曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统的制作方法

本发明涉及一种飞轮储能系统，具体涉及一种曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统，属于飞轮储能技术领域。

背景技术：

飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，主动参与系统的动态行为，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。飞轮储能系统主要由飞轮转子、轴承、一体化电动/发电互逆式双向电机、电子电力转换器等组成。一体化电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速飞轮机械能转换。电能通过电力转换器驱动电机，飞轮加速储能；之后，电机恒定运转直至接收释能控制信号；高速飞轮拖动电机发电释能，经转换器输出适于负载的电流与电压。

为存储更多能量，减小系统损耗，飞轮转子需要具有较大的转动惯量，并在真空环境下处于高转速运转。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的机电一体化储能装备，飞轮储能系统目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承系统选型、一体化电动/发电机的性能与控制等。飞轮储能系统若采取安装内转子电机，并采用多个磁悬浮轴承支承，通常会增加飞轮转子的轴向长度，影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决现有的飞轮储能系统存在的飞轮转子的轴向长度，影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳的问题，进而设计了一种曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统，该系统采用外转子永磁同步电机与永磁轴承混合支承。

本发明所采取的方案为：曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统，包括能量储存转化部分、转子支承部分和辅助部分；

其中，能量储存转化部分包括飞轮旋转体和外转子永磁同步电机6；转子支承部分包括上径向电磁轴承、下径向电磁轴承、上辅助轴承、下辅助轴承和永磁推力轴承；辅助部分包括壳体和芯轴；

其中，所述芯轴和飞轮旋转体安装在壳体内，壳体内部保持真空状态；飞轮主体为曲面变截面结构，所述曲面变截面结构为沿飞轮水平中心向上和向下直径逐渐缩小的曲面阶梯结构，阶梯间采用曲面过渡，以飞轮中心建立笛卡尔坐标系，所述曲面的截面曲线沿笛卡尔坐标系的横纵坐标轴均呈双曲线形式；所述永磁推力轴承、上辅助轴承、外转子永磁同步电机和下辅助轴承均安装在芯轴上，且沿轴向由上至下依次排布；上辅助轴承、下辅助轴承、外转子永磁同步电机的内定子都固定安装在芯轴上；飞轮旋转体的上端和下端通过上辅助轴承和下辅助轴承与芯轴建立连接，且与上辅助轴承和下辅助轴承呈间隙配合状态；所述永磁推力轴承置于飞轮旋转体上方，且与飞轮旋转体的上端面间留有间隙；所述外转子永磁同步电机置于飞轮旋转体内，且带动飞轮旋转体旋转；所述上径向电磁轴承、下径向电磁轴承固定安装在壳体上，且上径向电磁轴承、下径向电磁轴承与飞轮旋转体外壁呈无接触状态。

进一步地：所述飞轮旋转体包括飞轮、飞轮上端盖和飞轮下端盖，飞轮上下端安装有飞轮上端盖和飞轮下端盖，飞轮上端盖与上辅助轴承间隙配合，飞轮下端盖与下辅助轴承间隙配合。

进一步地：所述飞轮旋转体为合金钢飞轮旋转体。

进一步地：所述上径向电磁轴承、下径向电磁轴承与飞轮旋转体外壁之间的间隙为0.5～1mm。如此设置，飞轮旋转体受电磁力控制，与轴承无径向相互接触，处于悬浮状态，极大减少机械摩擦磨损，对飞轮旋转体进行径向支承与主动控制，可良好地保证轴承支承的稳定性。

进一步地：所述飞轮旋转体的上端和下端与上辅助轴承和下辅助轴承之间的间隙为0.1～0.5mm。如此设置，飞轮旋转体受电磁力控制，与轴承无轴向相互接触，处于悬浮状态，极大减少机械摩擦磨损。

进一步地：所述永磁推力轴承中嵌入永磁体。如此设置，可对飞轮旋转体进行轴向卸载。

进一步地：所述永磁推力轴承与飞轮旋转体的上端面之间的间隙为0.5～1mm。如此设置，飞轮旋转体受磁力控制，与永磁推力轴承无轴向相互接触，处于悬浮状态，极大减少机械摩擦磨损，且永磁推力轴承为飞轮转子进行轴向卸载，可极大减轻电磁轴承轴向负载。

进一步地：所述外转子永磁同步电机的电机内定子为缠绕线圈，外转子永磁同步电机的电机外转子为SmCo永磁体。

进一步地：所述上辅助轴承通过上固定轴套轴向定位在芯轴上，下辅助轴承通过下定位套轴向定位在芯轴上；上径向电磁轴承通过上电磁轴承外定子支承安装在壳体上，下径向电磁轴承通过下电磁轴承外定子支承安装在壳体上。如此设置，磁体上下端面由固定轴套约束紧固，且永磁体外表面受飞轮旋转体内表面保护。

进一步地：所述上径向电磁轴承与下径向电磁轴承结构相同，包括定子线圈和置于定子线圈内部的硅钢片转子，定子线圈为电磁轴承的外定子，硅钢片转子为电磁轴承内转子，定子线圈与硅钢片转子之间留有间隙。如此设计，主动电磁轴承有助于结构紧凑化设计。

进一步地：所述上辅助轴承和下辅助轴承采用滚动轴承。滚动轴承的外圈轴向面与外径向面均分别于飞轮上端盖和飞轮下端盖存在间隙，该间隙小于定子线圈与硅钢片转子之间的间隙。上辅助轴承和下辅助轴承的内圈固定，当转子跌落或者需要维修时，辅助轴承外圈承受转子冲击，避免转子与电磁轴承接触。

进一步地：所述壳体包括上壳体和下壳体，两者通过螺栓相连接，壳体内部保持真空状态，真空度至少为0.1Pa。真空环境可有效降低高速转子转动时的风阻，减少转子旋转时的摩擦，有效降低机械损耗，提高储能效率。

本发明所达到的效果为：

本发明选择外转子永磁同步电机作为一体化电动/发电互逆式双向电机，可使转子系统结构紧凑，提升转子动力学特性。同时，飞轮还对于永磁磁瓦起到一定的保护作用。电机内定子散热方式可选择强制水冷方式。采用新型外转子主动电磁轴承对飞轮转子进行径向支承与主动控制，永磁轴承为飞轮转子进行轴向卸载，可保证轴承支承的稳定性，减少摩擦，降低振动，并且进一步紧凑系统空间结构尺寸，有利于系统小型化设计。

具体地：本发明的飞轮储能系统利用上径向电磁轴承、下径向电磁轴承、上辅助轴承、下辅助轴承和永磁推力轴承将飞轮旋转体无接触悬浮，飞轮旋转体的轴向位移、径向位移以及绕水平面x轴与y轴的旋转由上径向电磁轴承和下径向电磁轴承控制，并且飞轮旋转体的轴向旋转由外转子永磁同步电机控制。如此设计，飞轮旋转体在空间中无接触状态下实现高速旋转，处于无摩擦的全悬浮状态，可良好避免高速转子摩擦损耗，并且真空环境可有效减少风损。外转子永磁同步电机安装于飞轮旋转体内部，对比于内转子电机系统中电机与飞轮串联结构，极大地减少了轴系轴向尺寸，结构紧凑，减少转子振动。上辅助轴承和下辅助轴承为转子提供临时辅助支承，防止系统失效，转子跌落与电磁轴承碰撞，为转子起到限位与保护的作用。

附图说明

图1为本发明的曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统的结构图；

图2为飞轮的结构图；

图3为外转子永磁同步电机的结构图；

图4为径向电磁轴承结构简图；

图5为辅助轴承结构简图。

图中：

1-飞轮；2-飞轮上端盖；3-飞轮下端盖；4-上径向电磁轴承；5-下径向电磁轴承；6-外转子永磁同步电机；7-上辅助轴承；8-下辅助轴承；9-永磁推力轴承；10-永磁体；11-上壳体；12-下壳体；13-上电磁轴承外定子支承；14-下电磁轴承外定子支承；15-螺栓，16-上固定轴套；17-下固定轴套；18-芯轴；19-电机外转子；20-电机内定子；21-定子线圈；22-硅钢片转子。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例：参见图1至图5，本实施例中的曲面变截面转子混合支承的飞轮储能系统，包括能量储存转化部分、转子支承部分与辅助部分；其中，能量储存转化部分包括：飞轮旋转体、一体化电动/发电互逆式双向电机；转子支承部分包括：上径向电磁轴承4、下径向电磁轴承5、永磁推力轴承9、上辅助轴承7、下辅助轴承8；辅助部分包括：壳体和芯轴18。

其中，一体化电动/发电互逆式双向电机选用外转子永磁同步电机6，永磁推力轴承9、上辅助轴承7、外转子永磁同步电机6、下辅助轴承8安装在芯轴18上，轴向上从上到下依次排布。

上辅助轴承7、下辅助轴承8、外转子永磁同步电机6的内定子都固定安装在芯轴18上。上径向电磁轴承、下径向电磁轴承固定安装在壳体上，且上径向电磁轴承、下径向电磁轴承与飞轮旋转体外壁呈无接触状态。壳体内部保持真空状态。

上述飞轮储能系统利用径向电磁轴承和永磁推力轴承将飞轮旋转体无接触悬浮，可良好避免高速转子摩擦损耗，并且真空环境可有效减少风损。

飞轮旋转体材料为合金钢，其飞轮1与飞轮上端盖2、飞轮下端盖3通过螺栓相连接，飞轮旋转体的轴向位移、径向位移以及绕水平面x轴与y轴的旋转由上径向电磁轴承4、下径向电磁轴承5所控制，并且其轴向旋转由外转子永磁同步电机6所控制。

永磁推力轴承9中嵌入永磁体10，可对飞轮旋转体进行轴向卸载。永磁推力轴承9与飞轮旋转体之间存在微小间隙，互相不接触。同时，上径向电磁轴承4和下径向电磁轴承5对飞轮1进行径向支承与主动控制，可良好保证轴承支承的稳定性。飞轮旋转体通过永磁推力轴承以及上径向电磁轴承4、下径向电磁轴承5的支承，可在空间中无接触状态下实现高速旋转，处于无摩擦的全悬浮状态。

一体化电动/发电互逆式双向电机选择选择外转子永磁同步电机6。外转子永磁同步电机6为电能转换的核心部件。储能时，电能通过电力转换器驱动电机，电机带动飞轮加速旋转，电能转化为飞轮的机械能进行储能；之后电机恒定运转直至接收释能控制信号；释能时，高速飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适于负载的电流与电压。

所述上辅助轴承7通过上固定轴套16轴向定位在芯轴18上；下辅助轴承8通过下定位套17轴向定位在芯轴18上；上径向电磁轴承4通过上电磁轴承外定子支承13安装在壳体上，下径向电磁轴承5通过下电磁轴承外定子支承14安装在壳体上。

所述飞轮1主体为曲面变截面结构(如图2所示)，具有较大惯性，应力分布合理，飞轮旋转体为合金钢材料。所述曲面变截面结构为沿飞轮水平中心向上和向下直径逐渐缩小的曲面阶梯结构，阶梯间采用曲面过渡，以飞轮中心建立笛卡尔坐标系，所述曲面的截面曲线沿笛卡尔坐标系的横纵坐标轴均呈双曲线形式。此种飞轮更加易于加工。

所述外转子永磁同步电机6采用外转子结构形式(图3)，可将电机安装于飞轮旋转本体内部，大大减少轴系轴向尺寸，结构紧凑，改善转子动力学特性，减少转子振动。其中，20为电机内定子，其为缠绕线圈；19为电机外转子，其为永磁体SmCo。

所述上径向电磁轴承4和下径向电磁轴承5结构如图4所示，上径向电磁轴承4与下径向电磁轴承5结构相同，包括定子线圈21和置于定子线圈21内部的硅钢片转子22，定子线圈21为电磁轴承的外定子，硅钢片转子22为电磁轴承内转子，定子线圈21与硅钢片转子22之间留有间隙。外转子径向电磁轴承有助于结构紧凑化设计。

同时，在飞轮旋转体的上、下两端分别安装上辅助轴承7和下辅助轴承8，为转子提供临时辅助支承，防止系统失效转子跌落与电磁轴承碰撞，为转子起到限位与保护的作用。

上辅助轴承7和下辅助轴承8分别如图5所示。上辅助轴承7和下辅助轴承8选择滚动轴承。滚动轴承外圈轴向面与外径向面均分别与飞轮上端盖2和飞轮下端盖3存在微小间隙，且该间隙小于定子线圈21与硅钢片转子22之间的间隙。辅助轴承内圈固定，当转子跌落或需要维修时，辅助轴承外圈承受转子冲击，避免转子与电磁轴承接触。

为降低飞轮转子高速旋转时的风阻摩擦，有效保证系统能量转换效率，系统壳体内需要保持真空状态。所述壳体包括上壳体11和下壳体12，两者通过螺栓15相连接。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。