机电飞轮容置系统的制作方法
【专利摘要】一种机电飞轮机包括与用于与飞轮体进行能量交换的电动发电机关联使用的多壁容置系统。
【专利说明】机电飞轮容置系统
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求于2011年12月31日提交的名为ELECTROMECHANICAL FLYWHEELCONTAINMENT SYSTEM的美国临时专利申请N0.61/582，332的权益。
[0003]已知的飞轮存储动能，即，运动的能量。当要求释放该能量时，飞轮随着动能被耗尽而减速。已知的还有驱动电机的飞轮或者由电机驱动的飞轮。几十年来，已经设计制造了这种机电动械，并且这种机电机械在运行上已经获得了不同程度的成功。然而，广泛的应用受困于飞轮的制造，即使是最先进的商用机械在运行上也会受到严重限制，同时超过了较好的替代性执行方式的成本。尽管小型飞轮制造业一直坚持不懈地努力，但现代的机电飞轮仅在一些利基市场中得到有限地应用，并且目前对于发展世界的能量供给没有做出重大贡献。
【背景技术】
[0004]已知的飞轮存储动能，即，运动的能量。当要求释放该能量时，飞轮随着动能被耗尽而减速。已知的还有驱动电机的飞轮或者由电机驱动的飞轮。几十年来，已经设计制造了这种机电动械，并且这种机电机械在运行上已经获得了不同程度的成功。然而，广泛的应用受困于飞轮的制造，即使是最先进的商用机械在运行上也会受到严重限制，同时超过了较好的替代性执行方式的成本。尽管小型飞轮制造业一直坚持不懈地努力，但现代的机电飞轮仅在一些利基市场中得到有限地应用，并且目前对于发展世界的能量供给没有做出重大贡献。
【技术领域】
[0005]本发明涉及机电领域。特别地，至少部分通过多壁容置系统来实现机电飞轮的排空功能、安全功能、热传递功能和支撑功能。
[0006]相关技术的论述
[0007]机电飞轮包括在大气条件下运行的机械和在真空条件下运行的机械。虽然在真空环境下运行的机械有益于高速运行，但这些机械同样受现有技术的限制而不能够控制磁性部件温度和安全的容置。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种机电飞轮，所述机电飞轮具有环绕固定的定子的转子以及定子绕组，所述定子绕组包括环绕定子旋转轴线的励磁绕组。
[0009]在一种实施方式中，机电飞轮包括:芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子；电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子；所述定子的特征在于，所述定子限定一旋转轴线，所述定子具有环绕旋转轴线的励磁线圈，并且所述定子具有并不环绕旋转轴线的电枢线圈；飞轮体，所述飞轮体环绕所述转子并且联接至所述转子以便与所述转子一起旋转；以及可排空的壳体，所述可排空的壳体封闭所述飞轮体。所述转子由间隔开的第一悬架组件和第二悬架组件支撑，所述第一悬架组件包括第一电磁轴承，所述第一电磁轴承用于对所述转子施加对中力和悬浮力，所述第二悬架组件包括第二电磁轴承，所述第二电磁轴承用于对所述转子施加对中力。
[0010]在一种实施方式中，机电飞轮容置系统包括:内封闭部和外封闭部,所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁；抛射防护件，所述抛射防护件位于所述内封闭部和所述外封闭部的壁部之间；能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件和旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件，所述旋转组件包括电动发电机转子、飞轮体和毂部；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述内封闭部包围所述能量交换块；所述外封闭部包围所述内封闭部；第一环形流动通路，所述第一环形流动通路用于输送流体冷却剂，所述第一环形流动通路的外径由所述外封闭部的壁部限定；并且，其中，用于输送冷却剂的容置系统流体回路包括所述第一环形流动通路和定子支撑件流动通路。
[0011]在一种实施方式中，上述机电飞轮容置系统还包括:内封闭部和外封闭部的内壁和外壁同心地布置；抛射防护件环绕所述内壁；围罩环绕所述抛射防护件；所述围罩被所述外封闭部的外壁环绕；所述第一环形流动通路的内径由所述围罩限定；所述围罩和所述抛射防护件限定第二环形流动通路；并且，其中，用于输送冷却剂的所述容置系统流体回路包括所述第二环形流动通路。
[0012]在又一实施方式中，机电飞轮容置系统包括:内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁；抛射防护件，所述抛射防护件位于所述内壁与所述外壁之间；环形流动通路，所述环形流动通路用于输送流体冷却剂；所述环形流动通路的内径由所述抛射防护件限定；电动发电机定子，所述电动发电机定子悬挂在所述内封闭部上；旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子，所述旋转组件限定一旋转轴线，并且所述旋转组件环绕电动发电机定子且限定一旋转轴线；飞轮体，所述飞轮体围绕并联接至所述转子；并且，其中，所述定子的励磁绕组环绕所述旋转轴线，而所述定子的电枢绕组不环绕所述旋转轴线。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]参照附图对本发明进行了描述。包括在本文中且形成说明书的一部分的这些附图示出了本发明，并且这些附图连同描述相结合进一步用于说明本发明的原理并且用于使相关领域技术人员能够实施及使用本发明。
[0014]图1示出了根据本发明的机电飞轮机的框图。
[0015]图2示出了图1的机电飞轮机的选择功能和设备。
[0016]图3示出了图1的机电飞轮机的第一实施方式。
[0017]图4示出了图1的机电飞轮机的第二实施方式。
[0018]图5A示出了图1的机电飞轮机的转子磁极。
[0019]图5B示出了图1的机电飞轮机的转子磁极和定子。
[0020]图6示出了图1的机电飞轮机的下轴承组件和一些相关部件。
[0021]图7示出了图1的机电飞轮机的上轴承组件和一些相关部件。
[0022]图8示出了图1的机电飞轮机的第三实施方式。
[0023]图9A-C示出了图1的机电飞轮机的容置系统。【具体实施方式】
[0024]在随后的数页中提供的公开内容描述了本发明的一些实施方式的示例。设计方案、附图和描述都是本发明的一些实施方式的非限制性示例。例如，所公开的装置的其它实施方式可以包括或者可以不包括本文中描述的特征。此外，所公开的优点和益处仅可以应用于本发明的某些实施方式并且不应当用于限制所公开的本发明。
[0025]图1示出了机电飞轮机100。电互连部分104与能量交换块102、电力电子和控制部分106和电力网络108电联接。
[0026]本文所用术语联接除非另有说明指的是直接或间接连接，比如A直接连接至B，以及C通过D间接连接至E。
[0027]能量交换块102包括旋转组件110和芯部组件112。容置系统101提供了下文中描述的一个或多个容置结构。旋转组件包括电动发电机转子114、飞轮体116和毂部118。芯部组件包括电动发电机定子120和电动发电机定子支撑件122。在多种实施方式中，如本文所示的旋转组件是无轴的。
[0028]电互连部分104包括任何的导电连接装置、电接口装置、电传感器和类似装置。电力电子和控制部分106包括任何的硅和/或半导体装置、模拟和数字处理器以及包括人机界面的相关界面。对于电力网络108，I)所述电力网络108在一些实施方式中是提供电力给能量交换块102的电源，2)在一些实施方式中为能量交换块的电力的使用者，以及3)在一些实施方式中既为提供电力给能量交换块电源又为能量交换块的电力的使用者。
[0029]图2示出了选择的机电飞轮机功能和设备200。能量存储202对于飞轮运行而言极为重要。在机电飞轮中，能量存储功能和能量转换204提供用于将动能转换成电力和/或将电力转换成动能的装置。能量传输206用于提供能量转换设备220、216与电力网络108之间的电力传输。在多种实施方式中，电开关(比如断路器230)用于连接和断开能够实现电力传输的导体。在多种实施方式中，其它机电飞轮机功能包括下述数个辅助支持功能208中的任意功能。
[0030]能量存储202利用旋转组件110。在多种实施方式中，悬架系统210支撑旋转组件。悬架设备包括轴承或其等同物212，在一些实施方式中，被动式停机系统215支持使得旋转组件处于选择的运行工况下(比如停机)。
[0031]能量转换功能204利用用于将动能转换成电力的装置(比如发电机或者电动发电机)。示出了电动发电机220。电动发电机包括转子114和定子120，并且配置了用于旋转地驱动旋转组件110及用于由旋转组件旋转地驱动的装置。在多种实施方式中，电力电子部分216能够控制由电动发电机和/或电力网络108发出的电场波形。例如，在多种实施方式中，电力电子部分用于提供具有中间DC母线的AC-AC转换器中的频率转换，并且电力电子部分用于变速驱动功能(比如使飞轮转子加速)。
[0032]在多种实施方式中，通过下面详细描述的辅助支持设备来执行辅助支持功能208。辅助支持功能包括遮蔽240、安全242、真空244、冷却248和人机界面246。
[0033]控制功能205用于提供监测、评估、命令和其它机电飞轮功能的控制中的一个或多个。特别地，控制功能通过对能量存储202、能量转换204、能量传输206和辅助支持208中的一个或多个进行监控和/或控制来实现机电飞轮运行。[0034]图3示出了第一机电飞轮部分300。能量交换块302被内部壳体328封闭，内部壳体328又被可选的外部壳体338封闭。
[0035]能量交换块302包括旋转组件310和芯部组件312。旋转组件中包括:电动发电机转子314、环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体316，联接于飞轮体的毂部318以及移动悬架元件344。在一些实施方式中，在电动发电机转子与飞轮之间设置有诸如非磁性套筒的套筒，所述套筒尤其用于支持电动发电机转子且为电动发电机转子提供支撑。电动发电机转子、飞轮体、毂部和移动悬架元件围绕轴线x-x同步转动，在一些实施方式中，毂部附接至电动发电机转子350和飞轮体352中的这两者中一者或两者。移动悬架兀件的对侧为固定悬架兀件346,固定悬架兀件346由内部壳体的第一壁部332支撑。芯部组件312中包括有定子320和定子支撑件322。在一些实施方式中，定子支撑件联接至内部壳体的壁部，比如内部壳体的第二壁部334。
[0036]电动发电机转子314环绕电动发电机定子320。在多种实施方式中，电动发电机转子314包括磁性部分354和非磁性部分356，在一些实施方式中，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。
[0037]在多种实施方式中，定子320包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使磁性结构的磁通量发生变化的导电绕组。在一些实施方式中，第一定子线圈364环绕大致垂直于x-x轴线的假想的y-y轴线。并且，在一些实施方式中，第二定子线圈368环绕x-x轴线。在一种实施方式中，多个第一定子线圈环绕各自的假想的y-y轴线，一个或多个第二定子线圈环绕x-x轴线，第一定子线圈为电枢线圈，第二定子线圈为励磁线圈。
[0038]并且，在一种实施方式中，电动发电机360为具有不出的内外布置(转子环绕定子)的单极装置，其中，a)类似于电动发电机转子314的可旋转的转子包括无线圈的层状磁性结构；b)类似于定子320的固定的中心定子包括层状磁性结构，该磁性结构具有用于在磁性结构中产生磁通量的线圈；以及c)转子环绕定子。
[0039]图4示出了第二机电飞轮部分400。能量交换块402被内部壳体428封闭，内部壳体428在一些实施方式中被外部壳体(未不出)封闭或者部分封闭。
[0040]能量交换块402包括旋转组件410和芯部组件412。旋转组件中包括:电动发电机转子414、环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体416、联接至飞轮体的毂部418、用于支撑毂部的支撑销496和用于支撑毂部的移动悬架组件492。一些实施方式在电动发电机转子与飞轮体之间包括有套筒，比如非磁性套筒。
[0041]在多种实施方式中，飞轮体416包括不同材料的层，所述材料比如为一种或多种类型或等级的玻璃纤维和一种或多种类型或等级的碳纤维。名为HUB AND CYLINDER DESIGNFOR FLYWHEEL SYSTEM FOR MOBILE ENERGY STORAGE 的美国专利 N0.6175172 的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，包括飞轮体构造技术和构造材料。
[0042]如示出的那样，飞轮体包括三层，S卩，邻近于电动发电机转子的第一层417、中间层419和外层421。在一种实施方式中，中间层和外层包括碳纤材料，内层包括玻璃纤维。在另一实施方式中，所有三层大致上由碳纤材料制成。在多种实施方式中，一个或多个层是预加应力的，例如通过使缠绕纤维在压力的作用下形成具有内压应力的大致圆筒状的外壳。[0043]支撑销、移动悬架组件和毂部布置成同心并且围绕轴线x-x同时转动。如看到的那样，支撑销496位于上轴承承载件490与下轴承承载件494之间的间隙491中。上轴承承载件从定子支撑件422延伸出，下轴承承载件由壳体的第一壁部432支撑。在一种实施方式中，上轴承承载件的沿着x-x轴线的延伸493用于可旋转地限制上轴承承载件与下轴承承载件之间的支撑销。从这个角度来看，上轴承承载件和下轴承承载件提供用于通过支撑销来“捕获”旋转组件410的装置，并且对于被动停机功能极为有益。在多种实施方式中，下轴承承载件和移动悬架组件包括第一电磁轴承。
[0044]第二电磁轴承451与上轴承承载件490和下轴承承载件494分隔开。第二电磁轴承包括由定子支撑件422支撑的固定轴承定子454和用于使定子磁化的绕组452以及联接至电动发电机转子的几何方位上相对的转子456。如示出的那样，电磁体498、499的配合面平行于x-x轴线从而使得电磁轴承力垂直于x-x轴线。在其它实施方式中，如上所述的成角度的电磁轴承面(比如下文所要描述的那些电磁轴承面)提供沿着与χ-χ轴线平行的轴线的电磁轴承力分量和沿着与χ-χ轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。
[0045]芯部组件412中包括有定子420和联接至内部壳体的第二壁部434的定子支撑件422。电动发电机转子414环绕电动发电机定子。在多种实施方式中，电动发电机转子包括磁性部分和非磁性部分(例如，见图3的354、356)，在一些实施方式中，，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。
[0046]在多种实施方式中，定子420包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使电磁结构的磁通量发生变化的导电绕组。
[0047]常用的单极定子包括包括至少两个外周缘和一个较小的中间周缘。这些边缘包括磁性材料(比如铁)，并且在多种实施方式中，这些边缘为层状结构，其中，每个层片呈大致环形形状。
[0048]如示出的那样，定子420包括三个大直径周缘464、466、470和两个较小直径的周缘484、488，从而在大直径周缘与小直径周缘之间形成有大致环形或者近似圈状物的容纳部481。环绕旋转轴线x-x的线圈布置在这些容纳部中以便形成励磁绕组482、486。除了励磁线圈之外，定子进一步包括电枢线圈。
[0049]电枢线圈450与大周缘464、466、470的外周中的槽483相互接合，从而每个电枢线圈将环绕大致垂直于旋转轴线X-X的假想轴线y-y (见图3)。
[0050]对于每个定子周缘，具有多个配合转子磁极。如能够看见的那样，定子外周缘464、470具有轴向(x-x)间隔开的配合转子磁极462、468(用实线示出)，定子中心周缘466具有轴向相邻的配合转子磁极463、469(用虚线示出)。用于相邻周缘的转子磁极(例如462、463)不仅在轴向(x-x)上被间隔开，而且在径向上也被间隔开，从而使得用于一个周缘的转子磁极同与相邻周缘配合的最近的转子磁极径向地间隔90电角度(electricaldegree)。
[0051]在多种实施方式中，内置式真空泵(比如牵引分子泵)提供离开飞轮体416且特别是离开获得最高速度的飞轮体外周处的移动分子。美国专利N0.US5, 462，402FLYWHEELWITHMOLE⑶LAR PUMP的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，包括被合并到飞轮系统中。
[0052]在一种实施方式中，第一真空泵由固定迷宫状环体458形成，固定迷宫状环体458由相对飞轮体的真空泵表面459间隔很小的壳体壁部434支撑。在多种实施方式中，迷宫环中的凹槽提供与移动的飞轮表面相配合的抽吸动作。在一些实施方式中，凹槽为螺旋形凹槽，其截面面积通常沿着向前的流动路径减小。并且，在一些实施方式中，第二真空泵由类似于上述迷宫环的迷宫结构形成并且固定至定子外周部分(比如大直径定子环454、464、466、470，为了清楚起见未示出)或者固定至几何位置相对的转子磁极(456、462、463、469、468)。
[0053]在一种实施方式中，可排空的壳体内包括有供给区域和排放区域。供给区域具有至少部分由壳体428、毂部外表面417和飞轮体外周413的一部分限定的边界。排放区域具有至少部分由真空阻隔壳体和芯部组件412的部分限定的边界。第一牵引泵设置在飞轮体表面459与真空阻隔壳体壁部434之间，第二牵引泵设置在至少一个定子环466与转子414之间。
[0054]图5A示出了 2+2磁极单级单极电机500A在邻近磁极平面中的转子磁极的径向错开布置方式。参照转子截面502和转子514,第一磁极462位于第一磁极平面Π中，与其相对磁极463位于同一平面中。在类似同步相邻磁极平面Y2中，相邻平面磁极465在Yl平面磁极之间。Y2平面中的第二磁极464在该截面中未示出。
[0055]磁极平面Yl、Y2的平面图504、506示出了各磁极平面中的磁极462、463和464、465，这些磁极间隔了 90°的几何角度。在这种四磁极实施方式中，磁极还间隔了 90电角度。
[0056]在多种实施方式中，磁路在相邻的错列磁极之间延伸。例如，如磁极组件508、510中示出的那样，磁路部分466、468在磁极对462、463和磁极对463、464之间延伸。如这里不出的那样，在四磁极电机转子中由磁路部分462-466-465和463-468-464形成了两个连续磁路。在一些实施方式中，每个磁路部分组件462-466-465和463-468-464呈“Z”形，其中，中心构件466、468以大致直角的角度接触邻近构件462、465和465、464。此外，该结构保持磁路的容量。
[0057]图5B示出了三级电机的转子和定子，每级具有四个磁极500B。此处，示出了转子磁路部分组件560的视图，其中，展开了通常圆柱形的转子结构从而示出了平坦表面。磁路部分组件520、522、523、521布置成在部分519之间产生具有间隔的栅格569，其中，在多种实施方式中，这些间隔填充有非磁性材料。
[0058]栅格569构造成使得形成多个级A、B、C，每个级具有四个磁极。例如，级A具有北极平面，该平面具有第一完全磁极557和由两个半磁极553、555组成的第二磁极。级A还具有南极平面，该平面具有两个完全磁极559、560。级A的北极平面和南极平面因此总共具有四个完整磁极。
[0059]每级包括四个磁路部分组件或者转子栅格部分。例如，级A包括磁路部分组件520、522、520和522，级B包括磁路部分组件523、521、523和521，级C同级A —样包括磁路部分组件520、522、520和522。显然在一些实施方式中，磁路部分组件的不同之处仅在于它们的取向。此处，例如，组件520与组件522的不同之处在于组件520围绕平行于x_x轴线的轴线转动了 180度，而组件520与组件523的不同之处在于其围绕垂直于x_x轴线的轴线转动了 180度。组件522与组件521的不同之处在于其围绕垂直于x_x轴线的轴线转动了 180 度。
[0060]示出的还有定子562的剖视图。如看到的那样，定子具有以x-x轴线为中心的大直径周缘534、536、538、540和小直径周缘544、546、548。在大直径外周周缘534、540之间设置有第一大直径中间周缘536和第二大直径周缘538。在每对大直径周缘之间设置有一个小直径周缘，从而这些周缘以534、544、536、546、538、548和540的次序叠置。这些周缘由通过壁部530支撑的联接定子支撑件532所支撑。
[0061]多个电枢绕组(例如571、572)通过槽或类似特征与多个大直径周缘外周(例如574)相互接合。励磁绕组535、537、539环绕定子旋转轴线x_x，其中，一个励磁绕组环绕小直径周缘中的每一个从而使得每个励磁绕组位于一对大直径周缘之间。
[0062]如能够看到的那样，转子的栅格结构569设置成:使得定子的第一周缘534与级A的北磁极相对应；定子的第三周缘536与级A的南磁极和级B的南磁极相对应；定子的第五周缘与级B的北磁极和级C的南磁极相对应；定子的第七周缘与级C的南磁极相对应。
[0063]在多种实施方式中，轴承用于支撑旋转组件及其包括的飞轮体116、316、416。可以使用本文中所描述的足以支撑旋转组件的任何轴承组合形式。
[0064]图6示出了下轴承承载件和一些相关部件600。如附图的上半部示出的那样，具有用于联接至飞轮体的毂部618、用于支撑毂部618的支撑销696、用于支撑毂部的移动悬架组件692和下轴承承载件694。毂部、支撑销和移动悬架组件固定地联接在一起(为了清楚起见图6中以分解图的形式示出)。
[0065]在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件电磁轴承转子602。在一些实施方式中，轴承转子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度Θ I = 0°定向的移动悬架组件电磁轴承面603，其中，该角度Θ I由轴承面603和平行于x-x轴线的轴线xl-xl限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度O < Θ1<90°定向的轴承面603( “成角度面”)(如示出的那样)，轴承面603提供了平行于x-x轴线的电磁轴承力分量以及平行于与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。
[0066]在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件永磁体604,在一些实施方式中,永磁体是电磁轴承转子602的附加物。而且，在一些实施方式中，移动悬架组件磁体保持件606为移动悬架组件电磁轴承转子和移动悬架组件永磁体中的任一个或两个提供保持作用。
[0067]当移动悬架组件包括电磁轴承转子602时，下轴承承载件694包括相对应的下轴承承载件电磁轴承定子614和用于使该定子磁化的下轴承承载件定子电线圈616。定子由下轴承承载件框架612支撑，而下轴承承载件框架612又由壳体壁部632支撑。
[0068]在一些实施方式中，轴承定子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度Θ 2 = 0°定向的下轴承承载件电磁轴承面615，其中，该角度Θ 2由电磁轴承面和平行于x-x轴线的轴线x2-x2限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度O< Θ2<90°定向的轴承面615( “成角度面”)(如示出的那样)，轴承面615提供平行于X-X轴线的电磁轴承磁力分量以及平行于与X-X轴线垂直的轴线的电磁轴承磁力分量。如本领域技术人员将理解的那样，轴承面603、615相互协作，使得直立的转子面与直立的定子面匹配，同时成角度的转子面与成角度的转子面匹配。[0069]在使用移动悬架组件永磁体604的情况下，下轴承承载件包括几何位置上相对的永磁体620。在一些实施方式中，下轴承承载件永磁体保持件619由下轴承承载件框架612支撑并且支撑永磁体。
[0070]在多种实施方式中，下轴承承载件694包括下轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承622)。如示出的那样，落位轴承由下轴承承载件框架612支撑。在一些实施方式中，阻尼材料624提供用于落位轴承的密封材料。
[0071]图7示出了上轴承承载件和一些相关部件700。如示出的那样，上轴承承载件790包括固定板702和移动板704。
[0072]固定板702包括凹槽形式的线圈空间706，所述线圈空间706位于固定板的面向移动板730的一侧上。还包括有用于使被线圈包围的磁性材料707磁化的电线圈722。
[0073]移动板704包括弹簧空间708和机械轴承空间710。弹簧空间708形成在移动板的直径减小段延伸直到面向固定板732的板一侧处，并且弹簧(比如线圈弹簧720)占据该空间。轴承空间710为移动板表面734中的中心空腔，所述移动板表面734与移动板的面向固定板的表面732相对。如看到的那样，该电磁操作压缩弹簧并且用于将板拉到一起。
[0074]在多种实施方式中，上轴承承载件790包括上轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承716)。如示出的那样，落位轴承定位在移动板空腔710中。在一些实施方式中，阻尼材料718提供用于落位轴承的密封材料。
[0075]如图6和图7中看到的那样，支撑销696在上轴承承载件790与下轴承承载件694之间延伸。另外，上轴承承载件落位轴承716、支撑销696、移动悬架组件692、下电磁轴承定子614、下轴承承载件永磁体620和下轴承承载件落位轴承622中的每一个的以x_x轴线为中心，从而使得支撑销上端728和下端628在移动板704朝向下轴承承载件沿793移动时分别与的上落位轴承716和下落位轴承622以及每个落位轴承的中心孔726、626接合。
[0076]图8示出了机电飞轮800的另一实施方式。飞轮体831围绕单极电动发电机转子并且被联接至单极电动发电机转子，该单极电动发电机转子包括金属衬垫830。如示出的那样，转子包括转子北磁极824、832。转子南磁极未示出。参见图5B的级A和级B可得到转子南磁极处的相似的布置方式。
[0077]定子支撑件811被联接至电动发电机定子828，并且励磁绕组826和电枢绕组820中的每一者以类似于上述的方式与定子相互接合。
[0078]毂部846支撑转子830和飞轮体831，毂部846又被支撑，所述支撑销864接合在上下轴承承载件860、862之间或者位于上下轴承承载件860、862之间。参见图6和图7可得到类似的轴承承载件的详细信息。第一电磁轴承866位于下轴承承载件中。第二电磁轴承870与第一轴承承载件和第二轴承承载件间隔开，并且包括轴承定子818、轴承转子818和用于使定子磁化的定子线圈814。
[0079]机电飞轮壳体包括内部真空阻隔件812。在一些实施方式中，外部壳体807支撑真空阻隔件。适合的真空阻隔件材料包括不锈钢和本领域技术人员已知的适于该目的的其它材料。
[0080]在多种实施方式中，定子支撑件811具有管状结构并且其中设置有同轴管801。如示出的那样，同轴管包围进入定子支撑件的液体冷却液流802，并且支撑结构内径与同轴管外径之间的环状区域815提供了冷却液离开定子支撑件的流动通路803。流动穿过环状区域的冷却液吸收来自定子828的热量并且在一些实施方式中在其被泵回(未示出)到流动入口 802之前就在冷却机中被冷却。
[0081]在一些实施方式中，导热管808提供定子冷却。如示出的那样，多个导热管中的每一个在紧邻定子的区域(比如在所示的定子电枢绕组槽)中具有吸热第一端872。导热管的排热端位于紧邻真空阻隔件的区域，比如排热端874(如图所示)与真空阻隔件接触或者在其它实施方式中被前述冷却液流冷却。
[0082]如从以上描述能够看到，机电飞轮系统100以及结构(比如冷却系统248和定子支撑件122)可以具有相互关联的设计方案。
[0083]容置系统101提供相互关联的设计方案的额外示例。在容置系统的多种实施方式中，多个相互关联的结构提供结构支撑、真空阻隔、抛射防护、流体冷却剂流通和热传递通路之中的一个或多个。
[0084]图9A示出了多用途容置系统的分解剖视图900A。多用途容置系统包括用于提供真空阻隔的内封闭部906、用于提供抛射防护的中间封闭部904和用于提供流体冷却剂通路的外封闭部902。下面更为详细地描述所述多个封闭部的这些特征及其它特征。
[0085]内封闭部906包括内筒状壁部936。内盖916通过筒凸缘946可操作地封闭筒状部的一端，内底部926闭合筒状部的另一端。如本实施方式所示,定子支撑件987从内盖的中部部分悬挂而下。内封闭部由比如金属(例如铝和/或不锈钢)的适合的真空密封材料制成。铝和不锈钢因其抗氧化且防止污染颗粒的形成而有助于形成干净的排空环境。在多种实施方式中，干净的排空环境有助于包括牵引泵在内的真空泵的运行并且有助于保持适合的真空压力。
[0086]中间封闭部904包围内封闭部906。中间封闭部包括内筒状壁部934。中间盖914可操作地封闭筒状部的一端，使得内封闭部的盖916被密封在中间筒状部的端面944与中间盖之间。中间底部924封闭筒状部的另一端。中间封闭部由比如金属(例如钢和/或钢合金)的适合的抛射防护材料制成。对适合的材料厚度的选择需要考虑所使用的材料及在所选择的设计方案失效的情境期间必须吸收的能量。
[0087]尽管在内封闭部906与中间封闭部904之间示出有间隙(为了清楚起见)，但实施方式中，内封闭部906与中间封闭部904之间为过盈配合和/或具有热传递复合物，以便使热量能够从一个壁部传递至另一壁部。例如，从定子(例如见图8，828)处辐射的热量在没有间隙的情况下通过传导至中间封闭部的壁部934而被传递到内封闭部的壁部936。
[0088]外封闭部902包围中间封闭部904。外封闭部包括外部筒状壁部932。外盖912通过筒凸缘942可操作地封闭筒状部的一端，外底部922闭合另一端。外封闭部由比如金属(例如钢和/或钢合金)的适合的冷却剂通路材料制成。
[0089]分流件围罩908包括用于将中间壁部934与外壁部932之间的环状部分成内环951和外环953的筒状罩壁938。筒状罩壁的端部包括向内定向的密封环948，密封环948用于在筒状罩壁与相邻结构之间进行密封，所述相邻结构比如为中间筒状壁部934、内盖916和/或中间盖914。一个或多个(示出的为两个)冷却流体排出管道958穿过密封环且提供用于与内环空间951进行流体交换的装置。围罩由适合的冷却剂通路材料制成，所述材料比如为金属和塑料。在一种实施方式中，围罩由塑料制成，比如高密度的聚乙烯塑料或聚氯乙烯塑料。[0090]图9B示出了图9A的容置系统的简化剖视图900B。如所见，内壁部936被中间壁部934环绕，中间壁部被外壁部932环绕。外壁环绕罩壁938并且所述罩壁环绕中间壁部934，从而使得中间壁部与外壁部之间的环状部被分成内环951和外环953。
[0091]图9C示出了图9A的容置系统在其装配后的视图900C。为了清楚起见，并未示出包括定子120、转子114和飞轮体的飞轮内部构件。参见图8可获得示例性的飞轮内部构件。
[0092]在飞轮运行期间，热量被释放于内封闭飞轮空间981之内。在多种实施方式中，该热量被传递至流体冷却剂(用流动箭头表示)中的一个或多个并且被传递至周围环境983中。当流体冷却剂流动穿过流动通路并且在冷却系统中流动时，热量被流体冷却剂交替地吸收和排出。
[0093]冷却剂流体通过冷却剂进入管道988进入容置系统960，所述冷却剂进入管道988设置在定子支撑件中部空腔991中，所述支撑件中部空腔991限定定子支撑件环形流动空间992。来自进入管道的流体962排至环形流动空间，流体964在该环形流动空间处吸收传递至定子支撑件壁部993的热量。来自定子支撑件环形空间的流体966被输送至外盖912与中间盖914之间的流体室968。离开流体室的流体970被输送至外环953。在多种实施方式中，冷却剂通过穿过外封闭部壁932的热量传递将热量排至周围环境983。来自外环953的流体972被输送至内环974。在多种实施方式中，冷却剂通过穿过中间封闭部壁934和内封闭部壁936的热量传递来吸收热量。来自内环951的流体976被输送至流体冷却剂排出管道978。
[0094]在运行时，机电飞轮的飞轮体在飞轮充电期间由电动发电机加速。在充电期间，能量被传输至电动发电机。在放电期间，电动发电机随着飞轮体的减速将飞轮的动能转换成电能。电力电子部分用于转换电力网络以便驱动电动发电机以及与其机械联接的飞轮体。电力电子部分还用于将电动发电机产生的电力转换成适于传输电力至的电网使用的波形。
[0095]在运行时，容置系统提供抛射防护。例如，如图9C所示，容置系统900C在失效(比如飞轮失效)发生的情况下提供抛射防护906。在多种实施方式中，真空阻隔件由使飞轮空间981中能够保持真空的内封闭部902提供，冷却剂流动空间由外封闭部902提供，并且冷却剂流动空间被分流件围罩908分成内部环形流动通路951和外部环形流动通路953。通过穿过外封闭部壁932至环境983的热量传递和/或通过利用例如散热片风扇冷却器(未示出)将热从流体传递到容置系统的外部，使得在定子支撑件987中流动的冷却剂所吸收的热量和在内部环形流动通路中流动的冷却剂所吸收的热量被排出。
[0096]尽管上面已经描述了本发明的各种实施方式，但应当理解的是，这些实施方式仅是通过示例来描述且为非限制性的。对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够在形式和细节上进行改变。这样，本发明的宽度和范围不应当被上述示例性实施方式限制，而是仅应当根据下述权利要求及其等同物的限定。
【权利要求】
1.一种机电飞轮容置系统,包括: 内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁； 抛射防护件，所述抛射防护件位于所述内封闭部和所述外封闭部的壁部之间； 能量交换块，所述能量交换块包括:芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件；以及旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子、飞轮体和毂部；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述内封闭部包围所述能量交换块；所述外封闭部包围所述内封闭部； 第一环形流动通路，所述第一环形流动通路用于输送流体冷却剂，所述第一环形流动通路的外径由所述外封闭部的壁部限定；并且， 其中，用于传递冷却剂的容置系统流体回路包括所述第一环形流动通路和定子支撑件流动通路。
2.根据权利要求1所述的机电飞轮容置系统，还包括: 所述内封闭部和外封闭部的内壁和外壁同心地布置； 所述抛射防护件环绕所述内壁； 围罩环绕所述抛射防护件；所述围罩被所述外封闭部的外壁环绕；所述第一环形流动通路的内径由所述围 罩限定； 所述围罩和所述抛射防护件限定第二环形流动通路；并且， 其中，用于传递冷却剂的所述容置系统流体回路包括所述第二环形流动通路。
3.—种机电飞轮容置系统,包括: 内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁； 抛射防护件，所述抛射防护件位于所述内壁与所述外壁之间； 环形流动通路，所述环形流动通路用于输送流体冷却剂； 所述环形流动通路的内径由所述抛射防护件限定； 电动发电机定子，所述电动发电机定子悬挂在所述内封闭部上； 旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子，所述旋转组件限定一旋转轴线，并且所述旋转组件环绕电动发电机定子且限定一旋转轴线； 飞轮体，所述飞轮体围绕并联接至所述转子；并且， 其中，所述定子的励磁绕组环绕所述旋转轴线，而所述定子的电枢绕组不环绕所述旋转轴线。
4.一种机电飞轮容置系统,包括: 内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁； 所述内封闭部可操作地提供真空阻隔件； 抛射防护件，所述抛射防护件位于所述内封闭部和所述外封闭部的壁部之间； 能量交换块，所述能量交换块包括:芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件；以及旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子、飞轮体和毂部；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述内封闭部包围所述能量交换块；所述外封闭部包围所述内封闭部； 第一环形流动通路，所述第一环形流动通路用于输送流体冷却剂，所述第一环形流动通路的外径由所述外封闭部的壁部限定；并且，其中，用于输送冷却剂的容置系统流体回路包括所述第一环形流动通路和定子支撑件流动通路 。
【文档编号】F16F15/18GK104011428SQ201280064785
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月31日
【发明者】克劳德·迈克尔·卡利夫 申请人:罗特能源控股公司