一种双圆盘结构飞轮储能系统技术方案

本发明专利技术涉及一种飞轮储能系统。一种双圆盘结构飞轮储能系统，由两个圆盘组成，两个飞轮在中央部位耦合在一起，在其余部位分开，并在一个密封的容器内由轴承支撑，做轴向旋转。飞轮通过集成其上的电机进行加速或减速，从而实现充电或放电。飞轮的电机包括轴向吸附在轮盘上的一组轴向磁极交替的磁铁组成，这样磁力线就可以来回穿过上下两个轮盘之间的空隙，形成磁隙。电机的空心电枢就位于磁隙中，包括多相绕组与磁铁产生电磁感应。磁铁在径向上由外部的一个约束环箍住，用来抵抗旋转时产生的离心力。

【技术实现步骤摘要】

本实用型涉及一种高效率、高功率、低成本的飞轮储能系统。
技术介绍
作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，飞轮储能系统储存电能，具有寿命 长、维护量小、高效率、和高功率的优点。飞轮储能依靠旋转的飞轮把电能转换为动能储存 起来。飞轮储能系统依靠电机来实现充放电。充电时，电机推动飞轮转动，把电能转换为动 能储存起来；放电时，飞轮驱动电机，把动能转换为电能释放出去。电机有多种设计方法，不 同方法有各自的优点，适合于不同的要求。飞轮一般使用钢和复合材料来制造，所以有钢飞 轮、复合材料飞轮、以及钢和复合材料混合飞轮。飞轮储能系统一般使用磁悬浮轴承来支撑 飞轮，来实现减少摩擦和提高系统寿命。为了减少空气阻力，飞轮一般放在密闭的真空容器 中。尽管有许多方法来设计飞轮储能系统，一种具有低成本、高效率、高功率的飞轮储能系 统是目前业界追求的目标。
技术实现思路
本专利技术是提供了一种双圆盘结构飞轮储能系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种双圆盘结构飞轮储能系统，具 有两个不含孔洞的实心钢质轮盘，在两个轮盘在外径部位是分开的，在中心部位固定连接 在一起，在轮盘的盘面上设置有作为电机的磁通来源的环形轴向交替磁极的磁体，在磁体 气隙中间设置有电机定子的空心电枢，在磁体的外围设置有径向约束磁体的约束环。轮盘的固定方式具体可采用轮盘通过过盈配合到中央的一个独立的圆管实现连 接到一起。或者，轮盘通过设置于轮盘上的中心凹凸的插口过盈配合连接到一起。外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是 最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠 绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度， 但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或 者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。或者，复合材料环使用过盈配合来 预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合材料环 的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。第三种方法，约束环由轮盘外 缘轴向伸出的剪切唇及剪切唇的外侧设置的碳纤维树脂约束环组成。由于圆盘上没有孔洞，提高了飞轮的转速。两个圆盘在中央位置通过盈配合套在 一起，在其余部位是分开的。集成在飞轮上的电机，使飞轮通过加速和减速来实现充电和放电。电机的轴向磁 极交替的磁体分别吸附在上下两个钢圆盘上。磁力线来回穿过圆盘之间的空隙，构成回路。 电机的定子位于磁体气隙中间，采用空心电枢。空心电枢使用多相绕组，与旋转磁体产生感 应。磁体使用永磁体，轴向吸附在钢圆盘上。磁体在径向上被外围一个约束环束缚，来抵抗旋转时产生的离心力。虽然使用两个圆盘比使用一个圆盘造价高，然而本方法降低了整个系统的成本。 两个圆盘扣在一起，构成了电机的一部分。把磁体简单的吸附到圆盘上，构成了电机的磁通 来源。这种电机实现了非常高的效率和功率，因为它免去了电机常用的叠片，并且提高了磁 体的线速度。电机叠片的免去，是因为整个磁通路径与飞轮一同转动，周向变化的磁通不需 要穿过定子。叠片的免去和使用空心电枢进一步降低了成本。空心电枢使用利兹导线缠绕，放在绝磁的盘上，这样实现了最高的效率和简单的 制作。利兹导线，或者多股相互绝缘的导线，阻止了绕组中的涡流电流。也可以采用其它种 类的空心电枢。由于钢圆盘使用过盈配合扣在一起，没有孔洞，是一种有效提高飞轮转速的 方法。外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是 最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠 绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度， 但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或 者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。第三种方法，复合材料环使用过盈 配合来预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合 材料环的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。除了轮盘和约束环的应力之外，磁体的应力也是个问题。弯曲应力可以很容易使 磁体产生裂缝。为了消除这个问题，在磁体和环之间插入一个缓冲，这个缓冲环材料的弹性 模量要比约束环和磁体的弹性模量低。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的飞轮储能系统的正视图。图2是本专利技术的第一种替代飞轮储能系统的正视图。图3是本专利技术的第二种替代飞轮储能系统的正视图。图4是本专利技术的第三种替代飞轮储能系统的正视图。图5是本专利技术的飞轮储能系统空心电枢的平面示意图。图6是本专利技术的飞轮储能系统空心电枢的正视图。具体实施例方式如图1所示的一种双圆盘结构飞轮储能系统，飞轮系统30由包括轮盘32和33的 飞轮体31构成。两个轮盘通过过盈配合于中间的圆管34来连接在一起，圆管34通常采用 非铁性材料制作，如采用铝管。集成在轮盘32、33上，是电机35。电机35由一组环形轴向 交替磁极的磁体36、37构成，磁体36、37吸附在轮盘32和轮盘33上。这组磁体由永磁体 构成或是磁化的磁铁构成。磁铁可以吸附在一个轮盘上，最好是两个轮盘，这样能提高电机 效率和功率。轮盘32、33分别轴向伸出的剪切唇50、51，构成了环形约束环，在径向上约束 磁体36、37。磁体36、37驱动磁通在轮盘32和33之间的空隙来回穿过，构成回路，并穿过 轮盘32和33之间的空心电枢38。空心电枢最好由多相利兹导线绕成，可以减少涡流损耗。绕组放在绝磁体上，来减少磁损失和简化制造。轮盘32、33在径向上由上下两个机械轴承39、40来支撑。轴向磁轴承41支撑着 轮盘32、33的重量，有效地提高了机械轴承39、40的寿命。磁轴承41由两个轴向相互排斥 的旋转磁体42和静止磁体43组成。这种轴承系统实现了低成本和高寿命。电枢导线44 通过密闭馈通45从容器52中伸出，连接到电力电子46上。电力电子46连接系统外部的 电力连接47。容器52包含着内部的腔53，真空泵48通过真空连接49连接着容器52。吸 气泵，可以替代真空泵对腔53维持真空，并在一些场合非常合适。图2是第一种替代设计。飞轮储能系统60由包括两个钢轮盘62、63的飞轮体61 组成。轮盘62、63包含在真空密闭的容器64中的内腔65中。轮盘62、63由插口 66过盈 配合连接在一起。集成上轮盘上62、63上面的是电机67，电机通过飞轮的加速和减速来实现充放 电。电机67由环形轴向交替磁极的磁体68、69组成，磁体68、69粘在轮盘轮盘上62、63上 面。磁体68、69在径向上被轮盘轴向伸出的剪切唇和碳纤维树脂约束环70、71约束，这样能 够减少磁体所承受的离心力。约束环70、71被预压到轮盘62、63上。剪切唇和约束环70、 71变厚度预压扣在一起。这种预压方法能够实现高转速，但是比较图1的设计，它增加了成 本。磁体68、69驱动磁通轴向穿过位于轮盘62、63之间的磁体空隙84，并环形地充满 整个轮盘周向。空心电枢85位于在磁体空隙84之间，空心电枢85由多相绕组构成。轮盘 62、63由上下两个机械轴承72、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双圆盘结构飞轮储能系统，其特征是：具有两个不含孔洞的实心钢质轮盘，在两个轮盘在外径部位是分开的，在中心部位固定连接在一起，在轮盘的盘面上设置有作为电机的磁通来源的环形轴向交替磁极的磁体，在磁体气隙中间设置有电机定子的空心电枢，在磁体的外围设置有径向约束磁体的约束环。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗盖卜瑞斯，
申请(专利权)人：苏州菲莱特能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]