專利名稱：一種磁懸浮飛輪電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁懸浮飛輪電池領域，特別是涉及一種更適合軸向尺寸小的磁懸浮飛輪電 池系統(tǒng)。
技術背景磁懸浮飛輪電池技術是利用旋轉的飛輪儲存能量的技術。它以其高比功率、高比能量、 充電快、壽命長和環(huán)境友好等特點正受到各行各業(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，此時其電機作為電動機，由電動機驅動飛輪使其旋轉，將電 能轉化為機械能儲存起來。磁懸浮飛輪電池放電時，此時其電機作為發(fā)電機，由飛輪驅動 發(fā)電機，將機械能轉化為電能輸出供給用電器。利用磁懸浮技術將飛輪無接觸地懸浮于在 空間，避免飛輪旋轉時的摩擦損耗。同時，飛輪密封于一個真空腔內，減少飛輪旋轉時的 空氣動力學損耗。 發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單且性能穩(wěn)定的磁懸浮飛輪電池。 本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是設有能量儲存與轉化部分和磁懸浮支承部分，其中，能量儲存與轉化部分包括飛輪、電動機或發(fā)電機的轉子、電動機或發(fā)電機的定 子，磁懸浮支承部分包括電磁鐵、位移傳感器、軸向保護軸承、徑向保護軸承；飛輪、電 動機或發(fā)電機的轉子、電動機或發(fā)電機的定子在空間上自上而下排列，并且飛輪與電動機 或發(fā)電機的轉子連為一體，電動機或發(fā)電機的定子固定安裝于外殼上；在托板的倒圓臺面 上至少裝有三個電磁鐵和三個位移傳感器，它們沿托板上的圓周方向上交錯均勻布置，或 者呈任一不在一條直線上的形式布置；飛輪的頂面呈倒圓臺形，在電磁鐵產生的電磁力的 作用下，飛輪懸浮于托板的下方，此時飛輪完全懸浮在空中，與周圍的所有零件均保持有 微小間隙的非接觸狀態(tài)。根據(jù)磁懸浮原理，將一個物體以指定的狀態(tài)完全懸浮于指定的空間，需要約束該物體 的6個自由度。通常的磁懸浮飛輪電池，是以兩個徑向磁力軸承約束飛輪轉子沿X、 Y軸 方向移動和繞X、 Y軸方向轉動的4個自由度，以一個軸向磁力軸承約束飛輪轉子沿Z軸 方向移動，而飛輪繞Z軸方向的轉動的自由度不約束，由電動機驅動。本發(fā)明的設計原理是利用傾斜安置的二個電磁鐵產生電磁力的垂直分力Fz，約束飛 輪轉子沿Z軸方向移動和繞X、 Y軸方向轉動的3個自由度，同時利用三個電磁鐵產生電 磁力的水平分力Fx，約束飛輪沿X、 Y軸方向的移動的2個自由度(見圖2)，而飛輪繞Z 軸方向的轉動的自由度不約束，由電動機驅動。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，結構更簡單，更適合軸向尺寸小的磁懸浮飛輪電池系統(tǒng)。

圖1為本發(fā)明磁懸浮飛輪電池的剖視圖。 圖2為圖1中飛輪4的裝配圖。 圖3為圖1去除頂罩7后的俯視圖。 圖4為圖1中飛輪4的立體圖。 圖5為本發(fā)明磁懸浮飛輪電池的立體圖。 圖6為本發(fā)明磁懸浮飛輪的控制原理圖。圖中1.支撐座；2.減振環(huán)3.支撐桿；4.飛輪；5.鐵芯6.線圈；7.頂罩；8.位 移傳感器；9.夾緊塊；IO.電磁鐵；ll.托板；12.導磁環(huán)；13.壓環(huán)；14.外殼；15.軸向保護軸承；16.底蓋；17.電機軸；18.徑向保護軸承；19.電動機或發(fā)電機的轉子；20.電動 機或發(fā)電機的定子；21.螺母。
具體實施方式
本發(fā)明提供的是一種同時利用電磁鐵垂直于倒圓臺母線的電磁力水平分力和垂直分力約束飛輪5個自由度的磁懸浮飛輪電池。本發(fā)明將三個電磁鐵10的磁極呈倒圓臺狀布 置并將飛輪4設計為倒圓臺狀，這樣可以同時利用電磁鐵垂直于倒圓臺母線的電磁力水平 分力Fx和垂直分力Fz約束飛輪5個自由度，使飛輪懸浮于空間指定位置；具體方法是 利用控制電磁鐵的電流來改變電磁鐵的磁力，以電磁力的垂直分力Fz約束飛輪沿Z軸方 向移動和繞X、 Y軸方向轉動的3個自由度，同時利用電磁鐵磁場的電磁力水平分力Fx 約束飛輪沿X、 Y軸方向的移動2個自由度(如圖2)，而飛輪繞Z軸方向的轉動的自由 度不約束，使飛輪在空間指定位置的穩(wěn)定懸浮，利用電機驅動飛輪繞Z軸高速旋轉，為了 保護飛輪在停電等意外情況下不損壞，在飛輪的軸向和徑向都安裝了保護軸承(如圖l)。 下面結合附圖對本發(fā)明做進 一 步的說明，但不限定本發(fā)明。本發(fā)明提供的磁懸浮飛輪電池，其結構如圖1和圖3所示設有能量儲存與轉化部分 和磁懸浮支承部分，其中，能量儲存與轉化部分包括飛輪4、電動機或發(fā)電機的轉子19、 電動機或發(fā)電機的定子20，磁懸浮支承部分包括電磁鐵10、位移傳感器8、軸向保護軸 承15、徑向保護軸承18。飛輪4、電動機或發(fā)電機的轉子19、電動機或發(fā)電機的定子20 在空間上自上而下排列，并且飛輪4與電動機或發(fā)電機的轉子19連為一體，電動機或發(fā) 電機的定子20固定在外殼14上；在托板11的倒圓臺面上至少裝有三個電磁鐵10和三個 位移傳感器S，它們沿托板圓周方向上交錯均勻布置，或者呈任一不在一條直線上的形式 布置；飛輪的頂面呈倒圓臺形，在電磁鐵產生的受控電磁力的作用下，飛輪懸浮于托板的 下方，此時飛輪完全懸浮在空中，與托板ll、軸向保護軸承15、徑向保護軸承18均保持 有微小間隙(0.01 3mrn)的非接觸狀態(tài)。本發(fā)明所述的徑向保護軸承1S，安裝在電機軸17的上部，電機軸17的下部與底蓋 16固定相連。當飛輪靜止或者正常工作時，徑向保護軸承18與飛輪4之間保持有微小間 隙的非接觸狀態(tài)；當飛輪遇到停電或者意外強載荷的情況時，徑向保護軸承18保護飛輪 4不至于產生過大的徑向位移而損壞。在飛輪4上安裝的導磁環(huán)12由電工純鐵制造，其 形狀也呈倒圓臺形，導磁環(huán)12是電磁的通道。壓環(huán)13將導磁環(huán)12與飛輪4固接為一整 體(見圖1和圖2)。本發(fā)明所述的軸向保護軸承15安裝在外殼14上，當飛輪靜止時，軸向保護軸承15 與飛輪4接觸起支承飛輪的作用；當飛輪旋轉時，軸向保護軸承15與飛輪4之間保持有 微小間隙的非接觸狀態(tài)；當飛輪遇到停電等意外情況時，軸向保護軸承15保護飛輪4在 跌落時不至于損壞。本發(fā)明所述的三個電磁鐵10和三個位移傳感器8，它們各自可以在一同心圓上呈120 度布置，并且相互之間呈60度布置(見圖3)。電磁鐵10由鐵芯5和線圈6組成，并且 由非導磁性材質的夾緊塊9以螺釘固定在在托板11上。鐵芯5采用U形結構，鐵芯5由 U形的硅鋼片疊片而成，呈倒U形安裝在托板11的倒圓臺面上，鐵芯5端面在圓周方向 可按120度以放射狀布置于一圓周上，也可以呈任一不在一條直線上的形式布置。本發(fā)明所述的三個位移傳感器8可采用電渦流位移傳感器或者激光位移傳感器，由螺 母固定在托板ll上。位移傳感器8的中心在圓周方向可按120度布置于一圓周上，也可 以呈任一不在一條直線上的形式布置。見圖1和圖5:所述的外殼14，其上裝有頂罩7， 二者以螺栓相連；外殼14可由支 撐桿3和支撐座1支撐，支撐桿3上部穿過外殼14后由螺母21固連；在支撐座l與支撐 桿3相連的上下處各裝有一個減振環(huán)2，以減輕外部環(huán)境振動對磁懸浮飛輪電池的影響。本發(fā)明所述的電動機或發(fā)電機的轉子19、電動機或發(fā)電機的定子20和電機軸17共 同構成電動機或發(fā)電機。電動機或發(fā)電機同時具有電動機或發(fā)電機的功能。當磁懸浮飛輪 電池充電時，此時其功能為電動機，由電動機驅動飛輪使其高速旋轉，將電能轉化為機械 能儲存起來。當磁懸浮飛輪電池放電時，此時其功能為發(fā)電機，由飛輪驅動發(fā)電機，將機 械能轉化為電能輸出供給用電器。本發(fā)明的工作過程是磁懸浮飛輪電池充電時，此時其電機作為電動機，由電動機驅 動飛輪4使其高速旋轉，將電能轉化為機械能儲存起來。磁懸浮飛輪電池放電時，此時其 電機作為發(fā)電機，由飛輪驅動發(fā)電機，將機械能轉化為電能輸出供給用電器。利用磁懸浮 技術將飛輪無接觸地懸浮于在空間，避免飛輪旋轉時的摩擦損耗。同時，飛輪密封于一個 真空腔內，減少飛輪旋轉時的空氣動力學損耗。本發(fā)明的磁懸浮飛輪的控制系統(tǒng)如圖6所示控制電路同現(xiàn)有技術，其組成一般包括 信號處理模塊、電源、功率方法模塊，以及由數(shù)據(jù)采集和計算機組成的控制平臺(其工作 過程參見下面)。下面簡述飛輪4的磁懸浮過程根據(jù)幾何學原理，不在同一直線上的三點可以唯一地確定一個平面。因此，在圖l和圖3所示的飛輪平面內沿圓周方向均勻的布置了三個電磁鐵和三個非接觸式的位移傳感器，要求三個電磁鐵的鐵心端面在同一平面，三個位移傳感器的測試端也處在同一平面。 這樣，當飛輪處于位移傳感器的線性量程范圍內時，位移傳感器可以測量出飛輪上三點的 位置，位移傳感器將飛輪的位置狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)測量的飛輪位置信號，
控制電磁鐵線圈的電流，從而控制相應電磁鐵的電磁力，使其與飛輪受到的重力相平衡， 進而將飛輪控制在指定位置上。如果測量出的三個點的距離一樣，說明飛輪處于水平；此時，控制系統(tǒng)保持控制電流 不變，則電磁力不變，飛輪保持水平且與電磁鐵端面的距離也不變。當懸浮的飛輪受到外界干擾時，其位置發(fā)生了變化，該變化被相應的位移傳感器測出， 并且反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)測量的飛輪位置變化信號，改變電磁鐵線圈的電流， 從而改變相應電磁鐵的電磁力，使飛輪重新回到指定位置上。例如其中某一個點的距離 變大，說明該點遠離了電磁鐵端面，此時控制系統(tǒng)增大相應電磁鐵的電流，則電磁力相應 增大，將飛輪上遠離的一點拉回到原始位置，使飛輪重新恢復水平且與電磁鐵端面的距離 恢復初始值。本發(fā)明將三個電磁鐵的磁極呈倒圓臺狀布置并將飛輪設計為倒圓臺狀，這樣可以同時 利用三個電磁鐵產生電磁力的垂直分力Fz,約束飛輪轉子沿Z軸方向移動和繞X、 Y軸方 向轉動的3個自由度，同時利用三個電磁鐵產生電磁力的水平分力Fx，約束飛輪沿X、 Y 軸方向的移動自由度，而飛輪繞Z軸方向的轉動的自由度不約束，由電動機驅動。當飛輪靜止或者正常工作時，徑向保護軸承與飛輪之間保持有微小間隙不接觸；當飛 輪遇到停電或者意外強載荷的情況時，徑向保護軸承保護飛輪不至于產生過大的徑向位移 而損壞。當飛輪旋轉時，軸向保護軸承與飛輪之間保持有微小間隙不接觸；當飛輪遇到停 電意外情況時，軸向保護軸承保護飛輪在跌落時不至于損壞。總之，位移傳感器可以測量出飛輪上的三點位置，位移傳感器將飛輪的位置狀態(tài)反饋 給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)測量的飛輪的位置信號，控制電磁鐵線圈的電流，從而控制相 應電磁鐵的電磁力，使其與飛輪受到的重力相平衡，進而將飛輪控制在指定位置上，而電 磁鐵產生電磁力的水平分力Fx則使飛輪受到一個向心力，約束飛輪沿X、 Y軸方向的移 動自由度。當懸浮的飛輪受到外界干擾其位置發(fā)生了變化時，該變化被位移傳感器測出， 并且反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)測量的飛輪位置變化信號，改變電磁鐵線圈的電流， 從而改變相應電磁鐵的電磁力，使飛輪重新回到指定位置上，進而實現(xiàn)飛輪的穩(wěn)定懸浮和 運轉。
權利要求
1.一種磁懸浮飛輪電池，包括能量儲存與轉化部分和磁懸浮支承部分，其中，能量儲存與轉化部分包括飛輪(4)、電動機或發(fā)電機的轉子(19)、電動機或發(fā)電機的定子(20)，磁懸浮支承部分包括電磁鐵(10)、位移傳感器(8)、軸向保護軸承(15)、徑向保護軸承(18)，其特征是飛輪(4)、電動機或發(fā)電機的轉子(19)、電動機或發(fā)電機的定子(20)在空間上自上而下排列，并且飛輪(4)與電動機或發(fā)電機的轉子(19)連為一體，電動機或發(fā)電機的定子(20)固定安裝于外殼(14)上；在托板(11)的倒圓臺面上至少裝有三個電磁鐵(10)和三個位移傳感器(8)，它們沿托板(11)圓周方向上交錯均勻布置，或者呈任一不在一條直線上的形式布置；飛輪(4)的頂面呈倒圓臺形，在電磁鐵產生的受控電磁力的作用下，飛輪(4)懸浮于托板(11)的下方，此時飛輪(4)完全懸浮在空中，與周圍的所有零件均保持有微小間隙的非接觸狀態(tài)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是徑向保護軸承(18)安裝在電 機軸(17)的上部，電機軸(17)的下部與底蓋(16)固定相連，當飛輪靜止或者正常工 作時，徑向保護軸承(18)與飛輪(4)之間保持有微小間隙的非接觸狀態(tài)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是軸向保護軸承(15)安裝在外 殼(14)上，當飛輪靜止時，軸向保護軸承(15)與飛輪(4)接觸起支承飛輪的作用；當飛 輪旋轉時，軸向保護軸承(15)與飛輪(4)之間保持有微小間隙的非接觸狀態(tài)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是所述的飛輪(4),安裝在其上 的導磁環(huán)(12)由電工純鐵制造，其形狀也呈倒圓臺形。
5. 根據(jù)權利要求1所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是所述的三個電磁鐵(10)和三 個位移傳感器(8)，它們各自在一同心圓上呈120度布置，并且相互之間呈60度布置。
6. 根據(jù)權利要求4所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是電磁鐵(10)由鐵芯(5)和線 圈(6)組成，并且由非導磁性材質的夾緊塊(9)以螺釘固定在托板(11)上。
7. 根據(jù)權利要求5所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是所述的鐵芯(5)由U形的硅鋼 片疊片而成，鐵芯呈倒U形安裝在托板(11)的倒圓臺面上，鐵芯端面在圓周方向按120 度以放射狀布置于一圓周上。
8. 根據(jù)權利要求1或4所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是三個位移傳感器(8)采用 電渦流位移傳感器或者激光位移傳感器，由螺母固定在托板(11)上。
9. 根據(jù)權利要求l所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是所述的外殼(14)，其上裝有頂 罩(1)， 二者以螺栓相連。
10. 根據(jù)權利要求1或8所述的磁懸浮飛輪電池，其特征是所述的外殼(14)，由支 撐桿(3)和支撐座(1)支撐，在支撐座(1)與支撐桿(3)相連的上下處各裝有一個減 振環(huán)(2)。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種磁懸浮飛輪電池，包括能量儲存與轉化部分和磁懸浮支承部分；能量儲存與轉化部分包括飛輪(4)、電動機或發(fā)電機的轉子(19)、電動機或發(fā)電機的定子(20)，磁懸浮支承部分包括電磁鐵(10)、位移傳感器(8)、軸向保護軸承(15)、徑向保護軸承(18)，飛輪與電動機或發(fā)電機的轉子連為一體，電動機或發(fā)電機的定子固定在外殼(14)上；在托板(11)的倒圓臺面上至少裝有三個電磁鐵和三個位移傳感器，它們沿托板圓周方向上交錯均勻布置；飛輪的頂面呈倒圓臺形，在電磁鐵產生的受控電磁力的作用下，飛輪懸浮于托板的下方且與周圍零件均保持非接觸狀態(tài)。本發(fā)明結構簡單，更適合軸向尺寸小的磁懸浮飛輪電池系統(tǒng)。
文檔編號H02K7/02GK101150268SQ20071005363
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權日2007年10月25日
發(fā)明者吳華春, 周祖德, 王曉光, 胡業(yè)發(fā) 申請人:武漢理工大學