一种飞轮储能装置

本发明属于储能装置，更具体地，涉及一种飞轮储能装置。

背景技术：

1、为了降低储能飞轮在转动过程中的风摩损耗，飞轮储能装置通常是整体封装后，采取内部抽真空的方法。然而，真空环境对储能电机的定子绕组绝缘带来了新的挑战。

2、现有方案有将定子绕组整体灌封的，但灌封模具和胶水都增加了飞轮储能装置的成本。其次，储能电机的转子热量在真空环境下主要靠两端的机械轴承传导出去，这不仅散热困难而且也加重了轴承的负担，使得轴承寿命减少。

3、此外，常规飞轮储能电机飞轮和电机同轴连接，在储能滑行状态时，电机转子一同旋转，会产生额外的损耗，导致高自损耗率。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种飞轮储能装置，其目的在于使储能电机和储能飞轮处于不同腔体，飞轮储能装置运转时，仅需对储能飞轮所在腔体抽真空，有效降低了储能电机定子绕组的绝缘风险，由此解决储能电机转子的散热及高自损耗率的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种飞轮储能装置，包括：储能电机、耦合器和储能飞轮；

3、所述耦合器包括耦合器定子、外转子和内转子，所述外转子与所述内转子的上部配合设置，所述耦合器定子设置于所述外转子的外部，所述内转子的下部连接于所述储能飞轮；

4、所述储能电机的下端盖连接于所述耦合器的耦合器壳体；所述储能电机由变流器驱动，包括储能电机转子，所述储能电机转子的一端穿过所述下端盖并与耦合器的外转子连接；

5、耦合器壳体底部设有密封腔体，所述储能飞轮设置于所述密封腔体内部。

6、优选地，所述外转子的内侧设有外转子齿槽，所述内转子的外侧设有与所述外转子齿槽相配合的内转子齿槽；所述外转子齿槽与所述内转子齿槽的齿槽数量相等。

7、进一步优选地，当励磁绕组通直流电励磁，且内外转子齿槽错开一定角度时，内外转子可以在磁力作用下传递圆周方向的力矩。

8、优选地，所述耦合器为电磁耦合器，包括励磁绕组；

9、所述耦合器定子包括两个固定连接的耦合器定子铁芯，两个耦合器定子铁芯的连接处设有凹槽，所述励磁绕组设置于所述凹槽内。

10、优选地，所述耦合器为永磁耦合器，包括永磁体和隔磁环；

11、所述耦合器定子包括两个平行设置的耦合器定子铁芯，所述永磁体设置两个耦合器定子铁芯之间；所述隔磁环沿所述永磁体外部设置。

12、优选地，所述耦合器为混合励磁耦合器，包括励磁绕组、永磁体和隔磁环；

13、所述耦合器定子包括两个固定连接的耦合器定子铁芯，两个耦合器定子铁芯的连接处分别设有内凹槽和外凹槽，所述励磁绕组设置于所述内凹槽，所述永磁体设置于所述外凹槽，所述隔磁环沿所述永磁体外部设置。

14、进一步优选地，永磁体固定于励磁绕组和耦合器定子铁芯之间，励磁绕组通直流电流在耦合器定子铁芯中产生的磁场方向与永磁体在耦合器定子铁芯中产生的磁场方向相反。励磁绕组不通电时，永磁体磁路通过耦合器定子铁芯闭合短路，不对内外转子励磁。当励磁绕组通电后，定子铁轭饱和，励磁绕组和永磁体共同对内外转子励磁。

15、进一步优选地，通过控制励磁电流的通断及电机转速，可以使得储能电机和储能飞轮之间进行磁性连接和断开。

16、进一步优选地，当储能电机将储能飞轮拖动到设定转速后，励磁绕组断电，储能电机在变流器控制下停止转动，从而降低储能过程中损耗。

17、进一步优选地，当需要储存能量或者释放能量时，变流器将储能电机拖动到与储能飞轮相同的转速，然后励磁绕组中通入直流电流，使得储能电机与储能飞轮重新连接。储能电机和储能飞轮的同步依靠各自转速与位置编码器及变流器位置闭环进行控制，从而保证驱动和放电过程中储能电机和储能飞轮的同步。

18、优选地，所述外转子设有外转子托盘，所述外转子托盘为非铁磁材料，以消除励磁导致的轴向力。

19、优选地，所述外转子上设有阻尼绕组，所述阻尼绕组为良导体材料构成；

20、阻尼绕组的导条数量与所述外转子的外转子齿槽数量相同，且所述阻尼绕组的导条与所述外转子齿槽的齿部紧密配合。

21、优选地，所述储能飞轮包括飞轮本体、轴向磁轴承和径向轴承；所述径向轴承位机械轴承或磁悬浮轴承；

22、所述飞轮本体的上端连接于所述内转子的下部；所述径向轴承设置于所述飞轮本体的上下两端；所述轴向磁轴承位于所述密封腔体的顶部。

23、优选地，还包括转速和位置编码器，所述转速和位置编码器分别设置于所述储能电机转子的上端和所述飞轮本体的下端。

24、优选地，还包括密封罩，所述密封罩设置于所述内转子与所述外转子之间；所述密封罩与所述密封腔体共同实现储能飞轮所在腔体的密封。

25、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

26、1、本发明提出一种飞轮储能装置，通过使储能电机和储能飞轮处于不同腔体，飞轮储能装置运转时，仅需对储能飞轮所在腔体抽真空，有效降低了储能电机定子绕组的绝缘风险，并且通过密封罩将储能电机与储能飞轮的密封腔体隔开，使得储能电机在运行时其内部腔体并不需要低真空状态。于是，储能电机可按常规电机来设计，其绕组绝缘无须通过定子灌封等方式来保证，降低了成本。而且，大气环境相对于真空环境更有利于储能电机转子的散热。

27、2、本发明提出一种飞轮储能装置，在储能飞轮达到设定转速后储能电机停止转动，通过断开耦合器励磁电流的方式，可以使得储能电机和储能飞轮之间的磁性连接断开。此时，储能装置的损耗明细中不再有储能电机的铁损，这一部分较为可观的能量被节约下来了。因此，更加适合长时储能。

28、3、本发明提出一种飞轮储能装置，储能电机配对轴承在轴向仅需承受储能电机转子和耦合器外转子的自重载荷，不受储能飞轮的影响，使得储能电机的轴承选型和布局更加灵活。

29、4、本发明提出一种飞轮储能装置，其储能飞轮结构简单，相对与电机与储能飞轮同轴结构，本发明设计转子两端轴承间距更小，不仅有利于加工、安装方便，而且可以使得储能飞轮的运行更加稳定。

30、5、本发明提出一种飞轮储能装置，在储能电机定子机壳上设有环形水道、气隙可以通风冷却，可以大幅提高电机的散热效率，使得储能电机的输出功率可以进一步提高。

31、6、本发明提出一种飞轮储能装置，采用模块化的设计，可根据储能需求选择或更换不能功率的储能电机和不同大小的储能飞轮，形成更多功率和储能参数组合，以更好满足客户需求。

32、7、本发明提出一种飞轮储能装置，采用的阻尼绕组可用于驱动电机与飞轮同步。

技术特征：

1.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括：储能电机(1)、耦合器(2)和储能飞轮(3)；

2.根据权利要求1所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述外转子(202)的内侧设有外转子齿槽，所述内转子(203)的外侧设有与所述外转子齿槽相配合的内转子齿槽；所述外转子齿槽与所述内转子齿槽的齿槽数量相等。

3.根据权利要求2所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述耦合器(2)为电磁耦合器，包括励磁绕组(205)；

4.根据权利要求2所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述耦合器(2)为永磁耦合器，包括永磁体(206)和隔磁环(207)；

5.根据权利要求2所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述耦合器(2)为混合励磁耦合器，包括励磁绕组(205)、永磁体(206)和隔磁环(207)；

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述外转子(202)设有外转子托盘(202.1)，所述外转子托盘(202.1)为非铁磁材料，以消除励磁导致的轴向力。

7.根据权利要求6所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述外转子(202)上设有阻尼绕组(208)，所述阻尼绕组(208)为良导体材料构成；

8.根据权利要求1所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，所述储能飞轮(3)包括飞轮本体(301)、轴向磁轴承(302)和径向轴承(304)；所述径向轴承(304)为机械轴承或磁悬浮轴承；

9.根据权利要求8所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，还包括转速和位置编码器(5)，所述转速和位置编码器(5)分别设置于所述储能电机转子(101)的上端和所述飞轮本体(301)的下端。

10.根据权利要求1所述的一种飞轮储能装置，其特征在于，还包括密封罩(4)，所述密封罩(4)设置于所述内转子(203)与所述外转子(202)之间；所述密封罩(4)与所述密封腔体(303)共同实现储能飞轮(3)所在腔体的密封。

技术总结
本发明公开了一种飞轮储能装置，属于储能装置技术领域，包括：储能电机、耦合器和储能飞轮；耦合器设置于储能电机与储能飞轮之间；储能电机的下端盖连接于耦合器的耦合器壳体；储能电机转子的一端穿过下端盖并与耦合器的外转子连接；耦合器包括耦合器定子、外转子和内转子，耦合器定子设置于外转子的外部，内转子的下部连接于储能飞轮；耦合器壳体底部设有密封腔体，储能飞轮设置于密封腔体内部。本发明将储能电机与储能飞轮的密封腔体隔开，使得储能电机可在常压环境下运行，节约成本且利于散热；通过控制励磁电流的通断及电机转速，可以使得储能电机和储能飞轮之间进行磁性连接和断开，从而降低储能过程中的损耗，利于长时储能。

技术研发人员：叶才勇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15