用飞轮存储电力的电子装置的制造方法
【专利说明】用飞轮存储电力的电子装置
[0001]本发明涉及飞轮能量存储装置。
[0002]飞轮装置是能够存储和恢复以动能形式存储在旋转质量内的能量的装置。
[0003]这种装置尤其用于使电子系统的操作速度平稳并且使得操作速度更规律，无论是否由于系统的电源或接收器使用能量而导致不规则。
[0004]因此，它们能够存储过剩能量，接着在系统缺乏能量时恢复它。
[0005]特别地，在电子系统的情况下，这种装置可例如用于调节电网的频率，稳定微电网或智能电网或者避免发生中断，以没有中断地提供电源。
[0006]相比于传统能量存储装置，飞轮装置具有诸如较长使用寿命(特别是在充电周期和放电周期方面)、较短响应时间和低维护成本的优点。
[0007]飞轮装置通常由包括吊轮的组件构成并且与电动机/发动机组合，电动机/发电机的转子连接到所述吊轮以形成飞轮。这个组件通常被布置在真空密闭外壳中，吊轮通常被保持悬于磁场中并且进行稳定化，在文献FR 2882203的含义内，这个构造允许限制由于机械摩擦而导致的能量损耗。
[0008]通常，特别期望的是尽可能多地减少现有摩擦力，以使它们产生的能量损耗和噪声污染最少。
[0009]当前，飞轮装置在它们配备有电动机/发电机的范围内具有有限效率，从而确保电能转换成动能，相反地，另一方面，其行为对飞轮旋转的稳定性会产生负面影响，另一方面，其效率低是因为，由于在飞轮和绕线定子处出现的摩擦，导致它们主要具有显著的自放电，这些飞轮具有金属芯，从而由于在磁排斥作用下操作的电动机/发电机中的涡电流和焦耳热，导致显著能量损耗。
[0010]转子的稳定性还构成主要因素，因为转子的任何不稳定性必须被飞轮的悬吊轴承校正或吸收，这也导致能量损耗。为此目的，电机应该尽可能小地产生使转子不稳定的轴向或径向寄生力。
[0011]本发明的目的是克服上述缺陷，特别地，提高这些飞轮装置的稳定和效率，为此目的，它由一种能量存储装置组成，该能量存储装置包括:
[0012]-转子，其形成飞轮，
[0013]-至少一个洛伦兹(Lorentz)型电动机/发电机，其包括转子、不具有铁磁材料的绕线定子和固定在飞轮上的至少一个磁体，
[0014]-至少一个用于闭合磁通的装置，
[0015]其特征在于，磁通闭合装置以可动的方式安装成随着电动机/发动机的磁体同步旋转。
[0016]应该注意，这种能量存储装置包括不具有金属芯的定子，无论它是块状的还是层压的。更精确地，磁通闭合装置只存在于能量存储装置的转子上。
[0017]此外，使用的电动机/发动机是洛伦兹电动机/发动机(也被称为拉普拉斯(Laplace)电动机/发电机)，换句话讲，为了进行操作，这种电动机/发动机利用通常由使电流通过的电流导线产生的拉普拉斯力，当导线经受电磁场时，所述电流存在一定强度。由此产生的拉普拉斯力与由导线和电磁场所形成的平面正交。
[0018]通过确保磁通闭合装置与转子同步旋转，磁通闭合与转子的感生磁场同步地旋转，感生磁场的方向被优化并且沿着寄生方向的磁场的强度显著降低。
[0019]事实上，通过使用固定的磁通闭合，感生磁通的变化导致其中的对应变化。
[0020]由于存在构成磁通闭合的材料的磁滞回线，导致这些变化不是同时的，已经观察到磁场的形成，该磁场呈现出沿着不期望方向的寄生分量。
[0021]因此，当电动机被供电并且定子形成旋转磁场，产生的驱动力还呈现出特别地沿着径向方向和轴向方向的寄生分量，这使转子进而使飞轮不稳定。
[0022]这还导致能量损耗，主要是由于涡流。因此，可以使用层压片材以形成用于闭合转子磁通的装置，以限制这种效果。
[0023]通过根据本发明使用随转子的感生磁场同步旋转的磁通闭合，所述磁通闭合不再经受磁场变化并且保持暴露于同一局部磁场。
[0024]当存储装置以发电机模式或以自由旋转操作时，同样如此。
[0025]以这种方式，电动机/发动机呈现出很少的无负载损耗，也就是说，当在转子正旋转的同时不带负载时，并且电动机/发动机呈现出很少的无负载损耗，也就是说，当在形成飞轮的转子的充电或放电期间在电动机/发动机和外部之间发生能量交换时。
[0026]当转子在没有装载电动机/发电机的情况下旋转时，磁通闭合中没有损耗，因为磁通闭合随着电动转子的磁体的感生电场同步地旋转。
[0027]当以电动机模式或以发电机模式加载电动机/发电机时，通过转子的磁体提供磁通密度，并且在用于形成磁通密度的电感器中没有能量损耗。
[0028]电动机/发电机的定子形成的旋转磁场与磁体和磁通闭合同步，没有由于定子的绕组中的涡流而导致的损耗。只有可能的谐波有可能造成旋转部分中的低损耗。在第一级，损耗限于定子中的少量焦耳效应损耗。
[0029]因此，这种装置允许限制电动机/发电机的能量损耗，由此显著增强装置的效率。
[0030]根据本发明的可选特征，能量存储装置包括多个磁体，这些磁体固定在形成飞轮的转子上，根据“Klaus Halbach"构造设置，并且定子围绕其设置，从而面对磁体并且与磁体离开。
[0031]有利地，“Klaus Halbach^构造允许产生强集中的磁场，该磁场的方向和旋向(sense)受控制。
[0032]根据本发明的可选特征，转子包括至少一个磁通闭合装置，磁通闭合装置固定在形成飞轮的转子上，面对磁体、从定子离开、相对于定子位于磁体的相对侧。
[0033]根据本发明的可选特征，磁体固定在形成飞轮的转子的圆柱形部分上。适当地，磁通闭合装置优选地被固定在形成飞轮的转子的厚壁上。
[0034]有利地，磁通闭合装置可被集成在转子的厚壁中，使得它们没有从厚壁伸出。
[0035]类似地，磁体可被集成在转子的圆柱形部分中，使得它们没有从圆柱形部分伸出。
[0036]根据优选的变型，磁通闭合装置被实现为在飞轮上的条带的形式。
[0037]根据本发明的可选特征，定子包括多相绕组。
[0038]有利地，定子的相位布置可被优化，使得电动机/发电机的径向力的结果是零或自定心，并且电动机/发电机的轴向力的结果是零或自定心。
[0039]定子相位的这种布置允许向电动机/发电机提供关于形成飞轮的转子的旋转稳定性的中和行为(neutral behav1r)。
[0040]根据本发明的可选特征，定子的绕组包括利兹(Litz)线。
[0041]Litz线由直径为大约0.1mm甚至更小的非常细的剖面的基本股线构成的线组成，允许因涡流造成的损耗显著降低，特别是当电动机/发电机不带负载时。
[0042]有利地，当电动机/发电机处于电动机模式时，第一级损耗限于定子中的焦耳损耗。
[0043]有利地，当电动机/发电机处于发电机模式时，损耗严格限于定子中的焦耳损耗和定子的Litz线的股线中的涡流损耗。
[0044]有利地，定子被缠绕以优化电动机/发电机的操作，同时在最大程度上减小寄生力(也就是说，除了洛伦兹力外的力)。
[0045]根据本发明的可选特征，磁通闭合装置由软铁制成。
[0046]软铁的磁滞回线非常窄，这样允许降低损耗。
[0047]根据本发明的可选特征，形成飞轮的转子包括两个洛伦兹型电动机/发电机，这两个洛伦兹型电动机/发电机对称地且彼此相对地安装在飞轮的中间平面的任一侧。
[0048]以这种方式，这种构造允许有更好的效率和更好的力(特别地，轴向力)(该力使形成飞轮的转子不稳定)，因为因飞轮在飞轮中间平面的任一侧的旋转而产生的轴向力相对于飞轮的这个中间平面是对称地并且彼此相对地。