Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，由一組雙Halbach陣列永久磁鋼構(gòu)成的吸力型軸向磁懸浮軸承提供立式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向支撐，同時與另外二組雙Halbach陣列永久磁鋼構(gòu)成的斥力型徑向軸承共同構(gòu)成轉(zhuǎn)子的徑向支撐。二個徑向軸承產(chǎn)生的軸向斥力利用其安裝位置的初始偏移，構(gòu)成二個與重力方向相反的向上浮力，與軸向永磁軸承的浮力組合可以穩(wěn)定的維持轉(zhuǎn)子的軸向浮起。本發(fā)明避免了電磁懸浮、超導(dǎo)磁懸浮轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)緊急故障狀態(tài)時必須使用著陸輔助機械軸承的問題，在降低轉(zhuǎn)子軸承磨耗、提高運行安全性能方面提供了新的技術(shù)支持。本發(fā)明對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)尤其是儲能飛輪的應(yīng)用具有創(chuàng)新意義。
【專利說明】Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐裝置，具體涉及一種Halbach (海爾貝克)陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]儲能技術(shù)在供電系統(tǒng)的節(jié)能、穩(wěn)定與供電品質(zhì)方面的應(yīng)用越來越重要，儲能飛輪作為一項重要的儲能技術(shù)，受到世界各國的重視。美國、歐洲及日本均從國家戰(zhàn)略的角度出發(fā)，對儲能飛輪的研發(fā)提供政策與資金的支持，并獲得了長足的進步。我國在儲能飛輪技術(shù)研發(fā)方面已與國外先進水平拉開了明顯的差距。
[0003]由于儲能飛輪的技術(shù)瓶頸之一在于維持自身存儲能量時需要外部提供軸承磨耗、電力變換與氣體摩擦造成的能量損失，在使用機械軸承時，其機械磨耗占據(jù)了將近總能量損失的一半。據(jù)此極力降低儲能飛輪儲能運行期間的軸承磨耗，成為各國儲能飛輪工程師的重要任務(wù)。
[0004]以上各國儲能飛輪的轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)研發(fā)路線以超導(dǎo)、電磁軸承為主，永磁軸承作為輔助手段。由于我國在超導(dǎo)塊體材料的實用化應(yīng)用方面尚需時日，儲能飛輪走超導(dǎo)懸浮的技術(shù)路線很不現(xiàn)實。五自由度電磁軸承一般采取與永磁軸承相結(jié)合的方式，應(yīng)用中技術(shù)復(fù)雜、成本高，還需要著陸輔助軸承進行保護，在市場的推進方面遇到較大的阻力。機械軸承由于損耗大，劣勢明顯，應(yīng)用范圍狹窄。
[0005]如此一來，永磁懸浮技術(shù)成為國內(nèi)儲能飛輪轉(zhuǎn)子支撐技術(shù)研發(fā)的一條重要途徑。
[0006]《機械設(shè)計與研究》第22卷第四期2006年8月錢坤喜文章《陀螺效應(yīng)使永磁懸浮心臟泵穩(wěn)定平衡》中研究了利用轉(zhuǎn)子達到一定轉(zhuǎn)速時的陀螺效應(yīng)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的永磁懸浮。
[0007]((International Journal of Research in Mechanical Engineering andTechnology)) Vol.1, Issue I, Oct 2011中錢坤喜文章《關(guān)于陀螺效應(yīng)對永磁懸浮從靜態(tài)到動態(tài)平衡穩(wěn)定的Earnshaw理論拓展》再次論述了陀螺效應(yīng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定永磁懸浮現(xiàn)象，認(rèn)為是關(guān)于Earnshaw永磁懸浮理論的拓展。
[0008]目前，由于常規(guī)的永磁懸浮軸承采用簡單的同極相斥或是異極相吸方式，浮力小，體積大，難于應(yīng)用到大型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，限制了永磁懸浮軸承的應(yīng)用范圍。同時由于恩紹定理(EarnShawj s Theorem)的強制性限制,軸向穩(wěn)定的磁軸承組合在徑向不穩(wěn)定,反之亦然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點而提出的，其目的是提供一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸，在飛輪軸上安裝有盤式儲能飛輪，在飛輪軸的上下兩端分別安裝有上部機械軸承和下部機械軸承，在上部機械軸承的外圍安裝有上部阻尼器，在下部機械軸承的外圍安裝有下部阻尼器，所述盤式儲能飛輪與上部機械軸承之間的飛輪軸上安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)，盤式儲能飛輪與下部機械軸承之間的飛輪軸上安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)，上部徑向阻尼器和下部徑向阻尼器分別固定于與上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)相對應(yīng)的真空容器內(nèi)壁上，上部徑向阻尼器和下部徑向阻尼器內(nèi)側(cè)分別安裝有上部徑向永磁軸承外環(huán)和下部徑向永磁軸承外環(huán)；盤式儲能飛輪與下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)之間的飛輪軸上安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)，在真空容器內(nèi)壁上對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)；所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)、上部徑向永磁軸承外環(huán)、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)、軸向永磁軸承外環(huán)、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和下部徑向永磁軸承外環(huán)均是由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列。
[0011]所述的上部機械軸承和下部機械軸承均為具有脫離功能的機械軸承；上部阻尼器、下部阻尼器、上部徑向阻尼器和下部徑向阻尼器均為擠壓膜阻尼器。
[0012]所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)的上端面低δ mm、下部徑向永磁軸承外環(huán)的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)的上端面低δ mm。
[0013]一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸，在飛輪軸上安裝有筒式儲能飛輪，在飛輪軸的上下兩端分別安裝有上部機械軸承和下部機械軸承，在上部機械軸承的外圍安裝有上部阻尼器，在下部機械軸承的外圍安裝有下部阻尼器，所述飛輪軸的圓周外側(cè)、筒式儲能飛輪內(nèi)設(shè)置有靜止的支撐套筒，在支撐套筒的上下兩端的環(huán)形槽內(nèi)分別安裝有上部徑向阻尼器和下部徑向阻尼器，在上部徑向阻尼器的外圍安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)，在下部徑向阻尼器的外圍安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)，在支撐套筒的外圍、上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)之間安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)，在筒式儲能飛輪內(nèi)圓壁的上下兩端、對應(yīng)上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)以及下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)的位置分別設(shè)置有上部徑向永磁軸承外環(huán)和下部徑向永磁軸承外環(huán)，在筒式儲能飛輪內(nèi)圓壁的中部、對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)；所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)、上部徑向永磁軸承外環(huán)、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)、軸向永磁軸承外環(huán)、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和下部徑向永磁軸承外環(huán)均是由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列。
[0014]所述的筒式儲能飛輪為上端封閉、下端開口的圓筒形。
[0015]所述的上部機械軸承和下部機械軸承均為具有脫離功能的機械軸承；上部阻尼器、下部阻尼器、上部徑向阻尼器和下部徑向阻尼器均為擠壓膜阻尼器。
[0016]所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)的上端面高δ mm、下部徑向永磁軸承外環(huán)的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)的上端面高δ mm。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明利用Halbach陣列永磁軸承的組合具有單向磁場加強，另一方向磁場趨近于零的特點解決了重型轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定浮起問題，利用具有脫離功能的機械軸承與轉(zhuǎn)子動態(tài)穩(wěn)定的特性，在無需主動磁軸承介入的條件下實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下無軸承磨耗的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。另一方面，本發(fā)明中使用軸向永磁軸承與二個單一徑向功能的主動磁軸承相結(jié)合，省去了五軸主動磁軸承的應(yīng)用，構(gòu)成了簡化的轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，大幅度的降低了支撐系統(tǒng)的成本。本發(fā)明避免了電磁懸浮、超導(dǎo)磁懸浮轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)緊急故障狀態(tài)時必須使用著陸輔助機械軸承的問題，在降低轉(zhuǎn)子軸承磨耗、提高運行安全性能方面提供了新的技術(shù)支持。本發(fā)明對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)尤其是儲能飛輪的應(yīng)用具有創(chuàng)新意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)另一種技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]其中:
I飛輪軸2盤式儲能飛輪
3上部機械軸承4下部機械軸承
5上部阻尼器6下部阻尼器
7支撐套筒8上部徑向阻尼器
9下部徑向阻尼器10上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)
11上部徑向永磁軸承外環(huán)12軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)
13軸向永磁軸承外環(huán)14下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)
15下部徑向永磁軸承外環(huán)2’筒式儲能飛輪。
【具體實施方式】
[0020]下面，結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)進行詳細(xì)說明:
如圖1所示，一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸1，在飛輪軸I上安裝有盤式儲能飛輪2，在飛輪軸I的上下兩端分別安裝有上部機械軸承3和下部機械軸承4，在上部機械軸承3的外圍安裝有上部阻尼器5，在下部機械軸承4的外圍安裝有下部阻尼器6，所述盤式儲能飛輪2與上部機械軸承3之間的飛輪軸I上安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10，盤式儲能飛輪2與下部機械軸承4之間的飛輪軸I上安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14，上部徑向阻尼器8和下部徑向阻尼器9分別固定于與上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14相對應(yīng)的真空容器(未圖示)內(nèi)壁上，上部徑向阻尼器8和下部徑向阻尼器9內(nèi)側(cè)分別安裝有上部徑向永磁軸承外環(huán)11和下部徑向永磁軸承外環(huán)15 ；盤式儲能飛輪2與下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14之間的飛輪軸I上安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12，在真空容器內(nèi)壁上對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)13。
[0021]所述的盤式儲能飛輪2為中心形成通孔的圓盤形。
[0022]所述的上部機械軸承3和下部機械軸承4均為具有脫離功能機械軸承、也稱保護軸承或者輔助軸承，軸承與軸之間有間隙；上部阻尼器5、下部阻尼器6、上部徑向阻尼器8和下部徑向阻尼器9均為擠壓膜阻尼器。
[0023]所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)11的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10的上端面低δ mm、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的上端面低δ mm η
[0024]所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10、上部徑向永磁軸承外環(huán)11、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12、軸向永磁軸承外環(huán)13、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14和下部徑向永磁軸承外環(huán)15均是由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列。軸向永磁軸承為吸力型,徑向永磁軸承為斥力型。
[0025]本發(fā)明的永磁內(nèi)外環(huán)均是由五個永磁環(huán)構(gòu)成，實際應(yīng)用時可以使用多組Halbach陣列。
[0026]上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的充磁方向分別為向內(nèi)、向下、向外、向上、向內(nèi)；所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)11、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的充磁方向分別為向外、向下、向內(nèi)、向上、向外；軸向永磁軸承外環(huán)13的充磁方向分別為向內(nèi)、向上、向外、向下、向內(nèi)；內(nèi)外環(huán)充磁極性可以互換。圖中箭頭指向為永磁體的N極,另一端為S極,或者相反。
[0027]如圖2所不,本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是:一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸1，在飛輪軸I上安裝有筒式儲能飛輪2’，筒式儲能飛輪2’為上端封閉、下端開口的圓筒形。在飛輪軸I的上下兩端分別安裝有上部機械軸承3和下部機械軸承4，在上部機械軸承3的外圍安裝有上部阻尼器5，在下部機械軸承4的外圍安裝有下部阻尼器6，上部阻尼器5和下部阻尼器6分別固定于真空容器(未圖示)內(nèi)壁上。
[0028]在飛輪軸I的徑向圓周外側(cè)、筒式儲能飛輪2’內(nèi)設(shè)置有靜止的支撐套筒7，在支撐套筒7的上下兩端的環(huán)形槽內(nèi)分別安裝有上部徑向阻尼器8和下部徑向阻尼器9。
[0029]其中，上部機械軸承3和下部機械軸承4均為具有脫離功能機械軸承、也稱保護軸承或者輔助軸承，軸承與軸之間有間隙；上部阻尼器5、下部阻尼器6、上部徑向阻尼器8和下部徑向阻尼器9均為擠壓膜阻尼器。
[0030]在上部徑向阻尼器8的外圍安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10，在下部徑向阻尼器9的外圍安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14，在支撐套筒7的外圍、上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14之間安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12。
[0031]在筒式儲能飛輪2’內(nèi)圓壁的上下兩端、對應(yīng)上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10和下部徑向永磁內(nèi)環(huán)14的位置分別設(shè)置有上部徑向永磁軸承外環(huán)11和下部徑向永磁軸承外環(huán)15，在筒式儲能飛輪2’內(nèi)圓壁的中部、對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)13。
[0032]其中，上部徑向永磁軸承外環(huán)11的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10的上端面高δ mm、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的上端面高δ mm。所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10、上部徑向永磁軸承外環(huán)11、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12、軸向永磁軸承外環(huán)13、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14和下部徑向永磁軸承外環(huán)15均由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列，本發(fā)明的永磁內(nèi)外環(huán)均是由五個永磁環(huán)構(gòu)成，軸向永磁軸承為吸力型，徑向永磁軸承為斥力型。實際應(yīng)用時可以使用多組Halbach陣列。
[0033]上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的充磁方向分別為向內(nèi)、向下、向外、向上、向內(nèi)；所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)11、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的充磁方向分別為向外、向下、向內(nèi)、向上、向外；軸向永磁軸承外環(huán)13的充磁方向分別為向內(nèi)、向上、向外、向下、向內(nèi)；內(nèi)外環(huán)充磁極性可以互換。圖中箭頭指向為永磁體的N極,另一端為S極,或者相反。
[0034]上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10的外圓周面、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12的外圓周面、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的外圓周面以及上部徑向永磁軸承外環(huán)11、軸向永磁軸承外環(huán)13、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的內(nèi)圓周面均為Halbach陣列的磁場加強面。而上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)10的內(nèi)圓周面、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12的內(nèi)圓周面、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)14的內(nèi)圓周面以及上部徑向永磁軸承外環(huán)11的外圓周面、軸向永磁軸承外環(huán)13的外圓周面、下部徑向永磁軸承外環(huán)15的的外圓周面均為Halbach陣列的磁場消弱面。
[0035]軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)12和軸向永磁軸承外環(huán)13的磁中心軸向位置靠近飛輪軸I的質(zhì)心。
[0036]本發(fā)明一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其本質(zhì)是利用徑向磁軸承的向上浮力與軸向磁軸承的吸力構(gòu)成轉(zhuǎn)子在軸向的穩(wěn)定浮起，使得轉(zhuǎn)子無論是在靜止?fàn)顟B(tài)還是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)均可以在軸向自由懸浮。機械軸承對轉(zhuǎn)子的徑向支撐在陀螺效應(yīng)起主要作用后解除，形成了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)全永磁懸浮運轉(zhuǎn)。
[0037]本發(fā)明的工作原理及過程是:
上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和上部徑向永磁軸承外環(huán)、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和下部徑向永磁軸承外環(huán)構(gòu)成具有徑向?qū)χ心芰Φ某饬π蛷较蜉S承，磁力在徑向為正剛度。
[0038]徑向永磁軸承的磁力大小根據(jù)永磁軸承設(shè)計方案適當(dāng)選定，應(yīng)滿足永磁軸承形成垂直向上的浮力與軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)浮力一起使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸向穩(wěn)定浮起，并留有磁鋼自然退磁的余量。儲能飛輪在靜止?fàn)顟B(tài)時，儲能飛輪在徑向的位置不穩(wěn)定，由機械軸承將飛輪軸I定位到旋轉(zhuǎn)中心軸線上，但是飛輪軸與機械軸承的內(nèi)環(huán)之間有配合間隙。當(dāng)電機/發(fā)電機(未圖示)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，飛輪軸帶動機械軸承內(nèi)套旋轉(zhuǎn)。達到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速時，與機械軸承相連接的擠壓膜阻尼器發(fā)揮作用，保證儲能飛輪穿越臨界速度共振區(qū)。儲能飛輪逐漸升速達到“陀螺效應(yīng)接管區(qū)間”后，飛輪軸與機械軸承的內(nèi)環(huán)脫離接觸，形成完全由永磁軸承懸浮支撐的無軸承磨耗運行狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速并投入儲能運行。
[0039]當(dāng)需要輸出電能時，儲能飛輪接入負(fù)載，電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，儲能飛輪向外輸出能量。當(dāng)儲能飛輪的轉(zhuǎn)速達到限定速度下限時，發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C拖動轉(zhuǎn)子升速到工作轉(zhuǎn)速。重復(fù)以上過程，實現(xiàn)儲能飛輪的連續(xù)工作。
[0040]由于飛輪軸和儲能飛輪加工精度與動平衡的原因，飛輪軸和儲能飛輪的慣性主軸與軸承支撐系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線并不重合，由此偏心距形成了對飛輪軸和儲能飛輪的干擾離心力，導(dǎo)致飛輪軸和儲能飛輪出現(xiàn)進動。由于上、下徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)和上、下徑向永磁軸承外環(huán)構(gòu)成的徑向永磁軸承的徑向恢復(fù)力是正剛度，其上、下徑向永磁軸承磁陣列(圖1為外環(huán)，圖2為內(nèi)環(huán))與上、下擠壓膜阻尼器相連接，設(shè)計匹配性能良好的阻尼器，能夠抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)的進動現(xiàn)象，保持轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
[0041]圖1與圖2技術(shù)方案的特點說明:
圖1技術(shù)方案的飛輪加工工藝簡單，機械制造成本低，且磁鋼的安裝較為容易。但是由于高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力作用在磁鋼內(nèi)環(huán)上，有可能導(dǎo)致磁鋼內(nèi)環(huán)破碎，在實際應(yīng)用中需要對內(nèi)環(huán)磁鋼加裝強度足夠的保護套。由于保護套的厚度增大了磁軸承的間隙，導(dǎo)致磁軸承間隙中的磁場強度下降，降低了磁鋼的利用率。
[0042]圖2的技術(shù)方案則利用飛輪本體材料為磁軸承的旋轉(zhuǎn)部件提供強度保護，免去了保護套的設(shè)置。與圖1方案相比減小了磁軸承的間隙，提高了磁鋼的利用率，對重型轉(zhuǎn)子的浮起較為有利。但是增加了靜止套筒支撐件，并且飛輪結(jié)構(gòu)與圖1方案相比變得復(fù)雜，增加了制造成本。
[0043]本發(fā)明具有以下特點:
(i)設(shè)置具有脫離功能的徑向機械定位軸承
本發(fā)明的上部機械軸承和下部機械軸承具有徑向定位作用，與常規(guī)的著陸保護軸承具有本質(zhì)上的區(qū)別，上部機械軸承和下部機械軸承只是保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在靜態(tài)和啟動時將飛輪軸定位在幾何中心旋轉(zhuǎn)軸線上，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)持續(xù)升速，直至飛輪軸越過低頻臨界轉(zhuǎn)速。由于飛輪軸在磁軸承的磁中心線上受力甚微，上部機械軸承和下部機械軸承的載荷微小，對其載荷要求也就很小。這與在工作轉(zhuǎn)速下遇到突發(fā)事故，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要緊急著陸的超高速、耐高溫、耐沖擊、高可靠性的、軸向和徑向組合功能著陸軸承相比，只需使用低速徑向軸承即可，大大降低了對機械軸承的要求，也降低了成本。使用徑向低速機械軸承也為儲能飛輪的研發(fā)提供了可靠的途徑。由于機械軸承與擠壓膜阻尼器相連接，設(shè)計匹配性能優(yōu)良的擠壓膜阻尼器可以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定升速，直至轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)克服了徑向不穩(wěn)定因素，開始主導(dǎo)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定作用并逐漸脫離機械軸承的支撐。徑向磁軸承不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定，但是其提供的徑向恢復(fù)力，有助于陀螺效應(yīng)提前接管穩(wěn)定主導(dǎo)作用。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到陀螺效應(yīng)起主導(dǎo)作用的區(qū)域后，機械軸承不再參與運行，實現(xiàn)了無接觸旋轉(zhuǎn)，可穩(wěn)定升速到工作轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在投入儲能應(yīng)用后，也就實現(xiàn)了軸承零磨耗運行。由于是全磁懸浮運行，軸承系統(tǒng)無需維護，極大地提升了儲能飛輪的效率與壽命。
[0044]但是在另一個方面，由于機械軸承的限制，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在投入儲能應(yīng)用時，其降速區(qū)間不可低于陀螺效應(yīng)起穩(wěn)定主導(dǎo)作用的“接管速度區(qū)間”。
[0045](ii )引入單一徑向功能的電磁軸承
軸向永磁穩(wěn)定浮起的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不需要重載軸向浮起功能的電磁軸承，簡化了電磁軸承的要求，只需引入單一徑向功能的電磁軸承。徑向電磁軸承保持轉(zhuǎn)子在靜態(tài)與升速區(qū)間的徑向穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度達到工作轉(zhuǎn)速后可以實現(xiàn)零功率運行，降低了電磁軸承的運行功耗。單一徑向功能電磁軸承的應(yīng)用也降低了電磁軸承的成本與復(fù)雜程度，提升了電磁懸浮儲能飛輪的市場競爭力。
[0046](iii) Halbach陣列永磁軸承的組合
本發(fā)明利用Halbach陣列永磁軸承的組合解決了重型轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定浮起問題，Halbach陣列具有單向磁場加強，另一方向磁場趨近于零的特點在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限的空間內(nèi)構(gòu)建了雙Halbach陣列磁軸承，根據(jù)排列方式的不同，二個獨立的磁場加強面相對時可以產(chǎn)生強大的斥力、吸力或是剪切力。與常規(guī)簡單的兩極相對磁鋼相比，一個五單元雙Halbach陣列的單位體積磁鋼可以提供大于其3倍的磁力。
【權(quán)利要求】
1.一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸(I )，在飛輪軸(I)上安裝有盤式儲能飛輪(2)，在飛輪軸(I)的上下兩端分別安裝有上部機械軸承(3)和下部機械軸承(4)，在上部機械軸承(3)的外圍安裝有上部阻尼器(5)，在下部機械軸承(4)的外圍安裝有下部阻尼器(6)，其特征在于:所述盤式儲能飛輪(2)與上部機械軸承(3)之間的飛輪軸(I)上安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10 )，盤式儲能飛輪(2 )與下部機械軸承(4 )之間的飛輪軸(I)上安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)，上部徑向阻尼器(8)和下部徑向阻尼器(9)分別固定于與上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)相對應(yīng)的真空容器內(nèi)壁上，上部徑向阻尼器(8)和下部徑向阻尼器(9)內(nèi)側(cè)分別安裝有上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)和下部徑向永磁軸承外環(huán)(15);盤式儲能飛輪(2)與下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)之間的飛輪軸(I)上安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12)，在真空容器內(nèi)壁上對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12)的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)(13);所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)、上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12 )、軸向永磁軸承外環(huán)(13 )、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)和下部徑向永磁軸承外環(huán)(15)均是由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其特征在于:所述的上部機械軸承(3)和下部機械軸承(4)均為具有脫離功能的機械軸承；上部阻尼器(5)、下部阻尼器(6)、上部徑向阻尼器(8)和下部徑向阻尼器(9)均為擠壓膜阻尼器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其特征在于:所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)的上端面低δ rnm、下部徑向永磁軸承外環(huán)(15)的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)的上端面低 δ mm0
4.一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，包括飛輪軸(I )，在飛輪軸(I)上安裝有筒式儲能飛輪(2’)，在飛輪軸(I)的上下兩端分別安裝有上部機械軸承(3)和下部機械軸承(4)，在上部機械軸承(3)的外圍安裝有上部阻尼器(5)，在下部機械軸承(4)的外圍安裝有下部阻尼器(6)，其特征在于:所述飛輪軸(I)的圓周外側(cè)、筒式儲能飛輪(2’)內(nèi)設(shè)置有靜止的支撐套筒(7)，在支撐套筒(7)的上下兩端的環(huán)形槽內(nèi)分別安裝有上部徑向阻尼器(8)和下部徑向阻尼器(9)，在上部徑向阻尼器(8)的外圍安裝有上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)，在下部徑向阻尼器(9)的外圍安裝有下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)，在支撐套筒(7)的外圍、上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)和下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)之間安裝有軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12)，在筒式儲能飛輪(2’)內(nèi)圓壁的上下兩端、對應(yīng)上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)以及下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)的位置分別設(shè)置有上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)和下部徑向永磁軸承外環(huán)(15 )，在筒式儲能飛輪(2 ’)內(nèi)圓壁的中部、對應(yīng)軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12)的位置設(shè)置有軸向永磁軸承外環(huán)(13);所述的上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)、上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)、軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)(12)、軸向永磁軸承外環(huán)(13)、下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)和下部徑向永磁軸承外環(huán)(15)均是由多個充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach 陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其特征在于:所述的筒式儲能飛輪(2’)為上端封閉、下端開口的圓筒形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其特征在于:所述的上部機械軸承(3)和下部機械軸承(4)均為具有脫離功能的機械軸承；上部阻尼器(5)、 下部阻尼器(6)、上部徑向阻尼器(8)和下部徑向阻尼器(9)均為擠壓膜阻尼器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)，其特征在于:所述的上部徑向永磁軸承外環(huán)(11)的上端面比上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(10)的上端面高δ rnm、下部徑向永磁軸承外環(huán)(15)的上端面比下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)(14)的上端面高δ mm0
【文檔編號】F16F15/30GK103939523SQ201410213725
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】張鐵林 申請人:張鐵林