CN103947089A - 机电飞轮 - Google Patents

Abstract

一种机电飞轮机，该机电飞轮机包括飞轮体和电动发电机，该电动发电机具有转子，该转子能够围绕具有定子绕组的固定式内部定子旋转。

Description

机电飞轮

优先权声明

本申请要求于2011年11月13日提交的美国临时专利申请NO.61/559,128的权益，该项申请的全部内容合并到本文中并用于所有用途。本申请要求于2011年12月7日提交的美国临时专利申请No.61/568,126的权益，该项申请的全部内容合并到本文中并用于所有用途。本申请为于2012年1月3日提交的美国专利申请No.13/342,886的部分接续申请，该项申请的全部内容合并到本文中并用于用于所有用途。本申请为于2012年1月4日提交的美国专利申请No.13/343,603的部分接续申请，该项申请的全部内容合并到本文中并用于所有用途。

背景技术

已知的飞轮存储动能，即，运动的能量。当要求释放该能量时，飞轮随着动能被耗尽而减速。已知的还有驱动电机的飞轮或者由电机驱动的飞轮。几十年来，已经设计制造了这种机电动械，并且这种机电机械在运行上已经获得了不同程度的成功。然而，广泛的应用受困于飞轮的制造，即使是最先进的商用机械在运行上也会受到严重限制，同时超过了较好的替代性执行方式的成本。尽管小型飞轮制造业一直坚持不懈地努力，但现代的机电飞轮仅在一些利基市场中得到有限地应用，并且目前对于发展世界的能量供给没有做出重大贡献。

技术领域

本发明涉及机电领域。特别地，本发明涉及一种包括有飞轮体的机电机械，飞轮体同于能量存储和能量释放。

相关技术的论述

机电飞轮包括在大气条件下运行的机械和在真空条件下运行的机械。虽然在真空环境下运行的机械有益于高速运行，但这些机械同样受现有技术的限制而不能够控制飞轮体的应力、磁性部件温度和安全防护。

发明内容

本发明提供一种机电飞轮，所述机电飞轮具有环绕定子的转子以及定子绕组，所述定子绕组包括1)环绕由所述定子限定的旋转轴线的励磁绕组和2)并不环绕旋转轴线的电枢绕组。

在一种实施方式中，机电飞轮包括：芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子；电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子；所述定子的特征在于，所述定子限定一旋转轴线，所述定子具有环绕旋转轴线的励磁线圈，并且所述定子具有并不环绕旋转轴线的电枢线圈；飞轮体，所述飞轮体环绕所述转子并且联接至所述转子以便与所述转子一起旋转；以及可排空的壳体，所述可排空的壳体封闭所述飞轮体。

在一些实施方式中，所述转子由间隔开的第一悬架组件和第二悬架组件支撑，所述第一悬架组件包括第一电磁轴承，所述第一电磁轴承用于对所述转子施加对中力和悬浮力，所述第二悬架组件包括第二电磁轴承，所述第二电磁轴承用于对所述转子施加对中力。

附图说明

参照附图对本发明进行了描述。包括在本文中且形成说明书的一部分的这些附图示出了本发明，并且这些附图连同描述相结合进一步用于说明本发明的原理并且用于使相关领域技术人员能够实施及使用本发明。

图1示出了根据本发明的机电飞轮机的框图。

图2示出了图1的机电飞轮机的选择功能和设备。

图3示出了图1的机电飞轮机的第一实施方式。

图4示出了图1的机电飞轮机的第二实施方式。

图5A示出了图1的机电飞轮机的转子磁极。

图5B示出了图1的机电飞轮机的转子磁极和定子。

图6示出了图1的机电飞轮机的下轴承组件和一些部件。

图7示出了图1的机电飞轮机的上轴承组件和一些部件。

图8示出了图1的机电飞轮机的第三实施方式。

具体实施方式

在随后的数页中提供的公开内容描述了本发明的一些实施方式的示例。设计方案、附图和描述都是本发明的一些实施方式的非限制性示例。例如，所公开的装置的其它实施方式可以包括或者可以不包括本文中描述的特征。此外，所公开的优点和益处仅可以应用于本发明的某些实施方式并且不应当用于限制所公开的本发明。

图1示出了机电飞轮机100。电互连部分104与能量交换块102、电力电子和控制部分106和电力网络108电联接。

本文所用术语联接除非另有说明指的是直接或间接连接，比如1)A直接连接至B以及2)C通过D间接连接至E。

能量交换块102包括旋转组件110和芯部组件112。旋转组件包括电动发电机转子114、飞轮体116和毂部118。芯部组件包括电动发电机定子120和电动发电机定子支撑件122。在多种实施方式中，转子是无轴的。而且，在一些不同实施方式中，旋转组件是无轴的。

电互连部分104包括任何的导电连接装置、电接口装置、电传感器和类似装置。电力电子和控制部分106包括任何的硅和/或半导体装置、模拟和数字处理器以及包括人机界面的相关界面。对于电力网络108，1)所述电力网络108在一些实施方式中是提供电力给能量交换块102的电源，2)在一些实施方式中为能量交换块的电力的使用者，以及3)在一些实施方式中既为提供电力给能量交换块电源又为能量交换块的电力的使用者。

图2示出了选择的机电飞轮机功能和设备200。能量存储202对于飞轮运行而言极为重要。在机电飞轮中，能量存储功能和能量转换204提供用于将动能转换成电力和/或将电力转换成动能的装置。能量传输206用于提供能量转换设备220、216与电力网络108之间的电力传输。在多种实施方式中，电开关比如断路器230用于连接和断开能够实现电力传输的导体。在多种实施方式中，其它机电飞轮机功能包括下述数个辅助支持功能208中的任意功能。

能量存储202利用旋转组件110。在多种实施方式中，悬架系统210支撑旋转组件。悬架设备包括轴承或其等同物212，在一些实施方式中，被动式停机系统215支持使得旋转组件处于选择的运行工况下(比如停机)。

能量转换功能204利用用于将动能转换成电力的装置(比如发电机或者电动发电机)。示出了电动发电机220。电动发电机包括转子114和定子120，并且配置了用于旋转地驱动旋转组件110及用于由旋转组件旋转地驱动的装置。在多种实施方式中，电力电子部分216能够控制由电动发电机和/或电力网络108发出的电场波形。例如，在多种实施方式中，电力电子部分用于提供具有中间DC母线的AC-AC转换器中的频率转换，并且电力电子部分用于变速驱动功能(比如使飞轮转子的转速加快)。

在多种实施方式中，通过下面详细描述的辅助支持设备来执行辅助支持功能208。辅助支持功能包括遮蔽240、安全242、真空244、冷却248和人机界面246。

控制功能205用于提供监测、评估、命令和其它机电飞轮功能的控制中的一个或多个。特别地，控制功能通过对能量存储202、能量转换204、能量传输206和辅助支持208中的一个或多个进行监控和/或控制来实现机电飞轮运行。

图3示出了第一机电飞轮部分300。能量交换块302被内部壳体328封闭，内部壳体328又被可选的外部壳体338封闭。

能量交换块302包括旋转组件310和芯部组件312。旋转组件中包括：电动发电机转子314和环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体316，联接于飞轮体的毂部318以及移动悬架元件344。在一些实施方式中，在电动发电机转子与飞轮之间设置有诸如非磁性(例如，非磁性金属合金和高温合金)套筒的套筒，所述套筒尤其用于支持电动发电机转子且为电动发电机转子提供支撑。电动发电机转子、飞轮体、毂部和移动悬架元件围绕轴线x-x同步转动，在一些实施方式中，毂部附接至电动发电机转子350和飞轮体352中的这两者中一者或两者。移动悬架元件的对侧为静止悬架元件346，静止悬架元件346具有支撑体，比如内部壳体的第一壁部332。芯部组件312中包括有定子320和定子支撑件322。在一些实施方式中，定子支撑件联接至内部壳体的壁部，比如内部壳体的第二壁部334。

电动发电机转子314环绕电动发电机定子320。在多种实施方式中，电动发电机转子314包括磁性部分354和非磁性部分356，在一些实施方式中，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。

在多种实施方式中，定子320包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使磁性结构的磁通量发生变化的导电绕组。在一些实施方式中，第一定子线圈364环绕大致垂直于x-x轴线的假想的y-y轴线。并且，在一些实施方式中，第二定子线圈368环绕x-x轴线。在一种实施方式中，多个第一定子线圈环绕各自的假想的y-y轴线，一个或多个第二定子线圈环绕x-x轴线，第一定子线圈为电枢线圈，第二定子线圈为励磁线圈。

并且，在一种实施方式中，电动发电机360为具有示出的内外布置(转子环绕定子)的单极电机，其中，a)类似于电动发电机转子314的可旋转的转子包括无线圈的层状磁性结构；b)类似于定子320的固定的中心定子包括层状磁性结构，该磁性结构具有用于在磁性结构中产生磁通量的线圈；以及c)转子环绕定子。

图4示出了第二机电飞轮部分400。能量交换块402被内部壳体428封闭，内部壳体428在一些实施方式中被外部壳体(未示出)封闭或者部分封闭。

能量交换块402包括旋转组件410和芯部组件412。旋转组件中包括：电动发电机转子414、环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体416、联接至飞轮体的毂部418、用于支撑毂部的支撑销496和用于支撑毂部的移动悬架组件492。一些实施方式在电动发电机转子与飞轮体之间包括有套筒，比如非磁性套筒。

在多种实施方式中，飞轮体416包括不同材料的层，所述材料比如为一种或多种类型或等级的玻璃纤维和一种或多种类型或等级的碳纤维。于1997年8月4日提交的名为HUB AND CYLINDER DESIGN FOR FLYWHEEL SYSTEMFOR MOBILE ENERGY STORAGE的美国专利No.6175172的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，包括图4A和相关描述中示出的飞轮体构造技术和构造材料。

如示出的那样，飞轮体包括三层，即，邻近于电动发电机转子的第一层417、中间层419和外层421。在一种实施方式中，中间层和外层包括碳纤材料，内层包括玻璃纤维。在另一实施方式中，所有三层大致上由碳纤材料制成。在多种实施方式中，一个或多个层是预加应力的，例如通过使缠绕纤维在压力的作用下形成具有内压应力的大致圆筒状的外壳。

支撑销、移动悬架组件和毂部布置成同心并且围绕轴线x-x同时转动。如看到的那样，支撑销496位于上轴承承载件490与下轴承承载件494之间的间隙491中。上轴承承载件从定子支撑件422延伸出，下轴承承载件由壳体的第一壁部432支撑。在一种实施方式中，上轴承承载件的沿着x-x轴线的延伸493用于可旋转地限制上轴承承载件与下轴承承载件之间的支撑销。从这个角度来看，上轴承承载件和下轴承承载件提供用于通过支撑销来“捕获”旋转组件的装置，并且对于被动停机功能极为有益。在多种实施方式中，下轴承承载件和移动悬架组件包括第一电磁轴承。

第二电磁轴承451与上轴承承载件490和下轴承承载件494分隔开。第二电磁轴承包括由定子支撑件422支撑的固定轴承定子454和用于使定子磁化的绕组452以及联接至电动发电机转子的几何方位上相对的转子456。如示出的那样，电磁体498、499的配合面平行于x-x轴线从而使得电磁轴承力垂直于x-x轴线。在其它实施方式中，成角度的电磁轴承面(比如下文所要描述的那些电磁轴承面)提供沿着与x-x轴线平行的轴线的电磁轴承力分量和沿着与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。随着电动发电机转子运动的电磁体，并且特别是电磁轴承中使用的电磁体，可以具有实心或者层状状电磁芯。在一些实施方式中，电磁芯包括树脂基体(比如环氧基体)，其中，嵌入了细小的钢铁微粒以便形成复合电磁芯。这种电磁芯使得减小与电磁芯相关的磁扩散时间常量(例如电磁芯的垂直于所产生的磁场的厚度)，以便减小施加电流与施加作用力的时间间隔。由于不能以适当薄的尺寸来获得高强度钢铁层状片，该复合技术可以提供其它方面所不能容易获得的性能。

芯部组件412中包括有定子420和联接至内部壳体的第二壁部434的定子支撑件422。电动发电机转子414环绕电动发电机定子。在多种实施方式中，电动发电机转子包括磁性部分和非磁性部分(例如，见图3的354、356)，在一些实施方式中，，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。

在多种实施方式中，定子420包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使电磁结构的磁通量发生变化的导电绕组。

在一种实施方式中，定子(比如单极定子)包括至少两个外周缘和一个较小的中间周缘。这些边缘包括磁性材料(比如铁)，并且在多种实施方式中，这些边缘为层状结构，其中，每个层片呈大致环形形状。

如示出的那样，定子420包括三个大直径周缘464、466、470和两个较小直径的周缘484、488，从而在大直径周缘与小直径周缘之间形成有大致环形或者近似圈状物的容纳部481。环绕旋转轴线x-x的线圈布置在这些容纳部中以便形成励磁绕组482、486。除了励磁线圈之外，定子进一步包括电枢线圈。

电枢线圈450与大周缘464、466、470的外周中的槽483相互接合，从而每个电枢线圈将环绕大致垂直于旋转轴线x-x的假想轴线y-y(见图3)。

对于每个定子周缘，具有多个配合转子磁极。如能够看见的那样，定子外周缘464、470具有轴向(x-x)间隔开的配合转子磁极462、468(用实线示出)，定子中心周缘466具有轴向相邻的配合转子磁极463、469(用虚线示出)。用于相邻周缘的转子磁极(例如462、463)不仅在轴向(x-x)上被间隔开，而且在径向上也被间隔开，从而使得用于一个周缘的转子磁极同与相邻周缘配合的最近的转子磁极径向地间隔90电角度(electrical degree)。

在多种实施方式中，内置式真空泵(比如牵引分子泵)提供离开飞轮体416且特别是离开获得最高速度的飞轮体外周处的移动分子。美国专利No.US5,462,402FLYWHEEL WITH MOLECULAR PUMP的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，其中包括对于牵引分子泵的论述及对于飞轮系统的使用。

在一种实施方式中，第一真空泵由固定迷宫状环体458形成，固定迷宫状环体458由相对飞轮体的真空泵表面459间隔很小的壳体壁部434支撑。在多种实施方式中，迷宫环中的凹槽提供与移动的飞轮表面相配合的抽吸动作。在一些实施方式中，凹槽为螺旋形凹槽，其截面面积通常沿着向前的流动路径减小。并且，在一些实施方式中，第二真空泵由类似于上述迷宫环的迷宫结构形成并且固定至定子外周部分(比如大直径定子环454、464、466、470，为了清楚起见未示出)或者固定至几何位置相对的转子磁极(456、462、463、469、468)。在一种实施方式中，替代性的第二牵引泵由迷宫结构和飞轮体外周处的移动表面413形成，例如，所述迷宫结构位于壳体428上或者与壳体428成一体并且飞轮体的外周以非常靠近迷宫结构的方式运行且在大致垂直于由第一牵引泵(外周迷宫未示出)建立的流动方向的方向上建立排出流。在多种实施方式中，这种替代性的第二牵引泵可与第一牵引泵在一起运行从而提供两级牵引泵。

在一种实施方式中，可排空的壳体内包括有供给区域和排放区域。供给区域具有至少部分由壳体428、毂部外表面417和飞轮体外周413的一部分限定的边界。排放区域具有至少部分由真空阻隔壳体和芯部组件412的部分限定的边界。第一牵引泵设置在飞轮体表面459与真空阻隔壳体壁部434之间，第二牵引泵设置在至少一个定子环466与转子414之间。

图5A示出了2+2磁极单级单极电机500A在邻近磁极平面中的转子磁极的径向错开布置方式。参照转子截面502和转子514，第一磁极462位于第一磁极平面Y1中，与其相对磁极463位于同一平面中。在类似同步相邻磁极平面Y2中，相邻平面磁极465在Y1平面磁极之间。Y2平面中的第二磁极464在该截面中未示出。

磁极平面Y1、Y2的平面图504、506示出了各磁极平面中的磁极462、463和464、465，这些磁极间隔了90°的几何角度。在这种4磁极实施方式中，磁极还间隔了90电角度。

在多种实施方式中，磁路在相邻的错列磁极之间延伸。例如，如磁极组件508、510中示出的那样，磁路部分466、468在磁极对462、463和磁极对463、464之间延伸。如这里示出的那样，在4磁极电机转子中由磁路部分462-466-465和463-468-464形成了两个连续磁路。在一些实施方式中，每个磁路部分组件462-466-465和463-468-464呈“Z”形，其中，中心构件466、468以大致直角的角度接触邻近构件462、465和463。此外，该结构保持磁路的容量。

图5B示出了三级电机的转子和定子，每级具有四个磁极500B。此处，示出了转子磁路部分组件560的视图，其中，展开了通常圆柱形的转子结构从而示出了平坦表面。磁路部分组件520、522、523、521布置成在部分519之间产生具有间隔的栅格569，其中，在多种实施方式中，这些间隔填充有非磁性材料。

栅格569构造成使得形成多个级A、B、C，每个级具有4个磁极。例如，级A具有北极平面，该平面具有第一完全磁极557和由两个半磁极553、555组成的第二磁极。级A还具有南极平面，该平面具有两个完全磁极559、561。级A的北极平面和南极平面因此总共具有4个完整磁极。

每级包括四个磁路部分组件或者转子栅格部分。例如，级A包括磁路部分组件520、522、520和522，级B包括磁路部分组件523、521、523和521，级C同级A一样包括磁路部分组件520、522、520和522。在一些实施方式中，当不考虑曲率时磁路部分组件的几何结构的不同之处主要在于部分的取向。此处，例如，组件520与组件522的不同之处在于组件520围绕平行于x-x轴线的轴线转动了180度，组件520与组件523的不同之处在于其围绕垂直于x-x轴线的轴线转动了180度，组件522与组件521的不同之处在于其围绕垂直于x-x轴线的轴线转动了180度。

示出的还有定子562的剖视图。如看到的那样，定子具有以x-x轴线为中心的大直径周缘534、536、538、540和小直径周缘544、546、548。在大直径外周周缘534、540之间设置有第一大直径中间周缘536和第二大直径周缘538。在每对大直径周缘之间设置有一个小直径周缘，从而这些周缘以534、544、536、538、548和540的次序叠置。这些周缘由通过壁部530支撑的联接定子支撑件532所支撑。

多个电枢绕组(例如571、572)通过槽或类似特征与多个大直径周缘外周(例如574)相互接合。励磁绕组535、537、539环绕定子旋转轴线x-x，其中，一个励磁绕组环绕在小直径周缘中的每一个从而使得每个励磁绕组位于一对大直径周缘之间。

如能够看到的那样，转子的栅格结构569设置成：使得定子的第一周缘534与级A的北磁极相对应；定子的第三周缘536与级A的南磁极和级B的南磁极相对应；定子的第五周缘与级B的北磁极和级C的南磁极相对应；定子的第七周缘与级C的南磁极相对应。

在多种实施方式中，轴承用于支撑旋转组件及其包括的飞轮体116、316、416。可以使用本文中所描述的足以支撑旋转组件的任何轴承组合形式。

图6示出了下轴承承载件和一些相关部件600。如附图的上半部示出的那样，具有用于联接至飞轮体的毂部618、用于支撑毂部618的支撑销696、用于支撑毂部的移动悬架组件692和下轴承承载件694。毂部、支撑销和移动悬架组件固定地联接在一起(为了清楚起见图6中以分解图的形式示出)。

在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件电磁轴承转子602。在一些实施方式中，轴承转子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度θ1＝0°定向的移动悬架组件电磁轴承面603，其中，该角度θ1由轴承面603和平行于x-x轴线的轴线x1-x1限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度0＜θ1＜90°定向的轴承面603(“成角度面”)(如示出的那样)，轴承面603提供了平行于x-x轴线的电磁轴承力分量以及平行于与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。

在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件永磁体604，在一些实施方式中，永磁体是电磁轴承转子602的附加物。而且，在一些实施方式中，移动悬架组件磁体保持件606为移动悬架组件电磁轴承转子和移动悬架组件永磁体中的任一个或两个提供保持作用。

当移动悬架组件包括电磁轴承转子602时，下轴承承载件694包括相对应的下轴承承载件电磁轴承定子614和用于使该定子磁化的下轴承承载件定子电线圈616。定子由下轴承承载件框架612支撑，而下轴承承载件框架612又由壳体壁部632支撑。

在一些实施方式中，轴承定子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度θ2＝0°定向的下轴承承载件电磁轴承面615，其中，该角度θ2由电磁轴承面和平行于x-x轴线的轴线x2-x2限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度0＜θ2＜90°定向的轴承面615(“成角度面”)(如示出的那样)，轴承面615提供平行于x-x轴线的电磁轴承磁力分量以及平行于与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承磁力分量。如本领域技术人员将理解的那样，轴承面603、615相互协作，使得直立的转子面与直立的定子面匹配，同时成角度的转子面与成角度的转子面匹配。

在使用移动悬架组件永磁体604的情况下，下轴承承载件包括几何位置上相对的永磁体620。在一些实施方式中，下轴承承载件永磁体保持件619由下轴承承载件框架612支撑并且支撑永磁体。

在多种实施方式中，下轴承承载件694包括下轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承622)。如示出的那样，落位轴承由下轴承承载件框架612支撑。在一些实施方式中，阻尼材料624提供用于落位轴承的密封材料。

图7示出了上轴承承载件和一些相关部件700。如示出的那样，上轴承承载件790包括固定板702和移动板704。

固定板702包括凹槽形式的线圈空间706，所述线圈空间706位于固定板的面向移动板730的一侧上。还包括有用于使被线圈包围的磁性材料707磁化的电线圈722。

移动板704包括弹簧空间708和机械轴承空间710。弹簧空间708形成在移动板的直径减小段延伸直到面向固定板732的板一侧处，并且弹簧(比如线圈弹簧720)占据该空间。轴承空间710为移动板表面734中的中心空腔，所述移动板表面734与移动板的面向固定板的表面732相对。如看到的那样，该电磁操作压缩弹簧并且用于将板拉到一起。

在多种实施方式中，上轴承承载件790包括上轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承716)。如示出的那样，落位轴承定位在移动板空腔710中。在一些实施方式中，阻尼材料718提供用于落位轴承的密封材料。

如图6和图7中看到的那样，支撑销696在上轴承承载件790与下轴承承载件694之间延伸。另外，上轴承承载件落位轴承716、支撑销696、移动悬架组件692、下电磁轴承定子614、下轴承承载件永磁体620和下轴承承载件落位轴承622中的每一个的以x-x轴线为中心，从而使得支撑销上端728和下端628在移动板704朝向下轴承承载件沿793移动时分别与的上落位轴承716和下落位轴承622以及每个落位轴承的中心孔726、626接合。

图8示出了机电飞轮800的另一实施方式。飞轮体831围绕单极电动发电机转子并且被联接至单极电动发电机转子，该单极电动发电机转子包括金属衬垫830。如示出的那样，转子包括转子北磁极824、832。转子南磁极未示出。参见图5B的级A和级B可得到转子南磁极处的相似的布置方式。

定子支撑件811被联接至电动发电机定子828，并且励磁绕组826和电枢绕组820中的每一者以类似于上述的方式与定子相互接合。

毂部846支撑转子830和飞轮体831，毂部846又被支撑，所述支撑销864接合在上下轴承承载件860、862之间或者位于上下轴承承载件860、862之间。参见图6和图7可得到类似的轴承承载件的详细信息。第一电磁轴承866位于下轴承承载件中。第二电磁轴承870与第一轴承承载件和第二轴承承载件间隔开，并且包括轴承定子818、轴承转子818和用于使定子磁化的定子线圈814。

机电飞轮壳体包括内部真空阻隔件812。在一些实施方式中，外部壳体807支撑真空阻隔件。适合的真空阻隔件材料包括不锈钢和本领域技术人员已知的适于该目的的其它材料。

在多种实施方式中，定子支撑件811具有管状结构并且其中设置有同轴管801。如示出的那样，同轴管包围进入定子支撑件的液体冷却液流802，并且支撑结构内径与同轴管外径之间的环状区域815提供了冷却液离开定子支撑件的流动通路803。流动穿过环状区域的冷却液吸收来自定子828的热量并且在一些实施方式中在其被泵回(未示出)到流动入口802之前就在冷却机中被冷却。

在一些实施方式中，导热管808提供定子冷却。如示出的那样，多个导热管中的每一个在紧邻定子的区域(比如在所示的定子电枢绕组槽)中具有吸热第一端872。导热管的排热端位于紧邻真空阻隔件的区域，比如排热端874(如图所示)与真空阻隔件接触或者在其它实施方式中被前述冷却液流冷却。

在运行时，机电飞轮的飞轮体在飞轮充电期间由电动发电机加速。在充电期间，能量被传输至电动发电机。在放电期间，电动发电机随着飞轮体的减速将飞轮的动能转换成电能。电力电子部分用于转换电力网络以便驱动电动发电机以及与其机械联接的飞轮体。电力电子部分还用于将电动发电机产生的电力转换成适于传输电力至的电网使用的波形。

尽管上面已经描述了本发明的各种实施方式，但应当理解的是，这些实施方式仅是通过示例来描述且为非限制性的。对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够在形式和细节上进行改变。这样，本发明的宽度和范围不应当被上述示例性实施方式限制，而是仅应当根据下述权利要求及其等同物的限定。

Claims (15)

1.一种机电飞轮，包括：

芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子；

电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子，所述定子限定一旋转轴线，所述定子具有环绕所述旋转轴线的励磁线圈，并且所述定子具有不环绕所述旋转轴线的电枢线圈；

飞轮体，所述飞轮体环绕所述转子，并且所述飞轮体联接至所述转子以便与所述转子一起旋转；

可排空的壳体，所述可排空的壳体封闭所述转子和所述飞轮体；

间隔开的第一悬架组件和第二悬架组件，

所述第一悬架组件包括第一电磁轴承，所述第一电磁轴承用于对所述转子施加对中力和悬浮力；并且

所述第二悬架组件包括第二电磁轴承，所述第二电磁轴承用于对所述转子施加对中力。

2.根据权利要求1所述的飞轮，进一步包括嵌置在非磁性基体中的片层，所述片层和基体形成所述转子的壁部的至少一部分。

3.根据权利要求1所述的飞轮组件，进一步包括：

锥形过渡件形式的毂部，所述毂部联接至所述飞轮体并且联接至旋转磁性台；

固定磁性台，所述固定磁性台与所述旋转磁性台相对；

所述旋转磁性台包括旋转永磁体和旋转电磁体部分；并且

所述固定磁性台包括固定永磁体和固定电磁体部分。

4.根据权利要求1所述的飞轮组件，进一步包括：

锥形过渡件形式的毂部以及支撑销，所述毂部联接至所述飞轮体，所述支撑销具有上端和下端；

所述支撑销能够操作成在磁力允许所述支撑销上端与抗摩擦轴承联接时支撑所述毂部；并且

所述支撑销能够操作成在磁力允许所述支撑销下端与抗摩擦轴承联接时支撑所述毂部。

5.根据权利要求4所述的飞轮组件，进一步包括：

三个或更多个定子环，每个所述定子环环绕所述旋转轴线，并且多个所述定子环具有带槽的外周；

励磁线圈，所述励磁线圈设置在每对所述定子环之间；以及

多个电枢线圈，所述多个电枢线圈与所述定子环的槽互相接合。

6.根据权利要求5所述的飞轮组件，进一步包括：

位于所述可排空的壳体内的供给区域和排放区域，所述供给区域具有至少部分由所述真空阻隔壳体部分、所述毂部外表面部分和所述飞轮体外周部分限定的边界，所述排放区域具有至少部分由所述真空阻隔壳体部分和所述芯部组件部分限定的边界；以及

第一牵引泵，所述第一牵引泵设置在飞轮体表面与所述真空阻隔壳体之间。

7.根据权利要求6所述的飞轮组件，进一步包括：

第二牵引泵，所述第二牵引泵设置在定子环与所述转子之间。

8.根据权利要求6所述的飞轮组件，进一步包括：

第二牵引泵，所述第二牵引泵能够操作成建立起沿与由所述第一牵引泵建立的流动方向大致垂直的方向上的流动。

9.一种飞轮组件，包括：

固定组件，所述固定组件包括飞轮壳体，所述飞轮壳体具有顶部和底部；

下电磁轴承(LEMB)，所述下电磁轴承(LEMB)由所述壳体底部支撑，所述LEMB用于对所述转子施加提升力和对中力；

电动发电机定子，所述电动发电机定子从所述壳体顶部悬挂；

上电磁轴承(UEMB)，所述上电磁轴承(UEMB)由所述壳体顶部支撑，所述UEMB用于对所述转子施加对中力；

旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子并且限定竖直的旋转轴线；

飞轮体，所述飞轮体围绕所述转子并且联接至所述转子；以及

其中，所述定子的励磁绕组环绕所述旋转轴线，并且所述定子的电枢绕组具有在竖直方向上间隔开的端部线匝。

10.根据权利要求9所述的机电飞轮，其中：

所述转子为无轴的。

11.一种飞轮组件，包括：

飞轮壳体，所述飞轮壳体限定第一支撑平面和第二支撑平面；

电动发电机定子，所述电动发电机定子由所述第二支撑平面支撑，所述电动发电机定子限定一旋转轴线，所述电动发电机定子具有环绕所述旋转轴线的励磁线圈，并且所述电动发电机定子具有大致垂直于所述励磁线圈的电枢线圈；

电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子，并且所述电动发电机转子用于围绕所述第一轴线旋转；

飞轮体，所述飞轮体围绕所述转子并且联接至所述转子；

第一电磁轴承(EMB1)，所述第一电磁轴承(EMB1)由所述第一平面支撑，所述EMB1用于对所述转子施加提升力和对中力；以及

第二上电磁轴承(EMB2)，所述第二电磁轴承(EMB2)由所述第二平面支撑，所述EMB2用于对所述转子施加对中力。

12.根据权利要求11所述的机电飞轮，其中：

所述转子为无轴的。

13.一种机电飞轮，包括：

芯部组件，所述芯部组件由围绕其的壁部支撑；

所述芯部组件包括电动发电机定子，所述定子被电动发电机转子环绕，所述定子限定被设计为所述转子围绕其旋转的旋转轴线，所述定子具有环绕所述旋转轴线的定子励磁线圈，并且所述定子具有不环绕所述旋转轴线的定子电枢线圈；

飞轮体，所述飞轮体围绕所述转子并且联接至所述转子；

悬挂系统，所述悬挂系统包括第一悬挂组件和第二悬挂组件；并且

所述悬挂系统包括多个用于对所述转子施加轴向力和径向力的磁轴承。

14.根据权利要求13所述的机电飞轮，其中：

所述转子为无轴的。

15.根据权利要求4所述的飞轮组件，进一步包括：

一个或多个环形的定子容纳部；

所述一个或多个环形的定子容纳部中的每一个环绕所述旋转轴线和限定具有带槽外周的容纳部的结构；

设置在每个容纳部中的励磁线圈；以及

与所述槽相互接合的多个电枢线圈。