带有最小功率的磁性轴承和电机/发电机的能量储存飞轮的制作方法

专利名称：带有最小功率的磁性轴承和电机/发电机的能量储存飞轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量储存装置领域，更具体地说，涉及通过控制的储存和释放动能的一个完整的电能储存和恢复系统。
背景技术：
1997年3月25日授与Jack G.Bitterly等人的美国专利5614777号公开和主张一种利用一个整体的电机/发电机，高速飞轮和磁性轴承，基于飞轮的能量储存系统。在′777专利中所述的系统成本高，因为需要复合的转子材料，不能使功率最小，和需要一个主动的推力轴承以提供必要的力来抬起该转子和保持实现主动的轴向位置控制的悬浮。另外，该专利系统不能允许大的电机/发电机在短的时间段中提供大的功率输出。这是由于该电机/发电机放置在轴承外侧的结构本质引起的，这时，尺寸的增大会产生明显的转子动态工作问题。本质上说，虽然在′777专利中所述的系统比先前技术的设计有优点，但系统的成本大大降低了其商业上的生命力。
因此，希望提供一种适合于高或低功率输出的低成本的系统，该系统使用一个磁性轴承，可以用极小的轴承功率，在垂直系统中，无源地主动提升转子的质量，因而可使系统效率最高。

发明内容
本发明提供了利用磁性轴承，高速永久磁铁电机/发电机和高强度飞轮系统的一个最优的飞轮能量储存系统。该飞轮系统优选利用用于储存动能的高强度钢轮，作为推力和径向双重作用的永久磁铁组合主动磁性轴承的高效率磁性轴承和高效率永久磁铁的电机发电机制成。与复合材料截然不同，该钢轮可形成一个价格低，高速结构的能量储存转子，而复合材料，虽可以提高系统的能量储存密度，但增加系统成本。
使用两个永久磁铁组合磁性轴承，第一个组合磁性轴承作成通常的，完全主动式的三轴线式磁性轴承，其永久磁铁偏磁为2002年2月20日提出的，让于本发明受让人的正在审查中的序号为10/078572号申请中所提出的。这种单极结构可减少由磁场变化产生的转子损失，保持转子发热最小。这种热的减小对于该飞轮是关键的，因为在转子和定子之间没有实际的接触，因此从转子至定子的热辐射是转子冷却的唯一方法。单极组合轴承可对轴的一端上的二个径向轴(X1，Y1)进行主动的径向位置控制，还可以提供主动的轴向负载，以挑选和保持该转子的轴向位置。作成对重力的垂直取向，这种结构可减小径向负载和输入功率的需要。
第二个组合轴承带有二个主动的径向轴和一个被动的轴向轴线。它与完全主动的综合轴承相同，一个不同点是没有主动轴向控制线圈和一个止推极(thrust pole)。永久磁铁偏磁通道，不是在二个相对的轴向极之间裂开，而是通入一个剩余的止推极中，从而在一个方向形成被动力。这个力的大小可以提供与转子本身的静态重量差不多相等的力。在由该完全主动的轴向组合轴承提升后，这可使进入另一个轴承的主动轴向轴线的净功率接近零功率。这个改进的组合轴承的径向轴与控制二根径向轴(X2，Y2)的三个轴线式的主动轴承相同。在这个系统的优选结构的垂直模式中和悬浮在磁性轴承中时，对该轴承来说提供静态提升和位置力所需的净功率接近零功率。所有径向的轴都没有静态负荷，因为静态负荷在改造的组合轴承的轴向轴线上，而另一个组合轴承的主动的轴向轴线不需要产生保持轴在中心的功率。虽然，理论上可达到零静态功率，但考虑到由于机械公差和安装时系统的倾斜引起的离心运转，仍要有极小的功率。
磁性轴承对于长期的维修少的工作是关键的，因为其使转子损失最小，寿命长，不需要润滑。这些轴承的尺寸取决于轴向轴线的转子的重量和在安装径向轴过程中系统的允许倾斜。虽然与主动轴向磁性轴承结合的滚珠轴承可使在该滚珠轴承上的轴向负荷减至极小，但即使安装倾斜1～2°，由于在轴承上加入负荷，可以使工作寿命缩短一半。磁性轴承不仅是由于负荷影响的寿命。它们可在最大负荷范围内工作而不影响其寿命，使得地面偏移使系统在5～10°范围内倾斜时在地面上安装中仍具有很明显的优点，因此可以增加地面安装的寿命。对于需要最小的提前支付成本的寿命短的系统，这个系统可以使用滚珠轴承进行径向支承。
PM电机/发电机也是这种类型的系统的一个重要组件。该电机/发电机放置在二个轴承(不是外伸式)之间，这样形成一个坚固的转子动态系统，并且容易用在较大功率的系统中。由于对于一个成功的系统，转子损失是很关键的，因此必须使该电机/发电机的转子损失最小。根据工作速度不同，二极或多极的转子的永久磁铁结构可以很好地适应高速工作和最小的转子损失，以及高效率。在这种能量储存装置，长期保持功率的待机模式中，高效率是很关键的。动力电子线路与该电机/发电机接合，将能量加在飞轮上，并提供从飞轮释放能量的输出端。电子线路监视功率总线和飞轮速度，并相应地在输入和输出之间切换。对于包括电池更换的大多数应用场合，电子线路可构建为适用于直流或交流总线。
永久磁铁提供的力不需要电源，这可减少连接器和电流驱动器，同时增加可靠性。另外，使用钢制飞轮可减少成本，同时仍可使该飞轮的功率密度高。虽然，该功率密度比复合材料提供的小，但可以很好地平衡而以使用复合工艺的系统不能达到的可接受的成本、特性来满足商业性能要求上。
钢制飞轮部分可提供有效的能量储存必需的质量。使用高强度钢(例如ANSI4340)可使轮毂表面的工作速度高。高的表面速度可以减少所需的飞轮质量，并且磁性轴承和电机发电机的损失小。对于非常紧凑的能量储存系统，高速是容易得到的。对于刚性高的转子结构，通过轮毂，电机/发电机转子和轴承支承系统，可以机械地将完整的回转组连接起来。静止的轴承和电机/发电机组件可通过壳体机械地连接和对准和用螺钉连接在一起。该壳体使用密封，有效地保持真空，以消除在回转件上的空气阻力损失，并且密封的电气接头可将轴承传感器信号和输入功率送至该飞轮。对于该系统的电能储存和释放，使用用于电机/发电机输入和输出功率的单独一组密封接头。通过将轴承电子线路集成在飞轮壳体中，可以使接头最小化，这样只需要输入功率和输出数据信号。
对于需要在短时间内将高功率输出至长期需要低功率的系统的系统，可以使用这个基本结构。这里可以简单地通过改变电机发电机的尺寸/速度，以适应能量或多或少时飞轮轮毂的改变来做到，这样可能需要改变轴承尺寸。这点受到系统动态的限制，并且总的结构的速度和尺寸可以改变，以便优化该成本最低的系统的这些参数。


为了更好地了解本发明以及其他目的和特点，可参照阅读结合附图的以下说明。其中图1为本发明的飞轮系统的方框图；图2为该飞轮系统转子的部分截面透视图；图3为该飞轮系统定子的截面图；图4为实施本发明的磁性轴承的装配的飞轮系统的截面图；图5为该飞轮系统转子设计的第二个实施例；和图6表示该飞轮系统转子设计的第三个实施例。
具体实施例方式
图1为本发明的系统10的方框图。飞轮组件12与一个控制系统14连接。控制系统包含电机/发电机动力电子线路14a，磁性轴承控制器14b和主控制器14c。这些零件可将电能从一个电力线路13输入至该飞轮组件12，或将电能从该飞轮组件12输出至该电力线路13。飞轮12将输入动力从电能转换为机械势能。输出时，该飞轮12将机械能转换为电能，并供给控制系统14。该电机/发电机动力电子线路14a调节输入和输出功率，与该电力线路13匹配，将交流转换为直流或相反，以便使飞轮电压与该电力线路13的电压匹配。磁性轴承控制器14b监视轴的位置和利用该磁性轴承进行调节，以便在工作过程中，将电机/发电机轴保持在所希望的中心位置。主控制器14c监视动力电子线路14a的工作，磁性轴承控制器14b监视该电力装置13的工作，以指示飞轮12的充电或放电，并与外部系统接合，报告飞轮12的工作和接收指令。
从图2～4可看出，飞轮组件12包括一个回转件15和一个静止件26。该回转件15包括电机/发电机转子17；飞轮轮毂部分18；一个三轴线式的主动组合磁性轴承目标19；一个两个主动，一个被动轴线式组合轴承目标20，径向位置传感器目标21和22；轴向位置传感器目标23和触地的滚珠轴承目标套筒24和25。飞轮轮毂18形成系统的能量储存部分，需能量以增加其回转速度，并在需要输出时，提供必要的能量以驱动发电机。该电机/发电机转子17由一个永久磁铁17a和一个高强度的挡圈17b构成。转子17用作该电机/发电机定子28(图3)的目标。飞轮轮毂部分18和径向轴承末端短柱轴29面向该永久磁铁17a，在本实施例中，该挡圈17b安装在所有三个零件上以形成刚性连接。一个可选的的电机/发电机结构使用金属轮毂，它是转子轮毂18的一部分，或是刚性地与转子轮毂18连接。在该转子轮毂上安装永久磁铁。然后，使用一个高强度套筒(最好为石墨)，以便在转动过程中包含该磁铁。另一个实施例利用包含永久磁铁17a和挡圈17b的电机/发电机转子组件，作为与该飞轮轮毂18连接的一个单独的子组件的一部分。
磁性轴承转子目标19和20分别与转子部分18和29压配合，以便在组件之间形成一个连接机构。对于轴承传感器目标21和22及其相应的转子轮毂18和29，也是这样。在装配后，将这些目标的表面相对于转子15中心磨削，以使该轴承在剩下的转子组件的中心正确运转。在这个磨削步骤后，平衡该转子，以使不平衡负荷减小。
小尺寸的高速旋转转子设计成可达到最大的能量密度。根据本发明的说明，永久磁铁电机/发电机结构可形成一个高速和高效率，转子损失极小的系统。非接触式磁性轴承通过减小工作损失，使系统效率最高。这些对于对于使系统效率最高和转子发热最小都是关键的。由于该系统在真空下工作，因此从转子至定子的辐射传热是转子散热的唯一方法。这样，转子损失小可防止转子过热并保持工作温度最低。
图3表示该飞轮的静止件或定子组件26。该定子26由电机/发电机定子组件28；电机/发电机界面壳体30(如果定子28足够大，可以直接与壳体46接合，则可以不是必需的)；一个三轴线式主动组合磁性轴承定子32(这个轴承结构在2002年2月20提出的序号为10/0785-72的正在审查的申请的图1和图2中说明，这里将本发明必需的说明引入供参考)；一个两个主动，一个被动轴线式组合轴承定子34；径向位置传感器组件36和38；轴向位置传感器组件40；和触地滚珠轴承组件42和44构成。这些零件放在形成电机/发电机14a和轴承系统之间的结构连接的壳体46内。当安装在基板50上时，壳体46也形成与地面的机械连接。壳体46与基板50和盖52一起，使该系统与空气密封，可使系统在真空中工作，以减少空气阻力损失，从而提高系统效率。该磁性轴承定子32和34，径向传感器组件36和38，和触地轴承42和44安装和支承在刚性地安装在壳体46中的壳体56和58中。
密封接头60和62形成磁性轴承32和34，主动控制线圈和传感器组件36、38和40的线路界面。依靠该电机/发电机本身收集位置信息，使用无传感器的电机/发电机控制电子线路14a不需要电机传感器。电机功率通过有刻度的动力接头63输入或输出至定子。
图4表示转子15安装在定子组件26内的飞轮系统10。磁性轴承32和34形成回转的转子15的径向和轴向支承，它没有实际的接触，并且转子感应损失小。磁性轴承控制器14b利用传感器36、38和40检测转子位置，并且控制通向磁性轴承32和34的电流，将该电流转换成作用在转子目标19和20上的力。这些力被控制以将转子轴保持在它工作时的所希望的位置，而不与定子26的任何部分接触。传感器36、38和40为非接触式传感器，以使与转动目标21、22和23的间隙比从转子15至后备轴承42和44的间隙大。对于轴承32和34及其相应的目标29和20也是这样。这个特点保证，在故障或过载情况中，转动的转子15只与后备轴承42和44接触，不与其他定子零件接触，从而消除对系统可能的损坏。
由零件20和34构成，并位于飞轮12顶部的被动式组合轴承可对轴的径向位置进行主动控制，并可在转子15上提供沿轴向向上作用的一个恒定力。这个轴承表示在序号为10/078572的正在审查中的申请的图5和图6中，这里将对理解本发明必需的说明引入供参考。为了说明磁性轴承32和34的工作，这里说明′572申请中所述的装置的一部分说明。参见′572申请的图1和图2(相当于磁性轴承32)，一个目标组件1固定在轴14上，并且受到一组径向磁极16和一个轴向的铁的磁极18的作用。四个线圈26提供径向的控制磁通。每两个相对的径向线圈一起作用，形成在径向方向作用在该目标组件上的一个净力。两个轴向磁化的永久磁铁件28和30为所有轴向和径向轴提供利用核心轴向永久磁铁扇形体28和30的偏移磁通。这种形式对于轴向负荷基本固定不变的系统是有用的，并可提供主动的径向位置控制，和不用轴向控制线圈而提供被动的、一个方向的轴向力。参见序号为10/078572的正在审查中的申请的图6和与轴承34相应，永久磁铁偏磁通道120从定子的轴向电极20，通过气隙121，通至转子目标1，再通过径向气隙122，通至定子的径向电极16，再返回至磁铁28和30。当定子的一个轴向电极20提供永久磁铁的偏磁磁场120时，在转子圆盘1上产生大的轴向力。这个力在一个方向上是固定不变的，不会增大或减小。为了控制径向轴，需要两个轴线控制器。当正确设计时，这种独特结构可使转子15的重量由被动的上轴承34支承。下部的主动轴承32可使转子在轴向方向稳定，调节在轴向方向可能产生的任何动态或振动力，并考虑转子15的重量与上部轴向轴承34的被动力之间的力的偏移或差别(上轴承34为主动的径向被动式轴向组合结构，下轴承32为主动的径向，主动轴向组合式。术语“下”定义轴承32最接近大的飞轮轮毂，术语“上”定义轴承34最接近电机/发电机)。轴承32和34的径向轴线考虑由于重力作用引起的系统10安装时偏离轴线造成的倾斜力，可使转子15悬浮时径向稳定，还考虑在径向方向可能产生的动态或振动力。为了减少所需的功率，径向轴承系统可使转子15围绕其质量中心转动，这在功能上可在磁性轴承控制器14b中编程实现。
这个系统可用于如飞轮组件12那样的大功率，快速释放的系统；也可以使用大功率的电机/发电机17和28，适用于低功率，长时间释放的系统。例如，带有较小的电机/发电机17和28的同样的系统10可以输出1/10的功率，但时间长10倍，使它可适用于不同的用途。为了增加能量储存容量，可以增加飞轮轮毂部分18的轴向长度，使得利用现有的电机/发电机17和28，输出时间更长；或者利用较大的电机/发电机，可以在相同的时间内输出较大的功率。这样，本发明提供了一种用于储存能量和释放能量的真正缩放的飞轮系统，使它可适用于宽广范围的应用场合。使用钢制飞轮轮毂部分18，每一个磁性轴承32和34的普通的轴承零件，和结构较简单的电机/发电机17和28的结构，可使该系统及在其功率和能量上的许多改变型的生产成本非常低。这些系统的轴承32和34结构相同，但由于飞轮轮毂部分18的重量增加，因此轴向负荷较大。与利用被动的提升力的作用在飞轮轮毂部分18上的提升永久磁铁相结合，还可以使用较小的径向/推力轴承系统。这些被动提升力永久磁铁为安装在一个静止壳体上的均匀圆环的形式，并可以使用该轮毂作为磁通通道。
改变电机/发电机以得到低的功率损失包括采用另一个接近应用条件的转子或改变尺寸。在图5中表示集成两个或多个磁铁极的转子。转子73由一片材料，或由同一片材料制成，或由集成在一起的多片形成基本上为一片制成。磁铁70安装在轴72上，并安装一个石墨或容纳套筒71以容纳该磁铁。转子的结构强度由轴72及其均匀结构提供。
图6表示可用在系统10中的电机/发电机的另一种结构。这个转子组件83使用由永久磁铁75，钢的轮毂79，端板77和78与容纳套筒76构成的电机/发电机转子82。为了装配简单，可将该两个或多个磁铁极式的转子82装配成一个部件，然而安装在该均匀的轴81上。
本发明提供了可减小总的轴承功率，同时使系统效率最高的两个提升轴承。
虽然已参照优选实施例说明了本发明，但本领域技术人员知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作各种改变，并可用等价零件代替其零件。另外，在不偏离本发明的基本精神的条件下，可作许多改进，以适应具体情况或本发明内容的材料。
权利要求
1.一种具有回转的储存能量的飞轮的电机/发电机系统，所述飞轮包括一个末端件，该系统包括相对于一个静止件支承所述末端件的第一个磁性轴承；用于产生通过所述末端件和该静止件之间的第一和第二个气隙，磁性上连接的一个轴向极化的磁场的第一个磁场产生装置；该第一个轴向极化磁场产生装置包括磁导率高的第一和第二个弧形件，和一个可控制的电磁线圈；该电磁线圈圆周上围绕着所述第一和第二个弧形件放置，并且径向与所述末端件隔开；和第二个磁场产生装置；它用于产生一个径向极化磁场，通过在一个推力圆盘和一个径向磁极组件之间的气隙而磁性上与该回转件连接，以形成该末端件至该静止件的径向磁通耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述的轴向极化磁场流过第一和第二个轴向磁极。
3.如权利要求2所述的系统，其特征为，所述飞轮由钢制成。
4.一种具有回转的储存能量的飞轮的电机/发电机系统，所述飞轮包括一个末端件，该系统包括相对于一个静止件支承所述末端件的第一个磁性轴承；用于产生通过所述末端件和该静止件之间的第一和第二个气隙，磁性上连接的一个轴向极化的磁场的第一个磁场产生装置；该第一个轴向极化磁场产生装置包括磁导率高的第一和第二个弧形件；和第二个磁场产生装置；它用于产生一个径向极化磁场，通过在一个推力圆盘和一个径向磁极组件之间的气隙而磁性上与该末端件连接，以形成该末端件至该静止件的径向磁通耦合。
5.如权利要求4所述的系统，其特征为，所述轴向极化磁场流过第一和第二个轴向磁极。
6.如权利要求4所述的系统，其特征为，所述飞轮包括钢。
7.一种具有回转的储存能量的飞轮的电机/发电机系统，所述飞轮包括一个末端件，该系统包括相对于一个静止件支承所述末端件的第一个磁性轴承；用于产生通过所述末端件和该静止件之间的第一和第二个气隙，磁性上连接的一个轴向极化的磁场的第一个磁场产生装置；该第一个轴向极化磁场产生装置包括磁导率高的第一和第二个弧形件，所述轴向极化磁场流过所述第一和第二个轴向磁极；和一个可控制的电磁线圈，它在圆周上围绕着所述第一和第二个弧形件放置，并且径向与所述末端件隔开。
8.如权利要求7所述的系统，其特征为，所述飞轮由钢制成。
9.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述飞轮放置在所述第一个磁性轴承和第二个磁性轴承之间。
10.如权利要求4所述的系统，其特征为，所述飞轮放置在所述第一个磁性轴承和第二个磁性轴承之间。
11.如权利要求7所述的系统，其特征为，所述飞轮放置在所述第一个磁性轴承和第二个磁性轴承之间。
全文摘要
一种利用磁性轴承(19，20)、高速永久磁铁电机/发电机和高强度飞轮件(18)的飞轮能量储存系统。该飞轮系统有用于储存动能的高强度钢轮(18)，作为推力和径向双重作用的永久磁铁组合主动磁性轴承的高效率磁性轴承(19，20)和高效率永久磁铁的电机发电机制成。
文档编号H02K7/09GK1759518SQ03826182
公开日2006年4月12日 申请日期2003年3月4日 优先权日2003年1月21日
发明者帕特里克·T·麦克马伦, 科·S·哈因 申请人:帕特里克·T·麦克马伦, 科·S·哈因