ㄟ^電力電子變換裝置輸出。本發(fā)明具有飛輪摩擦阻力小，極限轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。
文檔編號H02K7/00GK1750357SQ200510096140
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者康龍?jiān)? 郭振宇, 張傳偉, 曹秉剛 申請人:西安交通大學(xué)