飞轮储能装置、风力发电系统及车辆能量回馈制动系统的制作方法
【专利摘要】飞轮储能装置、风力发电系统及车辆能量回馈制动系统，本发明公开了一种飞轮储能装置，包括径向磁齿轮、盘式磁齿轮电机、真空壳和飞轮；其中，径向磁齿轮包括内转子、外转子以及N1个第一调磁极片，第一调磁极片嵌在第一调磁极片座中；盘式磁齿轮电机包括第一定子盘、第一转子盘、第二定子盘、第二转子盘和第三转子盘；其中第一定子盘相对于真空主壳体固定并与第一转子盘组成第一盘式电机；第二定子盘相对于真空主壳体固定并与第二转子盘组成第二盘式电机；第三转子盘均匀布置有N2个第二调磁极片，第一、第二和第三转子盘一起组成盘式磁齿轮；第一盘式电机、第二盘式电机及盘式磁齿轮相互耦合共同组成盘式磁齿轮电机。本发明公开的飞轮储能装置结构紧凑，具有灵活的能量流动路径。
【专利说明】飞轮储能装置、风力发电系统及车辆能量回馈制动系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能【技术领域】，尤其涉及一种飞轮储能装置、风力发电系统及车辆能量回馈制动系统。
【背景技术】
[0002]飞轮储能技术是一种可以将电能、风能、太阳能等非机械能转化成飞轮动能的高效机械储能技术。近几年来，飞轮储能以其储能密度高、功率密度大、能量转换效率高、对温度不敏感、对环境友好、使用寿命长、充放电速度快以及易与其它装置组合使用等优点得到广泛的研究及应用，特别是在系统能量回馈及风力发电系统功率调节等领域有着良好的前景。
[0003]为了减小飞轮损耗，提高飞轮储能效率，飞轮处于密闭的真空室中。因而，为了将飞轮储存的能量传到系统外，或者将系统外的机械能传递给飞轮储存起来，耦合装置是必需的，现有的耦合装置是一根设置有旋转密封圈的转轴，该转轴将外部能量转化为飞轮的动能。然而，旋转密封圈不可避免地会产生漏气，而且随着使用时间的延长、转速的提高及老化程度的加深，漏气的可能性越大，因而在现有的飞轮储能装置中，需设置额外的真空环境监测系统来监测真空室的工作环境及保持真空系统等，从而保证飞轮工作在一定的真空环境中，这样无形之中增大了飞轮储能装置的体积及制造使用成本。
[0004]为了解决上述旋转密封圈存在物理接触容易导致漏气的缺陷，人们发明了一种磁连接器，磁连接器可以去掉旋转密封圈并无物理接触地将飞轮所储能量传给真空室外面的系统或者将外面的能量无物理接触地转换为飞轮的动能存储起来。磁连接器应用到飞轮储能系统，去掉了旋转密封圈，去掉了昂贵的环境监测系统和真空保持系统，解决了现有旋转密封圈的缺陷。然而，上述飞轮储能装置的能量流通路径非常的单一，即飞轮的动能经过高速侧的转动部件，经过调磁机构，传递给低速侧的转动部件；或者低速侧的机械能通过调磁机构，无接触传递给真空室中高速侧转子，带动飞轮加速，将能量储存到飞轮中。该装置能量只有往返两条单一的流通路径，其能量流通路径单一不利于调节输出输入功率的大小和能源的灵活配置。而且上述的飞轮储能装置仍然存在占用体积较大的缺陷
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种体积小、能量流通路径多向的飞轮储能装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞轮储能装置，所述飞轮储能装置包括真空壳、飞轮、径向磁齿轮、盘式磁齿轮电机和第二转轴，其中，所述真空壳包括真空壳主体、第一调磁极片座和端盖，所述真空壳包围成一真空的容纳腔，所述第一调磁极片座安装于所述真空壳主体与所述端盖之间；所述飞轮容纳于所述容纳腔内，所述飞轮具有第一转轴，所述第一转轴转动安装于所述真空壳主体；所述径向磁齿轮包括内转子、外转子以及N1个第一调磁极片，所述内转子位于所述第一调磁极片座的内侧，所述外转子位于所述第一调磁极片座的外侧，所述内转子与所述第一转轴同轴固定，所述内转子设置有第一永磁体，所述外转子相对于所述内转子同轴转动，所述外转子设置有第二永磁体，所述N1个第一调磁极片均嵌装于所述第一调磁极片座；所述盘式磁齿轮电机安装至所述径向磁齿轮之外转子的外围，所述盘式磁齿轮电机包括均呈圆环盘状且均与所述第一转轴同轴设置的第一定子盘、第一转子盘、第二定子盘、第二转子盘和第三转子盘，所述第一定子盘相对于所述真空壳主体固定，所述第一转子盘、所述第三转子盘、所述第二转子盘和所述第二定子盘依次层叠间隔设置于所述第一定子盘之远离所述真空壳主体的一侧，其中，所述第一定子盘设置有第一绕组；所述第一转子盘固定于所述外转子，所述第一转子盘正对于所述第一定子盘，所述第一转子盘设置有第三永磁体；所述第二定子盘相对于所述真空壳固定，所述第二定子盘设置有第二绕组，所述第二定子盘正对于所述第一定子盘；所述第二转子盘正对于所述第二定子盘，所述第二转子盘设置有第四永磁体；所述第三转子盘正对于所述第一转子盘和所述第二转子盘，所述第三转子盘中嵌装有N2个第二调磁极片；所述第一定子盘和所述第一转子盘构成第一盘式电机，所述第二定子盘和所述第二转子盘构成第二盘式电机，所述第一转子盘、所述第二转子盘和所述第三转子盘构成盘式磁齿轮，所述第一盘式电机、所述第二盘式电机和所述盘式磁齿轮相互耦合共同组成所述盘式磁齿轮电机；所述第二转轴与所述第三转子盘同轴固定。
[0007]其中，所述第一永磁体径向或平行充磁，所述第二永磁体径向或平行充磁，所述N1个第一调磁极片沿位于所述第一调磁极片座的第一圆周均匀排布，所述转动轴线垂直穿过所述第一圆周的圆心，所述N1个第一调磁极片相互之间绝缘，每一所述第一调磁极片与所述真空壳之间绝缘。
[0008]其中，所述第三永磁体和所述第四永磁体的充磁方向均平行于所述转动轴线，所述第三转子盘设置有第二调磁极片座，所述N2个第二调磁极片嵌入第二调磁极片座中，所述N2个第二调磁极片沿位于所述第二调磁极片座的第二圆周均匀排布，所述转动轴线垂直穿过所述第二圆周的圆心。
[0009]其中，所述飞轮储能装置还包括一固定于所述真空壳主体外壁的外壳，所述外壳与所述真空壳主体外壁包围成一转动腔，所述第二转轴转动安装于所述外壳且伸出所述外壳夕卜。
[0010]其中，所述飞轮储能装置还包括呈圆环盘状的第一固定座，所述第一固定座与所述转动轴线同轴，所述第一固定座固定于所述真空壳主体的外壁，所述第一调磁极片座的一端固定于第一固定座、另一端径向延伸形成所述端盖。
[0011]其中，所述飞轮储能装置还包括均与所述转动轴线同轴的第一旋转壳和第二旋转壳，所述第一旋转壳包括旋转底座和旋转筒体，所述旋转底座固定于所述旋转筒体的一端，所述旋转底座转动支撑于所述第一固定座，所述旋转筒体远离所述真空壳主体的一端设置有与转动轴线同轴的第二轴孔，所述第二旋转壳为与所述第二轴孔相适应的圆盘状结构，所述第二旋转壳转动支撑于第二轴孔中，所述外转子固定于所述旋转筒体的内壁，所述第一转子盘则固定于所述旋转筒体的外壁，所述第二转轴靠近于所述真空壳主体的一端转动支撑于所述第二旋转壳。
[0012]其中，所述飞轮储能装置还包括与所述转动轴线同轴的第三旋转壳，所述第三旋转壳为一回转体空壳，所述第三旋转壳的一端与所述第二转轴一体化连接、另一端与所述第三转子盘固定连接；所述飞轮储能装置还包括与所述转动轴线同轴的第四旋转壳，所述第四旋转壳为一回转体空壳，所述第四旋转壳的一端与所述第二转子盘固定连接、另一端转动支撑于所述第二转轴。
[0013]其中，所述外壳的外壁设置有第一接线孔和第二接线孔，所述第一接线孔与所述第一定子盘的第一绕组电性连接，所述第二接线孔与所述第二定子盘的第二绕组电性连接。
[0014]本发明实施例还提出了一种风力发电系统，包括风轮、第一电力变换器、第二电力变换器、电网和所述的飞轮储能装置，所述风轮同轴固定于所述第二转轴，所述第一盘式电机的第一绕组经所述第一电力变换器与所述电网电性连接，所述第二盘式电机的第二绕组经所述第二电力变换器与所述电网电性连接。
[0015]本发明实施例还提出了一种车辆能量回馈制动系统，包括车辆驱动桥、第三电力变换器、第四电力变换器、直流母线和所述的飞轮储能装置，所述车辆驱动桥的输出轴同轴固定于所述第二转轴，所述第一盘式电机的第一绕组经所述第三电力变换器与所述直流母线电性连接，所述第二盘式电机的第二绕组经所述第四电力变换器与所述直流母线电性连接。
[0016]实施本发明实施例提供的飞轮储能装置，其有益效果在于，该飞轮储能装置的盘式磁齿轮电机同轴包绕整个径向磁齿轮，第一盘式电机和第二盘式电机均为同轴的盘式结构，这样缩小了整个飞轮储能装置的轴向长度，从而减小了整个飞轮储能装置的体积，使得该飞轮储能装置结构紧凑。飞轮储能装置还具有灵活的能流路径，可以实现能量在第二转轴、第一绕组、第二绕组和飞轮之间的多路径流通，满足了能量多种方式的利用需求，并支持“机械能-机械能”的直接高效转移，大大减轻了电气部件在功率、容量方面的压力。此外本发明实施例的飞轮储能装置的所有传动都有磁性无接触机构实现，传动效率大大提高，系统鲁棒性大大增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0018]图1是本发明实施例的飞轮储能装置的结构示意图；
[0019]图2是图1所示的飞轮储能装置中的径向磁齿轮的横切剖面图；
[0020]图3是图1所示的飞轮储能装置中的盘式磁齿轮电机的结构示意图；
[0021]图4是本发明实施例的飞轮储能装置的装配示意图；
[0022]图5是图4所示的飞轮储能装置中V处结构的放大图；
[0023]图6是本发明实施例的风力发电系统的原理框图；
[0024]图7是本发明实施例的车辆能量回馈制动系统的原理框图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0026]参照图1，本发明实施例公开了一种飞轮储能装置1，包括真空壳100、飞轮200、径向磁齿轮300、盘式磁齿轮电机400和第二转轴500。
[0027]其中，真空壳100为由真空壳主体110、第一调磁极片座120和端盖130包围而成的真空封闭壳体，真空壳100包围成一容纳腔101，真空壳100开设有第一轴孔102，第一调磁极片座120安装于真空壳主体110和端盖130之间，第一调磁极片座120由第一轴孔102边缘沿轴向外延伸而成的筒状结构，第一调磁极片座120由既不导磁又不导电的高强度材料制成，包括但不限于增强型尼龙、环氧树脂、酚醛树脂等，端盖130安装于第一调磁极片座120远离真空壳主体110的端部。飞轮200容纳于容纳腔101内，飞轮200包括飞轮体210和由飞轮体210的中心轴向延伸形成的第一转轴220，第一转轴220转动安装于真空壳主体110的第一轴孔102中，第一转轴220具有一转动轴线600，第一转轴220由机械强度高的材料制成，第一转轴220与飞轮体210刚性连接，飞轮200是飞轮储能装置I的主要储能部件，飞轮200把外界的能量以动能的形式储存起来。飞轮200置于容纳腔101内是为了消除风阻损耗。径向磁齿轮300、盘式磁齿轮电机400以及第二转轴500均同轴安装于转动轴线600。
[0028]进一步参照图2，径向磁齿轮300包括内转子310、外转子320以及N1个第一调磁极片330，内转子310位于第一调磁极片座120的内侧，外转子320位于第一调磁极片座120的外侧，内转子310与第一转轴220同轴固定，外转子320相对于内转子310可同轴转动，外转子320与内转子310同轴且间隔设置，第一调磁极片座120位于外转子320与内转子310之间，N1个第一调磁极片330均嵌装于第一调磁极片座120。
[0029]N1个第一调磁极片330沿位于第一调磁极片座120的第一圆周均匀排布，转动轴线600垂直穿过所述第一圆周的圆心，N1个第一调磁极片330相互之间绝缘，每一第一调磁极片330与真空壳100之间绝缘。第一调磁极片330有高导磁材料制成，例如硅钢片。
[0030]具体而言，内转子310安装有径向或平行充磁的第一永磁体311，第一永磁体311设置于内转子310的外壁，外转子320安装有径向或平行充磁的第二永磁体321，第二永磁体设置于外转子320的内壁，第一永磁体311的极对数为P1,第二永磁体321的极对数P2,为了稳定传递能量，径向磁齿轮300满足以下两个条件:
[0031]I) N1=VP1，其中，P2SP1;
_ P, (0.—
[0032]2)。厂，其中，O1和ω2分别是内转子310和外转子320的转速，负号表示
内转子310和外转子320的转速相反。
[0033]径向磁齿轮300通过内转子310的第一永磁体311和外转子320的第二永磁体321的磁场相互作用无物理接触地变速传动。由于P2W1，外界给飞轮200补充能量时，经径向磁齿轮300的变比调速，转速放大，故飞轮200的充电速度较快；当飞轮200释放能量时，经径向磁齿轮300的变比调速，转速缩小，故飞轮200能够向外界提供较大的转矩。
[0034]盘式磁齿轮电机400安装至径向磁齿轮300之外转子的外围，盘式磁齿轮电机400包括均呈圆环盘状且均与转动轴线600同轴设置的第一定子盘410、第一转子盘420、第二定子盘430、第二转子盘440和第三转子盘450。第一定子盘410相对于真空壳主体110固定，第一转子盘420、第三转子盘450、第二转子盘420和第二定子盘430依次层叠间隔设置于第一定子盘410之远离真空壳主体110的一侧。
[0035]其中，第一定子盘410相对于真空壳主体110固定，环绕第一调磁极片座120设置，第一定子盘410与转动轴线600同轴,第一定子盘410设置有第一绕组411。
[0036]第一转子盘420同轴固定于外转子320，第一转子盘420正对于第一定子盘410，且第一转子盘420位于第一定子盘410远离真空壳主体110的一侧，由图1的视角来看，第一转子盘420位于第一定子盘410的正上方，第一转子盘420上下表面均设置有第三永磁体421。第三永磁体421沿平行于转动轴线600的方向充磁，第三永磁体421的极对数为P3，其中，第一绕组411的极对数与第三永磁体421的极对数相同。
[0037]第二定 子盘430相对于真空壳主体110固定，第二定子盘430与转动轴线600同轴，第二定子盘430设置有第二绕组431，第二定子盘430正对于第一定子盘410。
[0038]第二转子盘440正对于第二定子盘430，且第二转子盘440与第一转子盘420间隔设置，第二转子盘440位于第二定子盘430靠近真空壳主体110的一侧，第二转子盘440的上下表面均设置有第四永磁体441。第四永磁体441沿平行于转动轴线600的方向充磁，第四永磁体441的极对数为P4，其中第二绕组431的极对数与第四永磁体441的极对数相同。
[0039]第三转子盘450位于第一转子盘420和第二转子盘440之间，第三转子盘450正对于第一转子盘420和第二转子盘440,第三转子盘450与第二转轴500同轴固定,第三转子盘450中设置有第二调磁极片座452，N2个第二调磁极片451嵌装在所述第二调磁极片座452中，N2个第二调磁极片451沿位于第二调磁极片座452的第二圆周均匀排布，转动轴线600垂直穿过所述第二圆周的圆心。第二调磁极片座452由既不导磁又不导电的高强度材料制成，材料包括但不限于增强型尼龙、环氧树脂、酚醛树脂等。
[0040]第一定子盘和第一转子盘构成第一盘式电机400a，第二定子盘和第二转子盘构成第二盘式电机400b,第一转子盘、第二转子盘和第三转子盘构成盘式磁齿轮400c,第一盘式电机400a、第二盘式电机400b和盘式磁齿轮400c相互耦合共同组成盘式磁齿轮电机400。
[0041]根据磁齿轮的工作原理，盘式磁齿轮400c满足以下条件:
[0042]3 ) N2 = P3+P4，其中 P3>P4;
[0043]4)
【权利要求】
1.一种飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮储能装置包括真空壳、飞轮、径向磁齿轮、盘式磁齿轮电机和第二转轴，其中， 所述真空壳包括真空壳主体、第一调磁极片座和端盖，所述真空壳包围成一真空的容纳腔，所述第一调磁极片座安装于所述真空壳主体与所述端盖之间； 所述飞轮容纳于所述容纳腔内，所述飞轮具有第一转轴，所述第一转轴转动安装于所述真空壳主体； 所述径向磁齿轮包括内转子、外转子以及N1个第一调磁极片，所述内转子位于所述第一调磁极片座的内侧，所述外转子位于所述第一调磁极片座的外侧，所述内转子与所述第一转轴同轴固定，所述内转子设置有第一永磁体，所述外转子相对于所述内转子同轴转动，所述外转子设置有第二永磁体，所述N1个第一调磁极片均嵌装于所述第一调磁极片座； 所述盘式磁齿轮电机安装至所述径向磁齿轮之外转子的外围，所述盘式磁齿轮电机包括均呈圆环盘状且均与所述第一转轴同轴设置的第一定子盘、第一转子盘、第二定子盘、第二转子盘和第三转子盘，所述第一定子盘相对于所述真空壳主体固定，所述第一转子盘、所述第三转子盘、所述第二转子盘和所述第二定子盘依次层叠间隔设置于所述第一定子盘之远离所述真空壳主体的一侧，其中， 所述第一定子盘设置有第一绕组； 所述第一转子盘固定于所述外转子，所述第一转子盘正对于所述第一定子盘，所述第一转子盘设置有第三永磁体； 所述第二定子盘相对于所述真空壳固定，所述第二定子盘设置有第二绕组，所述第二定子盘正对于所述第一定子盘； 所述第二转子盘正对于所述第二定子盘，所述第二转子盘设置有第四永磁体； 所述第三转子盘正对于所述第一转子盘和所述第二转子盘，所述第三转子盘中嵌装有N2个第二调磁极片； 所述第一定子盘和所述第一转子盘构成第一盘式电机，所述第二定子盘和所述第二转子盘构成第二盘式电机，所述第一转子盘、所述第二转子盘和所述第三转子盘构成盘式磁齿轮，所述第一盘式电机、所述第二盘式电机和所述盘式磁齿轮相互耦合共同组成所述盘式磁齿轮电机； 所述第二转轴与所述第三转子盘同轴固定。
2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一永磁体径向或平行充磁，所述第二永磁体径向或平行充磁，所述N1个第一调磁极片沿位于所述第一调磁极片座的第一圆周均匀排布，所述转动轴线垂直穿过所述第一圆周的圆心，所述N1个第一调磁极片相互之间绝缘，每一所述第一调磁极片与所述真空壳之间绝缘。
3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第三永磁体和所述第四永磁体的充磁方向均平行于所述转动轴线，所述第三转子盘设置有第二调磁极片座，所述N2个第二调磁极片嵌入第二调磁极片座中，所述N2个第二调磁极片沿位于所述第二调磁极片座的第二圆周均匀排布，所述转动轴线垂直穿过所述第二圆周的圆心。
4.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括一固定于所述真空壳主体外壁的外壳，所述外壳与所述真空壳主体外壁包围成一转动腔，所述第二转轴转动安装于所述外壳且伸出所述外壳外。
5.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括呈圆环盘状的第一固定座，所述第一固定座与所述转动轴线同轴，所述第一固定座固定于所述真空壳主体的外壁，所述第一调磁极片座的一端固定于第一固定座、另一端径向延伸形成所述端盖。
6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括均与所述转动轴线同轴的第一旋转壳和第二旋转壳，所述第一旋转壳包括旋转底座和旋转筒体，所述旋转底座固定于所述旋转筒体的一端，所述旋转底座转动支撑于所述第一固定座，所述旋转筒体远离所述真空壳主体的一端设置有与转动轴线同轴的第二轴孔，所述第二旋转壳为与所述第二轴孔相适应的圆盘状结构，所述第二旋转壳转动支撑于第二轴孔中，所述外转子固定于所述旋转筒体的内壁，所述第一转子盘则固定于所述旋转筒体的外壁，所述第二转轴靠近于所述真空壳主体的一端转动支撑于所述第二旋转壳。
7.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括与所述转动轴线同轴的第三旋转壳，所述第三旋转壳为一回转体空壳，所述第三旋转壳的一端与所述第二转轴一体化连接、另一端与所述第三转子盘固定连接； 所述飞轮储能装置还包括与所述转动轴线同轴的第四旋转壳，所述第四旋转壳为一回转体空壳，所述第四旋转壳的一端与所述第二转子盘固定连接、另一端转动支撑于所述第二转轴。
8.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述外壳的外壁设置有第一接线孔和第二接线孔，所述第一接线孔与所述第一定子盘的第一绕组电性连接，所述第二接线孔与所述第二定子盘的第二绕组电性连接。
9.一种风力发电系统，其特征在于，包括风轮、第一电力变换器、第二电力变换器、电网和权利要求1-8任意一项所述的飞轮储能装置，所述风轮同轴固定于所述第二转轴，所述第一盘式电机的第一绕组经所述第一电力变换器与所述电网电性连接，所述第二盘式电机的第二绕组经所述第二电力变换器与所述电网电性连接。
10.一种车辆能量回馈制动系统，其特征在于，包括车辆驱动桥、第三电力变换器、第四电力变换器、直流母线和权利要求1-8任意一项所述的飞轮储能装置，所述车辆驱动桥的输出轴同轴固定于所述第二转轴，所述第一盘式电机的第一绕组经所述第三电力变换器与所述直流母线电性连接，所述第二盘式电机的第二绕组经所述第四电力变换器与所述直流母线电性连接。
【文档编号】H02J3/30GK103904816SQ201410115305
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】蹇林旎, 尉进, 石玉君 申请人:南方科技大学