專利名稱：電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電能存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及的是一種新型的高效飛輪儲能裝置。
背景技術(shù)：
隨著新能源發(fā)電和電動汽車等的快速發(fā)展，電能儲存裝置的應用日益廣泛。在眾多電能儲存裝置中，飛輪儲能裝置因動態(tài)性能好，沒有二次污染等優(yōu)點，正受到越來越多的重視。飛輪儲能的基本原理是，首先通過電機作電動機運行驅(qū)動飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換為動能儲存在飛輪轉(zhuǎn)子上，需要時，再由飛輪帶動電機作發(fā)電機運行，將飛輪中的動能轉(zhuǎn)換為電能。由于飛輪轉(zhuǎn)子中儲存的動能與飛輪轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此，飛輪轉(zhuǎn)速應盡量高，通常達數(shù)萬轉(zhuǎn)/分甚到數(shù)十萬轉(zhuǎn)/分。在飛輪不與外界交換能量，即處于待機狀態(tài)時，為了減小轉(zhuǎn)輪的自身損耗，通常采用磁懸浮軸承，并將飛輪腔抽成真空，以減小軸承和轉(zhuǎn)子的磨擦損耗。為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，飛輪儲能裝置中廣泛使用永磁電機。于是，在飛輪儲能系統(tǒng)不與外界進行能量傳遞，即系統(tǒng)處于儲能工作狀態(tài)時，隨著飛輪高速旋轉(zhuǎn)，永磁磁場會在電機鐵心內(nèi)部產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，這將不斷消耗飛輪中所存儲的能量，轉(zhuǎn)速越高，電機鐵心中的磁場越強，則損耗越大。這不僅導致能量的浪費，降低了飛輪儲能系統(tǒng)整體的效率， 使目前的飛輪儲能時間很短(短則幾分鐘，長則幾十分鐘)，極大地限制了飛輪儲能裝置的應用。而且，渦流損耗和磁滯損耗還會引起電機鐵心發(fā)熱，這將導致飛輪儲能系統(tǒng)安全性降低，同時對飛輪儲能系統(tǒng)的散熱提出更高要求，使得飛輪儲能系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加復雜，也對制造工藝提出更高要求。因此，如何減小飛輪儲能系統(tǒng)的能量損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率， 以及提高系統(tǒng)安全性是飛輪研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，當該飛輪儲能系統(tǒng)不與外界進行能量傳遞時，將電機勵磁繞組置于開路狀態(tài)，使電機氣隙中沒有磁場，則電機鐵心內(nèi)部無渦流損耗和磁滯損耗，可以顯著減小飛輪儲能系統(tǒng)的能量消耗，大大延長飛輪的儲能時間，提高系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)的安全性。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該裝置包括上磁性軸承，真空腔，飛輪本體，外殼，電機轉(zhuǎn)子，電機定子，下磁性軸承，飛輪轉(zhuǎn)軸；飛輪轉(zhuǎn)軸的上下兩端分別設置在上磁性軸承和下磁性軸承上，上磁性軸承和下磁性軸承分別固定在外殼的上下兩端，飛輪本體和電機轉(zhuǎn)子分別固定在飛輪轉(zhuǎn)軸上，電機定子固定在電機轉(zhuǎn)子外側(cè)的外殼上，構(gòu)成徑向氣隙電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置；電機定子包括電機定子鐵心，勵磁繞組，電樞繞組；其中電機定子鐵心由2η塊圓弧形鐵心連接成一個圓形，該數(shù)目η 為自然數(shù)，在每兩塊圓弧形鐵心之間設有勵磁繞組，電樞繞組位于電機定子鐵心內(nèi)圓的齒上。所述的電機轉(zhuǎn)子和電機定子采用軸向設置，即電機轉(zhuǎn)子設置在飛輪本體上，電機定子設置在電機轉(zhuǎn)子的下方，構(gòu)成軸向氣隙電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置。電機轉(zhuǎn)子和電機定子均為雙凸極結(jié)構(gòu)。該裝置還可以為電機定子包括電機定子鐵心，勵磁繞組，電樞繞組；其中電機定子鐵心由2η塊扇形鐵心連接成一個圓形，該數(shù)目η為自然數(shù)，在每兩塊扇形鐵心之間設有勵磁繞組，每一組電樞繞組環(huán)繞于相鄰兩電機定子鐵心側(cè)面的齒上。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果是
1.當飛輪處于儲能狀態(tài)，不與外界進行能量傳遞(能量傳遞指電機作為電動機，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪本體的動能來存儲能量；或電機作為發(fā)電機，把飛輪本體的動能轉(zhuǎn)換成電能來釋放能量)時，將電機的勵磁置于開路狀態(tài)，電機鐵心內(nèi)部無磁場，避免了產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，延長了儲能時間，提高了飛輪儲能系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)換效率。2.由于在飛輪儲能系統(tǒng)不進行能量傳遞時，避免了鐵心內(nèi)部渦流損耗和磁滯損耗的產(chǎn)生，在提高系統(tǒng)效率的同時，也避免了由渦流損耗和磁滯損耗損耗所引起的鐵心發(fā)熱，于是更加有利于改善系統(tǒng)的冷卻條件。3.整個裝置的結(jié)構(gòu)簡單，尤其是由于電機采用雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子僅為導磁鐵心， 結(jié)構(gòu)非常簡單堅固，特別適合于高速運行。這將更有利于提高飛輪的最高轉(zhuǎn)速，進而提高該飛輪儲能系統(tǒng)的能量存儲能力。同時，電樞繞組可以采用集中繞組和分布繞組兩種形式，轉(zhuǎn)子也可以采用直槽和斜槽兩種方式。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。圖1為本發(fā)明所述飛輪儲能裝置的整體結(jié)構(gòu)的截面圖。其中有上磁性軸承1，真空腔2，飛輪本體3，外殼4，電機轉(zhuǎn)子5，電機定子6，下磁性軸承7，飛輪轉(zhuǎn)軸8 ；
圖2列舉了一種本發(fā)明中電機可以采用的徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機的截面圖。 圖中有電機轉(zhuǎn)子5，電機定子鐵心601，勵磁繞組602和電樞繞組603。圖3列舉了另一種本發(fā)明中電機可以采用的徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機的截面圖。圖中有電機轉(zhuǎn)子5，電機定子鐵心601，勵磁繞組602和電樞繞組603。需要說明的是，除圖2和圖3所列舉的兩種徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機外，本發(fā)明所述飛輪儲能裝置也可以采以其他類型的徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機，在此不再一一列舉。圖4所示為該飛輪儲能系統(tǒng)使用軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機時的剖視圖。其中有上磁性軸承1，真空腔2，飛輪本體3，外殼4，電機轉(zhuǎn)子5，電機定子6，下磁性軸承7， 飛輪轉(zhuǎn)軸8。圖5列舉了一種軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機的三維圖，圖中有電機轉(zhuǎn)子5，電機定子鐵心601，勵磁繞組602和電樞繞組603。需要說明的是，為了便于觀察，圖5中只顯示了電樞繞組603的一個線圈。圖6所示為圖5中電機轉(zhuǎn)子5的三維示意圖。除圖5所列舉的一種軸向氣隙的電勵磁型雙凸極電機外，本發(fā)明所述飛輪儲能裝置在使用圖4所示結(jié)構(gòu)時，也可以采以其他類型的軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機，在此不再--列舉。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的一種使用徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置，該裝置包括上磁性軸承1，真空腔2，飛輪本體3，外殼4，電機轉(zhuǎn)子5，電機定子6，下磁性軸承7，飛輪轉(zhuǎn)軸8 ；飛輪轉(zhuǎn)軸8的上下兩端分別設置在上磁性軸承1和下磁性軸承7上，上磁性軸承1和下磁性軸承7分別固定在外殼4的上下兩端，飛輪本體3和電機轉(zhuǎn)子5分別固定在飛輪轉(zhuǎn)軸8上，電機定子6固定在電機轉(zhuǎn)子5外側(cè)的外殼4上，構(gòu)成徑向氣隙電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置；電機定子6包括電機定子鐵心601，勵磁繞組602，電樞繞組 603 ；其中電機定子鐵心601由2η塊圓弧形鐵心連接成一個圓形，該數(shù)目η為自然數(shù)，在每兩塊圓弧形鐵心之間設有勵磁繞組602，電樞繞組603位于電機定子鐵心601內(nèi)圓的齒上。所述的電機采用徑向氣隙式電勵磁型雙凸極結(jié)構(gòu)，電機包括定子和轉(zhuǎn)子兩個部分，如圖2和圖3所示為兩種典型的電勵磁型雙凸極電機。以圖2中電機結(jié)構(gòu)為例，所述轉(zhuǎn)子5結(jié)構(gòu)非常簡單，既無永磁體也無繞組，為簡單的導磁鐵心沖片壓疊而成?？筛鶕?jù)需要， 制為直槽轉(zhuǎn)子或斜槽轉(zhuǎn)子。所述電機定子包括定子鐵心601，勵磁繞組602，電樞繞組603。 定子鐵心601也為簡單的導磁鐵心沖片壓疊而成，對于電樞繞組603，可以采用集中式繞組，也可以采用分布式繞組。當該飛輪儲能系統(tǒng)需要與外界進行能量傳遞(即電機作為電動機，將電能轉(zhuǎn)換成飛輪本體的動能來存儲能量；或電機作為發(fā)電機，把飛輪本體的動能轉(zhuǎn)換成電能來釋放能量)時，給勵磁繞組602中通入直流電，各勵磁繞組所產(chǎn)生的勵磁磁場方向如圖中箭頭所示。 而當該飛輪儲能系統(tǒng)不與外界進行能量傳遞，即處于儲能狀態(tài)時，置勵磁繞組602于開路狀態(tài)，此時電機氣隙中沒有磁場，因此也無渦流損耗和磁滯損耗。圖3中所示為另一種磁通切換型雙凸極電機，其在飛輪儲能系統(tǒng)中的工作原理同上。需要說明的是，圖2及圖3只列舉了兩種常見的徑向氣隙式電勵磁型雙凸極電機結(jié)構(gòu)，該飛輪儲能系統(tǒng)也可采用其他具有上述特征的徑向氣隙式電勵磁雙凸極電機，在此
不一一列舉。如圖4所示，本發(fā)明的飛輪儲能裝置也可以使用軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機，包括上磁性軸承1，真空腔2，飛輪本體3，外殼4，電機轉(zhuǎn)子5，電機定子6，下磁性軸承7， 飛輪轉(zhuǎn)軸8。電機轉(zhuǎn)子5與飛輪本體3合成一體，電機定子6固定在外殼4上。此種結(jié)構(gòu)的飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理同圖1所示飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理相同，在此不再贅述。圖5列舉了一種軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機的三維圖，圖中有電機轉(zhuǎn)子5，電機定子鐵心601，勵磁繞組602和電樞繞組603。需要說明的是，為了便于觀察，圖5中只顯示了電樞繞組603的一個線圈。圖5只列舉了一種軸向氣隙式電勵磁型雙凸極電機結(jié)構(gòu)，該飛輪儲能系統(tǒng)也可采用其他具有上述特征的軸向氣隙式電勵磁雙凸極電機，在此不一一列舉。
權(quán)利要求
1.一種電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，其特征在于該裝置包括上磁性軸承(1 )， 真空腔(2)，飛輪本體(3)，外殼(4)，電機轉(zhuǎn)子(5)，電機定子(6)，下磁性軸承(7)，飛輪轉(zhuǎn)軸(8)；飛輪轉(zhuǎn)軸(8)的上下兩端分別設置在上磁性軸承(1)和下磁性軸承(7)上，上磁性軸承(1)和下磁性軸承(7)分別固定在外殼(4)的上下兩端，飛輪本體(3)和電機轉(zhuǎn)子(5) 分別固定在飛輪轉(zhuǎn)軸(8)上，電機定子(6)固定在電機轉(zhuǎn)子(5)外側(cè)的外殼(4)上，構(gòu)成徑向氣隙電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置；電機定子(6)包括電機定子鐵心(601)，勵磁繞組(602)，電樞繞組(603);其中電機定子鐵心(601)由2η塊圓弧形鐵心連接成一個圓形， 該數(shù)目η為自然數(shù)，在每兩塊圓弧形鐵心之間設有勵磁繞組(602)，電樞繞組(603)位于電機定子鐵心(601)內(nèi)圓的齒上。
2.如權(quán)利要求1所述的電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，其特征在于所述的電機轉(zhuǎn)子(5 )和電機定子(6 )采用軸向設置，即電機轉(zhuǎn)子(5 )設置在飛輪本體(3 )上，電機定子(6 ) 設置在電機轉(zhuǎn)子(5)的下方，構(gòu)成軸向氣隙電勵磁型雙凸極電機的飛輪儲能裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，其特征在于電機轉(zhuǎn)子 (5)和電機定子(6)均為雙凸極結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，其特征在于電機定子(6) 包括電機定子鐵心(601)，勵磁繞組(602)，電樞繞組(603)；其中電機定子鐵心(601)由2η 塊扇形鐵心連接成一個圓形，該數(shù)目η為自然數(shù)，在每兩塊扇形鐵心(601)之間設有勵磁繞組(602)，每一組電樞繞組(603)環(huán)繞于相鄰兩電機定子鐵心(601)側(cè)面的齒上。
全文摘要
本發(fā)明是一種電勵磁雙凸極電機的飛輪儲能裝置，當該飛輪儲能裝置不與外界進行能量傳遞時，將電機勵磁繞組置于開路狀態(tài)，使電機氣隙中沒有磁場，則電機鐵心內(nèi)部無渦流損耗和磁滯損耗，可以顯著減小飛輪儲能系統(tǒng)的能量消耗，大大延長飛輪的儲能時間，提高系統(tǒng)整體的能量轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)的安全性。該裝置包括上磁性軸承(1)，真空腔(2)，飛輪本體(3)，外殼(4)，電機轉(zhuǎn)子(5)，電機定子(6)，下磁性軸承(7)，飛輪轉(zhuǎn)軸(8)；電機定子鐵心(601)由2n塊圓弧形鐵心連接成一個圓形，該數(shù)目n為自然數(shù)，在每兩塊圓弧形鐵心之間設有勵磁繞組(602)，電樞繞組(603)位于電機定子鐵心(601)內(nèi)圓的齒上。
文檔編號H02K3/52GK102290911SQ201110227788
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者張建忠, 張淦, 程明, 花為 申請人:東南大學