[发明专利]集成式开关磁阻电机飞轮储能装置

说明书

技术领域

本发明属于电机设计和制造技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机飞轮储能装置。

背景技术

电能储存的形式可分为四类：机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如钠硫电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等)、电磁储能(如超导电磁储能等)和相变储能(如冰蓄冷等)。飞轮储能以其能量密度大、效率高、建设周期短、寿命长、质量轻、充电快、充放电次数无限、无污染、对温度不敏感、容易测量放电深度等优点，在太阳能发电、风力发电、电动汽车、航天设备等领域具有很好的应用前景，并取得了一定的成效。飞轮储能系统用集成式电动机/发电机类型主要包括感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等。感应电机飞轮一股适合中低速飞轮产品，不易工作在高速场合。永磁电机飞轮的主要缺点是，存在失磁和退磁的可能，并且磁场不易调节。开关磁阻电机因其转子无励磁绕组，从而具有很好的转子机械特性，同时开关磁阻电机还具备多种控制方式，易于控制，因此较适合高速旋转的飞轮储能装置中。但是传统的开关磁阻电机飞轮储能装置均是将飞轮与电机作为两个独立的单元，然后将其通过联轴器等方式进行连接(见附图1)，这不但增加了系统的开发成本，还降低了系统的可靠性。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种集成式开关磁阻电机飞轮储能装置，装置采用开关磁阻电机驱动飞轮，并将飞轮与电机的转子设计为一体，这样既可以减小传统飞轮与电机的连接机构，也有利于飞轮装置可靠性和安全性的提高。

为了实现上述目的，本发明提出一种集成式开关磁阻电机飞轮储能装置，包括开关磁阻电机及与电机输出相连的双向功率变换器，所述开关磁阻电机外面设置有真空壳体，壳体内设置有定子、转子、支撑转子的上磁悬浮轴承与下磁悬浮轴承，所述开关磁阻电机为外转子结构，转子同时作为飞轮，在转子与定子之间固定有旋转内衬套，在转子与真空壳体之间固定有旋转外衬套。

作为优选实施方式，本发明的集成式开关磁阻电机飞轮储能装置，所述的旋转内衬套和旋转外衬套均由石墨增强型复合材料制成；所述的转子由铁铝合金磁钢制成。

该装置采用飞轮与电机转子一体化的开关磁阻电机，取消传统的飞轮与电机通过联轴器等方式连接的中间传动单元，降低了系统的噪声和摩擦，提高了系统的效率和可靠性。通过运用复合材料设计开关磁阻电机转子，并不改变电机转子的形状及其凸极特点。同时，磁悬浮轴承与电机控制采用无位置传感器控制方式，电机采取适合高速旋转的角度控制策略。双向功率变换器通过PWM控制方式保证集成式开关磁阻电机飞轮储能装置，既可以在电能多余的时候进行储能，还可以保证在负载过大或发电源发生故障时补充系统的电能，从而为负载特别是关键负载提供更好的电能质量和更高的供电可靠性。具体而言，具有如下的技术效果：

1)本发明的集成式开关磁阻电机飞轮储能装置将飞轮与电机转子设计为一体，可以减小机械传统机构环节，降低系统的成本、噪声及摩擦，提高系统的效率和安全性。

2)采用鉄铝合金磁钢制成可以同时作为飞轮的转子，保证了电机转子牢固的高速旋转机械特性，并通过增大开关磁阻电机转子的转动惯量、质量及其运行速度，将电机设计为外转子式，保证了电机飞轮的运行平稳性及其储能的可靠性。

3)旋转内外衬套能吸收飞轮转子爆裂后释放的能量，还可以防止磁悬浮轴承失效后转子与定子及壳体的直接碰撞。

4)通过双向PWM功率变换器对飞轮储能进行控制，既能保证关键负载的供电质量，还可以用于风力发电、太阳能发电等间歇性发电应用场合，提高这些相关发电系统的供电可靠性。

5)装置通过基于电机端口的电压电流进行系统的无位置传感器控制，可大大降低系统的硬件成本，并提高轴承的抗干扰能力。

6)该飞轮储能装置具有便携性和模块化功能等特点，并可将其并联运行，实现其在风力发电、太阳能发电等场合的即插即用式负载均衡与能量回馈功能。

7)该飞轮储能装置对温度不敏感，环境友好，属绿色环保储能产品。

附图说明

图1是传统电机飞轮储能装置示意图。

图2是本发明的集成式开关磁阻电机飞轮储能装置示意图。

图3是本发明的集成式开关磁阻电机飞轮结构图，图中1是开关磁阻电机定子、2是一体化的开关磁阻电机转子与飞轮、3是上磁悬浮轴承、4下磁悬浮轴承、5是真空壳体，6是旋转外衬套，7是旋转内衬套。

图4是6/8极外转子式开关磁阻电机的定转子示意图。

图5是双向功率变换器原理图。

具体实施方式