[發明專利]具有阻尼能量回收和在線模態監測的多功能儲能飛輪系統

有效

• 申請號: 202210616144.4
• 申請日: 2022-05-31
• 公開（公告）號: CN115199705B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 唐長亮;木孟良;陳濤
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: F16F15/30
• 分類號: F16F15/30;F16F15/315;F16C32/04;F03G7/08
• 代理公司: 北京遠創理想知識產權代理事務所(普通合伙) 11513
• 代理人: 張素妍

本發明涉及一種具有阻尼能量回收和在線模態監測的多功能儲能飛輪系統，其包括：外殼頂部設置有軸承端蓋，外殼內底部設置有底座；芯軸穿設在外殼內，芯軸中部設置有飛輪，所述芯軸的頂部與所述軸承端蓋活動連接，所述芯軸的底部穿過所述底座延伸至所述外殼底部的外部，形成延伸部；上輔助軸承設置在所述芯軸的頂部，用于支撐所述飛輪的旋轉；永磁軸承位于所述上輔助軸承的下方，設置在所述芯軸上端面與所述外殼之間；斥力型Halbach圓環陣列磁懸浮裝置設置在所述底座與所述芯軸之間，為所述飛輪提供軸向力，與所述永磁軸承配合使所述飛輪完成懸浮；下輔助軸承設置在所述外殼底部與所述芯軸之間，用于支撐所述飛輪的旋轉。本發明能在儲能飛輪領域中應用。

技術領域

本發明涉及一種儲能飛輪技術領域，特別是關于一種具有阻尼能量回收和在線模態監測的多功能儲能飛輪系統。

背景技術

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。通過電動/發電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，具有儲能密度高、功率大，效率高，壽命長，無污染等優點，可以廣泛應用于航空航天、電網調頻、不間斷電源、機車牽引、軍事(大功率電磁炮、魚雷)等眾多方面。

飛輪儲能系統主要由轉子系統、軸承系統和電動/發電機、電力轉換器以及輔助運行系統(包括冷卻系統，真空系統和狀態檢測系統)組成。為了儲存足夠多的能量，飛輪轉子一般設計為大慣量回轉體結構，由于飛輪的幾何中心和質量中心不可能完全重合，在飛輪高速旋轉時，不可避免的會產生振動，劇烈的振動沖擊力會直接損害軸承，嚴重時會導致系統損壞，除了軸承系統以外，還需要有效的阻尼系統衰減振動并控制穩定性。

由于儲能飛輪的質量、轉動慣量較大，轉速很高，陀螺效應十分明顯，并存在過臨界問題，傳統的滾動軸承、流體動壓軸承難以滿足高速重載而摩擦損耗低的要求。一般采用磁懸浮軸承卸載飛輪大部分重量，再配合機械保護軸承使用。磁懸浮軸承主要分為兩類，主動磁軸承和被動磁軸承。主動磁軸承主要指電磁軸承，被動磁軸承主要指永磁軸承。電磁軸承利用受控電磁力實現定轉子的非接觸支承，具有轉速高、無磨損、不需潤滑系統、低工耗、自帶在線振動監測功能等優點，適用于高速轉子系統。但對于大慣量低速飛輪系統而言，電磁軸承的優勢難以發揮，且成本高昂，低速大慣量飛輪的陀螺效應顯著，電磁軸承控制難度大，容易造成軸系動力學失穩，將直接損壞機械保護軸承甚至整機。

為了盡可能減少風阻損耗，飛輪轉子運行在真空環境中，并采用高效的永磁同步電機和變流器實現飛輪機械能和電能的快速轉換。飛輪系統通過頻繁的升降速實現充放電循環，因此要頻繁地跨越臨界轉速，準確、及時地掌握飛輪轉子系統的模態特性，對飛輪的平穩運轉也是很重要的。

發明內容

針對飛輪儲能系統在運行過程中的軸承問題、飛輪模態特性在線監測問題，以及飛輪振動控制及能量回收問題，本發明的目的是提供一種具有阻尼能量回收和在線模態監測的多功能儲能飛輪系統，可以支承轉子的運動，降低摩擦阻力，減小損耗，可以對飛輪的振動有阻尼作用，并把這部分振動能量進行回收，也可以及時獲取飛輪軸系的模態特性。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種具有阻尼能量回收和在線模態監測的多功能儲能飛輪系統，其包括：外殼，其頂部設置有軸承端蓋，位于所述外殼內底部設置有底座；芯軸，穿設在所述外殼內，所述芯軸中部設置有飛輪，所述芯軸的頂部與所述軸承端蓋活動連接，所述芯軸的底部穿過所述底座延伸至所述外殼底部的外部，形成延伸部；上輔助軸承，設置在所述芯軸的頂部，用于支撐所述飛輪的旋轉；永磁軸承，位于所述上輔助軸承的下方，設置在所述芯軸上端面與所述外殼之間，用于為所述飛輪提供軸向力；斥力型Halbach圓環陣列磁懸浮裝置，設置在所述底座與所述芯軸之間，為所述飛輪提供軸向力，與所述永磁軸承配合使所述飛輪完成懸浮；下輔助軸承，設置在所述外殼底部與所述芯軸之間，用于支撐所述飛輪的旋轉。

進一步，所述上輔助軸承的外環設置在所述外殼的內壁面，所述上輔助軸承的內環與所述芯軸配合安裝，且所述上輔助軸承由所述芯軸的上部軸肩進行定位。