CN113904493A - 电磁动力飞轮装置及具有其的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁动力飞轮装置及具有其设备，包括惯性飞轮、电磁驱动器和直流电源；惯性飞轮端面设有永磁体，永磁体的初始位置与磁力发生部相对设置；电磁驱动器有磁力发生部，与永磁体同级性；直流电源与直流电驱动器连通，永磁体与磁力发生部之间形成能启动惯性飞轮旋转的斥力，惯性飞轮旋转第一预设角度，永磁体与磁力发生部断电，惯性飞轮通过其惯性旋转第二预设角度后，直流电源与直流电驱动器再次连通，在惯性飞轮旋转第三预设角度时，永磁体与磁力发生部再次断电，第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的和为360°，惯性飞轮用于先后按照第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的顺序循环旋转。本发明利用惯性飞轮的功率放大器特性，达到小功率输入大功率输出的目的。

Description

电磁动力飞轮装置及具有其的设备

技术领域

本发明涉及机械技术领域，特别是关于一种电磁动力飞轮装置及具有其设备。

背景技术

飞轮是一种依靠惯性旋转的机械装置，通常需要较大驱动力才能启动旋转，当转速越来越高时所需驱动力相应会逐渐减小。惯性飞轮主要应用于陀螺仪、飞轮储能装置、以及需要用惯性力做功的机械设备。内燃机也使用惯性飞轮帮助曲轴消除振动实现平稳工作。

普通惯性飞轮转速低、重量大、体积大用于重型机械设备如冲床、剪板机和单缸柴油机等设备。储能飞轮自身重量低于普通惯性飞轮,转速超高(30000—3、400000转/每分钟)由高速电动/发电机驱动高速旋转储存惯性能量然后转换成发电机模式输出电力，供电时间只有几分钟。之后再重复驱动、供电、再驱动再供电的过程。储能飞轮技术含量高需要超高强度材料制造成本高昂。本发明也属于电磁驱动装置但是和电动机结构完全不同，是惯性飞轮加电磁驱动，可以和电动机发挥同样作用比电动机更节能效率更高，所以称之为电磁动力飞轮。

普通惯性飞轮只是起到平衡机械振动或用在储能飞轮上提供短暂发电的功能，它不能持续旋转，如果没有动力驱动就会慢慢衰减直到停止转动，是一种被动的机械装置。本发明利用惯性飞轮功率放大的特性加入电磁驱动，做到小功率输入大功率输出达到节能目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁动力飞轮装置来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种电磁动力飞轮装置，所述电磁动力飞轮装置包括惯性飞轮、电磁驱动器和直流电源；所述惯性飞轮通过转轴转动连接到基座；所述转轴具有动力输入端和动力输出端；所述惯性飞轮与所述动力输入端同侧的端面设置有永磁体，所述永磁体的初始位置与所述磁力发生部相对设置，且位于所述永磁体的中心偏向旋转方向的初始角度；所述电磁驱动器具有磁力发生部，与所述永磁体同级性；所述直流电源与所述直流电驱动器通过满足第一预设条件的直流电连通的情形下，所述永磁体与其初始位置附近的所述磁力发生部之间形成恰好能启动所述惯性飞轮旋转的斥力，并在所述惯性飞轮旋转第一预设角度的情形下，所述永磁体与所述磁力发生部之间断电，所述惯性飞轮通过其惯性旋转第二预设角度后，所述直流电源与所述直流电驱动器通过满足第二预设条件的直流电再次连通，并在所述惯性飞轮旋转第三预设角度的情形下，所述永磁体与所述磁力发生部之间再次断电，所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的和为360°，所述惯性飞轮用于先后按照所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的顺序循环旋转。

进一步地，所述永磁体的数量至少为两块，并且在以所述惯性飞轮的旋转中心为圆心的一设定圆周上间隔分布，以围绕所述圆心周向形成磁力区域与非磁力区域的间隔分布。

进一步地，所述惯性飞轮和永磁体与所述磁力发生部在沿所述转轴的轴向上的间距设置为预设值。

进一步地，每一块所述永磁体呈弧形，朝所述设定圆周方向延伸，并以可拆卸方式嵌入安装到所述永磁体预置的安装槽中。

进一步地，各所述永磁体相同，为圆环的一部分，所述磁力发生部沿所述惯性飞轮径向的宽度不小于所述永磁体沿所述惯性飞轮径向的宽度。

进一步地，两个所述永磁体相对于所述惯性飞轮的直径对称设置，所述直径垂直于所述两个永磁体的中心圆弧线的中点的连线。

进一步地，所述永磁体为圆环的四分之一。

进一步地，所述直流电的电流范围设定为5-8安培范围的情形下，所述磁力发生部在所述初始位置时，所述初始角度2°，所述第一预设角度为80°，第二预设角度为180°。

进一步地，所述电磁动力飞轮装置还包括容置所述惯性飞轮和电磁驱动器用的密封外壳。

本发明还提供一种具有如上所述的电磁动力飞轮装置的设备。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在惯性飞轮上加入永磁体，驱动系统安装了电磁驱动器。永磁体和电磁驱动器互相排斥使惯性飞轮连续旋转，利用惯性飞轮功率放大器的特性达到小功率输入大功率输出的目的。

2、本发明是一种低耗能的动力设备，可输出扭矩用于驱动各种负载。作为一种动力装置耗电量远低于同等功率的电动机，转速适中可控(转速低于储能飞轮)，使用普通高精密轴承(唯一运动磨损部件)，制造成本和运维成本低。

3、本发明使用永磁体的磁力能量和小功率的直流电。输出功率大启动电流小，持续运转电流更小综合效率高。

4、本发明壳体密封，其内部抽成真空以减小飞轮和转子的旋转阻力提高做功效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电磁动力飞轮装置的立体结构示意图。

图2为图1的电磁动力飞轮装置沿转轴的轴向的剖面示意图。

图3为图1的电磁动力飞轮装置中的惯性飞轮上的永磁体在初始位置与电磁驱动器之间的位置关系示意图。

图4为图3沿转轴的轴向的剖面示意图。

图5为图1的电磁动力飞轮装置中的永磁体的立体结构示意图。

图6为图3中的永磁体与惯性飞轮之间的位置关系示意图。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的电磁动力飞轮装置包括电磁驱动器1、惯性飞轮2和直流电源(图中未示出)。其中，其外优选地罩设密封外壳，比如图中示出标号为4的外壳，由壳盖41和壳体42组成，内部可以抽成真空，真空环境会减少惯性飞轮的旋转阻力，更利于减小惯性飞轮2的旋转阻力，为提升做功效率提供有力条件。

电磁驱动器1具有铁芯，即文中提及的磁力发生部11。磁力发生部11在直流电源提供的直流电的情形下，能够产生磁力。本实施例中，可以根据所应用的场景需求，选择市面上的适配的电磁驱动器1产品。直流电源可以使用如图2示出的控制器12来提供，也可以直接通过电源适配器直接连接家用电源实现。

惯性飞轮2使用高强度不导磁金属材料精密加工制造，主要利用转动惯量工作，可以根据其所应用的设备或场景选择适配的尺寸。

通过转轴3，惯性飞轮2转动连接到基座4，这样，在外部驱动作用下，惯性飞轮2可以相对于基座4旋转。本实施例中，基座4可以作为壳体的一部分。加工时，可以将惯性飞轮2与壳体安装在一起，形成机电一体化结构。

具体地，如图3和图4所示，转轴3具有动力输入端31和动力输出端32。动力输入端31外套装惯性飞轮2，动力输出端32用于套装被驱动装置。于是，惯性飞轮2旋转，便可以将动力，经由动力输入端31传输给动力输出端32，进而带动被驱动装置转动。为了便于理解，将转轴3的轴向直接定义为图4中示出的X方向，惯性飞轮2呈圆盘状，因此，其径向定义为图4中示出的Y方向。沿轴向X，从动力输入端31到动力输出端32，转轴3的外径由细变粗，可以保证动力输出端32连接更为牢靠。

惯性飞轮2与动力输入端31同侧的端面设置有永磁体5，永磁体5在电磁驱动器1的配合下驱动惯性飞轮2旋转，因此磁力将以能源的形式被使用。

本实施例中，驱动方式选用的是同级性相互排斥的原理，即：通过给电磁驱动器1提供较小的直流电，磁力发生部11产生与永磁体5同级性的斥力，比如图5中的N极。永磁体5在斥力从无到有，并且在直流电满足第一预设条件的情形下，开始旋转，从而带动转轴3转动，进而通过动力输出端32输出动力。那么，惯性飞轮2与电磁驱动器1之间并没有机械连接，这样二者之间便不存在磨损和机械阻力，为提升做功效率提供了更有力条件，以在较小直流电驱动下，最大程度地提升动力输出端32的输出功率。当然，也可以说，通过调节直流电流的大小，便可以调节磁力发生部11产生与永磁体5同级性的斥力大小,进而调节了转速。

永磁体5的初始位置与磁力发生部11相对设置，并且，初始位置位于永磁体5的中心0偏向旋转方向的初始角度。例如：直流电的电流范围设定为5-8安培范围的情形下，磁力发生部11在所述初始位置时，初始角度2°。

在一个实施例中，为了保证永磁体5能够在较小直流电驱动下，最大程度地并且源源不断地通过动力输出端32输出功率，本实施例，通过控制器12，周期性地为电磁驱动器1给电和断电。具体包括：

所述直流电源与直流电驱动器2通过满足第一预设条件的直流电连通的情形下，永磁体5与其初始位置附近的磁力发生部11之间形成恰好能启动惯性飞轮2旋转的斥力，并在惯性飞轮2旋转第一预设角度的情形下，永磁体5与磁力发生部11之间断电，惯性飞轮2通过其惯性旋转第二预设角度后，所述直流电源与直流电驱动器2通过满足第二预设条件的直流电再次连通，并在惯性飞轮2旋转第三预设角度的情形下，永磁体5与磁力发生部11之间的再次断电，所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的和为360°，惯性飞轮2能够先后不间断地按照所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的顺序循环旋转，此时的惯性飞轮2的转动加速类似于陀螺定时被鞭子抽一样能够持续旋转，动力输出端32便能够源源不断地为外部输出动力，从而实现采用较小的能量输入实现很大的能量输出。

在一个实施例中，结合图6，永磁体5的数量至少为两块，并且在以惯性飞轮2的旋转中心为圆心的一设定圆周上间隔分布，以围绕所述圆心周向形成磁力区域与非磁力区域的间隔分布。其中的非磁力区域也可以理解为惯性飞轮2旋转的过度空间。当永磁体5与磁力发生部11之间的互相排斥使惯性飞轮2旋转到非磁力区域时，电磁驱动器1断电，磁力发生部11无磁力，永磁体5则会对磁力发生部11产生吸引力，从而使惯性飞轮2在靠惯性旋转的同时又有了一个吸引驱动力。

在一个实施例中，如图4所示，惯性飞轮2和永磁体5与所述磁力发生部11在沿转轴3的轴向Y上的间距设置为预设值。比如：4mm-5mm。这样既可以保证惯性飞轮2旋转时与其他部件或部位没有干涉和刮碰风险，也可以保证轴向间距尽可能小，越小则永磁体5与磁力发生部11之间的相互排斥力越大，这也是为提升做功效率提供更有力条件，以在较小直流电驱动下，最大程度地提升动力输出端32的输出功率。

在一个实施例中，如图5和图6所示，每一块永磁体5呈弯曲状，朝所述设定圆周方向延伸，这样可以在惯性飞轮2旋转轨迹中，保持永磁体5所延伸的区域始终与磁力发生部11相对，保持斥力的稳定，这在固定的给电时间内，对于惯性飞轮5的提速也是有利的。

在一个实施例中，永磁体5以可拆卸方式嵌入安装到永磁体5预置的安装槽中，即便是永磁体5的磁能消耗殆尽，也可以通过拆装永磁体5，并更新。

在一个实施例中，结合图4，各永磁体5相同，可以设置成圆环的一部分，例如：永磁体5是圆环的四分之一。当然，也可以根据惯性飞轮2的直径大小确定永磁体5的圆弧长度。磁力发生部11沿惯性飞轮2径向的宽度W1不小于永磁体5沿惯性飞轮2径向X的宽度W2。这样也是为了尽可能在固定的给电直流电的情形下，增加斥力大小。当然，永磁体5也可以设置为半月形状，还可以根据需求设置成其它形状。

在一个实施例中，结合图6，两个永磁体5相对于惯性飞轮2的直径L2对称设置,这样设置对于高速旋转的惯性飞轮的动平衡性至关重要，也是电磁驱动器对称布局的需要。直径L2垂直于两个永磁体5的中心圆弧线L1的中点的连线L3。这样，相邻的两永磁体5之间为非磁力区域。

在一个实施例中，磁力发生部11在所述初始位置时，位于永磁体5的中心圆弧线L1的中心0偏向旋转方向2°，所述第一预设角度为80°，第二预设角度为180°，所述直流电的电流范围设定在5-8安培之间。

如图1和图3所示，本发明还提供一种具有如上述各实施例所述的电磁动力飞轮装置的设备，设备中还包括光电开关6、振动传感器7、磁能传感器8和角度位置传感器9。其中：光电开关6、振动传感器7和磁能传感器8与电磁驱动器1一同安装于壳盖41，角度位置传感器9与惯性飞轮2一同安装于壳体42。

光电开关6用于根据检测到惯性飞轮上的不同标识位置，控制直流电通断，特别是提高控制控制器12，来控制直流电通断。可以在永磁体5的内环一圈标识出供光电开关6检测用的不同标识位置，例如图3示出的间隔设置的黑色环区域和浅色(白色)环区域，此时光电开关6照射到白色环区域后接收到反射信号，光电开关6闭合，接通电磁驱动器1的直流电源，即为电磁驱动器1给电，当照射到黑色区域没有反射信号，光电开关6断开电磁驱动器1的直流电源，即将电磁驱动器1断电。

振动传感器7用于检测惯性飞轮2上的轴承13的位移跳动量，当位移量超过规定值就需要更换轴承。

磁能传感器8用于检测永磁体5的磁能衰减量检测磁场强度信号，磁场强度低于规定值就需要更换永磁体5。

角度位置传感器9可以设置在惯性飞轮2上，用于测量惯性飞轮2的旋转角度。

本设备使用时，接到启动指令，控制器12根据光电开关6和角度位置传感器9的开关信号，给电磁驱动器2输入相应电流，电磁驱动器2产生磁力与相对永磁体5为同级性，在矢量斥力的作用下飞轮开始旋转实现软启动，惯性飞轮2旋转约80度时，控制器12断开电磁驱动器电源磁力消失，惯性飞轮2靠惯性旋转到180度时，控制器12再次给电磁驱动器供电(260度断电)，惯性飞轮2再次加速旋转到360度起点，如此循环往复逐渐加速旋转达到额定转速。

本发明是机电一体化装置，输出扭力给负载提供旋转驱动力。结构紧凑、活动部件少使用寿命长、维修保养工作量少。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电磁动力飞轮装置，其特征在于，包括惯性飞轮(2)、电磁驱动器(1)和直流电源；

所述惯性飞轮(2)通过转轴(3)转动连接到基座(4)；

所述转轴(3)具有动力输入端(31)和动力输出端(32)；

所述惯性飞轮(2)与所述动力输入端(31)同侧的端面设置有永磁体(5)，所述永磁体(5)的初始位置与所述磁力发生部(11)相对设置，且位于所述永磁体(5)的中心(0)偏向旋转方向的初始角度；

所述电磁驱动器(1)具有磁力发生部(11)，与所述永磁体(5)同级性；

所述直流电源与所述直流电驱动器(2)通过满足第一预设条件的直流电连通的情形下，所述永磁体(5)与其初始位置附近的所述磁力发生部(11)之间形成恰好能启动所述惯性飞轮(2)旋转的斥力，并在所述惯性飞轮(2)旋转第一预设角度的情形下，所述永磁体(5)与所述磁力发生部(11)之间断电，所述惯性飞轮(2)通过其惯性旋转第二预设角度后，所述直流电源与所述直流电驱动器(2)通过满足第二预设条件的直流电再次连通，并在所述惯性飞轮(2)旋转第三预设角度的情形下，所述永磁体(5)与所述磁力发生部(11)之间的再次断电，所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的和为360°，所述惯性飞轮(2)用于先后按照所述第一预设角度、第二预设角度和第三预设角度的顺序循环旋转。

2.如权利要求1所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，所述永磁体(5)的数量至少为两块，并且在以所述惯性飞轮(2)的旋转中心为圆心的一设定圆周上间隔分布，以围绕所述圆心周向形成磁力区域与非磁力区域的间隔分布。

3.如权利要求1所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，所述惯性飞轮(2)和永磁体(5)与所述磁力发生部(11)在沿所述转轴(3)的轴向上的间距设置为预设值。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，每一块所述永磁体(5)呈弧形，朝所述设定圆周方向延伸，并以可拆卸方式嵌入安装到所述永磁体(5)预置的安装槽中。

5.如权利要求4所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，各所述永磁体(5)相同，为圆环的一部分，所述磁力发生部(11)沿所述惯性飞轮(2)径向的宽度(W1)不小于所述永磁体(5)沿所述惯性飞轮(2)径向的宽度(W2)。

6.如权利要求5所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，两个所述永磁体(5)相对于所述惯性飞轮(2)的直径(L2)对称设置，所述直径(L2)垂直于所述两个永磁体(5)的中心圆弧线(L1)的中点的连线(L3)。

7.如权利要求5所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，所述永磁体(5)为圆环的四分之一。

8.如权利要求1所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，所述直流电的电流范围设定为5-8安培范围的情形下，所述磁力发生部(11)在所述初始位置时，所述初始角度2°，所述第一预设角度为80°，第二预设角度为180°。

9.如权利要求1所述的电磁动力飞轮装置，其特征在于，还包括容置所述惯性飞轮(2)和电磁驱动器(1)用的密封外壳。

10.一种具有如权利要求1-9中任一项所述的电磁动力飞轮装置的设备。

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