一种定子无铁芯飞轮储能电机

1.本发明属于电能存储技术领域，更具体地，涉及一种定子无铁芯飞轮储能电机。


背景技术：

2.在众多储能方式中，飞轮储能将电能以机械能的形式储存，具有功率密度高、响应速度快、环境友好、充放电次数无限制以及寿命长等优点，具有极大的发展潜力及应用前景。
3.飞轮储能电机作为飞轮储能系统的核心部件，其性能的优劣至关重要。轴向磁通永磁电机兼备永磁电机和轴向磁通电机效率高、功率因数高、结构紧凑、轴向长度短等优点通常是飞轮储能电机的主要选择之一。为了降低轴承损耗，飞轮储能系统通常还需要磁轴承系统。现有的磁轴承系统一般由多个径向磁轴承和轴向磁轴承构成，不仅会使系统结构变得复杂，集成度降低，成本增加；同时，由于电机的转子兼做储能飞轮和转子，其功率和储能量之间存在着强耦合，电机的功率与储能量之间存在制约关系。使得功率和储能量不能够自由匹配，影响飞轮储能系统的适用性和通用性。
4.同时，对于带飞轮式转子结构的电机，常采用磁轴承对其直接进行悬浮，这会使得永磁环的磁路除了会经过飞轮，还会经过电机，因此该磁轴承存在漏磁大、悬浮稳定性差等缺点。现有技术中有公开一种定子轴径向励磁飞轮储能电机通过在上端盖上设置永磁环，产生轴向向上的悬浮力，使悬浮永磁体的磁路同时经过轴向气隙和径向主气隙，励磁绕组的磁路只走径向气隙，不经过轴向气隙；但是悬浮永磁体的磁路与励磁绕组的磁路都经过径向气隙，使得电机磁路更容易发生饱和，使得定转子铁芯的磁导率变小，进而影响永磁轴承悬浮力的稳定性。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种定子无铁芯飞轮储能电机，其目的在于提升飞轮储能电机永磁轴承悬浮力的稳定性。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种定子无铁芯飞轮储能电机，包括沿轴向自上而下依次设置的上端盖、永磁卸载轴承、上转子、电枢绕组、飞轮转子及下端盖；还包括固定在上端盖和下端盖之间，并环绕在飞轮转子和上转子外侧的机壳；
7.还包括连接所述上转子和所述飞轮转子的转轴，安装在所述飞轮转子上表面的第一转子铁芯和第一永磁块，以及安装在所述上转子下表面的第二转子铁芯和第二永磁块；所述第一永磁块和所述第二永磁块的充磁方向均为轴向方向且充磁方向相反；
8.所述永磁卸载轴承包括永磁环，所述永磁环轴向向下充磁，用于对所述上转子提供轴向悬浮力。
9.进一步地，所述永磁卸载轴承还包括：铁磁环及永磁轴承铁轭；
10.所述永磁轴承铁轭的上端面固定在所述上端盖上，所述永磁轴承铁轭的一个下端面、永磁环和铁磁环依次接触，且所述铁磁环和所述上转子形成轴向气隙；所述永磁轴承铁
轭的另一个下端面与所述上转子形成轴向气隙。
11.进一步地，所述上转子和所述飞轮转子通过所述转轴过盈连接；且所述电枢绕组包括n(n≥2)个扇形模块绕组。
12.进一步地，所述电枢绕组通过具有固化作用且非铁磁材料制成的绕组支撑骨架固定在所述机壳上。
13.进一步地，在所述第一转子铁芯上表面和所述第二转子铁芯下表面均等间距交错设置有m个扇环形凹槽，m≥1，且所述扇环形凹槽交错错开的机械角度为180
°
/m；
14.所述第一永磁块设置在所述第一转子铁芯上表面的扇环形凹槽内；所述第二永磁块设置在所述第二转子铁芯下表面的扇环形凹槽内。
15.进一步地，所述转轴包括上转轴和下转轴；
16.所述上转轴与所述上转子为一体化结构，并通过热套方式过盈安装于所述飞轮转子上方，所述下转轴通过热套方式连接所述飞轮转子下方。
17.进一步地，还包括设置于所述上端盖中心的上轴承座，其内部设置有支撑所述上转轴的上轴承；
18.以及设置于所述下端盖中心的下轴承座，其内部设置有支撑所述下转轴的下轴承。
19.进一步地，所述机壳包括上机壳和下机壳，所述上机壳与所述上端盖一体铸造成型，所述下机壳与所述下端盖一体铸造成型。
20.进一步地，所述电枢绕组的外面设有预埋管，所述预埋管用于通液体冷却所述电枢绕组。
21.进一步地，上端盖、下端盖、机壳、飞轮转子、上转子及转轴均为铁磁材料；
22.所述第一转子铁芯和所述第二转子铁芯为硅钢片或者软磁复合材料。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
24.(1)本发明的定子无铁芯飞轮储能电机，通过将永磁卸载轴承设置在上端盖与上转子之间，永磁卸载轴承的永磁体进行轴向向下充磁产生轴向悬浮力以对上转子进行悬浮，上转子与飞轮转子连接，通过上转子作为轴向吸力盘间接实现飞轮转子的悬浮，悬浮永磁体的磁路主要经永磁卸载轴承和上转子上表面之间的轴向气隙；而电机的两个转子(第一转子铁芯、第一永磁块、第二转子铁芯和第二永磁块)分别嵌入在飞轮转子和上转子，励磁绕组的磁路主要经过第一永磁块和第二转子铁芯之间的轴向气隙，进而使得悬浮磁路和励磁磁路是完全独立的，电机永磁体和电枢反应的磁通基本不会影响悬浮磁通，提升了永磁轴承悬浮的稳定性。
25.并且，电机的两个转子分别嵌入在飞轮转子和上转子，将电机转子和储能飞轮进行了分离，使得功率和储能实现了解耦。同时，由于两端都有转子，定子电枢绕组电流的变化，不会影响轴向力的大小。
26.(2)进一步地，本发明设计的永磁卸载轴承，永磁轴承铁轭包括两个端面，两个端面之间自然形成凹槽结构，使悬浮永磁体的磁路在一侧实现闭合，可以使得悬浮永磁体的磁路只经过铁磁环与上转子上表面之间的轴向气隙；同时，永磁轴承铁轭的一个下端面、永磁环和铁磁环依次接触，永磁环并非与轴向气隙直接接触，也可以保护永磁环。
27.(3)本发明的飞轮储能电机，电机为双转子结构，且同时作为转子承载体和轴向吸
力盘的上转子的设置使得本发明的转子结构与传统简单的转子结构不同，上转子和飞轮转子先进行过盈连接，再放入电枢绕组，而上转子和飞轮转子之间空间狭小，无法通过传统的手工绕线、整形、下线以及浇灌方式固定电枢绕组，本发明通过模块化的电枢绕组，可以将每个模块化电枢绕组从侧面放置于上转子和飞轮转子之间，同时也简化了绕组加工工艺。
28.(4)进一步地，通过具有固化作用且非铁磁材料制成的绕组支撑骨架将电枢绕组固定在机壳上，可以使定子不参与磁通路，相比现有的绕组通过铁磁材料固定在定子齿部，参与磁通路的结构，本发明的结构不存在定子铁芯，可以避免定子铁耗以及转子涡流损耗，从而降低飞轮储能系统的自放电率，提升了能量储存效率，同时，也降低了散热难度。
29.(5)作为优选，第一转子铁芯与第二转子铁芯之间的对称交错设置且错开角度均匀，使得轴向悬浮轴承不会产生不平衡的轴向电磁力，从而进一步保证了稳定的轴向悬浮力，并能够降低对机械轴承的冲击载荷及轴承损耗，提高了轴承寿命；同时，还可以减少永磁体用量，节约成本，提高电机的输出转矩和弱磁扩速能力。
30.(6)作为优选，上转子和上转轴为一体化结构，可以避免过盈处出现应力较大的问题。
31.(7)作为优选，在电枢绕组的外面设有预埋管，采用预埋管通液体方式冷却电枢绕组，以降低散热难度。
32.(8)作为优选，转子铁芯材料为硅钢片或软磁复合材料，可以有效降低转子涡流损耗。
33.总而言之，本发明的飞轮储能电机，通过设计上转子既作为电机转子承载体，同时与永磁卸载轴承配合还作为轴向吸力盘间接实现飞轮转子的悬浮，卸载整个转子的轴向力，实现了悬浮磁路和励磁磁路的完全解耦，以及功率和储能的完全解耦，能够提升永磁轴承悬浮的稳定性及转子动态性能。
附图说明
34.图1为本发明实施例中的定子无铁芯飞轮储能电机半剖面示意图。
35.图2为本发明实施例中的转子铁芯和永磁块示意图。
36.图3为发明实施例的模块化电枢绕组的示意图。
37.图4为本发明实施例的悬浮磁通和励磁主磁通的磁通路径示意图。
38.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
39.1-飞轮转子，2-第一转子铁芯，3-第一永磁块，4-第二转子铁芯，5-第二永磁块，61-上转子，62-上转轴，7-下转轴，81-上轴承座，82-下轴承座，91-上轴承，92-下轴承，101-铁磁环，102-永磁环，103-永磁轴承铁轭，111-上端盖，112-下端盖，121-电枢绕组，122-绕组支撑骨架，131-上机壳，132-下机壳。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
41.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
42.参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中的定子无铁芯飞轮储能电机进行详细说明。
43.本发明的定子无铁芯飞轮储能电机，主要包括：上端盖111、永磁卸载轴承、上转子61、电枢绕组121、飞轮转子1、下端盖112、转轴、第一转子铁芯2、第一永磁块3、第二转子铁芯4、第二永磁块5及机壳；
44.其中，上端盖111、永磁卸载轴承、上转子61、电枢绕组121、飞轮转子1及下端盖112沿轴向自上而下依次设置；
45.上转子61和飞轮转子1之间通过转轴连接；第一转子铁芯2和第一永磁块3安装在飞轮转子1的上表面，第二转子铁芯4和第二永磁块5安装在上转子61的下表面；第一永磁块3和第二永磁块5的充磁方向均为轴向方向且充磁方向相反；
46.永磁卸载轴承包括永磁环102，永磁环102轴向向下充磁，用于对上转子61提供轴向悬浮力，以实现对飞轮转子1的间接轴向悬浮。
47.机壳固定在上端盖111和下端盖112之间，并环绕在飞轮转子1和上转子61的外侧。
48.具体地，永磁卸载轴承还包括铁磁环101以及永磁轴承铁轭103；永磁轴承铁轭103的上端面固定在上端盖111上，永磁轴承铁轭103的一个下端面与永磁环102的上表面接触，永磁环102的下表面和铁磁环101上表面接触，铁磁环101和上转子61形成轴向气隙，同时永磁轴承铁轭103的另一个下端面与上转子61形成轴向气隙。
49.具体地，电枢绕组121安装在飞轮转子1和上转子61之间，依托于绕组支撑骨架122固定在机壳上；机壳包括上机壳131和下机壳132，上机壳131和下机壳132分别固定在上端盖111和下端盖112之间，并环绕在飞轮转子1和上转子61的外侧；其中，绕组支撑骨架122为具有固化作用且非导磁的材料。
50.作为优选，上端盖111和上机壳131一体铸造成型，下端盖112与下机壳132一体铸造成型，以低工艺难度。
51.具体地，转轴包括上转轴62和下转轴7，上转轴62与上转子61为一体化结构，通过热套方式过盈安装于飞轮转子1上方，下转轴7通过热套方式连接在飞轮转子1下方；其中，飞轮转子1和下转轴7通过过盈配合连接。
52.还包括：上轴承座81、上轴承91、下轴承座82和下轴承92，上轴承91设置在上轴承座81内，并用于支撑和保护上转轴62；下轴承92设置在下轴承座82内，并用于支撑和保护下转轴7；其中，上轴承座81安装在上端盖111中心，下轴承座82安装在下端盖112中心。
53.具体地，飞轮转子1为立式安装，上机壳131和下机壳132作为保护外壳和支撑结构。
54.具体地，如图2所示，第一转子铁芯2安装在飞轮转子1上表面的环形凹槽中；第二转子铁芯4安装在上转子61下表面的环形凹槽中；在第一转子铁芯2的上表面和第二转子铁芯4的下表面均等间距设置有m个扇环形凹槽，且第一转子铁芯2和第二转子铁芯4上的扇环形凹槽交错设置，错开的机械角度为180
°
/m，m≥1，第一永磁块3设置在第一转子铁芯2上的扇环形凹槽内，第二永磁块5设置在第二转子铁芯4上的扇环形凹槽内。
55.作为优选，如图3所示，电枢绕组121为模块化结构，包括n个相同的扇形模块化电枢绕组，每个模块化电枢绕组依托环氧树脂或酚醛树脂等具有固化作用的非导磁材料制成
的绕组支撑骨架142固定在机壳上，n≥2。电枢绕组121的外面设有预埋管，采用预埋管通液体方式冷却电枢绕组121。
56.具体地，上轴承座81和下轴承座82均为非铁磁材料；上端盖111、下端盖112、上机壳131、下机壳132、飞轮转子1、上转子61、上转轴62和下转轴7均为铁磁材料。
57.作为优选，第一转子铁芯2和第二转子铁芯4为硅钢片或者软磁复合材料。
58.具体地，本发明实施例中的定子无铁芯飞轮储能电机，工作时，永磁环102轴向向下充磁，产生轴向悬浮力，降低机械轴承上轴承91和下轴承92的轴向载荷，其磁通路径如图4所示，具体为：永磁环102
→
铁磁环101
→
上转子61上表面
→
永磁轴承铁轭103
→
永磁环102。也即，永磁环102的磁路主要经过铁磁环101与上转子61上表面之间的轴向气隙，因此，主要产生轴向悬浮力。而产生励磁作用的第二永磁块5和第一永磁块3分别为轴向向上充磁和轴向向下充磁，其磁通路径具体为：第二永磁块5
→
第二转子铁芯4
→
上转子61
→
上转轴62
→
上转子61
→
第二转子铁芯4
→
第一永磁块3
→
第一转子铁芯2
→
飞轮转子1
→
第一转子铁芯2
→
第二永磁块5，也即，励磁磁路主要经过第一永磁块3和第二转子铁芯4之间的轴向气隙。可以看出，悬浮磁路和电机励磁磁路是独立的，因此，电机永磁体和电枢反应的磁通基本不会影响悬浮磁通。
59.同时，转子铁芯之间的对称交错设置不会产生不平衡的轴向电磁力，从而保证了稳定的轴向悬浮力。
60.本发明的定子无铁芯飞轮储能电机，通过将永磁卸载轴承设置在上端盖与上转子之间，永磁卸载轴承的永磁体进行轴向向下充磁产生轴向悬浮力以对上转子进行悬浮，上转子与飞轮转子连接，通过上转子作为轴向吸力盘间接将飞轮转子悬浮起来，悬浮永磁体的磁路主要经永磁卸载轴承和上转子上表面之间的轴向气隙；而电机的两个转子(第一转子铁芯、第一永磁块、第二转子铁芯和第二永磁块)分别嵌入在飞轮转子和上转子，励磁绕组的磁路主要经过第一永磁块和第二转子铁芯之间的轴向气隙，进而使得悬浮磁路和励磁磁路是完全独立的，电机永磁体和电枢反应的磁通基本不会影响悬浮磁通，提升了永磁轴承悬浮的稳定性。
61.并且，电机的两个转子分别镶嵌在飞轮转子和上转子，将电机转子和储能飞轮进行了分离，使得功率和储能实现了解耦。
62.进一步地，通过上端盖、永磁卸载轴承、上转子、电枢绕组、飞轮转子及下端盖的配合设计，模块化的电枢绕组直接通过具有固化作用且非导磁的材料固定在机壳上，并采用预埋管通液体方式冷却。本发明的设计方式使得定子不参与磁通路，相比现有的绕组通过铁磁材料固定在定子齿部，参与磁通路的结构，本发明的结构不存在定子铁芯，可以避免定子铁耗以及转子涡流损耗，从而降低飞轮储能系统的自放电率，提升了能量储存效率，同时，也降低了散热难度。
63.本发明设计的轴承结构简单，可以使悬浮力更加稳定，降低对机械轴承的冲击载荷及轴承损耗，提高了轴承寿命及飞轮储能系统的自放电率。
64.本发明的定子无铁芯飞轮储能电机结构，转子铁芯部分集成在飞轮转子中，通过设计上转子既作为电机转子承载体，同时与永磁卸载轴承配合还作为轴向吸力盘间接实现飞轮转子的悬浮，卸载整个转子的重力，同时实现了功率和储能、悬浮磁路和励磁磁路的解耦，简化了系统设计，并且使得系统整体结构简单紧凑、集成度高、储能密度高、功率密度较
高。
65.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，包括沿轴向自上而下依次设置的上端盖(111)、永磁卸载轴承、上转子(61)、电枢绕组(121)、飞轮转子(1)及下端盖(112)；还包括固定在上端盖(111)和下端盖(112)之间，并环绕在飞轮转子(1)和上转子(61)外侧的机壳；还包括连接所述上转子(61)和所述飞轮转子(1)的转轴，安装在所述飞轮转子(1)上表面的第一转子铁芯(2)和第一永磁块(3)，以及安装在所述上转子(61)下表面的第二转子铁芯(4)和第二永磁块(5)；所述第一永磁块(3)和所述第二永磁块(5)的充磁方向均为轴向方向且充磁方向相反；所述永磁卸载轴承包括永磁环(102)，所述永磁环(102)轴向向下充磁，用于对所述上转子(61)提供轴向悬浮力。2.根据权利要求1所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述永磁卸载轴承还包括：铁磁环(101)及永磁轴承铁轭(103)；所述永磁轴承铁轭(103)的上端面固定在所述上端盖(111)上，所述永磁轴承铁轭(103)的一个下端面、永磁环(102)和铁磁环(101)依次接触，且所述铁磁环(101)和所述上转子(61)形成轴向气隙；所述永磁轴承铁轭(103)的另一个下端面与所述上转子(61)形成轴向气隙。3.根据权利要求1或2所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述上转子(61)和所述飞轮转子(1)通过所述转轴过盈连接；且所述电枢绕组(121)包括n(n≥2)个扇形模块绕组。4.根据权利要求3所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述电枢绕组(121)通过具有固化作用且非铁磁材料制成的绕组支撑骨架(122)固定在所述机壳上。5.根据权利要求1或2所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，在所述第一转子铁芯(2)上表面和所述第二转子铁芯(4)下表面均等间距交错设置有m个扇环形凹槽，m≥1，且所述扇环形凹槽交错错开的机械角度为180
°
/m；所述第一永磁块(3)设置在所述第一转子铁芯(2)上表面的扇环形凹槽内；所述第二永磁块(5)设置在所述第二转子铁芯(4)下表面的扇环形凹槽内。6.根据权利要求5所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述转轴包括上转轴(62)和下转轴(7)；所述上转轴(62)与所述上转子(61)为一体化结构，并通过热套方式过盈安装于所述飞轮转子(1)上方，所述下转轴(7)通过热套方式连接所述飞轮转子(1)下方。7.根据权利要求6所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，还包括设置于所述上端盖(111)中心的上轴承座(81)，其内部设置有支撑所述上转轴(62)的上轴承(91)；以及设置于所述下端盖(112)中心的下轴承座(82)，其内部设置有支撑所述下转轴(7)的下轴承(92)。8.根据权利要求1所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述机壳包括上机壳(131)和下机壳(132)，所述上机壳(131)与所述上端盖(111)一体铸造成型，所述下机壳(132)与所述下端盖(112)一体铸造成型。9.根据权利要求1所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，所述电枢绕组(121)的外面设有预埋管，所述预埋管用于通液体冷却所述电枢绕组(121)。10.根据权利要求1所述的定子无铁芯飞轮储能电机，其特征在于，上端盖(111)、下端
盖(112)、机壳、飞轮转子(1)、上转子(61)及转轴均为铁磁材料；所述第一转子铁芯(2)和所述第二转子铁芯(4)为硅钢片或者软磁复合材料。

技术总结
本发明公开了一种定子无铁芯飞轮储能电机，属于电能存储技术领域，包括沿轴向自上而下依次设置的上端盖、永磁卸载轴承、上转子、电枢绕组、飞轮转子及下端盖；还包括连接所述上转子和所述飞轮转子的转轴，安装在所述飞轮转子上表面的第一转子铁芯和第一永磁块，以及安装在所述上转子下表面的第二转子铁芯和第二永磁块；所述第一永磁块和所述第二永磁块的充磁方向均为轴向方向且充磁方向相反；所述永磁卸载轴承包括永磁环，所述永磁环轴向向下充磁，用于对所述上转子提供轴向悬浮力。本发明实现了功率和储能、悬浮磁路和励磁磁路的解耦，可有效降低定子铁耗和转子涡流损耗，能够提升悬浮力的稳定性；系统结构紧凑、储能密度高、功率密度高。功率密度高。功率密度高。


技术研发人员：叶才勇 齐晓东
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/31