集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置的制作方法

本实用新型属于飞轮储能技术领域，特别是涉及一种集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置。

背景技术：

飞轮储能是用物理方法实现储能的技术。当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能，飞轮储能正是以动能转换成电能的储能方式。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池；但是，常规的飞轮储能由于在机械损耗上的局限性，限制了飞轮储能技术的进一步发展。随着高温超导材料的出现，高温超导飞轮储能系统应运而生。目前的高温超导飞轮储能技术是利用多块超导体在低温环境下，通过一定的排布方式，利用径向与轴向的约束，使得带有永磁体的飞轮能够约束在装置的中心位置，让飞轮完全抬升，使其脱离于装置，有效的避免了几乎所有的机械摩擦。

目前，现有的飞轮储能技术基本都是上述的结构方式或者与之思想近似的储能方式，其存在如下缺点：一是利用多块超导体在一定的排布方式下使飞轮抬升，结构非常复杂；二是通过多块超导体的排布方式，大大提高了成本；三是利用此结构，使得驱动飞轮成为了问题，因为如果采用直接在飞轮上驱动，则会影响原有的径向约束，如果采用轴部驱动，则会重新面临机械摩擦的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置。该装置利用超导体的迈斯纳效应，使铝合金飞轮可在无轴的情况下在装置中悬浮，不与装置有直接的接触，避免了机械摩擦损耗；并且通过外设电路产生稳定的三相或多相交流电流，使得三相或多相线圈内产生稳定的径向旋转磁场，并直接作用在铝合金飞轮上，通过先异步再同步的方式驱动铝合金飞轮旋转，不会影响到超导体内部性质的稳定，使得装置结构更加简单，集成度高，内部磁场稳定且成本有所降低。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置，包括非磁性真空杜瓦容器；在所述非磁性真空杜瓦容器的内侧壁上固定有尼龙定子，在尼龙定子上均匀设置有若干个通槽，三相或多相线圈通过所述通槽缠绕在尼龙定子上；在非磁性真空杜瓦容器内部的底部固定有尼龙固定板，在尼龙固定板顶部的中心处设置有第一凹槽，圆柱状YBCO超导块材固定在尼龙固定板的第一凹槽内；在尼龙定子的内侧、尼龙固定板的上方设置有铝合金飞轮，在铝合金飞轮底部的中心处设置有第二凹槽，圆柱状稀土永磁体设置在铝合金飞轮的第二凹槽内，所述圆柱状YBCO超导块材与圆柱状稀土永磁体相对设置；在铝合金飞轮的外侧壁上均匀设置有偶数个瓦状稀土永磁体，所述瓦状稀土永磁体的N极和S极相间设置；所述飞轮储能装置还设置有转速传感器，三相或多相线圈和转速传感器分别与外设电路相连接。

所述外设电路包括电源、整流滤波模块、逆变模块、DSP驱动模块、三相整流滤波模块及稳压模块，电源经整流滤波模块与逆变模块的输入端相连接，逆变模块的输出端与飞轮储能装置的三相或多相线圈相连接，转速传感器的输出端经DSP驱动模块与逆变模块的控制端相连接；飞轮储能装置的三相或多相线圈经三相整流滤波模块与稳压模块的输入端相连接，稳压模块的输出端为所述飞轮储能装置的供电端。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型利用超导体的迈斯纳效应，只用一块圆柱状YBCO超导块材就使铝合金飞轮抬升，且转子就是铝合金飞轮，结构简单，能够满足很多场合的储能需要；

2、本实用新型只用一块圆柱状YBCO超导块材，大大减少了成本；

3、本实用新型通过外设电路产生稳定的三相或多相交流电流，使得三相或多相线圈内产生稳定的径向旋转磁场，通过稳定的径向旋转磁场作用在铝合金飞轮以及瓦状稀土永磁体上，形成永磁同步电机形式；并且与圆柱状YBCO超导块材作用间距较大，使得内部磁场相当稳定，不会破坏圆柱状稀土永磁体与圆柱状YBCO超导块材之间的迈斯纳效应，从而使铝合金飞轮稳定的悬浮，摩擦损耗小，储能效率高，同时解决了驱动问题和机械摩擦问题；

4、所述三相或多相线圈安装在非磁性真空杜瓦容器的内侧壁上，产生的转矩大，适合质量较大的储能飞轮，易于形成陀螺仪效应。

附图说明

图1是本实用新型的集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本实用新型的外设电路的电路原理框图；

图4是本实用新型的外设电路中输入部分的电路原理图；

图5是本实用新型的尼龙定子的结构示意图；

图6是本实用新型的尼龙固定板的结构示意图；

图7是本实用新型的三相或多相线圈的绕线示意图；

图中：1-非磁性真空杜瓦容器，2-尼龙定子，3-三相或多相线圈，4-尼龙固定板，5-圆柱状YBCO超导块材，6-瓦状稀土永磁体，7-圆柱状稀土永磁体，8-铝合金飞轮，9-外设电路，10-通槽，11-第一凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1～图6所示，一种集成式无轴承高温超导磁悬浮飞轮储能装置，包括非磁性真空杜瓦容器1；在所述非磁性真空杜瓦容器1的内侧壁上固定有尼龙定子2，在尼龙定子2上均匀设置有若干个通槽10，三相或多相线圈3通过所述通槽10缠绕在尼龙定子2上，并且做三相或多相抽头；在非磁性真空杜瓦容器1内部的底部固定有圆盘型的尼龙固定板4，在尼龙固定板4顶部的中心处设置有第一凹槽11，所述第一凹槽11为圆环型凹槽，圆柱状YBCO超导块材5固定在尼龙固定板4的第一凹槽11内，防止液氮冲走；在尼龙定子2的内侧、尼龙固定板4的上方设置有铝合金飞轮8，在铝合金飞轮8底部的中心处设置有第二凹槽，圆柱状稀土永磁体7嵌入或粘贴在铝合金飞轮8的第二凹槽内，用以抬升并驱动铝合金飞轮8无轴旋转，所述圆柱状YBCO超导块材5与圆柱状稀土永磁体7相对设置；在铝合金飞轮8的外侧壁上均匀设置有偶数个瓦状稀土永磁体6，所述瓦状稀土永磁体6的N极和S极相间设置，可在铝合金飞轮8的外侧壁上设置安装瓦状稀土永磁体6的槽，本实施例中，所述瓦状稀土永磁体6设置有六个；所述飞轮储能装置还设置有转速传感器，三相或多相线圈3和转速传感器分别与外设电路9相连接。

所述外设电路9包括电源、整流滤波模块、逆变模块、DSP驱动模块、三相整流滤波模块及稳压模块，电源经整流滤波模块与逆变模块的输入端相连接，逆变模块的输出端与飞轮储能装置的三相或多相线圈3相连接，转速传感器的输出端经DSP驱动模块与逆变模块的控制端相连接；飞轮储能装置的三相或多相线圈3经三相整流滤波模块与稳压模块的输入端相连接，稳压模块的输出端为所述飞轮储能装置的供电端。

所述整流滤波模块由变压器、单相不可控整流桥和LC电路组成，其采用的型号为KBPC5010；逆变模块由三块或多块IGBT逆变桥构成，其采用的型号为FF300R12KT3；三相整流滤波模块采用三相整流桥堆MDS100A1600V，稳压模块采用的型号为AMS1117；DSP驱动模块用于控制输出三相交流正弦电流，其采用的型号为TMS320F281；转速传感器用于检测铝合金飞轮8的转速，其采用的型号为E3JK-DR12-C。

如图7所示，所述三相或多相线圈3需要按照电机绕组理论，绕制成三相或多相绕组，绕组连接后，有3根或多根输入接头，并均匀缠绕在尼龙定子2中。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程。

如图1～图6所示，使用时，首先将铝合金飞轮8设置在尼龙固定板4上方，间隙为5mm，可用5mm的尼龙板隔开；然后在非磁性真空杜瓦容器1内注入液氮，等待圆柱状YBCO超导块材5处于超导状态时将尼龙板抽开，此时圆柱状YBCO超导块材5与圆柱状稀土永磁体7产生迈斯纳效应，铝合金飞轮8处于悬浮状态。

接通电源，先通过变压器降低市电电压，再通过单相不可控整流桥将其整流为直流，经过LC电路使之成为稳定的直流；然后经由DSP驱动模块控制的逆变模块变为三相或多相交流电。三相或多相线圈3通入三相或多相交流电，使其内部产生旋转的磁场。此时，本实用新型的装置是一个同步电机，把电能转化为机械能，通过铝合金飞轮8的高速转动以动能的形式储存能量。

断开电源，此时铝合金飞轮8高速旋转，瓦状稀土永磁体6随之旋转产生的磁场被三相或多相线圈3切割产生电动势，在输出电路闭合后三相或多相线圈3内产生的电动势开始往外输电，将动能转化为电能，输出的电能通过三相整流滤波模块和稳压模块变成稳定的直流电供给用电设备。