專利名稱：分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及飛輪電池(也稱飛輪儲能裝置)領(lǐng)域，尤其是一種采用分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池。
背景技術(shù)：
在眾多儲能裝置中，飛輪電池突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，就具有一定的動能，飛輪電池以其動能轉(zhuǎn)換成電能。飛輪電池以其大儲能、強功率、高效率、長壽命、充放電速度快、清潔無污染等突出優(yōu)勢有望成為最具前景的儲能電池。飛輪電池的工作原理是飛輪電池中有一個電機,充電時該電機以電動機形式運 轉(zhuǎn)，將外界輸入的電能通過電動機轉(zhuǎn)化為飛輪的動能儲存起來，即飛輪電池“充電”；當外界需要電能時，通過發(fā)電機將飛輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，輸出給外部負載，即飛輪電池“放電”；當與外界無能量交換時，飛輪電池“待機”。飛輪電池大部分時間工作在高速“待機”狀態(tài)，因此飛輪電池的支承系統(tǒng)應(yīng)兼具低損耗、高可靠性的特點，通常采用電磁/永磁混合型磁懸浮軸承。飛輪電池依靠電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換，并且飛輪電池儲能容量與電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此飛輪電池用電動/發(fā)電一體化的電機應(yīng)兼具空載損耗小、負載效率高、高速運行時可靠性高的特點，通常采用永磁電機、開關(guān)磁阻電機和異步電機。由于目前永磁電機轉(zhuǎn)子上的永磁體和異步電機轉(zhuǎn)子上的繞組導(dǎo)致電機高速運行下空載損耗大、可靠性低，因此，限制了飛輪電池臨界轉(zhuǎn)速的提高及儲能容量的增大?，F(xiàn)有技術(shù)的飛輪電池將飛輪轉(zhuǎn)子、混合型磁懸浮軸承和電機分別作為獨立的個體安裝在轉(zhuǎn)軸上，混合型磁懸浮軸承需提供飛輪電池5個自由度可控的懸浮支承，因此，導(dǎo)致飛輪電池體積大、成本高、能耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了飛輪電池儲能密度和儲能效率的提高。因此，如何提高飛輪電池的儲能容量、儲能密度和儲能效率是目前飛輪電池研究領(lǐng)域亟待解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題而提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、儲能容量大、能量密度高的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池。本實用新型采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括外殼及由外殼圍成的密閉的真空腔，真空腔中容納有軸向永磁軸承、兩個徑向永磁軸承、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A、飛輪轉(zhuǎn)軸、飛輪轉(zhuǎn)子、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B以及軸向電磁軸承；飛輪轉(zhuǎn)軸的軸向正中間固套飛輪轉(zhuǎn)子，飛輪轉(zhuǎn)軸的上下兩端分別設(shè)置軸向永磁軸承與軸向電磁軸承，兩個徑向永磁軸承分別位于軸向永磁軸承的下方和軸向電磁軸承的上方，兩個徑向永磁軸承和飛輪轉(zhuǎn)子之間分別是電機A和電機B ;電機A由電機A轉(zhuǎn)子、電機A定子以及繞組組成，電機A轉(zhuǎn)子固套在飛輪轉(zhuǎn)軸上，電機A定子固定連接外殼內(nèi)壁；電機B由電機B轉(zhuǎn)子、電機B定子以及繞組組成，電機B轉(zhuǎn)子固套在飛輪轉(zhuǎn)軸上，電機B定子固定連接外殼內(nèi)壁；電機A定子的每一極上繞有電機A轉(zhuǎn)矩繞組與電機A的X向懸浮繞組或電機A的y向懸浮繞組；電機B定子的每一極上繞有電機B轉(zhuǎn)矩繞組與電機B的X向懸浮繞組或電機B的y向懸浮繞組；所述電機A轉(zhuǎn)矩繞組與所述電機B轉(zhuǎn)矩繞組串聯(lián)，電機A的X向懸浮繞組、電機A的y向懸浮繞組、電機B的X向懸浮繞組、電機B的y向懸浮繞組均分開獨立繞制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是I、本實用新型采用軸向永磁軸承能卸載飛輪轉(zhuǎn)子80%以上的質(zhì)量，軸向電磁軸承提供軸向自由度的可控懸浮；分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機的懸浮繞組勵磁產(chǎn)生徑向懸浮力，并與徑向永磁軸承的徑向恢復(fù)力一起提供飛輪轉(zhuǎn)子在四個徑向自由度上的可控懸浮，不僅簡化了飛輪電池的結(jié)構(gòu)，而且降低了支承系統(tǒng)的能量損耗，特別是飛輪電池“待機”狀態(tài)下的能量損耗，提高了飛輪電池的儲能效率。2、本實用新型利用支承與傳動一體化的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機，將飛輪電池的徑向懸浮與能量轉(zhuǎn)換合二為一，轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮繞組勵磁后既可實現(xiàn)飛輪電池的機電能量轉(zhuǎn)換，也可實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的徑向可控懸浮，利用電機的功率和容量不僅降低了支承系統(tǒng)的能量損耗，而且減小了飛輪電池的體積和成本，大幅度提高了飛輪電池的儲能密度。3、本實用新型磁懸浮開關(guān)磁阻電機采用雙凸極機構(gòu)，轉(zhuǎn)子僅為導(dǎo)磁鐵心，結(jié)構(gòu)堅固可靠，適于高速、超高速運行，提高了飛輪電池的儲能容量。

圖I為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A定子5中和分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B定子9中的一相繞組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A產(chǎn)生X徑向懸浮力的工作原理示意圖。圖中1.外殼；2.真空腔；3.軸向永磁軸承；4.徑向永磁軸承；5.電機A定子；
6.電機A轉(zhuǎn)子；7.飛輪轉(zhuǎn)軸；8.飛輪轉(zhuǎn)子；9.電機B定子；10.電機B轉(zhuǎn)子；11.軸向電磁軸承；501.電機A定子鐵心；502.電機A轉(zhuǎn)矩繞組；503.電機A的y向懸浮繞組；504.電機A的X向懸浮繞組；901.電機B定子鐵心；902.電機B轉(zhuǎn)矩繞組；903.電機B的y向懸浮繞組；904.電機B的X向懸浮繞組。
具體實施方式
參見圖I所示，本實用新型包括外殼I以及由外殼I圍成的密閉的真空腔2。在真空腔2中容納了軸向永磁軸承3、兩個徑向永磁軸承4、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A、飛輪轉(zhuǎn)軸7、飛輪轉(zhuǎn)子8、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B以及軸向電磁軸承11。其中，飛輪轉(zhuǎn)子8固定套在飛輪轉(zhuǎn)軸7的軸向正中間位置，與飛輪轉(zhuǎn)軸7共同旋轉(zhuǎn)。位于飛輪轉(zhuǎn)子8上部分的飛輪轉(zhuǎn)軸7上，飛輪轉(zhuǎn)軸7的軸向上從下至下依次固定安裝電機A、徑向永磁軸承4和軸向永磁軸承3，位于飛輪轉(zhuǎn)子8下部分的飛輪轉(zhuǎn)軸7上，飛輪轉(zhuǎn)軸7的軸向上從上至下依次固定安裝電機B、另一個徑向永磁軸承4和軸向電磁軸承11。這樣，沿飛輪轉(zhuǎn)軸7的軸向上，使軸向永磁軸承3與軸向電磁軸承11分別設(shè)置在飛輪轉(zhuǎn)軸7的上下兩端；兩個徑向永磁軸承4分別位于軸向永磁軸承3的下方和軸向電磁軸承11的上方，兩個徑向永磁軸承4和飛輪轉(zhuǎn)子8之間分別電機A和電機B。兩個徑向永磁軸承4均由釹鐵硼材料制成，由多個軸向充磁永磁環(huán)經(jīng)軸向疊加而成，永磁環(huán)的動磁環(huán)與靜磁環(huán)之間為斥力。分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A由電機A轉(zhuǎn)子6、電機A定子5以及繞組組成，電機A轉(zhuǎn)子6固定套在飛輪轉(zhuǎn)軸7上，電機A轉(zhuǎn)子6徑向外設(shè)置相應(yīng)的電機A定子5,電機A定子5固定連接于外殼I內(nèi)壁上。分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B由電機B轉(zhuǎn)子10、電機B定子9以及繞組組成，電機B轉(zhuǎn)子10固定套在飛輪轉(zhuǎn)軸7上，電機B轉(zhuǎn)子10徑向 外設(shè)置相應(yīng)的電機B定子9，電機B定子9固定連接于外殼I內(nèi)壁上。上述電機A定子5和電機B定子9結(jié)構(gòu)相同，電機A轉(zhuǎn)子6和電機B轉(zhuǎn)子10結(jié)構(gòu)相同，電機A定子5、電機B定子9、電機A轉(zhuǎn)子6、電機B轉(zhuǎn)子10均采用三相12/8極的定轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)，且均為導(dǎo)磁鐵心沖片壓制而成。本實用新型的電機A轉(zhuǎn)子6、電機B轉(zhuǎn)子10、飛輪轉(zhuǎn)子8以及飛輪轉(zhuǎn)軸7合為一個整體。這樣，由電機A、電機B與上、下兩個徑向永磁軸承4共同構(gòu)成飛輪電池的電磁/永磁混合型徑向支承系統(tǒng)。當飛輪電池所受徑向擾動小時，由兩個徑向永磁軸承4提供徑向恢復(fù)力；當飛輪電池所受徑向擾動大時，由電機A、電機B勵磁產(chǎn)生的徑向懸浮力與兩個徑向永磁軸承4提供的徑向恢復(fù)力一起承擔飛輪電池的可控徑向懸浮支承，電機懸浮支承能耗小。參見圖2所例舉的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A定子5和分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B定子9的其中一相繞組的結(jié)構(gòu)，電機A定子5包括電機A定子鐵心501、電機A轉(zhuǎn)矩繞組502、電機A的X向懸浮繞組504和電機A的y向懸浮繞組503。電機A定子5的每一極上繞有電機A轉(zhuǎn)矩繞組502與電機A的X向懸浮繞組504或y向懸浮繞組503。電機A轉(zhuǎn)矩繞組502與X向懸浮繞組504、y向懸浮繞組503為同心繞組。電機B定子9包括電機B定子鐵心901、電機B轉(zhuǎn)矩繞組902、電機B的x向懸浮繞組904和電機B的y向懸浮繞組903。電機B定子9的每一極上繞有電機B轉(zhuǎn)矩繞組902與電機B的X向懸浮繞組904或電機B的y向懸浮繞組903。電機B轉(zhuǎn)矩繞組902與x向懸浮繞組904、y向懸浮繞組903為集中式同心繞組。將電機A轉(zhuǎn)矩繞組502與電機B轉(zhuǎn)矩繞組902串聯(lián)起來構(gòu)成一套轉(zhuǎn)矩繞組，勵磁產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或發(fā)電電壓實現(xiàn)飛輪電池能量的轉(zhuǎn)換。電機A的X向懸浮繞組504、電機A的y向懸浮繞組503，電機B的X向懸浮繞組904、電機B的y向懸浮繞組903均分開獨立繞制，分別勵磁后與一套轉(zhuǎn)矩繞組磁場相互作用產(chǎn)生徑向四個自由度的可控懸浮力，實現(xiàn)飛輪電池徑向可控的懸浮支承。如圖3所示，電機A轉(zhuǎn)矩繞組502由四極繞組串聯(lián)而成，其勵磁可產(chǎn)生對稱四極磁場，方向如圖3中實線所示；電機A的X向懸浮繞組504為徑向相對的兩極繞組串聯(lián)而成，其勵磁可產(chǎn)生對稱兩極磁場,方向如圖3中虛線所示；對稱四極磁場經(jīng)對稱兩極磁場的調(diào)制，產(chǎn)生X向的徑向懸浮力。I向懸浮繞組以及分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B產(chǎn)生的徑向懸浮力的原理與此相同。
權(quán)利要求1.一種分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池,包括外殼(I)及由外殼(O圍成的密閉的真空腔(2)，其特征是真空腔(2)中容納有軸向永磁軸承(3)、兩個徑向永磁軸承(4)、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機A、飛輪轉(zhuǎn)軸(7)、飛輪轉(zhuǎn)子(8)、分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機B以及軸向電磁軸承(11);飛輪轉(zhuǎn)軸(7)的軸向正中間固套飛輪轉(zhuǎn)子(8)，飛輪轉(zhuǎn)軸(7)的上下兩端分別設(shè)置軸向永磁軸承(3)與軸向電磁軸承(11)，兩個徑向永磁軸承(4)分別位于軸向永磁軸承(3)的下方和軸向電磁軸承(11)的上方，兩個徑向永磁軸承(4)和飛輪轉(zhuǎn)子(8)之間分別是電機A和電機B;電機A由電機A轉(zhuǎn)子(6)、電機A定子(5)以及繞組組成，電機A轉(zhuǎn)子(6)固套在飛輪轉(zhuǎn)軸(7)上，電機A定子(5)固定連接外殼(I)內(nèi)壁；電機B由電機B轉(zhuǎn)子(10)、電機B定子(9)以及繞組組成，電機B轉(zhuǎn)子(10)固套在飛輪轉(zhuǎn)軸(7)上，電機B定子(9)固定連接外殼(I)內(nèi)壁；電機A定子(5)的每一極上繞有電機A轉(zhuǎn)矩繞組(502)與電機A的X向懸浮繞組(504)或電機A的y向懸浮繞組(503);電機B定子(9)的每一極上繞有電機B轉(zhuǎn)矩繞組(902)與電機B的X向懸浮繞組(904)或電機B的y向懸浮繞組(903);所述電機A轉(zhuǎn)矩繞組(502)與所述電機B轉(zhuǎn)矩繞組(902)串聯(lián)，電機A的X向懸浮繞組(504 )、電機A的y向懸浮繞組(503 )、電機B的X向懸浮繞組(904 )、電機B的I向懸浮繞組(903)均分開獨立繞制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池，其特征是電機A定子(5)和電機B定子(9)結(jié)構(gòu)相同，電機A轉(zhuǎn)子(6)和電機B轉(zhuǎn)子(10)結(jié)構(gòu)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池，其特征是電機A定子(5 )、電機B定子(9 )、電機A轉(zhuǎn)子(6 )、電機B轉(zhuǎn)子(10 )均是三相12/8極的定轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池，其特征是電機A轉(zhuǎn)子(6 )、電機B轉(zhuǎn)子(10 )、飛輪轉(zhuǎn)子(8 )及飛輪轉(zhuǎn)軸(7 )為一個整體結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型公開一種分體式磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池，包括外殼及真空腔，真空腔中容納有軸向永磁軸承、兩個徑向永磁軸承、電機A、飛輪轉(zhuǎn)軸、飛輪轉(zhuǎn)子、電機B及軸向電磁軸承；飛輪轉(zhuǎn)軸的軸向正中間固套飛輪轉(zhuǎn)子，飛輪轉(zhuǎn)軸的上下兩端分別設(shè)置軸向永磁軸承與軸向電磁軸承，兩個徑向永磁軸承分別位于軸向永磁軸承的下方和軸向電磁軸承的上方，兩個徑向永磁軸承和飛輪轉(zhuǎn)子之間分別是電機A和電機B；電機A轉(zhuǎn)矩繞組與電機B轉(zhuǎn)矩繞組串聯(lián)，懸浮繞組均分開獨立繞制；軸向電磁軸承提供軸向自由度的可控懸浮，懸浮繞組勵磁產(chǎn)生徑向懸浮力與徑向永磁軸承徑向恢復(fù)力一起提供飛輪轉(zhuǎn)子在四個徑向自由度上的可控懸浮，提高了儲能效率。
文檔編號H02K7/02GK202713053SQ201220285440
公開日2013年1月30日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者項倩雯, 孫玉坤, 嵇小輔, 張新華 申請人:江蘇大學