[發明專利]一種磁懸浮飛輪電池

有效

• 申請號: 201710197695.0
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107070073B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 孫玉坤;袁野;孟高軍;黃永紅
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02;H02N15/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種磁懸浮飛輪電池，包括真空室，轉軸，飛輪，永磁徑向軸承，永磁卸載軸承，徑向?軸向磁懸浮支承，單繞組磁懸浮電機，位移判斷單元；本發明加入了位移判斷單元，飛輪電池采用單繞組磁懸浮電機，只有當系統徑向載荷超過支承系統徑向負載能力時，單繞組磁懸浮電機，才提供相應的徑向懸浮力，產生相應的懸浮功率。絕大多數情況下，外部電源供給單繞組磁懸浮電機的能量全部用于產生轉矩為飛輪儲能，具有“等價能量轉換”功能，不需要消耗能量用于產生懸浮功率。因此，該系統在絕大多數情況下，保持高運行效率。

技術領域

本發明屬于電能存儲技術領域，尤其涉及一種“等價能量轉換”的磁懸浮飛輪電池，特別適用于不間斷電源、航空航天等領域。

背景技術

隨著新能源發電、分布式電源系統、混合動力車輛、航空航天等領域的發展，儲能技術已成為世界性的研究課題。眾多儲能技術中，飛輪電池以功率大、效率高、壽命長、儲能密度大、清潔無污染等優點受到國內外的高度重視。作為一種集機械、控制、電子等技術于一體的新型儲能裝備，飛輪電池目前還存在諸多制約其工程化應用的技術難題，主要表現于懸浮支承系統、集成式高速/超高速電機的性能與控制等。為減小支承損耗，飛輪電池通常采用多個主動式磁懸浮軸承支承，增加了飛輪軸向長度，降低了臨界轉速，同時也導致飛輪電池結構復雜、體積龐大。磁懸浮電機集傳統電機旋轉與磁軸承懸浮功能于一體，以同時產生驅動負載的電磁轉矩和支承轉子的懸浮力為目標，打破了傳統電機僅為了產生電磁轉矩而必須保持氣隙磁場平衡的思路，開辟了高速電機研究領域的新方向。但是采用磁懸浮電機的飛輪電池，其存在的必然缺點是磁懸浮電機需要有額外的繞組來提供徑向懸浮力，必然導致電機犧牲一部分系統的轉矩功率來產生懸浮功率。為此，本專利提出一種“等價能量轉換”的磁懸浮飛輪電池，飛輪電池的四個徑向自由度中的兩個自由度由永磁徑向軸承提供，用于分擔大部分的徑向懸浮力，剩余的兩個徑向自由度由徑向-軸向磁懸浮支承提供，用于分擔小部分的徑向懸浮力，飛輪電池軸向自由度由永磁卸載軸承提供，當系統徑向載荷在永磁徑向軸承和徑向-軸向磁懸浮支承負載范圍內時，電機繞組電流全部用于產生轉矩，此時外部電源輸入的電能全部用于單繞組磁懸浮電機的加速電動，為飛輪儲能，無需提供額外的徑向懸浮力，具有“等價能量轉換”功能，只有當少數情況下，當飛輪電池徑向載荷超過永磁徑向軸承和徑向-軸向磁懸浮支承的徑向負載能力時，額外的徑向載荷由單繞組磁懸浮電機提供，此時需要通過調節每套繞組內懸浮電流分量，進而產生相應的懸浮功率和懸浮力，用于維持飛輪電池系統的徑向平衡。

發明內容

本發明目的是提出一種“等價能量轉換”的磁懸浮飛輪電池，當系統穩態運行時，大部分的徑向載荷由永磁徑向軸承分擔，軸承載荷由永磁卸載軸承分擔，徑向-軸向磁懸浮支承系統僅分擔大部分的徑向載荷，因此降低了磁懸浮支承系統的體積，增加了飛輪電池的結構緊湊性；當系統有軸向擾動時，徑向-軸向磁懸浮支承系統分擔軸向擾動，當軸向擾動消失時，徑向-軸向磁懸浮支承無需提供額外的軸向力，降低了飛輪電池的功耗；當飛輪電池徑向載荷超過永磁徑向軸承和徑向-軸向磁懸浮支承的徑向負載能力時，單繞組磁懸浮電機分擔永磁徑向軸承和徑向-軸向磁懸浮支承的徑向負載能力之外的徑向載荷，將單繞組磁懸浮電機繞組通入懸浮分量電流，產生相應的徑向懸浮力，進而平衡徑向負載能力之外的徑向載荷，此時單繞組磁懸浮電機共在懸浮/轉矩模態，當徑向負載能力之外的徑向載荷消失時，單繞組磁懸浮電機無需工作在懸浮模態，其繞組電流均可工作于轉矩模態，此時外部電源輸入的電能全部用于單繞組磁懸浮電機的加速電動為飛輪儲能，無需提供額外的徑向懸浮力，具有“等價能量轉換”功能，提高了飛輪電池的運行效率。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種磁懸浮飛輪電池，包括真空室(1)，轉軸(2)，飛輪(3)，永磁徑向軸承(4)，永磁卸載軸承(5)，徑向-軸向磁懸浮支承(6)，單繞組磁懸浮電機(7)，位移判斷單元(8)；