一种双转子飞轮储能电机

本发明属于特种电机领域，具体涉及一种双转子飞轮储能电机，利用双转子结构，实现飞轮储能电机功率密度与储能密度的提升。

背景技术：

1、飞轮储能电机基于机电能量转换原理，利用飞轮转动功能与电能之间的相互转换，实现电能的可控存储与释放。飞轮储能电机的功率密度与储能密度是评价其运行性能的关键指标。现有储能电机大都由定子、转子、储能飞轮以及转轴、轴承等必要的支撑结构组成，通过提高电机运行转速是目前提升飞轮储能电机功率密度与储能密度的常用技术路线。

2、根据电机运行原理，提高运行转速带来的运行频率增加，是实现电机功率密度提升的本质原因。另一方面，在相同转子惯量条件下，提高运行转速意味着绝对储能量的增加，进而有利于提升储能电机的储能密度。然而，由于转子结构强度及轴承载荷能力的限制，传统储能电机的运行速度进一步提升空间有限，是制约基于传统单定子、单转子结构形式储能电机功率密度与储能密度提升的关键因素。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种双转子飞轮储能电机，利用两个相互逆向旋转转子的转动惯量进行惯性储能，利用机电能量转换原理，完成双转子惯性动能与电能之间的双向可控转换，实现外部电能的可控输入、存储与输出。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种双转子飞轮储能电机，采用双转子结构形式，包括外转子、外转子轴、内转子、内转子轴、电枢绕组、永久磁体、电刷、滑环、轴承、电机外壳；所述电机外壳内部容纳外转子，外转子内部容纳内转子；所述外转子固定在外转子轴，内转子固定在内转子轴；所述储能电机的两个转子之间设置一定的机械间隙，在电机内转子轴、外转子轴、轴承及电机外壳的支撑和限位约束下可相互独立同轴旋转。

4、进一步地，所述外转子由叠压硅钢片构成，外转子内表面周向均匀开设外转子槽，外转子槽内设置有电枢绕组，电枢绕组与固定在外转子轴一端的滑环相连接，通过固定在电机壳体内部的电刷实现与外部的电气连接；所述内转子由叠压硅钢片构成，内转子上安装有永久磁体，在电机内部形成交替多极的对称励磁磁场，与通电的电枢绕组相互作用，形成同时作用于外转子与内转子的耦合磁场，产生分别作用在外转子与内转子的电磁转矩；所述同时作用在外转子与内转子的电磁转矩，大小相等、方向相反。

5、进一步地，根据所述电机内外转子的转速大小和方向，实时调节电枢绕组上电流的大小、频率和相位，可灵活控制作用在双转子上电磁转矩的大小和方向，当控制作用在转子上的电磁转矩与转子转速方向相同时，所述储能电机以电动方式储能运行，即处于储能工作模式；当作用在转子上的电磁转矩与转子转动方向相反时，所述储能电机以发电方式释能运行，即处于释能工作模式。

6、进一步地，所述储能工作模式中，控制作用于两个转子的电磁转矩与各自旋转方向相同，储能电机以电动方式运行，两个转子逆向加速旋转，两个转子之间的相对转速逐渐增加，电机从外部吸收电能，经机电能量转换，变为两个转子及其同轴飞轮增加的旋转动能；

7、进一步地，所述释能工作模式中，控制作用于两个转子的电磁转矩与各自旋转方向相反，储能电机以发电方式运行，两个转子逆向减速旋转，两个转子之间的相对转速逐渐减小，两个转子及其同轴飞轮减少的旋转动能，经机电能量转换，变为电能从外转子电枢绕组经电刷、滑环对外输出。

8、进一步地，所述的储能电机可利用外转子与外转子轴、内转子与内转子轴自身具有的转动惯量进行储能，也可分别同轴连接外部飞轮，以进一步增加两个转子的转动惯量来提升惯性储能量。

9、进一步地，所述外转子槽内设置的电枢绕组，可采用三相对称结构形式，也可采用多相对称结构形式。

10、进一步地，所述内转子上设置的永久磁体，可采用表贴形式安装在内转子外部，也可采用内置形式安装在内转子内部。

11、有益效果：

12、本发明在运行时两个转子相对逆向旋转，运行频率正比于两个转子之间的相对转速，相同转子转速条件下，运行频率较传统单定子、单转子结构形式电机的运行频率提高1倍，提高了储能电机的功率密度。另一方面，由于本发明所提出电机的双转子均用于惯性储能，省去了传统电机中无法用于储能的定子结构，大幅提升电机中惯性储能用质量与整机总质量的比例，提高了电机的储能密度。

技术特征：

1.一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述储能电机采用双转子结构形式，包括外转子、外转子轴、内转子、内转子轴、电枢绕组、永久磁体、电刷、滑环、轴承、电机外壳；所述电机外壳内部容纳外转子，外转子内部容纳内转子；所述外转子固定在外转子轴上，内转子固定在内转子轴上；所述外转子的外转子铁芯内侧布置电枢绕组；所述内转子上安装有永久磁体；所述电枢绕组与固定在所述内转子轴上的滑环电气连接，滑环与固定在电机外壳内侧的电刷摩擦接触；所述储能电机的内转子和外转子之间设置机械间隙，在电机的内转子轴、外转子轴、轴承及电机外壳的支撑和限位约束下可相互独立旋转。

2.根据权利要求1所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述外转子由叠压硅钢片构成，外转子内表面周向均匀开设外转子槽，外转子槽内设置有电枢绕组，电枢绕组与固定在外转子轴一端的滑环相连接，通过固定在电机外壳内部的电刷实现与外部的电气连接；所述内转子由叠压硅钢片叠压构成，所述永久磁体在电机内部形成交替多极的对称励磁磁场，与通电的电枢绕组相互作用，产生分别作用在外转子与内转子的电磁转矩，内转子和外转子上的电磁转矩大小相等、方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：根据内转子和外转子的转速大小和方向，实时调节电枢绕组上电流的大小、频率和相位，灵活控制作用在内转子和外转子上的电磁转矩大小和方向，当控制作用在内转子和外转子上电磁转矩的方向与各自旋转方向相同时，所述储能电机以电动方式储能运行，即处于储能工作模式；当控制作用在内转子和外转子上的电磁转矩与各自旋转方向相反时，所述储能电机以发电方式释能运行，即处于释能工作模式。

4.根据权利要求3所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述储能工作模式中，控制作用于内转子和外转子上电磁转矩与各自旋转方向相同，储能电机以电动方式运行，内转子和外转子逆向加速旋转，内转子和外转子之间的相对转速逐渐增加，电机从外部吸收的电能经机电能量转换，变为内转子和外转子及其同轴飞轮增加的旋转动能。

5.根据权利要求3所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述释能工作模式中，控制作用于内转子和外转子的电磁转矩与各自旋转方向相反，储能电机以发电方式运行，内转子和外转子逆向减速旋转，内转子和外转子之间的相对转速逐渐减小，内转子和外转子及其同轴飞轮减少的旋转动能，经机电能量转换，变为电能从外转子的电枢绕组经电刷、滑环对外输出。

6.根据权利要求1所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述储能电机利用外转子与外转子轴、内转子与内转子轴自身具有的转动惯量进行储能，或分别同轴连接外部飞轮，以进一步增加内转子和外转子的转动惯量来提升惯性储能量。

7.根据权利要求2所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述电枢绕组采用三相对称结构形式或多相对称结构形式。

8.根据权利要求2所述的一种双转子飞轮储能电机，其特征在于：所述永久磁体采用表贴形式安装在内转子外部或采用内置形式安装在内转子内部。

技术总结本发明公开一种双转子飞轮储能电机，所述储能电机具有两个转子，分别布置电枢绕组与永久磁体，用于产生分别作用于双转子，大小相等且方向相反的电磁转矩；所述电机具有储能与释能两种运行模式；所述电机储能模式运行时，双转子在电磁转矩作用下，相互逆向加速旋转，相对转速增加，外部输入电能以双转子动能形式存储；所述电机释能模式运行时，双转子在电磁转矩作用下，相互逆向减速旋转，相对转速减小，双转子减少的动能转换为电能，经电刷、滑环输出。本发明利用双转子相对逆向旋转，提高运行电频率，提升功率密度；利用双转子结构，提高电机本体中储能质量与整机质量的比例，增加电机本体的可用飞轮惯量，提升储能电机的储能密度。技术研发人员：王培龙,史黎明,李子欣受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/25