一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，尤其是涉及一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置。

背景技术

随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。目前，全球储能代表技术有抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导储能、超级电容储能及飞轮储能等，其中飞轮储能是将电能转化为飞轮的旋转动能加以储存的一种物理储能技术，具备储能密度大、转换效率高、使用寿命长、充放电快捷、清洁无污染等优点。

飞轮储能装置主要由飞轮转子系统、轴承系统、电机系统、真空与冷却系统、电力转换器系统等组成。飞轮轴承系统起到支撑转子运动、提升系统充放电效率和保证整个装置安全稳定运行的作用。磁浮轴承作为一种非接触式轴承，利用磁场力将转子悬浮在空中，起到支撑飞轮、减少摩擦和控制飞轮稳定旋转的作用。磁悬浮轴承相较于机械轴承具有转子和轴承无接触、摩擦损耗小、充放电效率高和转速上限高的优点，但是磁悬浮轴承的制造成本高、位移刚度低、轴承结构和控制系统复杂。

因此，亟需一种基于电动悬浮系统的无需主动控制的多自由度飞轮储能装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置，包括发电电动机、真空保护罩、主轴以及高温超导电动悬浮系统，所述发电电动机固定端固定安装于所述真空保护罩顶部，输出端贯穿所述真空保护罩顶壁伸入所述真空保护罩内部并固定连接所述主轴，所述主轴中间位置固定设有飞轮转子，两端位置固定设有“8”字型线圈环，所述高温超导电动悬浮系统设置于所述真空保护罩外侧并与所述“8”字型线圈环处于同一水平位置。

进一步地，所述主轴远离所述发电电动机一端固定设有磁体，所述真空保护罩底壁外侧设有与所述磁体相对应的电磁体，所述磁体与所述电磁体靠近的磁极相斥。

进一步地，所述高温超导电动悬浮系统设置有两层，每层高温超导电动悬浮系统包括多个均匀环向排列的高温超导磁体，相邻所述高温超导磁体磁极交叉设置。

进一步地，所述“8”字型线圈环包括多个均匀环向排列的“8”字型线圈，所述“8”字型线圈通过连接件固定连接于所述主轴两端。

进一步地，沿中心对称设置的所述“8”字型线圈通过导线相连，用于平缓导向力。

进一步地，所述发电电动机输出端通过密封轴承与所述真空保护罩顶壁转动连接。

本发明的有益效果在于：

本发明中“8”字型线圈环切割高温超导电动悬浮系统的磁场线产生感应电动势，进而产生感应磁场，感应磁场与电磁铁磁场产生磁场力，保证飞轮转子悬浮在中间位置且稳定旋转，结构简单无需主动控制；当飞轮转子静止或者低转速运行时，真空保护罩底壁外侧电磁体的设置，用于实现飞轮转子与主轴悬浮；发电电动机输出端通过密封轴承与真空保护罩顶壁转动连接，保证真空保护罩内真空环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置结构示意图。

图2为图1中A处放大图。

图3为本发明中高温超导电动悬浮系统的结构示意图。

图4为本发明中“8”字型线圈环的结构示意图。

图5为本发明中相对的“8”字型线圈通过导线连接示意图。

图6为本发明中主轴轴向悬浮原理示意图。

图7为本发明中主轴向右偏离时受力示意图。

图8为本发明中主轴向左偏离时受力示意图。

图9为本发明中飞轮转子所受悬浮力与其转速的关系曲线图。

图10为本发明中飞轮转子所受悬浮力与其下降距离的关系曲线图。

图11为本发明中飞轮转子所受导向力与其横向位移的关系曲线图。

其中，1-发电电动机，2-主轴，21-连接件，22-磁体，3-飞轮转子，4-“8”字型线圈，5-真空保护罩，6-高温超导磁体，7-电磁体。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参阅附图1-5，本发明中公开了一种基于电动悬浮系统的多自由度飞轮储能装置，包括发电电动机1、真空保护罩5、主轴2以及高温超导电动悬浮系统，发电电动机1固定端固定安装于真空保护罩5顶部，输出端贯穿真空保护罩5顶壁伸入真空保护罩5内部并固定连接主轴2，主轴2中间位置固定设有飞轮转子3，两端位置固定设有“8”字型线圈环，高温超导电动悬浮系统设置于真空保护罩5外侧并与“8”字型线圈环处于同一水平位置。本发明中“8”字型线圈环切割高温超导电动悬浮系统的磁场线产生感应电动势，进而产生感应磁场，感应磁场与电磁铁磁场产生磁场力，保证飞轮转子3悬浮在中间位置且稳定旋转，结构简单无需主动控制。

主轴2远离发电电动机1一端固定设有磁体22，真空保护罩5底壁外侧设有与磁体22相对应的电磁体7，磁体22与电磁体7靠近的磁极相斥。当飞轮转子3静止或者低转速运行时，用于实现飞轮转子3悬浮，保证其与高温超导电动悬浮系统在同一水平位置。磁体22可以是永磁体，或者超导磁体。当飞轮储能装置作为小功率储能装置使用时，磁体22可以是永磁体；当飞轮储能装置作为大功率储能装置使用时，磁体22应使用超导轴承。

高温超导电动悬浮系统设置有两层，每层高温超导电动悬浮系统包括多个均匀环向排列的高温超导磁体6，相邻高温超导磁体6磁极交叉设置。

“8”字型线圈环包括多个均匀环向排列的“8”字型线圈4，“8”字型线圈4通过连接件21固定连接于主轴2两端。当飞轮转子3静止或者低转速运行时，在磁体22与电磁体7的作用下，“8”字型线圈与高温超导磁体6在同一水平位置上，“8”字型线圈上下部分产生的感应电动势大小相等、方向相反，与高温超导磁体6之间无磁场力。当飞轮转子3转动速度超过一定数值时，收起电磁体7，飞轮转子3与主轴2在重力作用下，向下移动，此时“8”字型线圈4上部分产生的感应电动势大于下半部分产生的感应电动势，进而在其内部产生感应电流。“8”字型线圈4上下电流方向相反，即可等效为两个极性相反的磁体，这两个等效磁体与高温超导磁体6之间的相互吸引的排斥作用，为飞轮转子3与主轴2提供了悬浮力，当悬浮力等于重力时，即可实现飞轮转子3稳定悬浮。

沿中心对称设置的“8”字型线圈4通过导线相连，用于平缓导向力。

发电电动机1输出端通过密封轴承与真空保护罩5顶壁转动连接，保证真空保护罩5内真空环境。

本发明中“8”字型线圈4材质可以是普通导电线圈，也可以是超导线圈。当飞轮储能装置作为小功率储能装置使用时，“8”字型线圈4可以使用普通导电线圈；当飞轮储能装置作为大功率储能装置使用时，“8”字型线圈材质要使用超导线圈，并用液氮冷却。

本实施例中高温超导磁体6为第二代超导带材绕制电磁铁结构，具体结构参数参阅表1。

表1

本实施例中选用铝线绕制“8”字型线圈4，具体结构参数参阅表2。

表2

在飞轮储能装置工作中，由于陀螺效应、飞轮转子3及主轴2的材料分布不均匀等因素，飞轮转子3在旋转过程中会发生偏移。

参阅附图6，当飞轮转子3与主轴2向下偏移时，“8”字型线圈4上半部分产生更大的感应电动势，从而产生更大的磁场，产生更大的悬浮力，进而使飞轮转子3与主轴2回复到平衡位置。当飞轮转子3与主轴2向上偏移时，“8”字型线圈上半部分产生的感应电动势变小，使得产生的磁场变小，提供的悬浮力也变小，在重力的作用下使飞轮转子3与主轴2回复到平衡位置，即可实现轴向悬浮的稳定控制。

当飞轮转子3与主轴2向右偏移时，取一个截面进行分析，参阅附图7，右侧“8”字型线圈4产生的感应电动势大于左侧，即右边给主轴2提供向左侧的排斥力更大，使得飞轮转子3与主轴2回到平衡位置；

当飞轮转子3与主轴2向左偏移时，取一个截面进行分析，参阅附图8，左侧“8”字型线圈4产生的感应电动势大于右侧，即左边给主轴2提供向右侧的排斥力更大，使得飞轮转子3与主轴2回到平衡位置。

由于“8”字型线圈4是圆环结构，即无论飞轮转子3与主轴2沿径向任意方向偏移，对应的“8”字型线圈都会对主轴2产生相反的作用力，使得飞轮转子3与主轴2回到平衡位置。

参阅附图9，图中所示的曲线清楚地表明，在较低的转速下，飞轮转子3的悬浮力仍然相对较低。但是，随着速度的逐渐增大，悬浮力也相应增大。超过80rpm的速度，出现饱和趋势，进一步增加转速，不会导致悬浮力显著变化。图中为当飞轮转子3下降距离为4mm时，转速超过80rpm，悬浮力饱和，达到83N。

参阅附图10，在飞轮转子3转速为200rpm时，随着飞轮转子3下降距离的增加，悬浮力逐渐增大，下降距离达到10mm时，悬浮力达到140N的峰值；随后，随着下降距离的不断增大，悬浮力逐渐减小。因此，我们选择了飞轮储能装置的设计指标，下降距离为4mm，在此条件下可以提供83N的悬浮力。但是，如果系统故障或高温超导磁体6损失时间，导致悬浮力减小，飞轮转子3与主轴2向下运动，在6-7mm范围内仍有调整空间。这不仅保证了系统安全，而且为问题识别提供了充足的时间。本发明中在转轴上面设有位移传感器，位移传感器电连接有报警装置，位移传感器设定的下降距离是4mm，当出现故障，悬浮力不足的时候，主轴下降超过4mm的距离时会发出预警，通知工作人员及时处理。

在分析导向力时，必须考虑飞轮储能装置和高温超导磁体6对相对“8”字型线圈4的导向力累积影响，选取x轴方向作为分析参考。当飞轮转子3在正x轴方向接近高温超导磁体6时，另一侧的“8”字型线圈4显示出远离高温超导磁体6的趋势。参阅附图11显示了x轴方向的导向力与其横向位移的关系。由图可知，当飞轮转子3处于中心位置时，所受导向力最小，并随横向位移成比例增大。本发明中高温超导电动悬浮系统提供轴向和径向力，随着飞轮转子3转速的增加，悬浮力也随之增加。当转子转速超过80rpm时，系统在下降4mm的距离上提供最小166N的悬浮力，同时仍保持6-7mm的安全裕度。当转子偏离时，高温超导电动悬浮系统产生径向导向力，保证飞轮转子3稳定转动，无需主动控制。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。