專(zhuān)利名稱(chēng)：多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域，尤其是一種多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器。
背景技術(shù)：
作為化學(xué)電池和超級(jí)電容器的一種替代產(chǎn)品，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存電能，具有壽命長(zhǎng)、維護(hù)量小、高效率和高功率等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能的原理是依靠電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電，依靠旋轉(zhuǎn)的飛輪把電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)，充電時(shí)電機(jī)推動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，把電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)；放電時(shí)飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能釋放出去。電機(jī)有多種設(shè)計(jì)方法，不同方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適合于不同的使用要求。永磁電機(jī)是其中的一種，這種電機(jī)在飛輪充電時(shí)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)，由外界電源通過(guò)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)；放電時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，所發(fā)的電能的電壓和頻率隨著飛輪的轉(zhuǎn)速變化而變化，必須通過(guò)電力電子器件把這種電壓和頻率變化的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉皖l率相對(duì)穩(wěn)定的電能，釋放出去。在飛輪儲(chǔ)能器待機(jī)時(shí)，既不充電也不放電，飛輪儲(chǔ)能器會(huì)消耗自身一定的能量。為了減小這種能量的消耗，整個(gè)系統(tǒng)放置在一個(gè)真空的殼體中，由空氣阻力引起的能量消耗得到有效的降低。另外，飛輪系統(tǒng)使用磁懸浮軸承或者磁懸浮與機(jī)械軸承相結(jié)合的混合軸承來(lái)降低飛輪的能量損耗?，F(xiàn)有的飛輪儲(chǔ)能器的飛輪由上下兩個(gè)飛輪盤(pán)堆疊構(gòu)成，飛輪盤(pán)在徑向中間部位連接在一起，其它部分是分離的并構(gòu)成空隙。電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成轉(zhuǎn)子是飛輪盤(pán)，構(gòu)成空隙的上下飛輪盤(pán)上吸附著環(huán)形軸向磁極交替變化的磁鋼；定子為夾在上下飛輪盤(pán)之間的空隙中的一個(gè)圓環(huán)，又稱(chēng)電樞盤(pán)，外周固定在殼體上，電樞盤(pán)上布置著線圈繞組，線圈繞組與外部電力電子連接。上下飛輪盤(pán)在軸向上相對(duì)應(yīng)的磁鋼的極性相反，磁極驅(qū)動(dòng)磁力線來(lái)回穿過(guò)氣隙和電樞盤(pán)，構(gòu)成回路。飛輪儲(chǔ)能器的充電和放電由同一個(gè)電機(jī)完成充電時(shí)電力電子(變頻器)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，直到飛輪加速到最高額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)飛輪儲(chǔ)能器充滿(mǎn)電，此后飛輪一直保持這個(gè)速度；放電時(shí)飛輪依靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)釋放出電能，電能通過(guò)電力電子(變換器)變換為符合外界要求的電能。這種飛輪儲(chǔ)能器結(jié)構(gòu)存在一些缺點(diǎn)。首先，飛輪儲(chǔ)能器使用同一個(gè)電機(jī)進(jìn)行充電和放電，不利于其功率大小的靈活布置；在一些場(chǎng)合，飛輪儲(chǔ)能器的充電時(shí)間可以靈活要求，不必配備大功率的電機(jī)和變頻器進(jìn)行充電，但是如果飛輪儲(chǔ)能器的放電功率要求大，則必須配備大功率的電機(jī)進(jìn)行放電。使用同一個(gè)電機(jī)進(jìn)行充電和放電，大功率的電機(jī)就會(huì)造成充電系統(tǒng)的浪費(fèi)，小功率的電機(jī)又會(huì)造成放電系統(tǒng)功率的不足。其次，大功率的飛輪儲(chǔ)能器如果只使用一個(gè)電機(jī)，電機(jī)的體積過(guò)大，限制了飛輪轉(zhuǎn)速的提高。還有，使用單個(gè)大功率電機(jī)工作在飛輪儲(chǔ)能器的真空中，散熱比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)人針對(duì)上述現(xiàn)有飛輪儲(chǔ)能器僅設(shè)置有單個(gè)電機(jī)，靈活性差，散熱困難，成本高等缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)合理的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，從而可以靈活配置電機(jī)功率，適應(yīng)多種規(guī)格電源輸出的需要。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下 一種多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，定子電樞盤(pán)固定在殼體內(nèi)壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側(cè)設(shè)置有作為飛輪盤(pán)的轉(zhuǎn)子，環(huán)形軸向交替磁極的磁鋼吸附在轉(zhuǎn)子上；所述定子至少設(shè)置兩個(gè)，所述定子至少包括一個(gè)多相繞組定子或一個(gè)單相繞組定子。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)多個(gè)所述的單相繞組定子上的電樞布置相互相差一定角度。所述多相繞組定子通過(guò)變頻器連接至輸入電源，所述單相繞組定子通過(guò)變換器連接至外部輸出電路。定子數(shù)目?jī)?yōu)選為4個(gè)，其中多相繞組定子設(shè)置一個(gè)，單相繞組定子設(shè)置三個(gè)。所述轉(zhuǎn)子的中央設(shè)置有通孔，多個(gè)轉(zhuǎn)子在軸向上迭加在中軸上。所述轉(zhuǎn)子的盤(pán)面中央開(kāi)設(shè)有圓形凹槽，并采用環(huán)形連接件通過(guò)過(guò)盈配合連接相鄰的上下盤(pán)面。所述磁鋼采用永磁材料。飛輪盤(pán)由外部電動(dòng)機(jī)進(jìn)行充電驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明通過(guò)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的多相或單相繞組定子，組成兩個(gè)或兩個(gè)以上的多相或單相電機(jī)，通過(guò)其間任意的搭配，形成多組單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，增加輸出功率的大小，提高了電源配置的靈活性，適應(yīng)于多種適用場(chǎng)合的領(lǐng)域。本發(fā)明的單相繞組定子大大降低了制造難度，定子厚度減小很多，電機(jī)氣隙可以更小，電機(jī)功率可以更大；同時(shí)定子厚度的減小有效地提高了電機(jī)的散熱性能。多個(gè)電機(jī)的集成可以保證飛輪儲(chǔ)能器的充電和放電功率的倍增，在不增加飛輪直徑的前提下使飛輪高速旋轉(zhuǎn)，有效的提高了能源的轉(zhuǎn)化與輸出。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例一的中剖圖。圖2為本發(fā)明的實(shí)施例二的中剖圖。圖3為本發(fā)明的單相定子電樞盤(pán)分布的立體示意圖。圖4為本發(fā)明的實(shí)施例三。圖5為本發(fā)明的實(shí)施例四。圖6為本發(fā)明的實(shí)施例五。圖中1、磁鋼；2、單相繞組定子；3、多相繞組定子；4、剪切唇；5、磁懸浮軸承；6、真空泵；7、變頻器；8、變換器；9、密閉饋通；10、電樞導(dǎo)線；11、殼體；12、轉(zhuǎn)子；13、端蓋；14、中軸；15、軸承；16、環(huán)形連接件；17、圓形凹槽；18、外部電動(dòng)機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖I所示，本發(fā)明所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器的殼體11兩端采用端蓋13進(jìn)行封閉，并用真空泵6將殼體11內(nèi)部抽成真空；定子電樞盤(pán)上排布線圈繞組，并固定在殼體11的內(nèi)壁上，作為飛輪盤(pán)的轉(zhuǎn)子12安裝在中央中軸14上，環(huán)形軸向交替磁極的磁鋼I吸附在飛輪盤(pán)端面上，中軸14通過(guò)兩端軸承15安裝在上下端蓋13之間，在下端蓋與轉(zhuǎn)子12的底部之間，設(shè)置有磁懸浮軸承5，磁懸浮軸承5由下端蓋和轉(zhuǎn)子底部分別布置磁極相同的永磁體構(gòu)成，產(chǎn)生相斥的磁場(chǎng)，將整套轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)從而減少或者去除軸承軸向荷載。與現(xiàn)有的單一定子的盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器不同，本發(fā)明設(shè)置多個(gè)定子，即在殼體11內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)具有多相繞組定子3的電機(jī)作為充電電機(jī)(當(dāng)然也可以作為放電電機(jī))，多相繞組定子3通過(guò)電樞導(dǎo)線10穿過(guò)殼體11上的密閉饋通9，連接至外部的變頻器7和輸入電源；如果需要此電機(jī)放電，則電樞導(dǎo)線10在電機(jī)放電的時(shí)候連接到變換器8，連接方法為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)人員所公知的技術(shù)，其他若干電機(jī)具有單相繞組定子2，每一組單相繞組定子2連接電樞導(dǎo)線10穿過(guò)密閉饋通9，匯集后通過(guò)變換器8作為電能輸出。相應(yīng)的在定子之間設(shè)置有多層轉(zhuǎn)子12，環(huán)形軸向交替磁極的磁鋼I吸附在轉(zhuǎn)子12的一側(cè)或者兩側(cè)端面，磁鋼I由永磁體或磁化的磁鐵構(gòu)成，并利用轉(zhuǎn)子12的圓周的剪切唇4形成的環(huán)形約束環(huán)進(jìn)行徑向約束。實(shí)際工作時(shí)，磁鋼I驅(qū)動(dòng)磁通來(lái)回穿過(guò)定子及其上下的氣隙，構(gòu)成回路，通過(guò)轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)充放電。
圖I所示為本發(fā)明的一種實(shí)施例，作為充電電路的一個(gè)多相繞組定子3設(shè)置在殼體11的下部(當(dāng)然也可以放置在殼體11的上部或其它位置)；三個(gè)單相繞組定子2各自獨(dú)立的平行設(shè)置于多相繞組定子3，這三個(gè)單相繞組定子2上的電樞布置，必須彼此相差120度的電磁角度，這樣它們放電時(shí)的輸出交流電的波形的相位彼此相差120度，可以保證經(jīng)過(guò)變換器8變換后輸出為標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電，參見(jiàn)圖3。根據(jù)情況的需要，例如外界要求飛輪儲(chǔ)能器不需要輸出標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電或者變換器8不需要三個(gè)定子輸出的電流波形相差120度，這三個(gè)單相繞組定子2上的電樞布置也可以不做上述角度的要求。定子上的繞組優(yōu)先選用利茲導(dǎo)線，可這樣以減少渦流損耗；繞組放在由絕磁材料制成的電樞盤(pán)上，以減少磁損失和簡(jiǎn)化制造。相鄰的兩組定子之間設(shè)置有轉(zhuǎn)子12，共計(jì)五個(gè)轉(zhuǎn)子12順序迭加在中軸14上。旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子12上外周設(shè)置的磁鋼I與定子電樞盤(pán)上的繞組產(chǎn)生電磁感應(yīng)，分別形成單相電機(jī)與三相電機(jī)。本實(shí)施例充電時(shí)，外部電源通過(guò)變頻器7輸入至多相繞組定子3的電樞上，與多相繞組定子3上下相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子12上的磁鋼I產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，帶動(dòng)全部轉(zhuǎn)子12圍繞中軸14旋轉(zhuǎn)直至最高額定轉(zhuǎn)速。放電時(shí)，轉(zhuǎn)子12在飛輪慣性原理作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)子12上的磁鋼I切割每個(gè)電樞盤(pán)上的線圈繞組，在每個(gè)線圈繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),三個(gè)單相繞組通過(guò)電樞導(dǎo)線10與外圍電路連接，每個(gè)單相繞組產(chǎn)生單相電流，三個(gè)單相電流通過(guò)變換器8的變換成所需要的一個(gè)三相交流電向外部輸出。在有些情況下，為了增大飛輪儲(chǔ)能器的輸出功率，需要多相繞組定子3輸出電流，此時(shí)也可將多相繞組定子3連接變換器8后并與外圍電路連接，產(chǎn)生三相電流；三個(gè)單相繞組產(chǎn)生的電流和一個(gè)三相繞組產(chǎn)生的電流匯集在一起，通過(guò)變換器8變換為要求的三相交流電，然后輸出去。多相繞組定子3與三個(gè)單相繞組定子2必須按照一定的方式布置，保證各自的輸出能夠同相位，從而能夠同相位疊加，該實(shí)施方法為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)人員所公知的技術(shù)。根據(jù)情況的需要，例如外界要求飛輪儲(chǔ)能器不需要輸出標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電或者變換器8不需要多相繞組定子3和三個(gè)定子2輸出的電流波形相差一定角度，則多相繞組定子3和三個(gè)單相繞組定子2上的電樞布置也可以不做上述角度的要求。實(shí)施例一的飛輪本體由一根中軸14串接多個(gè)飛輪盤(pán)組成，在盤(pán)面中間打孔比較簡(jiǎn)便，拆卸也容易，便于飛輪本體的拆卸和維護(hù)；但是由于飛輪儲(chǔ)能器工作時(shí)，飛輪始終在高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力會(huì)在飛輪盤(pán)中央圓孔的邊緣產(chǎn)生非常高的應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間工作后，飛輪盤(pán)的中央圓孔邊緣處結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生裂紋，損壞飛輪盤(pán)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生安全危險(xiǎn)。圖2為本發(fā)明的另一種實(shí)施例，飛輪盤(pán)的盤(pán)體為實(shí)心結(jié)構(gòu)，不設(shè)置中央通孔，而在盤(pán)面中央開(kāi)設(shè)有圓形凹槽17，并采用金屬材質(zhì)或者高強(qiáng)度的復(fù)合材料的環(huán)形連接件16通過(guò)過(guò)盈配合連接相鄰的上下盤(pán)面；這種結(jié)構(gòu)有效提高了飛輪盤(pán)的強(qiáng)度，確保了設(shè)備的安全，提高了可靠性。如圖2所示，圖中的雙折線表示本發(fā)明可以不止設(shè)置三個(gè)單相繞組定子2，還可以設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的任意多數(shù)的單相繞組定子2，通過(guò)其任意的搭配，形成單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，并增加輸出功率的大小，并提高了電源配置的靈活性，適應(yīng)于多種適用場(chǎng)合。飛輪儲(chǔ)能器充電時(shí)，使 用的電機(jī)可以是其中任意一個(gè)電機(jī)，可以是單相的，也可以是多相的，根據(jù)使用的要求來(lái)決定。目前，市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的變頻器是三相的，為了方便或者降低成本，可以使用這種變頻器。本發(fā)明的單相繞組定子2大大降低了制造難度，定子厚度減小很多，電機(jī)氣隙可以更小，電機(jī)功率可以更大。同時(shí)定子厚度的減小有效地提高了電機(jī)的散熱性能。圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三。在該結(jié)構(gòu)中，每個(gè)定子均為多相繞組定子3，形成多個(gè)多相電機(jī)；每個(gè)電機(jī)都可以作為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，也可以只作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)；使用多個(gè)電機(jī)可以保證飛輪儲(chǔ)能器的充電和放電功率的倍增。這種結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計(jì)體直徑過(guò)大的電機(jī)，從而可以提高飛輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)然，也可以每一層的定子均設(shè)置為單相繞組定子2，如圖5所示的實(shí)施例四。圖6是本發(fā)明的實(shí)施例五。在該結(jié)構(gòu)中，殼體11內(nèi)部的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例一、實(shí)施實(shí)例二、實(shí)施例三、實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)都相同，只是轉(zhuǎn)子12的主軸伸出殼體11的上部，由外部電動(dòng)機(jī)18進(jìn)行充電驅(qū)動(dòng)，而在放電時(shí)，外部電動(dòng)機(jī)18停機(jī)，飛輪盤(pán)依靠慣性，線圈繞組產(chǎn)生電流向外部輸出。外部電動(dòng)機(jī)18可以是多種類(lèi)型的電機(jī)，配置適合自身需要的變頻器，這樣就可以使用低成本的電機(jī)或變頻器，從而降低成本。以上描述是對(duì)本發(fā)明的解釋?zhuān)皇菍?duì)發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見(jiàn)權(quán)利要求，在不違背本發(fā)明精神的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。
權(quán)利要求
1.一種多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器,定子電樞盤(pán)固定在殼體(11)內(nèi)壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側(cè)設(shè)置有作為飛輪盤(pán)的轉(zhuǎn)子(12)，環(huán)形軸向交替磁極的磁鋼(I)吸附在轉(zhuǎn)子(12)上；其特征在于所述定子至少設(shè)置兩個(gè)，所述定子至少包括一個(gè)多相繞組定子(3)或一個(gè)單相繞組定子(2)。
2.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于多個(gè)所述單相繞組定子 (2)上的電樞布置相互相差一定角度。
3.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于所述多相繞組定子(3)通過(guò)變頻器(7)連接至輸入電源，所述單相繞組定子(2)通過(guò)變換器(8)連接至外部輸出電路。
4.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于定子數(shù)目?jī)?yōu)選為4個(gè)，其中多相繞組定子(3)設(shè)置一個(gè)，單相繞組定子(2)設(shè)置三個(gè)。
5.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(12)的中央設(shè)置有通孔，多個(gè)轉(zhuǎn)子(12)在軸向上迭加在中軸(14)上。
6.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(12)的盤(pán)面中央開(kāi)設(shè)有圓形凹槽(17)，并采用環(huán)形連接件(16)通過(guò)過(guò)盈配合連接相鄰的上下盤(pán)面。
7.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于所述磁鋼(I)采用永磁材料。
8.按照權(quán)利要求I所述的多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，其特征在于飛輪盤(pán)由外部電動(dòng)機(jī)(18)進(jìn)行充電驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多層盤(pán)式飛輪儲(chǔ)能器，定子電樞盤(pán)固定在殼體內(nèi)壁，定子上排布有電樞繞組，定子的兩側(cè)設(shè)置有作為飛輪盤(pán)的轉(zhuǎn)子，環(huán)形軸向交替磁極的磁鋼吸附在轉(zhuǎn)子上；所述定子至少設(shè)置兩個(gè)，所述定子至少包括一個(gè)多相繞組定子或一個(gè)單相繞組定子。本發(fā)明通過(guò)定子任意的搭配，形成多組單相、兩相、三相甚至多相的電源輸出，增加輸出功率的大小，提高了電源配置的靈活性，適應(yīng)于多種適用場(chǎng)合的領(lǐng)域。單相繞組定子大大降低了制造難度，厚度減小，氣隙更小，電機(jī)功率更大；同時(shí)有效地提高了電機(jī)的散熱性能。多個(gè)電機(jī)的集成可以保證飛輪儲(chǔ)能器的充電和放電功率的倍增，在不增加飛輪直徑的前提下使飛輪高速旋轉(zhuǎn)，有效的提高了能源的轉(zhuǎn)化與輸出。
文檔編號(hào)H02K7/02GK102624177SQ20121010084
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者李文圣 申請(qǐng)人:李文圣