一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置

1.一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，包括飞轮组件、电机、重载磁浮轴承、径向轴承、真空密封壳体和安全组件，所述的飞轮组件、安全组件均设在真空密封壳体内，所述的电机、重载磁浮轴承、径向轴承均设在飞轮组件和真空密封壳体之间，所述的重载磁浮轴承设在电机上下方，所述的飞轮组件、电机的转子和重载磁浮轴承组成整体转子；所述的飞轮组件包括飞轮体、轮辐支撑结构和转筒，所述的飞轮体通过轮辐支撑结构与转筒连接，所述的转筒分别与电机、重载磁浮轴承、径向轴承的转动体连接。
2.根据权利要求1所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的电机为内置式异步电动-发电机，包括转子和电枢，所述的转子安装在转筒内侧，所述的电枢安装在真空密封壳体上，当外部输入电能时，电机工作在电动状态，将电能转换为飞轮体的动能，即充电；当需要向外供电时，电机工作在发电状态，将飞轮体的动能转换为电能输出，即放电。
3.根据权利要求1所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的重载磁浮轴承为多对动、静磁环组合成的强力永磁悬浮轴承，动磁环外侧和静磁环内侧均装有导磁轭。
4.根据权利要求1所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的真空密封壳体包括内壳、外壳、上板和下板，所述的内壳、外壳、上板和下板组成密闭空间，所述的内壳、外壳与上板、下板的连接处设有静密封结构和抽真空接口，所述的内壳分别与电枢、重载磁浮轴承、径向轴承的静止部分连接，所述的内壳内侧设有冷却件。
5.根据权利要求4所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的冷却件为散热翅片或冷却水套。
6.根据权利要求1所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的安全组件包括设在转筒下方的安全着陆单元和飞轮体外侧的安全护墙。
7.根据权利要求6所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的安全着陆单元包括推力轴承和设在推力轴承下方的缓冲弹簧。
8.根据权利要求6所述的一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述的安全护墙为单层或多层由高强纤维复合材料构成的保护层。

一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种飞轮储能装置，尤其是涉及一种适用于电力储能(一次调频和削峰填谷)、间歇式新能源发电系统、轨道交通频繁制动启动的能量回收与释放的大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置。\n背景技术\n[0002] 飞轮储能是一种物理储能，与化学储能相比，飞轮储能在环境保护、高可靠性、工作寿命很长、充放电速度可快可慢等方面具有的天生优势，是化学储能无法比拟的。飞轮所\n2\n储存的动能E与飞轮的转动惯量J和转速ω的平方相关，E＝0.5Jω。就目前技术来看，人们大多注重于对飞轮在高速状态下储能进行相关技术和材料研究，较多关注的是如何提高飞轮储能装置的能量密度。然而对于大容量电力储能而言，高速飞轮并没有优势。在飞轮材料强度一定的前提下，经济可靠的大能量储能必须依靠中低速、大惯量飞轮。由于大惯量飞轮体积重量大，如何减小飞轮运转时的轴承损耗、风摩损耗和空载损耗，成为大能量飞轮高效率、长时间储能必须解决的关键问题。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种损耗低、工作效率高、安全性高的大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置。\n[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：\n[0005] 一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，包括飞轮组件、电机、重载磁浮轴承、径向轴承、真空密封壳体和安全组件，所述的飞轮组件、安全组件均设在真空密封壳体内，所述的电机、重载磁浮轴承、径向轴承均设在飞轮组件和真空密封壳体之间，所述的重载磁浮轴承设在电机上下方，所述的飞轮组件、电机的转子和重载磁浮轴承组成整体转子。\n[0006] 所述的飞轮组件包括飞轮体、轮辐支撑结构和转筒，所述的飞轮体通过轮辐支撑结构与转筒连接，所述的转简分别与电机、重载磁浮轴承、径向轴承的转动体连接。\n[0007] 所述的电机为内置式异步电动-发电机，包括转子和电枢，所述的转子安装在转筒内侧，所述的电枢安装在真空密封壳体上，当外部输入电能时，电机工作在电动状态，将电能转换为飞轮体的动能，即充电；当需要向外供电时，电机工作在发电状态，将飞轮体的动能转换为电能输出，即放电。\n[0008] 所述的重载磁浮轴承为多对动、静磁环组合成的强力永磁悬浮轴承，动磁环外侧和静磁环内侧均装有导磁轭。\n[0009] 所述的真空密封壳体包括内壳、外壳、上板和下板，所述的内壳、外壳、上板和下板组成密闭空间，所述的内壳、外壳与上板、下板的连接处均设有静密封结构和抽真空接口，所述的内壳分别与电枢、重载磁浮轴承、径向轴承连接，所述的内壳内侧设有冷却件。\n[0010] 所述的冷却件为散热翅片或冷却水套。\n[0011] 所述的安全组件包括设在转筒下方的安全着陆单元和飞轮体外侧的安全护墙。\n[0012] 所述的安全着陆单元包括推力轴承和设在推力轴承下方的缓冲弹簧。\n[0013] 所述的安全护墙为单层或多层由高强纤维复合材料构成的保护层。\n[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：\n[0015] 1、采用强力永磁轴向悬浮轴承，基本上消除机械摩擦损耗；\n[0016] 2、采用内置式异步电动-发电机，在飞轮纯蓄能(不充放电)运行状态下，通过适当的励磁控制，可以消除电机的空载损耗；\n[0017] 3、重载磁浮轴承和电机的转子与飞轮组件设计成整体转子，使得整个装置可采用静密封真空结构(避免了复杂且不可靠的动密封结构)，飞轮体在真空中旋转，消除了风摩损耗；\n[0018] 4、提高了工作效率，可达94％；\n[0019] 5、采用转子安全着陆单元和缓冲弹簧，有效防止意外故障时飞轮转子出现轴向碰撞；\n[0020] 6、设有一层或多层径向防护墙，万一飞轮体出现非正常裂纹，防护墙可有效防护飞轮碎体对外壳的直接撞击，吸收碰撞动能，保障安全。\n附图说明\n[0021] 图1为本发明的结构示意图；\n[0022] 图2为本发明的剖视结构示意图。\n[0023] 其中：1为上板，2为静密封结构，3为径向轴承，4为重载磁浮轴承，5为电机转子，\n6为电枢，7为冷却件，8为推力轴承，9为内壳，10为转筒，11为缓冲弹簧，12为轮辐支撑结构，13为飞轮体，14为安全护墙，15为外壳。\n具体实施方式\n[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。\n[0025] 实施例\n[0026] 如图1、图2所示，一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置，包括飞轮组件、电机、重载磁浮轴承4、径向轴承3、真空密封壳体和安全组件，所述的飞轮组件、安全组件均设在真空密封壳体内，所述的电机、重载磁浮轴承4、径向轴承3均设在飞轮组件和真空密封壳体之间，所述的重载磁浮轴承4设在电机上下方，所述的飞轮组件、电机的转子和重载磁浮轴承4组成整体转子。\n[0027] 所述的飞轮组件包括飞轮体13、轮辐支撑结构12和转筒10，所述的飞轮体13通过轮辐支撑结构12与转筒10连接，所述的转筒10分别与电机、重载磁浮轴承4、径向轴承\n3的转动体连接。飞轮体13为高强度结构钢制作的大直径大惯量空心圆柱体，可按电力储能要求提供2kWh～10MWh的储能容量。轮辐支撑结构12将飞轮体13和转筒10连接起来，大幅减轻旋转体的重量。\n[0028] 所述的电机为内置式异步电动-发电机，包括转子5和电枢6，所述的转子5安装在转筒10内侧，所述的电枢6安装在真空密封壳体上，电枢6通过电功率双向流动的电力电子变换装置与电源连接，当外部输入电能时，电机工作在电动状态，将电能转换为飞轮体\n13的动能，即充电；当需要向外供电时，电机工作在发电状态，将飞轮体13的动能转换为电能输出，即放电。根据需要，可快充快放，可慢充慢放，亦可较长时间运行于不充不放的纯储能状态，此时，电机停止励磁，消除了空载铁耗。此外电机转子也可以采用永磁、凸极铁心结构。\n[0029] 所述的重载磁浮轴承4为多对动、静磁环组合成的强力永磁悬浮轴承，可支承旋转体的所有重量(大型飞轮旋转体的重量可达数十吨，甚至上百吨)，消除重力摩擦损耗。\n磁环的充磁方式可为径向充磁，或轴向充磁，或按Halbach列方式充磁，动磁环外侧和静磁环内侧均装有导磁轭。\n[0030] 径向轴承3可以是机械轴承，也可以是磁轴承，其作用是限制转筒的径向位移。飞轮装置垂直安装，运行时处于非移动状态，“径向轴承”基本不需承受径向载荷，因而摩擦损耗很小。\n[0031] 所述的真空密封壳体包括内壳9、外壳15、上板1和下板，所述的内壳9、外壳15、上板1和下板组成密闭空间，所述的内壳9、外壳15与上板1、下板的连接处设有静密封结构2和抽真空接口，所述的内壳9分别与电枢6、重载磁浮轴承4、径向轴承3的静止部分连接，所述的内壳9内侧设有冷却件7。静密封结构2使壳体内腔与外界气密隔离，抽真空接口与外部抽真空设备连接，保持内腔的高度真空，因而飞轮体旋转时不产生风摩损耗。冷却件7为散热翅片或冷却水套，与外部冷却装置对接，将“电机”工作时产生的热量带走。\n[0032] 所述的安全组件包括设在转筒下方的安全着陆单元和飞轮体外侧的安全护墙14。\n所述的安全着陆单元包括推力轴承8和设在推力轴承下方的缓冲弹簧11。转筒10与推力轴承8之间有安全间隙。\n[0033] 当重载磁浮轴承4非正常失磁，转筒10下滑距离达到或超过安全间隙时，推力轴承8和缓冲弹簧11将对转筒10起安全支撑作用。\n[0034] 所述的安全护墙14为单层或多层由高强纤维复合材料构成的圆筒形保护层。其作用是，当飞轮体在极端故障情况下出现裂纹破碎时，安全护墙可阻挡飞轮破碎体直接碰撞外壳，吸收其碰撞动能，保护飞轮装置的安全。“安全护墙”的厚度、层数、层间距离与吸收飞轮破碎体的能量相适应。