一种磁悬浮飞轮储能装置的制作方法

本发明涉及一种飞轮储能装置，尤其是一种磁悬浮飞轮储能装置，属于飞轮储能技术领域。

背景技术：

目前电能的存储方式可分为以下几种：电化学储能、电磁储能、相变储能和物理储能。其中电化学储能是通过电化学反应，把化学能转化为电能。电化学储能装置价格低廉，技术成熟，但是其污染严重，效率低，寿命短。电磁储能是把电能转化为磁能存储在超导线圈中，该储能方式效率高，对环境的污染小，但其材料价格昂贵，成本高。相变储能是将电能转化成热能存储起来，但其缺点是转化效率比较低。物理储能包括飞轮储能，它是利用高速旋转的飞轮存储能量，其原理是：当其充电时，通过电机带动飞轮加速旋转，使电能转化成飞轮的旋转动能。当其放电时，电机工作在发电机的状态，储能飞轮带动发电机转子旋转将机械动能转化为电能。飞轮储能具有储能密度高，瞬时功率大，充电快，寿命长和无污染等优点，因此飞轮储能技术受到各行各业的重视，被认为是最有希望的储能技术，在国外已经将其用于航空、电力、汽车等行业中，具有广泛的应用前景。

考虑到工程中实用的价值，飞轮储能装置的轴承损耗要满足小于电机功率的3％。为了降低飞轮储能装置中的轴承损耗，将磁悬浮技术应用其中。采用磁悬浮轴承将转子悬浮起来，由于转子不存在机械摩擦，不仅降低了轴承损耗，还可以实现转子的高速旋转。

目前，按照悬浮力产生的方式，磁悬浮轴承可以分为被动型、主动型和混合型。被动型磁悬浮轴承的悬浮力完全由永磁体提供，结构简单，功率损耗低，但其承载力小。主动型磁悬浮轴承的悬浮力是由偏置电流和控制电流叠加产生，可控的悬浮力大，但其体积、重量和功耗都比较大。

技术实现要素：

发明目的：提出一种结构紧凑，磨损小，寿命长，功耗低，性能稳定的磁悬浮飞轮储能装置。

技术方案：本发明所述的一种磁悬浮飞轮储能装置，包括机壳、转子、定子、真空壳体、底座、铁芯、上径向传感器、下径向传感器、上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承、下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承、飞轮、陶瓷柱、陶瓷珠、连接柱、环形永磁体以及两个端盖；

定子安装于机壳的内壁上，转子竖向旋转式安装于机壳的中心处；在真空壳体上竖向贯穿设有一个圆柱形空腔；两个端盖分别安装在圆柱形空腔的上下两端上；壳体通过支承连接件固定于上侧的端盖的上侧面上；底座通过支承连接件安装在下侧的端盖的下侧面上；铁芯竖向旋转式安装于真空机壳的圆柱形空腔中心处；转子的下端通过连接柱与铁芯的上端相对接；上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承分别安装于真空机壳的圆柱形空腔的上下两端内壁上，铁芯的上下两端分别贯穿上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承；飞轮同轴安装在铁芯上；环形永磁体安装于真空壳体的中部，并与上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承、下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承以及铁芯共同构成磁回路；陶瓷柱内嵌安装于铁芯的下端面中心处；陶瓷珠半内嵌式安装于底座的上侧面中心处；陶瓷柱下端按压在陶瓷珠上；上径向传感器和下径向传感器分别靠近铁芯的上下两端安装，用于对铁芯上下两端的径向位置进行检测。

进一步的，在上下两个端盖上均设有一个轴承安装孔；并在上下两个轴承安装孔中分别固定安装有上保护轴承和下保护轴承；铁芯竖向贯穿上保护轴承与下保护轴承。

进一步的，在上保护轴承内圈与铁芯之间以及下保护轴承内圈与铁芯之间均留有.～.mm的径向保护气隙。

进一步的，真空壳体由上下两个半壳体组成；环形永磁体夹持固定在上下两个半壳体之间，并在夹持位置外围绕设置有一个保护套。

进一步的，在上下两个半壳体的相对夹持端部外壁上均围绕设置有一个台阶槽；上下两个半壳体相对夹持时，上下两个台阶槽构成限位环槽；保护套嵌于限位环槽内，且保护套的上下侧套口通过对拉螺栓固定安装在对应位置处的台阶槽上。

进一步的，在真空壳体的上端套设有上密封套，且机壳位于上密封套内部；在真空壳体的下端套设有下密封套，且底座位于下密封套内。

进一步的，在上密封套的内壁与真空壳体的上端外壁之间以及下密封套的内壁与真空壳体的下端外壁之间均设置有一个密封圈。

进一步的，上径向传感器和下径向传感器均为非接触式位移传感器。

进一步的，上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承均设置有四个指出铁芯轴心的径向定子铁芯，且上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承的径向定子铁芯位置上下一一对应；在每个径向定子铁芯上均绕设有一个线圈绕组；在径向定子铁芯的端部与铁芯之间均留有气隙。

进一步的，上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承的每个径向定子铁芯上的线圈绕组线径和匝数相同，且端部相对的两个径向定子铁芯上的线圈绕组串联连接。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承能够为铁芯提供四个方向的径向力，确保铁芯旋转的稳定性，减小了飞轮储能装置的体积，使得结构更加紧凑；上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承采用永磁体提供偏置磁场，绕组线圈仅提供控制磁场，大大降低了功率损耗，提高了承载力；利用铁芯底部内嵌陶瓷柱，并将其放置于底座的陶瓷珠上，为铁芯提供轴向支撑，其中陶瓷柱和陶瓷珠采用氮化硅材料，其抗压强度高，陶瓷球本身具有自润滑性能，无需加润滑脂，因此该结构磨擦损耗低，降低了轴承的设计难度。

附图说明

图1为本发明的主视图的剖视图；

图2为本发明的磁悬浮轴承定子的控制磁路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1和2所示，本发明公开的磁悬浮飞轮储能装置包括：机壳1、转子2、定子3、真空壳体9、底座16、铁芯10、上径向传感器4、下径向传感器13、上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6、下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11、飞轮7、陶瓷柱14、陶瓷珠15、连接柱17、环形永磁体20以及两个端盖21；

定子3安装于机壳1的内壁上，转子2竖向旋转式安装于机壳1的中心处；在真空壳体9上竖向贯穿设有一个圆柱形空腔；两个端盖21分别安装在圆柱形空腔的上下两端上；壳体1通过支承连接件18固定于上侧的端盖21的上侧面上；底座16通过支承连接件18安装在下侧的端盖21的下侧面上；铁芯10竖向旋转式安装于真空机壳9的圆柱形空腔中心处；转子2的下端通过连接柱17与铁芯10的上端相对接；上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11分别安装于真空机壳9的圆柱形空腔的上下两端内壁上，铁芯10的上下两端分别贯穿上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11；飞轮7同轴安装在铁芯10上；环形永磁体20安装于真空壳体9的中部，并与上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6、下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11以及铁芯10共同构成磁回路；陶瓷柱14内嵌安装于铁芯10的下端面中心处；陶瓷珠15半内嵌式安装于底座16的上侧面中心处；陶瓷柱14下端按压在陶瓷珠15上；上径向传感器4和下径向传感器13分别靠近铁芯10的上下两端安装，用于对铁芯10上下两端的径向位置进行检测。

利用上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11能够为铁芯10提供四个方向的径向力，确保铁芯10旋转的稳定性，减小了飞轮储能装置的体积，使得结构更加紧凑；上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11采用永磁体提供偏置磁场，绕组线圈仅提供控制磁场，大大降低了功率损耗，提高了承载力；利用铁芯10底部内嵌陶瓷柱，并将其放置于底座的陶瓷珠上，为铁芯10提供轴向支撑，其中陶瓷柱和陶瓷珠均采用氮化硅材料，其抗压强度高，陶瓷球本身具有自润滑性能，无需加润滑脂，因此该结构磨擦损耗低，降低了轴承的设计难度。

进一步的，在上下两个端盖21上均设有一个轴承安装孔；并在上下两个轴承安装孔中分别固定安装有上保护轴承5和下保护轴承12；铁芯10竖向贯穿上保护轴承5与下保护轴承12。利用上保护轴承5和下保护轴承12能够在飞轮7静止时起支撑作用，当飞轮7转动时，上保护轴承5和下保护轴承12与铁芯10之间呈非接触状态；当上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11控制系统失稳时，上保护轴承5和下保护轴承12可临时稳定飞轮7转动，避免上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11受损。

进一步的，在上保护轴承5内圈与铁芯10之间以及下保护轴承12内圈与铁芯10之间均留有0.1～0.3mm的径向保护气隙。利用0.1～0.3mm的径向保护气隙能够在上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11控制系统失稳时及时对铁芯10进行稳定支撑，确保铁芯10和飞轮7继续稳定旋。

进一步的，真空壳体9由上下两个半壳体组成；环形永磁体20夹持固定在上下两个半壳体之间，并在夹持位置外围绕设置有一个保护套8。利用保护套8能够对环形永磁体20进行抱箍式安装，且能够起到一定的气密性保护。

进一步的，在上下两个半壳体的相对夹持端部外壁上均围绕设置有一个台阶槽；上下两个半壳体相对夹持时，上下两个台阶槽构成限位环槽；保护套8嵌于限位环槽内，且保护套8的上下侧套口通过对拉螺栓固定安装在对应位置处的台阶槽上。利用构成的限位环槽能够确保保护套8能够稳定安装。

进一步的，在真空壳体9的上端套设有上密封套22，且机壳1位于上密封套22内部；在真空壳体9的下端套设有下密封套24，且底座16位于下密封套24内。利用上密封套22和下密封套24能够确保气密性，使得圆柱形空腔维持密封状态，从而减少风阻损耗。

进一步的，在上密封套22的内壁与真空壳体9的上端外壁之间以及下密封套24的内壁与真空壳体9的下端外壁之间均设置有一个密封圈23。利用密封圈23能够进一步增强密封效果。

进一步的，上径向传感器4和下径向传感器13均为非接触式位移传感器。利用上径向传感器4和下径向传感器13能够实时监测铁芯10及飞轮7的径向位移，上径向传感器4和下径向传感器13均为电涡流传感器，并将采集到的径向位移信息输出至外置的控制系统，控制系统根据铁芯10的径向位移，通过调节各个线圈绕组19的控制电流来实时调节径向的磁力，进而实现对储能飞轮状态的闭环控制。

进一步的，上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11均设置有四个指出铁芯10轴心的径向定子铁芯，且上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11的径向定子铁芯位置上下一一对应；在每个径向定子铁芯上均绕设有一个线圈绕组19；在径向定子铁芯的端部与铁芯10之间均留有气隙。

进一步的，上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11的每个径向定子铁芯上的线圈绕组19线径和匝数相同，且端部相对的两个径向定子铁芯上的线圈绕组19串联连接。

本发明中，环形永磁体20的材料为常用的稀土材料钕铁硼，并沿轴向充磁，提供了产生径向悬浮力所需的偏置磁场；线圈绕组提供控制磁场，通过偏置磁通和控制磁通的叠加，产生径向悬浮力，对转子起到径向支撑的作用；飞轮7为高强度符合材料飞轮，是由金属环和碳纤维符合材料粘结制成的。

本发明公开的磁悬浮飞轮储能装置的工作原理在于：

(1)上侧永磁偏置径向磁悬浮轴承6和下侧永磁偏置径向磁悬浮轴承11采用永磁体产生偏置磁场，径向定子铁芯上的线圈绕组19产生平衡负载和干扰的控制磁场，通过偏置磁通与控制磁通的叠加，产生径向悬浮力，实现磁悬浮飞轮装置转轴的径向悬浮；

(2)在充电时，机壳1、转子2以及定子3构成机体作为电动机运行，其带动转子2高速旋转，输入的电能将转化为飞轮7的旋转动能；

(3)在放电时，机壳1、转子2以及定子3构成机体作为发电机运行，飞轮7将带动发电机的转子2旋转，将旋转动能转化为电能，输出给用电负载。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。