CN101964564A - 采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池 - Google Patents

采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池 Download PDF

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Abstract

一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。本发明提供一种结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池。

Description

采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池
技术领域
本发明涉及飞轮电池，尤其是一种立式飞轮电池。
背景技术
如何高效地将电能储存起来，一直是人类社会关注的重大课题。目前商业化的储电装置几乎都是各种化学蓄电池，但是它们一直无法摆脱化学电池固有的弊病----能量密度小、污染大、寿命短等缺陷。因此，近年来物理储电装置受到了科技界的广泛重视，其中飞轮电池（也称飞轮储能装置）已经显现出巨大的优势----比能量高、比功率大、体积小、充电快（以分钟计，而化学电池以小时计）、寿命长、无污染等优点。
近十年来，国外研究机构和公司已开发出了实用化水平的飞轮电池产品，在军事、宇航、通讯、能源、交通等部门和行业进行验证性或示范性运行，其中在电网调节、航天卫星、风力发电、电动汽车等领域的运营显现出了飞轮电池的巨大应用前景。我国的研究工作起步较晚，研究单位也较少，整体处于跟踪国外技术发展的层次。
在公开发表的科技论文中，几乎很少涉及飞轮电池结构，而在专利文献中，飞轮电池的结构五花八门，几乎都存在结构过于复杂等问题。
发明内容
为了克服飞轮电池的结构复杂、能耗高、可靠性不高、成本高等问题，本发明提供一种结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；
所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。
作为优选的一种方案：所述的轴向电磁轴承包括1个中空电磁铁和第一衔铁，所述的中空电磁铁固接在机座上，所述的转轴穿过中空电磁铁，所述的第一衔铁固接在飞轮轮辐上，所述的中空电磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空电磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
作为优选的另一种方案：所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括上位移传感器和下位移传感器，所述上位移传感器布置在所述的上径向电磁轴承与所述的电动/发电一体机之间；所述下位移传感器布置在所述的下径向电磁轴承的下方。
进一步，所述上位移传感器有2个，2个上位移传感器呈90??角径向布置在转轴上部周围；所述下位移传感器有2个，2个下位移传感器呈90??角径向布置在转轴下部周围。
再进一步，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括包括上保护轴承和下保护轴承；
所述上保护轴承布置在所述的电动/发电一体机上方，所述的上保护轴承的外圈固接在机座上部，所述的转轴的上部穿过所述上保护轴承内圈的内孔，所述的上保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙，
所述下保护轴承布置在所述的下位移传感器的下方，所述的下保护轴承的外圈固接在机座下部，所述的转轴的下部穿过所述下保护轴承内圈的内孔，所述的下保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙。
所述的上保护轴承和下保护轴承均采用角接触球轴承
更进一步，所述立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向永磁轴承，所述的轴向永磁轴承包括永磁铁和第二衔铁，所述的永磁铁固接在机座上，所述的第二衔铁固接在转轴上，所述的永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
所述采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向位移传感器，所述的轴向位移传感器的感应面与所述的转轴的上端面正对且相互之间有间隙，所述的轴向位移传感器固接在机座上。
本发明的技术构思为：将径向、轴向的电磁轴承与薄辐的飞轮转子布置在一起，并采用电动/发电一体机，可有效减少飞轮电池的体积，而减少飞轮转动惯量十分有限；采用轴向永磁轴承将飞轮转子80%以上的质量平衡掉，可大幅度降低电磁轴承的能耗；采用角接触球轴承作为飞轮转子的上、下保护轴承，结构简单紧凑。
本发明的有益效果主要表现在：结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低。
附图说明
图1是本发明的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池的示意图。
图2是上径向电磁轴承处的横剖面的结构示意图。
图3是下径向电磁轴承处的横剖面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图3，一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座4、飞轮1和转轴2，所述飞轮1位于机座4内，所述飞轮1套装在转轴2上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机3、上径向电磁轴承6、下径向电磁轴承7和轴向电磁轴承5；
所述的轴向电磁轴承5布置在飞轮1的轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承6布置在轴向电磁轴承5的上方，所述的电动/发电一体机3布置在上径向电磁轴承6的上方；所述的下径向电磁轴承7布置在飞轮1的轮辐的下方。
所述的轴向电磁轴承5包括1个中空电磁铁和第一衔铁，所述的中空电磁铁固接在机座4上，所述的转轴2穿过中空电磁铁，所述的第一衔铁固接在飞轮轮辐上，所述的中空电磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空电磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括上位移传感器8和下位移传感器9，所述上位移传感器8布置在所述的上径向电磁轴承6与所述的电动/发电一体机3之间；所述下位移传感器9布置在所述的下径向电磁轴承7的下方。
所述上位移传感器8有2个，2个上位移传感器呈90??角径向布置在转轴上部周围；所述下位移传感器9有2个，2个下位移传感器呈90??角径向布置在转轴下部周围。
所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括包括上保护轴承10和下保护轴承11；所述上保护轴承10布置在所述的电动/发电一体机3上方，所述的上保护轴承10的外圈固接在机座上部，所述的转轴的上部穿过所述上保护轴承内圈的内孔，所述的上保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙，
所述下保护轴承11布置在所述的下位移传感器9的下方，所述的下保护轴承11的外圈固接在机座下部，所述的转轴的下部穿过所述下保护轴承内圈的内孔，所述的下保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙。
所述的上保护轴承10和下保护轴承11均采用角接触球轴承。
所述立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向永磁轴承12，所述的轴向永磁轴承12包括永磁铁和第二衔铁，所述的永磁铁固接在机座上，所述的第二衔铁固接在转轴上，所述的永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
所述采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向位移传感器13，所述的轴向位移传感器13的感应面与所述的转轴的上端面正对且相互之间有间隙，所述的轴向位移传感器13固接在机座上。
本实施例中，所述的上径向电磁轴承6包括至少3个上电磁铁，每个上电磁铁径向布置在转轴上部的上圆柱筒形衔铁2a周围，所述的上圆柱筒形衔铁的内、外圆柱面同轴，所述的上圆柱筒形衔铁套装在转轴上，每个电磁铁的磁极表面与上圆柱筒形衔铁的圆柱面之间的理论间隙相等，每个上电磁铁固接在机座上，每个上电磁铁通过导线与控制器连接；
所述的下径向电磁轴承7包括至少3个下电磁铁，每个下电磁铁径向布置在转轴下部的下圆柱筒形衔铁2b周围，所述的下圆柱筒形衔铁的内、外圆柱面同轴，所述的下圆柱筒形衔铁套装在转轴上，每个下电磁铁的磁极表面与上圆柱筒形衔铁的圆柱面之间的理论间隙相等，每个下电磁铁固接在机座上，每个下电磁铁通过导线与控制器连接；
所述的上位移传感器组包括至少2个非接触式上位移传感器8，每个上位移传感器径向布置在转轴上部周围靠近上径向电磁轴承组的位置，每个上位移传感器的感应面与转轴圆柱面之间的理论间隙相等，每个上位移传感器固接在机座上，每个上位移传感器通过导线与控制器连接；
所述的下位移传感器组包括至少2个非接触式下位移传感器9，每个下位移传感器径向布置在转轴上部周围靠近下径向电磁轴承组的位置，每个下位移传感器的感应面与转轴圆柱面之间的理论间隙相等，每个下位移传感器固接在机座上，每个下位移传感器通过导线与控制器连接。
每个上电磁铁等高度、等间隔地径向均匀布置在转轴上部的上圆柱筒形衔铁周围；每个下电磁铁等高度、等间隔地径向均匀布置在转轴下部的下圆柱筒形衔铁周围。
所述上电磁铁有4个，4个上电磁铁呈90??角等高度、等间隔地径向均匀布置在转轴上部的上圆柱筒形衔铁周围；下电磁铁有4个，4个下电磁铁呈90??角等高度、等间隔地径向均匀布置在转轴下部的下圆柱筒形衔铁周围。
每个上位移传感器8等高度地径向均匀布置在转轴上部周围靠近上径向电磁轴承组的位置，每个下位移传感器9等高度地径向均匀布置在转轴下部周围靠近下径向电磁轴承组的位置。
本实施例的基本工作过程为：
1）对各个电磁轴承通以一定的初始电流（或电压），然后读取各个位移传感器检测到的转轴位置数据，计算转轴偏离飞轮电池设计回转中心的偏离值和方位，调整各个电磁轴承的通电量；
2）再读取各个位移传感器检测到的转轴位置数据，计算转轴偏离飞轮电池设计回转中心的偏离值和方位，调整各个电磁轴承的通电量，使飞轮转子处于稳定的磁悬浮状态；
3）启动电动/发电一体机的电动机功能，提升飞轮转子转速，直至转速达到设定值后作无动力旋转。在此过程中，磁浮转子-轴承系统不断重复2）的工作过程，保持飞轮转子处于稳定的磁悬浮状态；
4）启动电动/发电一体机的发电机功能，利用飞轮转子旋转发电，直至停止发电后作无动力旋转。在此过程中，磁浮转子-轴承系统不断重复2）的工作过程，保持飞轮转子处于稳定的磁悬浮状态；
不断重复上述3）和4）的工作过程，实现飞轮电池的充电和放电；
5）当需要停止飞轮电池工作时，可启动电动/发电一体机对飞轮转子进行制动，当转子转速降低到安全转速时，停止对各个电磁轴承的通电，飞轮转子着陆在保护轴承上。
上述工作过程由控制器进行控制。

Claims (8)

1.一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，其特征在于：所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；
所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。
2.如权利要求1所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述的轴向电磁轴承包括1个中空电磁铁和第一衔铁，所述的中空电磁铁固接在机座上，所述的转轴穿过中空电磁铁，所述的第一衔铁固接在飞轮轮辐上，所述的中空电磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空电磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
3.如权利要求1或2所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括上位移传感器和下位移传感器，所述上位移传感器布置在所述的上径向电磁轴承与所述的电动/发电一体机之间；所述下位移传感器布置在所述的下径向电磁轴承的下方。
4. 如权利要求3所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述上位移传感器有2个，2个上位移传感器呈90??角径向布置在转轴上部周围；所述下位移传感器有2个，2个下位移传感器呈90??角径向布置在转轴下部周围。
5.如权利要求1或2所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括包括上保护轴承和下保护轴承；
所述上保护轴承布置在所述的电动/发电一体机上方，所述的上保护轴承的外圈固接在机座上部，所述的转轴的上部穿过所述上保护轴承内圈的内孔，所述的上保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙，
所述下保护轴承布置在所述的下位移传感器的下方，所述的下保护轴承的外圈固接在机座下部，所述的转轴的下部穿过所述下保护轴承内圈的内孔，所述的下保护轴承内圈的内孔表面与所述的转轴的圆柱面存在间隙。
6.如权利要求5所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述的上保护轴承和下保护轴承均采用角接触球轴承。
7.如权利要求1或2所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向永磁轴承，所述的轴向永磁轴承包括永磁铁和第二衔铁，所述的永磁铁固接在机座上，所述的第二衔铁固接在转轴上，所述的永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
8.如权利要求1或2所述的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，其特征在于：所述采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池还包括轴向位移传感器，所述的轴向位移传感器的感应面与所述的转轴的上端面正对且相互之间有间隙，所述的轴向位移传感器固接在机座上。
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