用于磁性地卸载转子轴承的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及由机械轴承所支撑的转子，并且尤其涉及用于从转子的轴承卸载转子的重量的方法和装置。
【背景技术】
[0002]转子(诸如用于存储旋转动能的这些)具有沿着它们的旋转轴线的轴，这些轴通常由滚动轴承来支撑。因此，例如，垂直取向的转子可具有下滚动轴承和上滚动轴承。对于这样的配置，下轴承通常必须被设计成支撑转子的重量。
[0003]虽然使用滚动轴承来支撑转子是有效的，但这种轴承的典型用途需要很大的轴承。因此，例如用于能量存储的转子可具有超过1，000镑(500kg)的重量。能够支撑大重量的滚子轴承必定是大的且昂贵的。另外，如本领域已知的，滚珠轴承寿命受限于滚道疲劳，并且随着轴承负荷的立方幂反比例地缩放。
[0004]需要可减少支撑转子的滚子轴承上的轴向负荷的装置和方法。该装置和方法应当与现有的转子设计兼容并且易于实现。该装置和方法还应当提供较长的轴承寿命。
公开内容
[0005]本发明通过卸载由垂直安装的转子的轴承所轴承的重量的大部分来克服现有技术转子支撑装置和方法的缺点。在一个实施例中，底部轴承上的负荷被磁性地卸载至如由与底部轴承组件串联的轴向弹簧所确定的最小的预负荷。底部轴承上的预加荷载可被设置为期望的并且实际的最小值，因此避免几乎空载的底部轴承的球滑移和任何其它缺点。在一个实施例中，通过施加超过转子的引力重量小的裕度的磁性提升力来完成预加荷载的此量。磁性提升力和转子重量之间的此小的差别构成了置于上轴承上的预负荷。本发明还包括机械系统布局以及准确地规定上轴承上的残余轴向预负荷所需的控制。
[0006]此级别的磁力的施加具有三个重要的影响。第一，可利用轴向弹簧完全地并精确地设置底部轴承上的加载。第二，对于上和下轴承外部环(或滚道)在它们相应的孔中具有滑动配合安装的情况下，转子被提升通过小的轴向间隙距离。提供此间隙以允许在不匹配的热状况下或在归因于向心加载的泊松效应引起的转子轴向长度变化下转子和外壳的有差别的膨胀。在转子被完全地提升至由上轴承组件所限定的停止位置的情况下，定义磁性致动力的间隙被精确地设置。由此，规定的绕组电流的磁性提升力是非常准确的和可重复的。进一步，由于磁间隙处于其最小的可能设置，因而由磁性提升绕组所需的功率是最小的。第三，轴向预紧力被给予上轴承上。此预紧力由磁性提升力和转子的引力重量之间的差别所确定。
[0007]某些实施例提供操作飞轮组件的方法，其中该飞轮组件包括具有垂直的旋转轴和磁性材料的转子、连接至外壳的机械轴承组件以及定位成使外壳中的转子升起的电磁体，其中该轴承组件允许转子在下部位置和上部位置之间轴向运动，该下部位置在转子和电磁体之间具有最大间隙，该上部位置在转子和电磁体之间具有最小间隙。该方法包括向电磁体提供足以在转子处于上部位置处的情况下操作飞轮的电流。
[0008]某些其它实施例提供操作飞轮组件的方法，其中该飞轮组件包括具有垂直的旋转轴和磁性材料的转子、连接至外壳的机械轴承组件以及定位成使外壳中的转子升起的电磁体，其中该轴承组件允许转子在下部位置和上部位置之间轴向运动，该下部位置在转子和电磁体之间具有最大间隙，该上部位置在转子和电磁体之间具有最小间隙，并且其中大于上临界电流的施加至电磁体的电流足以将转子从下部位置提升到上部位置，并且其中大于下临界电流的施加至电磁体的电流足以将转子维持在上部位置处。该方法包括:在转子在下部位置处的情况下，将至电磁体的电流增加到足以使转子升起至或靠近上部位置的第一临界电流；在转子在上部位置处或附近的情况下，将至电磁体的电流减少到足以使转子在上部位置处或附近升起的第二临界电流；以及利用等于或大于第二临界电流的至电磁体的电流来操作转子。
[0009]某些实施例提供飞轮装置，包括:外壳；转子；轴承；磁体。该转子具有转子重量和与重力对齐的旋转轴，并且包括磁性材料。该磁体包括电磁体，并且被定位成在沿着旋转轴的方向上对磁性材料施加吸引力并且抵消重力。耦合外壳和转子的轴承允许转子绕旋转轴进行旋转以及允许转子相对于磁体进行轴向位移。飞轮装置还包括:磁通量传感器，适配成测量磁体和转子之间的磁通量；以及控制系统，适配成响应于所测得的磁通量来将电流提供至电磁体，其中该电流大于施加足以支撑转子的重量的吸引力的临界电流。
[0010]一个实施例通过磁性地提升转子一预定的轴向位移来卸载下转子轴承。此位移由两个轴承外部滚道(环)中的每一个在它们相应的轴承座中的轴隙的范围所设置，其中滑动配合被用于这些轴承中的每一个。此提升位移将底部轴承上的轴向加载减少到允许适当的滚子轴承功能的最小的预负荷。作为示例，轴向预负荷是轴承额定动态负载能力的最小部分(例如，0.001到0.10) O
[0011]另一实施例提供用于卸载下转子轴承的装置。该装置包括外壳、包括磁性材料并具有上轴和下轴的转子、附连至下轴和外壳的下滚子轴承、以及附连至外壳的提升绕组。当电流被提供至提升绕组时，逆着重力提升转子从而使得下滚子轴承上的负荷被减小为小于转子的重量的值。
[0012]又一实施例包括与下轴承的外部滚道串联的轴向弹簧，当利用超过转子的重量的力磁性地提升转子时，该轴向弹簧精确地设置底部轴承上的轴向预负荷。
[0013]一个实施例包括与上外部滚道和下外部滚道中的一者或两者串联的力感测元件(例如，应变仪)以被用于通过对磁性提升绕组电流的校准或反馈控制来精确地设置轴承预负荷。
[0014]另一实施例包括磁场感测元件(诸如霍尔效应感测器)以感测卸载电磁体通量密度。如将要描述的，磁力随着间隙磁通密度的平方非常准确地缩放。由此，可通过对间隙磁通密度的测量来精确地评估卸载器电磁体力。此所测得的磁场量可被方便地用在卸载器控制中以精确地设置上轴承上的轴向预紧力(preload force) ο
[0015]又一实施例在控制系统中结合所测得的间隙磁场和绕组电流的使用以精确地设置上轴承轴向预紧力而不使用任何直接力传感器。
[0016]这些特征连同从下面的详细描述中对于本领域技术人员而言将变得显而易见的各种辅助规定和特征一起由本发明的装置和方法、仅以示例的方式参照附图所示的其优选的实施例来获得，其中: 附图简述
[0017]图1是本发明的第一实施例飞轮装置的示意性截面图；
[0018]图2A和2B是第一实施例上轴承组件的示意性截面图，其中图2A示出了在最低位置中的转子并且图2B示出了在最高位置中的转子；
[0019]图3是第一实施例下轴承组件的示意性截面图；
[0020]图4是示出了对于间隙的两个值作为电磁体电流的函数的提升力的曲线图；
[0021]图5是示出了当电流在飞轮装置的操作期间被改变时的提升力的曲线图；
[0022]图6是第二实施例上轴承组件的示意性截面图；
[0023]图7是第二实施例下轴承组件的示意性截面图；
[0024]图8是示出了本发明的控制算法的一个实施例的控制系统示图；
[0025]图9是本发明的第二实施例飞轮装置的示意性截面图；
[0026]图10是示出了对于间隙的两个值作为磁通胆连数(flux linkage)的函数的电流的曲线图；
[0027]图11是示出了本发明的控制算法的第二实施例的控制系统示图；
[0028]图12是具有第二实施例磁体的本发明的飞轮装置的示意性截面图；以及
[0029]图13是具有第三实施例磁体的本发明的飞轮装置的示意性截面图。
[0030]附图标记或标签在附图中用来指示其中所示的某些部件、方面或特征，并且不止一个附图所通用的附图标记和标签指示其中所示的相同的部件、方面或特征。
【具体实施方式】
[0031]下面的描述详细地描述了提供支撑转子的常规滚子轴承的磁性卸载的装置和方法的特定实施例。转子轴承的卸载减少了运转摩擦并且还增加了轴承寿命。因此，对于在飞轮能量存储系统中使用转子的示例，创造性的卸载可将运转摩擦减少到可以忽略的级别并且延长轴承寿命若干数量级。另外，创造性的结构和方法为处于其最小的可能设置的转子提供磁性支撑从而使得由磁性提升绕组所需的功率是最小的。
[0032]图1是第一实施例飞轮装置100的示意性截面图，该飞轮装置100包括外壳110、具有旋转轴CL的转子120以及用于支撑转子和允许旋转的轴承，并且该轴承可包括下轴承组件130和上轴承组件140。飞轮装置100还包括磁体170 ;用于从转子120添加或移除电能的电能部件150 ;以及控制系统160。飞轮装置100和轴承组件130和140通常关于中心线CL对称。如随后所讨论的，轴承组件130和140支撑转子120同时允许由箭头A所指示的该转子的某种轴向运动，并且其中轴向运动的全范围被指示为δ。
[0033]如随后所讨论的，磁体170包括电磁体，该电磁体在本文中非限制性地也被称为“卸载器”或“卸载器电磁体”，其可被操作以在转子120上提供力，该力与万有引力相反。当诸如通过由控制系统160所施加的电流来致动磁体170的电磁体时，转子可向上移动例如指示的距离S。在一个实施例中，最小的距离δ可以是例如，从0.25mm (0.01英寸)到1.0mm(0.04英寸)以允许预期的有差别的膨胀。
[0034]转子120的支撑的一部分因此被转移至磁体170，并因此减少轴承组件130上的向下力的量。相对于必须支撑整个转子重量的轴承，减少的轴承加载在可使用较小、较轻的轴承和/或可增加轴承寿命方面是有益的。
[0035]外壳110包括外壳主体111，该外壳主体111围绕转子120并且可例如被排空空气以减少来自自旋转子的摩擦损失。外壳110还包括磁体170的部件，包括但不限于由磁性材料形成或包括磁性材料的上部外壳构件17