一種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】本實(shí)用新型公開了一種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(shí)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(gè)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(gè)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。本實(shí)用新型避免了電磁懸浮、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(shí)必須使用著陸輔助機(jī)械軸承的問題，在降低轉(zhuǎn)子軸承磨耗、提高運(yùn)行安全性能方面提供了新的技術(shù)支持。本實(shí)用新型對轉(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】-種Ha I bach陣列磁懸淳軸承與轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型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(xiàng)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(jìn)步。我國在儲能飛輪技術(shù) 研發(fā)方面已與國外先進(jìn)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(shí)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(jī)械軸承時(shí)，其機(jī)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(yùn)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(shí)用化應(yīng)用方面尚需時(shí)日，儲能飛輪走超導(dǎo)懸浮 的技術(shù)路線很不現(xiàn)實(shí)。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(jìn)行保護(hù)，在市場的推進(jìn)方面遇到較大的阻力。機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)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(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)的陀螺效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的永磁 懸浮。
[0007] ((International Journal of Research in Mechanical Engineering and Technology》Vol. 1，Issue 1，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(shí)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(shí)由于恩紹定理 (Earnshaw' s Theorem)的強(qiáng)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] 本實(shí)用新型是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)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] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0011] 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(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承，在上部機(jī) 械軸承的外圍安裝有上部阻尼器，在下部機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)充磁方向不同的環(huán)形永磁 磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列。
[0012] 所述的上部機(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承均為具有脫離功能的機(jī)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。
[0013] 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。
[0014] 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(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承，在上部機(jī) 械軸承的外圍安裝有上部阻尼器，在下部機(jī)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(gè)充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach 陣列。
[0015] 所述的筒式儲能飛輪為上端封閉、下端開口的圓筒形。
[0016] 所述的上部機(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承均為具有脫離功能的機(jī)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。
[0017] 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。
[0018] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0019] 本實(shí)用新型利用Halbach陣列永磁軸承的組合具有單向磁場加強(qiáng)，另一方向磁場 趨近于零的特點(diǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下無軸承磨耗 的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，本實(shí)用新型中使用軸向永磁軸承與二個(gè)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。本實(shí)用新型避免了電磁懸浮、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(shí)必須使用著陸輔助機(jī)械軸承的問題，在降低轉(zhuǎn)子軸承磨耗、提高運(yùn)行安全性能方面 提供了新的技術(shù)支持。本實(shí)用新型對轉(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】
[0020] 圖1是本實(shí)用新型的一種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；
[0021] 圖2是本實(shí)用新型的一種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。
[0022] 其中：
[0023] 1飛輪軸 2盤式儲能飛輪
[0024] 3上部機(jī)械軸承 4下部機(jī)械軸承
[0025] 5上部阻尼器 6下部阻尼器
[0026] 7支撐套筒 8上部徑向阻尼器
[0027] 9下部徑向阻尼器 10上部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)
[0028] 11上部徑向永磁軸承外環(huán)12軸向永磁軸承內(nèi)環(huán)
[0029] 13軸向永磁軸承外環(huán) 14下部徑向永磁軸承內(nèi)環(huán)
[0030] 15下部徑向永磁軸承外環(huán) 2'筒式儲能飛輪。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面，結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型的一種Halbach陣列磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子支 撐系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0032] 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1上安裝有盤式儲能飛輪2,在飛輪軸1的上下兩端分別安裝有上部機(jī)械軸承3和下部機(jī) 械軸承4,在上部機(jī)械軸承3的外圍安裝有上部阻尼器5,在下部機(jī)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(jī)械軸承3之間的飛輪軸1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(jī)械軸承4之間的飛輪軸1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1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。
[0033] 所述的盤式儲能飛輪2為中心形成通孔的圓盤形。
[0034] 所述的上部機(jī)械軸承3和下部機(jī)械軸承4均為具有脫離功能機(jī)械軸承、也稱保護(hù) 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。
[0035] 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〇
[0036] 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(gè)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。
[0037] 本實(shí)用新型的永磁內(nèi)外環(huán)均是由五個(gè)永磁環(huán)構(gòu)成，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以使用多組 Halbach 陣列。
[0038] 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?yàn)?永磁體的N極，另一端為S極，或者相反。
[0039] 如圖2所示，本實(shí)用新型的另一種技術(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1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1的上下兩端分別安裝有上部機(jī)械軸承3和下部機(jī)械 軸承4,在上部機(jī)械軸承3的外圍安裝有上部阻尼器5,在下部機(jī)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。
[0040] 在飛輪軸1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。
[0041] 其中，上部機(jī)械軸承3和下部機(jī)械軸承4均為具有脫離功能機(jī)械軸承、也稱保護(hù)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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 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 S 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(gè) 充磁方向不同的環(huán)形永磁磁鋼構(gòu)成的Halbach陣列，本實(shí)用新型的永磁內(nèi)外環(huán)均是由五個(gè) 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(shí)際應(yīng)用時(shí)可以使用多組 Halbach 陣列。
[0045] 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?yàn)?永磁體的N極，另一端為S極，或者相反。
[0046] 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(qiáng)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。
[0047] 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1的 質(zhì)心。
[0048] 本實(shí)用新型一種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 狀態(tài)還是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)均可以在軸向自由懸浮。機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。
[0049] 本實(shí)用新型的工作原理及過程是：
[0050] 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?yàn)檎齽偠取?br> [0051] 徑向永磁軸承的磁力大小根據(jù)永磁軸承設(shè)計(jì)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(shí)，儲能飛輪在徑向的位置不穩(wěn)定，由機(jī)械軸承將飛輪 軸1定位到旋轉(zhuǎn)中心軸線上，但是飛輪軸與機(jī)械軸承的內(nèi)環(huán)之間有配合間隙。當(dāng)電機(jī)/發(fā) 電機(jī)(未圖示）拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，飛輪軸帶動機(jī)械軸承內(nèi)套旋轉(zhuǎn)。達(dá)到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速 時(shí)，與機(jī)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(dá)到"陀螺效應(yīng)接管區(qū)間"后，飛輪軸與機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速并投入儲能運(yùn)行。
[0052] 當(dāng)需要輸出電能時(shí)，儲能飛輪接入負(fù)載，電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，儲能飛輪向外輸出 能量。當(dāng)儲能飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到限定速度下限時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C(jī)拖動轉(zhuǎn)子升速到工作 轉(zhuǎn)速。重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)儲能飛輪的連續(xù)工作。
[0053] 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(jìn)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(jì)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(jìn)動現(xiàn)象，保持轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0054] 圖1與圖2技術(shù)方案的特點(diǎn)說明：
[0055] 圖1技術(shù)方案的飛輪加工工藝簡單，機(jī)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(shí)際應(yīng)用 中需要對內(nèi)環(huán)磁鋼加裝強(qiáng)度足夠的保護(hù)套。由于保護(hù)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(qiáng)度下降，降低了磁鋼的利用率。
[0056] 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(qiáng)度保護(hù)，免去了 保護(hù)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。
[0057] 本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)：
[0058] (i)設(shè)置具有脫離功能的徑向機(jī)械定位軸承
[0059] 本實(shí)用新型的上部機(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承具有徑向定位作用，與常規(guī)的著陸保 護(hù)軸承具有本質(zhì)上的區(qū)別，上部機(jī)械軸承和下部機(jī)械軸承只是保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在靜態(tài)和啟動 時(shí)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(jī)械軸承和下部機(jī)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(jī)械軸承的要求，也降低了成本。使用徑向低速機(jī)械軸承也為儲 能飛輪的研發(fā)提供了可靠的途徑。由于機(jī)械軸承與擠壓膜阻尼器相連接，設(shè)計(jì)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(jī)械軸承的支撐。徑向磁軸承不能實(shí)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(dá)到陀螺效應(yīng)起主導(dǎo)作用的區(qū)域后，機(jī)械軸承不再參與運(yùn)行，實(shí)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(shí)現(xiàn)了軸承零磨耗運(yùn)行。由于是全 磁懸浮運(yùn)行，軸承系統(tǒng)無需維護(hù)，極大地提升了儲能飛輪的效率與壽命。
[0060] 但是在另一個(gè)方面，由于機(jī)械軸承的限制，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在投入儲能應(yīng)用時(shí)，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"。
[0061] (ii)引入單一徑向功能的電磁軸承
[0062] 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(dá)到工作轉(zhuǎn)速后可以實(shí)現(xiàn)零功率運(yùn)行，降低了電磁軸承的運(yùn)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。
[0063] (iii) Halbach陣列永磁軸承的組合
[0064] 本實(shí)用新型利用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(qiáng)，另一方向磁場趨近于零的特點(diǎn)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(gè)獨(dú)立的磁場加強(qiáng)面相對 時(shí)可以產(chǎn)生強(qiáng)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(gè)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（1 )，在飛輪軸（1)上安 裝有盤式儲能飛輪（2)，在飛輪軸（1)的上下兩端分別安裝有上部機(jī)械軸承（3)和下部機(jī)械 軸承（4)，在上部機(jī)械軸承（3)的外圍安裝有上部阻尼器（5)，在下部機(jī)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(jī)械軸承（3)之間的飛輪 軸（1)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(jī)械軸承（4 )之間的 飛輪軸（1)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（1)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(gè)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(jī)械軸承（3)和下部機(jī)械軸承（4)均為具有脫離功能的機(jī)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 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
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（1 )，在飛輪軸（1)上安 裝有筒式儲能飛輪（2'），在飛輪軸（1)的上下兩端分別安裝有上部機(jī)械軸承（3)和下部機(jī) 械軸承（4)，在上部機(jī)械軸承（3)的外圍安裝有上部阻尼器（5)，在下部機(jī)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（1)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(gè)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(jī)械軸承（3)和下部機(jī)械軸承（4)均為具有脫離功能的機(jī)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 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〇
【文檔編號】F16C32/04GK203836075SQ201420258899
【公開日】2014年9月17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