杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法技术

本公开提出了杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法，所述同步电机集电动机和发电机为一体，工作在电动和发电两种状态，实现电动、发电的互逆运行，包括：外转子、杯形绕组和内转子，所述杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，所述外转子包括外转子轭，所述内转子包括内转子轭，外转子和杯形绕组以及杯形绕组和内转子之间均留有气隙。本公开简化了飞轮储能系统的结构。电机结构简单，电机的能量利用效率提高，电机轴向长度缩短，电机总体体积、重量减小，有利于转子的平稳转动。利于转子的平稳转动。利于转子的平稳转动。

Cup winding permanent magnet synchronous motor, energy storage flywheel and method thereof

【技术实现步骤摘要】
杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法


[0001]本公开属于电机
，尤其涉及杯形绕组永磁同步电机、储能飞轮及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随着经济的迅速发展，用户的用电需求日益增加，能源的需求也日益增长，能源的供求矛盾日趋严峻，用户对能源的可靠性灵活性的要求逐渐增高。为了实现低碳绿色能源的可持续高质量发展，尤其是由于可再生能源技术的不断推进，风能、太阳能等可再生能源在发电上的占比逐渐增大。但由于可再生能源自身存在的间歇性和随机性，为了实现能源的高效利用，提高供电可靠性，高比例的可再生能源对于储能方面提出了更高的要求，也给储能的发展带来了新机遇。
[0004]储能字面意思指的是电能的存储，能量储存技术是现如今应对能源短缺、满足电网稳定可持续运行、能量高效利用的一种较为有效的方法，在电力系统中，当电网负荷存在波动时，各种储能装置发挥作用进行一定的削峰填谷，当电力需求较少，电网用电负荷处于低谷状态时，储能装置从电网获取电能进行充电，多余的电能储存在装置内部；当电力需求较多，电网无法满足电力供应时，储能装置将储存的电能向电网回馈，从而满足用户的电力需求。除此之外，能量储存技术可以用于可再生能源发电场合，可以将风能、太阳能等随机性波动性较强的能源有效储存，提高可再生能源发电并网时的能量利用率以及并网的可靠性，对未来可再生能源发电的发展具有极大的推动作用。
[0005]现如今常见的能量存储方式主要分为物理储能、化学储能、其他方式储能这三大类，其中像飞轮储能、抽水蓄能电站、热储能、压缩空气储能等等属于物理储能，而最常见的电池储能、电容器储能等归于化学储能的范畴，其他方式还包括超导储能等等。目前应用最为广泛的依然是电池储能，利用电池作为能量来源，可以得到稳定的电压电流，并且电池结构简单，携带方便，一次性投入成本较低。电池的储能范围很广，从铅蓄电池到各式各样的干电池、锂电池，适用于大中小各类储能场合，广泛应用于新能源汽车、太阳能发电等可再生能源领域。然而化学电池的大规模运用，会产生大量的碳排放，久而久之会造成严重的环境污染，因此为了社会的可持续发展，飞轮储能技术越来越多地受到行业的重视，具有更光明的发展前景。
[0006]飞轮储能是一种充放效率高、寿命长、能量密度高、功率密度大、启动速度快、不受充放电次数的限制、对工作温度和运行环境适应性强、维护成本低且无污染的一种储能方式，逐渐成为目前的研究热点。由于其独特的优点，飞轮储能可以广泛的应用于新能源并网、航空航天、交通运输以及不间断电源UPS等领域，同时可以与电池储能联合应用于风力发电系统。飞轮储能其工作原理是实现电能和机械能之间的能量转换，以高速旋转的飞轮作为储能介质，当需要充电时，利用电动机带动飞轮高速旋转起来，将电能转换成机械动能储存起来；当需要放电时，利用飞轮拖动发电机发电，飞轮减速，将动能转换成电能，给负载
供电。
[0007]早在一百年前，就有人提出利用高速旋转的飞轮进行储存能量，但由于当时技术水平的限制，此想法一直没有得到实际性的发展。直到20世纪60年代，美国宇航局尝试将飞轮储能用作卫星蓄电池，之后各国对于卫星储能飞轮的需求日益增多，飞轮陆续用于军工国防、航空航天等场合。近年来，随着以下三项相关技术的迅猛发展，给飞轮储能技术带来了极大的发展前景，一是高强度碳素纤维复合材料的出现，提升了飞轮的转速及强度，增加了单位质量的动能储量；二是磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，磁悬浮和真空技术相结合，使得飞轮转子的摩擦损耗和风摩损耗都大幅度降低；三是新型电机及新型电力变换装置的发展，使得现代电力电子技术各种新进展层出不穷，为飞轮储能的能量转换提供了更为先进的手段。国外关于飞轮储能的研究起步较早，美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多，目前已有众多单位、企业如美国国家航空航天局(NASA)、Active Power公司、德国的Piller公司等等进行大量的研究及生产。我国在飞轮储能领域起步较晚，国内从事飞轮储能研究的团队多属于高校和科研院所等学术机构，如清华大学、北京航空航天大学、中科院电工所、哈尔滨工业大学、山东大学等等高校，但近年来随着国家对新能源领域的支持，也有相关企业从事飞轮储能方面的生产研究，像冀东发展集团、北京奇峰聚能科技有限公司、北京华池动能科技有限公司等，但与国外高性能的储能飞轮相比，国产储能飞轮主要在可靠性、容量等方面存在较大差距。
[0008]飞轮储能系统其基本结构主要包括以下几个部分，即储存能量的飞轮本体、电动机/发电机组、用于支撑的轴承系统、电力电子变换系统、真空室这五个部分。为了减小飞轮高速旋转带来的摩擦损耗，将飞轮本体和电机密封在真空室内，从而降低电机运行时的风阻损耗，提升飞轮储能系统的能量利用率，保证系统的安全。为了提高飞轮储能系统的灵活性和适应性，使其发出的电能够在不同场合各种电压等级下使用，将电力电子变换装置应用于飞轮储能系统。电力电子变换装置作为飞轮储能系统中电机和外部负载侧电气设备之间进行交换能量的媒介，可以实现飞轮储能系统和外部电气设备之间的能量双向流动，调节输出/输入电能的电压、电流和频率，将飞轮输出的电能通过调频、整流或恒压等电力变换，从而满足负荷供电所要求的电能。飞轮本体作为飞轮储能系统中最核心的部件，常采用高强度碳素纤维复合材料制作，其作用是储存能量，直接决定着储存能量的多少，因此通常飞轮设计力求提高转速或转动惯量，同时保证一定的飞轮重量的情况下，增大飞轮储能量。轴承系统是维持飞轮系统稳定性和可靠性的重要的机械组件，主要包括机械轴承和电磁轴承两类，目前应用于飞轮储能系统多采用电磁轴承即磁悬浮系统，使得电机转子不存在摩擦力和机械损耗，延长飞轮寿命。电动机/发电机组是实现飞轮能量转换的核心部件，为了保证飞轮储能系统的稳定运行，电机必须能够实现电动/发电的互逆运行，即电动机和发电机一体，可以工作在电动和发电两种状态，在储能时，电机作为电动机运行，利用外界电能驱动电动机，带动飞轮转子高速旋转，将电能储存起来；在释能时，电机又作为发电机运行，飞轮减速，带动发电机发电向外输出电能。为保证储能飞轮能够得到更好的性能，对电动机/发电机组也应该具备以下性能要求：能够高速运行以便储备更高容量，电机调速范围广、调速性能好，电机运行效率高、输出转矩大、输出功率高，电机需结构简单、性能可靠等等。常见的用于飞轮储能的电机有以下几种，包括异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、感应子电机等。其中永磁同步电机结构简单、效率高，目前得到广泛应用。永磁同步电动机
种类多种多样，按转子位置不同，可分为外转子永磁同步电机和内转子永磁同步电机，按磁路方向不同，可分为径向磁通、轴向磁通和横向磁通式，按定子结构不同，可分为有铁心和无铁心电机，等等。
[0009]不同种类的电机其特性不同，适用于不同的场合，目前国内外关于储能飞轮用永磁电机的研究样机有很多，尤其是国外对于储能飞轮用永磁电机的研究已经十分成熟，美国NASA对用于飞轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述同步电机集电动机和发电机为一体，工作在电动和发电两种状态，实现电动、发电的互逆运行，包括：外转子、杯形绕组和内转子，所述杯形绕组置于内外转子之间的空腔内，所述外转子包括外转子轭，所述内转子包括内转子轭，外转子和杯形绕组以及杯形绕组和内转子之间均留有气隙。2.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述外转子由一个外转子轭和沿圆周方向分布的N极、S极交错排列的多极永磁体构成，其中永磁体按要求的磁极极数均匀分布于外转子轭的内表面。3.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述永磁体的安装方式为：直接将永磁体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上；或将永磁体先置于一个导磁圆筒内壁上，然后整体置于飞轮转子端面所开空腔的外周的内壁上。4.如权利要求2所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，每极永磁体为扇型结构，径向充磁；优选的，将每极永磁体沿轴向及周向分成数个小块，再粘接到一起后再整体径向充磁。5.如权利要求2所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，电机外转子轭所用材料为导磁的飞轮钢，扇形永磁体由性能优异的稀土永磁材料制成。6.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述内转子为永磁内转子或非永磁内转子；进一步的优选的，所述永磁内转子，由内转子轭和其外侧的沿圆周方向N极、S极交错排列均匀分布的多极永磁体构成；优选的，所述永磁体扇型结构，每极永磁体分块后整体径向充磁，由稀土永磁材料制作而成；进一步的优选的，所述非永磁内转子，内转子外侧没有放置永磁体，只有一个内转子轭；所述内转子轭所用材料也为导磁的飞轮钢。7.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述内转子轭与外转子轭同步旋转，均为大飞轮转子的一部分，利用导磁飞轮转子当做外转子轭及内转子。8.如权利要求1所述的杯形绕组永磁同步电机，其特征是，所述杯形绕组由电机定子电枢绕组经环氧树脂固化而成，将绕组绕制在由不导磁不导电的材料制成的定子支架上，并利用环氧树脂填充，最后整体固定于电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐衍亮，孙铭鑫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：