具有永磁变速装置的飞轮储能及惯量传导系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种具有永磁变速装置的飞轮储能及惯量传导系统。

背景技术

随着以清洁能源为主的新一轮能源变革的发展，新能源在我国电网中的占比将越来越高。但是，新能源技术中多采用电力电子装置接入电网，而电力电子装置属于静置设备，其不具备类似同步机的旋转结构，几乎没有转动惯量，无法主动为电网提供必要的电压和频率支撑，也无法提供必要的阻尼作用。尤其是随着通过电力电子装置连接到电网的分布式能源的渗透率越来越高，电网总的转动惯量不断减小，因此当发生重大的负荷或电源突变时电网出现大的频率偏差的风险也不断提高。高比例电力电子装置的接入会导致电网长期处于低惯量水平中，增加系统不平衡功率冲击，这给电力系统安全稳定的运行带来了越来越大的压力。为改善缓解电网运行压力及新能源消纳压力，亟需具备一定的支撑电网动态调整能力的储能系统来提高电网高效接纳新能源的能力。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

飞轮储能技术是一种以动能形式存储能量的储能技术，通过电动机/发电机带动转子加速/减速的方式来实现能量的存储/释放。飞轮储能的主要优点是具有快速的爬坡能力、能量转换效率高和使用寿命长等，在提供辅助服务，例如惯量和频率调节等方面具有得天独厚的优势。且飞轮没有任何地理限制，可以轻松安装，具有可推广及可大规模复制的优点。

目前已有的飞轮储能技术均通过电力电子装置辅助电动/发电机进行动能和电能之间的相互转换过程。当系统需要储存电能时，其会将外部输送来的交流电通过AC/DC的方式供给电动机，进而驱动飞轮转子旋转储能；当需要放电时，电力电子装置对飞轮转子的转子转动惯量进行解耦，起到整流、调频、稳压的作用，以满足负载用电需求。但是电力电子装置属于静置设备，几乎没有转动惯量，因此，飞轮储能技术无法解决当前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有永磁变速装置的飞轮储能及惯量传导系统。

根据本发明实施例的具有永磁变速装置的飞轮储能及惯量传导系统，包括：飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括飞轮转子和电机；永磁变速装置，所述永磁变速装置包括输入轴和输出轴，所述飞轮转子可断开地与所述输入轴传动连接，所述输出轴的转速能够保持恒定；和发电机，所述输出轴可断开地与所述发电机传动连接，所述发电机用于受所述输出轴的驱动产生并输出稳定电流。

根据本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的永磁变速装置，且永磁变速装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电流。将本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

在一些实施例中，所述永磁变速装置的变速比可调以便所述输出轴的转速能够保持恒定。

在一些实施例中，所述永磁变速装置能够在预设范围内连续调节其变速比。

在一些实施例中，所述永磁变速装置包括内磁环、调磁环和外磁环，所述内磁环、所述调磁环和所述外磁环从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙，所述内磁环与所述输入轴传动连接，所述调磁环与所述输出轴传动连接，所述外磁环可旋转地设置。

在一些实施例中，所述外磁环包括从内向外依次相连的外磁环内永磁体、外磁环铁芯和外磁环外永磁体，所述永磁变速装置还包括定子，所述定子套设在所述外磁环上并与所述外磁环间隔形成气隙，所述外磁环能够被所述定子产生的旋转磁场驱动且转速可调。

在一些实施例中，当所述外磁环静止且所述内磁环在所述输入轴的驱动下正转时，所述永磁变速装置的变速比为第一预设变速比；

当所述内磁环在所述输入轴的驱动下正转，所述外磁环反转且其转速小于第一预设转速时，所述永磁变速装置的变速比大于所述第一预设变速比；

当所述内磁环在所述输入轴的驱动下正转，所述外磁环反转且其转速为所述第一预设转速时，所述永磁变速装置的输出转速等于零；

当所述内磁环在所述输入轴的驱动下正转，所述外磁环反转且其转速大于第一预设转速时，所述调磁环反转；

当所述内磁环在所述输入轴的驱动下正转，所述外磁环正转时，所述永磁变速装置的变速比小于所述第一预设变速比。

在一些实施例中，所述飞轮储能及惯量传导系统具备释能状态和储能状态，在所述释能状态下，所述电动机待机，所述飞轮转子与所述输入轴传动连接以便释放动能，所述输出轴与所述发电机传动连接以驱动所述发电机发电，所述发电机能够向电网中输入稳定电流，在所述储能状态下，所述电动机驱动所述飞轮转子转动以储存动能，所述发电机能够停止向电网中输入电流。

在一些实施例中，在所述储能状态下，所述发电机空转，和/或，所述飞轮储能单元与所述输入轴之间的传动连接断开，和/或，所述输出轴的转速为零，和/或，所述输出轴与所述发电机之间的传动连接断开。

在一些实施例中，所述飞轮储能及惯量传导系统具备待机状态，在所述待机状态下，所述电动机待机，所述发电机空转。

在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统还包括飞轮储能控制器，所述飞轮储能控制器用于控制所述飞轮储能单元的能量输入及输入功率，所述飞轮储能控制器包括：电网检测模块，所述电网检测模块用于检测电网的当前频率；电动机控制模块，所述电动机控制模块用于根据电网的当前频率控制所述电动机的启闭及输入功率。

在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统还包括永磁变速控制器，所述永磁变速控制器用于调控所述永磁变速装置的变速比，其包括：输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述输入轴的转速；运算模块，所述运算模块用于根据所述输入轴的转速和所述输出轴的预设转速运算出所述永磁变速装置的理想变速比；变速比控制模块，所述变速比控制模块用于根据所述理想变速比调控所述永磁变速装置的变速比。

在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统还包括永磁变速控制器，所述永磁变速控制器用于调控所述永磁变速装置的变速比，其包括：输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述输入轴的转速；运算模块，所述运算模块用于根据所述输入轴的转速和所述输出轴的预设转速运算出所述永磁变速装置的理想变速比；变速比控制模块，所述变速比控制模块用于根据所述理想变速比调控所述定子的所述旋转磁场，以便使所述永磁变速装置的变速比为所述理想变速比。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的飞轮储能及惯量传导系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的永磁变速装置的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的永磁变速装置的截面图。

图4是根据本发明实施例的飞轮储能控制器的示意图。

图5是根据本发明实施例的永磁变速控制器示意图。

附图标记：

飞轮储能及惯量传导系统1；飞轮储能单元10；飞轮转子111；电动机112；永磁变速装置20；输入轴211；输出轴212；发电机30；

调磁环001；内磁环002；内磁环永磁体0021；内磁环铁芯0022；内磁环筒体0023；外磁环003；外磁环内永磁体0031；外磁环铁芯0032；外磁环外永磁体0033；调磁环支撑轴承0041；内支撑轴承0042；第一外磁环支撑轴承0043；第二外磁环支撑轴承0044；内磁环法兰005；第一调磁环法兰0061；第二调磁环法兰0062；第一外磁环法兰0063；第二外磁环法兰0064；定子100；定子铁芯110；绕组120；外壳130。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1描述本发明的实施例的飞轮储能及惯量传导系统1的基本结构。如图1 所示，飞轮储能及惯量传导系统1包括飞轮储能单元10、永磁变速装置20和发电机30。

飞轮储能单元10包括飞轮转子111和电动机112。飞轮转子111的加速能够实现能量的储存，飞轮转子111的减速能够实现能量的释放。其中飞轮转子111与电动机112相连，电动机112用于驱动飞轮转子111旋转。电动机112通过驱动飞轮转子111加速旋转，最终实现电能以动能的形式储存在飞轮储能单元10中。

永磁变速装置20包括输入轴211和输出轴212。永磁变速装置20用于传导飞轮转子111由于转动产生的转动惯量，以及驱动发电机30产生并输出电能。其中，飞轮转子111 可断开地与输入轴211传动连接，也就是说，飞轮转子111可以与输入轴211传动连接，也可以不与输入轴211传动连接。输出轴212可断开地与发电机30传动连接，也就是说，输出轴212可以与发电机30传动连接以驱动发电机30发电，也可以不与发电机30传动连接，此时永磁变速装置20无法驱动发电机30产生电能。可选地，发电机30可以将产生的电能输入电网。

永磁变速装置20的输出轴212的转速能够保持恒定，以便永磁变速装置20能够驱动发电机30产生并输出稳定的电流。输出轴212的转速即永磁变速装置20的输出转速，使永磁变速装置20的输出转速保持恒定，从而能够稳定地向发电机30输入动能，发电机30 在稳定的驱动下能够稳定发电，产生并输出稳定的电流，即发电机30能够产生并输出恒频电流。

可选地，飞轮储能及惯量传导系统1可以与电网相连以便参与电网惯量响应，将溢出的能量按溢出比例存于飞轮转子111或者从飞轮转子111按缺失比例汲取能量补充电网，降低电网频率波动。

根据本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的永磁变速装置，且永磁变速装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电流。将本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

在一些实施例中，永磁变速装置20的变速比可调以便使输出轴212的转速能够保持恒定。永磁变速装置20的变速比为输入轴211的转速(永磁变速装置20的输入转速)与输出轴212的转速(永磁变速装置20的输出转速)之比。可以说，永磁变速装置20的变速比由输入轴211的转速和输出轴212的转速决定，也可以说，永磁变速装置20的输入轴 212的转速由永磁变速装置20的变速比决定。因此，通过使永磁变速装置20的变速比可调，可以实现输出轴212的转速保持恒定的目的。

需要说明的是，在本实施例中，永磁变速装置20的输入转速与飞轮转子111的输出转速相等，发电机30的转速与永磁变速装置20的输出转速相等。

本领域的技术人员可以理解的是，飞轮转子111的转速通常情况下处于不断变化之中，通过对永磁变速装置20的变速比进行调节，可以使输出轴212的转速不受飞轮转子111的转速的变化的影响而始终保持恒定。也就是说，为了使输出轴212的转速保持恒定，对输出轴212的转速设定预设值，根据飞轮转子111当前的转速，能够计算得出永磁变速装置20的理想变速比，并根据该理想变速比不断调节永磁变速装置20的变速比，从而实现使输出轴212的转速能够保持恒定，发电机30能够稳定发电。

进一步地，为了使飞轮储能及惯量传导系统1能够更好地使永磁变速装置20的输出转速恒定，以使发电机30能够输出稳定的电流，在一些实施例中，永磁变速装置20具有无级变速功能，即永磁变速装置20能够在预设范围内连续调节其变速比，或者说，永磁变速装置20可以连续获得允许的变速范围内任何变速比。使永磁变速装置20具有无级变速功能，可以更灵活地对永磁变速装置20的变速比进行调节，提高永磁变速装置20的输出转速的稳定性，使发电机30能够更好地向电网中持续稳定地输出电流。

在一些实施例中，具有无级变速功能的永磁变速装置20包括内磁环002、调磁环001 和外磁环003。内磁环002、调磁环001和外磁环003从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。内磁环002作为永磁变速装置20的输入端与输入轴211传动连接，调磁环001作为永磁变速装置20的输出端与输出轴212传动连接。其中，外磁环003可旋转地设置。外磁环 003的旋转可以改变永磁变速装置20的变速比。

下面根据图2和图3描述永磁变速装置20的一个具体实施例。永磁变速装置20包括内磁环002、调磁环001和外磁环003、定子100、输入轴211和输出轴212。

内磁环002包括内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内磁环筒体0023。内磁环永磁体0021设在内磁环铁芯0022的外周面上，内磁环铁芯0022套设在内磁环筒体0023上，内磁环筒体0023起到了支撑作用。也就是说，内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内磁环筒体0023从外向内依次相连，其中内磁环永磁体0021与内磁环铁芯0022的外周面相连，内磁环筒体0023与内磁环铁芯0022的内周面相连。

外磁环003包括外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁体0033。外磁环内永磁体0031设在外磁环铁芯0032的内周面上，外磁环外永磁体0033设在外磁环铁芯0032的外周面上，也可以说，外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁体0033从内向外依次相连。

调磁环001包括骨架和嵌设在骨架中的导磁块。内磁环002、调磁环001和外磁环003 从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。即调磁环001套设在内磁环002上并与内磁环002 之间形成气隙，外磁环003套设在调磁环001上并与调磁环001之间形成气隙。并且，导磁块在内磁环002的径向上与内磁环永磁体0021和外磁环内永磁体0031相对。

内磁环002与输入轴211传动连接，调磁环001与输出轴212传动连接，即内磁环002作为永磁变速装置20的输入端输入扭矩，调磁环001作为永磁变速装置20的输出端输出扭矩，外磁环003固定或空转。

例如，飞轮转子111的转动带动输入轴211转动，输入轴211的转动带动内磁环002的转动，内磁环002和外磁环003之间形成磁场，设在外磁环003和内磁环002之间的调磁环001在磁场的作用下转动并带动输出轴212的转动，调磁环001可切割外磁环003和内磁环002之间的磁力线从而起到调磁的作用，实现速度和动力的变比功能。

定子100包括定子铁芯110和绕组120，定子铁芯110包括环形的定子轭部和从定子轭部向内延伸且沿定子轭部的周向间隔分布的多个定子齿部，绕组120绕设在定子齿部上，定子100套设在外磁环003上并与外磁环003间隔形成气隙。外磁环003能够被定子100 产生的旋转磁场驱动且转速可调。

具体地，外磁环外永磁体0033与定子100内周面之间形成气隙，定子100通电产生旋转磁场，外磁环外永磁体0033在旋转磁场的作用下趋向于围绕外磁环003的中心轴线旋转，从而表现为整个外磁环003在旋转磁场的带动下围绕外磁环003的中心轴线旋转。

飞轮转子111的转动带动输入轴211的转动并带动带动内磁环002转动，进而内磁环 002的转动使得调磁环001切割外磁环003和内磁环002之间的磁力线，产生旋转的磁场带动调磁环001转动且该转动通过输出轴212输出，使得飞轮转子111输出的动能通过输入轴211传递给输出轴212，从而构成无接触的磁传动。永磁变速装置20具有无级变速功能，转动的外磁环003可以作为调速环改变内磁环002和调磁环001之间的变速比，通过对定子100产生的旋转磁场的调控可以调控外磁环003的转速和旋转方向。

外磁环003的旋转可以改变永磁变速装置20的变速比。因此，通过对旋转磁场的控制，能够实现对永磁变速装置20的变速比的调控，使永磁变速装置20的变速比保持在理想变速比，从而使输出轴212的转速保持恒定。

永磁变速装置20的变速比受外磁环003旋转的影响而变化，变化规律如下：

当外磁环003静止且内磁环002在输入轴211的驱动下正转时，永磁变速装置20的变速比为第一预设变速比；

当内磁环003在输入轴211的驱动下正转，外磁环003反转且其转速小于第一预设转速时，永磁变速装置20的变速比对第一预设变速比；

当内磁环003在输入轴211的驱动下正转，外磁环003反转且其转速为第一预设转速时，永磁变速装置20的输出转速等于零，即调磁环001的转速为零；

当内磁环003在输入轴211的驱动下正转，外磁环003反转且其转速大于第一预设转速时，调磁环001反转；

当内磁环003在输入轴211的驱动下正转，外磁环003正转时，永磁变速装置20的变速比小于第一预设变速比。

设内磁环002磁极对数为P1，外磁环003磁极对数为P2，调磁环001导磁块数量为P3，内磁环002、外磁环003和调磁环001满足磁极对数关系，即P3＝P1+P2。

在图2和图3所示的实施例中，内磁环002为输入端，调磁环001为输出端，外磁环003静止或作为调速环(空转)。外磁环003的旋转方向可以与内磁环002相同，也可以相反。

当外磁环003静止时，永磁变速装置20的变速比为

1、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转且转速保持在9000rpm时，调磁环002正转(转动方向与内磁环004相同)，调磁环002的转速保持在3000rpm,此时外磁环005静止，永磁变速装置20的变速比为3，即所述第一预设变速比为3；

2、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速大于9000rpm且逐渐升高时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相反(反转)，设第一预设转速为94.5rpm，外磁环005的转速大于0小于94.5rpm并且随内磁环004的转速的升高而逐渐升高，在这个过程中永磁变速装置20的变速比由3逐渐增大，调磁环002的转速保持在3000rpm；

3、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速小于9000rpm且逐渐降低时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相同(正转)，外磁环005的转速大于0 并随内磁环004转速降低而逐渐升高，在这个过程中永磁变速装置20的变速比小于3且逐渐减小，调磁环002的转速保持在3000rpm。

综上所述，当外磁环003固定，本发明实施例提供的永磁变速装置20的速比固定，等同于传统的永磁变速装置20。当外磁环003空转，外磁环003作为调速环，其转速和旋转方向影响速比。

可以理解的是，当飞轮转子111在电动机112驱动下转速上升时，根据输入轴211的转速和输出轴212的预设转速之比计算出永磁变速装置20的理想变速比也增大，因此此时应该调控永磁变速装置20的变速比增大以使变速比达到理想变速比。

当飞轮转子111释放动能转速下降时，根据输入轴211的转速和输出轴212的预设转速之比计算出永磁变速装置20的理想变速比也降低，因此应该调控永磁变速装置20的变速比降低以使其变速比达到理想变速比。

综上所述，当飞轮转子111的转速上升，即永磁变速装置20的输入转速升高时，为了使输出转速保持恒定，应该控制永磁变速装置20的变速比增大。当飞轮转子111的转速下降，即永磁变速装置20的输入转速下降时，为了使输出转速保持恒定，应该使永磁变速装置20的变速比下降。因此，本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1能够实现恒频率的电流的输出，恒频电流可以直接并网，无需电力电子装置。

如图2和图3所示，输入轴211、输出轴212、内磁环002、外磁环003、调磁环001 的中心轴线均相互重合。永磁变速装置20还包括内磁环法兰005，内磁环法兰005套设在输入轴211上且与内磁环筒体0023相连以便内磁环002与输入轴211传动连接。在本实施例中，内磁环法兰005包括两个，两个内磁环法兰005分别与内磁环筒体0023的左右两端相连，以便将内磁环002稳固地与输入轴211相连。可以理解的是，本发明不限于此，内磁环002还可经过其他方式与输入轴211实现传动连接，这里不作列举。

永磁变速装置20包括调磁环支撑轴承0041和内支撑轴承0042，其中调磁环支撑轴承 0041套设在输入轴211上，用于支撑调磁环001。内支撑轴承0042在内磁环002的径向上配合在输入轴211和输出轴212之间，用以保持输入轴211与输出轴212之间同轴，以及使输入轴211和输入轴211之间能相互转动。

具体地，如图3所示，本实施例中，输出轴212的第一端(左端)设有凹槽，输入轴211的第一端(右端)沿内磁环002的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹槽中并套设在输入轴211的第一端上。可以理解的是，本发明不限于此。例如，在其他实施例中，输入轴211的第一端(右端)设有凹槽，输出轴212的第一端(左端)沿内磁环002 的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹槽中并套设在输出轴212的第一端上。

如图2所示，永磁变速装置20包括第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062均与调磁环001相连并在内磁环002的轴向上分别位于内磁环002的两侧。其中，第一调磁环法兰0061套设在输出轴212上并与输出轴 212相连以便调磁环001与输出轴212传动连接，第二调磁环法兰0062套设在调磁环支撑轴承0041上以便输入轴211相对第二调磁环法兰0062可转动。

也就是说，调磁环001通过第一调磁环法兰0061与输出轴212实现传动连接，此外，第一调磁环法兰0061对调磁环001还起到支撑作用，如图1所示，第一调磁环法兰0061 与调磁环001的右端相连，能对调磁环001的右端进行支撑。第二调磁环法兰0062支承在了调磁环支撑轴承0041上，由于调磁环支撑轴承0041套设在输入轴211上，因此第二调磁环法兰0062与输入轴211之间可相对转动。并且，如图1所示，第二调磁环法兰0062 与调磁环001的左端相连，能对调磁环001的左端进行支撑，即第二调磁环法兰0062可以在不影响输入轴211和调磁环001各自转动的情况下，实现对调磁环001的支撑。

可以理解的是，由于第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上分别位于内磁环002的两侧，即第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上具有一定的间隔，因此，调磁环001在内磁环002的轴向上具有了间隔开的两个支撑位点，从而可以保证调磁环001的稳定性，避免调磁环001在运行过程中发生跳动。也可以说，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062共同实现了对调磁环001 的稳定支撑。

如图2所示，两个内磁环法兰005在内磁环002的轴向上均位于第一调磁环法兰0061 和第二调磁环法兰0062之间。

进一步地，永磁变速装置20包括第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044，以及第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064。第一外磁环支撑轴承0043套设在输入轴211上，第二外磁环支撑轴承0044套设在输出轴212上。第一外磁环法兰0063 和第二外磁环法兰0064均与外磁环铁芯0032相连并在内磁环002的轴向上分别位于调磁环001的两侧，第一外磁环法兰0063套设第一外磁环支撑轴承0043上以便输入轴211相对第一外磁环法兰0063可转动，第二外磁环法兰0064套设在第二外磁环支撑轴承0044上以便输出轴212相对第二外磁环法兰0064可转动。

也就是说，第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044以及第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064的设置，使得在不影响输入轴211、输出轴212和外磁环003各自转动的情况下，实现对外磁环003的稳定支撑。

如图2所示，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上均位于第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064之间。

需要说明的是，本实施例提供的永磁变速装置20对调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044的尺寸要求都不高，因此上述设计尤其适用于大直径的永磁变速装置20，可以满足百千瓦级永磁变速装置20大扭矩、大尺寸的要求。这是由于，若将调磁环001套设在调磁环001上对调磁环001进行支撑，或者将第一外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044套设在外磁环003上对外磁环003进行支撑，则对调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044的尺寸提出了更高的要求，增加了设备的成本和制作难度。

在上述实施例中，内支撑轴承0042、调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043、第二外磁环支撑轴承0044、内磁环法兰005、第一调磁环法兰0061、第二调磁环法兰0062、第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064的设置保证了永磁变速装置20的同轴度，同时保证了内磁环002与调磁环001之间以及调磁环001与外磁环003之间的气隙的稳定性，避免内磁环002和调磁环001在转动的时候发生剐蹭，保障了永磁变速装置20的运行性能和运行稳定性。

可选地，输入轴211和输出轴212上设有台阶结构以便安装轴承。

如图2和图3所示，永磁变速装置20还包括外壳130，外壳130套设在定子100上。

进一步地，如图3所示，外磁环外永磁体0033和外磁环内永磁体0031的磁极对数相等，以使永磁变速装置20输出最大的扭矩。

下面以图1所示的飞轮储能及惯量传导系统1的示意图为例描述本发明提供的飞轮储能及惯量传导系统1的组成、连接关系及运行流程。

在图1所示的实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1包括飞轮储能单元10、永磁变速装置20和发电机30。在该实施例中，永磁变速装置20的转动惯量传递方向固定，即由飞轮转子111向发电机30方向传递。

进一步地，本申请实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1具备储能状态和释能状态，且能够在储能状态和释能状态之间切换。也可以说，飞轮储能及惯量传导系统1在运行过程包括储能阶段和释能阶段，储能阶段对应上述储能状态，释能阶段对应上述释能状态。当飞轮储能及惯量传导系统1在储能状态下时，将电能转化为动能储存；当飞轮储能及惯量传导系统1在释能状态下时，释放其储存的动能，并将动能转化为电能输出。

下面以发电机30能够与电网电连接并向电网中输入电能为例描述本申请的技术方案，具体如下：

在储能状态下，电动机112运行并驱动飞轮转子111转动，飞轮转子111的转速上升实现储能，且在该状态下发电机30停止向电网中输入电能。

可选地，飞轮转子111在电动机112的驱动下转速上升到额定最高转速，当到达额定最高转速后，飞轮转子111完成储能，而后电动机112停止驱动飞轮转子111。可选地，额定最高转速为100rpm-1000000rpm。

在一些实施例中，储能状态下飞轮转子111、永磁变速装置20以及发电机30之间保持传动连接，发电机30空转以实现停止向电网中输入电能。也就是说，在储能阶段，发电机30与电网之间的电能传递路线被断开，发电机30不发电。

需要说明的是，在其他实施例中，还可以有其他多种方式实现发电机30停止向电网中输入电能：

例如，在一些可选实施例中，在储能状态下，飞轮储能单元10与永磁变速装置20之间断开传动连接，也就是说，飞轮转子111与输入轴211之间的连接断开，飞轮转子111 的转动惯量不再能够传递给永磁变速装置20，因此永磁变速装置20也就无法驱动发电机 30运行，即发电机30不发电，从而实现发电机30停止向电网中输入电能。和/或，在储能状态下，永磁变速装置20的输出轴212的转速为零，即永磁变速装置20的输出转速为零。也可以认为，永磁变速装置20的变速比为零。因此，永磁变速装置20无法驱动发电机30运行，发电机30停止向电网中输入电能。和/或，在储能状态下，永磁变速装置20 与发电机30之间的传动连接断开，即输出轴212与发电机30之间的连接断开，发电机30 无法被永磁变速装置20驱动，因此，发电机30停止向电网中输入电能。

优选储能状态下发电机30空转以实现停止向电网中输入电能的技术方案。

在释能状态下，电动机112待机，飞轮转子111与输入轴211传动连接，且输出轴212与发电机30传动连接，飞轮转子111释放动能转速下降，永磁变速装置20驱动发电机30 发电，发电机30将产生的电能输入电网。

其中在释能状态下电动机112待机是指，电动机112没有运行，其没有驱动飞轮转子 111加速。也就是说，当飞轮储能及惯量传导系统1处于释能状态下时，飞轮储能及惯量传导系统1中只有能量输出，没有能量输入。当飞轮储能及惯量传导系统1处于上述储能状态下时，飞轮储能及惯量传导系统1中只有能量输入，没有能量输出。

需要说明的是，在释能状态下，输出轴212保持预设转速转动以使发电机30产生稳定电流。也就是说，在释能状态下，永磁变速装置20的输出转速保持恒定，发电机30在恒定转速下能够向电网输入稳定的电流。

可选地，永磁变速装置20的输出转速恒定在3000rpm，也就是说，发电机30能够在3000rpm的恒定转速下运行产生稳定电流。

进一步可选地，发电机30输出的电流的频率为50Hz，发电机30可以直接向电网中输电。

在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1还具备待机状态。也可以说，飞轮储能及惯量传导系统1在运行过程还包括待机阶段。当飞轮储能及惯量传导系统1在待机状态下时，飞轮储能及惯量传导系统1处于能量保持阶段，即没有能量的输入也没有能量的输出，飞轮储能及惯量传导系统1以最小的损耗运行。在待机状态下，电动机112待机，发电机30空转，飞轮转子111释放少量的动能以保持发电机30的输入轴以预设转速转动。

例如，当电网中的频率等于预设值时(例如电网频率等于50Hz)，使飞轮储能及惯量传导系统1进入待机状态，飞轮转子111损耗少量动能以维持发电机30的输入轴以预设转速(例如3000rpm)待机转动，以保证飞轮储能及惯量传导系统1以最佳状态应对下一次电网频率波动。

在一些实施例中，如图4所示，飞轮储能及惯量传导系统1还包括飞轮储能控制器。飞轮储能控制器用于控制飞轮储能单元10的能量输入及输入功率，即飞轮储能控制器用于控制是否向飞轮储能单元10中输入电能，还用于控制向飞轮储能单元10中输入的电能的功率。可选地，飞轮储能控制器由独立电源供电，以保证其不会受外界电网的波动影响。

飞轮储能控制器包括电网检测模块和电动机控制模块。电网检测模块用于检测电网的当前频率。可选地，电网检测模块能够对电网的频率进行实时监控，以便更好地对电网的频率进行响应、调控。

电动机控制模块与电网检测模块之间通讯连接，电网检测模块将检测到的电网的频率传递给电动机控制模块，电动机控制模块接收到频率信号，并根据频率信号控制电动机112 的启闭，以及电动机112的输入功率。

也就是说，当电动机控制模块接收到电网的当前频率信号，并判断需要启动电动机112 对飞轮储能单元10进行储能时，电动机控制模块向电动机112发送启动信号，使电动机112开启，并从电网中吸收电能。

当电动机控制模块根据电网的当前频率判断出，不需要向飞轮储能单元10储能时，向电动机112发动关闭信号，关闭电动机112。

并且，电动机控制模块还可以根据电网的当前频率判断出电动机112的输入功率的大小，并控制向电动机112输入的功率。

例如，当电网的当前频率上升至大于预设值时，电动机控制模块判断增大电动机112 的输入功率以对电网进行调频，抑制电网频率的进一步抬升。通过增大电动机112的输入功率，能够使飞轮储能单元10吸收更多的电能，飞轮转子111的转速增加。并且电网的频率偏差越大，飞轮转子111的力矩越大，即电动机112的输入功率越大。可以理解的是，电动机112的输入功率不会超过其能承受的最大功率。

因此，本申请实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1能够实现对电网的扰动功率分配、惯量响应、一次调频等辅助服务，提高电力系统一次调频及惯量支撑能力。相比于传统机械惯量，本申请实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1能够提供更快速且更稳定的频率控制。

在一些实施例中，如图5所示，飞轮储能及惯量传导系统1还包括永磁变速控制器，永磁变速控制器用于调控永磁变速装置的变速比，永磁变速控制器包括输入转速检测模块、运算模块以及变速比控制模块。

其中，输入转速检测模块用于检测永磁变速装置20的输入转速。运算模块用于根据永磁变速装置的输入转速和输出转速的预设值运算出永磁变速装置的理想变速比。变速比控制模块用于根据理想变速比调控永磁变速装置20的变速比。

可以理解的是，在一些实施例中，永磁变速装置20的输入转速与飞轮转子111的转速相等，输入转速检测模块可以通过检测飞轮转子111的转速得到永磁变速装置20的输入转速。

输出转速的预设值可以提前输入运算模块中。例如，输出转速的预设值为3000rpm。运算模块与输入转速检测模块通讯连接，运算模块能够接收输入转速检测模块发出的转速信号，并根据该转速信号和预先设定的输出转速的预设值，计算出永磁变速装置的理想变速比，并将计算出的该理想变速比传递给变速比控制模块。变速比控制模块与惯量传输装置 20连接以便调控永磁变速装置20的变速比至理想变速比，从而实现永磁变速装置20的输出转速恒定在上述预设值。

在图2和图3所示的实施例中，永磁变速控制器的变速比控制模块可以通过调控旋转磁场，以便使永磁变速装置20的变速比为理想变速比。

具体地，控制器14的控制模块142可以通过调节定子100的通电强度调节旋转磁场的磁场强度，从而实现在旋转磁场的作用下转动的外磁环003的转速可调。此外，控制器14还可以通过调节旋转磁场的磁场方向，实现外磁环003正转或反转。通过调节外磁环003 的转速和旋转方向，可以使永磁变速装置20的变速比达到理想变速比。

当飞轮转子111的转速上升，即永磁变速装置20的输入转速升高时，为了使输出转速保持恒定，应该控制永磁变速装置20的变速比增大。当飞轮转子111的转速下降，即永磁变速装置20的输入转速下降时，为了使输出转速保持恒定，应该使永磁变速装置10的变速比降低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。