一种具有热隔离联接的高温超导储能飞轮

摘要

一种具有热隔离联接的高温超导飞轮系统，其特征在于在在所述的飞轮系统的电机定子(6)和高温超导磁悬浮轴承(3)之间安装有永磁连轴装置，永磁连轴装置由连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)构成，连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)相向布置在转轴(2)上。永磁连轴装置用以传递电机和飞轮之间的转矩的同时隔离其间的热传导，防止在飞轮系统工作过程中由于电机的温升对高温超导磁悬浮轴承系统的稳定性造成影响。连轴装置的形式有圆盘式和圆筒式两种。为了降低连轴装置间的辐射漏热，在连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)相对的表面上镀银或者粘贴金属薄膜。

权利要求

1.一种具有热隔离联接的高温超导磁悬浮飞轮系统，包括飞轮本体(1)，转轴(2)，高温超导磁悬浮轴承转子(3)，高温超导磁悬浮轴承定子(4)，电机转子(5)和电机定子(6)；

所述的飞轮系统的电机定子(6)和高温超导磁悬浮轴承转子(3)之间安装有永磁连轴装置，永磁连轴装置由连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)构成，连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)相向布置在转轴(2)上，其特征在于所述的永磁连轴装置在电机和高温超导磁悬浮轴承之间形成气隙磁力联接，进行热、电的隔离，无接触地传递转矩。

2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮飞轮系统，其特征在于所述的永磁连轴装置为圆盘式；圆盘式永磁连轴装置中的连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)为同轴圆盘，圆盘上圆周同心排列着偶数个等角度扇形的永磁块，磁块的磁化方向沿转轴(2)的轴向，并呈N、S间隔排列；连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)磁块尺寸相同，且有磁块的一面互相同轴正对。

3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮飞轮系统，其特征在于所述的永磁连轴装置为圆筒式，圆筒式永磁连轴装置中的连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)为与转轴(2)同轴线的同轴圆筒，内外圆筒上的磁块互相正对且磁化方向间隔排列；连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)的位置可以交换。

4.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮飞轮系统，其特征在于所述的连轴装置初级(7)和连轴装置次级(8)之间相对的表面镀银或者粘贴金属薄膜。

说明书

一种具有热隔离联接的高温超导储能飞轮

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高温超导储能飞轮装置。

背景技术

[0002] 绿色可再生能源的开发和利用是目前世界各国能源工程领域研究的重中之重，用以降低矿物燃料消耗的比例，保护环境和提高效益。但相对于传统的燃煤和燃油等发电技术，目前，象风力、光伏、光热以及潮汐等绿色新能源发电方式都存在着输出功率严重不稳定的缺点，风力电机的瞬时功率变化可达数百倍，而光能的利用显然受昼夜和天气的影响，而潮汐的规律因受天体运行的影响则更复杂。发电功率的波动造成对整个用电网电力稳定性的冲击，严重时会造成电网崩溃，因此电力公司往往会拒绝风光发电厂发出的电力上网，造成双输局面。解决这个瓶颈问题的方法之一是发展储能技术，通过储能单元调节风光发电厂输出功率的波动，削峰填谷，既利用了新能源，又维护了电网的稳定性。高温超导磁悬浮储能飞轮系统，具有高储能量、高储能密度、高效率、无污染等特点，是比较理想的储能元件选择之一。

[0003] 传统的高温超导飞轮系统如附图1所示，飞轮本体1、高温超导磁悬浮轴承转子3和电机转子5装在同一转轴2上。高温超导磁悬浮轴承转子3为永磁体构成，而定子4是固定在支撑结构上的高温超导体组成，高温超导体在临界温度(一般是77k)以下处于超导状态，与转子3永磁体产生的磁场因麦斯纳效应和钉扎效应而产生悬浮和定中力，实现转轴2的无接触悬浮。电机的转子5也是由永磁体组成，电机的定子6为固定在支撑结构上的常导线圈，常导线圈通电后产生驱动磁场实现转子的加减速，也就是储能与释能。为了消除风损，整个系统一般封闭在真空容器中。当电机工作时，电机定子6会因为焦耳损耗温度上升，通过热辐射的方式使电机转子5温度升高，另外电机定子6产生磁场的变化，电机转子5的永磁体和转轴2中会存在涡流损耗和磁滞损耗，这些损耗也会导致电机转子5和转轴2的温度升高，热量会通过转轴2传导至高温超导磁悬浮的转子3，进而通过热辐射的形式造成高温超导次悬浮轴承定子4中的超导体温度升高，给超导体的制冷系统加重负担，严重时超导体的温度会高于临界温度，丧失超导特性，恢复到正常态，称为失超。失超后高温超导磁悬浮轴承就会失效，整个飞轮系统也就损毁。

[0004] 图6为一个日本专利JP2008086095(A)，如图6所示，其电机转子、飞轮本体和高温超导磁悬浮轴承的转子安装在整体转轴上，当电机工作的时候，电机转子的温升热量会通过转轴传输到高温超导磁悬浮轴承的转子，进而辐射高温超导磁悬浮轴承由高温超导块材做成的定子，使其温度升高，严重时造成失超，使磁悬浮轴承失效。因此，这种结构形式的高温超导飞轮系统电机的输入输出功率会受到严重限制。

发明内容

[0005] 本发明的目的是克服传统高温超导飞轮系统中电机转子产生的热量通过转轴传输到高温超导磁悬浮轴承的转子，进而可能造成超导体失超的缺点，本发明提出一种电机转子和超导磁悬浮轴承转子之间加装热隔离装置的转轴，使电机转子产生的热量难以传输到高温超导磁悬浮轴承的转子。降低了制冷系统的负担，保证了磁悬浮轴承的超导稳定性，大大提高了飞轮系统运行的安全性。

[0006] 本发明采用以下技术方案：

[0007] 本发明包括飞轮本体、高温超导磁悬浮轴承、转轴和电机。其中飞轮本体为惯性元件，靠转动动能储存能量，高温超导磁悬浮轴承利用定子中超导体与转子永磁体之间的实现所有回转部件的无接触磁悬浮状态，消除机械摩擦造成的能量损耗，电机完成飞轮与外界能量的转化与输入输出。本发明在传统的高温超导飞轮系统的电机转子和磁悬浮轴承转子之间加装一永磁联接装置，通过磁力来无接触地传递电机转子飞轮本体之间的转矩，隔离热传导，保证运行过程中高温超导磁悬浮轴承不会有温升，而且，磁力联接属柔性连接，可以大大降低电机启动和减速等情况下的造成的冲击。

附图说明

[0008] 图1为传统的高温超导飞轮系统结构图；

[0009] 图2为本发明实施例1结构示意图；

[0010] 图3为本发明的连轴装置轴向视图；

[0011] 图4为本发明实施例2的结构示意图；

[0012] 图5为本发明实施例2的横截面图；

[0013] 图6为日本专利JP2008086095(A)的结构示意图。

[0014] 图中：1飞轮本体，2转轴，3高温超导磁悬浮轴承转子，4高温超导磁悬浮轴承定子，5电机转子，6电机定子，7连轴装置初级，8连轴装置次级。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0016] 如图2所示，飞轮由飞轮本体1、转轴2、两个高温超导磁悬浮轴承(包括永磁转子3和高温超导定子4)、以及电机(包括电机转子5和定子6)组成。本发明在飞轮系统的转轴2上加装永磁连轴装置，在所述的飞轮系统的电机定子6和高温超导磁悬浮轴承3之间安装有永磁连轴装置，永磁连轴装置由连轴装置初级7和连轴装置次级8构成，连轴装置初级7和连轴装置次级8布置在转轴2上。永磁连轴装置在电机和高温超导磁悬浮轴承之间形成气隙磁力联接，既对由电机产生的热量进行隔离，阻止其传导至高温超导磁悬浮轴承的转子3和定子4，同时又可以保证电机和飞轮本体1之间的力矩传递。

[0017] 永磁连轴装置有两种，一种为圆盘形，如图2所示，连轴装置初级7和连轴装置次级8为同轴圆盘，圆盘上圆周同心排列着偶数个等角度扇形的永磁块(图中绘出的为8块)，磁块的磁化方向沿转轴2的轴向，并如图3所示N、S 间隔排列。连轴装置初级7和连轴装置次级8磁块尺寸相同，互相同轴正对。由于磁块之间的磁力作用，连轴装置初级7和连轴装置次级8之间的永磁块就会N/S正对互相吸引，如果连轴装置初级7和连轴装置次级8之间错开角度，由于同极相斥、异极相吸，极间产生恢复转矩，使连轴装置初级7和连轴装置次级8回到完全正对的状态。因此，这种永磁连轴装置可以保证两段轴之间的同角度同速度传动。

[0018] 永磁连轴装置还有两外一种方式，如图4所示，其连轴装置初级7和连轴装置次级8为与转轴同轴线的同轴圆筒，称为圆筒式，横截面如图5所示，内外圆筒上的磁块互相正对且磁化方向间隔排列，其无接触传递转矩的原理与前一种方式是一样的。连轴装置初级和次级的位置可以交换。

[0019] 圆盘式连轴装置轴向尺寸小，但连轴装置初级7和连轴装置次级8间轴向有吸引力，圆筒式连轴装置没有额外的轴向力，但轴向尺寸较大，且在高转速下，内筒的永磁块受离心力的作用，不容易固定，具体选用何种连轴装置，视飞轮系统的实际情况而定。

[0020] 为了保证连轴装置之间的热量传递尽量地小，连轴装置初级和连轴装置次级之间相对的表面采取镀银或者贴金属薄膜等措施，降低之间的热辐射传递。

[0021] 需要指出的是，无论是圆盘式还是圆筒式同轴连轴装置，安装中一定要保持连轴装置的初级和次级与转轴在结构上的同轴度，否则会因为质量的偏心使系统在转动过程中产生振动。

[0022] 本发明利用永磁连轴装置无接触地传递转矩，解决了现有高温超导飞轮储能系统中由于电机产生热量向高温超导磁悬浮轴承传递而影响其稳定性的问题。本发明可应用于应用高温超导储能系统、陀螺仪和其他需要热、电等隔离无接触传递力矩的装置。