CN1818406A - 航天器用磁悬浮储能飞轮系统 - Google Patents
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Abstract
航天器用磁悬浮储能飞轮系统，可作为卫星、对地观测平台、宇宙飞船、航天飞机、月球车等航天器的储能装置，主要由轴向混合磁轴承、保护轴承、径向/轴向一体化位移传感器、高强度复合材料转子、电动机/发电机、径向混合磁轴承、壳体、安装轴、锁紧螺母等部件组成。电动机/发电机和安装轴处于飞轮的中部，向外依次是径向混合磁轴承、径向/轴向一体化位移传感器、保护轴承、轴向混合磁和锁紧螺母，高强度复合材料转子位于径向混合磁轴承的外侧，整个系统由密封在壳体内部。本发明具有储能密度大、峰值功率高、寿命长、可靠性高、不存在化学污染等优点。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种磁悬浮储能飞轮系统，可作为卫星、对地观测平台、宇宙飞船、航天飞机、月球车等航天器的储能装置，也可以作为蓄电池、不间断电源和电动汽车、火车等交通工具的动力源。
背景技术
能源问题是卫星、对地观测平台、宇宙飞船、空间望远镜等航天器寿命短、可靠性低的主要制约因素之一，提高电源的供给能力、寿命和可靠性是航天器亟待解决的核心问题。目前航天器用化学电池的能量密度低、使用寿命有限、工作性能不稳定、电量不确定，而磁悬浮储能飞轮与其相比，具有储能密度大、峰值功率高、寿命长、工作性能稳定、能量转换效率高、无污染等诸多优点，对于提高航天器用电源的供给能力、延长寿命、提高可靠性等性能方面具有显著意义。同时，储能飞轮系统不仅可以取代蓄电池作为航天器储能装置，还可以利用储能飞轮产生的动量矩对航天器姿态进行有效控制，这种独特的双重功能对于提高卫星、对地观测平台、宇宙飞船等诸多航天器的性能有其显著意义。此外，磁悬浮储能飞轮还可以作为蓄电池、不间断电源和电动汽车、火车等交通工具的动力源。目前的储能飞轮有的为径向磁轴承采用主动磁轴承，而轴向磁轴承采用被动磁轴承支承，主要应用于电动汽车、不间断电源等工业部门，而有的储能飞轮为内转子结构，存在储能密度低、体积大等缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种比能量密度和放电深度高、寿命长、功耗低、峰值功率大、工作性能稳定、能量转换效率高、无污染的外转子结构形式的永磁偏置混合磁悬浮储能飞轮。
本发明的技术解决方案是：航天器用磁悬浮储能飞轮系统由静止部分和转动部分两部分组成，其特征在于：静止部分包括：轴向混合磁轴承的静止部分、保护轴承、径向/轴向一体化位移传感器、电动机/发电机的静止部分、径向混合磁轴承的静止部分、壳体、安装轴和锁紧螺母；转动部分包括：轴向混合磁轴承的转动部分、高强度复合材料转子、电动机/发电机的转动部分和径向混合磁轴承的转动部分。电动机/发电机位于系统的中间位置，其转动部分安装在高强度复合材料转子的轮壳内部，其静止部分安装在安装轴上，径向混合磁轴承处于电动机/发电机的两端，其静止部分与安装轴连接在一起，其转动部分与高强度复合材料转子的轮壳连接在一起，在径向混合磁轴承的外侧各有一个固定在安装轴上的径向/轴向一体化位移传感器、轴向混合磁轴承位于飞轮的两端，在轴向混合磁轴承和径向/轴向一体化位移传感器之间为保护轴承，保护轴承与安装轴相连接，在保护轴承的外侧为轴承座，轴承座与高强度复合材料转子连接在一起，径向/轴向一体化位移传感器、保护轴承和轴向混合磁轴承通过锁紧螺母固定在安装轴上，整个系统由密封在壳体内部，保持内部真空，以减小空气阻力，提高转速。径向/轴向一体化位移传感器的输出电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与径向混合磁轴承、轴向混合磁轴承的电磁线圈相连，形成电的闭环回路。
本发明的原理是：通过径向混合磁轴承保持飞轮的旋转部分与飞轮静止部分的径向间隙及电动机/发电机定转子径向间隙均匀以及保证非接触稳定悬浮，通过轴向混合磁轴承保持飞轮的旋转部分与飞轮的静止部分轴向间隙均匀以及保证非接触稳定悬浮，同时保持电动机/发电机的定、转子轴向对齐。当飞轮受到某一因素的干扰后，使飞轮的径向或轴向间隙发生变化时，位移传感器将及时检测出间隙的变化，发出检测信号，外加控制器通过增加或减小径向混合磁轴承、轴向混合磁轴承的电磁线圈中的电流，增大或减小径向混合磁轴承、轴向混合磁轴承的磁力，从而保持飞轮的静止部分与转动部分的径向和轴向间隙均匀和稳定悬浮，消除干扰的影响，维持飞轮正常稳定运转。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了永磁偏置的径向混合磁轴承和轴向混合磁轴承技术，提高了飞轮转速、降低了功耗、提高了抗干扰能力、延长了使用寿命；在高速飞轮的转子部分采用了外转子结构和高强度复合材料技术，可大大提高储能密度；同时采用高效永磁无刷直流电动机/发电机，减小了损耗、提高了能量转换效率。
附图说明
图1为本发明所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统剖面图；
图2为本发明的永磁偏置主动式外磁钢径向混合磁轴承剖面图；
图3为本发明的永磁偏置主动式内磁钢轴向混合磁轴承剖面图；
图4为本发明的永磁偏置主动式外磁钢轴向混合磁轴承剖面图；
图5为本发明的高强度复合材料转子剖面图；
图6为本发明的径向/轴向一体化位移传感器结构主视图；
图7为图6结构的俯视图；
图8为本发明的保护轴承方案示意图；
图9为本发明的永磁无刷直流电动机/发电机剖面图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由静止部分和转动部分两部分组成，其特征在于：静止部分包括：轴向混合磁轴承1的静止部分、保护轴承2、径向/轴向一体化位移传感器3、电动机/发电机4的静止部分、径向混合磁轴承6的静止部分、壳体7、安装轴9和锁紧螺母10；转动部分包括：轴向混合磁轴承1的转动部分、高强度复合材料转子4、电动机/发电机5的转动部分和径向混合磁轴承6的转动部分。电动机/发电机5位于系统的中间位置，其转动部分安装在高强度复合材料转子4的轮壳内部，其静止部分安装在安装轴9上，径向混合磁轴承6处于电动机/发电机5的两端，其静止部分与安装轴9连接在一起，其转动部分与高强度复合材料转子4的轮壳连接在一起，在径向混合磁轴承6的外侧各有一个固定在安装轴9上的径向/轴向一体化位移传感器3、轴向混合磁轴承1位于飞轮的两端，在轴向混合磁轴承1和径向/轴向一体化位移传感器3之间为保护轴承2，保护轴承2与安装轴8相连接，在保护轴承2的外侧为轴承座8，轴承座8与高强度复合材料转子4连接在一起，径向/轴向一体化位移传感器3、保护轴承2和轴向混合磁轴承1通过锁紧螺母10固定在安装轴9上，整个系统由密封在壳体内部。径向/轴向一体化位移传感器3的输出电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与径向混合磁轴承6、轴向混合磁轴承1的电磁线圈相连，形成电的闭环回路。
两个轴承座8的内部分别与两对保护轴承2形成0.10-0.15mm(本实施例为0.12mm左右)的径向保护间隙和0.10-0.15mm (本实施例为0.12mm左右)的轴向保护间隙。
本发明的径向混合磁轴承6为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，如图2所示的外磁钢径向磁轴承，也可以是纯电励磁的磁悬浮轴承，还可以是只有永磁偏置的被动式磁悬浮轴承。
图2为本发明的永磁偏置主动式外磁钢径向混合磁轴承剖面图，在该种径向磁轴承中，主要由定子铁心65、空气隙64、转子铁心63、外导磁环62、永磁体61、隔磁环67、激磁线圈66等组成。其中转子铁心63、外导磁环62、永磁体61、隔磁环67为转动部分，其余为静止部分。
本发明的轴向混合磁轴承1为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、电磁控制的主动磁悬浮轴承，可以是吸浮力相等的对称结构，也可以是吸浮力不相等的非对称结构。如图3所示的永磁偏置主动式内磁钢轴向混合磁轴承、图4所示的永磁偏置主动式外磁钢轴向混合磁轴承；也可以是纯电励磁的磁悬浮轴承，还可以是只有永磁偏置的被动式磁悬浮轴承。
图3为本发明的永磁偏置主动式内磁钢轴向混合磁轴承剖面图，图4为本发明的永磁偏置外磁钢轴向混合磁轴承剖面图。在这两种轴向混合磁轴承中，主要由轴承体11、永磁环13、导磁环16、激磁气隙14、轴向磁轴承转子15、激磁线圈12等组成。
图5为本发明的高强度复合材料转子4的剖面图，由高强度软磁材料的金属环41和碳纤维复合材料缠绕粘合而成的高强度复合材料42组成。
图6和图7为本发明的径向/轴向一体化电涡流位移传感器的主视图和俯视图，四个径向位移传感器探头31～34均布在传感器座的外圆周上，两个位移传感器探头35和36位于传感器座内的端面上，位移传感器探头31～34和径向探测体42之间形成径向探测间隙，位移传感器探头35和36与轴向探测体41之间分别形成轴向探测间隙，径向探测间隙一般为0.25mm～1.25mm，轴向探测间隙一般为0.5mm～1.5mm。两个径向位移传感器探头31～33组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角，同时探测X方向的位移信号，另两个径向位移传感器探头32～34组成另一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，同时探测Y方向的位移信号，即四个径向位移传感器探头31～34分别成90°角，两路轴向位移传感器探头35和36位于Z轴的两个方向成180°角，同时探测Z向方向的位移信号，两路轴向位移传感器探头位于Z轴的两个方向成180°角，同时探测Z向方向的位移信号，两个轴向位移传感器探头探测的位移信号经过数学运算形成代数和，可以消除由于轴向探测体41的偏转引起的误差。
图8为本发明的保护轴承配置方案剖面图，由成对有预紧力的角接触球轴承23、锁紧螺母24组成，成对角接触球轴承23由锁紧螺母24固定在飞轮的安装轴上，并与轴承座8形成0.10～0.15mm的径向保护间隙21和0.10～0.15mm的轴向保护间隙22。
本发明的电动机/发电机5为飞轮的驱动部分，可以是图9所示的永磁无刷直流电动机/发电机，也可以是开关磁阻电动机/发电机，或为感应电动机/发电机。
图9为本发明的永磁无刷直流电动机/发电机5的轴向剖面图，主要由转子铁心51、永磁体52、定子铁心54和激磁线圈53等部件组成。其中定子铁心54和激磁线圈53为静止部分，其余为转动部分。
本发明的电动机/发电机5不再含有机械轴承，径向混合磁轴承6、轴向混合磁轴承1同时为电动机/发电机5起到径向和轴向支撑定位作用。
本发明的壳体7起安全防护、防尘或保持系统内部真空，以减小空气阻力，提高飞轮转速。
Claims (8)
1、航天器用磁悬浮储能飞轮系统，由静止部分和转动部分两部分组成，其特征在于：静止部分包括：轴向混合磁轴承(1)的静止部分、保护轴承(2)、径向/轴向一体化位移传感器(3)、电动机/发电机(5)的静止部分、径向混合磁轴承(6)的静止部分、壳体(7)、安装轴(9)和锁紧螺母(10)；转动部分包括：轴向混合磁轴承(1)的转动部分、高强度复合材料转子(4)、电动机/发电机(5)的转动部分和径向混合磁轴承(6)的转动部分；电动机/发电机(5)位于系统的中间位置，其转动部分安装在高强度复合材料转子(4)的轮壳内部，其静止部分安装在安装轴(9)上，径向混合磁轴承(6)处于电动机/发电机(5)的两端，其静止部分与安装轴(9)连接在一起，其转动部分与高强度复合材料转子(4)的轮壳连接在一起，在径向混合磁轴承(6)的外侧各有一个固定在安装轴(9)上的径向/轴向一体化位移传感器(3)、轴向混合磁轴承(1)位于飞轮的两端，在轴向混合磁轴承(1)和径向/轴向一体化位移传感器(3)之间为保护轴承(2)，保护轴承(2)与安装轴(9)相连接，在保护轴承(2)的外侧为轴承座(8)，轴承座(8)与高强度复合材料转子(4)连接在一起，径向/轴向一体化位移传感器(3)、保护轴承(2)和轴向混合磁轴承(1)通过锁紧螺母(10)固定在安装轴(9)上，整个系统由密封在壳体内部；径向/轴向一体化位移传感器(3)输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与径向混合磁轴承(6)、轴向混合磁轴承(1)的电磁线圈相连，形成电的闭环回路。
2、根据权利要求1所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的两个轴承座(8)的内部分别与两对保护轴承(2)形成0.10-0.15mm的径向保护间隙和0.10-0.15mm的轴向保护间隙。
3、根据权利要求1所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的径向混合磁轴承(6)和轴向混合磁轴承(1)均为非机械接触的磁悬浮轴承。
4、根据权利要求3所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的非机械接触的磁悬浮轴承为永磁偏置、或电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或纯电励磁的磁悬浮轴承，或只有永磁偏置的被动式磁悬浮轴承。
5、根据权利要求1所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的电动机/发电机(5)不含有机械轴承，径向混合磁轴承(6)、轴向混合磁轴承(1)同时为电动机/发电机(5)起到径向和轴向支撑定位作用。
6、根据权利要求1或5所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的电动机/发电机(5)为永磁无刷直流电动机/发电机，或为开关磁阻电动机/发电机，或为感应电动机/发电机。
7、根据权利要求1所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的高强度复合材料转子(4)由金属环和碳纤维复合材料缠绕粘合而成。
8、根据权利要求1或3所述的航天器用磁悬浮储能飞轮系统，其特征在于：所述的轴向混合磁轴承(1)采用磁力相等的对称结构，也可以采用磁力不相等的非对称结构。
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