一种应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统

摘要

本发明属于飞轮储能设备领域，涉及一种应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统。立式放置的飞轮电机转子支撑在上支承、上永磁吸力轴承、下永磁吸力轴承和下支承上；上支承安装在飞轮电机芯轴的顶部，上永磁吸力轴承和下永磁吸力轴承依次安装在上支承和电机转子之间的芯轴上；下支承安装在飞轮的下方、芯轴的底部。该系统用以支承重量2000kgf、储能5000Wh、功率200-400kW的飞轮电机转子，转子额定速度2000-4000r/min，该混合磁悬浮支承的损耗小于2000W，比传统的机械轴承支承摩擦损耗降低90%。

说明书

技术领域

本发明属于飞轮储能设备领域，涉及一种应用于飞轮储能的重载立式 混合磁悬浮支承系统。

背景技术

飞轮储能技术是一种可快速充放电的长寿命储能新技术，它利用电机 实现电动储能、发电释能，特别适用于需要快速充放电的独立动力系 统调峰、风力发电稳定性调节等领域。飞轮储能的基本原理是首先把 电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储。在储能阶段，通 过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为机 械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将机械 能转化为电能。飞轮储能在工程中早已得到大量应用，但与电机结合 实现电能的存储则是始于20世纪50年代飞轮储能电动巴士的研发并投 入使用。

现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速 电机以及功率电子技术而极大地提高了性能，在2000年前后，以美国 为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，应用于IC生产企业 、精密仪器仪表制造业、工业控制自动化、航空航天、交通运输、医 疗救生、信息数据中心以及电信和网络通讯系统等，为大型高级用户 提供对不间断的和高质量的供电需求。目前全球至少有3000套基于飞 轮储能的大功率绿色电源安全运行了上千万小时。

飞轮储存的能量与转速平方成正比，为提高功率密度和能量密度，飞 轮电机轴系需要高速旋转，其转速高于普通电机的转速（1500-3000r /min）。高速轴承的损耗问题十分突出，传统的支承如滚动轴承或滑 动轴承不能使用，必须采用磁 悬浮技术降低轴系支承的损耗，提高飞轮储能系统的效率。

为提高功率、能量容量，飞轮储能单元采用模块化设计，多个模块并 联成阵列式储能系统，目前国外的飞轮储能电源功率由MW级向10MW级 发展，放电时间由数秒向数分钟发展，模块化运行管理是飞轮储能系 统大型化的主要方向。

目前中国的飞轮储能技术停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差 距在5-10年。国内的飞轮储能技术理论设计探索较为充分，建立了多 套小型实验原理样机，一些单位开展了工业应用样机开发，但功率不 超过100kW，储能量不超过2000Wh，转子重量不超过200kgf。

发明内容

本发明的目的是提供一种由大型双永磁吸力轴承和滚动轴承组合成的 应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统，用以支承重量2000 kgf、储能5000Wh、功率200-400kW的飞轮电机转子，转子额定速度20 00-4000r/min，该混合磁悬浮支承的损耗小于2000W。

本发明采用的技术方案为：

立式放置的飞轮电机转子支撑在上支承、上永磁吸力轴承、下永磁吸 力轴承和下支承上；

所述飞轮电机转子由芯轴、芯轴中部的电机转子和芯轴下端的飞轮组 成；

所述上支承安装在芯轴的顶部，由外到内依次由支承座、阻尼弹性体 、轴承外圈套环和一对角接触球轴承组成；

所述上永磁吸力轴承和下永磁吸力轴承依次安装在上支承和电机转子 之间的芯轴上；上永磁吸力轴承由上导磁静环和上导磁动环组成，在 上导磁静环和上导磁动环之间设置上永磁环；下永磁吸力轴承由下导 磁静环和下导磁动环组成，在下导磁静环和下导磁动环之间设置下永 磁环；上导磁静环和下导磁静环均固定 安装在机壳上，上导磁动环和下导磁动环均与芯轴固接；

所述下支承安装在飞轮的下方、芯轴的底部，由外到内依次由支承座 、阻尼弹性体、轴承外圈套环和一个圆柱滚子轴承组成；下支承的支 承座与机壳固定，圆柱滚子轴承的内圈可沿轴向自由串动。

所述上支承及下支承的支承座和轴承外圈套环之间的径向间隙均为0. 2~0.3mm，支承座和轴承外圈套环之间为轴向平面接触。

所述上支承及下支承的弹性阻尼体均由橡胶或金属橡胶制成。

所述芯轴的下端、飞轮与下支承之间的位置，沿周向均匀设置6个直径 4毫米的向下倾斜的斜孔，联通芯轴外部与芯轴内孔，形成润滑油的喷 出通道。

所述上导磁静环及上永磁环在轴向与上导磁动环之间有2~4mm的轴向间 隙，且上导磁静环及上永磁环与芯轴保持10mm的径向间隙。

所述下导磁静环及下永磁环在轴向与下导磁动环之间有2~4mm的轴向间 隙，且下导磁静环及下永磁环与芯轴保持10mm的径向间隙。

本发明的有益效果为：

（1）采用大型永磁轴承和滚动轴承实现大型飞轮电机转子的低摩擦损 耗支承，永磁轴承承担轴系重量的95%，上滚动轴承只承担轴系重量的 5%，比传统的机械轴承支承摩擦损耗降低90%。

（2）为克服超大型永磁环充磁技术困难，采用较小的永磁环的双永磁 轴承结构，成倍提高永磁卸载力。

（3）下支承的滚子轴承采用喷油润滑，由芯轴自带螺旋油泵实现循环 供油，保证轴承的长寿命可靠运转。

（4）轴承与支承座之间采用弹性阻尼体，降低转子临界转速以利于通 过共振点和减少过临界时的共振振动。

（5）飞轮电机转子及混合磁悬浮支承配上电机定子、飞轮壳体组成的 飞轮储能电源系统可应用于独立动力系统调峰、轨道交通刹车动能再 生和起重机势能回收利用等领域。

附图说明

图1为所述重载立式混合磁悬浮支承系统的整体结构示意图；

图2为所述重载立式混合磁悬浮支承系统的上端结构示意图；

图3为所述重载立式混合磁悬浮支承系统的下端结构示意图；

图中标号：

1-上支承；2-上永磁吸力轴承；3-下永磁吸力轴承；4-芯轴；5-电机 转子；6-飞轮；7-下支承；11、71-支承座；12、72-阻尼弹性体；13 、73-轴承外圈套环；14-角接触球轴承；21-上导磁静环；22-上永磁 环；23-上导磁动环；31-下导磁静环；32-下永磁环；33-下导磁动环 ；41-内孔；42-斜孔；43-螺旋油泵；44-润滑油面；74-圆柱滚子轴承 。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于飞轮储能的重载立式混合磁悬浮支承系统， 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该系统的结构如图1所示，立式放置的飞轮电机转子支撑在上支承1、 上永磁吸力轴承2、下永磁吸力轴承3和下支承7上；飞轮电机转子由芯 轴4、芯轴4中部的电机转子5和芯轴4下端的飞轮6组成。

上支承1安装在芯轴4的顶部，由外到内依次由支承座11、阻尼弹性体 12、轴承外圈套环13和一对角接触球轴承14（内径40mm、外径90mm） 组成。支承座11和轴承外圈套环13之间有径向间隙0.2-0.3mm，二者轴 向平面接触。弹性阻尼体12由橡胶或金属橡胶制成，在支承座11与轴 承外圈套环13之间提供 刚度和阻尼。

上永磁吸力轴承2和下永磁吸力轴承3依次安装在上支承1和电机转子5 之间的芯轴4上；上永磁吸力轴承2由上导磁静环21和上导磁动环23组 成，在上导磁静环21和上导磁动环23之间设置上永磁环22（内径60mm ，外径175mm）；上永磁环22沿轴向充磁，与上导磁静环21、上导磁动 环23形成闭合磁路，并产生永磁吸力。上导磁动环23与芯轴4固定并随 轴系旋转，上永磁环22吸附在上导磁静环21上，上导磁静环21通过结 构件安装固定在机壳上，上导磁静环22及上永磁环21在轴向与上导磁 动环23之间有2-4mm轴向间隙，与芯轴4保持10mm径向间隙。

下永磁吸力轴承3由下导磁静环31和下导磁动环33组成，结构与上永磁 吸力轴承2相同。

上导磁静环21及上永磁环22在轴向与上导磁动环23之间有2~4mm的轴向 间隙，且上导磁静环21及上永磁环22与芯轴4保持10mm的径向间隙。下 导磁静环31及下永磁环32在轴向与下导磁动环33之间有2~4mm的轴向间 隙，且下导磁静环31及下永磁环32与芯轴4保持10mm的径向间隙。

下支承7安装在飞轮6的下方、芯轴4的底部，由外到内依次由支承座7 1、阻尼弹性体72、轴承外圈套环73和一个圆柱滚子轴承74（内径80m m，外径140mm）组成；下支承7的支承座与机壳固定，圆柱滚子轴承7 4的内圈可沿轴向自由串动，因此轴在热作用下可自由伸长。支承座7 1和轴承外圈套环73之间有径向间隙0.2-0.3mm，二者轴向平面接触。

芯轴4的下端、飞轮6与下支承7之间的位置，沿周向均匀设置6个直径 4毫米的向下倾斜的斜孔42，联通芯轴4外部与芯轴内孔41，形成润滑 油的喷出通道。芯轴4底端浸入润滑油面44以下，螺旋油泵43随轴系同 步旋转，将润滑 油提升到下端轴通孔41内，在离心立作用下经斜孔42喷出，喷射在滚 子轴承74上。

该大型储能飞轮的电机功率为200-400kW，转子重量为2000kgf，采用 滚动轴承的上、下支承与永磁吸力轴承混合支承。两个永磁吸力轴承 串行布置、并列承担飞轮电机转子重量，单个永磁轴承吸力8000-120 00N，合力为16000-24000N，通过滚动轴承定位调整永磁轴承的动环与 静环之间的气隙，使其承担飞轮电机轴系总重量的95%，即1900kgf。

上支承采用一对角接触滚动轴承定位，限制轴系的轴向和径向位置， 并承担飞轮电机轴系总重量的5%，即100kgf，支承承重摩擦损耗小于 250W。

下支承采用一个内圈可移动的圆柱滚子轴承限制轴系的径向位置，芯 轴在轴向因发热伸长时可自由移动，该轴承不承担轴系的重量载荷。