機電飛輪的制作方法
【專利摘要】一種機電飛輪機，該機電飛輪機包括飛輪體和電動發(fā)電機，該電動發(fā)電機具有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子能夠圍繞具有定子繞組的固定式內(nèi)部定子旋轉(zhuǎn)。
【專利說明】機電飛輪
[0001]優(yōu)先權聲明
[0002]本申請要求于2011年11月13日提交的美國臨時專利申請N0.61/559，128的權益，該項申請的全部內(nèi)容合并到本文中并用于所有用途。本申請要求于2011年12月7日提交的美國臨時專利申請N0.61/568，126的權益，該項申請的全部內(nèi)容合并到本文中并用于所有用途。本申請為于2012年I月3日提交的美國專利申請N0.13/342,886的部分接續(xù)申請，該項申請的全部內(nèi)容合并到本文中并用于用于所有用途。本申請為于2012年I月4日提交的美國專利申請N0.13/343, 603的部分接續(xù)申請，該項申請的全部內(nèi)容合并到本文中并用于所有用途。
【背景技術】
[0003]已知的飛輪存儲動能，即，運動的能量。當要求釋放該能量時，飛輪隨著動能被耗盡而減速。已知的還有驅(qū)動電機的飛輪或者由電機驅(qū)動的飛輪。幾十年來，已經(jīng)設計制造了這種機電動械，并且這種機電機械在運行上已經(jīng)獲得了不同程度的成功。然而，廣泛的應用受困于飛輪的制造，即使是最先進的商用機械在運行上也會受到嚴重限制，同時超過了較好的替代性執(zhí)行方式的成本。盡管小型飛輪制造業(yè)一直堅持不懈地努力，但現(xiàn)代的機電飛輪僅在一些利基市場中得到有限地應用，并且目前對于發(fā)展世界的能量供給沒有做出重大貢獻。
【技術領域】
[0004]本發(fā)明涉及機電領域。特別地，本發(fā)明涉及一種包括有飛輪體的機電機械，飛輪體同于能量存儲和能量釋放。
[0005]相關技術的論述
[0006]機電飛輪包括在大氣條件下運行的機械和在真空條件下運行的機械。雖然在真空環(huán)境下運行的機械有益于高速運行，但這些機械同樣受現(xiàn)有技術的限制而不能夠控制飛輪體的應力、磁性部件溫度和安全防護。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明提供一種機電飛輪，所述機電飛輪具有環(huán)繞定子的轉(zhuǎn)子以及定子繞組，所述定子繞組包括I)環(huán)繞由所述定子限定的旋轉(zhuǎn)軸線的勵磁繞組和2)并不環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線的電樞繞組。
[0008]在一種實施方式中，機電飛輪包括:芯部組件，所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子；電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，所述電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子圍繞所述定子；所述定子的特征在于，所述定子限定一旋轉(zhuǎn)軸線，所述定子具有環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線的勵磁線圈，并且所述定子具有并不環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線的電樞線圈；飛輪體，所述飛輪體環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子并且聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子以便與所述轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)；以及可排空的殼體，所述可排空的殼體封閉所述飛輪體。
[0009]在一些實施方式中，所述轉(zhuǎn)子由間隔開的第一懸架組件和第二懸架組件支撐，所述第一懸架組件包括第一電磁軸承，所述第一電磁軸承用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力和懸浮力，所述第二懸架組件包括第二電磁軸承，所述第二電磁軸承用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]參照附圖對本發(fā)明進行了描述。包括在本文中且形成說明書的一部分的這些附圖示出了本發(fā)明，并且這些附圖連同描述相結(jié)合進一步用于說明本發(fā)明的原理并且用于使相關領域技術人員能夠?qū)嵤┘笆褂帽景l(fā)明。
[0011]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的機電飛輪機的框圖。
[0012]圖2示出了圖1的機電飛輪機的選擇功能和設備。
[0013]圖3示出了圖1的機電飛輪機的第一實施方式。
[0014]圖4示出了圖1的機電飛輪機的第二實施方式。
[0015]圖5A示出了圖1的機電飛輪機的轉(zhuǎn)子磁極。
[0016]圖5B示出了圖1的機電飛輪機的轉(zhuǎn)子磁極和定子。
[0017]圖6示出了圖1的機電飛輪機的下軸承組件和一些部件。
[0018]圖7示出了圖1的機電飛輪機的上軸承組件和一些部件。
[0019]圖8示出了圖1的機電飛輪機的第三實施方式。
【具體實施方式】
[0020]在隨后的數(shù)頁中提供的公開內(nèi)容描述了本發(fā)明的一些實施方式的示例。設計方案、附圖和描述都是本發(fā)明的一些實施方式的非限制性示例。例如，所公開的裝置的其它實施方式可以包括或者可以不包括本文中描述的特征。此外，所公開的優(yōu)點和益處僅可以應用于本發(fā)明的某些實施方式并且不應當用于限制所公開的本發(fā)明。
[0021]圖1示出了機電飛輪機100。電互連部分104與能量交換塊102、電力電子和控制部分106和電力網(wǎng)絡108電聯(lián)接。
[0022]本文所用術語聯(lián)接除非另有說明指的是直接或間接連接，比如1)A直接連接至B以及2) C通過D間接連接至E。
[0023]能量交換塊102包括旋轉(zhuǎn)組件110和芯部組件112。旋轉(zhuǎn)組件包括電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子114、飛輪體116和轂部118。芯部組件包括電動發(fā)電機定子120和電動發(fā)電機定子支撐件122。在多種實施方式中，轉(zhuǎn)子是無軸的。而且，在一些不同實施方式中，旋轉(zhuǎn)組件是無軸的。
[0024]電互連部分104包括任何的導電連接裝置、電接口裝置、電傳感器和類似裝置。電力電子和控制部分106包括任何的硅和/或半導體裝置、模擬和數(shù)字處理器以及包括人機界面的相關界面。對于電力網(wǎng)絡108，I)所述電力網(wǎng)絡108在一些實施方式中是提供電力給能量交換塊102的電源，2)在一些實施方式中為能量交換塊的電力的使用者，以及3)在一些實施方式中既為提供電力給能量交換塊電源又為能量交換塊的電力的使用者。
[0025]圖2示出了選擇的機電飛輪機功能和設備200。能量存儲202對于飛輪運行而言極為重要。在機電飛輪中，能量存儲功能和能量轉(zhuǎn)換204提供用于將動能轉(zhuǎn)換成電力和/或?qū)㈦娏D(zhuǎn)換成動能的裝置。能量傳輸206用于提供能量轉(zhuǎn)換設備220、216與電力網(wǎng)絡108之間的電力傳輸。在多種實施方式中，電開關比如斷路器230用于連接和斷開能夠?qū)崿F(xiàn)電力傳輸?shù)膶w。在多種實施方式中，其它機電飛輪機功能包括下述數(shù)個輔助支持功能208中的任意功能。
[0026]能量存儲202利用旋轉(zhuǎn)組件110。在多種實施方式中，懸架系統(tǒng)210支撐旋轉(zhuǎn)組件。懸架設備包括軸承或其等同物212，在一些實施方式中，被動式停機系統(tǒng)215支持使得旋轉(zhuǎn)組件處于選擇的運行工況下(比如停機)。
[0027]能量轉(zhuǎn)換功能204利用用于將動能轉(zhuǎn)換成電力的裝置(比如發(fā)電機或者電動發(fā)電機)。示出了電動發(fā)電機220。電動發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子114和定子120，并且配置了用于旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動旋轉(zhuǎn)組件110及用于由旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動的裝置。在多種實施方式中，電力電子部分216能夠控制由電動發(fā)電機和/或電力網(wǎng)絡108發(fā)出的電場波形。例如，在多種實施方式中，電力電子部分用于提供具有中間DC母線的AC-AC轉(zhuǎn)換器中的頻率轉(zhuǎn)換，并且電力電子部分用于變速驅(qū)動功能(比如使飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速加快)。
[0028]在多種實施方式中，通過下面詳細描述的輔助支持設備來執(zhí)行輔助支持功能208。輔助支持功能包括遮蔽240、安全242、真空244、冷卻248和人機界面246。
[0029]控制功能205用于提供監(jiān)測、評估、命令和其它機電飛輪功能的控制中的一個或多個。特別地，控制功能通過對能量存儲202、能量轉(zhuǎn)換204、能量傳輸206和輔助支持208中的一個或多個進行監(jiān)控和/或控制來實現(xiàn)機電飛輪運行。
[0030]圖3不出了第一機電飛輪部分300。能量交換塊302被內(nèi)部殼體328封閉，內(nèi)部殼體328又被可選的外部殼體338封閉。
[0031]能量交換塊302包括旋轉(zhuǎn)組件310和芯部組件312。旋轉(zhuǎn)組件中包括:電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子314和環(huán)繞電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子且聯(lián)接至電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的飛輪體316，聯(lián)接于飛輪體的轂部318以及移動懸架元件344。在一些實施方式中，在電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子與飛輪之間設置有諸如非磁性(例如，非磁性金屬合金和高溫合金)套筒的套筒，所述套筒尤其用于支持電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子且為電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供支撐。電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子、飛輪體、轂部和移動懸架元件圍繞軸線x-x同步轉(zhuǎn)動，在一些實施方式中，轂部附接至電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子350和飛輪體352中的這兩者中一者或兩者。移動懸架元件的對側(cè)為靜止懸架元件346,靜止懸架元件346具有支撐體，比如內(nèi)部殼體的第一壁部332。芯部組件312中包括有定子320和定子支撐件322。在一些實施方式中，定子支撐件聯(lián)接至內(nèi)部殼體的壁部，比如內(nèi)部殼體的第二壁部 334。
[0032]電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子314環(huán)繞電動發(fā)電機定子320。在多種實施方式中，電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子314包括磁性部分354和非磁性部分356，在一些實施方式中，非磁性部分為塊狀或者基體材料，或者所述非磁性部分包括塊狀或者基體材料，所述塊狀或者基體材料支撐磁性部分。在一種實施方式中，轉(zhuǎn)子磁性部分為層狀結(jié)構。
[0033]在多種實施方式中，定子320包括磁性結(jié)構，所述磁性結(jié)構具有一個或多個互接線圈，這些互接線圈具有能夠承載可變電流并因此使磁性結(jié)構的磁通量發(fā)生變化的導電繞組。在一些實施方式中，第一定子線圈364環(huán)繞大致垂直于x-x軸線的假想的y-y軸線。并且，在一些實施方式中，第二定子線圈368環(huán)繞x-x軸線。在一種實施方式中，多個第一定子線圈環(huán)繞各自的假想的y-y軸線，一個或多個第二定子線圈環(huán)繞x-x軸線，第一定子線圈為電樞線圈，第二定子線圈為勵磁線圈。
[0034]并且，在一種實施方式中，電動發(fā)電機360為具有不出的內(nèi)外布置(轉(zhuǎn)子環(huán)繞定子)的單極電機，其中，a)類似于電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子314的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子包括無線圈的層狀磁性結(jié)構；b)類似于定子320的固定的中心定子包括層狀磁性結(jié)構，該磁性結(jié)構具有用于在磁性結(jié)構中產(chǎn)生磁通量的線圈；以及c)轉(zhuǎn)子環(huán)繞定子。
[0035]圖4示出了第二機電飛輪部分400。能量交換塊402被內(nèi)部殼體428封閉，內(nèi)部殼體428在一些實施方式中被外部殼體(未不出)封閉或者部分封閉。
[0036]能量交換塊402包括旋轉(zhuǎn)組件410和芯部組件412。旋轉(zhuǎn)組件中包括:電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子414、環(huán)繞電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子且聯(lián)接至電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的飛輪體416、聯(lián)接至飛輪體的轂部418、用于支撐轂部的支撐銷496和用于支撐轂部的移動懸架組件492。一些實施方式在電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子與飛輪體之間包括有套筒，比如非磁性套筒。
[0037]在多種實施方式中，飛輪體416包括不同材料的層，所述材料比如為一種或多種類型或等級的玻璃纖維和一種或多種類型或等級的碳纖維。于1997年8月4日提交的名為 HUB AND CYLINDER DESIGN FOR FLYWHEEL SYSTEM FOR MOBILE ENERGY STORAGE 的美國專利N0.6175172的全部內(nèi)容通過參引合并到本文中并用于所有用途，包括圖4A和相關描述中示出的飛輪體構造技術和構造材料。
[0038]如示出的那樣，飛輪體包括三層，S卩，鄰近于電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的第一層417、中間層419和外層421。在一種實施方式中，中間層和外層包括碳纖材料，內(nèi)層包括玻璃纖維。在另一實施方式中，所有三層大致上由碳纖材料制成。在多種實施方式中，一個或多個層是預加應力的，例如通過使纏繞纖維在壓力的作用下形成具有內(nèi)壓應力的大致圓筒狀的外殼。
[0039]支撐銷、移動懸架組件和轂部布置成同心并且圍繞軸線x-x同時轉(zhuǎn)動。如看到的那樣，支撐銷496位于上軸承承載件490與下軸承承載件494之間的間隙491中。上軸承承載件從定子支撐件422延伸出，下軸承承載件由殼體的第一壁部432支撐。在一種實施方式中，上軸承承載件的沿著x-x軸線的延伸493用于可旋轉(zhuǎn)地限制上軸承承載件與下軸承承載件之間的支撐銷。從這個角度來看，上軸承承載件和下軸承承載件提供用于通過支撐銷來“捕獲”旋轉(zhuǎn)組件的裝置，并且對于被動停機功能極為有益。在多種實施方式中，下軸承承載件和移動懸架組件包括第一電磁軸承。
[0040]第二電磁軸承451與上軸承承載件490和下軸承承載件494分隔開。第二電磁軸承包括由定子支撐件422支撐的固定軸承定子454和用于使定子磁化的繞組452以及聯(lián)接至電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的幾何方位上相對的轉(zhuǎn)子456。如示出的那樣，電磁體498、499的配合面平行于x-x軸線從而使得電磁軸承力垂直于x-x軸線。在其它實施方式中，成角度的電磁軸承面(比如下文所要描述的那些電磁軸承面)提供沿著與χ-χ軸線平行的軸線的電磁軸承力分量和沿著與χ-χ軸線垂直的軸線的電磁軸承力分量。隨著電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動的電磁體，并且特別是電磁軸承中使用的電磁體，可以具有實心或者層狀狀電磁芯。在一些實施方式中，電磁芯包括樹脂基體(比如環(huán)氧基體)，其中，嵌入了細小的鋼鐵微粒以便形成復合電磁芯。這種電磁芯使得減小與電磁芯相關的磁擴散時間常量(例如電磁芯的垂直于所產(chǎn)生的磁場的厚度)，以便減小施加電流與施加作用力的時間間隔。由于不能以適當薄的尺寸來獲得高強度鋼鐵層狀片，該復合技術可以提供其它方面所不能容易獲得的性能。
[0041]芯部組件412中包括有定子420和聯(lián)接至內(nèi)部殼體的第二壁部434的定子支撐件422。電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子414環(huán)繞電動發(fā)電機定子。在多種實施方式中，電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子包括磁性部分和非磁性部分(例如，見圖3的354、356)，在一些實施方式中，，非磁性部分為塊狀或者基體材料，或者所述非磁性部分包括塊狀或者基體材料，所述塊狀或者基體材料支撐磁性部分。在一種實施方式中，轉(zhuǎn)子磁性部分為層狀結(jié)構。
[0042]在多種實施方式中，定子420包括磁性結(jié)構，所述磁性結(jié)構具有一個或多個互接線圈，這些互接線圈具有能夠承載可變電流并因此使電磁結(jié)構的磁通量發(fā)生變化的導電繞組。
[0043]在一種實施方式中，定子(比如單極定子)包括至少兩個外周緣和一個較小的中間周緣。這些邊緣包括磁性材料(比如鐵)，并且在多種實施方式中，這些邊緣為層狀結(jié)構，其中，每個層片呈大致環(huán)形形狀。
[0044]如示出的那樣，定子420包括三個大直徑周緣464、466、470和兩個較小直徑的周緣484、488，從而在大直徑周緣與小直徑周緣之間形成有大致環(huán)形或者近似圈狀物的容納部481。環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線x-x的線圈布置在這些容納部中以便形成勵磁繞組482、486。除了勵磁線圈之外，定子進一步包括電樞線圈。
[0045]電樞線圈450與大周緣464、466、470的外周中的槽483相互接合，從而每個電樞線圈將環(huán)繞大致垂直于旋轉(zhuǎn)軸線X-X的假想軸線y-y (見圖3)。
[0046]對于每個定子周緣，具有多個配合轉(zhuǎn)子磁極。如能夠看見的那樣，定子外周緣464、470具有軸向(x-x)間隔開的配合轉(zhuǎn)子磁極462、468(用實線示出)，定子中心周緣466具有軸向相鄰的配合轉(zhuǎn)子磁極463、469(用虛線示出)。用于相鄰周緣的轉(zhuǎn)子磁極(例如462、463)不僅在軸向(x-x)上被間隔開，而且在徑向上也被間隔開，從而使得用于一個周緣的轉(zhuǎn)子磁極同與相鄰周緣配合的最近的轉(zhuǎn)子磁極徑向地間隔90電角度(electricaldegree)。
[0047]在多種實施方式中，內(nèi)置式真空泵(比如牽引分子泵)提供離開飛輪體416且特別是離開獲得最高速度的飛輪體外周處的移動分子。美國專利N0.US5, 462，402FLYWHEELWITH MOLE⑶LAR PUMP的全部內(nèi)容通過參引合并到本文中并用于所有用途，其中包括對于牽引分子泵的論述及對于飛輪系統(tǒng)的使用。
[0048]在一種實施方式中，第一真空泵由固定迷宮狀環(huán)體458形成，固定迷宮狀環(huán)體458由相對飛輪體的真空泵表面459間隔很小的殼體壁部434支撐。在多種實施方式中，迷宮環(huán)中的凹槽提供與移動的飛輪表面相配合的抽吸動作。在一些實施方式中，凹槽為螺旋形凹槽，其截面面積通常沿著向前的流動路徑減小。并且，在一些實施方式中，第二真空泵由類似于上述迷宮環(huán)的迷宮結(jié)構形成并且固定至定子外周部分(比如大直徑定子環(huán)454、464、466、470，為了清楚起見未示出)或者固定至幾何位置相對的轉(zhuǎn)子磁極(456、462、463、469、468)。在一種實施方式中，替代性的第二牽引泵由迷宮結(jié)構和飛輪體外周處的移動表面413形成，例如，所述迷宮結(jié)構位于殼體428上或者與殼體428成一體并且飛輪體的外周以非常靠近迷宮結(jié)構的方式運行且在大致垂直于由第一牽引泵(外周迷宮未示出)建立的流動方向的方向上建立排出流。在多種實施方式中，這種替代性的第二牽引泵可與第一牽引泵在一起運行從而提供兩級牽弓I泵。
[0049]在一種實施方式中，可排空的殼體內(nèi)包括有供給區(qū)域和排放區(qū)域。供給區(qū)域具有至少部分由殼體428、轂部外表面417和飛輪體外周413的一部分限定的邊界。排放區(qū)域具有至少部分由真空阻隔殼體和芯部組件412的部分限定的邊界。第一牽引泵設置在飛輪體表面459與真空阻隔殼體壁部434之間，第二牽引泵設置在至少一個定子環(huán)466與轉(zhuǎn)子414之間。
[0050]圖5A示出了 2+2磁極單級單極電機500A在鄰近磁極平面中的轉(zhuǎn)子磁極的徑向錯開布置方式。參照轉(zhuǎn)子截面502和轉(zhuǎn)子514,第一磁極462位于第一磁極平面Π中，與其相對磁極463位于同一平面中。在類似同步相鄰磁極平面Y2中，相鄰平面磁極465在Yl平面磁極之間。Y2平面中的第二磁極464在該截面中未示出。
[0051]磁極平面Yl、Y2的平面圖504、506示出了各磁極平面中的磁極462、463和464、465，這些磁極間隔了 90°的幾何角度。在這種4磁極實施方式中，磁極還間隔了 90電角度。
[0052]在多種實施方式中，磁路在相鄰的錯列磁極之間延伸。例如，如磁極組件508、510中示出的那樣，磁路部分466、468在磁極對462、463和磁極對463、464之間延伸。如這里不出的那樣，在4磁極電機轉(zhuǎn)子中由磁路部分462-466-465和463-468-464形成了兩個連續(xù)磁路。在一些實施方式中，每個磁路部分組件462-466-465和463-468-464呈“Z”形，其中，中心構件466、468以大致直角的角度接觸鄰近構件462、465和463。此外，該結(jié)構保持磁路的容量。
[0053]圖5B示出了三級電機的轉(zhuǎn)子和定子，每級具有四個磁極500B。此處，示出了轉(zhuǎn)子磁路部分組件560的視圖，其中，展開了通常圓柱形的轉(zhuǎn)子結(jié)構從而示出了平坦表面。磁路部分組件520、522、523、521布置成在部分519之間產(chǎn)生具有間隔的柵格569，其中，在多種實施方式中，這些間隔填充有非磁性材料。
[0054]柵格569構造成使得形成多個級A、B、C，每個級具有4個磁極。例如，級A具有北極平面，該平面具有第一完全磁極557和由兩個半磁極553、555組成的第二磁極。級A還具有南極平面，該平面具有兩個完全磁極559、561。級A的北極平面和南極平面因此總共具有4個完整磁極。
[0055]每級包括四個磁路部分組件或者轉(zhuǎn)子柵格部分。例如，級A包括磁路部分組件520、522、520和522，級B包括磁路部分組件523、521、523和521，級C同級A —樣包括磁路部分組件520、522、520和522。在一些實施方式中，當不考慮曲率時磁路部分組件的幾何結(jié)構的不同之處主要在于部分的取向。此處，例如，組件520與組件522的不同之處在于組件520圍繞平行于x-x軸線的軸線轉(zhuǎn)動了 180度，組件520與組件523的不同之處在于其圍繞垂直于x-x軸線的軸線轉(zhuǎn)動了 180度，組件522與組件521的不同之處在于其圍繞垂直于x-x軸線的軸線轉(zhuǎn)動了 180度。
[0056]示出的還有定子562的剖視圖。如看到的那樣，定子具有以x-x軸線為中心的大直徑周緣534、536、538、540和小直徑周緣544、546、548。在大直徑外周周緣534、540之間設置有第一大直徑中間周緣536和第二大直徑周緣538。在每對大直徑周緣之間設置有一個小直徑周緣，從而這些周緣以534、544、536、538、548和540的次序疊置。這些周緣由通過壁部530支撐的聯(lián)接定子支撐件532所支撐。
[0057]多個電樞繞組(例如571、572)通過槽或類似特征與多個大直徑周緣外周(例如574)相互接合。勵磁繞組535、537、539環(huán)繞定子旋轉(zhuǎn)軸線x-x，其中，一個勵磁繞組環(huán)繞在小直徑周緣中的每一個從而使得每個勵磁繞組位于一對大直徑周緣之間。
[0058]如能夠看到的那樣，轉(zhuǎn)子的柵格結(jié)構569設置成:使得定子的第一周緣534與級A的北磁極相對應；定子的第三周緣536與級A的南磁極和級B的南磁極相對應；定子的第五周緣與級B的北磁極和級C的南磁極相對應；定子的第七周緣與級C的南磁極相對應。
[0059]在多種實施方式中，軸承用于支撐旋轉(zhuǎn)組件及其包括的飛輪體116、316、416。可以使用本文中所描述的足以支撐旋轉(zhuǎn)組件的任何軸承組合形式。
[0060]圖6示出了下軸承承載件和一些相關部件600。如附圖的上半部示出的那樣，具有用于聯(lián)接至飛輪體的轂部618、用于支撐轂部618的支撐銷696、用于支撐轂部的移動懸架組件692和下軸承承載件694。轂部、支撐銷和移動懸架組件固定地聯(lián)接在一起(為了清楚起見圖6中以分解圖的形式示出)。
[0061]在多種實施方式中,移動懸架組件692包括移動懸架組件電磁軸承轉(zhuǎn)子602。在一些實施方式中，軸承轉(zhuǎn)子為層狀結(jié)構(如示出的那樣)。在一些實施方式中，軸承具有以角度Θ I = 0°定向的移動懸架組件電磁軸承面603，其中，該角度Θ I由軸承面603和平行于x-x軸線的軸線xl-xl限定。而且，在一些實施方式中，軸承具有以角度O < Θ1<90°定向的軸承面603( “成角度面”)(如示出的那樣)，軸承面603提供了平行于x-x軸線的電磁軸承力分量以及平行于與x-x軸線垂直的軸線的電磁軸承力分量。
[0062]在多種實施方式中，移動懸架組件692包括移動懸架組件永磁體604,在一些實施方式中,永磁體是電磁軸承轉(zhuǎn)子602的附加物。而且，在一些實施方式中，移動懸架組件磁體保持件606為移動懸架組件電磁軸承轉(zhuǎn)子和移動懸架組件永磁體中的任一個或兩個提供保持作用。
[0063]當移動懸架組件包括電磁軸承轉(zhuǎn)子602時，下軸承承載件694包括相對應的下軸承承載件電磁軸承定子614和用于使該定子磁化的下軸承承載件定子電線圈616。定子由下軸承承載件框架612支撐，而下軸承承載件框架612又由殼體壁部632支撐。
[0064]在一些實施方式中，軸承定子為層狀結(jié)構(如示出的那樣)。在一些實施方式中，軸承具有以角度Θ 2 = 0°定向的下軸承承載件電磁軸承面615，其中，該角度Θ 2由電磁軸承面和平行于x-x軸線的軸線x2-x2限定。而且，在一些實施方式中，軸承具有以角度O< Θ2<90°定向的軸承面615( “成角度面”)(如示出的那樣)，軸承面615提供平行于X-X軸線的電磁軸承磁力分量以及平行于與X-X軸線垂直的軸線的電磁軸承磁力分量。如本領域技術人員將理解的那樣，軸承面603、615相互協(xié)作，使得直立的轉(zhuǎn)子面與直立的定子面匹配，同時成角度的轉(zhuǎn)子面與成角度的轉(zhuǎn)子面匹配。
[0065]在使用移動懸架組件永磁體604的情況下，下軸承承載件包括幾何位置上相對的永磁體620。在一些實施方式中，下軸承承載件永磁體保持件619由下軸承承載件框架612支撐并且支撐永磁體。
[0066]在多種實施方式中，下軸承承載件694包括下軸承承載件落位軸承(比如抗摩擦軸承622)。如示出的那樣，落位軸承由下軸承承載件框架612支撐。在一些實施方式中，阻尼材料624提供用于落位軸承的密封材料。
[0067]圖7示出了上軸承承載件和一些相關部件700。如示出的那樣，上軸承承載件790包括固定板702和移動板704。
[0068]固定板702包括凹槽形式的線圈空間706，所述線圈空間706位于固定板的面向移動板730的一側(cè)上。還包括有用于使被線圈包圍的磁性材料707磁化的電線圈722。
[0069]移動板704包括彈簧空間708和機械軸承空間710。彈簧空間708形成在移動板的直徑減小段延伸直到面向固定板732的板一側(cè)處，并且彈簧(比如線圈彈簧720)占據(jù)該空間。軸承空間710為移動板表面734中的中心空腔，所述移動板表面734與移動板的面向固定板的表面732相對。如看到的那樣，該電磁操作壓縮彈簧并且用于將板拉到一起。
[0070]在多種實施方式中，上軸承承載件790包括上軸承承載件落位軸承(比如抗摩擦軸承716)。如示出的那樣，落位軸承定位在移動板空腔710中。在一些實施方式中，阻尼材料718提供用于落位軸承的密封材料。
[0071 ] 如圖6和圖7中看到的那樣，支撐銷696在上軸承承載件790與下軸承承載件694之間延伸。另外，上軸承承載件落位軸承716、支撐銷696、移動懸架組件692、下電磁軸承定子614、下軸承承載件永磁體620和下軸承承載件落位軸承622中的每一個的以x_x軸線為中心，從而使得支撐銷上端728和下端628在移動板704朝向下軸承承載件沿793移動時分別與的上落位軸承716和下落位軸承622以及每個落位軸承的中心孔726、626接合。
[0072]圖8示出了機電飛輪800的另一實施方式。飛輪體831圍繞單極電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子并且被聯(lián)接至單極電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，該單極電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子包括金屬襯墊830。如示出的那樣，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子北磁極824、832。轉(zhuǎn)子南磁極未示出。參見圖5B的級A和級B可得到轉(zhuǎn)子南磁極處的相似的布置方式。
[0073]定子支撐件811被聯(lián)接至電動發(fā)電機定子828，并且勵磁繞組826和電樞繞組820中的每一者以類似于上述的方式與定子相互接合。
[0074]轂部846支撐轉(zhuǎn)子830和飛輪體831，轂部846又被支撐，所述支撐銷864接合在上下軸承承載件860、862之間或者位于上下軸承承載件860、862之間。參見圖6和圖7可得到類似的軸承承載件的詳細信息。第一電磁軸承866位于下軸承承載件中。第二電磁軸承870與第一軸承承載件和第二軸承承載件間隔開，并且包括軸承定子818、軸承轉(zhuǎn)子818和用于使定子磁化的定子線圈814。
[0075]機電飛輪殼體包括內(nèi)部真空阻隔件812。在一些實施方式中，外部殼體807支撐真空阻隔件。適合的真空阻隔件材料包括不銹鋼和本領域技術人員已知的適于該目的的其它材料。
[0076]在多種實施方式中，定子支撐件811具有管狀結(jié)構并且其中設置有同軸管801。如示出的那樣，同軸管包圍進入定子支撐件的液體冷卻液流802，并且支撐結(jié)構內(nèi)徑與同軸管外徑之間的環(huán)狀區(qū)域815提供了冷卻液離開定子支撐件的流動通路803。流動穿過環(huán)狀區(qū)域的冷卻液吸收來自定子828的熱量并且在一些實施方式中在其被泵回(未示出)到流動入口 802之前就在冷卻機中被冷卻。
[0077]在一些實施方式中，導熱管808提供定子冷卻。如示出的那樣，多個導熱管中的每一個在緊鄰定子的區(qū)域(比如在所示的定子電樞繞組槽)中具有吸熱第一端872。導熱管的排熱端位于緊鄰真空阻隔件的區(qū)域，比如排熱端874(如圖所示)與真空阻隔件接觸或者在其它實施方式中被前述冷卻液流冷卻。
[0078]在運行時，機電飛輪的飛輪體在飛輪充電期間由電動發(fā)電機加速。在充電期間，能量被傳輸至電動發(fā)電機。在放電期間，電動發(fā)電機隨著飛輪體的減速將飛輪的動能轉(zhuǎn)換成電能。電力電子部分用于轉(zhuǎn)換電力網(wǎng)絡以便驅(qū)動電動發(fā)電機以及與其機械聯(lián)接的飛輪體。電力電子部分還用于將電動發(fā)電機產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換成適于傳輸電力至的電網(wǎng)使用的波形。
[0079]盡管上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施方式，但應當理解的是，這些實施方式僅是通過示例來描述且為非限制性的。對于本領域技術人員來說明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下能夠在形式和細節(jié)上進行改變。這樣，本發(fā)明的寬度和范圍不應當被上述示例性實施方式限制，而是僅應當根據(jù)下述權利要求及其等同物的限定。
【權利要求】
1.一種機電飛輪,包括: 芯部組件， 所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子； 電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，所述電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子圍繞所述定子，所述定子限定一旋轉(zhuǎn)軸線，所述定子具有環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線的勵磁線圈，并且所述定子具有不環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線的電樞線圈； 飛輪體，所述飛輪體環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子，并且所述飛輪體聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子以便與所述轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)； 可排空的殼體，所述可排空的殼體封閉所述轉(zhuǎn)子和所述飛輪體； 間隔開的第一懸架組件和第二懸架組件， 所述第一懸架組件包括第一電磁軸承，所述第一電磁軸承用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力和懸浮力；并且 所述第二懸架組件包括第二電磁軸承，所述第二電磁軸承用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛輪，進一步包括嵌置在非磁性基體中的片層，所述片層和基體形成所述轉(zhuǎn)子的壁部的至少一部分。
3.根據(jù)權利要求1所述的飛輪組件，進一步包括: 錐形過渡件形式的轂部，所述轂部聯(lián)接至所述飛輪體并且聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)磁性臺； 固定磁性臺，所述固定磁性臺與所述旋轉(zhuǎn)磁性臺相對； 所述旋轉(zhuǎn)磁性臺包括旋轉(zhuǎn)永磁體和旋轉(zhuǎn)電磁體部分；并且 所述固定磁性臺包括固定永磁體和固定電磁體部分。
4.根據(jù)權利要求1所述的飛輪組件，進一步包括: 錐形過渡件形式的轂部以及支撐銷，所述轂部聯(lián)接至所述飛輪體，所述支撐銷具有上端和下端； 所述支撐銷能夠操作成在磁力允許所述支撐銷上端與抗摩擦軸承聯(lián)接時支撐所述轂部；并且 所述支撐銷能夠操作成在磁力允許所述支撐銷下端與抗摩擦軸承聯(lián)接時支撐所述轂部。
5.根據(jù)權利要求4所述的飛輪組件，進一步包括: 三個或更多個定子環(huán)，每個所述定子環(huán)環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線，并且多個所述定子環(huán)具有帶槽的外周； 勵磁線圈，所述勵磁線圈設置在每對所述定子環(huán)之間；以及 多個電樞線圈，所述多個電樞線圈與所述定子環(huán)的槽互相接合。
6.根據(jù)權利要求5所述的飛輪組件，進一步包括: 位于所述可排空的殼體內(nèi)的供給區(qū)域和排放區(qū)域，所述供給區(qū)域具有至少部分由所述真空阻隔殼體部分、所述轂部外表面部分和所述飛輪體外周部分限定的邊界，所述排放區(qū)域具有至少部分由所述真空阻隔殼體部分和所述芯部組件部分限定的邊界；以及第一牽引泵，所述第一牽引泵設置在飛輪體表面與所述真空阻隔殼體之間。
7.根據(jù)權利要求6所述的飛輪組件，進一步包括: 第二牽引泵，所述第二牽引泵設置在定子環(huán)與所述轉(zhuǎn)子之間。
8.根據(jù)權利要求6所述的飛輪組件，進一步包括: 第二牽引泵，所述第二牽引泵能夠操作成建立起沿與由所述第一牽引泵建立的流動方向大致垂直的方向上的流動。
9.一種飛輪組件，包括: 固定組件，所述固定組件包括飛輪殼體，所述飛輪殼體具有頂部和底部； 下電磁軸承(LEMB)，所述下電磁軸承(LEMB)由所述殼體底部支撐，所述LEMB用于對所述轉(zhuǎn)子施加提升力和對中力； 電動發(fā)電機定子，所述電動發(fā)電機定子從所述殼體頂部懸掛； 上電磁軸承(UEMB)，所述上電磁軸承(UEMB)由所述殼體頂部支撐，所述UEMB用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力； 旋轉(zhuǎn)組件，所述旋轉(zhuǎn)組件包括電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，所述電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子圍繞所述定子并且限定豎直的旋轉(zhuǎn)軸線； 飛輪體，所述飛輪體圍繞所述轉(zhuǎn)子并且聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子；以及 其中，所述定子的勵磁繞組環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線，并且所述定子的電樞繞組具有在豎直方向上間隔開的端部線匝。
10.根據(jù)權利要求9所述的機電飛輪，其中: 所述轉(zhuǎn)子為無軸的。
11.一種飛輪組件，包括: 飛輪殼體，所述飛輪殼體限定第一支撐平面和第二支撐平面； 電動發(fā)電機定子，所述電動發(fā)電機定子由所述第二支撐平面支撐，所述電動發(fā)電機定子限定一旋轉(zhuǎn)軸線，所述電動發(fā)電機定子具有環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線的勵磁線圈，并且所述電動發(fā)電機定子具有大致垂直于所述勵磁線圈的電樞線圈； 電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，所述電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子圍繞所述定子，并且所述電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子用于圍繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)； 飛輪體，所述飛輪體圍繞所述轉(zhuǎn)子并且聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子； 第一電磁軸承(EMBl)，所述第一電磁軸承(EMBl)由所述第一平面支撐，所述EMBl用于對所述轉(zhuǎn)子施加提升力和對中力；以及 第二上電磁軸承(EMB2)，所述第二電磁軸承(EMB2)由所述第二平面支撐，所述EMB2用于對所述轉(zhuǎn)子施加對中力。
12.根據(jù)權利要求11所述的機電飛輪，其中: 所述轉(zhuǎn)子為無軸的。
13.—種機電飛輪,包括: 芯部組件，所述芯部組件由圍繞其的壁部支撐； 所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子，所述定子被電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子環(huán)繞，所述定子限定被設計為所述轉(zhuǎn)子圍繞其旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸線，所述定子具有環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線的定子勵磁線圈，并且所述定子具有不環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線的定子電樞線圈； 飛輪體，所述飛輪體圍繞所述轉(zhuǎn)子并且聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)子； 懸掛系統(tǒng)，所述懸掛系統(tǒng)包括第一懸掛組件和第二懸掛組件；并且 所述懸掛系統(tǒng)包括多個用于對所述轉(zhuǎn)子施加軸向力和徑向力的磁軸承。
14.根據(jù)權利要求13所述的機電飛輪，其中: 所述轉(zhuǎn)子為無軸的。
15.根據(jù)權利要求4所述的飛輪組件，進一步包括: 一個或多個環(huán)形的定子容納部； 所述一個或多個環(huán)形的定子容納部中的每一個環(huán)繞所述旋轉(zhuǎn)軸線和限定具有帶槽外周的容納部的結(jié)構； 設置在每個容納部中的勵磁線圈；以及 與所述槽相互接合的多個電樞線圈。
【文檔編號】H02K7/02GK103947089SQ201280055746
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權日:2011年11月13日
【發(fā)明者】克勞德·邁克爾·卡利夫, 赫爾斯·F·霍夫曼 申請人:羅特能源控股公司