CN201829103U - 一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置 - Google Patents

一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置 Download PDF

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蒋冬辉
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一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其组成是：底座上固定有支架，支架的下部和上部分别安装下部杜瓦和上部杜瓦，下部杜瓦和上部杜瓦中放置有下部高温超导块材和上部高温超导块材；转轴下部和上部安装的永磁体，分别置于下部杜瓦的上方和上部杜瓦底部下方；支架的中部安装永磁电机定子，转轴上与永磁电机定子相应的位置安装永磁电机转子；转轴上还安装有飞轮；永磁电机定子通过开关分别与电源和负载相连。该演示装置体积小、操作简便、制作容易、演示效果明显、实验项目多，可用于高温超导磁悬浮飞轮储能系统以及高温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮轴承的演示与研究。

Description

一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置
技术领域
本实用新型涉及一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置。
背景技术
能源是人类赖以生存的基本条件，解决能源问题成为人类社会面临的头等大事。目前很多能源只能及时利用，能源充足时形成浪费，能源不足时影响生产和生活。现有的能量贮存方法主要有两种：一是通过化学能的方式进行储备，存在的问题是：储备能量少，使用寿命短，并且要产生污染环境的化学物质，不环保。二是修建水库大坝，对水能进行储备，其不足是：受地理环境的影响，占地面积大，储备密度低，响应慢，后续维护多，同时也会对生态环境造成影响。因此，人们希望对能源进行有效的存储，研究出新型的储能装置。
基于高温超导磁悬浮原理的高温超导磁悬浮系统具有无源、高速、低损耗三大显著优点。也即高温超导磁悬浮系统在悬浮运转状态中，悬浮的运动部件与其它部件之间没有接触也没有摩擦，因此其动能可以在很长时间内保存。基于此可以研制出先将电能转换为机械能，由高温超导悬浮部件将机械能在较长时间内储存，在需要时再将机械能转换为电能及其它能量对外输出。但是目前尚无高温超导磁悬浮储能系统实际产品，研制高温超导磁悬浮储能系统演示装置有利于直观了解其运行状态和原理，促进高温超导磁悬浮储能装置的研发与应用。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，该演示装置体积小、操作简便、制作容易、演示效果明显、演示项目多，可用于高温超导磁悬浮飞轮储能系统的演示与实验。
本实用新型实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其组成是：
底座上固定有支架，支架的下部和上部分别安装下部杜瓦和上部杜瓦，下部杜瓦和上部杜瓦中放置有下部高温超导块材和上部高温超导块材；转轴下部和上部安装的永磁体，分别置于下部杜瓦的上方和上部杜瓦底部下方；支架的中部安装永磁电机定子，转轴上与永磁电机定子相应的位置安装永磁电机转子；转轴上还安装有飞轮；-永磁电机定子通过开关分别与电源和负载相连。
本实用新型的工作原理是：
转轴下部和上部的永磁体分别置于下部杜瓦液氮的上方和上部杜瓦底部下方，分别形成上部高温超导磁悬浮轴承和下部高温超导磁悬浮轴承。
演示时，先将转轴向上提起，使其位于设定的位置，然后在上部杜瓦和下部杜瓦中充入液氮对高温超导块材进行冷却，一段时间后，由于高温超导材料对永磁体的磁场钉扎作用，上部高温超导磁悬浮轴承中高温超导体对上部永磁体产生向上的吸收力，从而对转轴产生一个向上吸引的悬挂作用；同理，下部高温超导磁悬浮轴承中的高温超导体对下部永磁体产生一个向上的排斥力，将对转轴产生一个向上排斥的悬浮作用。这样通过上部高温超导磁悬浮轴承的悬挂和下部高温超导磁悬浮轴承的悬浮作用实现转轴及固定其上的飞轮在设定位置的自稳定悬浮。
转轴中部的永磁电机定子和永磁电机转子组成永磁电机。操作开关使永磁电机与电源连通时，在电源驱动下，永磁电机转子转动，并进而带动转轴及飞轮旋转，电能转换为飞轮的机械能；
待飞轮加速到一定的速度后，将开关置于悬空状态，永磁电机断电。转轴仍处于悬浮状态，转轴在转动过程中无机械摩擦，转轴及飞轮的旋转可以维持很长的一段时间，从而实现储能的功能。
当需要使用能量时，操作开关连接负载，此时永磁电机作为发电机，将飞轮及转子的机械能转换成电能，定子对外输出电能，以驱动负载。负载可以各种形式做功，如产生机械运动、发光、发声、发热等，又将电能又转换为其它形式的能量。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型装置体积小、操作简便、制作容易、能清楚地演示电能-动能-电能的转换过程与原理，演示效果明显。如将本装置的永磁电机定子和飞轮去掉，则可演示高温超导磁悬浮轴承的悬浮及旋转；将本装置的永磁电机定子、飞轮和转轴去掉，则可更加清楚地演示高温超导体的悬挂与悬浮，其实验项目多。因此，本实用新型装置适用于高温超导磁悬浮飞轮储能系统的演示与进一步的研究。
上述的安装在转轴上的永磁电机转子由转轴中部镶嵌永磁磁钢构成。
上述永磁电机定子的上表面和下表面安装有轴承，轴承的内圈与转轴之间的气隙小于永磁电机定子和永磁电机转子之间的气隙。
这样，当由于某种原因而使转轴的运动发生偏移时，由于轴承的内圈与转轴之间的气隙小于永磁电机定子和永磁电机转子之间的气隙，从而使转轴将只与轴承内圈发生接触，而永磁电机转子不会与永磁电机定子发生碰撞，保护了永磁电机。并且在转轴与内圈发生接触时，转轴也能摩擦力很小的转动，而不会产生明显的磨损或卡死。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的结构示意图。
图2是本实用新型实施例一的剖视结构示意图。
图3是本实用新型实施例一的电路连接示意图。
图4是本实用新型实施例一用作高温超导磁悬浮轴承的旋转演示时的结构示意图。
图5是本实用新型实施例一用作高温超导体磁悬挂和悬浮的演示的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图1-3示出，本实用新型的一种具体实施方式为：一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其组成是：
底座1上固定有支架7，支架7的下部和上部分别安装下部杜瓦11和上部杜瓦12，下部杜瓦11和上部杜瓦12中放置有下部高温超导块材14和上部高温超导块材13；转轴3下部和上部安装的永磁体8、10，分别置于下部杜瓦11的上方和上部杜瓦12底部下方；支架7的中部安装永磁电机定子4，转轴3上与永磁电机定子4相应的位置安装永磁电机转子9；转轴3上还安装有飞轮5。
永磁电机定子4通过开关20分别与电源和负载23相连。
安装在转轴上的永磁电机转子9由转轴3中部镶嵌永磁磁钢构成。
永磁电机定子4的上表面和下表面安装有轴承15，轴承15的内圈与转轴3之间的气隙小于永磁电机定子4和永磁电机转子9之间的气隙。
工作时，将转轴3向上提起，使其位于设定的位置，然后在上部杜瓦12和下部杜瓦11中充入液氮21分别对上部高温超导块材13、下部高温超导块材14进行冷却，一段时间后，由于高温超导材料对永磁体的磁场钉扎作用，即实现转轴3及固定其上的飞轮5在设定位置的自稳定悬浮，进而即可进行通电，通过永磁电机带动转轴3旋转，并将电能转换并储存为机械旋转动能，在需要时永磁电机与负载23相连，将机械能转换为电能对外输出。
本例中，支架7由不锈钢材料制成，底座1由环氧树脂板制成，这样底座1和支架7不导磁，对转轴3和飞轮5的旋转不会产生任何影响和干扰。下部杜瓦11和上部杜瓦12由玻璃纤维制成。玻璃纤维绝热性能好，易于加工，方便杜瓦的制作。
图4示出，如果在本例中，将支柱7上的永磁电机定子4和飞轮转盘5去掉，冷却后，转轴3能够悬浮在上置式高温超导磁悬浮轴承6和下置式高温超导磁悬浮轴承2之间。这时轻轻转动转轴3便可以观察到高温超导磁悬浮轴承的旋转，由于没有机械接触和摩擦，高温超导磁悬浮轴承旋转起来之后可以维持相当长的一段时间。可以直观地演示出高温超导磁悬浮轴承中的转轴在悬浮状态下的旋转。
图5示出，如果在图4的基础上进一步将转轴3去掉，只保留上端永磁体10和下端永磁体8部分。冷却后，上端永磁体10就可以稳定地悬挂在上部杜瓦12的下方，下端永磁体8则可以稳定地悬浮在下部杜瓦11的上方，这样就很直观地演示出高温超导体的磁悬挂和磁悬浮两种状态。

Claims (3)

1.一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其组成是：
底座(1)上固定有支架(7)，支架(7)的下部和上部分别安装下部杜瓦(11)和上部杜瓦(12)，下部杜瓦(11)和上部杜瓦(12)中放置有下部高温超导块材(14)和上部高温超导块材(13)；转轴(3)下部和上部安装的永磁体(8、10)，分别置于下部杜瓦(11)的上方和上部杜瓦(12)底部下方；支架(7)的中部安装永磁电机定子(4)，转轴(3)上与永磁电机定子(4)相应的位置安装永磁电机转子(9)；转轴(3)上还安装有飞轮(5)；
永磁电机定子(4)通过开关(20)分别与电源和负载(23)相连。
2.如权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其特征在于：所述的安装在转轴上的永磁电机转子(9)由转轴(3)中部镶嵌永磁磁钢构成。
3.如权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮飞轮储能演示装置，其特征在于：所述永磁电机定子(4)的上表面和下表面安装有轴承(15)，轴承(15)的内圈与转轴(3)之间的气隙小于永磁电机定子(4)和永磁电机转子(9)之间的气隙。
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