CN103973028A

CN103973028A - 磁轴承上的高速飞轮

Info

Publication number: CN103973028A
Application number: CN201410041271.1A
Authority: CN
Inventors: U.施罗德
Original assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Current assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-08-06
Also published as: EP2763292A1; EP2763292B1; US20140210424A1; CN110571975A; JP2014149080A; CA2840743A1; JP6415055B2; US9099946B2

Abstract

高速能量存储飞轮系统，包括：转子（1），其位于设置在定子壳体（2）中的真空室（3）中，并且由主动磁轴承（5，6，7）关于所述定子壳体（2）支撑。流体罐（10）用于以受控方式释放流体进入真空室（3）中，并且因此通过摩擦在转子（1）上产生制动效果。

Description

磁轴承上的高速飞轮

技术领域

本发明涉及一种高速能量存储飞轮系统，包括位于设置在定子壳体中的真空室中且由磁轴承关于所述定子壳体支撑的转子。

背景技术

高速动能存储飞轮系统基于系统的电池竞争提供用于负载平衡和峰值调节的快速电力。

通常，该能量存储飞轮系统包括高速旋转飞轮（通常由高强度钢或者碳制成）、集成的马达/发动机单元以及能量转换单元（以转换机械能为电能或者逆向地转换电能为机械能）。每个飞轮存储的能量通常上至10kWh。由马达/发动机-能量转换系统提供的峰值能量可以在10kW和几百kW之间变化。

对于该基于存储系统的飞轮，重要的是最大化运行效率：

所有旋转部件容置在真空外壳中以为了最小化风阻损失。

旋转部件有利地在主动磁轴承上无接触地运行。特别地，在竖直布置的飞轮上，适合地适于5-轴磁轴承系统的整个损失少于100W。

应用至高速飞轮，磁轴承意味着没有维护，最小转子，以及轴承损失，没有磨损，没有润滑以及具有大致无限的使用寿命。

然而，该最大运行效率的缺陷是非常长的不使用助推器的旋转减慢时间。

磁悬浮飞轮系统包括备用轴承系统以支撑高速旋转部件以免在磁轴承系统中的故障或者失效。在备用轴承中的旋转减慢期间可以改变，因为通过能量转换单元的发动机也可以用于更快减速。然而，作为最坏的情况，在备用轴承中，可以发生不使用助推器的旋转减慢（即，没有来自于发动机的刹车）。在备用轴承中不使用助推器的旋转减慢是许多小时。

发明内容

要解决的技术问题是提供一种系统，其具有备用轴承，该备用轴承能够经受不使用助推器的全速旋转减慢。然而安全的备用轴承解决方案，其允许几个小时的不使用助推器的旋转减慢，需要大地技术革新且是非常昂贵的。

根据本发明，提出介入装置用于显著地减少在备用轴承中的旋转减慢从几个小时至一些分钟。因此，当应用本发明时，现有的“标准”备用轴承解决方案可以提供需要的保护功能以及不必需设计昂贵的“特殊”加强备用轴承。

本发明限定在附随的权利要求中。

本发明更特别地涉及高速能量存储飞轮系统，包括：转子，其位于设置在定子壳体中的真空室中，以及由主动磁轴承关于所述定子壳体支撑，其特征在于它进一步包括流体罐和控制设备，其配置为以受控方式选择性地释放流体在真空室中，一旦检测到紧急状况，以及因此选择性通过摩擦在转子上产生制动效果。

根据本发明的一个方面，控制设备包括至少一个流体释放阀以及阀控制设备。

根据本发明的另一个方面，控制设备包括与阀控制设备配合的至少一个真空阀，以及真空泵系统。

优选地，磁轴承包括第一和第二径向主动磁轴承以及轴向主动磁轴承。

根据本发明的高速能量存储飞轮系统可以进一步包括结合进定子壳体中的电动机或者发电机。

有利地，转换机械能至电能或者转换电能至机械能的能量转换单元与电动机或者发电机关联。

根据本发明的高速能量存储飞轮系统包括第一和第二备用轴承。

流体罐可以是包括诸如氮气的惰性气体的气体罐。

可替换地，流体罐可以是包括空气的气体罐。

流体罐可以是包括具有压力在10mbar至1000mbar之间的压力的气体的气体罐。

真空室可以配置为包括具有剩余压力小于10^-4mbar的真空。

阀控制设备包括传感器，其配置为传感所述紧急状况以及电或者机械触发的设备，其响应于所述传感器并配置为打开至少一个流体释放阀以能够将来自于气体罐的校准的气体压力渗透进入真空室以及因此产生所需的转子的快速旋转减慢。

本发明进一步涉及高速能量存储飞轮方法，包括在设置在定子壳体中的真空腔室中旋转转子，转子由主动磁轴承关于所述定子壳体支撑，其特征在于它进一步包括检测紧急状况，在紧急状况下，磁轴承失效或者失去活性并且以受控的方式释放来自于流体罐的流体进入真空室以及因此通过摩擦选择性地在转子上产生制动效果。

根据本发明的一个方面，转子与结合在定子壳体中的电动机或者发电机相关联以及该方法进一步包括当检测到所述紧急状况时，使用所述电动机或者发电机，转换机械能为电能或者转换电能至机械能的能量转换步骤。

根据本发明的另一个方面，该方法包括传感所述紧急状况以及响应于所述传感操作，电或者机械地触发打开至少一个流体释放阀以使得来自于气体罐的校准的气体压力能够渗透进入真空室以及因此产生所需的转子的快速减慢。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的高速能量存储飞轮的示意性纵向截面图；以及

图2示出了四个不同情况下，在旋转减慢过程中，飞轮速度关于时间的函数。

具体实施方式

本发明将关于通过示例给出的优选实施例进行说明。

图1示出了根据本发明的存储飞轮的典型的布置结构，其可以是例如5kWh存储飞轮。

存储飞轮包括旋转飞轮体（转子）1以及限定真空室3的定子壳体2，旋转飞轮体1位于真空室3中。

在图1所示例子中，旋转飞轮体1是竖直布置的，并且由下径向主动磁轴承6和上径向主动磁轴承7以及轴向主动磁轴承5支撑。为了清楚的目的，在传统方式中，为限定5-轴悬挂，与磁轴承关联的传感器和控制电路没有示出在图1中。

存储飞轮进一步包括集成的马达/发动机4，其可以高速旋转飞轮体1。集成的马达/发动机4当它作用为马达时增加了转子能量，且当它作用为发动机时从转子移除能量。

传统径向上备用轴承8以及传统径向/轴向下备用轴承9布置为在磁轴承的电力供给失效的情况下避免损坏磁轴承。

在图1中，附图标记10指示气体罐，其优选地容置惰性气体，诸如氮气或者可能为空气，在10mbar和1000mbar之间的压力下，优选地大约100mbar。气体罐通过气体释放阀11连接至真空室3，气体释放阀11由阀控制单元13控制。阀控制单元13进一步控制位于真空室3和真空泵系统14之间的真空阀12。

根据本发明，所提供的装置用于通过阀控制单元13的嵌入装置检测紧急情况。该检测装置可以包括一个或者几个电、光学或者机械传感器，其与磁轴承和/或备用轴承配合。例如，该传感器可以检测备用轴承接触，并且传输信号至阀控制单元13。响应于此，阀控制单元13闭合真空阀12以从真空泵系统14隔离飞轮旋转体1。大致同时或者随后阀控制单元13触发气体释放阀11打开以从气体罐10引入校准量的氮气（或者另一种惰性气体，或者空气）进入飞轮体1的容置空间。

气体罐10有利地位于真空飞轮容置空间内侧。根据本发明，在紧急状况下，电的或者机械的触发设备11，12，13打开气体罐10和真空室3之间的连通，用于快速旋转减慢旋转的飞轮体1。

提出的制动方法减少了在备用轴承8，9中不使用助推器的旋转减慢从小时至分钟。也允许使用更“标准”以及更不昂贵的备用轴承系统8，9。使用诸如氮气的惰性气体改进了故障状况下系统的安全性。

要指出的是在临界的高速范围中，由气体摩擦产生的可能的制动扭矩/能量依靠气体压力率、旋转表面以及表面速度。讨论的布置结构是非常能量高效的。因此，当在大约10^-4mbar的非常高真空下，飞轮全速运行时，气体摩擦损失的通常量是大约100W。当具有压力率大约100mbar的氮气被释放进入真空室3时，气体摩擦损失增加至大约100kW。存储的动能（在通常情况下，大约5kWh）被作为热能传递至飞轮容置空间，其引起了温度增加。

在通常的例子中，图2示出了曲线21至24，其示出了对于4个例子，在旋转减慢运行期间，飞轮速度作为时间的函数：

例子1（曲线21）对应于高真空中没有助推器通过固有的发动机系统（其构成了最坏的情况）的旋转减慢。在该情况下，没有使用本发明的部件10至13。

例子2（曲线22）对应于高真空中具有助推器通过固有的发动机系统的旋转减慢。在该情况下，没有使用本发明的部件10至13。

例子3（曲线23）对应于使用本发明的部件10至13释放的氮气，以及没有助推器通过固有的发动机系统（其构成了最坏的情况）的旋转减慢。

例子4（曲线24）对应于使用本发明的部件10至13释放的氮气，以及额外地具有内嵌发动机系统的帮助。

可以容易地看出，在例子1中，旋转减慢过程非常长，甚至在例子2中，旋转减慢过程不能在几分钟内获得。通过对比例子3和4，在此本发明用于实践，能够快速地旋转减慢运行，甚至在曲线23的最坏的情况下。

可以指出的是，通过气体摩擦的旋转减慢率（-df/dt）不是恒定的。在高速范围中，非常快，在低速范围中，非常慢。在示意的例子中，在大约25分钟之内，速度达到额定速度的20%。在额定速度的20%处，96%的动能已经得以传递。在备用轴承中，旋转速度低于额定速度的20%时间上没有那么关键。然而，如果必需可以增加作为速度函数的气压率，因此进一步增加低速范围中的-df/dt。

本发明，其可以应用至在磁轴承上的高速能量存储飞轮的所有类型，允许避免在紧急情况下，在备用轴承中的长的旋转减慢时间。快速减慢通过校准流体入口获得。

虽然优选的实施例已经示出和说明，应理解的是，没有偏离限定在权利要求中的本发明的范围，在其中进行的任何改变和修改可以进行。因此，虽然惰性气体可以被认为优选介质以引起在紧急情况下的期望的制动效果，流体也可以使用为在紧急情况下，能够在真空室中产生制动效果的流体。

进一步，虽然本发明可以被应用至5轴磁悬挂，它也可以应用至由组合的主动磁轴承（受控电磁体）和被动磁轴承（永磁体）支撑的旋转飞轮体。

本发明可以应用至竖直旋转的飞轮体以及水平旋转的飞轮体。

Claims

1.一种高速能量存储飞轮系统，包括：转子（1），其位于设置在定子壳体（2）中的真空室（3）中，并且由主动磁轴承（5，6，7）关于所述定子壳体（2）支撑，其特征在于：它进一步包括流体罐（10）和控制设备（11，12，13），其配置为一旦检测到紧急状况，以受控方式选择性地释放流体在真空室（3）中，并且因此选择性通过摩擦在转子（1）上产生制动效果。

2.根据权利要求1所述的高速能量存储飞轮系统，其中所述控制设备包括至少一个流体释放阀（11）以及阀控制设备（13）。

3.根据权利要求2所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述控制设备包括与所述阀控制设备（13）配合的至少一个真空阀（12），以及真空泵系统（14）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述磁轴承（5，6，7）包括第一和第二径向主动磁轴承（6，7）以及轴向主动磁轴承（5）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，它进一步包括结合进所述定子壳体（2）中的电动机（4）或者发电机。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，它进一步包括第一和第二备用轴承（8，9）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述流体罐（10）是包括惰性气体的气体罐。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述流体罐（10）是包括空气的气体罐。

9.根据权利要求5所述的高速能量存储飞轮系统，其中，转换机械能至电能或者转换电能至机械能的能量转换单元与所述电动机（4）或者发电机关联。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述流体罐（10）是包括具有压力在10mbar至1000mbar之间的气体的气体罐。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，所述真空室（3）配置为包括具有剩余压力小于10^-4mbar的真空。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的高速能量存储飞轮系统，其中，阀控制设备包括配置为传感紧急状况的传感器以及电或者机械触发的设备，其响应于所述传感器并配置为打开至少一个流体释放阀（11）以能够将来自于气体罐（10）的校准的气体压力渗透进入真空室（3），并且因此产生所需的转子（1）的快速旋转减慢。

13.一种高速能量存储飞轮方法，包括：在设置在定子壳体（2）中的真空室（3）中旋转转子（1），该转子（1）由主动磁轴承（5，6，7）关于所述定子壳体（2）支撑，其特征在于：它进一步包括检测紧急状况，在紧急状况下，该磁轴承（5，6，7）失效或者失去活性，并且以受控的方式释放来自于流体罐（10）的流体进入真空室（3），并且因此通过摩擦选择性地在转子（1）上产生制动效果。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述转子（1）与引入所述定子壳体（2）中的电动机（4）或者发电机相关联，并且所述方法进一步包括当检测到所述紧急状况时，使用所述电动机（4）或者发电机，转换机械能为电能或者转换电能至机械能的能量转换步骤。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，它包括传感所述紧急状况以及响应于所述传感操作，电或者机械地触发打开至少一个流体释放阀（11），以使得来自于气体罐（10）的校准的气体压力能够渗透进入真空室（3），并且因此产生所需的转子（1）的快速减慢。