本发明属于飞轮储能，具体涉及一种高性能的新型磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置。
背景技术：
1、飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间相互转换与储存。飞轮储能具有响应速度快，可实现毫秒级大功率充放电、可靠性高，高效率、免维护，磁悬浮支撑无摩擦损耗，系统维护周期长，不受重复深度放电次数影响，使用寿命一般在20年以上等优点；目前磁悬浮飞轮电池在安全性能方面、集成度方面、储能性能方面、散热性能方面，还存在如下问题：
2、(1)安全性能方面：目前大多数飞轮均采用麦克斯韦力的磁轴承进行飞轮的稳定性控制，即采用永磁轴承、混合磁轴承、主动磁轴承中的一种，因此一类利用麦克斯韦力和洛伦兹力混合的磁轴承飞轮电池(cn202210005508.5)被设计出来，但是由于洛伦兹力非常小，依然无法解决一个方向的麦克斯韦力缺失后使飞轮正常稳定运行；其他相关的技术在此类问题上，通过加入辅助轴承等各种机械方式尽可能保持飞轮在一个正常的位置，但又会因摩擦力影响飞轮的转速，进而影响储能性能。
3、(2)集成度方面：传统的飞轮电池磁轴承成径向分布，整体结构高度很高；飞轮储能装置主流的结构拓扑通常带有一根较长的惯性主轴，且磁轴承、飞轮、电机等关键部件均围绕惯性主轴布置，因此该类结构的集成度较低，不利于放置在径向空间不足的地方；另外，采用混合磁轴承虽然在一定程度上弥补了对电能消耗大的缺点，但导致其集成度低，且永磁体和定子在不同位置，进一步增加了对空间的消耗。
4、(3)储能性能方面：传统的飞轮储能采用单飞轮结构，储能性能低，若要提升储能总量，可以通过增大飞轮的质量或者提高飞轮外周的线速度来实现，后者更为高效；但是线速度受限于飞轮材料的比强度，采用价格低廉的金属飞轮，较低的强度将限制其在转速方面的上限，储能的多少与转速的平方成正比，低的转速意味着储能性能的不足；如果采用强度高的碳纤维材料，高昂的价格将有可能超出其在寿命范围内进行的储能总价值，得不偿失；因此一种双飞论的储能方式被设计出来，增加其储能性能的同时减少了飞轮的成本，但是由于其所有磁轴承都放在双飞轮的中间，导致散热性能很差，且高速旋转时，连接内外飞轮的轮毂的支撑作用失效。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置。
2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，包括：
4、双飞轮，位于外壳中间位置，所述双飞轮由外飞轮、轮毂、内飞轮、飞轮圆盘和飞轮中心柱组成，内飞轮为圆柱的离散结构，外飞轮为鼓状的连续结构；外飞轮、内飞轮和飞轮中心柱从外向内依次设置；所述内飞轮和外飞轮之间通过轮毂连接，轮毂将内飞轮和外飞轮之间的空隙分为上下两部分，上部空隙从上到下依次固定上径向辅助斥力环、上轴向定子，下部空隙从上到下依次固定下轴向定子、下径向辅助斥力环；所述飞轮中心柱中部连接飞轮圆盘，飞轮圆盘将飞轮中心柱与内飞轮之间的空隙分为上下两部分，上部空隙从上到下依次固定上径向定子、上轴向辅助斥力环，下部空隙从上到下依次固定下轴向辅助斥力环和下径向定子；所述上径向辅助斥力环和上轴向定子之间没有磁路耦合，下轴向定子和下径向辅助斥力环之间没有磁路耦合；
5、电机，位于双飞轮正下方，利用磁力带动双飞轮旋转。
6、进一步的技术方案，所述上轴向定子为爪状结构，采用模块化硅钢片制作而成；上轴向定子包括上轴向定子绕组、上轴向永磁体、上轴向容错齿和上轴向定子齿，上轴向定子齿为e型结构；上轴向永磁体沿圆周方向夹在上轴向定子齿中，上轴向定子绕组缠绕在轴向定子齿上，相邻的上轴向定子齿由上轴向容错齿隔离开；所述上轴向定子齿的数量为3的倍数。
7、进一步的技术方案，所述下轴向定子为爪状结构，采用模块化硅钢片制作而成；下轴向定子包括下轴向定子绕组、下轴向永磁体、下轴向容错齿和下轴向定子齿，下轴向定子齿为e型结构；下轴向永磁体沿圆周方向夹在下轴向定子齿中，下轴向定子绕组缠绕在下轴向定子齿上，相邻的下轴向定子齿由下轴向容错齿隔离开；所述下轴向定子齿的数量为3的倍数。
8、进一步的技术方案，所述上径向定子的定子齿采用e型模块化硅钢片制作而成，上径向定子包括上径向定子绕组、上径向永磁体、上径向容错齿和上径向定子齿；上径向永磁体沿圆周方向夹在上径向定子齿中，上径向定子绕组缠绕在上径向定子齿上，相邻的上径向定子齿由上径向容错齿隔离开；所述上径向定子齿的数量为3的倍数。
9、进一步的技术方案，所述下径向定子的定子齿采用e型模块化硅钢片制作而成，下径向定子包括下径向定子绕组、下径向永磁体、下径向容错齿和下径向定子齿；下径向永磁体沿圆周方向夹在下径向定子齿中，下径向定子绕组缠绕在下径向定子齿上，相邻的下径向定子齿由下径向容错齿隔离开；所述下径向定子齿的数量为3的倍数。
10、进一步的技术方案，所述上径向辅助斥力环固定在上径向辅助斥力环支架上，所述上轴向定子固定在上径向定子支架上；所述上径向辅助斥力环支架和上径向定子支架分别设在外层支架的外侧、内侧，所述外层支架固定在外壳内部上端。
11、进一步的技术方案，所述上径向定子固定在上径向定子支架上，所述上轴向辅助斥力环固定在上轴向辅助斥力环支架上，所述下轴向辅助斥力环固定在下轴向辅助斥力环支架上，所述下径向定子固定在下径向定子支架上；所述上径向定子支架、上轴向辅助斥力环支架、下轴向辅助斥力环支架和下径向定子支架均设在内层支架内侧；所述内层支架固定在外壳内部上端，且内层支架位于外层支架内部，两者同轴设置。
12、进一步的技术方案，所述下轴向定子固定在下轴向定子支架上，下径向辅助斥力环固定在下径向辅助斥力环支架上；所述下轴向定子支架和下径向辅助斥力环支架分别设在下层支架的内侧、外侧，所述下层支架外壳内部下端。
13、进一步的技术方案，所述外壳由吸音层、吸热层、支撑层组成，吸音层、吸热层、支撑层从内向外依次设置。
14、进一步的技术方案，所述外壳上表面分布有多个排线孔，外壳四周分布有多个散热孔。
15、本发明与现有技术相比的有益效果在于：
16、1、本发明打破了传统飞轮储能系统中磁轴承的磁力线只能按照一条固定的磁路流通的局限，设置容错齿，产生两条磁路，在因一相电流缺失或一个永磁体退磁而导致一个方向的力消失或减小的情况下，通过增加径(轴)向电流两侧的磁场，使两侧的磁通切换到容错齿上，来弥补缺失或减少的力，通过磁通切换使飞轮储能系统更加安全；同时每个磁通回路独立，解决了传统三相绕组磁通在某一相定子磁通回路必然会相互减弱的问题。
17、2、本发明巧妙地将永磁体夹在定子齿中，充分使绕组的磁路与永磁体的磁路重合，充分利用了混合磁轴承的优势，不仅打破了传统飞轮电池在高集成度的固有思维，而且弥补了传统磁轴承因轴向长度过长限制飞轮临界速度的缺陷，扩大磁轴承在高速飞轮储能系统中的应用范围。
18、3、本发明打破了传统磁轴承永磁体与定子分开的方式，将永磁体夹在定子齿中，且轴向定子分布在内飞轮和外飞轮中间缝隙中，径向磁轴承与轴向磁轴承成径向分布，充分利用飞轮内部空间的同时缩短了磁轴承轴向长度，放置各个定子的支架采用铝材料既能支承又能隔磁，去除了隔磁铝环，消除了因隔磁铝环而带来热量的缺点，同时提高了磁轴承的集成度。
19、4、本发明的磁轴承径向定子与轴向定子均采用e型模块化硅钢片，永磁体沿着圆周方向夹在e型硅钢片之间，每个用于产生吸力的定子齿间由容错齿间隔，使磁路独立，避免了相间短路的同时，如果一相出现故障依然可以通过控制其他正常相实现容错运行。
20、5、本发明通过飞轮以及定子的设计，解决传统飞轮因隔磁铝环和永磁体导致散热困难的缺点。飞轮方面：飞轮转子采用双飞轮设计，内部飞轮采用离散结构，增加散热空间；定子方面：定子齿采用容错齿结构，可以实现热隔离，绕组的绝缘线采用聚醚醚酮材料，其导热系数远远高于传统的热固性绝缘材料的漆包线，同时采用槽填充系数高的绕组，很大程度上减少接触热阻，增强了导热能力。
21、6、本发明采用双飞轮结构，飞轮采用高强度合金金属材料，合金强度更高，具有抗疲劳和耐腐蚀的性能，同时内飞轮使用离散结构，通过轮毂将内外飞轮连接在一起，在不改变结构刚度的同时，增加储能性能以及散热能力。
22、7、本发明突破了传统磁轴承采用单一的磁吸力或磁斥力的方式，通过巧妙地将不同充磁方向的永磁体进行组合，形成刚度较大的斥力，不仅可以通过吸力承担飞轮的自身重量，还通过斥力使飞轮具备一定裕量下的自恢复能力，用来抵抗外界干扰；同时永磁体和绕组磁路充分吻合，因此明显降低了系统的控制损耗。
23、8、本发明的外壳采用三层设计，以提高飞轮发生极限破坏等对其造成的冲击承受力，安全性更佳；第一层采用碳纳米管增强型阻尼材料，具有优异的力学、电学、化学性能，在降噪方面拥有更加优异的性能，采用穿孔的设计对共振频率附近的噪声具有较大的吸收作用；第二层采用铜铝复合材料，这种材料拥有很好的吸热能力，对飞轮的散热起到画龙点睛的作用；第三层采用铝锂合金，这种材料的刚度非常大，可以最大程度减少飞轮失控时对外界的破坏，提高飞轮电池的安全性能；通过三层设计，实现集散热、降噪以及安全为一体的外壳。
1.一种磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述上轴向定子(41)为爪状结构，采用模块化硅钢片制作而成；上轴向定子(41)包括上轴向定子绕组(411)、上轴向永磁体(412)、上轴向容错齿(413)和上轴向定子齿(414)，上轴向定子齿(414)为e型结构；上轴向永磁体(412)沿圆周方向夹在上轴向定子齿(414)中，上轴向定子绕组(411)缠绕在轴向定子齿(414)上，相邻的上轴向定子齿(414)由上轴向容错齿(413)隔离开；所述上轴向定子齿(414)的数量为3的倍数。
3.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述下轴向定子(42)为爪状结构，采用模块化硅钢片制作而成；下轴向定子(42)包括下轴向定子绕组(421)、下轴向永磁体(422)、下轴向容错齿(423)和下轴向定子齿(424)，下轴向定子齿(424)为e型结构；下轴向永磁体(422)沿圆周方向夹在下轴向定子齿(424)中，下轴向定子绕组(412)缠绕在下轴向定子齿(424)上，相邻的下轴向定子齿(424)由下轴向容错齿(423)隔离开；所述下轴向定子齿(424)的数量为3的倍数。
4.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述上径向定子(61)的定子齿采用e型模块化硅钢片制作而成，上径向定子(61)包括上径向定子绕组(611)、上径向永磁体(612)、上径向容错齿(613)和上径向定子齿(614)；上径向永磁体(612)沿圆周方向夹在上径向定子齿(614)中，上径向定子绕组(611)缠绕在上径向定子齿(614)上，相邻的上径向定子齿(614)由上径向容错齿(613)隔离开；所述上径向定子齿(614)的数量为3的倍数。
5.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述下径向定子(62)的定子齿采用e型模块化硅钢片制作而成，下径向定子(62)包括下径向定子绕组(621)、下径向永磁体(622)、下径向容错齿(623)和下径向定子齿(624)；下径向永磁体(622)沿圆周方向夹在下径向定子齿(624)中，下径向定子绕组(612)缠绕在下径向定子齿(624)上，相邻的下径向定子齿(624)由下径向容错齿(623)隔离开；所述下径向定子齿(624)的数量为3的倍数。
6.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述上径向辅助斥力环(31)固定在上径向辅助斥力环支架(211)上，所述上轴向定子(41)固定在上径向定子支架(212)上；所述上径向辅助斥力环支架(211)和上径向定子支架(212)分别设在外层支架(21)的外侧、内侧，所述外层支架(21)固定在外壳内部上端。
7.根据权利要求6所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述上径向定子(61)固定在上径向定子支架(221)上，所述上轴向辅助斥力环(71)固定在上轴向辅助斥力环支架(222)上，所述下轴向辅助斥力环(72)固定在下轴向辅助斥力环支架(223)上，所述下径向定子(62)固定在下径向定子支架(224)上；所述上径向定子支架(221)、上轴向辅助斥力环支架(222)、下轴向辅助斥力环支架(223)和下径向定子支架(224)均设在内层支架(22)内侧；所述内层支架(22)固定在外壳内部上端，且内层支架(22)位于外层支架(21)内部，两者同轴设置。
8.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述下轴向定子(42)固定在下轴向定子支架(231)上，下径向辅助斥力环(32)固定在下径向辅助斥力环支架(232)上；所述下轴向定子支架(231)和下径向辅助斥力环支架(232)分别设在下层支架(23)的内侧、外侧，所述下层支架(23)外壳内部下端。
9.根据权利要求1所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述外壳由吸音层(11)、吸热层(12)、支撑层(13)组成，吸音层(11)、吸热层(12)、支撑层(13)从内向外依次设置。
10.根据权利要求9所述的磁通切换磁悬浮双飞轮储能装置，其特征在于，所述外壳上表面分布有多个排线孔(82)，外壳四周分布有多个散热孔(81)。
