一种定子无铁芯飞轮储能电机

本发明属于电能存储，更具体地，涉及一种定子无铁芯飞轮储能电机。

背景技术：

1、在众多储能方式中，飞轮储能将电能以机械能的形式储存，具有功率密度高、响应速度快、环境友好、充放电次数无限制以及寿命长等优点，具有极大的发展潜力及应用前景。

2、飞轮储能电机作为飞轮储能系统的核心部件，其性能的优劣至关重要。轴向磁通永磁电机兼备永磁电机和轴向磁通电机效率高、功率因数高、结构紧凑、轴向长度短等优点通常是飞轮储能电机的主要选择之一。为了降低轴承损耗，飞轮储能系统通常还需要磁轴承系统。现有的磁轴承系统一般由多个径向磁轴承和轴向磁轴承构成，不仅会使系统结构变得复杂，集成度降低，成本增加；同时，由于电机的转子兼做储能飞轮和转子，其功率和储能量之间存在着强耦合，电机的功率与储能量之间存在制约关系。使得功率和储能量不能够自由匹配，影响飞轮储能系统的适用性和通用性。

3、同时，对于带飞轮式转子结构的电机，常采用磁轴承对其直接进行悬浮，这会使得永磁环的磁路除了会经过飞轮，还会经过电机，因此该磁轴承存在漏磁大、悬浮稳定性差等缺点。现有技术中有公开一种定子轴径向励磁飞轮储能电机通过在上端盖上设置永磁环，产生轴向向上的悬浮力，使悬浮永磁体的磁路同时经过轴向气隙和径向主气隙，励磁绕组的磁路只走径向气隙，不经过轴向气隙；但是悬浮永磁体的磁路与励磁绕组的磁路都经过径向气隙，使得电机磁路更容易发生饱和，使得定转子铁芯的磁导率变小，进而影响永磁轴承悬浮力的稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种定子无铁芯飞轮储能电机，其目的在于提升飞轮储能电机永磁轴承悬浮力的稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种定子无铁芯飞轮储能电机，包括沿轴向自上而下依次设置的上端盖、永磁卸载轴承、上转子、电枢绕组、飞轮转子及下端盖；还包括固定在上端盖和下端盖之间，并环绕在飞轮转子和上转子外侧的机壳；

3、还包括连接所述上转子和所述飞轮转子的转轴，安装在所述飞轮转子上表面的第一转子铁芯和第一永磁块，以及安装在所述上转子下表面的第二转子铁芯和第二永磁块；所述第一永磁块和所述第二永磁块的充磁方向均为轴向方向且充磁方向相反；

4、所述永磁卸载轴承包括永磁环，所述永磁环轴向向下充磁，用于对所述上转子提供轴向悬浮力。

5、进一步地，所述永磁卸载轴承还包括：铁磁环及永磁轴承铁轭；

6、所述永磁轴承铁轭的上端面固定在所述上端盖上，所述永磁轴承铁轭的一个下端面、永磁环和铁磁环依次接触，且所述铁磁环和所述上转子形成轴向气隙；所述永磁轴承铁轭的另一个下端面与所述上转子形成轴向气隙。

7、进一步地，所述上转子和所述飞轮转子通过所述转轴过盈连接；且所述电枢绕组包括n(n≥2)个扇形模块绕组。

8、进一步地，所述电枢绕组通过具有固化作用且非铁磁材料制成的绕组支撑骨架固定在所述机壳上。

9、进一步地，在所述第一转子铁芯上表面和所述第二转子铁芯下表面均等间距交错设置有m个扇环形凹槽，m≥1，且所述扇环形凹槽交错错开的机械角度为180°/m；

10、所述第一永磁块设置在所述第一转子铁芯上表面的扇环形凹槽内；所述第二永磁块设置在所述第二转子铁芯下表面的扇环形凹槽内。

11、进一步地，所述转轴包括上转轴和下转轴；

12、所述上转轴与所述上转子为一体化结构，并通过热套方式过盈安装于所述飞轮转子上方，所述下转轴通过热套方式连接所述飞轮转子下方。

13、进一步地，还包括设置于所述上端盖中心的上轴承座，其内部设置有支撑所述上转轴的上轴承；

14、以及设置于所述下端盖中心的下轴承座，其内部设置有支撑所述下转轴的下轴承。

15、进一步地，所述机壳包括上机壳和下机壳，所述上机壳与所述上端盖一体铸造成型，所述下机壳与所述下端盖一体铸造成型。

16、进一步地，所述电枢绕组的外面设有预埋管，所述预埋管用于通液体冷却所述电枢绕组。

17、进一步地，上端盖、下端盖、机壳、飞轮转子、上转子及转轴均为铁磁材料；

18、所述第一转子铁芯和所述第二转子铁芯为硅钢片或者软磁复合材料。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

20、(1)本发明的定子无铁芯飞轮储能电机，通过将永磁卸载轴承设置在上端盖与上转子之间，永磁卸载轴承的永磁体进行轴向向下充磁产生轴向悬浮力以对上转子进行悬浮，上转子与飞轮转子连接，通过上转子作为轴向吸力盘间接实现飞轮转子的悬浮，悬浮永磁体的磁路主要经永磁卸载轴承和上转子上表面之间的轴向气隙；而电机的两个转子(第一转子铁芯、第一永磁块、第二转子铁芯和第二永磁块)分别嵌入在飞轮转子和上转子，励磁绕组的磁路主要经过第一永磁块和第二转子铁芯之间的轴向气隙，进而使得悬浮磁路和励磁磁路是完全独立的，电机永磁体和电枢反应的磁通基本不会影响悬浮磁通，提升了永磁轴承悬浮的稳定性。

21、并且，电机的两个转子分别嵌入在飞轮转子和上转子，将电机转子和储能飞轮进行了分离，使得功率和储能实现了解耦。同时，由于两端都有转子，定子电枢绕组电流的变化，不会影响轴向力的大小。

22、(2)进一步地，本发明设计的永磁卸载轴承，永磁轴承铁轭包括两个端面，两个端面之间自然形成凹槽结构，使悬浮永磁体的磁路在一侧实现闭合，可以使得悬浮永磁体的磁路只经过铁磁环与上转子上表面之间的轴向气隙；同时，永磁轴承铁轭的一个下端面、永磁环和铁磁环依次接触，永磁环并非与轴向气隙直接接触，也可以保护永磁环。

23、(3)本发明的飞轮储能电机，电机为双转子结构，且同时作为转子承载体和轴向吸力盘的上转子的设置使得本发明的转子结构与传统简单的转子结构不同，上转子和飞轮转子先进行过盈连接，再放入电枢绕组，而上转子和飞轮转子之间空间狭小，无法通过传统的手工绕线、整形、下线以及浇灌方式固定电枢绕组，本发明通过模块化的电枢绕组，可以将每个模块化电枢绕组从侧面放置于上转子和飞轮转子之间，同时也简化了绕组加工工艺。

24、(4)进一步地，通过具有固化作用且非铁磁材料制成的绕组支撑骨架将电枢绕组固定在机壳上，可以使定子不参与磁通路，相比现有的绕组通过铁磁材料固定在定子齿部，参与磁通路的结构，本发明的结构不存在定子铁芯，可以避免定子铁耗以及转子涡流损耗，从而降低飞轮储能系统的自放电率，提升了能量储存效率，同时，也降低了散热难度。

25、(5)作为优选，第一转子铁芯与第二转子铁芯之间的对称交错设置且错开角度均匀，使得轴向悬浮轴承不会产生不平衡的轴向电磁力，从而进一步保证了稳定的轴向悬浮力，并能够降低对机械轴承的冲击载荷及轴承损耗，提高了轴承寿命；同时，还可以减少永磁体用量，节约成本，提高电机的输出转矩和弱磁扩速能力。

26、(6)作为优选，上转子和上转轴为一体化结构，可以避免过盈处出现应力较大的问题。

27、(7)作为优选，在电枢绕组的外面设有预埋管，采用预埋管通液体方式冷却电枢绕组，以降低散热难度。

28、(8)作为优选，转子铁芯材料为硅钢片或软磁复合材料，可以有效降低转子涡流损耗。

29、总而言之，本发明的飞轮储能电机，通过设计上转子既作为电机转子承载体，同时与永磁卸载轴承配合还作为轴向吸力盘间接实现飞轮转子的悬浮，卸载整个转子的轴向力，实现了悬浮磁路和励磁磁路的完全解耦，以及功率和储能的完全解耦，能够提升永磁轴承悬浮的稳定性及转子动态性能。