CN101150268B - 一种磁悬浮飞轮电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种磁悬浮飞轮电池，包括能量储存与转化部分和磁悬浮支承部分；能量储存与转化部分包括飞轮(4)、电动机或发电机的转子(19)、电动机或发电机的定子(20)，磁悬浮支承部分包括电磁铁(10)、位移传感器(8)、轴向保护轴承(15)、径向保护轴承(18)，飞轮与电动机或发电机的转子连为一体，电动机或发电机的定子固定在外壳(14)上；在托板(11)的倒圆台面上至少装有三个电磁铁和三个位移传感器，它们沿托板圆周方向上交错均匀布置；飞轮的顶面呈倒圆台形，在电磁铁产生的受控电磁力的作用下，飞轮悬浮于托板的下方且与周围零件均保持非接触状态。本发明结构简单，更适合轴向尺寸小的磁悬浮飞轮电池系统。

Description

一种磁悬浮飞轮电池
技术领域
本发明涉及磁悬浮飞轮电池领域，特别是涉及一种更适合轴向尺寸小的磁悬浮飞轮电池系统。 
背景技术
磁悬浮飞轮电池技术是利用旋转的飞轮储存能量的技术。它以其高比功率、高比能量、充电快、寿命长和环境友好等特点正受到各行各业的重视，在国外已用于汽车、火车、航天、航空等军用和民用行业。 
磁悬浮飞轮电池充电时，此时其电机作为电动机，由电动机驱动飞轮使其旋转，将电能转化为机械能储存起来。磁悬浮飞轮电池放电时，此时其电机作为发电机，由飞轮驱动发电机，将机械能转化为电能输出供给用电器。利用磁悬浮技术将飞轮无接触地悬浮于在空间，避免飞轮旋转时的摩擦损耗。同时，飞轮密封于一个真空腔内，减少飞轮旋转时的空气动力学损耗。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单且性能稳定的磁悬浮飞轮电池。 
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：设有能量储存与转化部分和磁悬浮支承部分，其中，能量储存与转化部分包括飞轮、电动机或发电机的转子、电动机或发电机的定子，磁悬浮支承部分包括电磁铁、位移传感器、轴向保护轴承、径向保护轴承；飞轮、电动机或发电机的转子、电动机或发电机的定子在空间上自上而下排列，并且飞轮与电动机或发电机的转子连为一体形成飞轮转子，电动机或发电机的定子固定安装于外壳上；在托板的倒圆台面上至少装有三个电磁铁和三个位移传感器，它们沿托板上的圆周方向上交错均匀布置，或者呈任一不在一条直线上的形式布置；飞轮的顶面呈倒圆台形，在电磁铁产生的电磁力的作用下，飞轮悬浮于托板的下方，此时飞轮完全悬浮在空中，与托板、轴向保护轴承、径向保护轴承均保持有微小间隙的非接触状态。 
根据磁悬浮原理，将一个物体以指定的状态完全悬浮于指定的空间，需要约束该物体的6个自由度。通常的磁悬浮飞轮电池，是以两个径向磁力轴承约束飞轮转子沿X、Y轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的4个自由度，以一个轴向磁力轴承约束飞轮转子沿Z轴方向移动，而飞轮绕Z轴方向的转动的自由度不约束，由电动机驱动。 
本发明的设计原理是：利用倾斜安置的三个电磁铁产生电磁力的垂直分力Fz，约束飞轮转子沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用三个电磁铁产生电磁力的水平分力Fx，约束飞轮沿X、Y轴方向的移动的2个自由度(见图2)，而飞轮绕Z轴方向的转动的自由度不约束，由电动机驱动。 
本发明与现有技术相比，结构更简单，更适合轴向尺寸小的磁悬浮飞轮电池系统。 
附图说明
图1为本发明磁悬浮飞轮电池的剖视图。 
图2为图1中飞轮4的装配图。 
图3为图1去除顶罩7后的俯视图。 
图4为图1中飞轮4的立体图。 
图5为本发明磁悬浮飞轮电池的立体图。 
图6为本发明磁悬浮飞轮的控制原理图。 
图中：1.支撑座；2.减振环；3.支撑杆；4.飞轮；5.铁芯；6.线圈；7.顶罩；8.位移传感器；9.夹紧块；10.电磁铁；11.托板；12.导磁环；13.压环；14.外壳；15.轴向保护轴承；16.底盖；17.电机轴；18.径向保护轴承；19.电动机或发电机的转子；20.电动机或发电机的定子；21.螺母。 
具体实施方式
本发明提供的是一种同时利用电磁铁垂直于倒圆台母线的电磁力水平分力和垂直分力约束飞轮5个自由度的磁悬浮飞轮电池。本发明将三个电磁铁10的磁极呈倒圆台状布置并将飞轮4设计为倒圆台状，这样可以同时利用电磁铁垂直于倒圆台母线的电磁力水平分力Fx和垂直分力Fz约束飞轮5个自由度，使飞轮悬浮于空间指定位置；具体方法是：利用控制电磁铁的电流来改变电磁铁的磁力，以电磁力的垂直分力Fz约束飞轮沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用电磁铁磁场的电磁力水平分力Fx 约束飞轮沿X、Y轴方向的移动2个自由度(如图2)，而飞轮绕Z轴方向的转动的自由度不约束，使飞轮在空间指定位置的稳定悬浮，利用电机驱动飞轮绕Z轴高速旋转，为了保护飞轮在停电等意外情况下不损坏，在飞轮的轴向和径向都安装了保护轴承(如图1)。 
下面结合附图对本发明做进一步的说明，但不限定本发明。 
本发明提供的磁悬浮飞轮电池，其结构如图1和图3所示：设有能量储存与转化部分和磁悬浮支承部分，其中，能量储存与转化部分包括飞轮4、电动机或发电机的转子19、电动机或发电机的定子20，磁悬浮支承部分包括电磁铁10、位移传感器8、轴向保护轴承15、径向保护轴承18。飞轮4、电动机或发电机的转子19、电动机或发电机的定子20在空间上自上而下排列，并且飞轮4与电动机或发电机的转子19连为一体，电动机或发电机的定子20固定在外壳14上；在托板11的倒圆台面上至少装有三个电磁铁10和三个位移传感器8，它们沿托板圆周方向上交错均匀布置，或者呈任一不在一条直线上的形式布置；飞轮的顶面呈倒圆台形，在电磁铁产生的受控电磁力的作用下，飞轮悬浮于托板的下方，此时飞轮完全悬浮在空中，与托板11、轴向保护轴承15、径向保护轴承18均保持有微小间隙(0.01～3mm)的非接触状态。 
本发明所述的径向保护轴承18，安装在电机轴17的上部，电机轴17的下部与底盖16固定相连。当飞轮静止或者正常工作时，径向保护轴承18与飞轮4之间保持有微小间隙的非接触状态；当飞轮遇到停电或者意外强载荷的情况时，径向保护轴承18保护飞轮4不至于产生过大的径向位移而损坏。在飞轮4上安装的导磁环12由电工纯铁制造，其 形状也呈倒圆台形，导磁环12是电磁的通道。压环13将导磁环12与飞轮4固接为一整体(见图1和图2)。 
本发明所述的轴向保护轴承15安装在外壳14上，当飞轮静止时，轴向保护轴承15与飞轮4接触起支承飞轮的作用；当飞轮旋转时，轴向保护轴承15与飞轮4之间保持有微小间隙的非接触状态；当飞轮遇到停电等意外情况时，轴向保护轴承15保护飞轮4在跌落时不至于损坏。 
本发明所述的三个电磁铁10和三个位移传感器8，它们各自可以在一同心圆上呈120度布置，并且相互之间呈60度布置(见图3)。电磁铁10由铁芯5和线圈6组成，并且由非导磁性材质的夹紧块9以螺钉固定在在托板11上。铁芯5采用U形结构，铁芯5由U形的硅钢片叠片而成，呈倒U形安装在托板11的倒圆台面上，铁芯5端面在圆周方向可按120度以放射状布置于一圆周上，也可以呈任一不在一条直线上的形式布置。 
本发明所述的三个位移传感器8可采用电涡流位移传感器或者激光位移传感器，由螺母固定在托板11上。位移传感器8的中心在圆周方向可按120度布置于一圆周上，也可以呈任一不在一条直线上的形式布置。 
见图1和图5：所述的外壳14，其上装有顶罩7，二者以螺栓相连；外壳14可由支撑杆3和支撑座1支撑，支撑杆3上部穿过外壳14后由螺母21固连；在支撑座1与支撑杆3相连的上下处各装有一个减振环2，以减轻外部环境振动对磁悬浮飞轮电池的影响。 
本发明所述的电动机或发电机的转子19、电动机或发电机的定子20和电机轴17共同构成电动机或发电机。电动机或发电机同时具有电动机或发电机的功能。当磁悬浮飞轮电池充电时，此时其功能为电动机，由电动机驱动飞轮使其高速旋转，将电能转化为机械能储存起来。当磁悬浮飞轮电池放电时，此时其功能为发电机，由飞轮驱动发电机，将机械能转化为电能输出供给用电器。 
本发明的工作过程是：磁悬浮飞轮电池充电时，此时其电机作为电动机，由电动机驱动飞轮4使其高速旋转，将电能转化为机械能储存起来。磁悬浮飞轮电池放电时，此时其电机作为发电机，由飞轮驱动发电机，将机械能转化为电能输出供给用电器。利用磁悬浮技术将飞轮无接触地悬浮于在空间，避免飞轮旋转时的摩擦损耗。同时，飞轮密封于一个真空腔内，减少飞轮旋转时的空气动力学损耗。 
本发明的磁悬浮飞轮的控制系统如图6所示：控制电路同现有技术，其组成一般包括信号处理模块、电源、功率方法模块，以及由数据采集和计算机组成的控制平台(其工作过程参见下面)。 
下面简述飞轮4的磁悬浮过程： 
根据几何学原理，不在同一直线上的三点可以唯一地确定一个平面。因此，在图1和图3所示的飞轮平面内沿圆周方向均匀的布置了三个电磁铁和三个非接触式的位移传感器，要求三个电磁铁的铁心端面在同一平面，三个位移传感器的测试端也处在同一平面。这样，当飞轮处于位移传感器的线性量程范围内时，位移传感器可以测量出飞轮上三点的位置，位移传感器将飞轮的位置状态反馈给控制系统，控制系统根据测量的飞轮位置信号， 控制电磁铁线圈的电流，从而控制相应电磁铁的电磁力，使其与飞轮受到的重力相平衡，进而将飞轮控制在指定位置上。 
如果测量出的三个点的距离一样，说明飞轮处于水平；此时，控制系统保持控制电流不变，则电磁力不变，飞轮保持水平且与电磁铁端面的距离也不变。 
当悬浮的飞轮受到外界干扰时，其位置发生了变化，该变化被相应的位移传感器测出，并且反馈给控制系统，控制系统根据测量的飞轮位置变化信号，改变电磁铁线圈的电流，从而改变相应电磁铁的电磁力，使飞轮重新回到指定位置上。例如：其中某一个点的距离变大，说明该点远离了电磁铁端面，此时控制系统增大相应电磁铁的电流，则电磁力相应增大，将飞轮上远离的一点拉回到原始位置，使飞轮重新恢复水平且与电磁铁端面的距离恢复初始值。 
本发明将三个电磁铁的磁极呈倒圆台状布置并将飞轮设计为倒圆台状，这样可以同时利用三个电磁铁产生电磁力的垂直分力Fz，约束飞轮转子沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用三个电磁铁产生电磁力的水平分力Fx，约束飞轮沿X、Y轴方向的移动自由度，而飞轮绕Z轴方向的转动的自由度不约束，由电动机驱动。 
当飞轮静止或者正常工作时，径向保护轴承与飞轮之间保持有微小间隙不接触；当飞轮遇到停电或者意外强载荷的情况时，径向保护轴承保护飞轮不至于产生过大的径向位移而损坏。当飞轮旋转时，轴向保护轴承与飞轮之间保持有微小间隙不接触；当飞轮遇到停电意外情况时，轴向保护轴承保护飞轮在跌落时不至于损坏。 
总之，位移传感器可以测量出飞轮上的三点位置，位移传感器将飞轮的位置状态反馈给控制系统，控制系统根据测量的飞轮的位置信号，控制电磁铁线圈的电流，从而控制相应电磁铁的电磁力，使其与飞轮受到的重力相平衡，进而将飞轮控制在指定位置上，而电磁铁产生电磁力的水平分力Fx则使飞轮受到一个向心力，约束飞轮沿X、Y轴方向的移动自由度。当悬浮的飞轮受到外界干扰其位置发生了变化时，该变化被位移传感器测出，并且反馈给控制系统，控制系统根据测量的飞轮位置变化信号，改变电磁铁线圈的电流，从而改变相应电磁铁的电磁力，使飞轮重新回到指定位置上，进而实现飞轮的稳定悬浮和运转。 

Claims (8)

1.一种磁悬浮飞轮电池，包括能量储存与转化部分和磁悬浮支承部分，其中，能量储存与转化部分包括飞轮(4)、电动机或发电机的转子(19)、电动机或发电机的定子(20)，磁悬浮支承部分包括电磁铁(10)、位移传感器(8)、轴向保护轴承(15)、径向保护轴承(18)，其特征是飞轮(4)、电动机或发电机的转子(19)、电动机或发电机的定子(20)在空间上自上而下排列，并且飞轮(4)与电动机或发电机的转子(19)连为一体，电动机或发电机的定子(20)固定安装于外壳(14)上；在托板(11)的倒圆台面上至少装有三个电磁铁(10)和三个位移传感器(8)，它们沿托板(11)圆周方向上交错均匀布置，或者呈任一不在一条直线上的形式布置；飞轮(4)的顶面呈倒圆台形，在电磁铁产生的受控电磁力的作用下，飞轮(4)悬浮于托板(11)的下方，此时飞轮(4)完全悬浮在空中，与托板(11)、轴向保护轴承(15)、径向保护轴承(18)均保持有微小间隙的非接触状态；所述的径向保护轴承(18)安装在电机轴(17)的上部，电机轴(17)的下部与底盖(16)固定相连，当飞轮静止或者正常工作时，径向保护轴承(18)与飞轮(4)之间保持有微小间隙的非接触状态；所述的轴向保护轴承(15)安装在外壳(14)上，当飞轮静止时，轴向保护轴承(15)与飞轮(4)接触起支承飞轮的作用；当飞轮旋转时，轴向保护轴承(15)与飞轮(4)之间保持有微小间隙的非接触状态。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是所述的飞轮(4)，安装在其上的导磁环(12)由电工纯铁制造，其形状也呈倒圆台形。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是所述的三个电磁铁(10)和三个位移传感器(8)，它们各自在一同心圆上呈120度布置，并且相互之间呈60度布置。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是电磁铁(10)由铁芯(5)和线圈(6)组成，并且由非导磁性材质的夹紧块(9)以螺钉固定在托板(11)上。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是所述的铁芯(5)由U形的硅钢片叠片而成，铁芯呈倒U形安装在托板(11)的倒圆台面上，铁芯端面在圆周方向按120度以放射状布置于一圆周上。
6.根据权利要求1或3所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是三个位移传感器(8)采用电涡流位移传感器或者激光位移传感器，由螺母固定在托板(11)上。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是所述的外壳(14)，其上装有顶罩(7)，二者以螺栓相连。
8.根据权利要求1或7所述的磁悬浮飞轮电池，其特征是所述的外壳(14)，由支撑杆(3)和支撑座(1)支撑，在支撑座(1)与支撑杆(3)相连的上下处各装有一个减振环(2)。
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