CN102035293A - 立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统 - Google Patents
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Abstract
一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，包括机座、飞轮、转轴、上径向电磁轴承组、下径向电磁轴承组、上位移传感器组和下位移传感器组，上径向电磁轴承组包括至少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周围；下径向电磁轴承组包括至少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周围；上位移传感器组包括至少2个非接触式上位移传感器，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；下位移传感器组包括至少2个非接触式下位移传感器，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。本发明可控性好、可靠性强、能耗低、成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮电池，尤其是一种立式飞轮电池结构。
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。
国内现有的飞轮电池研究中，飞轮安装在转轴上，所述转轴上套装电磁轴承组，所述电磁轴承组通常采用类似于电机定子的结构（可参见《中国机械工程》第19卷第19期第1365页），这种方案存在的缺陷：电磁轴承相互耦合、控制复杂，降低了系统可靠性、提高了成本。
发明内容
为了克服飞轮电池的电磁轴承相互耦合、控制系统复杂、可靠性不高等问题，本发明提供一种可控性好、可靠性高、能耗低、成本较低的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，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，所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括上径向电磁轴承组、下径向电磁轴承组、上位移传感器组和下位移传感器组；
所述的上径向电磁轴承组包括至少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组包括至少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，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，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。
本发明中，所谓理论间隙是指当转轴位于飞轮电池设计回转轴心线上时每个电磁铁的磁极表面或传感器的感应面与转轴圆柱面之间的间隙。
作为优选的一种方案：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。
进一步，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。
作为优选的另一种方案：每个上位移传感器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。
再进一步，所述上位移传感器有2个，2个上位移传感器呈90??角等高度地径向布置在转轴上部周围靠近上径向电磁轴承组的位置；所述下位移传感器有2个，2个下位移传感器呈90??角等高度地径向布置在转轴下部周围靠近下径向电磁轴承组的位置。
作为优选的又一种方案：至少有1个上电磁铁、1个上位移传感器、1个下电磁铁和1个下位移传感器处于飞轮电池设计轴心线的同一个径向方位角上。
作为优选的再一种方案：所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向电磁轴承和轴向位移传感器，所述的轴向电磁轴承包括一个中空电磁铁和衔铁，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，所述的衔铁固接在转轴上，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。
所述分立式磁浮转子-轴承系统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的顶部。
所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向永磁轴承，所述的轴向永磁轴承包括一个中空永磁铁和衔铁，所述的中空永磁铁固接在机座上，所述的转轴穿过中空永磁铁，所述的衔铁固接在转轴上，所述的中空永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括包括上保护轴承和下保护轴承，所述的上保护轴承和下保护轴承均采用角接触球轴承，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均匀的间隙，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均匀的间隙。
所述上圆柱筒形衔铁、下圆柱筒形衔铁与所述转轴呈一体。
本发明的技术构思为：采用分立式电磁轴承构建磁浮转子-轴承系统，避免了各个电磁轴承之间的相互干扰和影响，各个电磁轴承得以解耦并可被独立控制，实验结果表明，控制算法大幅度简化，系统的可靠性大幅度提高；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保护轴承和下保护轴承，结构简单紧凑。
本发明的有益效果主要表现在：飞轮转子磁浮状态的可控性好、可靠性高、能耗低，系统的可维修性好、造价不高。
附图说明
图1是一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统实施例的结构示意图。
图2是一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统上径向电磁轴承组处的横剖面的结构示意图。
图3是一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统下径向电磁轴承组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3，一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，包括机座3、飞轮1和转轴2，所述飞轮1位于机座3内，所述飞轮1套装在转轴2上，所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括上径向电磁轴承组7、下径向电磁轴承组8、上位移传感器组9和下位移传感器组10；
所述的上径向电磁轴承组7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2a的内、外圆柱面同轴，所述的上圆柱筒形衔铁2a套装在转轴2上，每个电磁铁的磁极表面与上圆柱筒形衔铁2a的圆柱面之间的理论间隙相等，每个上电磁铁固接在机座3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组8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2b的内、外圆柱面同轴，所述的下圆柱筒形衔铁2b套装在转轴2上，每个下电磁铁的磁极表面与上圆柱筒形衔铁2b的圆柱面之间的理论间隙相等，每个下电磁铁固接在机座3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9包括至少2个非接触式上位移传感器，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7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3，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10包括至少2个非接触式下位移传感器，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8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3上，每个下位移传感器通过导线与控制器连接。
本实施例中，所谓理论间隙是指当转轴位于飞轮电池设计回转轴心线上时每个电磁铁的磁极表面或传感器的感应面与转轴圆柱面之间的间隙。
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2a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2b周围。优选的：如图2所示，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2a周围；如图3所示，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2b周围。
每个上位移传感器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7的位置，每个下位移传感器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8的位置。优选的：所述上位移传感器有2个，2个上位移传感器呈90??角等高度地径向布置在转轴上部周围靠近上径向电磁轴承组的位置；所述下位移传感器有2个，2个下位移传感器呈90??角等高度地径向布置在转轴下部周围靠近下径向电磁轴承组的位置。
本实施例中，至少有1个上电磁铁、1个上位移传感器、1个下电磁铁和1个下位移传感器处于飞轮电池设计轴心线的同一个径向方位角上；例如，如果上电磁铁和下电磁铁的数量相等，且等间隔布置，当上电磁铁和下电磁铁布置的转轴径向方位角相等，属于优选的一种结构方式，当然，上电磁铁和下电磁铁之间存在交错布置也可以实现本发明。
该分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向电磁轴承5，所述的轴向电磁轴承5包括一个中空电磁铁和衔铁，所述的中空电磁铁固接在机座3上，所述的转轴2穿过中空电磁铁，所述的衔铁固接在转轴2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。
该分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向位移传感器6，所述的轴向位移传感器6的感应面与所述的转轴2的上端面正对，它们之间有间隙，所述的轴向位移传感器6固接在机座3的顶部。
该分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向永磁轴承4，所述的轴向永磁轴承4包括一个中空永磁铁和衔铁，所述的中空永磁铁固接在机座上，所述的转轴穿过中空永磁铁，所述的衔铁固接在转轴上，所述的中空永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
该分立式磁浮转子-轴承系统还包括上保护轴承11和下保护轴承12，所述的上保护轴承11和下保护轴12承均采用角接触球轴承，所述的上保护轴承11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，当所述的转轴位于其设计回转轴心线上时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均匀的间隙，所述的下保护轴承12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，当所述的转轴位于其设计回转轴心线上时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均匀的间隙。
所述上圆柱筒形衔铁2a、下圆柱筒形衔2b铁与所述转轴2呈一体；该方案相对而言，能够简化转轴的结构，其存在的相对不足是：在整体式转轴的材料选择上存在强度与导磁性的矛盾，保证强度会导致导磁性减小。
本实施例中，参照图1，所述上径向电磁轴承组7位于飞轮1的上方，所述下径向电磁轴承组8位于飞轮1的下方；实际上，所述的飞轮1还可位于上径向电磁轴承组7的上方，也可位于下径向电磁轴承组8的下方。
本实施例的基本工作过程为：
1）控制器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）控制器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）启动飞轮转子电机，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）启动飞轮转子电机，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，可启动飞轮转子电机对飞轮转子进行制动，当转子转速降低到安全转速时，控制器停止对各个电磁轴承的通电，飞轮转子着陆在保护轴承上。
Claims (11)
1.一种立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，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：所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括上径向电磁轴承组、下径向电磁轴承组、上位移传感器组和下位移传感器组；
所述的上径向电磁轴承组包括至少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组包括至少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，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，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。
2.如权利要求1所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：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。
3.如权利要求2所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：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。
4.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：每个上位移传感器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。
5.如权利要求4所述的所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，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??角等高度地径向布置在转轴上部周围靠近上径向电磁轴承组的位置；所述下位移传感器有2个，2个下位移传感器呈90??角等高度地径向布置在转轴下部周围靠近下径向电磁轴承组的位置。
6.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：至少有1个上电磁铁、1个上位移传感器、1个下电磁铁和1个下位移传感器处于飞轮电池设计轴心线的同一个径向方位角上。
7.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向电磁轴承，所述的轴向电磁轴承包括1个中空电磁铁和衔铁，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，所述的衔铁固接在转轴上，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。
8.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：所述分立式磁浮转子-轴承系统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的顶部。
9.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括轴向永磁轴承，所述的轴向永磁轴承包括一个中空永磁铁和衔铁，所述的中空永磁铁固接在机座上，所述的转轴穿过中空永磁铁，所述的衔铁固接在转轴上，所述的中空永磁铁磁极表面垂直于所述的转轴的设计回转轴心线，所述的中空永磁铁磁极表面与所述的衔铁工作表面之间有间隙。
10.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：所述分立式磁浮转子-轴承系统还包括包括上保护轴承和下保护轴承，所述的上保护轴承和下保护轴承均采用角接触球轴承；
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均匀的间隙，
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均匀的间隙。
11.如权利要求1~3之一所述的立式飞轮电池的分立式磁浮转子-轴承系统，其特征在于：所述上圆柱筒形衔铁、下圆柱筒形衔铁与所述转轴呈一体。
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