CN103427538B - 飞轮电池磁悬浮支承装置 - Google Patents
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Abstract
一种飞轮电池磁悬浮支承装置，包括密封壳体，设置在密封壳体内的飞轮转子，飞轮转子与飞轮转轴固定连接，密封壳体内壁的上方固连有导磁板，导磁板下端面设有外环状永磁体和内环状永磁体，在与导磁板相对应的飞轮转子上端面设有导体环；飞轮转轴的下部端头设有空心球型永磁体，密封壳体相对应位置设有碗状永磁体。本发明通过采用电动磁力轴承和空心球型永磁体磁力轴承组成的磁悬浮支承系统，无论电动磁力轴承还是空心球型永磁磁力轴承，既可以产生轴向悬浮力，起到轴向控制作用，又可以对飞轮运转起到径向控制作用。二者相互配合、相互制约共同控制，使飞轮稳定运转。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮电池储能技术领域，特别是一种飞轮电池磁悬浮支承装置。
背景技术
目前，飞轮电池作为能量存储装置，已经应用到包括电动汽车、航空航天、电网负载调节和其他某些蓄能应用领域。而飞轮电池中的磁力轴承由于其无机械接触、长寿命和免维护等优点越来越受到人们的关注。
现有飞轮电池转子的磁悬浮支承一般是靠电磁轴承、超导磁力轴承和永磁磁力轴承的组合来实现的。一般而言，电磁轴承通过进行刚度和阻尼调节，可实现转子的位置精确控制，因而其应用领域非常广泛，但是电磁轴承由于需要包括传感器在内的一套控制系统，结构复杂，费用也较高。超导磁力轴承是近年来一个新的研究热点，但由于存在悬浮力会随温度和振动的影响而逐渐下降的弱点，而且还需要一套制冷设备导致成本费用的增加，到目前为止很少有实际的应用。永磁磁力轴承不能单独用于转子的悬浮支承，需要和其他轴承联合使用。
中国专利文献CN 1547310公开了一种悬浮飞轮电池，采用了球形的定子和球形腔悬浮转子，可以实现自动悬浮、自动调心，与飞轮座无接触，减小了摩擦，存在的问题是因形状为非标准件，不易加工，该结构的调心力较小，在空气中旋转的转子因阻力较大，因此速度受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种飞轮电池磁悬浮支承装置，可以克服现有技术中的不足，既可以产生轴向悬浮力，起到轴向控制作用，又可以对飞轮运转起到径向控制作用，且无需外加主动控制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种飞轮电池磁悬浮支承装置，包括密封壳体，设置在密封壳体内的飞轮转子，飞轮转子与飞轮转轴固定连接，密封壳体内壁的上方固连有导磁板，导磁板下端面设有外环状永磁体和内环状永磁体，在与导磁板相对应的飞轮转子上端面设有导体环；
飞轮转轴的下部端头设有空心球型永磁体，密封壳体相对应位置设有碗状永磁体。
飞轮转轴上部与密封壳体之间还设有径向保护轴承。
所述的导体环为按圆周布置的多个封闭回路，导体环的外径与外环状永磁体的平均直径相同，导体环的内径与内环状永磁体的平均直径相同。
所述的导磁板和飞轮转子采用导磁材料，并在外环状永磁体、内环状永磁体、导磁板和飞轮转子形成闭合磁路。
所述的外环状永磁体和内环状永磁体相互对向安装并沿轴向充磁。
所述的导体环内层为导电体，外层为绝缘体。
所述的导体环镶嵌在飞轮转子上端面。
所述的外环状永磁体和内环状永磁体与飞轮转子之间的间隙为5~10mm，空心球型永磁体与碗状永磁体之间的间隙为3~7mm。
所述的空心球型永磁体和碗状永磁体之间为无接触悬浮结构，所述的空心球型永磁体和碗状永磁体均为径向充磁，空心球型永磁体和碗状永磁体之间磁力方向相反。
所述的密封壳体上设有真空嘴。
本发明提供的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，通过采用电动磁力轴承和空心球型永磁体磁力轴承组成的磁悬浮支承系统，无论电动磁力轴承还是空心球型永磁磁力轴承，既可以产生轴向悬浮力，起到轴向控制作用，又可以对飞轮运转起到径向控制作用。二者相互配合、相互制约共同控制，使飞轮稳定运转。尤其是导磁板上的外环状永磁体和内环状永磁体与转子上的导体环组成的辅助电磁轴承，可以达到卸载由飞轮转子产生的重量轴向力，对系统悬浮稳定起到一定辅助作用。且导磁板的力臂也较长，调心力较大。本发明不需要外加主动控制，从而减少成本、降低功耗，具有稳定性好、寿命长等显著优点，便于飞轮电池量产及维护保养。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中导体环的布置示意图。
图中：密封壳体1，飞轮转轴2，飞轮转子3，外环状永磁体4，内环状永磁体5，径向保护轴承6，导磁板7，真空嘴8，空心球型永磁体9，碗状永磁体10，导体环11。
具体实施方式
如图1中，一种飞轮电池磁悬浮支承装置，包括密封壳体1，所述的密封壳体1上设有真空嘴8，用于给密封壳体1抽真空，以降低飞轮转子3的风阻。设置在密封壳体1内的飞轮转子3，飞轮转子3与飞轮转轴2固定连接，密封壳体1内壁的上方固连有导磁板7，导磁板7下端面设有外环状永磁体4和内环状永磁体5，在与导磁板7相对应的飞轮转子3上端面设有导体环11；
飞轮转轴2的下部端头设有空心球型永磁体9，密封壳体1相对应位置设有碗状永磁体10。所述的空心球型永磁体9和碗状永磁体10之间为无接触悬浮结构，二者之间的间隙为3~7mm，所述的空心球型永磁体9和碗状永磁体10均为径向充磁，空心球型永磁体9和碗状永磁体10之间磁力方向相反，从而通过同性相斥实现稳定悬浮。采用空心球型永磁体9和碗状永磁体10可以实现轴向悬浮和径向控制。
飞轮转轴2上部与密封壳体1之间还设有径向保护轴承6。此处的径向保护轴承6也为磁悬浮轴承。
如图2中，所述的导体环11为按圆周布置的多个封闭回路，导体环11的外径与外环状永磁体4的平均直径相同，导体环11的内径与内环状永磁体5的平均直径相同。本例中的导体环11设置为三个。
所述的导磁板7和飞轮转子3采用导磁材料，并在外环状永磁体4、内环状永磁体5、导磁板7和飞轮转子3形成闭合磁路。由此结构，外环状永磁体4和内环状永磁体5，还可以产生额外的悬浮力，相当于辅助的推力轴承。且可以实现卸载飞轮转子产生的重量轴向力，对系统悬浮稳定起到一定辅助作用。
所述的外环状永磁体4和内环状永磁体5相互对向安装并沿轴向充磁。即外环状永磁体4和内环状永磁体5的磁极沿着飞轮转轴2的轴线，成NS-SN或SN-NS。由此结构，利于形成闭合磁路。
所述的导体环11内层为导电体，外层为绝缘体。
所述的导体环11镶嵌在飞轮转子3上端面。
所述的外环状永磁体4和内环状永磁体5与飞轮转子3之间的间隙为5~10mm。由上述的结构，导磁板7与内外环状永磁体以及飞轮转子2形成闭合磁路，产生的磁力起到辅助轴向悬浮作用，同时外环状永磁体4和内环状永磁体5在导体环11处提供稳恒磁场，当飞轮转子在运转过程中受到外力扰动而偏离转子预定运转中心时，飞轮转子上面的导体环磁场发生变化，由楞次定律可知，导体环上面产生感应电动势，从而产生感应电流，进而产生洛伦兹力阻碍飞轮转子偏离运动。因此，只要飞轮转子偏离旋转中心，则导体环上面就会产生电磁力，它将使飞轮转子重新回到原来的中心位置稳定运转，这样就实现了对飞轮转子径向稳定运转的控制。抽气阀通过真空嘴8抽气，使得密封壳体1内达到近似真空状态，从而减少风损，使飞轮转子3可以运行在高速状态下，进一步提高储能效果。空心球型永磁体9和碗状永磁体10组成空心球型永磁磁力轴承，既可以产生轴向悬浮力，又可以起到径向辅助控制作用，所述空心球型永磁体9与碗状永磁体10之间间隙优选为5mm。外环状永磁体4、内环状永磁体5、导磁板7和导体环11组成电动磁力推力轴承，所述外环状永磁体4和内环状永磁体5与飞轮转子之间间隙优选为8mm。
Claims (7)
1.一种飞轮电池磁悬浮支承装置，包括密封壳体（1），设置在密封壳体（1）内的飞轮转子（3），飞轮转子（3）与飞轮转轴（2）固定连接，其特征是：
密封壳体（1）内壁的上方固连有导磁板（7），导磁板（7）下端面设有外环状永磁体（4）和内环状永磁体（5），在与导磁板（7）相对应的飞轮转子（3）上端面设有导体环（11）；
飞轮转轴（2）的下部端头设有空心球型永磁体（9），密封壳体（1）相对应位置设有碗状永磁体（10）；
所述的导体环（11）为按圆周布置的多个封闭回路，导体环（11）的外径与外环状永磁体（4）的平均直径相同，导体环（11）的内径与内环状永磁体（5）的平均直径相同；
所述的导磁板（7）和飞轮转子（3）采用导磁材料，并在外环状永磁体（4）、内环状永磁体（5）、导磁板（7）和飞轮转子（3）形成闭合磁路；
所述的空心球型永磁体（9）和碗状永磁体（10）之间为无接触悬浮结构，所述的空心球型永磁体（9）和碗状永磁体（10）均为径向充磁，空心球型永磁体（9）和碗状永磁体（10）之间磁力方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：飞轮转轴（2）上部与密封壳体（1）之间还设有径向保护轴承（6）。
3.根据权利要求1所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：所述的外环状永磁体（4）和内环状永磁体（5）相互对向安装并沿轴向充磁。
4.根据权利要求3所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：所述的导体环（11）内层为导电体，外层为绝缘体。
5.根据权利要求4所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：所述的导体环（11）镶嵌在飞轮转子（3）上端面。
6.根据权利要求1所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：所述的外环状永磁体（4）和内环状永磁体（5）与飞轮转子（3）之间的间隙为5~10mm，空心球型永磁体（9）与碗状永磁体（10）之间的间隙为3~7mm。
7.根据权利要求1所述的一种飞轮电池磁悬浮支承装置，其特征是：所述的密封壳体（1）上设有真空嘴（8）。
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