專利名稱：磁懸浮飛輪儲能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪儲能裝置，可用于航空航天(衛(wèi)星儲能電池，綜合動(dòng)力和姿態(tài)控制)、軍事(大功率電磁炮)、電力(電力調(diào)峰)、通信(UPS)、汽車工業(yè)(電動(dòng)汽車)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁懸浮飛輪儲能裝置，又稱為磁懸浮飛輪電池，是利用高速旋轉(zhuǎn)地飛輪儲存能量， 它以其高比功率、高比能量、充電快、壽命長和無化學(xué)污染等特點(diǎn)正受到各行各業(yè)的重視， 在國外已用于汽車、火車、航天、航空等軍用和民用行業(yè)。磁懸浮飛輪電池充電時(shí)，其電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪使其高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲存起來。磁懸浮飛輪電池放電時(shí)，此時(shí)其電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出給用電設(shè)備。上述磁懸浮飛輪電池，利用徑向磁軸承和軸向磁軸承將飛輪無接觸的懸浮起來，可以避免飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)因摩擦帶來的能量損耗；同時(shí)，將飛輪系統(tǒng)密封于一個(gè)真空環(huán)境(殼體)內(nèi)，可以有效地減少空氣動(dòng)力學(xué)的損耗。國內(nèi)外現(xiàn)有的磁懸浮飛輪電池很多采用超導(dǎo)磁懸浮軸承，以減少摩擦阻力，但是這種軸承所需要的輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，不適合推廣普及。此外，在結(jié)構(gòu)上現(xiàn)有的磁懸浮飛輪電池也存在著某些缺陷，如軸向磁軸承的吸力盤為獨(dú)立部件，這樣的部件裝在軸上， 無疑增大了軸向尺寸，提高了安裝要求。由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中的磁懸浮飛輪儲能裝置還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于解決現(xiàn)有技術(shù)中磁懸浮飛輪儲能裝置所存在的技術(shù)缺陷，提供一種磁懸浮飛輪儲能裝置。其技術(shù)解決方案是一種磁懸浮飛輪儲能裝置，包括能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分和輔助部分；上述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分包括飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子部分；上述磁懸浮支撐部分包括徑向磁軸承、軸向磁軸承、軸向傳感器、徑向傳感器、保護(hù)軸承；上述輔助部分包括殼體，安裝軸；其中保護(hù)軸承、徑向磁軸承、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、軸向磁軸承、飛輪、軸向磁軸承、徑向磁軸承與保護(hù)軸承在安裝軸的軸向上從上到下依次排布，其中飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分、徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子部分都固定在安裝軸上，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分與徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子部分通過內(nèi)套筒定位，并通過緊固螺母固定在安裝軸上，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的定子部分、徑向磁軸承的定子部分、軸向磁軸承、軸向傳感器、徑向傳感器、保護(hù)軸承都固定在殼體上；上述徑向磁軸承為徑向混合錐形磁軸承，各軸向磁軸承的吸力盤分別設(shè)置在飛輪的兩側(cè)輪面上，飛輪兼作為軸向磁軸承的吸力盤，徑向混合圓錐磁軸承和軸向磁軸承均為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承；上述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分以及輔助部分的安裝軸密封在輔助部分的殼體內(nèi)部，殼體內(nèi)部保持真空狀態(tài)。
上述飛輪為高強(qiáng)度復(fù)合材料飛輪，是由金屬環(huán)和碳纖維復(fù)合材料粘結(jié)制成的。上述保護(hù)軸承的內(nèi)圈與安裝軸對應(yīng)的軸段之間形成0. 1 0. 3mm的徑向保護(hù)間隙和0. 1 0. 3mm的軸向保護(hù)間隙。上述徑向混合錐形磁軸承為永磁偏置的混合圓錐磁軸承，軸向磁軸承為純電磁的磁懸浮軸承。上述永磁偏置的混合圓錐磁軸承，包括定子鐵心、第一空氣隙、第二孔氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、隔磁環(huán)與激磁線圈，其中定子鐵心、激磁線圈、永磁體、隔磁環(huán)為靜止部件，其余部件為轉(zhuǎn)動(dòng)部件。上述軸向磁軸承的吸力盤是由電工純鐵制成的，吸力盤的形狀為環(huán)形，與飛輪的輪面固定在一起。上述電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，或?yàn)殚_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙大于徑向磁軸承的定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙。本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果本發(fā)明采用了徑向混合錐形磁軸承，既可以提供徑向懸浮力，又可以提供軸向懸浮力，從而減小了只靠軸向軸承承受轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重力的負(fù)擔(dān)，提高了軸向軸承的可靠性，延長了軸向軸承使用壽命，也降低了功耗；飛輪與軸向磁軸承相對應(yīng)的輪面上設(shè)置有吸力盤 (鑲有導(dǎo)磁環(huán))，飛輪可兼作為軸向磁軸承的吸力盤，從而縮短了該裝置的軸向尺寸，結(jié)構(gòu)更加緊湊；同時(shí)采用高效的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，減少了損耗、提高了能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，比能量密度和放電深度高，壽命長，功耗低，性能穩(wěn)定，無污染等特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2示出了本發(fā)明中的徑向混合錐形磁軸承，為一種剖示結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3為圖2的A-A剖示結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4主要示出了本發(fā)明中的飛輪與軸向磁軸承部分，為一種剖示結(jié)構(gòu)。圖5為圖4方式中飛輪的俯視結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種磁懸浮飛輪儲能裝置，包括能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分和輔助部分。上述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分包括飛輪12、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)9的轉(zhuǎn)子和定子部分；磁懸浮支撐部分包括徑向混合錐形磁軸承6、軸向磁軸承10、軸向傳感器1、徑向傳感器 3、保護(hù)軸承2 ；輔助部分包括殼體11，安裝軸8，緊固螺母4和安裝螺釘5。其中保護(hù)軸承2、 徑向混合錐形磁軸承6、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)9、軸向磁軸承10、飛輪12、軸向磁軸承10、徑向混合錐形磁軸承6與保護(hù)軸承2在安裝軸的軸向上從上到下依次排布，其中飛輪12、電動(dòng)機(jī) /發(fā)電機(jī)9的轉(zhuǎn)子部分、徑向混合錐形磁軸承6的轉(zhuǎn)子部分都固定在安裝軸8上，電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)9的轉(zhuǎn)子部分與徑向混合錐形磁軸承6的轉(zhuǎn)子部分通過內(nèi)套筒7定位，并通過緊固螺母4固定在安裝軸8上，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)9的定子部分、徑向混合錐形磁軸承6的定子部分、軸向磁軸承10、軸向傳感器1、徑向傳感器3、保護(hù)軸承2都固定在殼體11上，各軸向磁軸承的吸力盤分別設(shè)置在飛輪的兩側(cè)輪面上，飛輪兼作為軸向磁軸承的吸力盤。上述徑向混合圓錐磁軸承和軸向磁軸承均為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承。上述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、 磁懸浮支撐部分以及輔助部分的安裝軸密封在輔助部分的殼體內(nèi)部，殼體內(nèi)部保持真空狀態(tài)，以減小空氣阻力，提高轉(zhuǎn)速。上述方式中，飛輪12為高強(qiáng)度復(fù)合材料飛輪，是由金屬環(huán)和碳纖維復(fù)合材料粘結(jié)制成的。上述方式中，保護(hù)軸承2的內(nèi)圈與安裝軸8對應(yīng)的軸段形成0. 1 0. 3mm的徑向保護(hù)間隙和0. 1 0. 3mm的軸向保護(hù)間隙，各保護(hù)間隙優(yōu)選為0. 2mm。上述方式中，徑向混合錐形磁軸承為永磁偏置的混合圓錐磁軸承，軸向磁軸承為純電磁的磁懸浮軸承。結(jié)合圖2與圖3，上述永磁偏置的混合圓錐磁軸承，包括定子鐵心63、 第一空氣隙64、第二孔氣隙67、轉(zhuǎn)子鐵心65、永磁體62、隔磁環(huán)61、68與激磁線圈66，其中定子鐵心、激磁線圈、永磁體、隔磁環(huán)為靜止部件，其余部件為轉(zhuǎn)動(dòng)部件。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)轉(zhuǎn)子鐵心65與軸可以用鍵連接；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)鐵心與軸應(yīng)按過盈配合裝配，以減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的偏心引起的振動(dòng)。結(jié)合圖4與圖5，上述軸向磁軸承10分別安裝在飛輪12兩側(cè)的安裝軸段上，上述軸向磁軸承的吸力盤是由電工純鐵制成的，吸力盤121的形狀為環(huán)形，與飛輪的輪面固定在一起，即鑲嵌在飛輪輪輻的外表面上。上述方式中，輔助部分的殼體11起安全防護(hù)、防塵或保持內(nèi)部真空，同時(shí)起到減少飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力，提高轉(zhuǎn)速進(jìn)而提高飛輪的儲能密度。本發(fā)明的工作原理大致是通過徑向混合錐形磁軸承保持飛輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分與飛輪系統(tǒng)靜止部分的徑向間隙以及電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子徑向間隙，保證徑向穩(wěn)定懸浮，通過軸向磁軸承保持飛輪系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分與飛輪系統(tǒng)的靜止部分的軸向間隙均勻以保證軸向穩(wěn)定懸浮，同時(shí)保證電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子軸向?qū)R。當(dāng)飛輪受到外界干擾時(shí)，飛輪的徑向或者軸向間隙發(fā)生變化，位移傳感器會(huì)檢測出間隙的變化，發(fā)出信號，通過控制器增加或減少徑向混合錐形磁軸承、軸向磁軸承的電磁線圈中的電流，進(jìn)而增大或減小徑向混合錐形磁軸承、軸向磁軸承的磁力，以保持飛輪系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分間隙均勻和穩(wěn)定懸浮，消除外部的干擾，達(dá)到自穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。上述方式中未述及的有關(guān)內(nèi)容采取或借鑒已有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式，諸如等同方式，或明顯變形方式。上述的變化方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮飛輪儲能裝置，包括能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分和輔助部分； 其特征在于所述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分包括飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子部分；所述磁懸浮支撐部分包括徑向磁軸承、軸向磁軸承、軸向傳感器、徑向傳感器、保護(hù)軸承；所述輔助部分包括殼體，安裝軸；其中保護(hù)軸承、徑向磁軸承、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、軸向磁軸承、飛輪、 軸向磁軸承、徑向磁軸承與保護(hù)軸承在安裝軸的軸向上從上到下依次排布，其中飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分、徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子部分都固定在安裝軸上，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分與徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子部分通過內(nèi)套筒定位，并通過緊固螺母固定在安裝軸上，電動(dòng)機(jī)/ 發(fā)電機(jī)的定子部分、徑向磁軸承的定子部分、軸向磁軸承、軸向傳感器、徑向傳感器、保護(hù)軸承都固定在殼體上；所述徑向磁軸承為徑向混合錐形磁軸承，各軸向磁軸承的吸力盤分別設(shè)置在飛輪的兩側(cè)輪面上，飛輪兼作為軸向磁軸承的吸力盤，徑向混合圓錐磁軸承和軸向磁軸承均為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承；所述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分以及輔助部分的安裝軸密封在輔助部分的殼體內(nèi)部，殼體內(nèi)部保持真空狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述飛輪為高強(qiáng)度復(fù)合材料飛輪，是由金屬環(huán)和碳纖維復(fù)合材料粘結(jié)制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述保護(hù)軸承的內(nèi)圈與安裝軸對應(yīng)的軸段之間形成0. 1 0. 3mm的徑向保護(hù)間隙和0. 1 0. 3mm的軸向保護(hù)間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述徑向混合錐形磁軸承為永磁偏置的混合圓錐磁軸承，軸向磁軸承為純電磁的磁懸浮軸承。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述永磁偏置的混合圓錐磁軸承，包括定子鐵心、第一空氣隙、第二孔氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、隔磁環(huán)與激磁線圈， 其中定子鐵心、激磁線圈、永磁體、隔磁環(huán)為靜止部件，其余部件為轉(zhuǎn)動(dòng)部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述軸向磁軸承的吸力盤是由電工純鐵制成的，吸力盤的形狀為環(huán)形，與飛輪的輪面固定在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮飛輪儲能裝置，其特征在于所述電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，或?yàn)殚_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙大于徑向磁軸承的定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁懸浮飛輪儲能裝置，包括能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分和輔助部分；能量儲存與轉(zhuǎn)化部分包括飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子部分；磁懸浮支撐部分包括徑向磁軸承、軸向磁軸承、軸向傳感器、徑向傳感器、保護(hù)軸承；輔助部分包括殼體，安裝軸；徑向磁軸承為徑向混合錐形磁軸承，各軸向磁軸承的吸力盤分別設(shè)置在飛輪的兩側(cè)輪面上，徑向混合圓錐磁軸承和軸向磁軸承均為非機(jī)械接觸的磁懸浮軸承；所述能量儲存與轉(zhuǎn)化部分、磁懸浮支撐部分以及輔助部分的安裝軸密封在輔助部分的殼體內(nèi)部，殼體內(nèi)部保持真空狀態(tài)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，比能量密度和放電深度高，壽命長，功耗低，性能穩(wěn)定，無污染等特點(diǎn)。
文檔編號H02N15/00GK102437675SQ20111031017
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者于志豪, 常龍, 張緒帥, 肖林京 申請人:山東科技大學(xué)