高温超导磁悬浮飞轮储能装置

本发明属于储能，特别涉及一种飞轮储能装置，可用于电网的调峰或调频。

背景技术：

1、飞轮储能是较为新型的储能方式，相比于目前应用的化学储能方式，具有寿命长、可靠性高、响应时间短、生产过程产生污染少的优点。其相比于锂电池、铅酸电池具有放电深度大、输入功率及输出功率大、循环次数大的优点，相比于电容具有存储容量大、循环次数大的优点。飞轮储能以其显著的高循环次数、高储能、快速响应的优点，已应用于地铁动能回收、不间断供电，且在电网调峰/调频、绿色新能源、交通运输等领域也有较好的应用前景。

2、高温超导磁悬浮飞轮储能是使用了高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能，其显著特点是应用高温超导磁悬浮技术，能够使飞轮稳定、被动地悬浮。相比于其它类型的飞轮储能，具有损耗低、储能效率高、无需主动控制、电磁辐射低的优点。

3、但是在实际应用中，由于永磁体和超导体的材料及其性能的不均匀会导致高温超导磁悬浮轴承约束力不均匀，而不均匀的约束力会对转子的运行产生扰动。同时由于高温超导磁悬浮轴承是无接触式轴承，无法使用传统方式来进行动力传输。

4、目前，高温超导磁悬浮飞轮储能装置的结构设计依然沿袭了传统机械轴承飞轮储能的结构，导致现有的高温超导磁悬浮飞轮储能装置无法发挥高温超导磁悬浮轴承的自身优势。

5、公开号为cn101540517a的专利文献公开了一种高温超导飞轮储能器，如图1所示，其采用两端支撑加立式主轴的结构和电机轴-主轴固定连接的动力传输方式。主轴低速旋转时，上、下轴承共同约束使其稳定悬浮，此时上端轴承的约束力起到正面作用。但当主轴高速旋转时，由于陀螺效应会稳定运行，此时上端轴承不均匀的约束力会成为扰动，降低了主轴的稳定性。同时在动力传输方面，电机定子和转子之间存在极大的径向力，固定连接时径向力会被传递至主轴，再经主轴传递成为高温超导磁悬浮轴承上的额外负载，同样会降低主轴的稳定性。

6、公开号为cn101719699a的专利文献公开了一种高温超导磁悬浮飞轮储能装置，如图2所示，其采用基于两端支撑的立式主轴结构和使用永磁联轴器的动力传输方式。该装置的结构存在与上述专利文献cn1054517a同样的问题，动力传输方式虽有改进，但仍存在永磁联轴器会产生极大附加力的不足，该附加力仍然会经过主轴的传递成为高温超导磁悬浮轴承的额外负载，降低主轴稳定性，且永磁联轴器的最大功率较低，会限制飞轮储能装置的最大传输功率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种高温超导磁悬浮飞轮储能装置，以优化高温超导磁悬浮飞轮储能的结构及动力传输方式，提高主轴稳定性和装置的最大传输功率。

2、为实现上述目的，本发明的高温超导磁悬浮飞轮储能装置，包括主轴、高温超导磁悬浮轴承、平面涡流联轴器、飞轮、真空腔，飞轮固定在主轴中段，主轴竖向安装在高温超导磁悬浮轴承上，该主轴、高温超导磁悬浮轴承和飞轮组成的整体安装在真空腔内，其特征在于：

3、所述联轴器，采用状态可变的平面涡流联轴器，其包括主轴端和电机轴端；

4、所述主轴，采用单支撑结构，其下段安装有高温超导磁悬浮轴承，底端与平面涡流联轴器的主轴端连接，且通过高温超导磁悬浮轴承进行支撑，通过平面涡流联轴器进行动力传输，提高主轴稳定性。

5、进一步，所述联轴器的主轴端，包括主轴端扼铁盘和导体盘，主轴端扼铁盘为锥型，锥型角为120°，导体盘安装于主轴端扼铁盘的锥型面内侧。

6、进一步，所述联轴器的电机轴端，包括电机轴端扼铁盘和永磁体，电机轴端扼铁盘为锥型，锥型角为120°，永磁体均匀镶嵌在电机轴端扼铁盘的锥型面外侧。

7、进一步，所述高温超导磁悬浮轴承，包括转子和定子，转子与定子之间的结构根据高温超导块材的c轴与主轴的方向关系设为径向型和轴向型。

8、进一步，所述飞轮，其形状为空心圆盘，材料为复合材料。

9、进一步，所述真空腔，包括腔筒、腔顶、腔底和橡胶垫；

10、该腔筒为竖向安装的厚壁圆筒，圆筒下端固定于腔底上，上端连接腔顶；

11、该腔顶由顶盖、安全轴承和轴承底座组成，顶盖为圆盘形，圆盘下表面的中心处连接轴承底座，轴承底座连接安全轴承；

12、该腔底由底座、窗盖和定子底座组成，底座为空心圆盘，圆盘上表面固定定子底座，下表面的空心处安装窗盖；

13、该橡胶垫用于密封真空腔各零件的连接处。

14、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

15、1、本发明由于主轴采用单支撑结构，可充分利用陀螺效应，所以主轴转速越高稳定裕度越大，能够承受更大的传输功率；

16、2、本发明由于采用状态可变平面涡流联轴器，其电机轴端和主轴端间距连续可调，动力传输平稳且最大传输功率极大，提高了主轴的稳定性；

17、3、本发明由于采用状态可变的平面涡流联轴器，当联轴器为不连动状态时，电机轴对主轴无干扰，可提高主轴的稳定性及装置的效率；

18、4、本发明由于采用状态可变的平面涡流联轴器，其主轴端和电机轴端均为锥型，极大地减小了径向附加力，提高了主轴的径向稳定性；

19、5、本发明由于将平面涡流联轴器安装在主轴底端，故可利用主轴及飞轮的重力抵消涡流联轴器的轴向附加力，极大地提高了装置的最大传输功率。

技术特征：

1.一种高温超导磁悬浮飞轮储能装置，包括主轴(1)、高温超导磁悬浮轴承(2)、平面涡流联轴器(3)、飞轮(4)、真空腔(5)，飞轮固定在主轴中段，主轴竖向安装在高温超导磁悬浮轴承上，该主轴、高温超导磁悬浮轴承和飞轮组成的整体安装在真空腔内，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述联轴器的主轴端(31)，包括主轴端扼铁盘(311)、导体盘(312)和固定联轴器(313)，主轴端扼铁盘为锥型，锥型角为120°，通过固定联轴器连接于主轴(1)，导体盘安装于主轴端扼铁盘的锥型面内侧。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述联轴器的电机端(32)，包括电机轴端扼铁盘(321)和永磁体(322)，电机轴端扼铁盘为锥型，锥型角为120°，永磁体均匀镶嵌在电机轴端扼铁盘的锥型面外侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高温超导磁悬浮轴承(2)，包括转子(21)和定子(22)，转子与定子之间的结构根据高温超导块材c轴与主轴(1)的方向关系设为径向型和轴向型。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：飞轮(4)，其形状为空心圆盘，材料为复合材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述真空腔(5)，包括腔筒(51)、腔顶(52)、腔底(53)和橡胶垫(54)；

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述径向型结构，其转子(21)由空心圆柱形永磁体(211)和聚磁铁环(212)按halbach构型轴向拼接组成；其定子(22)根据冷却方式设为制冷机冷却型和液氮冷却型；

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述轴向型结构；其转子(21)由厚壁圆筒形永磁体(211)和转子托盘(212)按halbach构型组成；其定子根据冷却方式设为制冷机冷却型和液氮冷却型；

技术总结
本发明公开了一种高温超导磁悬浮飞轮储能装置，主要解决现有技术的稳定性差、传输功率小的问题。其包括主轴(1)、高温超导磁悬浮轴承(2)、平面涡流联轴器(3)、飞轮(4)和真空腔(5)，飞轮固定在主轴中段，主轴竖向安装在高温超导磁悬浮轴承上，主轴、高温超导磁悬浮轴承和飞轮组成的整体安装在真空腔内；该平面涡流联轴器采用状态可变的平面涡流联轴器，其包括主轴端(31)和电机轴端(32)；该主轴采用单支撑结构，其下段安装高温超导磁悬浮轴承(2)，底端与主轴端(31)连接，且通过高温超导磁悬浮轴承进行支撑，通过平面涡流联轴器进行动力传输。本发明稳定性好，传输功率大，可用于电网的调峰或调频。

技术研发人员：杨勇,顾政,吴云翼,刘满恩
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14