电励磁双凸极电机的飞轮储能装置

1.一种电励磁双凸极电机的飞轮储能装置，其特征在于该装置包括上磁性轴承（1），真空腔（2），飞轮本体（3），外壳（4），电机转子（5），电机定子（6），下磁性轴承（7），飞轮转轴（8）；飞轮转轴（8）的上下两端分别设置在上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）上，上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）分别固定在外壳（4）的上下两端，飞轮本体（3）和电机转子（5）分别固定在飞轮转轴（8）上，电机定子（6）固定在电机转子（5）外侧的外壳（4）上，构成径向气隙电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置；电机定子（6）包括电机定子铁心（601），励磁绕组（602），电枢绕组（603）；其中电机定子铁心（601）由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有励磁绕组（602），电枢绕组（603）位于电机定子铁心（601）内圆的齿上；
电机转子（5）和电机定子（6）均为双凸极结构。
2.一种电励磁双凸极电机的飞轮储能装置，其特征在于该装置包括上磁性轴承（1），真空腔（2），飞轮本体（3），外壳（4），电机转子（5），电机定子（6），下磁性轴承（7），飞轮转轴（8）；飞轮转轴（8）的上下两端分别设置在上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）上，上磁性轴承（1）和下磁性轴承（7）分别固定在外壳（4）的上下两端，所述的电机转子（5）和电机定子（6）采用轴向设置，即电机转子（5）设置在飞轮本体（3）上，电机定子（6）设置在电机转子（5）的下方，构成轴向气隙电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置，电机转子（5）和电机定子（6）均为双凸极结构。
3.如权利要求2所述的电励磁双凸极电机的飞轮储能装置，其特征在于电机定子（6）包括电机定子铁心（601），励磁绕组（602），电枢绕组（603）；其中电机定子铁心（601）由2n块扇形铁心连接成一个圆形，数目n为自然数，在每两块扇形铁心（601）之间设有励磁绕组（602），每一组电枢绕组（603）环绕于相邻两电机定子铁心（601）侧面的齿上。

电励磁双凸极电机的飞轮储能装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于电能存储技术领域，具体来说，涉及的是一种新型的高效飞轮储能装置。\n背景技术\n[0002] 随着新能源发电和电动汽车等的快速发展，电能储存装置的应用日益广泛。在众多电能储存装置中，飞轮储能装置因动态性能好，没有二次污染等优点，正受到越来越多的重视。飞轮储能的基本原理是，首先通过电机作电动机运行驱动飞轮加速，将电能转换为动能储存在飞轮转子上，需要时，再由飞轮带动电机作发电机运行，将飞轮中的动能转换为电能。由于飞轮转子中储存的动能与飞轮转速的平方成正比，因此，飞轮转速应尽量高，通常达数万转/分甚到数十万转/分。在飞轮不与外界交换能量，即处于待机状态时，为了减小转轮的自身损耗，通常采用磁悬浮轴承，并将飞轮腔抽成真空，以减小轴承和转子的磨擦损耗。为了提高能量转换效率，飞轮储能装置中广泛使用永磁电机。于是，在飞轮储能系统不与外界进行能量传递，即系统处于储能工作状态时，随着飞轮高速旋转，永磁磁场会在电机铁心内部产生涡流损耗和磁滞损耗，这将不断消耗飞轮中所存储的能量，转速越高，电机铁心中的磁场越强，则损耗越大。这不仅导致能量的浪费，降低了飞轮储能系统整体的效率，使目前的飞轮储能时间很短（短则几分钟，长则几十分钟），极大地限制了飞轮储能装置的应用。而且，涡流损耗和磁滞损耗还会引起电机铁心发热，这将导致飞轮储能系统安全性降低，同时对飞轮储能系统的散热提出更高要求，使得飞轮储能系统的整体结构更加复杂，也对制造工艺提出更高要求。因此，如何减小飞轮储能系统的能量损耗，提高能量转换效率，以及提高系统安全性是飞轮研发的关键技术之一。\n发明内容\n[0003] 技术问题：本发明的目的是提供一种电励磁双凸极电机的飞轮储能装置，当该飞轮储能系统不与外界进行能量传递时，将电机励磁绕组置于开路状态，使电机气隙中没有磁场，则电机铁心内部无涡流损耗和磁滞损耗，可以显著减小飞轮储能系统的能量消耗，大大延长飞轮的储能时间，提高系统整体的能量转换效率及系统的安全性。\n[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该装置包括上磁性轴承，真空腔，飞轮本体，外壳，电机转子，电机定子，下磁性轴承，飞轮转轴；飞轮转轴的上下两端分别设置在上磁性轴承和下磁性轴承上，上磁性轴承和下磁性轴承分别固定在外壳的上下两端，飞轮本体和电机转子分别固定在飞轮转轴上，电机定子固定在电机转子外侧的外壳上，构成径向气隙电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置；电机定子包括电机定子铁心，励磁绕组，电枢绕组；其中电机定子铁心由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有励磁绕组，电枢绕组位于电机定子铁心内圆的齿上。所述的电机转子和电机定子采用轴向设置，即电机转子设置在飞轮本体上，电机定子设置在电机转子的下方，构成轴向气隙电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置。电机转子和电机定子均为双凸极结构。\n[0005] 该装置还可以为：电机定子包括电机定子铁心，励磁绕组，电枢绕组；其中电机定子铁心由2n块扇形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块扇形铁心之间设有励磁绕组，每一组电枢绕组环绕于相邻两电机定子铁心侧面的齿上。\n[0006] 有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果是：\n[0007] 1. 当飞轮处于储能状态，不与外界进行能量传递（能量传递指电机作为电动机，将电能转换成飞轮本体的动能来存储能量；或电机作为发电机，把飞轮本体的动能转换成电能来释放能量）时，将电机的励磁置于开路状态，电机铁心内部无磁场，避免了产生涡流损耗和磁滞损耗，延长了储能时间，提高了飞轮储能系统整体的能量转换效率。\n[0008] 2. 由于在飞轮储能系统不进行能量传递时，避免了铁心内部涡流损耗和磁滞损耗的产生，在提高系统效率的同时，也避免了由涡流损耗和磁滞损耗损耗所引起的铁心发热，于是更加有利于改善系统的冷却条件。\n[0009] 3. 整个装置的结构简单，尤其是由于电机采用双凸极结构，转子仅为导磁铁心，结构非常简单坚固，特别适合于高速运行。这将更有利于提高飞轮的最高转速，进而提高该飞轮储能系统的能量存储能力。\n[0010] 同时，电枢绕组可以采用集中绕组和分布绕组两种形式，转子也可以采用直槽和斜槽两种方式。\n附图说明\n[0011] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。\n[0012] 图1为本发明所述飞轮储能装置的整体结构的截面图。其中有：上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8；\n[0013] 图2列举了一种本发明中电机可以采用的径向气隙式电励磁型双凸极电机的截面图。图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602和电枢绕组603。\n[0014] 图3列举了另一种本发明中电机可以采用的径向气隙式电励磁型双凸极电机的截面图。图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602和电枢绕组603。\n[0015] 需要说明的是，除图2和图3所列举的两种径向气隙式电励磁型双凸极电机外，本发明所述飞轮储能装置也可以采以其他类型的径向气隙式电励磁型双凸极电机，在此不再一一列举。\n[0016] 图4所示为该飞轮储能系统使用轴向气隙式电励磁型双凸极电机时的剖视图。其中有：上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8。\n[0017] 图5列举了一种轴向气隙式电励磁型双凸极电机的三维图，图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602和电枢绕组603。需要说明的是，为了便于观察，图5中只显示了电枢绕组603的一个线圈。\n[0018] 图6所示为图5中电机转子5的三维示意图。\n[0019] 除图5所列举的一种轴向气隙的电励磁型双凸极电机外，本发明所述飞轮储能装置在使用图4所示结构时，也可以采以其他类型的轴向气隙式电励磁型双凸极电机，在此不再一一列举。\n具体实施方式\n[0020] 如图1所示，本发明的一种使用径向气隙式电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置，该装置包括上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8；飞轮转轴8的上下两端分别设置在上磁性轴承1和下磁性轴承7上，上磁性轴承1和下磁性轴承7分别固定在外壳4的上下两端，飞轮本体3和电机转子5分别固定在飞轮转轴8上，电机定子6固定在电机转子5外侧的外壳4上，构成径向气隙电励磁型双凸极电机的飞轮储能装置；电机定子6包括电机定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组\n603；其中电机定子铁心601由2n块圆弧形铁心连接成一个圆形，该数目n为自然数，在每两块圆弧形铁心之间设有励磁绕组602，电枢绕组603位于电机定子铁心601内圆的齿上。\n[0021] 所述的电机采用径向气隙式电励磁型双凸极结构，电机包括定子和转子两个部分，如图2和图3所示为两种典型的电励磁型双凸极电机。以图2中电机结构为例，所述转子5结构非常简单，既无永磁体也无绕组，为简单的导磁铁心冲片压叠而成。可根据需要，制为直槽转子或斜槽转子。所述电机定子包括定子铁心601，励磁绕组602，电枢绕组603。\n定子铁心601也为简单的导磁铁心冲片压叠而成，对于电枢绕组603，可以采用集中式绕组，也可以采用分布式绕组。\n[0022] 当该飞轮储能系统需要与外界进行能量传递（即电机作为电动机，将电能转换成飞轮本体的动能来存储能量；或电机作为发电机，把飞轮本体的动能转换成电能来释放能量）时，给励磁绕组602中通入直流电，各励磁绕组所产生的励磁磁场方向如图中箭头所示。\n而当该飞轮储能系统不与外界进行能量传递，即处于储能状态时，置励磁绕组602于开路状态，此时电机气隙中没有磁场，因此也无涡流损耗和磁滞损耗。图3中所示为另一种磁通切换型双凸极电机，其在飞轮储能系统中的工作原理同上。\n[0023] 需要说明的是，图2及图3只列举了两种常见的径向气隙式电励磁型双凸极电机结构，该飞轮储能系统也可采用其他具有上述特征的径向气隙式电励磁双凸极电机，在此不一一列举。\n[0024] 如图4所示，本发明的飞轮储能装置也可以使用轴向气隙式电励磁型双凸极电机，包括上磁性轴承1，真空腔2，飞轮本体3，外壳4，电机转子5，电机定子6，下磁性轴承7，飞轮转轴8。电机转子5与飞轮本体3合成一体，电机定子6固定在外壳4上。此种结构的飞轮储能系统的工作原理同图1所示飞轮储能系统的工作原理相同，在此不再赘述。\n[0025] 图5列举了一种轴向气隙式电励磁型双凸极电机的三维图，图中有电机转子5，电机定子铁心601，励磁绕组602和电枢绕组603。需要说明的是，为了便于观察，图5中只显示了电枢绕组603的一个线圈。\n[0026] 图5只列举了一种轴向气隙式电励磁型双凸极电机结构，该飞轮储能系统也可采用其他具有上述特征的轴向气隙式电励磁双凸极电机，在此不一一列举。