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(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型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(tǒng)。
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(xiàn)電動儲能、發(fā)電釋能，特別適用于需要快速充放電的獨立動力系統(tǒng)調(diào)峰、風力發(fā)電穩(wěn)定性調(diào)節(jié)等領域。飛輪儲能的基本原理是首先把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機械能；在能量釋放階段，電動機作發(fā)電機運行，使飛輪減速，將機械能轉(zhuǎn)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(jié)合實現(xiàn)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(fā)并投入使用?，F(xiàn)代飛輪儲能電源綜合了先進復合材料轉(zhuǎn)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(xiàn)代飛輪儲能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣，應用于IC生產(chǎn)企業(yè)、精密儀器儀表制造業(yè)、工業(yè)控制自動化、航空航天、交通運輸、醫(yī)療救生、信息數(shù)據(jù)中心以及電信和網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)等，為大型高級用戶提供對不間斷的和高質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速高于普通電機的轉(zhuǎn)速(1500-3000r/min)。高速軸承的損耗問題十分突出，傳統(tǒng)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(tǒng)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(lián)成陣列式儲能系統(tǒng)，目前國外的飛輪儲能電源功率由麗級向1(MW級發(fā)展，放電時間由數(shù)秒向數(shù)分鐘發(fā)展，模塊化運行管理是飛輪儲能系統(tǒng)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(nèi)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(yè)應用樣機開發(fā)，但功率不超過IOOkW,儲能量不超過2000Wh,轉(zhuǎn)子重量不超過200kgfo
發(fā)明內(nèi)容本實用新型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(tǒng)，用以支承重量2000kgf、儲能5000Wh、功率200-400kff的飛輪電機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子額定速度2000-4000r/min，該混合磁懸浮支承的損耗小于 2000W。本實用新型采用的技術方案為:[0009]立式放置的飛輪電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子由芯軸、芯軸中部的電機轉(zhuǎn)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(nèi)依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環(huán)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(zhuǎn)子之間的芯軸上；上永磁吸力軸承由上導磁靜環(huán)和上導磁動環(huán)組成,在上導磁靜環(huán)和上導磁動環(huán)之間設置上永磁環(huán)；下永磁吸力軸承由下導磁靜環(huán)和下導磁動環(huán)組成，在下導磁靜環(huán)和下導磁動環(huán)之間設置下永磁環(huán)；上導磁靜環(huán)和下導磁靜環(huán)均固定安裝在機殼上，上導磁動環(huán)和下導磁動環(huán)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(nèi)依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環(huán)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(nèi)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(huán)之間的徑向間隙均為0.2^0.3mm,支承座和軸承外圈套環(huán)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(lián)通芯軸外部與芯軸內(nèi)孔，形成潤滑油的噴出通道。所述上導磁靜環(huán)及上永磁環(huán)在軸向與上導磁動環(huán)之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環(huán)及上永磁環(huán)與芯軸保持IOmm的徑向間隙。所述下導磁 靜環(huán)及下永磁環(huán)在軸向與下導磁動環(huán)之間有2 4_的軸向間隙，且下導磁靜環(huán)及下永磁環(huán)與芯軸保持10_的徑向間隙。本實用新型的有益效果為:( I)采用大型永磁軸承和滾動軸承實現(xiàn)大型飛輪電機轉(zhuǎn)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(tǒng)的機械軸承支承摩擦損耗降低90%。(2)為克服超大型永磁環(huán)充磁技術困難，采用較小的永磁環(huán)的雙永磁軸承結(jié)構(gòu)，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(xiàn)循環(huán)供油，保證軸承的長壽命可靠運轉(zhuǎn)。(4)軸承與支承座之間采用彈性阻尼體，降低轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)可應用于獨立動力系統(tǒng)調(diào)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1為所述重載立式混合磁懸浮支承系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為所述重載立式混合磁懸浮支承系統(tǒng)的上端結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖3為所述重載立式混合磁懸浮支承系統(tǒng)的下端結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標號:1-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(zhuǎn)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(huán)；14_角接觸球軸承；21_上導磁靜環(huán)；22_上永磁環(huán)；23_上導磁動環(huán)；31_下導磁靜環(huán)；32_下永磁環(huán)；33_下導磁動環(huán)；41_內(nèi)孔；42_斜孔；43_螺旋油泵；44_潤滑油面；74_圓柱滾子軸承。
具體實施方式
本實用新型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(tǒng)，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步說明。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，立式放置的飛輪電機轉(zhuǎn)子支撐在上支承1、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(zhuǎn)子由芯軸4、芯軸4中部的電機轉(zhuǎn)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(nèi)依次由支承座11、阻尼彈性體12、軸承外圈套環(huán)13和一對角接觸球軸承14 (內(nèi)徑40mm、外徑90mm)組成。支承座11和軸承外圈套環(huán)13之間有徑向間隙0.2-0.3_，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(huán)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(zhuǎn)子5之間的芯軸4上；上永磁吸力軸承2由上導磁靜環(huán)21和上導磁動環(huán)23組成，在上導磁靜環(huán)21和上導磁動環(huán)23之間設置上永磁環(huán)22 (內(nèi)徑60mm,外徑175mm);上永磁環(huán)22沿軸向充磁，與上導磁靜環(huán)21、上導磁動環(huán)23形成閉合磁路，并產(chǎn)生永磁吸力。上導磁動環(huán)23與芯軸4固定并隨軸系旋轉(zhuǎn)，上永磁環(huán)22吸附在上導磁靜環(huán)21上，上導磁靜環(huán)21通過結(jié)構(gòu)件安裝固定在機殼上，上導磁靜環(huán)22及上永磁環(huán)21在軸向與上導磁動環(huán)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(huán)31和下導磁動環(huán)33組成，結(jié)構(gòu)與上永磁吸力軸承2相同。上導磁靜環(huán)21及上永磁環(huán)22在軸向與上導磁動環(huán)23之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環(huán)21及上永磁環(huán)22與芯軸4保持IOmm的徑向間隙。下導磁靜環(huán)31及下永磁環(huán)32在軸向與下導磁動環(huán)33之間有2 4mm的軸向間隙，且下導磁靜環(huán)31及下永磁環(huán)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(nèi)依次由支承座71、阻尼彈性體72、軸承外圈套環(huán)73和一個圓柱滾子軸承74 (內(nèi)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(nèi)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(huán)73之間有徑向間隙0.2-0.3mm，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(lián)通芯軸4外部與芯軸內(nèi)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(zhuǎn)，將潤滑油提升到下端軸通孔41內(nèi)，在離心立作用下經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整永磁軸承的動環(huán)與靜環(huán)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(nèi)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(fā)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(tǒng)，其特征在于，立式放置的飛輪電機轉(zhuǎn)子支撐在上支承(1)、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(zhuǎn)子由芯軸(4)、芯軸(4)中部的電機轉(zhuǎn)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(nèi)依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環(huán)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(zhuǎn)子(5 )之間的芯軸(4)上；上永磁吸力軸承(2)由上導磁靜環(huán)(21)和上導磁動環(huán)(23)組成，在上導磁靜環(huán)(21)和上導磁動環(huán)(23)之間設置上永磁環(huán)(22);下永磁吸力軸承(3)由下導磁靜環(huán)(31)和下導磁動環(huán)(33)組成，在下導磁靜環(huán)(31)和下導磁動環(huán)(33)之間設置下永磁環(huán)(32);上導磁靜環(huán)(21)和下導磁靜環(huán)(31)均固定安裝在機殼上，上導磁動環(huán)(23)和下導磁動環(huán)(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(nèi)依次由支承座、阻尼彈性體、軸承外圈套環(huán)和一個圓柱滾子軸承組成；下支承(7)的支承座與機殼固定。
2.根據(jù)權利要求1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(tǒng)，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(huán)之間的徑向間隙均為0.2^0.3mm，支承座和軸承外圈套環(huán)之間為軸向平面接觸。
3.根據(jù)權利要求1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(tǒng)，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(jù)權利要求1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(tǒng)，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(lián)通芯軸(4)外部與芯軸內(nèi)孔。
5.根據(jù)權利要求1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(tǒng)，其特征在于，所述上導磁靜環(huán)(21)及上永磁環(huán)(22)在軸向與上導磁動環(huán)(23)之間有2 4mm的軸向間隙，且上導磁靜環(huán)(21)及上永磁環(huán)(22 )與芯軸(4 )保持IOmm的徑向間隙。
6.根據(jù)權利要求1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(tǒng)，其特征在于，所述下導磁靜環(huán)(31)及下永磁環(huán)(32)在軸向與下導磁動環(huán)(33)之間有2 4mm的軸向間隙，且下導磁靜環(huán)(31)及下永磁環(huán)(32)與芯軸(4)保持IOmm的徑向間隙。
專利摘要本實用新型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(tǒng)。立式放置的飛輪電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)用以支承重量2000kgf、儲能5000Wh、功率200-400kW的飛輪電機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)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(tǒng)的機械軸承支承摩擦損耗降低90%。
文檔編號F16C32/04GK203035756SQ20122052058
公開日2013年7月3日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權日2012年10月11日
發(fā)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