CN100472095C

CN100472095C - 飞轮发电机

Info

Publication number: CN100472095C
Application number: CNB2006100956699A
Authority: CN
Inventors: 黑泽敬次
Original assignee: Value Supplier and Developer Corp; Kato Jiro
Current assignee: Value Supplier and Developer Corp; Kato Jiro
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: KR100805011B1; JP4914060B2; EP1793480A2; JP2007151364A; EP1793480A3; US20070120430A1; KR20070056912A; CN1975204A

Abstract

一种飞轮发电机，包括：启动电动机；由启动电动机转动的飞轮转轴；通过与飞轮转轴耦合而转动的飞轮；以基本相等的距离设置在飞轮外圆周部分上的多个永久磁体；沿其直径方向设置在飞轮两侧固定位置以朝向永久磁体的一对电磁体；以及可转动地由飞轮转轴驱动的发电机。

Description

飞轮发电机

关联申请的旁引

本申请基于并要求提交于2005年11月30日的2005—346002号日本专利在先申请的权益，其全部内容被援引于此以供参考。

技术领域

本发明涉及一种利用飞轮的回转动能的飞轮发电机。

背景技术

飞轮发电机是一种，它将存储在耦合于发电机转子的飞轮中的动能转化为电能的发电机。也就是说，飞轮发电机利用一种系统，通过这种系统将电能转化成具有较大惯性力矩的物体的旋转能量以存储能量。总地来说，飞轮发电机经常在需要脉冲式大电功率时将电能提供给负载。

例如，藉由磁场约束等离子体的核聚变系统有时在几秒的短时间内提供数十万kw的电力，由于对电力系统的影响太大，因此不宜从电力系统直接获得这类脉冲式电功率。因此，在这种电力系统的领域中采用飞轮发电机。该飞轮发电机工作呈如下的这么一个周期，该周期包括在几分钟时间间隔内增加发电机的转数以将动能存储在飞轮中，并将存储在飞轮中的动能转化为电能而提供给负载从而导致发电机转数的减少。

通常，传统的飞轮发电机将用于驱动的电动机直接耦合于发电机。来自发电机的输出独立于电力系统，并且飞轮发电机还随着对负载的供电而改变发电机的转数，由此频率同步于其转数而变化。

图7示出这种传统飞轮发电机的控制装置的配置图。飞轮发电机51由用于驱动的电动机52驱动以将动能存储在飞轮发电机51中。电动机52通过断路器54a连接于电力系统的受电端母线53并由谢尔必斯装置55根据来自用于检测转数的转子56的转数来控制。谢尔必斯装置55进行电动机52的次级励磁控制以使产生在次级侧的次级电能的一部分通过断路器54b在母线53上再次产生。

为了将电力从飞轮发电机51提供给负载57，发电机51由励磁装置58励磁以产生电功率并将其提供给负载57以减少其自身的转数。发电机51通过断路器54c将励磁电源从母线53提供给励磁装置58(例如参阅2001—258294号日本专利申请公开文本)。

关于飞轮发电机的结构，在传统飞轮发电机中，除了将飞轮安装于普通凸极型发电机以用普通轴承在大气中运作外，还公开了在一封闭容器内使用由悬浮磁体和由面向悬浮磁体定位的高温超导体制成的悬浮块构成的磁轴并通过将密封容器中转子的周围气压设置在0.1atm—0.4atm范围内而使飞轮发电机工作的技术(例如参阅6—303738号日本专利申请公开文本)。

在这种传统飞轮发电机中，飞轮重量越重，能量存储量越大，另一方面，轴承处的机械损失等也越大。因此，在对飞轮发电机使用普通轴承时，对大输出的要求造成轴承处的大机械损失并造成飞轮发电机效率的降低。

如上面给出的后一篇专利文献所揭示的那样，在一封闭容器内使用由悬浮磁体和由面向悬浮磁体定位的高温超导体制成的悬浮块构成的磁轴的技术需要大规模的用以使高温超导体充分地工作的装置。

如上所述，用于将飞轮发电机容纳在密封容器内的系统不是较佳的，这是因为整个系统会变得复杂和庞大，并且该系统在工作维护和检查以及在其后再次启动会花费大量时间。

发明内容

本发明是基于前述情况而作出的，本发明的一个目的是提供即使在大气中也能获得很好效率的飞轮发电机。

根据本发明一个实施例的飞轮发电机包括：启动电动机；由启动电动机转动的飞轮转轴；通过与飞轮转轴耦合而转动的飞轮；以基本相等的距离设置在飞轮外圆周部分上的多个永久磁体；沿其直径方向设置在飞轮两侧固定位置以朝向永久磁体的一对电磁体；以及可转动地由飞轮转轴驱动的发电机。

在上述飞轮发电机中，飞轮包括：两块彼此平行地设置的圆板；多个支承板，用来将两块圆板彼此接合在其外圆周部分上；以及分别支承在多个支承板上的永久磁体。

另外，在飞轮发电机中，飞轮转轴通过第一和第二离合器分别耦合于启动电动机和发电机。

此外，在飞轮发电机中，永久磁体和电磁体的朝向表面以预设倾角设置。

此外，在飞轮发电机中，每个倾角不超过30°。

此外，在飞轮发电机中，每个倾角接近22.5°。

此外，在飞轮发电机中，第一和第二离合器是电磁式离合器。

此外，在飞轮发电机中，偶数个永久磁体被设置在飞轮外圆周部分上。

此外，在飞轮发电机中，电磁体和永久磁体朝向表面之间的最小间隙为1mm。

下面将在说明书中对本发明的其它目的和优点进行阐述，其部分可从说明中看出，或通过对本发明的实践而得知。可通过之后特别指出的手段和组合来实现和获得本发明的目的和优点。

附图说明

包括于此并作为说明书一部分的附图示出本发明的实施例，并与上面给出的一般说明以及下面给出实施例的详细说明一起用来解释本发明的原理。

图1是表示本发明的飞轮发电机的一个实施例的示例性侧视图；

图2是图1所示飞轮发电机的示例性平面图；

图3是图1所示飞轮的示例性水平横截面图；

图4是表示图3所示步进电动机的测得转矩的示例性曲线图；

图5是图3所示步进电动机的示例性局部放大视图；

图6是用来计算运作飞轮发电机时转矩的示例性说明图；

图7是表示使用传统飞轮发电机的示例性方框图；

具体实施方式

下文中，将接合附图对本发明的实施例进行详细说明。图1是表示本发明一个实施例的飞轮发电机的概略配置的示例性侧视图，图2是其示例性平面图。

本实施例的飞轮发电机1包括三段角结构2、3、4，它们分别沿垂直方向设置在上段位置、中段位置和下段位置。如图2所示，上段角结构2由彼此接合以形成三角形平面形状的三个臂2a组成。上段轴承5通过三个轴承支承臂5a由三个臂2a支承在上段角结构2的中央部分。中段角结构3也具有与上段角结构2近乎相同的结构。即如图3部分地所示，中段角结构3由彼此接合以使其平面形状为三角形的三个臂3a构成。中段轴承6通过三个轴承支承臂6a由三个臂3a支承在中段角结构3的中央部分。下段角结构4也具有与上段角结构2近乎相同的结构。即如图3部分地所示，下段角结构4由彼此接合以使其平面形状为三角形的三个臂4a构成。下段轴承7通过三个轴承支承臂7a由三个臂4a支承在下段角结构4的中央部分。

角结构2、3、4的顶部固定于三个固定柱8，这些固定柱8分别以直立状态形成在底座9上，并且这三段的角结构2、3、4彼此一体地接合。

飞轮11固定于飞轮转轴11a，该飞轮转轴11a藉由轮毂12绕设置在上段角结构2的上段轴承5以及设置在中段角结构3的中段轴承6枢转。转轴11a从中段轴承6向下延伸并且其下段与第一电磁离合器13耦合。第一电磁离合器13也与第一传动滑动轴14a耦合。因此，滑轮转轴11a和第一滑轮转轴14a根据第一电磁离合器13的合/开而接合或分离，结果电力被传输或切断。

第一滑轮14通过传动带15耦合于固定在中段角结构3的下表面上的启动电动机16。因此传动带15将电能从启动电动机16传送到第一滑轮14。启动电动机16例如为使用倒相器的2.2kw的两极型电动机并且其转数为3400rpm。

飞轮11是篮形转子，其中两块金属圆板11b彼此平行地支承于多个铁制支承板17的薄片上。这里，支承板17由18块薄片构成并基本以20°等角度地设置在各圆板11b的外缘上。每个板状永久磁体18在每个支承板17的中央部分附近沿垂直方向固定在薄片的表面上。

图3是图1所示飞轮11的水平横截面图。如图3所示，支承板17的每个板表面不垂直于飞轮11各半径方向并与之形成倾斜。固定于支承板17板表面上的每个板状永久磁体18的板表面也与半径方向形成倾斜。飞轮11的半径方向和永久磁体18的板表面之间的交角处的倾斜角为67.5°，而在形成飞轮11外缘的圆切线方向和永久磁体18的板表面之间的交角处的倾斜角为22.5°。

一对电磁体19沿飞轮11的直径方向被设置在飞轮11两侧的固定位置，设置成朝向永久磁体18。

图5是示出固定于飞轮外圆周部分的永久磁体18和设置成朝向永久磁体18的电磁体19之间位置关系的局部放大图。永久磁体18的形状为：其水平横截面为具有长边18a和短边18b的矩形，并且边18a、18b相交的每个角18c被设置在飞轮11的外周缘C上。这里，飞轮11的转动方向由箭头A指示。长边18a倾斜地设置以使其更靠近中央侧而不是朝向转动方向的外缘C。对倾角而言，可由实验来确认前述角度是较佳的。

另一方面，该对电磁体19对被设置在面对永久磁体18的位置，永久磁体18被固定在飞轮11的外圆周部分上并具有预设间隙。如图3所示，电磁体19被分别设置在横贯飞轮11的直径线(未图示)上的两相对侧上。在图中未示出，该对电磁体19对由固定柱18支承，固定柱将角结构2、3、4固定于飞轮11的外缘上。

通过上面给出的配置，各永久磁体18和电磁体19构成用于电动机的磁路。换句话说，磁体18作为转子，一对电磁体19作为定子，而将脉冲信号提供给该对电磁体19则构成步进电动机(脉冲电动机)。例如当转数为400rpm时，步进电动机驱动飞轮11。

在第一滑轮14的下部，作为盘式断路器工作的短路盘(break disk)21固定于第一滑轮转轴14a，而第二电磁离合器22耦合于转轴14a的下段。第二电磁离合器22的相对端固定于滑轮转轴23a，其下端通过下段轴承7枢转。第二滑轮23固定于第二滑轮转轴23a。传动皮带25将第二滑轮23与固定于发电机26转轴的发电机滑轮27耦合。随发电机滑轮27的转动而转动的发电机26具有例如7.5kw的额定功率，30Hz的AC频率以及600rpm的转数。

此后，将对具有上述配置的飞轮11的发电机26的操作分成三个步骤进行详细说明。

(步骤1：启动步骤)

发电机26闭合第一离合器13以在第二离合器22脱开的状态下使启动电动机16开始转动，然后将其转矩通过传动带15和第一滑轮14传给第一滑轮转轴14a以使其转动。此时，第一离合器13已接合，第一滑轮转轴14a和飞轮转轴11a彼此耦合。第一滑轮转轴14a的转动由此被传递给飞轮转轴11a以使其转动并进一步使固定于飞轮转轴11a的飞轮11转动。

(步骤2：飞轮转动步骤)

在飞轮11的转动开始后，发电机26打开第一离合器13以使飞轮转轴11a从第一滑轮14的转轴14a上脱开。在这种状态下，该对电磁体19由脉冲信号发生器(未图示)提供以脉动电流。在每个永久磁体18因为飞轮11的转动而刚通过面向各电磁体19的位置时，脉动电流被施加。作为由来自电磁体19的脉冲信号产生的励磁的结果，在电磁体19和永久磁体18之间产生的斥力沿其旋转方向进一步将转矩施加予飞轮11。

图4是示出永久磁体18相对于设置在飞轮11上的电磁体19的相对位置和转矩(甩出力)之间关系的测量结果的曲线图。在测量期间，每个永久磁体18的板面被设置在不倾斜于飞轮11半径方向而与其正交的状态，并且在永久磁体18和电磁体19之间沿半径方向的每个相对间隙被保持在1mm。图4的横轴表示沿飞轮11的旋转方向的永久磁体18和电磁体19之间0—22mm的距离(mm)，而纵轴表示步进电动机的转矩(kg)。

如图4所示，当永久磁体18和电磁体19之间沿旋转方向的距离在8mm左右时，步进电动机的转矩达到8kg左右的最大值。当永久磁体18经过朝向电磁体19的位置(入口侧)前、永久磁体18和电磁体19之间的距离变为8mm时，则最大转矩以拉力的形式产生，而当永久磁体18经过朝向电磁体19的位置(出口侧)后，永久磁体18和电磁体19之间的距离变成8mm时，则最大力矩以作用力的形式产生。然而，在本发明的实施例中，如图5所示，永久磁体18的每个板表面倾斜于飞轮11的半径方向，而每当永久磁体18由于飞轮11的转动而刚通过与电磁体19相对的位置时，脉动电流被施加。换句话说，如果在出口侧对电磁体19施加脉动电流，在转矩作用于永久磁体18的外缘侧18a后，发电机26也可连续地将转矩作用于永久磁体18的18b侧。这种作用允许发电机26将很强的甩出力施加于永久磁体18。这个事实也是藉由实验确认的。

在飞轮11的转速达到足够转速后，即使当发电机26停止将脉动电流施加于电磁体19，飞轮11由于惯性而在预设时间间隔内保持旋转。

(步骤3：发电步骤)

当飞轮11达到预设转数时，发电机26使第一和第二离合器13、22进入闭合状态。两离合器13、22的操作使飞轮转轴11a、第一滑轮转轴14a和第二滑轮转轴23a之间彼此接合。该接合导致将飞轮11的转动通过飞轮转轴11a和第一滑轮转轴14a传递给第二滑轮转轴23a以使第二滑轮转轴23a转动。第二滑轮转轴23a的转动使第二滑轮23转动并进一步通过传动带23而使发电机滑轮27转动。发电机滑轮27固定于发电机26的转轴，发电机26产生电力。可通过操作断路盘21而使发电机26停止。

接着，将结合图6所示本发明的飞轮发电机的示意图对飞轮发电机1工作时作用于飞轮转轴11a上的转矩进行说明。在图6中，两个离合器13、22在发电时处于闭合状态。因此，每根转轴11a、14a、23a被认为是单根轴，在图6中将离合器13、22省去。

飞轮转轴11a的转矩(TF)为来自启动电动机16的转矩(TA)和来自形成在飞轮11外圆周部分上的步进电动机的转矩(TB)之和。下面将逐次对转矩(TF)、(TA)和(TB)进行说明。

(a)来自飞轮转轴11a的启动电动机16的转矩(TA)

转矩(TF)、(TA)和(TB)之间的关系满足下面的等式1，其中启动电动机16的转数为N(rpm)，转矩为T(Nm)而额定功率为H(kw)。

H＝{T(2πN)/60}/1000(等式1)

通过对等式1的修改而满足下面的公式2，其中单位转换1kg＝9.80Nm而NM＝0.101972kg·m。

T＝(60000/2π)H/N(等式2)

对等式2作如下修改：其中来自启动电动机16的输出为2.2kw而飞轮转轴11a的转数为400rpm。

TA(Nm)＝(60000/2π)2.2/400

通过将Nm—kg的单位转换，则满足下面的等式：

TA(kg)＝(974×2.2)/400＝5.36kg·m

因此，来自飞轮转轴11a的启动电动机16的转矩TA为5.36kg·m。

(b)形成在飞轮11外圆周部分的来自步进电动机的转矩(TB)

由于飞轮11的直径为1.5m，由来自永久磁体18斥力施加予飞轮11的转矩(甩出力)为8kg，并且电磁体19分别被设置在两个位置，因此来自步进电动机的转矩TB被表示如下：

TB＝(8×1.5/2)×2＝12kg·m

因此，来自飞轮转轴的转矩(TF)被表示如下：

TF＝TA+TB＝5.36kg·m+12kg·m＝17.36kg·m

接着，在通过飞轮转轴11a的转矩(TF)计算发电机26的转矩(TG)的过程中，由于发电机26的转数为600rpm，则可获得转矩(TG)如下：

TG＝17.36/(600/400)＝11.57kg·m

另一方面，由于发电机26的输出为67kw而其转数为600rpm，因此藉由等式2进行发电机26转轴的转矩(TH)的单次计算，可得出转矩(TH)如下：

TH＝(6.7×974)/600＝10.87kg·m

这里，将由飞轮转轴11a的转矩(TF)获得的发电机26的转轴的转矩(TG)与藉由等式2单次计算得到的转矩(TH)相比较，则转矩(TG)和(TH)之间的关系表达如下：

TG＝11.57kg·m>TH＝10.87kg·m

也就是说，飞轮11将不小于发电机26额定功率的转矩施加于发电机26。结果，很明显的是飞轮发电机1可增加从发电机26输出所产生的电功率。

本发明不局限于本文中所述和所示的诸具体细节和代表性实施例，可在不脱离本发明总的发明理念的实质或范围的情况下对其作出各种形式的修改。

Claims

1.一种飞轮发电机，包括：

启动电动机；

由启动电动机转动的飞轮转轴；

通过与飞轮转轴耦合而转动的飞轮；

以基本相等的距离设置在飞轮外圆周部分上的多个永久磁体；

沿其直径方向设置在飞轮两侧固定位置以朝向永久磁体的一对电磁体；以及

可转动地由飞轮转轴驱动的发电机。

2.如权利要求1所述的飞轮发电机，其特征在于，

所述飞轮包括：两块彼此分离并平行地设置的圆板；多个支承板，用来将两块圆板彼此接合在其外圆周部分上；以及

所述多个永久磁体分别支承在所述多个支承板上。

3.如权利要求2所述的飞轮发电机，其特征在于，所述飞轮转轴通过第一和第二离合器分别耦合于启动电动机和发电机。

4.如权利要求3所述的飞轮发电机，其特征在于，所述永久磁体的板表面相对于形成飞轮外缘的圆切线方向以预设倾角设置。

5.如权利要求4所述的飞轮发电机，其特征在于，每个倾角不超过30°。

6.如权利要求5所述的飞轮发电机，其特征在于，每个倾角接近22.5°。

7.如权利要求6所述的飞轮发电机，其特征在于，第一和第二离合器是电磁式离合器。

8.如权利要求7所述的飞轮发电机，其特征在于，偶数个永久磁体被设置在飞轮的外圆周部分上。

9.如权利要求7所述的飞轮发电机，其特征在于，所述永久磁体和所述电磁体之间最小间隙为1mm。