CN103335021A

CN103335021A - 一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承

Info

Publication number: CN103335021A
Application number: CN2013102849600A
Authority: CN
Inventors: 曾宪林; 董德有; 王利生
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF FLYWHEEL ENERGY STORAGE FLEXIBILITY
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF FLYWHEEL ENERGY STORAGE FLEXIBILITY
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-02

Abstract

一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承，由永磁磁悬浮轴承（1）和无源动压液浮阻尼轴承（3）构成；所述的永磁磁悬浮轴承（1）的功能是对飞轮重量载荷卸载；所述的无源动压液浮阻尼轴承（3）的功能是稳定永磁磁悬浮轴承；所述的永磁磁悬浮轴承（1）由分别安装在飞轮主轴（2）的上端和固定机架（5）上面的两个永磁轴承组件构成；所述的无源动压液浮阻尼轴承（3）为液膜悬浮状态的悬浮轴承，安装于飞轮主轴（2）的最下端。本发明组合轴承应用于飞轮储能装置中。

Description

一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承

技术领域

本发明涉及一种飞轮电池永磁磁悬浮和无源动压液浮阻尼的轴承。

背景技术

研究利用飞轮动能进行存储电能的出发点是解决目前各种化学储电电池带来的诸如效率低、不稳定以及污染环境等问题。飞轮储能装置是一种利用高速旋转飞轮的加速和减速进行电能量存储和释放的物理电池。它不发生化学反应，能够避免化学电池所产生的废气废物。特别是目前风电和太阳能发电，由于其发电的不均匀性、间歇性和电力质量问题，不仅需要有强大的电能缓冲存储设备，而且需要将所发电力进行质量的调整，使之符合电网运行的要求。飞轮储能装置可以实现模块化工作，根据不同的需求集成不同的系统适应存储电力和调整电力质量的要求。飞轮储能装置还可应用于城市地铁等交通工具的能量回收工作和军事领域的集中大能量释放的使用方面。

飞轮储能技术已发展多年，多种飞轮技术已见于诸多专利之中。高温超导磁悬浮轴承可以实现无接触稳定的全悬浮状态，但该飞轮储能装置的悬浮轴承必须保持在液氮的环境中，运行和维护成本大大增加；而只用永磁体制成的磁悬浮轴承实现全悬浮是不稳定的，一般永磁磁悬浮轴承主要是对飞轮重量起卸载作用的，需调节或支承。在永磁磁悬浮轴承的技术中利用磁场相斥的系统稳定性不好，利用永磁磁体相吸的结构虽然稳定性好于相斥的结构，但由于磁体的不均匀性会在相对高速运行时产生巨大的涡流，使之发热从而降低系统的效率。

就飞轮电池永磁磁悬浮和无源动压液浮阻尼轴承而言，CN102082482A的发明专利提出一种永磁体磁场为轴向的无接触轴承，其缺点是受力部件是永磁体，而用粉末冶金工艺制成的磁性材料的机械力学性能不够好，易碎裂。用隔板固定会增大间隙减小磁场，且该结构的磁场强度有限，单位体积的卸载能力较小。

CN102437675A发明专利提出一种锥形磁场为轴向的无接触轴承，它的稳定运行是靠电磁场调节的，能量损耗较大且利用电子调节存在风险可靠性欠佳。

发明内容

本发明的目的是克服现有永磁磁悬浮轴承存在磁场不均匀、易产生涡流、卸载小能量损耗大以及不稳定和易发生共振的缺点，提出一种新的飞轮电池永磁磁悬浮轴承和无源动压液浮阻尼轴承的组合轴承。

本发明包括两部分：一是永磁磁悬浮轴承，其主要作用是对于飞轮重量载荷的卸载；二是无源动压液浮阻尼轴承。由于任何全无源的永磁磁悬浮都是不稳定的，所以本发明在飞轮主轴的最下端设置了无源动压液浮阻尼轴承，起到了稳定永磁磁悬浮轴承的作用，且其具有阻尼特性，防止飞轮在高速旋转时发生共振。

本发明采用的技术方案如下：

所述的永磁磁悬浮轴承由分别安装在飞轮主轴上端和固定机架上面的两个永磁轴承组件构成，安装在飞轮主轴上端的是旋转的永磁轴承组件，安装在固定机架上面的是固定的永磁轴承组件，旋转的永磁轴承组件和固定的永磁轴承组件部分在飞轮主轴的轴线上上下对应且相互吸引。每个永磁轴承组件均由多个软磁金属环形体和多个永磁环形体构成，多个软磁金属环形体和多个永磁环形体的直径尺寸不同，两者的高度相等，厚度可以相等或不等。所述的高度是指软磁金属环形体和永磁环形体在轴线方向上的尺寸，厚度是指软磁金属环形体和多个永磁环形体外径和内径之差。多个软磁金属环形体组成上、下两个永磁轴承组件磁路的磁极部分，每个软磁金属环形体都固定在一个直径大于最大软磁金属环形体外径的圆盘上；多个永磁环形体为直径尺寸不等、等高等厚的径向辐射环，或为直径不等、等高不等厚的径向辐射环，或用瓦形体拼成径向辐射环。多个永磁环形体镶嵌在所述的软磁金属环形体和圆盘之间形成的环状空间内。永磁环形体的磁场方向是径向的，即对于同一个软磁金属环形体而言，两侧的永磁体磁场方向是相同的；这样在永磁轴承中的软磁环形体的环形面上形成一环”N”一环“S”的磁极结构。对于某一个软磁环形体的磁极来说，是将永磁体的磁力线从两边“挤压”到软磁金属环形体的磁极上，使软磁金属环形体的磁极在整个圆周上形成轴向磁场。飞轮的重量载荷由装在固定机架上面的固定的永磁轴承组件和装在上飞轮主轴上端的旋转的永磁轴承组件的两个相互吸引的软磁金属环形体卸载。受力部件是强度较好的软磁金属环形体而不是永磁环形体。

同时本发明永磁轴承减轻了飞轮对动压油膜轴承的压力。利用软磁金属环形体作为磁极的结构可以使不均匀的永磁环形体产生的不均匀磁场通过软磁磁极均匀化，减少飞轮在高速旋转时可能产生的涡流损耗及发热，也保护了粉末冶金方法生产的稀土永磁体永磁体在高速旋转时被损坏。采用软磁材料作为磁极，易于高精度加工，使永磁准磁悬浮轴承在圆周运动上同心度更好。

尽管本发明采用的永磁轴承是相吸方式，比采用相斥方式要稳定得多，但仍需要在轴向上有一个与卸载力重力相平衡且能起稳定作用的力。所以本发明在飞轮主轴最下端加装了一个无源动压液浮阻尼轴承。所述的阻尼轴承是一种液膜悬浮状态的悬浮轴承，安装在飞轮主轴的最下端。所述的阻尼轴承包括一个由高硬度耐磨材料制成的小圆球。所述的阻尼轴承还包括半球形凹形体，所述的半球形凹形体安装在固定机架下部飞轮主轴对应的下方，由高硬度耐磨材料制成。所述的半球形凹体的直径大于所述的小圆球的直径。所述的小圆球嵌入所述的半球形凹形体内，半球形凹体内有油脂，在小圆球和半球形凹体之间形成油膜。油膜具有在一定的粘滞性，具有防止产生共振的作用。所述的阻尼轴承将飞轮主轴托起，形成高速旋转的液浮轴承。由于所述的小球直径较小，即使在高速旋转时线速度小阻力极小损耗亦小。

本发明的永磁磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承应用于飞轮储能装置中。飞轮主轴垂直于地面旋转，属立式结构。其中安装在飞轮主轴上端的旋转的永磁轴承组件和安装在固定机架上面固定的永磁轴承组件之间留有一定的间隙。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明实施例永磁磁悬浮轴承组件结构剖面图；

图3无源动压液浮阻尼轴承结构示意图；

图中：1永磁磁悬浮轴承，2飞轮主轴，3无源动压液浮阻尼轴承，4壳体，5固定机架，6电动/发电机，7飞轮，101圆盘，102永磁环形体，103软磁金属环形体，201小圆球，202半球形凹形体。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承，它包括两部分：永磁磁悬浮轴承1和无源动压液浮阻尼轴承3。

所述的永磁磁悬浮轴承1由分别安装在飞轮主轴2的上端和固定机架5上面的两个永磁轴承组件构成。所述的无源动压液浮阻尼轴承3安装于飞轮主轴最下端。

安装在飞轮主轴2上端的是旋转的永磁轴承组件的部分，安装在固定机架5上面的是固定的永磁轴承组件，旋转的永磁轴承组件和固定的永磁轴承组件在飞轮主轴的轴线上上下对应且相互吸引。每个永磁轴承组件均由多个软磁金属环形体103和永磁环形体102构成，多个软磁金属环形体和永磁环形体的直径尺寸不同，高度相等，厚度可以相等或不等。多个软磁金属环形体103组成上下两个永磁轴承组件磁路的磁极部分，多个软磁环形体的上、下端固定在一个直径大于最大软磁金属环形体外径的圆盘101内；多个永磁环形体为直径尺寸不同，等高的径向辐射环，径向辐射环的厚度的可以相等或不等，多个永磁环形体或为用瓦形体拼成径向辐射环；多个软磁环形体103之间留有间隙；永磁环形体102嵌入多个软磁环形体103之间的间隙中，位于所述的软磁环形体103和圆盘101之间形成的环状空间内；软磁金属环形体103和永磁环形体102间隔排列安装在圆盘101内部。

永磁环形体的磁场方向是径向的，即对于同一个软磁环形体而言，两侧的永磁体磁场方向是相同的；这样在永磁轴承中的软磁环形体的环形面上形成一环”N”一环“S”的磁极结构。对于某一个软磁环形体的磁极来说，是将永磁体的磁力线从两边“挤压”到软磁金属环形体的磁极上，使软磁金属环形体的磁极在整个圆周上形成轴向磁场。飞轮的重量载荷由装在固定机架5上面的固定的永磁轴承组件和装在上飞轮主轴2上端的旋转的永磁轴承组件的两个相互吸引的软磁金属环形体卸载。受力部件是强度较好的软磁金属环形体103而不是永磁环形体102。

图2所示为本发明的一个实施例。如图2所示，一个永磁磁悬浮轴承组件使用了四个软磁金属环形体103，软磁金属环形体103由软磁材料电工纯铁制成，为直径不等的壁厚为5mm的同心圆环。四个软磁金属环形体103的上下两端固定在圆盘101上；在四个软磁金属环形体103之间有一定间隔，形成三个环形空间，同心的永磁环形体102安装在所述的三个环形空间中，即软磁金属环形体103和永磁环形体102间隔排列安装在圆盘101内部。永磁环形体102用永磁材料NdFeB制成的瓦形磁体拼接而成，永磁环形体102的磁场方向为径向。本发明利用在径向方向上N-N、S-S相对的方法，在软磁金属环形体上形成轴向磁场，均匀地分布在软磁金属环形体上。两个结构相同的永磁磁悬浮轴承组件分别安装在固定支架5和飞轮主轴2这两个永磁磁悬浮轴承组件之间留有间隙，处于非接触的磁悬浮状态。

本发明中的永磁磁悬浮轴承主要是对飞轮重量起卸载作用。为增强磁悬浮轴承全悬浮的稳定性，使飞轮的稳定运行，本发明在飞轮主轴的最下端安装了一个采用动压液膜悬浮技术制成的悬浮轴承。此悬浮轴承由一个小圆球201和一个半球形凹形体202组成。小圆球201由高硬度耐磨的陶瓷制成，安装在飞轮主轴2的最下端。在固定机架5下部与飞轮主轴2相对应的下方安装一个由高硬度耐磨合金制成的半球形凹形体202，半球形凹形体202的直径大于小圆球201的直径。在半球形凹形体202内充入液态油脂。飞轮在高速旋转时即在小圆球201和半球形凹形体202之间形成液膜，将飞轮主轴及飞轮悬浮起来。又由于设在飞轮主轴2下端的小圆球直径较小，即使在高速旋转时线速度小阻力极小损耗亦小。

高速旋转的飞轮及飞轮主轴2的上端处于永磁磁悬浮轴承的非接触悬浮状态中；而飞轮主轴2的下端悬浮在液体膜上面。调节永磁磁悬浮轴承的两个组件之间的间隙，使得飞轮的重量主要由永磁磁悬浮轴承卸载，加在动压液膜悬浮轴承上很小一部分力以保持飞轮的稳定运行。飞轮上方的永磁磁悬浮轴承和飞轮主轴下面的不需要电源的动压液浮轴承，共同构成一个稳定的高效的一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼组合轴承。

Claims

1.一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承，其特征在于，所述的组合轴承由永磁磁悬浮轴承（1）和无源动压液浮阻尼轴承（3）构成；所述的永磁磁悬浮轴承（1）对飞轮重量载荷卸载；所述的无源动压液浮阻尼轴承（3）稳定永磁磁悬浮轴承；所述的永磁磁悬浮轴承（1）由分别安装在飞轮主轴（2）的上端和固定机架（5）上面的两个永磁轴承组件构成；所述的无源动压液浮阻尼轴承（3）为液膜悬浮状态的悬浮轴承，安装于飞轮主轴（2）的最下端。

2.按照权利要求1所述的组合轴承，其特征在于，安装在所述的飞轮主轴（2）上端的是旋转的永磁轴承组件，安装在固定机架（5）上面的是固定的永磁轴承组件；旋转的永磁轴承组件和固定的永磁轴承组件同轴布置在飞轮主轴的轴线上，上下对应且相互吸引；所述的旋转的永磁轴承组件和所述的固定的永磁轴承组件之间留有一定的间隙。

3.按照权利要求1或2所述的组合轴承，其特征在于，所述的永磁轴承组件均由多个软磁金属环形体（103）和永磁环形体（102）构成；多个软磁金属环形体（103）组成上下两个永磁轴承组件磁路的磁极部分；多个软磁环形体（103）的上下端固定在一个直径大于最大软磁金属环形体外径的圆盘(101)内，多个软磁环形体（103）之间留有间隙；永磁环形体（102）嵌入多个软磁环形体（103）之间的间隙中，软磁金属环形体（103）和永磁环形体（102）间隔排列安装在圆盘101内部；

所述的多个软磁金属环形体和多个永磁环形体的直径尺寸不同，高度相等；所述的多个永磁环形体为直径尺寸不同，高度相等的径向辐射环，或用瓦形体拼成径向辐射环，永磁环形体的磁场方向为径向。

4.按照权利要求1所述的组合轴承，其特征在于，所述的无源动压液浮阻尼轴承（3）由一个小圆球（201）和一个半球形凹形体（202）组成；小圆球（201）安装在飞轮主轴（2）的最下端；在固定机架（5）下部与飞轮主轴（2）相对应的下方安装一个半球形凹形体（202），所述的半球形凹形体（202）的直径大于小圆球（201）的直径；在半球形凹形体（202）内充入液态油脂；飞轮在高速旋转时在小圆球（201）和半球形凹形体（202）之间形成液膜，将飞轮主轴(2)及飞轮悬浮起来。

5.按照权利要求1所述的组合轴承，其特征在于，所述的小圆球（201）由陶瓷制成；所述的半球形凹形体（202）由合金制成。