[发明专利]一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置

说明书

本发明公开一种基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，真空密闭机壳内部中心是转轴，转轴上端经轴向被动磁轴承连接上圆柱台,上圆柱台外固定套有定子无铁心无轴承永磁同步电机，电机内定子同轴心地固定套在上圆柱台外，电机外转子中间段的内壁通过内轮毂固定连接于转轴，电机外转子的外壁通过外轮毂固定连接于飞轮转子内壁，转轴的下端经调心球轴承连接于下圆柱台的中心，在圆柱台的上端与电机外转子之间设置三自由度径向‑轴向混合磁轴承，电机外转子的下端沿轴向向下延伸且下段内壁上沿径向向内水平延伸圆台，圆台作为三自由度径向‑混合磁轴承的磁轴承外转子。本发明能获得更高的能量，实现大容量需求。

技术领域

本发明属于能够将电能转化为飞轮动能的飞轮储能装置，适用于卫星储能电池、电力调峰、通信、电动汽车等领域，当需要时能将动能释放为电能。

背景技术

随着用户对电力日益增长的需求，电力供应与需求上的矛盾也日益凸显出来，如系统装机容量难以满足峰值负荷的要求，用户对电能质量和供电可靠性要求越来越高等，特别是近年来可再生能源技术的迅速发展，其本身存在的间歇性和随机性对电网造成很大影响，而能量存储技术可以提供一种简单而有效的解决办法。各种形式的储能装置能在电网负荷低谷时从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时向电网输送能量，对负荷实现削峰填谷，满足用户的用电需求。

飞轮储能是一种物理储能技术，具有存储密度高、瞬时功率大、充电时间短、充放电程度易测量、使用寿命长，对环境无危害等优点，但是飞轮储能装置中的高速电机性能的好坏直接关系到整个飞轮储能系统的性能高低。飞轮储能用高速电机的转速一般在每分钟几万转到十几万转，设计中需要考虑的关键问题主要有转子结构、电机损耗、电机温升等方面。例如中国专利公开号为CN111313600A的文献中提出的飞轮储能装置，其高速电机使用的是感应电机，配套设置了冷却系统来给装置降温。但是感应电机的转矩是通过转差产生的，转差频率会在转子中产生很大的涡流损耗，特别是在高速运行时，转子损耗更加严重，导致感应电机的效率偏低，长时间运行转子发热严重从而影响转子的机械强度。中国专利公开号为CN107482841A的文献中提出的低损耗高速一体化飞轮储能电机，使用了永磁同步电机作为高速电机，但是普通的永磁同步电机存在齿槽转矩大，在电机正常运行时候容易造成转子振动，加大了磁轴承在控制上的难度和能量损耗，也存在机械擦碰产生磨损，影响电机寿命。

现有飞轮储能装置的结构目前主要有两种形式：一种是电机与飞轮并行结构，即电机通过转轴与飞轮以串联方式相连；二是电机与飞轮同心结构，即电机和飞轮转子在同一个水平面上。前者串联的方式造成了轴向长度过长，直接导致了飞轮储能转子陀螺效应严重，影响了系统的稳定性；后者是外转子电机和飞轮相连，旋转的部分如果采用磁悬浮轴承，飞轮转子的位置监测将因为飞轮的重心不在实体上而不准确。在中国专利公开号为CN109831056A的文献中提出了虚拟轴概念，即在飞轮上平面中心连接了一根长轴，减弱了陀螺效应，也方便了轴承系统的安装。但是此方法设计的虚拟轴是在延伸方向上设置的，增加了轴向方向的长度，结构不紧凑。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有飞轮储能装置存在的问题，提出一种大容量低损耗的基于外转子无轴承永磁同步电机的飞轮储能装置，具有更高的飞轮转速和系统的可靠性，控制难度较低。