磁軸承上的高速飛輪的製作方法

2023-06-19 18:13:21

磁軸承上的高速飛輪的製作方法
【專利摘要】高速能量存儲飛輪系統，包括：轉子（1），其位於設置在定子殼體（2）中的真空室（3）中，並且由主動磁軸承（5，6，7）關於所述定子殼體（2）支撐。流體罐（10）用於以受控方式釋放流體進入真空室（3）中，並且因此通過摩擦在轉子（1）上產生制動效果。
【專利說明】磁軸承上的高速飛輪
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高速能量存儲飛輪系統，包括位於設置在定子殼體中的真空室中且由磁軸承關於所述定子殼體支撐的轉子。
【背景技術】
[0002]高速動能存儲飛輪系統基於系統的電池競爭提供用於負載平衡和峰值調節的快速電力。
[0003]通常，該能量存儲飛輪系統包括高速旋轉飛輪(通常由高強度鋼或者碳製成)、集成的馬達/發動機單元以及能量轉換單元(以轉換機械能為電能或者逆向地轉換電能為機械能)。每個飛輪存儲的能量通常上至lOkwh。由馬達/發動機-能量轉換系統提供的峰值能量可以在IOkW和幾百kW之間變化。
[0004]對於該基於存儲系統的飛輪，重要的是最大化運行效率:
[0005]所有旋轉部件容置在真空外殼中以為了最小化風阻損失。
[0006]旋轉部件有利地在主動磁軸承上無接觸地運行。特別地，在豎直布置的飛輪上，適合地適於5-軸磁軸承系統的整個損失少於100W。
[0007]應用至高速飛輪，磁軸承意味著沒有維護，最小轉子，以及軸承損失，沒有磨損，沒有潤滑以及具有大致無限的使用壽命。
[0008]然而，該最大運行效率的缺陷是非常長的不使用助推器的旋轉減慢時間。
[0009]磁懸浮飛輪系統包括備用軸承系統以支撐高速旋轉部件以免在磁軸承系統中的故障或者失效。在備用軸承中的旋轉減慢期間可以改變，因為通過能量轉換單元的發動機也可以用於更快減速。然而，作為最壞的情況，在備用軸承中，可以發生不使用助推器的旋轉減慢(即，沒有來自於發動機的剎車)。在備用軸承中不使用助推器的旋轉減慢是許多小時。

【發明內容】

[0010]要解決的技術問題是提供一種系統，其具有備用軸承，該備用軸承能夠經受不使用助推器的全速旋轉減慢。然而安全的備用軸承解決方案，其允許幾個小時的不使用助推器的旋轉減慢，需要大地技術革新且是非常昂貴的。
[0011]根據本發明，提出介入裝置用於顯著地減少在備用軸承中的旋轉減慢從幾個小時至一些分鐘。因此，當應用本發明時，現有的「標準」備用軸承解決方案可以提供需要的保護功能以及不必需設計昂貴的「特殊」加強備用軸承。
[0012]本發明限定在附隨的權利要求中。
[0013]本發明更特別地涉及高速能量存儲飛輪系統，包括:轉子，其位於設置在定子殼體中的真空室中，以及由主動磁軸承關於所述定子殼體支撐，其特徵在於它進一步包括流體罐和控制設備，其配置為以受控方式選擇性地釋放流體在真空室中，一旦檢測到緊急狀況，以及因此選擇性通過摩擦在轉子上產生制動效果。[0014]根據本發明的一個方面，控制設備包括至少一個流體釋放閥以及閥控制設備。
[0015]根據本發明的另一個方面，控制設備包括與閥控制設備配合的至少一個真空閥，以及真空泵系統。
[0016]優選地，磁軸承包括第一和第二徑向主動磁軸承以及軸向主動磁軸承。
[0017]根據本發明的高速能量存儲飛輪系統可以進一步包括結合進定子殼體中的電動機或者發電機。
[0018]有利地,轉換機械能至電能或者轉換電能至機械能的能量轉換單元與電動機或者發電機關聯。
[0019]根據本發明的高速能量存儲飛輪系統包括第一和第二備用軸承。
[0020]流體罐可以是包括諸如氮氣的惰性氣體的氣體罐。
[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餘壓力小於10_4mbar的真空。
[0024]閥控制設備包括傳感器，其配置為傳感所述緊急狀況以及電或者機械觸發的設備，其響應於所述傳感器並配置為打開至少一個流體釋放閥以能夠將來自於氣體罐的校準的氣體壓力滲透進入真空室以及因此產生所需的轉子的快速旋轉減慢。
[0025]本發明進一步涉及高速能量存儲飛輪方法，包括在設置在定子殼體中的真空腔室中旋轉轉子，轉子由主動磁軸承關於所述定子殼體支撐，其特徵在於它進一步包括檢測緊急狀況，在緊急狀況下，磁軸承失效或者失去活性並且以受控的方式釋放來自於流體罐的流體進入真空室以及因此通過摩擦選擇性地在轉子上產生制動效果。
[0026]根據本發明的一個方面，轉子與結合在定子殼體中的電動機或者發電機相關聯以及該方法進一步包括當檢測到所述緊急狀況時，使用所述電動機或者發電機，轉換機械能為電能或者轉換電能至機械能的能量轉換步驟。
[0027]根據本發明的另一個方面，該方法包括傳感所述緊急狀況以及響應於所述傳感操作，電或者機械地觸發打開至少一個流體釋放閥以使得來自於氣體罐的校準的氣體壓力能夠滲透進入真空室以及因此產生所需的轉子的快速減慢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是根據本發明的實施例的高速能量存儲飛輪的示意性縱向截面圖；以及
[0029]圖2示出了四個不同情況下，在旋轉減慢過程中，飛輪速度關於時間的函數。
【具體實施方式】
[0030]本發明將關於通過示例給出的優選實施例進行說明。
[0031]圖1示出了根據本發明的存儲飛輪的典型的布置結構，其可以是例如5kWh存儲飛輪。
[0032]存儲飛輪包括旋轉飛輪體(轉子)I以及限定真空室3的定子殼體2，旋轉飛輪體I位於真空室3中。
[0033]在圖1所示例子中，旋轉飛輪體I是豎直布置的，並且由下徑向主動磁軸承6和上徑向主動磁軸承7以及軸向主動磁軸承5支撐。為了清楚的目的，在傳統方式中，為限定5-軸懸掛，與磁軸承關聯的傳感器和控制電路沒有示出在圖1中。
[0034]存儲飛輪進一步包括集成的馬達/發動機4，其可以高速旋轉飛輪體I。集成的馬達/發動機4當它作用為馬達時增加了轉子能量，且當它作用為發動機時從轉子移除能量。
[0035]傳統徑向上備用軸承8以及傳統徑向/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，附圖標記10指示氣體罐，其優選地容置惰性氣體，諸如氮氣或者可能為空氣，在IOmbar和IOOOmbar之間的壓力下,優選地大約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進一步控制位於真空室3和真空泵系統14之間的真空閥12。
[0037]根據本發明，所提供的裝置用於通過閥控制單元13的嵌入裝置檢測緊急情況。該檢測裝置可以包括一個或者幾個電、光學或者機械傳感器，其與磁軸承和/或備用軸承配合。例如，該傳感器可以檢測備用軸承接觸，並且傳輸信號至閥控制單元13。響應於此，閥控制單元13閉合真空閥12以從真空泵系統14隔離飛輪旋轉體I。大致同時或者隨後閥控制單元13觸發氣體釋放閥11打開以從氣體罐10引入校準量的氮氣(或者另一種惰性氣體，或者空氣)進入飛輪體I的容置空間。
[0038]氣體罐10有利地位於真空飛輪容置空間內側。根據本發明，在緊急狀況下，電的或者機械的觸發設備11，12，13打開氣體罐10和真空室3之間的連通，用於快速旋轉減慢旋轉的飛輪體I。
[0039]提出的制動方法減少了在備用軸承8，9中不使用助推器的旋轉減慢從小時至分鐘。也允許使用更「標準」以及更不昂貴的備用軸承系統8，9。使用諸如氮氣的惰性氣體改進了故障狀況下系統的安全性。
[0040]要指出的是在臨界的高速範圍中，由氣體摩擦產生的可能的制動扭矩/能量依靠氣體壓力率、旋轉表面以及表面速度。討論的布置結構是非常能量高效的。因此，當在大約IO-4Hibar的非常高真空下，飛輪全速運行時，氣體摩擦損失的通常量是大約100W。當具有壓力率大約IOOmbar的氮氣被釋放進入真空室3時,氣體摩擦損失增加至大約lOOkW。存儲的動能(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，其示出了對於4個例子，在旋轉減慢運行期間，飛輪速度作為時間的函數:
[0042]例子I (曲線21)對應於高真空中沒有助推器通過固有的發動機系統(其構成了最壞的情況)的旋轉減慢。在該情況下，沒有使用本發明的部件10至13。
[0043]例子2 (曲線22)對應於高真空中具有助推器通過固有的發動機系統的旋轉減慢。在該情況下，沒有使用本發明的部件10至13。
[0044]例子3 (曲線23)對應於使用本發明的部件10至13釋放的氮氣，以及沒有助推器通過固有的發動機系統(其構成了最壞的情況)的旋轉減慢。
[0045]例子4 (曲線24)對應於使用本發明的部件10至13釋放的氮氣，以及額外地具有內嵌發動機系統的幫助。
[0046]可以容易地看出，在例子I中，旋轉減慢過程非常長，甚至在例子2中，旋轉減慢過程不能在幾分鐘內獲得。通過對比例子3和4，在此本發明用於實踐，能夠快速地旋轉減慢運行，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減慢率(-df/dt)不是恆定的。在高速範圍中，非常快，在低速範圍中，非常慢。在示意的例子中，在大約25分鐘之內，速度達到額定速度的20%。在額定速度的20%處，96%的動能已經得以傳遞。在備用軸承中，旋轉速度低於額定速度的20%時間上沒有那麼關鍵。然而，如果必需可以增加作為速度函數的氣壓率，因此進一步增加低速範圍中的-df/dt。
[0048]本發明，其可以應用至在磁軸承上的高速能量存儲飛輪的所有類型，允許避免在緊急情況下，在備用軸承中的長的旋轉減慢時間。快速減慢通過校準流體入口獲得。
[0049]雖然優選的實施例已經示出和說明，應理解的是，沒有偏離限定在權利要求中的本發明的範圍，在其中進行的任何改變和修改可以進行。因此，雖然惰性氣體可以被認為優選介質以引起在緊急情況下的期望的制動效果，流體也可以使用為在緊急情況下，能夠在真空室中產生制動效果的流體。
[0050]進一步，雖然本發明可以被應用至5軸磁懸掛，它也可以應用至由組合的主動磁軸承(受控電磁體)和被動磁軸承(永磁體)支撐的旋轉飛輪體。
[0051]本發明可以應用至豎直旋轉的飛輪體以及水平旋轉的飛輪體。
【權利要求】
1.一種高速能量存儲飛輪系統，包括:轉子(1)，其位於設置在定子殼體(2)中的真空室(3)中，並且由主動磁軸承(5，6，7)關於所述定子殼體(2)支撐，其特徵在於:它進一步包括流體罐(10)和控制設備(11，12，13)，其配置為一旦檢測到緊急狀況，以受控方式選擇性地釋放流體在真空室(3)中，並且因此選擇性通過摩擦在轉子(I)上產生制動效果。
2.根據權利要求1所述的高速能量存儲飛輪系統，其中所述控制設備包括至少一個流體釋放閥(11)以及閥控制設備(13)。
3.根據權利要求2所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，所述控制設備包括與所述閥控制設備(13)配合的至少一個真空閥(12)，以及真空泵系統(14)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，所述磁軸承(5，6,7)包括第一和第二徑向主動磁軸承(6，7)以及軸向主動磁軸承(5)。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，它進一步包括結合進所述定子殼體(2)中的電動機(4)或者發電機。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，它進一步包括第一和第二備用軸承(8,9)。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，所述流體罐(10)是包括惰性氣體的氣體罐。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，所述流體罐(10)是包括空氣的氣體罐。
9.根據權利要求5所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，轉換機械能至電能或者轉換電能至機械能的能量轉換單元與所述電動機(4)或者發電機關聯。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，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.根據權利要求1至10中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，所述真空室(3)配置為包括具有剩餘壓力小於10_4mbar的真空。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的高速能量存儲飛輪系統，其中，閥控制設備包括配置為傳感緊急狀況的傳感器以及電或者機械觸發的設備，其響應於所述傳感器並配置為打開至少一個流體釋放閥(11)以能夠將來自於氣體罐(10)的校準的氣體壓力滲透進入真空室(3)，並且因此產生所需的轉子(I)的快速旋轉減慢。
13.一種高速能量存儲飛輪方法，包括:在設置在定子殼體(2)中的真空室(3)中旋轉轉子(1)，該轉子(I)由主動磁軸承(5，6，7)關於所述定子殼體(2)支撐，其特徵在於:它進一步包括檢測緊急狀況，在緊急狀況下，該磁軸承(5，6，7)失效或者失去活性，並且以受控的方式釋放來自於流體罐(10)的流體進入真空室(3)，並且因此通過摩擦選擇性地在轉子(I)上產生制動效果。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述轉子(I)與引入所述定子殼體(2)中的電動機(4)或者發電機相關聯，並且所述方法進一步包括當檢測到所述緊急狀況時，使用所述電動機(4)或者發電機,轉換機械能為電能或者轉換電能至機械能的能量轉換步驟。
15.根據權利要求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於所述傳感操作，電或者機械地觸發打開至少一個流體釋放閥(11 )，以使得來自於氣體罐(10)的校準的氣體壓力能夠滲透進入真空室(3)，並且因此產生所需的轉子(I)的快速減慢。
【文檔編號】H02K7/02GK103973028SQ201410041271
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2013年1月31日
【發明者】U.施洛德 申請人:Skf磁性機械技術公司