专利名称：一种磁悬浮飞轮储能蓄电池的制作方法
—种磁悬浮飞轮储能蓄电池技术领域
在各种储能技术中，化学储能的发展速度一直领先于物理储能，随着能源体系对 储能技术需求的提升，一直以环境污染小，运行稳定性高著称的物理储能技术正在迅速升 温，其中飞轮储能具有充放快捷、能量密度最大等特点。飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支 撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组 成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储 存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机 发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。与其他形式的储能技术相 比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危 害小等优点。飞轮储能功率密度大于5kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率在90 %以上，循 环使用寿命长达20年，工作温区为40°C 50°C，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作， 积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源(UPS)、应急电源 (EPS)、电网调峰和频率控制。
背景技术：
全球储能技术主要有化学储能(如铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等)、物理储 能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。 目前技术进步最快的是化学储能，其中锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性 等方面取得重大突破。物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，主要用于电 力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70%-75%左右。现 在，使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能 输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中 电能不易控制。发明内容
针对上述问题，本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能蓄电池装置，解决其技术问题所 采用的技术方案及有益效果是
1、“磁悬浮轴承”子系统飞轮转子与定子之间通过轴向(反向磁极组合)、径向 (同向磁极组合)永磁体形成斥力磁悬浮轴承，飞轮转子悬浮于封闭的真空环境中，真空腔 的功能是提供真空环境、降低风损、提高效率，飞轮转子的转速必须非常高可达2000001·/ min才会有高的储能密度，在空气环境中高速运转的飞轮转子会造成极高风阻损耗，因此飞 轮转子必须在真空中工作，真空度达到O. OOOOlPa数量级，转子与定子无物理接触，无机械 摩擦和空气摩擦是保证飞轮转子告诉旋转的必要条件，极限转速越高飞轮系统储能越高； 近年来由于高强度碳纤维的出现使得飞轮转子允许线速度可达800m/s 1000m/S，增加了 单位飞轮的动能储备；
2、“发电机/电动机一体化”子系统在飞轮中部布置有12或24或36个出的整数倍)永磁体，与定子中部的12或24或36个线圈构成“发电机/电动机一体化”，电力电 子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能(机械 能)，当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子 变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输 出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并 成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量；
3、“飞轮动态稳定”子系统动态稳定是通过飞轮转子上下两个圆盘中的线圈由 于转子偏离正常位置，而产生感应电动势继而产生与偏移方向相反的洛仑兹力，使得飞轮 回归正常位置在定子上下各有一组永磁体组合，每一个组合中有四个永磁体圆环，上下内 外对称安置，上下永磁体磁极同向，内外永磁体磁极反向，这样形成固定磁力线分布；在飞 轮转子上下各有一个圆盘，圆盘嵌入在定子上下永磁体当中，双方无接触，在圆盘磁力线的 通道位置上有三组线圈，当飞轮运转姿态正常时，线圈中磁通量是稳定的，线圈不产生电动 势，当飞轮运转姿态发生变化时，线圈由于切割磁力线磁通量发生变化，由于线圈中感应电 动势和感应电流的存在，随之产生与转子偏移方向相反的洛仑兹力使得飞轮转子恢复到稳 定状态；
4、“电子电力控制”子系统集成在定子内部，电力转换器是飞轮储能系统的控制元 件，它是控制电机、实现电能与机械能的相互转换，电力转换器在输入电能时，可将交流电 转换成直流电，用于驱动电动机；而在输出电能时则将直流电变成交流电，并且具有调频、 稳流、恒压等功能，电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器，它们决定 了飞轮装置能量输入输出量的大小；由于“发电机/电动机”的线圈和电子电力控制系统在 工作时会产生热量，因此在定子内布置有“热管散热设备”将热量排出，以保障飞轮系统正 常工作，提高使用寿命；
5、“飞轮紧急安全防护”子系统由于飞轮储存能量所需要的高速旋转带来极大 的离心力的作用对系统安全性能提出了很高的要求，除了上述第三项的“动态稳定子系统” 外，“紧急防护子系统”包括两个方面一是高压氮气瓶，由于高速旋转的飞轮具有极高的能 量，一旦发生转子与定子的摩擦将迅速产生高温，因此快速应急释放高压氮气可以将危险 控制在最小范围；二是双层固态静态防护外壳，飞轮的双层外壳要求选用密度小、强度高的 复合材料，靠近飞轮的是轴承连接的动态内壳，用于减缓屏蔽飞轮离心力破坏造成的碳纤 维飞絮或其它材料的裂片；最外层的外壳是飞轮蓄电池的安全保障和安装连接。
附图是本发明的纵截面示意图
A是六个相同尺寸、形状并且磁极同向、固定在飞轮转子上的永磁体，
B是四个相同尺寸、形状并且与A磁极反向、固定在定子上的永磁体，
C是六个相同尺寸、形状并且与A磁极同向、固定在定子上的永磁体，
D是四个相同尺寸、形状并且与C磁极反向、固定在定子上的永磁体，
E是用于安装转子永磁体和高强度碳纤维外缘的合金钢圆环，
F是飞轮外缘的高强度碳纤维层，G是定子部分上下两个着陆轴承，
H是一体化电机转子上的磁极， I是一体化电机定子上的线圈，
J是飞轮蓄电池定子中轴用于布置开关、电缆、热管的通道，
K是热管散热系统，L是飞轮转子/ 一体化电机传感器，
M是电子电力控制系统，N是紧急防护系统的高压氮气瓶，
P是纤维材料的动态防护内壳， Q是纤维材料的静态防护外壳，
R和U是动态稳定系统转子圆盘上的线圈，
S飞轮蓄电池系统数据显示屏， T是飞轮蓄电池固定安装设备。
具体实施方式
按附图显示来看
1、A永磁体与B永磁体是磁极反向的，构成轴向斥力轴承，同时A永磁体与C永磁体是内外磁极同向的，构成径向斥力轴承，飞轮转子因此稳定悬浮于定子外；
2、H是固定在飞轮转子上的磁极，在转子内缘有密度较高的磁力线分布，I是固定在定子上的线圈，H和I构成一体化的发电机和电动机；
3、在定子上下两组C永磁体与D永磁体磁极反向，构成完整的磁力线循环通道，嵌入在两组C、D永磁体中间的是R、U转子圆盘上的线圈，当飞轮转子位置正确时，线圈中的磁通量无变化，线圈不产生感应电动势和感应电流；当转子位置发生偏移时，线圈切割磁力线、线圈中的磁通量发生变化，线圈产生感应电动势和感应电流，由于磁场的作用继而产生与偏移方向相反的洛仑兹力，使得转子回归到正确的位置；
4、M是集成在系统内部的电子电力控制设备，K是热管散热装置，控制设备M和线圈I工作时产生的热量，将 通过K热管散热装置将热量排出体外；
5、N是储存高压氮气瓶，一旦转子与定子发生摩擦，高压氮气瓶将自动向真空腔里释放氮气，在冷却高温部件的同时还减缓转子的旋转速度；P是高强度纤维材料的动态防护内层，与外壳有轴承连接，用于吸收因转子离心力破坏造成的高速碎片的动能；Q是高强度纤维材料外层防护壳，用于保护来自于系统外部的冲击与破坏，N、P、Q共同形成了飞轮蓄电池的紧急防护系统，多重功能的防护体系有效提高了飞轮系统的安全性。
权利要求
1.一种磁悬浮飞轮储能蓄电池，“磁悬浮”其特征是通过飞轮转子与定子上的轴向组合(磁极反向)、径向组合(磁极同向)的永磁体使得飞轮悬浮于封闭的真空环境中，飞轮转子与定子无接触，保证飞轮超高速旋转。
2.根据权利要求1所诉的飞轮蓄电池，“发电机/电动机一体化”其特征是在飞轮转子中部集成了一组的永磁体转子，在定子相对应的位置安装了感应线圈，转子上的磁极和定子上的线圈构成了“一体化的发电机/电动机”，当向飞轮储能蓄电池充电时为“电动机”，当飞轮储能蓄电池向外输出电力时为“发电机”。
3.根据权利要求1所诉的飞轮蓄电池，“飞轮动态稳定系统”其特征是在定子上下各有一组永磁体组合，每一个组合中有四个永磁体圆环，上下内外对称安置，形成固定磁力线分布，在飞轮转子上下各有一个圆盘，圆盘嵌入在定子组合永磁体当中，双方无接触，在圆盘磁力线的通道位置上有三组线圈，当飞轮运转姿态正常时，线圈中磁通量是稳定的，线圈不产生电动势，当飞轮运转姿态发生变化时，线圈由于切割磁力线磁通量发生变化，由于线圈中感应电动势的存在，随之产生的洛仑兹力使得飞轮转子恢复到稳定状态。
4.根据权利要求1所诉的飞轮蓄电池，其特征是在飞轮中间位置集成了电子电力控制系统和热管散热系统，定子中轴为空心轴，其中布置了飞轮蓄电池的电子电力控制系统；由于电机线圈和蓄电池控制系统会产生热量，因此布置热管散热系统将改善使用环境，提高系统使用寿命。
5.根据权利要求1所诉的飞轮蓄电池，“高压氮气飞轮应急冷却系统”其特征是由于高速旋转的飞轮具有很大的能量，一旦发生转子与定子的摩擦，将迅速产生高温造成危险，因此通过释放高压氮气迅速冷却，可以将危险控制在最小范围内。
全文摘要
本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能蓄电池装置，其特征是磁悬浮飞轮转子与定子之间通过轴向、径向永磁体形成斥力磁悬浮轴承，飞轮悬浮于封闭的真空环境中；飞轮中部按阵列布置有12个永磁体，与定子中部的12个线圈构成“发电机/电动机一体化”；飞轮动态稳定系统是通过飞轮转子上下两个圆盘中的线圈由于转子偏离正常位置，而产生感应电动势继而产生与偏移方向相反的洛仑兹力，使得飞轮回归正常位置；电子电力控制系统集成在定子内部，由于线圈和控制系统会产生热量，因此有热管散热系统将热量排出，以保障系统正常工作；由于高速旋转的飞轮具有极高的能量，一旦发生转子与定子的摩擦将迅速产生高温，因此快速应急释放高压氮气可以将危险控制在最小范围。
文档编号H02N15/00GK103023388SQ201210486820
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者曾涛 申请人:曾涛