集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置的制作方法

本實用新型屬于飛輪儲能技術領域，特別是涉及一種集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置。

背景技術：

飛輪儲能是用物理方法實現儲能的技術。當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能，飛輪儲能正是以動能轉換成電能的儲能方式。高技術型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池；但是，常規的飛輪儲能由于在機械損耗上的局限性，限制了飛輪儲能技術的進一步發展。隨著高溫超導材料的出現，高溫超導飛輪儲能系統應運而生。目前的高溫超導飛輪儲能技術是利用多塊超導體在低溫環境下，通過一定的排布方式，利用徑向與軸向的約束，使得帶有永磁體的飛輪能夠約束在裝置的中心位置，讓飛輪完全抬升，使其脫離于裝置，有效的避免了幾乎所有的機械摩擦。

目前，現有的飛輪儲能技術基本都是上述的結構方式或者與之思想近似的儲能方式，其存在如下缺點：一是利用多塊超導體在一定的排布方式下使飛輪抬升，結構非常復雜；二是通過多塊超導體的排布方式，大大提高了成本；三是利用此結構，使得驅動飛輪成為了問題，因為如果采用直接在飛輪上驅動，則會影響原有的徑向約束，如果采用軸部驅動，則會重新面臨機械摩擦的問題。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本實用新型提供一種集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置。該裝置利用超導體的邁斯納效應，使鋁合金飛輪可在無軸的情況下在裝置中懸浮，不與裝置有直接的接觸，避免了機械摩擦損耗；并且通過外設電路產生穩定的三相或多相交流電流，使得三相或多相線圈內產生穩定的徑向旋轉磁場，并直接作用在鋁合金飛輪上，通過先異步再同步的方式驅動鋁合金飛輪旋轉，不會影響到超導體內部性質的穩定，使得裝置結構更加簡單，集成度高，內部磁場穩定且成本有所降低。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：一種集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置，包括非磁性真空杜瓦容器；在所述非磁性真空杜瓦容器的內側壁上固定有尼龍定子，在尼龍定子上均勻設置有若干個通槽，三相或多相線圈通過所述通槽纏繞在尼龍定子上；在非磁性真空杜瓦容器內部的底部固定有尼龍固定板，在尼龍固定板頂部的中心處設置有第一凹槽，圓柱狀YBCO超導塊材固定在尼龍固定板的第一凹槽內；在尼龍定子的內側、尼龍固定板的上方設置有鋁合金飛輪，在鋁合金飛輪底部的中心處設置有第二凹槽，圓柱狀稀土永磁體設置在鋁合金飛輪的第二凹槽內，所述圓柱狀YBCO超導塊材與圓柱狀稀土永磁體相對設置；在鋁合金飛輪的外側壁上均勻設置有偶數個瓦狀稀土永磁體，所述瓦狀稀土永磁體的N極和S極相間設置；所述飛輪儲能裝置還設置有轉速傳感器，三相或多相線圈和轉速傳感器分別與外設電路相連接。

所述外設電路包括電源、整流濾波模塊、逆變模塊、DSP驅動模塊、三相整流濾波模塊及穩壓模塊，電源經整流濾波模塊與逆變模塊的輸入端相連接，逆變模塊的輸出端與飛輪儲能裝置的三相或多相線圈相連接，轉速傳感器的輸出端經DSP驅動模塊與逆變模塊的控制端相連接；飛輪儲能裝置的三相或多相線圈經三相整流濾波模塊與穩壓模塊的輸入端相連接，穩壓模塊的輸出端為所述飛輪儲能裝置的供電端。

本實用新型的有益效果：

1、本實用新型利用超導體的邁斯納效應，只用一塊圓柱狀YBCO超導塊材就使鋁合金飛輪抬升，且轉子就是鋁合金飛輪，結構簡單，能夠滿足很多場合的儲能需要；

2、本實用新型只用一塊圓柱狀YBCO超導塊材，大大減少了成本；

3、本實用新型通過外設電路產生穩定的三相或多相交流電流，使得三相或多相線圈內產生穩定的徑向旋轉磁場，通過穩定的徑向旋轉磁場作用在鋁合金飛輪以及瓦狀稀土永磁體上，形成永磁同步電機形式；并且與圓柱狀YBCO超導塊材作用間距較大，使得內部磁場相當穩定，不會破壞圓柱狀稀土永磁體與圓柱狀YBCO超導塊材之間的邁斯納效應，從而使鋁合金飛輪穩定的懸浮，摩擦損耗小，儲能效率高，同時解決了驅動問題和機械摩擦問題；

4、所述三相或多相線圈安裝在非磁性真空杜瓦容器的內側壁上，產生的轉矩大，適合質量較大的儲能飛輪，易于形成陀螺儀效應。

附圖說明

圖1是本實用新型的集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置的結構示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本實用新型的外設電路的電路原理框圖；

圖4是本實用新型的外設電路中輸入部分的電路原理圖；

圖5是本實用新型的尼龍定子的結構示意圖；

圖6是本實用新型的尼龍固定板的結構示意圖；

圖7是本實用新型的三相或多相線圈的繞線示意圖；

圖中：1-非磁性真空杜瓦容器，2-尼龍定子，3-三相或多相線圈，4-尼龍固定板，5-圓柱狀YBCO超導塊材，6-瓦狀稀土永磁體，7-圓柱狀稀土永磁體，8-鋁合金飛輪，9-外設電路，10-通槽，11-第一凹槽。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。

如圖1～圖6所示，一種集成式無軸承高溫超導磁懸浮飛輪儲能裝置，包括非磁性真空杜瓦容器1；在所述非磁性真空杜瓦容器1的內側壁上固定有尼龍定子2，在尼龍定子2上均勻設置有若干個通槽10，三相或多相線圈3通過所述通槽10纏繞在尼龍定子2上，并且做三相或多相抽頭；在非磁性真空杜瓦容器1內部的底部固定有圓盤型的尼龍固定板4，在尼龍固定板4頂部的中心處設置有第一凹槽11，所述第一凹槽11為圓環型凹槽，圓柱狀YBCO超導塊材5固定在尼龍固定板4的第一凹槽11內，防止液氮沖走；在尼龍定子2的內側、尼龍固定板4的上方設置有鋁合金飛輪8，在鋁合金飛輪8底部的中心處設置有第二凹槽，圓柱狀稀土永磁體7嵌入或粘貼在鋁合金飛輪8的第二凹槽內，用以抬升并驅動鋁合金飛輪8無軸旋轉，所述圓柱狀YBCO超導塊材5與圓柱狀稀土永磁體7相對設置；在鋁合金飛輪8的外側壁上均勻設置有偶數個瓦狀稀土永磁體6，所述瓦狀稀土永磁體6的N極和S極相間設置，可在鋁合金飛輪8的外側壁上設置安裝瓦狀稀土永磁體6的槽，本實施例中，所述瓦狀稀土永磁體6設置有六個；所述飛輪儲能裝置還設置有轉速傳感器，三相或多相線圈3和轉速傳感器分別與外設電路9相連接。

所述外設電路9包括電源、整流濾波模塊、逆變模塊、DSP驅動模塊、三相整流濾波模塊及穩壓模塊，電源經整流濾波模塊與逆變模塊的輸入端相連接，逆變模塊的輸出端與飛輪儲能裝置的三相或多相線圈3相連接，轉速傳感器的輸出端經DSP驅動模塊與逆變模塊的控制端相連接；飛輪儲能裝置的三相或多相線圈3經三相整流濾波模塊與穩壓模塊的輸入端相連接，穩壓模塊的輸出端為所述飛輪儲能裝置的供電端。

所述整流濾波模塊由變壓器、單相不可控整流橋和LC電路組成，其采用的型號為KBPC5010；逆變模塊由三塊或多塊IGBT逆變橋構成，其采用的型號為FF300R12KT3；三相整流濾波模塊采用三相整流橋堆MDS100A1600V，穩壓模塊采用的型號為AMS1117；DSP驅動模塊用于控制輸出三相交流正弦電流，其采用的型號為TMS320F281；轉速傳感器用于檢測鋁合金飛輪8的轉速，其采用的型號為E3JK-DR12-C。

如圖7所示，所述三相或多相線圈3需要按照電機繞組理論，繞制成三相或多相繞組，繞組連接后，有3根或多根輸入接頭，并均勻纏繞在尼龍定子2中。

下面結合附圖說明本實用新型的一次使用過程。

如圖1～圖6所示，使用時，首先將鋁合金飛輪8設置在尼龍固定板4上方，間隙為5mm，可用5mm的尼龍板隔開；然后在非磁性真空杜瓦容器1內注入液氮，等待圓柱狀YBCO超導塊材5處于超導狀態時將尼龍板抽開，此時圓柱狀YBCO超導塊材5與圓柱狀稀土永磁體7產生邁斯納效應，鋁合金飛輪8處于懸浮狀態。

接通電源，先通過變壓器降低市電電壓，再通過單相不可控整流橋將其整流為直流，經過LC電路使之成為穩定的直流；然后經由DSP驅動模塊控制的逆變模塊變為三相或多相交流電。三相或多相線圈3通入三相或多相交流電，使其內部產生旋轉的磁場。此時，本實用新型的裝置是一個同步電機，把電能轉化為機械能，通過鋁合金飛輪8的高速轉動以動能的形式儲存能量。

斷開電源，此時鋁合金飛輪8高速旋轉，瓦狀稀土永磁體6隨之旋轉產生的磁場被三相或多相線圈3切割產生電動勢，在輸出電路閉合后三相或多相線圈3內產生的電動勢開始往外輸電，將動能轉化為電能，輸出的電能通過三相整流濾波模塊和穩壓模塊變成穩定的直流電供給用電設備。