专利名称：一种飞轮储能装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电能存储技术领域，具体来说，涉及的是一种飞轮储能装置。
背景技术：
飞轮储能装置正超着高速、大功率方向发展，飞轮的体积正变得越来越大。但是从 国内外技术市场来看，飞轮储能装置仍然广泛地使用径向气隙的电机，应当看到径向气隙 电机体积大，这就越发增大了大容量储能飞轮装置的体积，因此，如何减小大容量储能飞轮 的体积是飞轮研发的关键技术之一。同时，从支承方式来看，电磁悬浮轴承、超导磁悬浮轴 承、永磁悬浮轴承等已成为飞轮储能装置的主流支承方式。以上支承方式虽然在一定程度 上满足了储能飞轮的高转速和低功耗要求，但是也带来了较为突出的问题电磁悬浮轴承 的测控系统复杂，维护成本较高，加之磁轴承本身也需要供电，这就降低了飞轮储能系统的 整体能量转换效率，降低了储能性价比；高温超导磁悬浮轴承需要构建低温环境，大幅度地 增加了运行成本，同样导致飞轮储能系统的整体能量转换效率下降；永磁悬浮轴承对外界 激励的抑制能力较差，单靠永磁悬浮轴承本身无法实现全悬浮。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种飞轮储能装置，该飞轮储能 装置具有体积小的优点，并且该装置中的轴承在轴向和径向上的承载压力小。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
本发明的飞轮储能装置，包括采用立式结构的设置有上传动轴和下传动轴的飞轮本 体、上轴承、下轴承和电机，飞轮本体的上传动轴和上轴承相配合，飞轮本体的下传动轴和 下轴承相配合，电机连接在飞轮本体的一端，还包括永磁轴承，永磁轴承的上磁环固定在飞 轮本体的下端面，永磁轴承的下磁环固定在下轴承固定板上，并且，永磁轴承的上磁环与永 磁轴承的下磁环相互对应，永磁轴承的上磁环与永磁轴承的下磁环之间有轴向间隙；所述 的电机的定子位于电机的转子的上方，电机的定子固定在机架上，电机的转子固定在飞轮 本体的上端面，并且，电机的定子与电机的转子相互对应，电机的定子与电机的转子之间有 轴向间隙。所述的上轴承是上混合陶瓷球轴承，所述的上传动轴是上弹性轴，上弹性轴呈阶 梯状；所述的飞轮本体的上端面与上弹性轴中直径较大的部分固定连接，上弹性轴中直径 较小的部分嵌在上混合陶瓷球轴承的内表面中；所述的下轴承是下混合陶瓷球轴承，所述 的下传动轴是下弹性轴，下弹性轴是阶梯轴；所述的飞轮本体的下端面与下弹性轴中直径 较大的部分固定连接，下弹性轴中直径较小的部分嵌在下混合陶瓷球轴承的内表面中。所述的飞轮储能装置，还包括弹性鼠笼，弹性鼠笼位于下轴承固定板上部的凹坑 中，并且弹性鼠笼与下轴承固定板固定连接；下轴承固定板上部的凹坑中盛有润滑油；所 述的下混合陶瓷球轴承的外表面和弹性鼠笼的内表面相配合。有益效果与现有技术相比，采用本发明技术方案的有益效果是1.飞轮储能装置体积小，同时具有抗倾覆能力，有助于降低轴承的承载力。本技术方案中，电机在飞轮储 能装置上的布置方式是采用轴向气隙方式。目前常用的是将电机在飞轮储能装置上采用径 向气隙的布置方式。与径向气隙的电机相比，轴向气隙的电机的技术优势在于相等功率的 轴向气隙的电机轴向尺寸要远小于径向气隙的电机，这样整个飞轮储能装置的体积就相应 减小。同时，轴向气隙的电机可以作为飞轮本体的辅助轴承，具有一定的轴向承载能力与径 向承载能力。位于飞轮本体的下方的永磁轴承可以保证电机的定子与转子之间的距离位于 工作距离之内。同时，永磁轴承也具有抗倾覆能力，为下轴承卸载，有助于降低下轴承的承 载力。2.减小轴承的摩擦功耗。本技术方案中，上轴承和下轴承均采用混合陶瓷球轴承。 与其他材质的轴承相比，混合陶瓷球轴承可以减小轴承的摩擦功耗，延长轴承的使用寿命。3.整个飞轮储能装置顺利平稳地通过临界转速。本技术方案中，飞轮本体的上 端面固定连接上弹性轴中直径较大的部分，上弹性轴的中直径较小的部分嵌在上混合陶瓷 球轴承的内表面中。飞轮本体的下端面固定连接下弹性轴中直径较大的部分，下弹性轴中 直径较小的部分嵌在下混合陶瓷球轴承的内表面中，并且下混合陶瓷球轴承位于弹性鼠笼 中。根据飞轮本体的质量，合理地选取上弹性轴和下弹性轴的长度与直径，设计弹性鼠笼的 几何参数，使飞轮储能装置的一阶临界转速远低于工作转速，形成柔性飞轮转子装置。该结 构的飞轮储能装置可以获得轴系临界转速的合理分布，使得飞轮通过较低的一阶临界转速 后将自动定心，实现在二阶临界转速下较宽转速范围内的稳定运行。4.混合陶瓷球轴承的使用寿命长。本技术方案中，轴向气隙的电机和永磁轴承可 以显著地降低作用在混合陶瓷球轴承上的径向载荷。由于混合陶瓷球轴承的使用寿命是径 向载荷三次方函数，所以本技术方案能显著地延长混合陶瓷球轴承使用寿命。5.结构简单、成本低、易于维护。与当前流行的电磁悬浮轴承、超导磁悬浮轴承飞 轮装置相比，本技术方案采用的柔性混合陶瓷球轴承飞轮储能装置具有结构简单、成本低、 易于维护的技术优势。
图1是本发明的结构剖视图。图2是本发明中的永磁轴承上磁环仰视图。图中有上轴承固定板1、上固定环2、上混合陶瓷球轴承3、上弹性轴4、电机的定 子5、电机的转子6、飞轮本体7、永磁轴承的上磁环8、永磁轴承的下磁环9、下轴承固定板 10、真空容器11、下弹性轴12、润滑油13、下固定环14、下混合陶瓷球轴承15、弹性鼠笼16、 环片801。
具体实施例方式如图1所示本发明的一种飞轮储能装置，包括采用立式结构的设置有上传动轴 和下传动轴的飞轮本体7、上轴承、下轴承、电机和永磁轴承。飞轮本体7采用金属材料制 成。所谓立式结构就是指飞轮本体7的轴线是竖线。电机既可以当电动机带动飞轮本体 7转动，将电能转换为动能，也可以当发电机，把高速旋转的飞轮本体7的动能转换为电能。 飞轮本体7的上端面固定连接有上传动轴，该上传动轴与上轴承相配合。飞轮本体7的下端面固定连接有下传动轴，该下传动轴与下轴承相配合。飞轮本体7位于上轴承和下轴承 之间。永磁轴承的上磁环8固定在飞轮本体7的下端面，永磁轴承的下磁环9固定在下轴 承固定板10上，并且，永磁轴承的上磁环8与永磁轴承的下磁环9相互对应，永磁轴承的上 磁环8与永磁轴承的下磁环9之间有轴向间隙。永磁轴承的上磁环8和永磁轴承的下磁环 9共同组成了一只永磁轴承。电机的定子5固定在机架上，电机的转子6固定在飞轮本体7 的上端面，并且，电机的定子5与电机的转子6相互对应。电机的定子5与电机的转子6之 间有轴向间隙。上述结构的飞轮储能装置，设置在飞轮本体7下方的永磁轴承，可以保证电机的 定子5与电机的转子6之间的距离位于工作距离之内。当电机通电初始，电机的定子5与电 机的转子6的距离太远，不能工作。永磁轴承可以保证电机的定子5与电机的转子6之间 的距离位于工作距离之内，使电机正常工作。同时，永磁轴承可以提供一定的轴向刚度，具 有抗倾覆能力，减小飞轮储能装置轴承上的轴向载荷。电机在飞轮储能装置上的布置方式 是采用轴向气隙方式。目前常用的是将电机在飞轮储能装置上采用径向气隙的布置方式。 径向气隙的布置方式是将电机的转子固定在飞轮本体的上传动轴或者下传动轴上，电机的 定子固定在上轴承固定板或者下轴承固定板上。与径向气隙的电机相比，轴向气隙的电机 的技术优势在于相等功率的轴向气隙的电机轴向尺寸要远小于径向气隙的电机，这样整 个飞轮储能装置的体积就相应减小。同时，轴向气隙的电机可以作为飞轮本体的辅助轴承， 具有一定的轴向承载能力与径向承载能力。由于轴向气隙的电机与永磁轴承的共同作用， 卸掉飞轮本体7的大部分载荷，大幅降低下轴承的轴向载荷，可以达到减小摩擦，降低功耗 与延长寿命之功效。进一步，如图2所示，所述的永磁轴承的上磁环8是由八块大小相同的环片801沿 周向排成的圆环，并且每块环片801的S极到N极的指向均为从上向下或者均为从下向上。 每块环片801的S极到N极的指向均为从上向下或者均为从下向上，也就是说环片801与 永磁轴承的下磁环9相对应的一面，均为N极或者均为S极。上磁环8没有采用整体式，而 是由八块大小相同的环片801组成的圆环。这样可以大幅度降低磁性材料在高速转动时的 环向拉应力，保证永磁轴承的上磁环8的环向强度，从而确保在高转速下，大尺寸的永磁轴 承仍然能够稳定运行。进一步，上轴承和下轴承均采用混合陶瓷球轴承。上轴承是上混合陶瓷球轴承3。 上传动轴是上弹性轴4。上弹性轴4是阶梯轴。上弹性轴4包含两段直径不同的轴。飞轮 本体7的上端面与上弹性轴4中直径较大的部分固定连接，上弹性轴4中直径较小的部分 嵌在上混合陶瓷球轴承3的内表面中。下轴承是下混合陶瓷球轴承15。下传动轴是下弹性 轴12，下弹性轴12也是阶梯轴。下弹性轴12包含两段直径不同的轴。飞轮本体7的下端 面与下弹性轴12中直径较大的部分固定连接，下弹性轴12中直径较小的部分嵌在下混合 陶瓷球轴承15的内表面中。采用混合陶瓷球轴承，可大幅减小轴承的摩擦功耗。其中，上 弹性轴4和上混合陶瓷球轴承3之间采用间隙配合，并且，上弹性轴4中直径较大的部分的 顶面到上轴承固定板1底面的距离小于电机的定子5和电机的转子6之间的轴向间隙。上 弹性轴4中直径较大的部分的顶面到上轴承固定板1底面之间的距离，即图1中标示的T。 上弹性轴4中直径较大的部分的顶面到上轴承固定板1底面的距离，小于电机的定子5和 电机的转子6之间的轴向间隙，可以减轻甚至避免在运输或者装配过程中发生的碰撞对电机造成的损伤。进一步，所述的飞轮储能装置，还包括弹性鼠笼16，弹性鼠笼16位于下轴承固定 板10上部的凹坑中，并且弹性鼠笼16与下轴承固定板10固定连接；下轴承固定板10上部 的凹坑中盛有润滑油13。所述的下混合陶瓷球轴承15的外表面和弹性鼠笼16的内表面相 配合。润滑油13、弹性鼠笼16和下混合陶瓷球轴承15共同组成一个挤压油膜阻尼器。在 装配后，下混合陶瓷球轴承15浸没在润滑油13中。这样可以保证整个飞轮顺利平稳地通 过临界转速。飞轮本体7通过上弹性轴4和下弹性轴12支承在一对角接触的混合陶瓷球 轴承上。根据飞轮本体7的质量，合理地选取上弹性轴4和下弹性轴12的长度与直径，设 计弹性鼠笼16的几何参数，使飞轮储能装置的一阶临界转速远低于工作转速，形成柔性飞 轮转子装置。该结构的飞轮储能装置可以获得轴系临界转速的合理分布，使得飞轮通过较 低的一阶临界转速后将自动定心，实现在二阶临界转速下较宽转速范围内的稳定运行。进一步，飞轮储能装置还包括下固定环14，下固定环14嵌在弹性鼠笼16 中，并 且，下固定环14的顶面和下混合陶瓷球轴承15的外圈底面相触，下固定环14的底面和弹 性鼠笼16的内壁底面相触。下固定环14可以起到限位作用。由于下固定环14的限制，所 以下混合陶瓷球轴承15在工作时不会往下移动，确保整个飞轮储能装置的安全运行。进一步，所述的飞轮储能装置，还包括上固定环2，上固定环2与飞轮本体7同轴， 上固定环2嵌在上轴承固定板1的内壁上，并且上固定环2的底面与上混合陶瓷球轴承3 的外圈顶面相触。设置上固定环2可以用来固定上轴承的轴向位置，并且利于拆卸上轴承。进一步，所述的飞轮本体7、上轴承、下轴承和电机位于真空容器11中。设置在真 空容器11中，可以减少整个飞轮储能装置运行过程中的风损。
权利要求
1.一种飞轮储能装置，包括采用立式结构的设置有上传动轴和下传动轴的飞轮本体 (7)、上轴承、下轴承和电机，飞轮本体(7)的上传动轴和上轴承相配合，飞轮本体(7)的下 传动轴和下轴承相配合，电机连接在飞轮本体(7)的一端，其特征在于，还包括永磁轴承，永 磁轴承的上磁环(8)固定在飞轮本体(7)的下端面，永磁轴承的下磁环(9)固定在下轴承固 定板(10)上，并且，永磁轴承的上磁环(8)与永磁轴承的下磁环(9)相互对应，永磁轴承的 上磁环(8)与永磁轴承的下磁环(9)之间有轴向间隙；所述的电机的定子(5)位于电机的转 子(6)的上方，电机的定子(5)固定在机架上，电机的转子(6)固定在飞轮本体(7)的上端 面，并且，电机的定子(5)与电机的转子(6)相互对应，电机的定子(5)与电机的转子(6)之 间有轴向间隙。
2.按照权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述的永磁轴承的上磁环(8)是 由八块大小相同的环片(801)沿周向排成的圆环，并且每块环片(801)的S极到N极的指向 均为从上向下或者均为从下向上。
3.按照权利要求1或2所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述的上轴承是上混合陶 瓷球轴承(3)，所述的上传动轴是上弹性轴(4)，上弹性轴(4)呈阶梯状；所述的飞轮本体 (7)的上端面与上弹性轴(4)中直径较大的部分固定连接，上弹性轴(4)中直径较小的部分 嵌在上混合陶瓷球轴承(3)的内表面中；所述的下轴承是下混合陶瓷球轴承(15)，所述的 下传动轴是下弹性轴(12)，下弹性轴(12)是阶梯轴；所述的飞轮本体(7)的下端面与下弹 性轴(12)中直径较大的部分固定连接，下弹性轴(12)中直径较小的部分嵌在下混合陶瓷 球轴承(15)的内表面中。
4.按照权利要求3所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括弹性鼠笼(16)，弹性鼠笼 (16)位于下轴承固定板(10)上部的凹坑中，并且弹性鼠笼(16)与下轴承固定板(10)固定 连接；下轴承固定板(10)上部的凹坑中盛有润滑油(13);所述的下混合陶瓷球轴承(15)的 外表面和弹性鼠笼(16)的内表面相配合。
5.按照权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述的上弹性轴(4)和上混合陶 瓷球轴承(3)之间为间隙配合，并且，上弹性轴(4)中直径较大的部分的顶面到上轴承固定 板(1)底面的距离小于电机的定子(5)和电机的转子(6)之间的轴向间隙。
6.按照权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括下固定环(14)，下固定环 (14)嵌在弹性鼠笼(16)中，并且，下固定环(14)的顶面和下混合陶瓷球轴承(15)的外圈 底面相触，下固定环(14)的底面和弹性鼠笼(16)的内壁底面相触。
7.按照权利要求6所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括上固定环(2)，上固定环 (2)嵌在上轴承固定板(1)的内壁上，并且上固定环(2)的底面与上混合陶瓷球轴承(3)的 外圈顶面相触。
8.按照权利要求7所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括真空容器(11)，所述的飞 轮本体(7)、上轴承、下轴承和电机位于真空容器(11)中。
全文摘要
本发明公开了一种飞轮储能装置，包括采用立式结构的飞轮本体、上轴承、下轴承和电机，飞轮本体的上传动轴和上轴承相配合，飞轮本体的下传动轴和下轴承相配合，电机连接在飞轮本体的一端，还包括永磁轴承，永磁轴承的上磁环固定在飞轮本体的下端面，永磁轴承的下磁环固定在下轴承固定板上，并且，永磁轴承的上磁环与永磁轴承的下磁环相互对应，永磁轴承的上磁环与下磁环之间有轴向间隙；电机的定子位于电机的转子的上方，电机的定子固定在机架上，电机的转子固定在飞轮本体的上端面，并且，电机的定子与转子相互对应，电机的定子与转子之间有轴向间隙。该结构的飞轮储能装置体积小，同时具有抗倾覆能力，有助于降低轴承的承载力。
文档编号H02K7/09GK102122860SQ20111003863
公开日2011年7月13日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者王洪昌, 蒋书运 申请人:东南大学