CN104011983B - 机电飞轮冷却系统 - Google Patents

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CN104011983B CN201280064215.9A CN201280064215A CN104011983B CN 104011983 B CN104011983 B CN 104011983B CN 201280064215 A CN201280064215 A CN 201280064215A CN 104011983 B CN104011983 B CN 104011983B
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Abstract

一种机电飞轮机，所述机电飞轮机包括飞轮体和电动发电机，电动发电机具有能够围绕定子旋转的转子，其中，定子通过流体冷却式定子支撑件悬挂。机电飞轮具有环绕固定的定子的转子以及定子绕组，定子绕组包括环绕定子旋转轴线的励磁绕组和不环绕定子旋转轴线的电枢绕组。

Description

机电飞轮冷却系统
优先权声明
本申请要求于2011年12月24日提交的美国临时申请61/580,220的权益，该项申请的全部内容合并在本文中用于所有用途。
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，本发明涉及采用流体冷却剂系统的机电飞轮。
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机电飞轮部件温度。
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固定的定子的转子以及定子绕组，所述定子绕组包括环绕定子旋转轴线的励磁绕组和不环绕定子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，所述芯部组件包括由流体冷却式定子支撑件所支撑的电动发电机定子；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。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。
在一种实施方式中，所述电动发电机包括环绕定子的转子、壳体以及多个导热杆，所述壳体封闭所述电动发电机定子和转子，所述定子通过中空的定子支撑件来悬挂，所述定子支撑件操作成传递来自所述定子的热量并且使所述定子中空部中的流体冷却剂被加热，每个所述导热杆具有吸热部分和排热部分，每个所述导热杆的吸热部分插入在相应的定子槽中，并且每个所述导热杆的排热部分热联接至所述流体冷却式定子支撑件。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括进入管道，所述进入管道操作成向所述定子支撑件供给流体冷却剂，并且所述进入管道和所述定子支撑件的周壁限定用于从所述定子支撑件转移出流体冷却剂的环形流动空间。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括流体冷却剂泵，所述流体冷却剂泵使流体冷却剂在冷却剂回路中移动，所述冷却剂回路包括所述进入管道和所述环形流动空间。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括外壳，所述外壳环绕所述电动发电机定子和转子，所述外壳用于使外壳流动通道中的流体被冷却。
在一些实施方式中，上述机电飞轮的冷却回路包括所述外壳流动通道。并且，在一些实施方式中，所述机电飞轮具有由共用的中间壁隔开的内壳流动通路和外壳流动通路。并且，在一些实施方式中，所述机电飞轮外壳具有使用外部空气冷却的壁部。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括环绕所述电动发电机定子和转子的外壳，所述外壳用于使外壳流动通道中的流体被冷却。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括环绕所述电动发电机定子和转子的内壳，所述内壳被所述外壳环绕，所述内壳用于使内壳流动通道中的流体被加热。
在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括流体冷却剂泵，所述流体冷却剂泵使流体冷却剂在冷却剂回路中移动，所述冷却剂回路包括穿过流体室的进入管道，所述进入管道操作成向所述定子支撑件供给流体冷却剂，所述进入管道和所述定子支撑件的周壁限定用于从所述定子支撑件转移出流体冷却剂的环形流动空间，所述流体室将所述环形流动空间和所述外壳流动通道流体联接，所述内壳流动通道将所述外壳流动通道和排出管道流体联接。
在一些实施方式中，上述机电飞轮的特征在于：所述定子支撑件具有大直径部分和小直径部分；导热杆的排热部分热联接至所述定子支撑件的大直径部分；所述定子固定至所述定子支撑件的小直径部分；并且，所述定子支撑件的大直径部分和小直径部分的直径被选择成使得能够使用笔直的导热杆。
并且，在一些实施方式中，上述机电飞轮还包括所述定子支撑件的大直径部分的内壁，所述内壁对用于扩展所述内壁的热传递表面的多个散热片进行支撑。并且，在一些实施方式中，所述导热杆为细长的金属杆。并且，在一些实施方式中，所述导热杆为导热管。
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相关部件。
图7示出了图1的机电飞轮机的上轴承组件和一些相关部件。
图8示出了图1的机电飞轮机的第三实施方式。
图9A示出了图1的机电飞轮机的第一机电飞轮冷却系统的示意图。
图9B示出了用于第一机电飞轮冷却系统的温度标示与状态点的图。
图9C示出了图1的具有增强的冷却供给部的机电飞轮。
图9D示出了图9C的具有导热管的机电飞轮。
图9E示出了图1的机电飞轮机的第二机电飞轮机冷却系统的示意图。
图9F示出了第二机电飞轮冷却系统的与状态点对应的温度标示图。
图10A示出了分布式电力电子部分冷却装置1000A。
图10B示出了分布式电力电子部分冷却装置1000B。
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A直接连接至B以及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(如此处示出的)。
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(比如使飞轮转子加速)。
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、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通过内部壳体的第一壁部332支撑的静止悬架元件346。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)的单极装置，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。名为HUB AND CYLINDER DESIGNFOR FLYWHEEL SYSTEM FOR 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，其中包括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。
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。
常用的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.US 5，462，402FLYWHEELWITH 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并合并到飞轮系统中。
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(比如大直径定子周缘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，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周缘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465、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465、464。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、560。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。显然，在多种实施方式中，磁路部分组件的不同之处仅仅在于它们的取向。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，而组件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704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816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冷却剂进入导管801。如示出的那样，冷却剂进入导管包括进入定子支撑件的液体冷却液流802。支撑结构内径817与冷却剂进入导管外径815之间的环状区域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提供和/或加强定子冷却。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。
在多种实施方式中，本文中公开的机电飞轮采用包括有流体热传递介质的冷却系统。例如，一些冷却系统实施方式将定子支撑件811用作上述的冷却流体热交换器。如本文中的冷却系统中所用，流体包括液体、气体和液体及气体的混合物，比如冷凝蒸气。
下面进一步描述包括有流体传递介质的机电飞轮冷却系统。
图9A示出了第一机电飞轮冷却系统的示意图900A。流体泵906使冷却剂在流体回路901中移动。循环的流体吸收由电损耗和摩擦损耗产生的热量。特别地，循环的流体吸收因电动发电机902和电力电子部分905中的电损耗而产生的热量。另外，循环的流体吸收与飞轮体904相关联的摩擦/阻力损耗所产生的热量。适合的冷却剂流体包括水、乙二醇、诸如DOWTHERMTM的商用热传递流体和卤代氢，以及本领域技术人员所熟知的其它适合的流体热传递介质。
在一种实施方式中，在电动发电机热损失902传递至可选第一热交换器HRX1中的流体之后，但在飞轮体热损失904传递至可选第一热交换器HRX1中的流体之前，从可选第一热交换器HRX1中的流体中以Qdot1除去热量。并且，在多种实施方式中，通过电力电子部分损耗905与泵906附加热量(如果有)之间的第二热交换器HRX2，从可选第一热交换器HRX1中的流体中以Qdot2除去热量。如本文中所用，“Qdot”指的是传递热量的速率比如BTU/hr，“Qdot”可以替代性地表示为在字母Q上方的点。
图9B示出了第一机电飞轮冷却系统的与状态点对应的温度标示图900B。下来对由于与冷却剂流体进行热交换而造成的流体温度变化进行描述。在状态点1与状态点2之间，如流体温度从T1上升至T2所表示的那样，流体被电动发电机损耗902加热。在状态点2与状态点3之间，如流体温度从T2下降至T3所表示的那样，流体由于热交换器HRX1的排热Qdot1而冷却。
HRX1的下游处，在状态点3与状态点4之间，如流体温度从T3上升至T4表示的那样，流体被飞轮阻力损耗904加热。在状态点4与状态点5之间，如流体温度从T4上升至T5表示的那样，流体被电力电子部分损耗905加热。在状态点5与状态点6之间，如流体温度从T5上升至T6表示的那样，流体被泵损耗906加热。并且，在状态点6与状态点1之间，如流体温度从T6下降至T1表示的那样，流体由于热交换器HRX2的排热Qdot2而冷却。
应当指出的是，上面描述的流体热交换和因此导致的流体温度变化仅表示多个可能的散热设计方案中的一个，并且仅表示多个可能的运行状态组中的一个。例如，在另一散热设计方案(例如，更小或更大的HRX1)和/或不同的运行状态(例如，待机运行与满载发电机)的情况下，状态点2与状态点3之间的温度变化可能更小或更大。另一示例反转了流体冷却剂在流体回路901中的流动方向。因此，图9B提供多个可能的状态点组中的一组，用于通过使用并非限制本公开的一般性的特定示例示出与本发明一致的概念。
图9C示出了具有增强的冷却供给部的机电飞轮900C。如所示，定子支撑件927包括大直径部分922，所述大直径部分922由内盖915支撑。内盖和与其相对的内底部917与循环内壁916的反向的开口端联接，从而形成最靠内的封闭部931并且限定飞轮空间929。循环中间壁914环绕内壁，并且循环外壁912环绕中间壁。如所示，外壳和外壳流动通道由中间壁和外壁限定，而内壳和内壳流动通道由内壁和中间壁限定。在多种实施方式中，中间壁由比如塑料的聚合物形成，例如高密度聚乙烯。
在多种实施方式中，循环中间壁由相邻的结构支撑，相邻的结构比如为内盖或外盖中的一个。外盖913和与其相对的外底部911与循环外壁的反向的开口端联接，形成外封闭部933。内盖和外盖间隔开以便形成流体室919，而外壁和中间壁限定外部流动通路920，中间壁和内壁限定内部流动通路918。
大直径定子支撑部分922与较小直径定子支撑部分924相邻。在多种实施方式中，这些定子部分通过过渡部分连接，所述过渡部分比如为压力恢复结构，例如截头锥状部分(未示出)。外盖915与内盖913中插入有中心冷却剂进入管道928，所述中心冷却剂进入管道928延伸穿过大直径定子支撑部分并进入到小直径定子支撑部分，从而在定子支撑部分中形成了相应的大环形流动通道923和小环形流动通道925。在多种实施方式中，大直径定子部分包括热传递区域加强部926，比如散热片(未示出)，其从大直径定子部分内壁937径向向内延伸。
在运行期间，循环的冷却剂流体吸收热量、传递热量以及排出热量。源自外封闭部933外部的冷却剂流体930被进入管道928接纳。来自管道的流体932进入小直径定子支撑部分的环形流动通道925。在穿过该流动通道时，冷却剂吸收由热联接至定子支撑件927的定子954产生的热量。特别地，定子损耗包括电枢绕组958损耗、励磁绕组960损耗和芯部/铁956损耗。
来自小直径流动通道的流体932进入大直径定子支撑部分的环形流动通道923。如上所述，该流动通道937的内表面的一些实施方式包括延伸的热传递表面，比如散热片926。并且，如下所述，延伸的热传递表面使得从定子支撑部分到冷却剂的热传递增强。
来自大直径定子支撑部分的环形流动通路的流体934进入流体室919。来自流体室的流体936进入外流动通道920。在穿过该外流动通道时，冷却剂通过传导将热量排出包括外壁912在内的外封闭部933部分。在多种实施方式中，外壁通过对流将热量排至周围环境944。
来自外流动通道的流体938进入内流动通道918。在穿过该内流动通道时，冷却剂吸收来自飞轮空间929的热量。在多种实施方式中，该空间内的热源包括移动部件的所承受的空气阻力或阻碍，包括飞轮损耗950和转子铁损耗。尽管对流的热传递在飞轮空间被排空时受限制，但热量传递至内壁916的内表面980通过对流和辐射热传递来实现。
来自内流动通道的流体939进入一个或多个用于将流体传递至外封闭部外侧940的排出管道948。冷却剂流体在返回进入管道以便再次在外封闭部933内穿过流动回路之前被冷却。
能够通过使用热传递杆“导热杆”来增强定子的热传递并且尤其是电枢绕组的热传递。导热杆包括导热管和金属杆。尽管这些导热管和金属杆通常具有相似的外形，但导热管为包含有工作流体的中空结构，而金属杆通常为实心金属杆，其由具有高导热率的金属制成。适合的导热管包括使用水作为工作流体的管，并且适合的金属杆包括由铜和/或铝制成的金属杆。
图9D示出了图9C的具有导热管的机电飞轮900D。如所示，多个导热管970从定子支撑件的大直径部分922延伸出并且穿过相应的定子槽976。导热管的吸热端975位于槽基与形成电枢绕组的绕组958之间的相应的定子槽中。在多种实施方式中，用于冷却定子和电枢绕组的热传递通过从绕组到导热管的传导978以及通过从定子至导热管的传导956(接触区域未示出)实现。应当指出的是，励磁绕组960在定子被冷却时冷却。
在定子组件954冷却期间，热量沿着导热管970的长度被传递至导热管排热端974。从导热管到冷却剂的热传递通过从导热管到定子支撑件的大直径部分922以及从该部分到冷却剂的传导972发生。在多种实施方式中，大直径定子支撑部分的内表面937提供延伸的热传递表面，比如该表面表现为平行散热片926，所述平行散热片926被布置成：形成与冷却剂流动通道的方向大致对齐的邻近流动通路。
在多种实施方式中，金属杆取代图9D的导热管。在这些实施方式中，与导热管实施方式相比较，将取得较小的热传递速率，因此，飞轮放热工况之间的时间通常被增大以便提供用于从定子到冷却剂流体的热传递的更多的时间。
图9E、9F示出了图9C、9D的机电飞轮的第二机电飞轮冷却系统的示意图900E及其温度标示和状态点的图900F。冷却剂通过流体泵990被传输到流体回路988中。循环的流体冷却剂吸收由电损耗和摩擦损耗产生的热量。具体来说，循环的流体吸收来自电动发电机定子954的电损耗的热量和来自电力电子部分冷却器981的热量。另外，循环的流体吸收来自与飞轮体950相关联的摩擦/阻力损耗的热量。适合的流体包括水、乙二醇、诸如DOWTHERMTM的商用热传递流体和卤代氢，以及本领域技术人员所熟知的其他适合的流体热传递介质。
从定子除去的热量包括来自定子芯部(铁损耗)956、定子电枢958(铜损耗)和定子励磁960(铜损耗)的损耗。芯部热损耗Qdotcore被传递至热交换器HXcore中的冷却剂，使冷却剂的温度从T1上升至T2。这里，热量传递通路包括a)：从芯部956到定子支撑件的小直径部分925再到冷却剂的通路，以及b)：从芯部956到导热管970再到定子支撑件的大直径部分922再到冷却剂的通路。电枢热损耗Qdotarmature被传递至热交换器HXarmature中的冷却剂，使冷却剂的温度从T2上升至T3。电枢热传递通路包括上述通路a)和通路b)。励磁热损耗Qdotfield被传递至热交换器HXfield中的冷却剂，使冷却剂的温度从T3上升至T4。励磁热损耗通路包括上述通路a)和通路b)。
离开定子支撑部分的冷却剂由流体室919传递至外部热传递通路920，在外部热传递通路920处，热量被冷却剂除去。冷却剂热损耗QdotA例如被传递至周围环境，使热交换器HRXA中冷却剂的温度从T4降低至T5。热传递通路包括从冷却剂到外部热传递通路外壁912再到周围环境944的通路c)。
离开外部热传递通路的冷却剂938进入内部热传递通路918，在内部热传递通路918处，热量被冷却剂除去。飞轮体阻力损耗Qdotflywheel被传递至热交换器HXflywheel中的冷却剂，使冷却剂的温度从T5上升至T6。热传递通路包括从热的飞轮空间环境929到内部热传递通路内壁980再到冷却剂的通路d)。
离开内部热传递通路的冷却剂940进入电力电子部分冷却器981(比如冷却板)，在其处，热量Qdotpower electronics从电力电子部分传递至热交换器HXpower electronics中，使冷却剂的温度从T6上升至T7。热传递通路包括从电力电子部分直接或间接到冷却剂的通路e)。示例性冷却的电力电子部分部件包括功率半导体。在多种实施方式中，这些装置的热传递是通过与电力电子部分部件与冷却剂直接接触和/或间接冷却来实现的，所述间接冷却比如使用具有内部冷却剂槽道的冷却板进行冷却。例如见MaxQ Technology冷却板、Tempe的LLC冷却板、包括MQT系列的AZ的冷却板(比如MQT 1617冷却板)。
在离开电力电子部分冷却器之后，冷却剂进入热交换器HRXB，在热交换器HRXB处，热量被冷却剂除去。常用的排热装置包括鳍状管热交换器(比如采用风扇冷却的横流型紧凑热交换器)。冷却剂热损耗QdotB传递到热交换器HRXB中，使冷却剂的温度从T7下降至T8。热传递通路包括从冷却剂到热交换器再到周围环境的通路f)。
冷却剂循环由位于热交换器HRXB与热交换器HXcore之间的冷却泵990提供。由泵对冷却剂进行的工作用于将冷却剂从T8变热至T1。在冷却剂为气体比如卤代氢的情况下，冷却剂变热在该情况下可表现为对下游排热装置的重要负担。在一些实施方式中，颠倒了泵990的和热交换器HRXB的在流体回路中的位置以便对泵的下游进行冷却(比如在使用可压缩流体的情况下)。
在状态点1与状态点4之间，流体被电动发电机定子损耗Qdotcore(状态点1至2)、Qdotarmature(状态点2至3)和Qdotfield(状态点3至4)加热。在状态点4与状态点5之间，冷却剂由于排热QdotA而冷却。在状态点5与状态点6之间，冷却剂被飞轮阻力Qdotflywheel加热。在状态点6与状态点7之间，冷却剂被电力电子部分热损耗Qdotpower electronics加热。在状态点7与状态点8之间，冷却剂因排热QdotB冷却。并且，在状态点8与状态点1之间，冷却剂被泵990的工作加热。
应当指出的是，上面描述的冷却剂流体热交换和因此导致的流体温度变化仅表示多个可能的散热设计方案中的一个，并且仅表示多个可能的运行状态组中的一个。例如，在另一散热设计方案(例如，更小或更大的HRXA)和/或不同的运行状态(例如，待机运行与满载发电机)的情况下，状态点2与状态点3之间的温度变化可能更小或更大。因此，图9F提供多个可能的状态点组中的一组，意在通过使用并非限制本公开的一般性的特定示例示出与本发明一致的概念。
应当指出的是，冷却负荷可以通过负荷类型来分布，比如电力电子部分冷却。冷却负荷还可以按特殊的冷却负荷分布方式来分布。
在一些实施方式中，电力电子部分216被分布并提供有不仅用于分配电力电子负荷还用于分布相应的冷却负荷的装置。图10A和图10B示出分布式电力电子部分冷却装置1000A和分布式电力电子部分冷却装置1000B。
如图10A、图10B所示，比如飞轮机表面1001的表面提供用于支撑和/或安装分布式电力电子部分模块1002(示出的有七个)的表面。该表面可以与外盖913(见图9C、9D)大致相同的延伸范围、或者为与外盖913相同的表面。
将电力电子部分216(见图2)分布在电力电子模块1002当中，使得能够按照如上述那样对相应的冷却负荷进行分布。这里示出了若干个电力电子模块1002，每个模块包括具有功率半导体的电子封装组件1006，所述功率半导体比如为集成栅双极型晶体管(“IGBT”)，并且每个模块包括用于吸收由电子封装组件产生的热量的冷却板1004。多个电力电子模块与定子120进行电力交换。
如本领域技术人员将理解的那样，电力电子部分冷却负荷在冷却板之间分配。
用于冷却每个电力电子模块的主要部件包括冷却板1004、流体排出管道(这里为冷却板入口管道)948和冷却板排出管道1022。所有模块所共用的部件包括冷却剂流体循环泵1003、泵抽吸侧歧管和冷却剂进入管道928。在多种实施方式中，冷却板设置在具有泵的流体回路中，其中，所述泵用于使冷却剂从机电飞轮的外周区域移动至机电飞轮的中央区域，比如从机电飞轮外周附近的内部冷却通路移动到机电飞轮的中央部分附近的小的环形流动通道。
冷却剂泵1003包括原动机，所述原动机比如为用于使泵头1005运行的电动机1024。泵的抽吸侧通过泵抽吸管道1030流体联接至泵抽吸歧管1020。泵排放侧通过冷却剂进入管道928流体联接至内部冷却通路918。
在运行时，分布式电力电子模块1002通过冷却剂排出管道948而被内部冷却通路918供给的冷却剂流体所冷却，所述冷却剂排出管道948与电力电子模块冷却板1004流体联接。冷却板内的冷却剂通道(未示出)将冷却剂引导至与其流体联接的冷却板排出管道1022。该管道流体联接至泵抽吸歧管1020，从而泵1003的运行将冷却剂从内部冷却通路918吸入、随后穿过冷却板、穿过泵抽吸歧管和泵。从泵排放出的冷却剂通过冷却剂进入管道928返回至小的环形流动通道925。
现在转向飞轮系统的运行，在多种实施方式中，机电飞轮的飞轮体在飞轮充能期间由电动发电机加速。在充能期间，能量被传递至电动发电机。在释放能量期间，电动发电机在飞轮体减速时将飞轮的动能转换成电能。电力电子部分提供网络电力电子的转换以便驱动电动发电机和机械联接的飞轮体。电力电子部分还将电动发电机产生的电力转换成适于电力被传递至的电子网络所使用的波形。
在运行时，机电飞轮系统、冷却系统的实施方式(比如图8和图9A-F中示出的那些实施方式)使用定子支撑件811、927引导流体冷却剂穿过飞轮机芯部组件112。泵906、990使冷却剂流体穿过定子支撑件进行循环，以便吸收机电飞轮系统表现为热量的电损耗和摩擦损耗。多种实施方式中包括一个或多个用于为冷却剂排热的外部冷却通路920、用于吸收热量的内部冷却通路918和热量交换区域增强部(比如从定子支撑件927的内壁937延伸出的散热片926)。在一种实施方式中，在外封闭部933外部的热交换器用来对冷却剂进行冷却(比如通过强制对流进行冷却)。
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 (14)

1.一种机电飞轮，包括：
电动发电机，所述电动发电机包括环绕定子的转子；
一个或多个环绕所述转子的旋转轴线的定子励磁绕组；
壳体，所述壳体封闭所述定子和所述转子；并且所述定子通过挂接在所述壳体上的流体冷却式定子支撑件来悬挂；
上轴承承载件，从定子支撑件延伸出，包括固定板和移动板，
所述移动板包括弹簧空间和机械轴承空间，所述移动板能够与机械轴承相互接合；所述移动板的运动用于选择性地联接所述机械轴承和所述转子；并且所述移动板由所述定子支撑件支撑。
2.根据权利要求1所述的机电飞轮，其中，所述电动发电机为单极电机。
3.根据权利要求2所述的机电飞轮，其中，所述定子支撑件是中空的；
并且所述定子支撑件操作成传递来自所述定子的热量并且使中空的所述定子支撑件中的流体冷却剂被加热；
其中，所述机电飞轮还包括多个导热杆，每个所述导热杆具有吸热部分和排热部分；每个所述导热杆的吸热部分插入在相应的定子槽中；并且每个所述导热杆的排热部分热联接至所述流体冷却式定子支撑件。
4.根据权利要求3所述的机电飞轮，还包括：
所述定子支撑件具有大直径部分和小直径部分；
所述导热杆的排热部分热联接至所述定子支撑件的大直径部分；
所述定子固定至所述定子支撑件的小直径部分；并且
所述定子支撑件的大直径部分和小直径部分的直径被选择成使得能够使用笔直的导热杆。
5.根据权利要求4所述的机电飞轮，还包括：
所述定子支撑件的大直径部分的内壁；并且所述内壁对用于扩展所述内壁的热传递表面的多个散热片进行支撑。
6.根据权利要求5所述的机电飞轮，还包括：
进入管道，所述进入管道操作成向所述定子支撑件供给流体冷却剂；并且所述进入管道和所述定子支撑件的周壁限定用于从所述定子支撑件转移出流体冷却剂的环形流动空间。
7.根据权利要求6所述的机电飞轮，还包括：
流体冷却剂泵，所述流体冷却剂泵使流体冷却剂在冷却剂回路中移动；并且
所述冷却剂回路包括所述进入管道和所述环形流动空间。
8.根据权利要求7所述的机电飞轮，还包括：
外壳，所述外壳环绕所述电动发电机定子和转子；并且所述外壳用于使外壳流动通道中的流体被冷却。
9.根据权利要求8所述的机电飞轮，其中，所述冷却剂回路包括所述外壳流动通道。
10.根据权利要求9所述的机电飞轮，其中，所述外壳具有使用外部空气冷却的壁部。
11.根据权利要求10所述的机电飞轮，还包括：
内壳，所述内壳环绕所述电动发电机定子和转子；所述内壳被所述外壳环绕；并且所述内壳用于使内壳流动通道中的流体被加热。
12.根据权利要求11所述的机电飞轮，其中，所述内壳流动通道和所述外壳流动通道由共用的中间壁隔开。
13.根据权利要求12所述的机电飞轮，其中：
所述进入管道穿过流体室，所述流体室将所述环形流动空间和所述外壳流动通道流体联接，并且所述内壳流动通道将所述外壳流动通道和排出管道流体联接。
14.根据权利要求13所述的机电飞轮，还包括：
多个电力电子模块，所述多个电力电子模块用于与所述定子进行电力交换；每个电力电子模块联接至流体冷却式热交换器；并且每个流体冷却式热交换器设置在流体回路中，所述流体回路包括有用于使冷却剂从所述机电飞轮的外周区域移动至所述机电飞轮的中央区域的泵。
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