专利名称：一种磁悬浮储能飞轮电机、发电机、电动机及风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮电机，更具体地说，涉及一种磁悬浮储能飞轮电机、发电机、电动机及风力发电机。
背景技术：
飞轮储能系统是一种新型的机电能量转换与存储装置，具有使用寿命长、转换效率高、适应性强以及无污染等优点，在航空航天、分布式发电、电力调峰、风力发电系统以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。传统储能飞轮电机采用高速永磁电机，为了减小高速产生的各种损耗，采用分布绕组永磁电机，分布绕组永磁电机的绕组端部很大，铜损较大。且传统储能飞轮电机采用机械轴承，飞轮高速运行产生的机械损耗较大，而且影响储能飞轮电机的使用寿命。现有高性能储能飞轮电机采用主动磁悬浮轴承，虽然其机械损耗很小，但是其价格很高，而且刚度比较低，阻碍了它的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种磁悬浮储能飞轮电机、发电机、电动机及风力发电机，其能使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，机械性能较好，提高了飞轮电机的效率，延长了飞轮电机的使用寿命，成本较低。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种磁悬浮储能飞轮电机，包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；飞轮转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述定子的定子冲片端部安装有三个空间相差120°电角度的开关霍尔元件。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述弹性套圈的截面厚度为0. 5毫米至5毫米。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述弹性套圈通过在所述回转轴的轴承室灌注弹性胶形成。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述磁悬浮储能飞轮电机还包括真空密封外壳，所述真空密封外壳与所述中心轴连接。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，磁悬浮储能飞轮电机包括4个永磁磁极，由28块相间贴装在所述飞轮转子内壁的磁钢构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢；所述定子包括18个定子槽。
根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述定子槽的槽口尺寸与相邻磁钢的间距的比例为1. 4 1. 6。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述定子的三相绕组的绕线方式为
A 相一6— 回一 5—回一15—回一 14— 相一9 一回一 8—回一 18—回一 17
相一0—1211 一回一 3— 17 — 2，其中表示1槽进，一6表示6槽出。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，磁悬浮轴承的内定子以及外转子分别包括至少两个轴向充磁的环形磁钢圈，所述内定子的环形磁钢圈与所述外转子的环形磁钢圈的轴向高度相同，且内定子磁钢圈位于外转子磁钢圈内部。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述内定子的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫；所述外转子的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述内定子的环形磁钢圈与所述外转子的环形磁感圈之间的物理气隙为0. 2毫米至5毫米。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述内定子以及所述外转子分别包括5个轴向充磁的环形磁钢圈，所述内定子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN，所述外转子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS ；所述内定子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS，所述外转子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述飞轮转子外径为0280至0180,飞轮转子的飞轮材料为碳钢，所述飞轮的转速士 16000rpm。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述飞轮外径0320 ~ 0180,所述飞轮转子的飞轮材料为玻璃纤维或碳纤维，所述飞轮的最高转速分别为士20000rpm或士60000rpm。根据本发明的磁悬浮储能飞轮电机，所述磁悬浮储能飞轮电机包括用于控制其运行的控制系统，所述控制系统包括用电机驱动控制器以及三相桥整流器，当所述磁悬浮储能飞轮电机工作于电动机状态时，所述电机驱动控制器控制所述磁悬浮储能飞轮电机加速或稳速运行，将电能转换为机械动能；当所述磁悬浮储能飞轮电机工作于发电机状态时，所述电机驱动控制器停止驱动所述磁悬浮储能飞轮电机，由三相桥整流器将对所述磁悬浮储能飞轮电机的反电势进行全波整流和输出，将机械动能转换为电能。本发明还提供一种发电机，所述发电机包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；发电机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。本发明还提供一种电动机，包括中心轴；
定子，固定于所述中心轴；电动机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。本发明还提供一种风力发电机，包括风叶以及风叶转轴，所述风叶转轴与磁悬浮发电机转子轴向连接，所述磁悬浮发电机还包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；发电机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。本发明的磁悬浮储能飞轮电机的飞轮转子通过回转轴可旋转支撑于中心轴，回转轴包括同轴设置的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，轴向磁悬浮轴承能在轴向上支撑飞轮转子，可以抵消飞轮转子的自重，达到轴向卸载的目的，提高了电机的效率；同时滚珠轴承外圈通过弹性套圈与回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑，从而保证飞轮转子的旋转轴不发生径向偏移而降低电机效率，使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，同时径向滚珠轴承与回转轴的轴系弹性配合能够使滚珠轴承不承受较大压力而导致磨损，具有较好的机械性能，延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈的实现方式简单，成本较低。借此，本发明其能使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，机械性能较好，提高了飞轮电机的效率，延长了飞轮电机的使用寿命，成本较低。优选的是，本发明采用集中绕组，绕组端部小，铜损减小20%，电机定子槽口尺寸与磁钢间隙最优匹配，使电机的定位力矩最小化。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明图1是本发明优选实施例中一台磁悬浮储能飞轮电机的结构原理图；图2是本发明选实施例中轴向磁悬浮轴承的结构原理图；图3是本发明实施例中P = 4，S = 18外转子储能飞轮电机的剖面结构原理图；图4是本发明实施例中控制系统的结构原理图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明一种磁悬浮储能飞轮电机100，包括真空密封外壳7、连接固定于真空密封外壳7内的中心轴8、固定于中心轴8的定子9以及飞轮转子10。磁悬浮储能飞轮电机100包括两个工作状态，电动机状态和发电机状态(也即其可作为电动机或发电机使用)，当其工作于发电机状态时，磁悬浮储能飞轮电机100将飞轮转子10的机械动能转换为电能输出；当其工作于电动机状态时，磁悬浮储能飞轮电机100将电能转换为飞轮转子10的机械动能。飞轮转子10通过回转轴11可旋转支撑于中心轴8，回转轴11包括与中心轴8精密配合的轴向磁悬浮轴承4以及径向滚珠轴承5，滚珠轴承5外圈通过弹性套圈6与回转轴11的轴系弹性配合，形成弹性支撑。弹性套圈6的截面厚度为0. 5毫米至5毫米，由于径向滚珠轴承5与回转轴11的轴承室之间的间距较小，若先将弹性套圈6成型后再将其安装到径向滚珠轴承5并装入回转轴11的轴承室，将会导致安装困难，因此优选采用通过回转轴11的轴承室直接灌注弹性胶形成弹性套圈6。定子9的定子冲片12 (定子冲片见图3)端部安装有三个空间相差120°电角度的开关霍尔元件3，开关霍尔元件3的敏感方向朝向飞轮转子10永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。同时磁悬浮储能飞轮电机100还包括用于控制其运转的控制系统20 (详见图4)，磁悬浮储能飞轮电机100工作时，由控制系统20驱动磁悬浮储能飞轮电机100加速或稳速运行使其工作于电动机状态，飞轮转子10高速旋转时存储0. 5J Ω2动能，其中J是储能飞轮转子10的转动惯量，Ω是飞轮转子的角速度。磁悬浮储能飞轮电机100工作于发电机状态时，控制系统20停止对磁悬浮储能飞轮电机100驱动，同时对飞轮电机磁悬浮储能飞轮电机100的反电势实现全波整流和输出将0. 5JΩ2动能转变为电能。 本发明的轴向磁悬浮轴承4能在轴向上支撑飞轮转子10，可以抵消飞轮转子10的自重，达到轴向卸载的目的，提高了电机的效率；同时滚珠轴承5外圈通过弹性套圈6与回转轴11的轴系弹性配合，形成弹性支撑，从而保证飞轮转子10的旋转轴不发生径向偏移而降低电机效率，使磁悬浮储能飞轮电机100平衡稳定的转动，同时径向滚珠轴承5与回转轴11的轴系弹性配合能够使滚珠轴承5不承受较大压力而导致磨损，具有较好的机械性能，延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈6的实现方式简单，成本较低。借此，本发明其能使磁悬浮储能飞轮电机100平衡稳定的转动，机械性能较好，提高了飞轮电机的效率，延长了飞轮电机100的使用寿命，成本较低。优选的是，真空密封外壳7将整个磁悬浮储能飞轮电机100密封起来，通过一个单向真空抽气口和真空抽气泵，可以对真空密封外壳(7)内进行真空抽气，保持真空度在IOPa以下。如图1和图3所示，飞轮转子10包括贴装在飞轮转子10内壁的磁钢2以及飞轮1。定子9包括定子冲片12、定子槽13以及缠绕在定子9上的绕组。磁悬浮储能飞轮电机100包括4个永磁磁极，由28块相间贴装在飞轮转子10内壁的磁钢2构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢2。飞轮电机100的定子9包括18个定子槽13。定子槽13的槽口尺寸与相邻磁钢2的间距的比例为1. 4 1. 6，该比例为定子槽13的槽口尺寸与相邻磁钢2的间距最优匹配，能使电机的定位力矩最小化，定位力矩(DETENT TORQUE)是指电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。定子9的三相绕组的绕线方式为A相―回―15—回—14
->；B 相一@一9一§一8—回一18 —回一 17 — ; C 相一@一12—回一11 一—
17 —2，其中表示1槽进，—6表示6槽出，其他定子槽同理。同时，本发明采用集中绕组方式，绕组端部小，铜损减小20%，如图1和图2所示，磁悬浮轴承4包括内定子41和外转子42，且内定子41以及外转子42分别包括至少两个轴向充磁的环形磁钢圈，内定子41的环形磁钢圈与外转子42的环形磁钢圈的轴向高度相同，且内定子41的环形磁钢圈位于外转子42的环形磁钢圈内部。在发明的实施例中，内定子41及外转子42均包括5个环形磁钢圈，内定子41的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN，外转子42的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS ；也可设置为，内定子41的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNSJh转子42的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN。优选的是内定子41与外转子42之间的物理气隙43为0. 2毫米至5毫米，物理气隙大小与飞轮电机100的大小相关。内定子41的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫44，外转子42的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫44。由于上下两个环形磁钢圈的相邻表面的极性相同，使上下两个相邻磁钢圈产生排斥，为便于将上下相邻的环形磁感圈连接在一起，在上下相邻环形磁钢圈之间设置非导磁隔垫44。优选的是，飞轮转子10外径为0280至0180，飞轮转子10的飞轮ι的材料为碳钢，飞轮1的转速士 16000rpm。由于飞轮1的转速过高将会由于离心力较大使碳钢断裂，因此若飞轮1需要达到更大的转速，需选用刚性更好的材料，如飞轮1的材料选为玻璃纤维或碳纤维，飞轮1的外径0320 ~ 0180,可以使飞轮转子10的最高转速达到士20000rpm或士60000rpm。如图4所示，磁悬浮储能飞轮电机100的控制系统20包括电机驱动控制器21、三相桥整流器22、发电机/电动机23以及电源与中央控制器M，发电机/电动机23为磁悬浮储能飞轮电机100工作于不同状态的等效替换结构。当磁悬浮储能飞轮电机100工作于电动机状态时，电机驱动控制器21控制磁悬浮储能飞轮电机100加速或稳速运行，将电能转换为0. 5JQ2机械动能存储起来；当磁悬浮储能飞轮电机100工作于发电机状态时，电机驱动控制器21停止驱动磁悬浮储能飞轮电机100，由三相桥整流器22将对磁悬浮储能飞轮电机100的反电势进行全波整流和输出，将0. 5J Ω2机械动能转换为电能。本发明的磁悬浮储能飞轮电机100可用于航空航天、分布式发电、电力调峰、风力发电系统以及电动汽车等领域，因此应用范围十分广泛。本发明还提供一种发电机，该发电机为磁悬浮发电机，由于本发明的发电机与图1至图3的磁悬浮储能飞轮电机100的机械结构一致，续参照图1至图3，发电机包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；发电机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。所述定子的定子冲片端部安装有三个空间相差120度电角度的开关霍尔元件。所述弹性套圈的截面厚度为0. 5毫米至5毫米；所述弹性套圈通过在所述回转轴的轴承室灌注弹性胶形成。所述发电机还包括真空密封外壳，所述真空密封外壳与所述中心轴连接。
所述发电机转子包括飞轮以及贴装在飞轮内壁的磁钢组成，发电机包括4个永磁磁极，由观块相间贴装的磁钢构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢；所述定子包括18个定子槽。所述定子槽的槽口尺寸与相邻磁钢的间距的比例为1. 4 1. 6。所述定子的三相绕组的绕线方式
为
权利要求
1.一种磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；飞轮转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述定子的定子冲片端部安装有三个空间相差120度电角度的开关霍尔元件。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述弹性套圈的截面厚度为0. 5毫米至5毫米。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述弹性套圈通过在所述回转轴的轴承室灌注弹性胶形成。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述磁悬浮储能飞轮电机还包括真空密封外壳，所述真空密封外壳与所述中心轴连接。
6.根据权利要求1至5任一项所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，磁悬浮储能飞轮电机包括4个永磁磁极，由28块相间贴装在所述飞轮转子内壁的磁钢构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢；所述定子包括18个定子槽。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述定子槽的槽口尺寸与相邻磁钢的间距的比例为1. 4 1. 6。
8.根据权利要求6所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述定子的三相绕组的绕线方式为A相6 —g—5 —回—15 —回—14 —；B 相一g— 9 —因一8 —0-17-;C相—12—11 —回—17 —2,其中表示1槽进，一6表示6槽出。
9.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，磁悬浮轴承包括内定子和外转子，且所述内定子以及外转子分别包括至少两个轴向充磁的环形磁钢圈，所述内定子的环形磁钢圈与所述外转子的环形磁钢圈的轴向高度相同，且所述内定子的环形磁钢圈位于所述外转子的环形磁钢圈内部。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述内定子的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫；所述外转子的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫。
11.根据权利要求9或10所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述内定子的环形磁钢圈与所述外转子的环形磁感圈之间的物理气隙为0. 2毫米至5毫米。
12.根据权利要求11所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述内定子以及所述外转子分别包括5个轴向充磁的环形磁钢圈，所述内定子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN，所述外转子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS ；所述内定子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS，所述外转子的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN。
13.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述飞轮转子外径为0280至0180，飞轮转子的飞轮材料为碳钢，所述飞轮的转速士 16000rpm。
14.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述飞轮外径0320 ~ 0180，所述飞轮转子的飞轮材料为玻璃纤维或碳纤维，所述飞轮的最高转速分别为士20000rpm 或士60000rpm。
15.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮电机，其特征在于，所述磁悬浮储能飞轮电机包括用于控制其运行的控制系统，所述控制系统包括用电机驱动控制器以及三相桥整流器，当所述磁悬浮储能飞轮电机工作于电动机状态时，所述电机驱动控制器控制所述磁悬浮储能飞轮电机加速或稳速运行，将电能转换为机械动能；当所述磁悬浮储能飞轮电机工作于发电机状态时，所述电机驱动控制器停止驱动所述磁悬浮储能飞轮电机，由三相桥整流器将对所述磁悬浮储能飞轮电机的反电势进行全波整流和输出，将机械动能转换为电能。
16.一种发电机，其特征在于，所述发电机包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；发电机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。
17.—种电动机，其特征在于，包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；电动机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。
18.一种风力发电机，包括风叶以及风叶转轴，所述风叶转轴与磁悬浮发电机转子轴向连接，其特征在于，所述磁悬浮发电机还包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；发电机转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。
全文摘要
本发明涉及一种磁悬浮储能飞轮电机、发电机、电动机及风力发电机，磁悬浮储能飞轮电机包括中心轴；定子，固定于中心轴；飞轮转子，通过回转轴可旋转支撑于中心轴，回转轴包括与中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，滚珠轴承外圈通过弹性套圈与回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。轴向磁悬浮轴承能在轴向上支撑飞轮转子，可以抵消飞轮转子的自重，提高了电机的效率；同时滚珠轴承外圈通过弹性套圈与回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑，使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，同时径向滚珠轴承与回转轴的轴系弹性配合能够使滚珠轴承不承受较大压力而导致磨损，延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈实现方式简单，成本较低。
文档编号H02K21/12GK102570749SQ20111039111
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者漆亚梅 申请人:深圳市配天电机技术有限公司