一种基于混合式超导磁轴承的空心轴飞轮储能系统

本发明属于储能领域，具体涉及一种基于混合式超导磁轴承的空心轴飞轮储能系统。

背景技术：

1、全球经济快速发展，化石能源紧缺，世界各国对于风能、太阳能等可再生能源的大规模发展给予了高度重视，但是其间歇性和随机性对于电网的安全稳定运行造成了严重的不利影响，因此发展先进的储能技术成为了以新能源变革为核心的智能电网的重要环节。相较于其他的一些储能方式，飞轮储能具有转换效率高、使用寿命长、充电时间短、无污染等优点，在电网调频、ups电源和脉冲功率电源等诸多领域获得了广泛应用。

2、现有磁悬浮飞轮储能技术通常基于实体转轴结构来进行飞轮转子的悬浮导向和驱动控制，用高强度的钢或碳纤维材料制作飞轮转子，并通过提高转速来增加系统储能量。但随着转速的增加，对飞轮本体和转轴材料的强度要求越来越高，且高转速下的陀螺效应也会大幅增加系统控制难度，会大幅增加系统成本，同时也限制了系统储能量的进一步提高。

3、另外，随着飞轮储能技术在电网调频领域的应用，大功率、短时高频次充放电等技术需求导致飞轮储能系统面临严峻的散热需求。尤其是飞轮储能系统电机和磁轴承转子由于处在真空和磁悬浮状态，其热量导出困难。为防止转子超温，真空条件下电机和磁轴承转子的强化散热和冷却是必须解决的难题。中国发明专利申请cn201811044270.7提出了一种利用水蒸气、氨气或甲醇一种或两种循环工质进行空心轴电机和磁轴承转子强化散热的方法，但上述工质工作温度较高，强化散热效果有限。中国发明专利申请cn201911154659.1提出了一种利用风机对空心轴进行直接强化散热的方法，但风冷散热效果有限。

4、磁轴承通过磁力支撑转子，定转子之间无机械接触，具有传统机械轴承无法替代的优势，磁轴承根据其受力方式的不同，可以分为永磁轴承，电磁轴承、超导磁轴承。永磁轴承一般利用永磁体之间的吸力或者斥力来实现磁悬浮，可以作为辅助卸载轴承使用，但是无法实现自稳定；电磁轴承通过给线圈通电来构造一个电磁铁，可通过控制通过线圈的电流来实现对于悬浮力的控制从而使其稳定，但常规电磁轴承损耗大，通过超导线圈构造电磁轴承将有效降低轴承损耗；高温超导块材轴承利用高温超导块的迈斯纳效应来实现悬浮，但是其悬浮力和刚度较低。中国发明专利申请cn202310418100.5尽管提出了一种高温超导磁轴承，但并未利用高温超导磁轴承的低温制冷系统进一步实现对电机转子的强化冷却，也并未利用空心轴飞轮储能系统的中心轴孔进行径向型超导块材磁轴承的安装。

技术实现思路

1、为克服由于现有磁轴承的缺点，以及真空环境下电机转子和磁轴承转子散热困难导致飞轮功率和能量受限的问题，本发明提供一种基于混合式超导磁轴承的空心轴飞轮储能系统，将径向型超导块材磁轴承、轴向型超导块材磁轴承或轴向型超导线圈电磁轴承有机结合在一起，可有效提高整个轴承的承载力、刚度和稳定性，从而使其具有轴向大承载力，径向高稳定性的特点。本发明充分利用超导磁轴承的低温冷却系统形成的低温冷壁，进一步实现对电机转子和轴承转子的强化冷却，可以提高电机的功率。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于混合式超导磁轴承的空心轴飞轮储能系统，包括径向型超导块材磁轴承、轴向型超导块材磁轴承、低温杜瓦、空心轴电机、空心轴飞轮和空心轴真空腔；所述低温杜瓦从下部依次穿过空心轴飞轮和空心轴电机与空心轴真空腔连接为一体；径向型超导块材磁轴承的径向型超导块材磁轴承定子、轴向型超导块材磁轴承的轴向型超导块材磁轴承定子均安装在低温杜瓦中，由液氮或过冷液氮冷却；径向型超导块材磁轴承定子安装在空心轴飞轮内部的低温杜瓦中，径向型超导块材磁轴承的径向型超导块材磁轴承转子安装在空心轴飞轮中部和空心轴真空腔中部的间隙中；轴向型超导块材磁轴承定子安装在空心轴飞轮底部的低温杜瓦中，轴向型超导块材磁轴承转子安装在空心轴飞轮下部；空心轴电机安装在空心轴飞轮上部，空心轴电机的空心轴电机定子依靠独立的水冷或油冷系统冷却，空心轴电机的空心轴电机转子依靠低温杜瓦的冷壁强化冷却；空心轴真空腔内填充氦气以增强低温杜瓦的冷壁对电机转子和轴承转子的冷却效果。

4、进一步地，所述低温杜瓦采用“倒t”字型结构。

5、进一步地，所述轴向型超导块材磁轴承定子采用多块圆柱型或瓦型超导块材拼接结构，利用rebco制作，re为y，nd，sm，gd，dy超导块材材料，采用多块超导块材在平面拼成超导环，置于低温杜瓦下方的圆盘型空间内；所述轴向型超导块材磁轴承转子的永磁体采用轴向磁化结构或halbach结构；轴向型超导块材磁轴承转子的铁轭位于永磁体上部，与轴向型超导块材磁轴承定子构成闭合磁路。

6、进一步地，所述径向型超导块材磁轴承定子采用多块瓦型超导块材拼接结构，利用rebco制作，re为y，nd，sm，gd，dy超导块材材料，采用多块超导块材堆叠成超导环，置于低温杜瓦的内热沉与内壁之间的环状空间内；所述径向型超导块材磁轴承转子的永磁体采用轴向磁化，同极性相对，采用环状的永磁体和聚磁铁形成永磁环和聚磁铁环，永磁环与聚磁铁环一一交错排列叠放。

7、本发明还提供另一种基于混合式超导磁轴承的空心轴飞轮储能系统，包括径向型超导块材磁轴承、轴向型超导线圈磁轴承、低温杜瓦、空心轴电机、空心轴飞轮和空心轴真空腔；所述低温杜瓦从上部依次穿过空心轴电机和空心轴飞轮与空心轴真空腔连接为一体；径向型超导块材磁轴承的径向型超导块材磁轴承定子、轴向型超导线圈磁轴承的轴向型超导线圈磁轴承定子均安装在低温杜瓦中，由液氮或过冷液氮冷却；径向型超导块材磁轴承定子安装在空心轴飞轮内部的低温杜瓦中，径向型超导块材磁轴承的径向型超导块材磁轴承转子安装在空心轴飞轮中部和空心轴真空腔中部的间隙中；轴向型超导线圈磁轴承定子安装在空心轴飞轮上部的低温杜瓦中，轴向型超导线圈磁轴承转子安装在空心轴飞轮上部；空心轴电机安装在空心轴飞轮下部，空心轴电机的空心轴电机定子依靠独立的水冷或油冷系统冷却，空心轴电机的空心轴电机转子依靠低温杜瓦的冷壁强化冷却；空心轴真空腔内填充氦气以增强低温杜瓦的冷壁对电机转子和轴承转子的冷却效果。

8、进一步地，所述低温杜瓦采用十字型结构。

9、进一步地，所述径向型超导块材磁轴承定子采用多块瓦型超导块材拼接结构，利用rebco制作，re为y，nd，sm，gd，dy超导块材材料，采用多块超导块材堆叠成超导环，置于低温杜瓦的内热沉与内壁之间的环状空间内；所述径向型超导块材磁轴承转子的永磁体采用轴向磁化，同极性相对，采用环状的永磁体和聚磁铁形成永磁环和聚磁铁环，永磁环与聚磁铁环一一交错排列叠放。

10、进一步地，所述轴向型超导线圈磁轴承定子的超导线圈采用bi系带材或rebco带材绕制，为螺管线圈或双饼线圈结构，由外部电源供电；轴向型超导线圈磁轴承定子的铁心磁轭包围在超导线圈外面，与轴向型超导线圈磁轴承转子铁心形成闭合磁路。

11、本发明具有以下有益效果：

12、1、本发明有效结合了径向型超导块材磁轴承、轴向型超导块材磁轴承和轴向型超导线圈磁轴承的优点，有效改善了电磁轴承控制系统复杂且在运行过程中有损耗的问题，同时将高温超导轴承的无损耗以及自稳定性结合起来，有效提高了整个磁轴承系统的性能，使其具有轴向大承载力，径向高稳定的特点。

13、2、本发明有效利用混合式超导磁轴承定子的低温冷却系统，进一步实现对电机转子和轴承转子的强化冷却，有效提升了飞轮储能的功率和储能量。