CN104919681A - 用飞轮存储电力的电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于能量存储的装置,该装置包括:至少一个为洛伦兹型电动机或发电机的电机,其包括转子(1)和定子(4),该转子(1)形成飞轮;固定在所述转子(1)上的至少一个磁体(5);和至少一个磁通闭合装置(3,7)。根据本发明,定子(4)被缠绕并且不具有铁磁材料,并且所述磁通闭合装置(3,7)被安装成随着所述转子(1)的所述磁体(5)同步旋转地移动。
Description
本发明涉及飞轮能量存储装置。
飞轮装置是能够存储和恢复以动能形式存储在旋转质量内的能量的装置。
这种装置尤其用于使电子系统的操作速度平稳并且使得操作速度更规律,无论是否由于系统的电源或接收器使用能量而导致不规则。
因此,它们能够存储过剩能量,接着在系统缺乏能量时恢复它。
特别地,在电子系统的情况下,这种装置可例如用于调节电网的频率,稳定微电网或智能电网或者避免发生中断,以没有中断地提供电源。
相比于传统能量存储装置,飞轮装置具有诸如较长使用寿命(特别是在充电周期和放电周期方面)、较短响应时间和低维护成本的优点。
飞轮装置通常由包括吊轮的组件构成并且与电动机/发动机组合,电动机/发电机的转子连接到所述吊轮以形成飞轮。这个组件通常被布置在真空密闭外壳中,吊轮通常被保持悬于磁场中并且进行稳定化,在文献FR 2882203的含义内,这个构造允许限制由于机械摩擦而导致的能量损耗。
通常,特别期望的是尽可能多地减少现有摩擦力,以使它们产生的能量损耗和噪声污染最少。
当前,飞轮装置在它们配备有电动机/发电机的范围内具有有限效率,从而确保电能转换成动能,相反地,另一方面,其行为对飞轮旋转的稳定性会产生负面影响,另一方面,其效率低是因为,由于在飞轮和绕线定子处出现的摩擦,导致它们主要具有显著的自放电,这些飞轮具有金属芯,从而由于在磁排斥作用下操作的电动机/发电机中的涡电流和焦耳热,导致显著能量损耗。
转子的稳定性还构成主要因素,因为转子的任何不稳定性必须被飞轮的悬吊轴承校正或吸收,这也导致能量损耗。为此目的,电机应该尽可能小地产生使转子不稳定的轴向或径向寄生力。
本发明的目的是克服上述缺陷,特别地,提高这些飞轮装置的稳定和效率,为此目的,它由一种能量存储装置组成,该能量存储装置包括:
-转子,其形成飞轮,
-至少一个洛伦兹(Lorentz)型电动机/发电机,其包括转子、不具有铁磁材料的绕线定子和固定在飞轮上的至少一个磁体,
-至少一个用于闭合磁通的装置,
其特征在于,磁通闭合装置以可动的方式安装成随着电动机/发动机的磁体同步旋转。
应该注意,这种能量存储装置包括不具有金属芯的定子,无论它是块状的还是层压的。更精确地,磁通闭合装置只存在于能量存储装置的转子上。
此外,使用的电动机/发动机是洛伦兹电动机/发动机(也被称为拉普拉斯(Laplace)电动机/发电机),换句话讲,为了进行操作,这种电动机/发动机利用通常由使电流通过的电流导线产生的拉普拉斯力,当导线经受电磁场时,所述电流存在一定强度。由此产生的拉普拉斯力与由导线和电磁场所形成的平面正交。
通过确保磁通闭合装置与转子同步旋转,磁通闭合与转子的感生磁场同步地旋转,感生磁场的方向被优化并且沿着寄生方向的磁场的强度显著降低。
事实上,通过使用固定的磁通闭合,感生磁通的变化导致其中的对应变化。
由于存在构成磁通闭合的材料的磁滞回线,导致这些变化不是同时的,已经观察到磁场的形成,该磁场呈现出沿着不期望方向的寄生分量。
因此,当电动机被供电并且定子形成旋转磁场,产生的驱动力还呈现出特别地沿着径向方向和轴向方向的寄生分量,这使转子进而使飞轮不稳定。
这还导致能量损耗,主要是由于涡流。因此,可以使用层压片材以形成用于闭合转子磁通的装置,以限制这种效果。
通过根据本发明使用随转子的感生磁场同步旋转的磁通闭合,所述磁通闭合不再经受磁场变化并且保持暴露于同一局部磁场。
当存储装置以发电机模式或以自由旋转操作时,同样如此。
以这种方式,电动机/发动机呈现出很少的无负载损耗,也就是说,当在转子正旋转的同时不带负载时,并且电动机/发动机呈现出很少的无负载损耗,也就是说,当在形成飞轮的转子的充电或放电期间在电动机/发动机和外部之间发生能量交换时。
当转子在没有装载电动机/发电机的情况下旋转时,磁通闭合中没有损耗,因为磁通闭合随着电动转子的磁体的感生电场同步地旋转。
当以电动机模式或以发电机模式加载电动机/发电机时,通过转子的磁体提供磁通密度,并且在用于形成磁通密度的电感器中没有能量损耗。
电动机/发电机的定子形成的旋转磁场与磁体和磁通闭合同步,没有由于定子的绕组中的涡流而导致的损耗。只有可能的谐波有可能造成旋转部分中的低损耗。在第一级,损耗限于定子中的少量焦耳效应损耗。
因此,这种装置允许限制电动机/发电机的能量损耗,由此显著增强装置的效率。
根据本发明的可选特征,能量存储装置包括多个磁体,这些磁体固定在形成飞轮的转子上,根据“Klaus Halbach”构造设置,并且定子围绕其设置,从而面对磁体并且与磁体离开。
有利地,“Klaus Halbach”构造允许产生强集中的磁场,该磁场的方向和旋向(sense)受控制。
根据本发明的可选特征,转子包括至少一个磁通闭合装置,磁通闭合装置固定在形成飞轮的转子上,面对磁体、从定子离开、相对于定子位于磁体的相对侧。
根据本发明的可选特征,磁体固定在形成飞轮的转子的圆柱形部分上。适当地,磁通闭合装置优选地被固定在形成飞轮的转子的厚壁上。
有利地,磁通闭合装置可被集成在转子的厚壁中,使得它们没有从厚壁伸出。
类似地,磁体可被集成在转子的圆柱形部分中,使得它们没有从圆柱形部分伸出。
根据优选的变型,磁通闭合装置被实现为在飞轮上的条带的形式。
根据本发明的可选特征,定子包括多相绕组。
有利地,定子的相位布置可被优化,使得电动机/发电机的径向力的结果是零或自定心,并且电动机/发电机的轴向力的结果是零或自定心。
定子相位的这种布置允许向电动机/发电机提供关于形成飞轮的转子的旋转稳定性的中和行为(neutral behavior)。
根据本发明的可选特征,定子的绕组包括利兹(Litz)线。
Litz线由直径为大约0.1mm甚至更小的非常细的剖面的基本股线构成的线组成,允许因涡流造成的损耗显著降低,特别是当电动机/发电机不带负载时。
有利地,当电动机/发电机处于电动机模式时,第一级损耗限于定子中的焦耳损耗。
有利地,当电动机/发电机处于发电机模式时,损耗严格限于定子中的焦耳损耗和定子的Litz线的股线中的涡流损耗。
有利地,定子被缠绕以优化电动机/发电机的操作,同时在最大程度上减小寄生力(也就是说,除了洛伦兹力外的力)。
根据本发明的可选特征,磁通闭合装置由软铁制成。
软铁的磁滞回线非常窄,这样允许降低损耗。
根据本发明的可选特征,形成飞轮的转子包括两个洛伦兹型电动机/发电机,这两个洛伦兹型电动机/发电机对称地且彼此相对地安装在飞轮的中间平面的任一侧。
以这种方式,这种构造允许有更好的效率和更好的力(特别地,轴向力)(该力使形成飞轮的转子不稳定),因为因飞轮在飞轮中间平面的任一侧的旋转而产生的轴向力相对于飞轮的这个中间平面是对称地并且彼此相对地。
有利地,使用两个电动机/发电机还允许增强装置的安全性,达到以下程度:在给定构造中,如果电动机/发电机中的一个没有操作,则这不会防止另一个将能量供应到转子或者从转子获取能量以使得装置继续实现其充电和放电任务,以保持电力网的稳定性或避免中断,从而没有中断地提供电源。
另一个优点在于,当电动机/发电机二者都操作时,允许比只使用洛伦兹电动机/发电机时更快速地供应能量。
根据本发明的可选特征,两个电动机/发电机的定子串联连接。
下文中,作为非限制示例,参照附图描述了本发明可能的实施方式;在所有附图中,相同或类似的参考标号表示相同或类似构件或多组构件:
图1是根据本发明的第一实施方式的转子的示意性纵向剖视图,
图2是根据本发明的第一实施方式的转子的示意性剖视图,
图3是根据本发明的第二实施方式的转子的示意性纵向剖视图,
图4是根据本发明的第二实施方式的定子的绕组的展开视图,
图5是根据本发明的第三实施方式的转子的示意性纵向剖视图,
图6是用于本发明的第四实施方式的“Klaus Halbach”构造中的磁体的立体图,
图7是根据本发明的第四实施方式的转子的示意性纵向剖视图。
参照图1和图2,能量存储装置包括:
-转子1,其形成飞轮,飞轮包括圆柱形部分2和厚壁3,圆柱形部分2和厚壁3是同心的并且相互以远程方式固定连接,以形成单个单件部分。圆柱形部分2和厚壁3支撑可由例如复合材料(特别地,碳纤维)制成的轮(未示出)。
-洛伦兹型电动机/发电机,其包括转子1、定子4和磁体5。磁体5被固定在由铁磁材料制成的转子的圆柱形部分2上,厚壁3由铁磁材料构成,因此被设计成构成用于闭合磁通的装置,定子4设置在圆柱形部分2和厚壁3之间。
因此,厚磁通闭合壁3直接连接到圆柱形部分2并且以相同的旋转运动进行驱动。
以这种方式,磁通闭合是与携载感生磁体的圆柱形部分2同步旋转的。
如以上揭示的,这种构造允许消除能量损耗和寄生力,该寄生力有可能使转子1的旋转不稳定并且将会因为构成厚壁3的材料的磁滞回线而产生。
因此,能量损耗有限,因为磁通闭合没有损耗并且消除了使转子1的旋转不稳定的力。
参照图3和图4,其构造与图1和图2中的相同,不同之处在于用Litz线缠绕定子4。但是,定子4针对圆柱形部分2和厚壁3保持与图1和图2相同的布置。
除了呈现出磁通闭合与电动机/发电机的磁体5产生的磁场同步旋转并因此消除磁通闭合中的损耗之外,装置如图3和图4中所图示的,呈现为缠绕有Litz线的定子,允许相当大程度地减少由于涡电流导致的损耗。
参照图5,转子1呈现为相对于转子1的圆柱形部分2的中心对称地设置的两个洛伦兹型电动机/发电机。
这两个电动机/发电机的构造与之前附图中的基本上相同,因此呈现出两个磁体5(每个电动机/发电机具有一个)和两个定子4。
优选地,定子4a和4b缠绕有Litz线。
制成形成飞轮的转子1,使得轮缘6将圆柱形部分2固定地连接到厚壁3。
轮缘6成型为在其接近圆柱形部分2的内部半径处非常硬,从而不会脱离,并且在其接近厚壁3的外部半径处具有柔性,以正确地跟随厚壁3的变形。
若干轮缘6可被使用的方式是,沿着圆柱形部分2和厚壁3分布,以确保圆柱形部分2和厚壁3之间的完好连接。
优选地,待使用的轮缘6的数量是在考虑到转子1的速度范围的情况下根据轮的谐振模式来确定的。
这种实施方式允许相当大程度地降低能量损耗,并且通过使由于涡流和磁滞而导致的损耗显著地降低来限制转子的自放电,并且抑制使转子1的旋转不稳定的寄生力。另外,使用两个洛伦兹型电动机/发电机允许增强转子1的旋转的稳定性,特别是轴向稳定性。
参照图6和图7,转子1代表与图5的构造类似的构造,即,没有表现出定子4的两个洛伦兹型电动机/发电机。
图6和图7中公开的实施方式与图5中公开的实施方式的不同之处在于,其包括转子1的圆柱形部分2上的根据“Klaus Halbach”构造设置的磁体以形成两个“Halbach圆柱体”5或“磁体圆柱体”,并且在于,转子1主要是用非铁磁材料制成的。磁通闭合通过由软铁类型的铁磁材料制成的两个环7来确保,每个环被集成在转子1的厚壁3的结构中并且被设置成面对Halbach圆柱体。
此实施方式允许相当大程度地降低能量损耗,并且限制转子的自放电。
不必说,本发明不限于作为示例的上述实施方式,但它涵盖描述的装置的所有技术等同物和变型以及它们可能的组合。
Claims (10)
1.一种能量存储装置,该能量存储装置包括:
-转子(1),该转子形成飞轮,
-至少一个洛伦兹型电动机/发电机,该电动机/发电机包括所述转子(1)、不具有铁磁材料的绕线定子(4)和固定在所述转子上的至少一个磁体(5),
-至少一个磁通闭合装置,
其特征在于,所述磁通闭合装置以可动的方式安装成随着所述电动机/发动机的所述磁体(5)进行同步旋转。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述能量存储装置包括多个磁体(5),所述磁体(5)被固定在形成所述飞轮的所述转子(1)上并且是根据“Klaus Halbach”构造来设置的。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述磁通闭合装置(7)被固定在形成所述飞轮的所述转子(1)上、面向所述磁体(5)并且相对于所述定子(4)位于所述磁体(5)的相对侧。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述磁通闭合装置被实现为位于所述飞轮上的条带的形式。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述定子(4)包括多相绕组。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述定子(4)的绕组包括利兹线。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述磁通闭合装置(4)由软铁制成。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的能量存储装置,其特征在于,所述能量存储装置包括两个洛伦兹类型电动机/发电机。
9.根据权利要求8所述的能量存储装置,其特征在于,所述两个电动机/发电机被对称地安装在所述飞轮的中间平面的两侧。
10.根据权利要求8或9所述的能量存储装置,其特征在于,所述两个电动机/发电机的所述定子(4)串联连接。
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Legal Events
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150916 |
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