[发明专利]一种磁悬浮飞轮电池

说明书

本发明公开了一种磁悬浮飞轮电池，包括真空室，转轴，飞轮，永磁径向轴承，永磁卸载轴承，径向‑轴向磁悬浮支承，单绕组磁悬浮电机，位移判断单元；本发明加入了位移判断单元，飞轮电池采用单绕组磁悬浮电机，只有当系统径向载荷超过支承系统径向负载能力时，单绕组磁悬浮电机，才提供相应的径向悬浮力，产生相应的悬浮功率。绝大多数情况下，外部电源供给单绕组磁悬浮电机的能量全部用于产生转矩为飞轮储能，具有“等价能量转换”功能，不需要消耗能量用于产生悬浮功率。因此，该系统在绝大多数情况下，保持高运行效率。

技术领域

本发明属于电能存储技术领域，尤其涉及一种“等价能量转换”的磁悬浮飞轮电池，特别适用于不间断电源、航空航天等领域。

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。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的新型储能装备，飞轮电池目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承系统、集成式高速/超高速电机的性能与控制等。为减小支承损耗，飞轮电池通常采用多个主动式磁悬浮轴承支承，增加了飞轮轴向长度，降低了临界转速，同时也导致飞轮电池结构复杂、体积庞大。磁悬浮电机集传统电机旋转与磁轴承悬浮功能于一体，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，打破了传统电机仅为了产生电磁转矩而必须保持气隙磁场平衡的思路，开辟了高速电机研究领域的新方向。但是采用磁悬浮电机的飞轮电池，其存在的必然缺点是磁悬浮电机需要有额外的绕组来提供径向悬浮力，必然导致电机牺牲一部分系统的转矩功率来产生悬浮功率。为此，本专利提出一种“等价能量转换”的磁悬浮飞轮电池，飞轮电池的四个径向自由度中的两个自由度由永磁径向轴承提供，用于分担大部分的径向悬浮力，剩余的两个径向自由度由径向-轴向磁悬浮支承提供，用于分担小部分的径向悬浮力，飞轮电池轴向自由度由永磁卸载轴承提供，当系统径向载荷在永磁径向轴承和径向-轴向磁悬浮支承负载范围内时，电机绕组电流全部用于产生转矩，此时外部电源输入的电能全部用于单绕组磁悬浮电机的加速电动，为飞轮储能，无需提供额外的径向悬浮力，具有“等价能量转换”功能，只有当少数情况下，当飞轮电池径向载荷超过永磁径向轴承和径向-轴向磁悬浮支承的径向负载能力时，额外的径向载荷由单绕组磁悬浮电机提供，此时需要通过调节每套绕组内悬浮电流分量，进而产生相应的悬浮功率和悬浮力，用于维持飞轮电池系统的径向平衡。

发明内容

本发明目的是提出一种“等价能量转换”的磁悬浮飞轮电池，当系统稳态运行时，大部分的径向载荷由永磁径向轴承分担，轴承载荷由永磁卸载轴承分担，径向-轴向磁悬浮支承系统仅分担大部分的径向载荷，因此降低了磁悬浮支承系统的体积，增加了飞轮电池的结构紧凑性；当系统有轴向扰动时，径向-轴向磁悬浮支承系统分担轴向扰动，当轴向扰动消失时，径向-轴向磁悬浮支承无需提供额外的轴向力，降低了飞轮电池的功耗；当飞轮电池径向载荷超过永磁径向轴承和径向-轴向磁悬浮支承的径向负载能力时，单绕组磁悬浮电机分担永磁径向轴承和径向-轴向磁悬浮支承的径向负载能力之外的径向载荷，将单绕组磁悬浮电机绕组通入悬浮分量电流，产生相应的径向悬浮力，进而平衡径向负载能力之外的径向载荷，此时单绕组磁悬浮电机共在悬浮/转矩模态，当径向负载能力之外的径向载荷消失时，单绕组磁悬浮电机无需工作在悬浮模态，其绕组电流均可工作于转矩模态，此时外部电源输入的电能全部用于单绕组磁悬浮电机的加速电动为飞轮储能，无需提供额外的径向悬浮力，具有“等价能量转换”功能，提高了飞轮电池的运行效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁悬浮飞轮电池，包括真空室(1)，转轴(2)，飞轮(3)，永磁径向轴承(4)，永磁卸载轴承(5)，径向-轴向磁悬浮支承(6)，单绕组磁悬浮电机(7)，位移判断单元(8)；