[发明专利]分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池

说明书

技术领域

本发明涉及飞轮电池（也称飞轮储能装置）领域，尤其是一种采用分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池。

背景技术

在众多储能装置中，飞轮电池突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。当飞轮以一定角速度旋转时，就具有一定的动能，飞轮电池以其动能转换成电能。飞轮电池以其大储能、强功率、高效率、长寿命、充放电速度快、清洁无污染等突出优势有望成为最具前景的储能电池。

飞轮电池的工作原理是：飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮的动能储存起来，即飞轮电池“充电”；当外界需要电能时，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出给外部负载，即飞轮电池“放电”；当与外界无能量交换时，飞轮电池“待机”。飞轮电池大部分时间工作在高速“待机”状态，因此飞轮电池的支承系统应兼具低损耗、高可靠性的特点，通常采用电磁/永磁混合型磁悬浮轴承。飞轮电池依靠电机实现机电能量转换，并且飞轮电池储能容量与电机转速的平方成正比，因此飞轮电池用电动/发电一体化的电机应兼具空载损耗小、负载效率高、高速运行时可靠性高的特点，通常采用永磁电机、开关磁阻电机和异步电机。

由于目前永磁电机转子上的永磁体和异步电机转子上的绕组导致电机高速运行下空载损耗大、可靠性低，因此，限制了飞轮电池临界转速的提高及储能容量的增大。现有技术的飞轮电池将飞轮转子、混合型磁悬浮轴承和电机分别作为独立的个体安装在转轴上，混合型磁悬浮轴承需提供飞轮电池5个自由度可控的悬浮支承，因此，导致飞轮电池体积大、成本高、能耗大、结构复杂，限制了飞轮电池储能密度和储能效率的提高。因此，如何提高飞轮电池的储能容量、储能密度和储能效率是目前飞轮电池研究领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术的问题而提供一种结构紧凑、效率高、储能容量大、能量密度高的分体式磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池。

本发明采用的技术方案是：本发明包括外壳及由外壳围成的密闭的真空腔，真空腔中容纳有轴向永磁轴承、两个径向永磁轴承、分体式磁悬浮开关磁阻电机A、飞轮转轴、飞轮转子、分体式磁悬浮开关磁阻电机B以及轴向电磁轴承；飞轮转轴的轴向正中间固套飞轮转子，飞轮转轴的上下两端分别设置轴向永磁轴承与轴向电磁轴承，两个径向永磁轴承分别位于轴向永磁轴承的下方和轴向电磁轴承的上方，两个径向永磁轴承和飞轮转子之间分别是电机A和电机B；电机A由电机A转子、电机A定子以及绕组组成，电机A转子固套在飞轮转轴上，电机A定子固定连接外壳内壁；电机B由电机B转子、电机B定子以及绕组组成，电机B转子固套在飞轮转轴上，电机B定子固定连接外壳内壁；电机A定子的每一极上绕有电机A转矩绕组与电机A的x向悬浮绕组或电机A的y向悬浮绕组；电机B定子的每一极上绕有电机B转矩绕组与电机B的x向悬浮绕组或电机B的y向悬浮绕组；所述电机A转矩绕组与所述电机B转矩绕组串联，电机A的x向悬浮绕组、电机A的y向悬浮绕组、电机B的x向悬浮绕组、电机B的y向悬浮绕组均分开独立绕制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1、本发明采用轴向永磁轴承能卸载飞轮转子80%以上的质量，轴向电磁轴承提供轴向自由度的可控悬浮；分体式磁悬浮开关磁阻电机的悬浮绕组励磁产生径向悬浮力，并与径向永磁轴承的径向恢复力一起提供飞轮转子在四个径向自由度上的可控悬浮，不仅简化了飞轮电池的结构，而且降低了支承系统的能量损耗，特别是飞轮电池“待机”状态下的能量损耗，提高了飞轮电池的储能效率。

2、本发明利用支承与传动一体化的分体式磁悬浮开关磁阻电机，将飞轮电池的径向悬浮与能量转换合二为一，转矩绕组与悬浮绕组励磁后既可实现飞轮电池的机电能量转换，也可实现飞轮系统的径向可控悬浮，利用电机的功率和容量不仅降低了支承系统的能量损耗，而且减小了飞轮电池的体积和成本，大幅度提高了飞轮电池的储能密度。

3、本发明磁悬浮开关磁阻电机采用双凸极机构，转子仅为导磁铁心，结构坚固可靠，适于高速、超高速运行，提高了飞轮电池的储能容量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中分体式磁悬浮开关磁阻电机A定子5中和分体式磁悬浮开关磁阻电机B定子9中的一相绕组的结构示意图；

图3为分体式磁悬浮开关磁阻电机A产生x径向悬浮力的工作原理示意图。