磁軸承上的高速飛輪的制作方法
【專利摘要】高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，包括：轉(zhuǎn)子（1），其位于設(shè)置在定子殼體（2）中的真空室（3）中，并且由主動(dòng)磁軸承（5，6，7）關(guān)于所述定子殼體（2）支撐。流體罐（10）用于以受控方式釋放流體進(jìn)入真空室（3）中，并且因此通過摩擦在轉(zhuǎn)子（1）上產(chǎn)生制動(dòng)效果。
【專利說明】磁軸承上的高速飛輪
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，包括位于設(shè)置在定子殼體中的真空室中且由磁軸承關(guān)于所述定子殼體支撐的轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002]高速動(dòng)能存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)基于系統(tǒng)的電池競(jìng)爭(zhēng)提供用于負(fù)載平衡和峰值調(diào)節(jié)的快速電力。
[0003]通常，該能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)包括高速旋轉(zhuǎn)飛輪(通常由高強(qiáng)度鋼或者碳制成)、集成的馬達(dá)/發(fā)動(dòng)機(jī)單元以及能量轉(zhuǎn)換單元(以轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能或者逆向地轉(zhuǎn)換電能為機(jī)械能)。每個(gè)飛輪存儲(chǔ)的能量通常上至lOkwh。由馬達(dá)/發(fā)動(dòng)機(jī)-能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供的峰值能量可以在IOkW和幾百kW之間變化。
[0004]對(duì)于該基于存儲(chǔ)系統(tǒng)的飛輪，重要的是最大化運(yùn)行效率:
[0005]所有旋轉(zhuǎn)部件容置在真空外殼中以為了最小化風(fēng)阻損失。
[0006]旋轉(zhuǎn)部件有利地在主動(dòng)磁軸承上無接觸地運(yùn)行。特別地，在豎直布置的飛輪上，適合地適于5-軸磁軸承系統(tǒng)的整個(gè)損失少于100W。
[0007]應(yīng)用至高速飛輪，磁軸承意味著沒有維護(hù)，最小轉(zhuǎn)子，以及軸承損失，沒有磨損，沒有潤(rùn)滑以及具有大致無限的使用壽命。
[0008]然而，該最大運(yùn)行效率的缺陷是非常長(zhǎng)的不使用助推器的旋轉(zhuǎn)減慢時(shí)間。
[0009]磁懸浮飛輪系統(tǒng)包括備用軸承系統(tǒng)以支撐高速旋轉(zhuǎn)部件以免在磁軸承系統(tǒng)中的故障或者失效。在備用軸承中的旋轉(zhuǎn)減慢期間可以改變，因?yàn)橥ㄟ^能量轉(zhuǎn)換單元的發(fā)動(dòng)機(jī)也可以用于更快減速。然而，作為最壞的情況，在備用軸承中，可以發(fā)生不使用助推器的旋轉(zhuǎn)減慢(即，沒有來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的剎車)。在備用軸承中不使用助推器的旋轉(zhuǎn)減慢是許多小時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]要解決的技術(shù)問題是提供一種系統(tǒng)，其具有備用軸承，該備用軸承能夠經(jīng)受不使用助推器的全速旋轉(zhuǎn)減慢。然而安全的備用軸承解決方案，其允許幾個(gè)小時(shí)的不使用助推器的旋轉(zhuǎn)減慢，需要大地技術(shù)革新且是非常昂貴的。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，提出介入裝置用于顯著地減少在備用軸承中的旋轉(zhuǎn)減慢從幾個(gè)小時(shí)至一些分鐘。因此，當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，現(xiàn)有的“標(biāo)準(zhǔn)”備用軸承解決方案可以提供需要的保護(hù)功能以及不必需設(shè)計(jì)昂貴的“特殊”加強(qiáng)備用軸承。
[0012]本發(fā)明限定在附隨的權(quán)利要求中。
[0013]本發(fā)明更特別地涉及高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，包括:轉(zhuǎn)子，其位于設(shè)置在定子殼體中的真空室中，以及由主動(dòng)磁軸承關(guān)于所述定子殼體支撐，其特征在于它進(jìn)一步包括流體罐和控制設(shè)備，其配置為以受控方式選擇性地釋放流體在真空室中，一旦檢測(cè)到緊急狀況，以及因此選擇性通過摩擦在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生制動(dòng)效果。[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，控制設(shè)備包括至少一個(gè)流體釋放閥以及閥控制設(shè)備。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，控制設(shè)備包括與閥控制設(shè)備配合的至少一個(gè)真空閥，以及真空泵系統(tǒng)。
[0016]優(yōu)選地，磁軸承包括第一和第二徑向主動(dòng)磁軸承以及軸向主動(dòng)磁軸承。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括結(jié)合進(jìn)定子殼體中的電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。
[0018]有利地,轉(zhuǎn)換機(jī)械能至電能或者轉(zhuǎn)換電能至機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換單元與電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)包括第一和第二備用軸承。
[0020]流體罐可以是包括諸如氮?dú)獾亩栊詺怏w的氣體罐。
[0021 ] 可替換地，流體罐可以是包括空氣的氣體罐。
[0022]流體罐可以是包括具有壓力在IOmbar至IOOOmbar之間的壓力的氣體的氣體罐。
[0023]真空室可以配置為包括具有剩余壓力小于10_4mbar的真空。
[0024]閥控制設(shè)備包括傳感器，其配置為傳感所述緊急狀況以及電或者機(jī)械觸發(fā)的設(shè)備，其響應(yīng)于所述傳感器并配置為打開至少一個(gè)流體釋放閥以能夠?qū)碜杂跉怏w罐的校準(zhǔn)的氣體壓力滲透進(jìn)入真空室以及因此產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)子的快速旋轉(zhuǎn)減慢。
[0025]本發(fā)明進(jìn)一步涉及高速能量存儲(chǔ)飛輪方法，包括在設(shè)置在定子殼體中的真空腔室中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由主動(dòng)磁軸承關(guān)于所述定子殼體支撐，其特征在于它進(jìn)一步包括檢測(cè)緊急狀況，在緊急狀況下，磁軸承失效或者失去活性并且以受控的方式釋放來自于流體罐的流體進(jìn)入真空室以及因此通過摩擦選擇性地在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生制動(dòng)效果。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，轉(zhuǎn)子與結(jié)合在定子殼體中的電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)以及該方法進(jìn)一步包括當(dāng)檢測(cè)到所述緊急狀況時(shí)，使用所述電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能或者轉(zhuǎn)換電能至機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換步驟。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，該方法包括傳感所述緊急狀況以及響應(yīng)于所述傳感操作，電或者機(jī)械地觸發(fā)打開至少一個(gè)流體釋放閥以使得來自于氣體罐的校準(zhǔn)的氣體壓力能夠滲透進(jìn)入真空室以及因此產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)子的快速減慢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的高速能量存儲(chǔ)飛輪的示意性縱向截面圖；以及
[0029]圖2示出了四個(gè)不同情況下，在旋轉(zhuǎn)減慢過程中，飛輪速度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明將關(guān)于通過示例給出的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明。
[0031]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)飛輪的典型的布置結(jié)構(gòu)，其可以是例如5kWh存儲(chǔ)飛輪。
[0032]存儲(chǔ)飛輪包括旋轉(zhuǎn)飛輪體(轉(zhuǎn)子)I以及限定真空室3的定子殼體2，旋轉(zhuǎn)飛輪體I位于真空室3中。
[0033]在圖1所示例子中，旋轉(zhuǎn)飛輪體I是豎直布置的，并且由下徑向主動(dòng)磁軸承6和上徑向主動(dòng)磁軸承7以及軸向主動(dòng)磁軸承5支撐。為了清楚的目的，在傳統(tǒng)方式中，為限定5-軸懸掛，與磁軸承關(guān)聯(lián)的傳感器和控制電路沒有示出在圖1中。
[0034]存儲(chǔ)飛輪進(jìn)一步包括集成的馬達(dá)/發(fā)動(dòng)機(jī)4，其可以高速旋轉(zhuǎn)飛輪體I。集成的馬達(dá)/發(fā)動(dòng)機(jī)4當(dāng)它作用為馬達(dá)時(shí)增加了轉(zhuǎn)子能量，且當(dāng)它作用為發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)從轉(zhuǎn)子移除能量。
[0035]傳統(tǒng)徑向上備用軸承8以及傳統(tǒng)徑向/軸向下備用軸承9布置為在磁軸承的電力供給失效的情況下避免損壞磁軸承。
[0036]在圖1中，附圖標(biāo)記10指示氣體罐，其優(yōu)選地容置惰性氣體，諸如氮?dú)饣蛘呖赡転榭諝?，在IOmbar和IOOOmbar之間的壓力下,優(yōu)選地大約lOOmbar。氣體罐通過氣體釋放閥11連接至真空室3，氣體釋放閥11由閥控制單元13控制。閥控制單元13進(jìn)一步控制位于真空室3和真空泵系統(tǒng)14之間的真空閥12。
[0037]根據(jù)本發(fā)明，所提供的裝置用于通過閥控制單元13的嵌入裝置檢測(cè)緊急情況。該檢測(cè)裝置可以包括一個(gè)或者幾個(gè)電、光學(xué)或者機(jī)械傳感器，其與磁軸承和/或備用軸承配合。例如，該傳感器可以檢測(cè)備用軸承接觸，并且傳輸信號(hào)至閥控制單元13。響應(yīng)于此，閥控制單元13閉合真空閥12以從真空泵系統(tǒng)14隔離飛輪旋轉(zhuǎn)體I。大致同時(shí)或者隨后閥控制單元13觸發(fā)氣體釋放閥11打開以從氣體罐10引入校準(zhǔn)量的氮?dú)?或者另一種惰性氣體，或者空氣)進(jìn)入飛輪體I的容置空間。
[0038]氣體罐10有利地位于真空飛輪容置空間內(nèi)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明，在緊急狀況下，電的或者機(jī)械的觸發(fā)設(shè)備11，12，13打開氣體罐10和真空室3之間的連通，用于快速旋轉(zhuǎn)減慢旋轉(zhuǎn)的飛輪體I。
[0039]提出的制動(dòng)方法減少了在備用軸承8，9中不使用助推器的旋轉(zhuǎn)減慢從小時(shí)至分鐘。也允許使用更“標(biāo)準(zhǔn)”以及更不昂貴的備用軸承系統(tǒng)8，9。使用諸如氮?dú)獾亩栊詺怏w改進(jìn)了故障狀況下系統(tǒng)的安全性。
[0040]要指出的是在臨界的高速范圍中，由氣體摩擦產(chǎn)生的可能的制動(dòng)扭矩/能量依靠氣體壓力率、旋轉(zhuǎn)表面以及表面速度。討論的布置結(jié)構(gòu)是非常能量高效的。因此，當(dāng)在大約IO-4Hibar的非常高真空下，飛輪全速運(yùn)行時(shí)，氣體摩擦損失的通常量是大約100W。當(dāng)具有壓力率大約IOOmbar的氮?dú)獗会尫胚M(jìn)入真空室3時(shí),氣體摩擦損失增加至大約lOOkW。存儲(chǔ)的動(dòng)能(在通常情況下，大約5kWh)被作為熱能傳遞至飛輪容置空間，其引起了溫度增加。
[0041]在通常的例子中，圖2示出了曲線21至24，其示出了對(duì)于4個(gè)例子，在旋轉(zhuǎn)減慢運(yùn)行期間，飛輪速度作為時(shí)間的函數(shù):
[0042]例子I (曲線21)對(duì)應(yīng)于高真空中沒有助推器通過固有的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(其構(gòu)成了最壞的情況)的旋轉(zhuǎn)減慢。在該情況下，沒有使用本發(fā)明的部件10至13。
[0043]例子2 (曲線22)對(duì)應(yīng)于高真空中具有助推器通過固有的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)減慢。在該情況下，沒有使用本發(fā)明的部件10至13。
[0044]例子3 (曲線23)對(duì)應(yīng)于使用本發(fā)明的部件10至13釋放的氮?dú)?，以及沒有助推器通過固有的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(其構(gòu)成了最壞的情況)的旋轉(zhuǎn)減慢。
[0045]例子4 (曲線24)對(duì)應(yīng)于使用本發(fā)明的部件10至13釋放的氮?dú)?，以及額外地具有內(nèi)嵌發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幫助。
[0046]可以容易地看出，在例子I中，旋轉(zhuǎn)減慢過程非常長(zhǎng)，甚至在例子2中，旋轉(zhuǎn)減慢過程不能在幾分鐘內(nèi)獲得。通過對(duì)比例子3和4，在此本發(fā)明用于實(shí)踐，能夠快速地旋轉(zhuǎn)減慢運(yùn)行，甚至在曲線23的最壞的情況下。[0047]可以指出的是，通過氣體摩擦的旋轉(zhuǎn)減慢率(-df/dt)不是恒定的。在高速范圍中，非常快，在低速范圍中，非常慢。在示意的例子中，在大約25分鐘之內(nèi)，速度達(dá)到額定速度的20%。在額定速度的20%處，96%的動(dòng)能已經(jīng)得以傳遞。在備用軸承中，旋轉(zhuǎn)速度低于額定速度的20%時(shí)間上沒有那么關(guān)鍵。然而，如果必需可以增加作為速度函數(shù)的氣壓率，因此進(jìn)一步增加低速范圍中的-df/dt。
[0048]本發(fā)明，其可以應(yīng)用至在磁軸承上的高速能量存儲(chǔ)飛輪的所有類型，允許避免在緊急情況下，在備用軸承中的長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)減慢時(shí)間?？焖贉p慢通過校準(zhǔn)流體入口獲得。
[0049]雖然優(yōu)選的實(shí)施例已經(jīng)示出和說明，應(yīng)理解的是，沒有偏離限定在權(quán)利要求中的本發(fā)明的范圍，在其中進(jìn)行的任何改變和修改可以進(jìn)行。因此，雖然惰性氣體可以被認(rèn)為優(yōu)選介質(zhì)以引起在緊急情況下的期望的制動(dòng)效果，流體也可以使用為在緊急情況下，能夠在真空室中產(chǎn)生制動(dòng)效果的流體。
[0050]進(jìn)一步，雖然本發(fā)明可以被應(yīng)用至5軸磁懸掛，它也可以應(yīng)用至由組合的主動(dòng)磁軸承(受控電磁體)和被動(dòng)磁軸承(永磁體)支撐的旋轉(zhuǎn)飛輪體。
[0051]本發(fā)明可以應(yīng)用至豎直旋轉(zhuǎn)的飛輪體以及水平旋轉(zhuǎn)的飛輪體。
【權(quán)利要求】
1.一種高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，包括:轉(zhuǎn)子(1)，其位于設(shè)置在定子殼體(2)中的真空室(3)中，并且由主動(dòng)磁軸承(5，6，7)關(guān)于所述定子殼體(2)支撐，其特征在于:它進(jìn)一步包括流體罐(10)和控制設(shè)備(11，12，13)，其配置為一旦檢測(cè)到緊急狀況，以受控方式選擇性地釋放流體在真空室(3)中，并且因此選擇性通過摩擦在轉(zhuǎn)子(I)上產(chǎn)生制動(dòng)效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)備包括至少一個(gè)流體釋放閥(11)以及閥控制設(shè)備(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述控制設(shè)備包括與所述閥控制設(shè)備(13)配合的至少一個(gè)真空閥(12)，以及真空泵系統(tǒng)(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述磁軸承(5，6,7)包括第一和第二徑向主動(dòng)磁軸承(6，7)以及軸向主動(dòng)磁軸承(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，它進(jìn)一步包括結(jié)合進(jìn)所述定子殼體(2)中的電動(dòng)機(jī)(4)或者發(fā)電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，它進(jìn)一步包括第一和第二備用軸承(8,9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述流體罐(10)是包括惰性氣體的氣體罐。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述流體罐(10)是包括空氣的氣體罐。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)換機(jī)械能至電能或者轉(zhuǎn)換電能至機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換單元與所述電動(dòng)機(jī)(4)或者發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述流體罐(10)是包括具有壓力在IOmbar至IOOOmbar之間的氣體的氣體罐。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，所述真空室(3)配置為包括具有剩余壓力小于10_4mbar的真空。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的高速能量存儲(chǔ)飛輪系統(tǒng)，其中，閥控制設(shè)備包括配置為傳感緊急狀況的傳感器以及電或者機(jī)械觸發(fā)的設(shè)備，其響應(yīng)于所述傳感器并配置為打開至少一個(gè)流體釋放閥(11)以能夠?qū)碜杂跉怏w罐(10)的校準(zhǔn)的氣體壓力滲透進(jìn)入真空室(3)，并且因此產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)子(I)的快速旋轉(zhuǎn)減慢。
13.一種高速能量存儲(chǔ)飛輪方法，包括:在設(shè)置在定子殼體(2)中的真空室(3)中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(1)，該轉(zhuǎn)子(I)由主動(dòng)磁軸承(5，6，7)關(guān)于所述定子殼體(2)支撐，其特征在于:它進(jìn)一步包括檢測(cè)緊急狀況，在緊急狀況下，該磁軸承(5，6，7)失效或者失去活性，并且以受控的方式釋放來自于流體罐(10)的流體進(jìn)入真空室(3)，并且因此通過摩擦選擇性地在轉(zhuǎn)子(I)上產(chǎn)生制動(dòng)效果。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)子(I)與引入所述定子殼體(2)中的電動(dòng)機(jī)(4)或者發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)，并且所述方法進(jìn)一步包括當(dāng)檢測(cè)到所述緊急狀況時(shí)，使用所述電動(dòng)機(jī)(4)或者發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能或者轉(zhuǎn)換電能至機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，它包括傳感所述緊急狀況以及響應(yīng)于所述傳感操作，電或者機(jī)械地觸發(fā)打開至少一個(gè)流體釋放閥(11 )，以使得來自于氣體罐(10)的校準(zhǔn)的氣體壓力能夠滲透進(jìn)入真空室(3)，并且因此產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)子(I)的快速減慢。
【文檔編號(hào)】H02K7/02GK103973028SQ201410041271
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】U.施羅德 申請(qǐng)人:Skf磁性機(jī)械技術(shù)公司