專利名稱：一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于飛輪儲能設備領域，涉及一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統。
背景技術：
飛輪儲能技術是一種可快速充放電的長壽命儲能新技術，它利用電機實現電動儲能、發電釋能，特別適用于需要快速充放電的獨立動力系統調峰、風力發電穩定性調節等領域。飛輪儲能的基本原理是首先把電能轉換成旋轉物體的機械能，然后進行能量存儲。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉速，將電能轉化為機械能；在能量釋放階段，電動機作發電機運行，使飛輪減速，將機械能轉化為電能。飛輪儲能在工程中早已得到大量應用，但與電機結合實現電能的存儲則是始于20世紀50年代飛輪儲能電 動巴士的研發并投入使用。現代飛輪儲能電源綜合了先進復合材料轉子技術、磁軸承技術、高速電機以及功率電子技術而極大地提高了性能，在2000年前后，以美國為代表的現代飛輪儲能電源商業化產品開始推廣，應用于IC生產企業、精密儀器儀表制造業、工業控制自動化、航空航天、交通運輸、醫療救生、信息數據中心以及電信和網絡通訊系統等，為大型高級用戶提供對不間斷的和高質量的供電需求。目前全球至少有3000套基于飛輪儲能的大功率綠色電源安全運行了上千萬小時。飛輪儲存的能量與轉速平方成正比，為提高功率密度和能量密度，飛輪電機軸系需要高速旋轉，其轉速高于普通電機的轉速(1500-3000r/min)。高速軸承的損耗問題十分突出，傳統的支承如滾動軸承或滑動軸承不能使用，必須采用磁懸浮技術降低軸系支承的損耗，提高飛輪儲能系統的效率。為提高功率、能量容量，飛輪儲能單元采用模塊化設計，多個模塊并聯成陣列式儲能系統，目前國外的飛輪儲能電源功率由麗級向1(MW級發展，放電時間由數秒向數分鐘發展，模塊化運行管理是飛輪儲能系統大型化的主要方向。目前中國的飛輪儲能技術停留在實驗室研究階段，與國外技術水平差距在5-10年。國內的飛輪儲能技術理論設計探索較為充分，建立了多套小型實驗原理樣機，一些單位開展了工業應用樣機開發，但功率不超過IOOkW,儲能量不超過2000Wh,轉子重量不超過200kgfo
發明內容
本發明的目的是提供一種由大型雙永磁吸力軸承和滾動軸承組合成的應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，用以支承重量2000kgf、儲能5000Wh、功率200-400kff的飛輪電機轉子，轉子額定速度2000-4000r/min，該混合磁懸浮支承的損耗小于 2000W。本發明采用的技術方案為
立式放置的飛輪電機轉子支撐在上支承、上永磁吸力軸承、下永磁吸力軸承和下支承上；所述飛輪電機轉子由芯軸、芯軸中部的電機轉子和芯軸下端的飛輪組成；所述上支承安裝在芯軸的頂部，由外到內依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環和一對角接觸球軸承組成；所述上永磁吸力軸承和下永磁吸力軸承依次安裝在上支承和電機轉子之間的芯軸上；上永磁吸力軸承由上導磁靜環和上導磁動環組成,在上導磁靜環和上導磁動環之間設置上永磁環；下永磁吸力軸承由下導磁靜環和下導磁動環組成，在下導磁靜環和下導磁動環之間設置下永磁環；上導磁靜環和下導磁靜環均固定安裝在機殼上，上導磁動環和下導磁動環均與芯軸固接；所述下支承安裝在飛輪的下方、芯軸的底部，由外到內依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環和一個圓柱滾子軸承組成；下支承的支承座與機殼固定，圓柱滾子軸承的·內圈可沿軸向自由串動。所述上支承及下支承的支承座和軸承外圈套環之間的徑向間隙均為O. 2^0. 3mm,支承座和軸承外圈套環之間為軸向平面接觸。所述上支承及下支承的彈性阻尼體均由橡膠或金屬橡膠制成。所述芯軸的下端、飛輪與下支承之間的位置，沿周向均勻設置6個直徑4毫米的向下傾斜的斜孔，聯通芯軸外部與芯軸內孔，形成潤滑油的噴出通道。所述上導磁靜環及上永磁環在軸向與上導磁動環之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環及上永磁環與芯軸保持IOmm的徑向間隙。所述下導磁靜環及下永磁環在軸向與下導磁動環之間有2 4_的軸向間隙，且下導磁靜環及下永磁環與芯軸保持10_的徑向間隙。本發明的有益效果為( I)采用大型永磁軸承和滾動軸承實現大型飛輪電機轉子的低摩擦損耗支承，永磁軸承承擔軸系重量的95%,上滾動軸承只承擔軸系重量的5%,比傳統的機械軸承支承摩擦損耗降低90%。(2)為克服超大型永磁環充磁技術困難，采用較小的永磁環的雙永磁軸承結構，成倍提高永磁卸載力。(3)下支承的滾子軸承采用噴油潤滑，由芯軸自帶螺旋油泵實現循環供油，保證軸承的長壽命可靠運轉。(4)軸承與支承座之間采用彈性阻尼體，降低轉子臨界轉速以利于通過共振點和減少過臨界時的共振振動。(5)飛輪電機轉子及混合磁懸浮支承配上電機定子、飛輪殼體組成的飛輪儲能電源系統可應用于獨立動力系統調峰、軌道交通剎車動能再生和起重機勢能回收利用等領域。
圖I為所述重載立式混合磁懸浮支承系統的整體結構示意圖；圖2為所述重載立式混合磁懸浮支承系統的上端結構示意圖3為所述重載立式混合磁懸浮支承系統的下端結構示意圖；圖中標號I-上支承；2_上永磁吸力軸承；3_下永磁吸力軸承；4_芯軸；5_電機轉子；6_飛輪；7_下支承；11、71_支承座；12、72_阻尼彈性體；13、73_軸承外圈套環；14_角接觸球軸承；21_上導磁靜環；22_上永磁環；23_上導磁動環；31_下導磁靜環；32_下永磁環；33_下導磁動環；41_內孔；42_斜孔；43_螺旋油泵；44_潤滑油面；74_圓柱滾子軸承。
具體實施例方式本發明提供了一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。該系統的結構如圖I所示，立式放置的飛輪電機轉子支撐在上支承I、上永磁吸力軸承2、下永磁吸力軸承3和下支承7上；飛輪電機轉子由芯軸4、芯軸4中部的電機轉子5 和芯軸4下端的飛輪6組成。上支承I安裝在芯軸4的頂部，由外到內依次由支承座11、阻尼彈性體12、軸承外圈套環13和一對角接觸球軸承14 (內徑40mm、外徑90mm)組成。支承座11和軸承外圈套環13之間有徑向間隙O. 2-0. 3_，二者軸向平面接觸。彈性阻尼體12由橡膠或金屬橡膠制成，在支承座11與軸承外圈套環13之間提供剛度和阻尼。上永磁吸力軸承2和下永磁吸力軸承3依次安裝在上支承I和電機轉子5之間的芯軸4上；上永磁吸力軸承2由上導磁靜環21和上導磁動環23組成，在上導磁靜環21和上導磁動環23之間設置上永磁環22 (內徑60mm,外徑175mm);上永磁環22沿軸向充磁，與上導磁靜環21、上導磁動環23形成閉合磁路，并產生永磁吸力。上導磁動環23與芯軸4固定并隨軸系旋轉，上永磁環22吸附在上導磁靜環21上，上導磁靜環21通過結構件安裝固定在機殼上，上導磁靜環22及上永磁環21在軸向與上導磁動環23之間有2-4mm軸向間隙，與芯軸4保持IOmm徑向間隙。下永磁吸力軸承3由下導磁靜環31和下導磁動環33組成，結構與上永磁吸力軸承2相同。上導磁靜環21及上永磁環22在軸向與上導磁動環23之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環21及上永磁環22與芯軸4保持IOmm的徑向間隙。下導磁靜環31及下永磁環32在軸向與下導磁動環33之間有2 4mm的軸向間隙，且下導磁靜環31及下永磁環32與芯軸4保持IOmm的徑向間隙。下支承7安裝在飛輪6的下方、芯軸4的底部，由外到內依次由支承座71、阻尼彈性體72、軸承外圈套環73和一個圓柱滾子軸承74 (內徑80mm，外徑140mm)組成；下支承7的支承座與機殼固定，圓柱滾子軸承74的內圈可沿軸向自由串動，因此軸在熱作用下可自由伸長。支承座71和軸承外圈套環73之間有徑向間隙O. 2-0. 3mm，二者軸向平面接觸。芯軸4的下端、飛輪6與下支承7之間的位置，沿周向均勻設置6個直徑4毫米的向下傾斜的斜孔42，聯通芯軸4外部與芯軸內孔41，形成潤滑油的噴出通道。芯軸4底端浸入潤滑油面44以下，螺旋油泵43隨軸系同步旋轉，將潤滑油提升到下端軸通孔41內，在離心立作用下經斜孔42噴出，噴射在滾子軸承74上。該大型儲能飛輪的電機功率為200_400kW，轉子重量為2000kgf，采用滾動軸承的上、下支承與永磁吸力軸承混合支承。兩個永磁吸力軸承串行布置、并列承擔飛輪電機轉子重量，單個永磁軸承吸力8000-12000N，合力為16000-24000N，通過滾動軸承定位調整永磁軸承的動環與靜環之間的氣隙，使其承擔飛輪電機軸系總重量的95%，即1900kgf。上支承采用一對角接觸滾動軸承定位，限制軸系的軸向和徑向位置，并承擔飛輪 電機軸系總重量的5%，即IOOkgf，支承承重摩擦損耗小于250W。下支承采用一個內圈可移動的圓柱滾子軸承限制軸系的徑向位置，芯軸在軸向因發熱伸長時可自由移動，該軸承不承擔軸系的重量載荷。
權利要求
1.一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，立式放置的飛輪電機轉子支撐在上支承(I)、上永磁吸力軸承(2)、下永磁吸力軸承(3)和下支承(7)上； 所述飛輪電機轉子由芯軸(4)、芯軸(4)中部的電機轉子(5)和芯軸(4)下端的飛輪(6)組成； 所述上支承(I)安裝在芯軸(4)的頂部，由外到內依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環和一對角接觸球軸承組成； 所述上永磁吸力軸承(2 )和下永磁吸力軸承(3 )依次安裝在上支承(I)和電機轉子(5 )之間的芯軸(4)上；上永磁吸力軸承(2)由上導磁靜環(21)和上導磁動環(23)組成，在上導磁靜環(21)和上導磁動環(23)之間設置上永磁環(22);下永磁吸力軸承(3)由下導磁靜環(31)和下導磁動環(33)組成，在下導磁靜環(31)和下導磁動環(33)之間設置下永磁環(32);上導磁靜環(21)和下導磁靜環(31)均固定安裝在機殼上，上導磁動環(23)和下導磁動環(33)均與芯軸(4)固接； 所述下支承(7)安裝在飛輪(6)的下方、芯軸(4)的底部，由外到內依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環和一個圓柱滾子軸承組成；下支承(7)的支承座與機殼固定，圓柱滾子軸承的內圈可沿軸向自由串動。
2.根據權利要求I所述的一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，所述上支承(I)及下支承(7)的支承座和軸承外圈套環之間的徑向間隙均為O.2^0. 3mm，支承座和軸承外圈套環之間為軸向平面接觸。
3.根據權利要求I所述的一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，所述上支承(I)及下支承(7)的彈性阻尼體均由橡膠或金屬橡膠制成。
4.根據權利要求I所述的一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，所述芯軸(4)的下端、飛輪(6)與下支承(7)之間的位置，沿周向均勻設置6個直徑4毫米的向下傾斜的斜孔，聯通芯軸(4)外部與芯軸內孔，形成潤滑油的噴出通道。
5.根據權利要求I所述的一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，所述上導磁靜環(21)及上永磁環(22)在軸向與上導磁動環(23)之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環(21)及上永磁環(22 )與芯軸(4 )保持IOmm的徑向間隙。
6.根據權利要求I所述的一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統，其特征在于，所述下導磁靜環(31)及下永磁環(32)在軸向與下導磁動環(33)之間有2 4mm的軸向間隙，且下導磁靜環(31)及下永磁環(32)與芯軸(4)保持IOmm的徑向間隙。
全文摘要
本發明屬于飛輪儲能設備領域，涉及一種應用于飛輪儲能的重載立式混合磁懸浮支承系統。立式放置的飛輪電機轉子支撐在上支承、上永磁吸力軸承、下永磁吸力軸承和下支承上；上支承安裝在飛輪電機芯軸的頂部，上永磁吸力軸承和下永磁吸力軸承依次安裝在上支承和電機轉子之間的芯軸上；下支承安裝在飛輪的下方、芯軸的底部。該系統用以支承重量2000kgf、儲能5000Wh、功率200-400kW的飛輪電機轉子，轉子額定速度2000-4000r/min，該混合磁懸浮支承的損耗小于2000W，比傳統的機械軸承支承摩擦損耗降低90%。
文檔編號H02K7/02GK102878202SQ20121038528
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者戴興建, 張超平, 蘇安平, 張玉甫, 秦曉峰, 李勝忠 申請人:清華大學, 中國石化集團中原石油勘探局, 中國石化集團中原石油勘探局鉆井三公司