[发明专利]一种应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统

说明书

技术领域

本发明属于飞轮储能设备领域，涉及一种应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统。

背景技术

飞轮储能技术是一种可快速充放电的长寿命储能新技术，它利用电机实现电动储能、发电释能，特别适用于需要快速充放电的独立动力系统调峰、风力发电稳定性调节等领域。飞轮储能的基本原理是首先把电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储。在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将机械能转化为电能。飞轮储能在工程中早已得到大量应用，但与电机结合实现电能的存储则是始于20世纪50年代飞轮储能电动巴士的研发并投入使用。

现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能，在2000年前后，以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，应用于IC生产企业、精密仪器仪表制造业、工业控制自动化、航空航天、交通运输、医疗救生、信息数据中心以及电信和网络通讯系统等，为大型高级用户提供对不间断的和高质量的供电需求。目前全球至少有3000套基于飞轮储能的大功率绿色电源安全运行了上千万小时。

飞轮储存的能量与转速平方成正比，为提高功率密度和能量密度，飞轮电机轴系需要高速旋转，其转速高于普通电机的转速（1500-3000r/min）。高速轴承的损耗问题十分突出，传统的支承如滚动轴承或滑动轴承不能使用，必须采用磁悬浮技术降低轴系支承的损耗，提高飞轮储能系统的效率。

为提高功率、能量容量，飞轮储能单元采用模块化设计，多个模块并联成阵列式储能系统，目前国外的飞轮储能电源功率由MW级向10MW级发展，放电时间由数秒向数分钟发展，模块化运行管理是飞轮储能系统大型化的主要方向。

目前中国的飞轮储能技术停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在5-10年。国内的飞轮储能技术理论设计探索较为充分，建立了多套小型实验原理样机，一些单位开展了工业应用样机开发，但功率不超过100kW，储能量不超过2000Wh，转子重量不超过200kgf。

发明内容

本发明的目的是提供一种由大型双永磁吸力轴承和滚动轴承组合成的应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统，用以支承重量2000kgf、储能5000Wh、功率200-400kW的飞轮电机转子，转子额定速度2000-4000r/min，该混合磁悬浮支承的损耗小于2000W。

本发明采用的技术方案为：

立式放置的飞轮电机转子支撑在上支承、上永磁吸力轴承、下永磁吸力轴承和下支承上；

所述飞轮电机转子由芯轴、芯轴中部的电机转子和芯轴下端的飞轮组成；

所述上支承安装在芯轴的顶部，由外到内依次由支承座、阻尼弹性体、轴承外圈套环和一对角接触球轴承组成；

所述上永磁吸力轴承和下永磁吸力轴承依次安装在上支承和电机转子之间的芯轴上；上永磁吸力轴承由上导磁静环和上导磁动环组成，在上导磁静环和上导磁动环之间设置上永磁环；下永磁吸力轴承由下导磁静环和下导磁动环组成，在下导磁静环和下导磁动环之间设置下永磁环；上导磁静环和下导磁静环均固定安装在机壳上，上导磁动环和下导磁动环均与芯轴固接；

所述下支承安装在飞轮的下方、芯轴的底部，由外到内依次由支承座、阻尼弹性体、轴承外圈套环和一个圆柱滚子轴承组成；下支承的支承座与机壳固定，圆柱滚子轴承的内圈可沿轴向自由串动。

所述上支承及下支承的支承座和轴承外圈套环之间的径向间隙均为0.2~0.3mm，支承座和轴承外圈套环之间为轴向平面接触。

所述上支承及下支承的弹性阻尼体均由橡胶或金属橡胶制成。

所述芯轴的下端、飞轮与下支承之间的位置，沿周向均匀设置6个直径4毫米的向下倾斜的斜孔，联通芯轴外部与芯轴内孔，形成润滑油的喷出通道。

所述上导磁静环及上永磁环在轴向与上导磁动环之间有2~4mm的轴向间隙，且上导磁静环及上永磁环与芯轴保持10mm的径向间隙。

所述下导磁静环及下永磁环在轴向与下导磁动环之间有2~4mm的轴向间隙，且下导磁静环及下永磁环与芯轴保持10mm的径向间隙。

本发明的有益效果为：

（1）采用大型永磁轴承和滚动轴承实现大型飞轮电机转子的低摩擦损耗支承，永磁轴承承担轴系重量的95%，上滚动轴承只承担轴系重量的5%，比传统的机械轴承支承摩擦损耗降低90%。