專利名稱：立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及飛輪電池，尤其是一種立式飛輪電池結構。
背景技術：
如何高效地將電能儲存起來，一直是人類社會關注的重大課題。目前商業化的儲 電裝置幾乎都是各種化學蓄電池，但是它們一直無法擺脫化學電池固有的弊病一一能量 密度小、污染大、壽命短等缺陷。因此，近年來物理儲電裝置受到了科技界的廣泛重視，其中 飛輪電池(也稱飛輪儲能裝置)已經顯現出巨大的優勢比能量高、比功率大、體積小、充 電快(以分鐘計，而化學電池以小時計)、壽命長、無污染等優點。近十年來，國外研究機構和公司已開發出了實用化水平的飛輪電池產品，在軍事、 宇航、通訊、能源、交通等部門和行業進行驗證性或示范性運行，其中在電網調節、航天衛 星、風力發電、電動汽車等領域的運營顯現出了飛輪電池的巨大應用前景。我國的研究工作 起步較晚，研究單位也較少，整體處于跟蹤國外技術發展的層次。國內現有的飛輪電池研究中，飛輪安裝在轉軸上，所述轉軸上套裝電磁軸承組，所 述電磁軸承組通常采用類似于電機定子的結構(可參見《中國機械工程》第19卷第19期第 1365頁)，這種方案存在的缺陷電磁軸承相互耦合、控制復雜，降低了系統可靠性、提高了 成本。
發明內容為了克服飛輪電池的電磁軸承相互耦合、控制系統復雜、可靠性不高等問題，本實 用新型提供一種可控性好、可靠性高、能耗低、成本較低的立式飛輪電池的分立式磁浮轉 子-軸承系統。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，包括機座、飛輪和轉軸，所述飛 輪位于機座內，所述飛輪套裝在轉軸上，所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括上徑向電 磁軸承組、下徑向電磁軸承組、上位移傳感器組和下位移傳感器組；所述的上徑向電磁軸承組包括至少3個上電磁鐵，每個上電磁鐵徑向布置在轉軸 上部的上圓柱筒形銜鐵周圍，所述的上圓柱筒形銜鐵的內、外圓柱面同軸，所述的上圓柱筒 形銜鐵套裝在轉軸上，每個電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵的圓柱面之間的理論間隙 相等，每個上電磁鐵固接在機座上，每個上電磁鐵通過導線與控制器連接；所述的下徑向電磁軸承組包括至少3個下電磁鐵，每個下電磁鐵徑向布置在轉軸 下部的下圓柱筒形銜鐵周圍，所述的下圓柱筒形銜鐵的內、外圓柱面同軸，所述的下圓柱筒 形銜鐵套裝在轉軸上，每個下電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵的圓柱面之間的理論間 隙相等，每個下電磁鐵固接在機座上，每個下電磁鐵通過導線與控制器連接；所述的上位移傳感器組包括至少2個非接觸式上位移傳感器，每個上位移傳感器 徑向布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置，每個上位移傳感器的感應面與轉軸圓柱面之間的理論間隙相等，每個上位移傳感器固接在機座上，每個上位移傳感器通過 導線與控制器連接；所述的下位移傳感器組包括至少2個非接觸式下位移傳感器，每個下位移傳感器 徑向布置在轉軸上部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置，每個下位移傳感器的感應面與轉 軸圓柱面之間的理論間隙相等，每個下位移傳感器固接在機座上，每個下位移傳感器通過 導線與控制器連接。本實用新型中，所謂理論間隙是指當轉軸位于飛輪電池設計回轉軸心線上時每個 電磁鐵的磁極表面或傳感器的感應面與轉軸圓柱面之間的間隙。作為優選的一種方案每個上電磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸上部 的上圓柱筒形銜鐵周圍；每個下電磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸下部的下圓 柱筒形銜鐵周圍。進一步，所述上電磁鐵有4個，4個上電磁鐵呈90 角等高度、等間隔地徑向均勻 布置在轉軸上部的上圓柱筒形銜鐵周圍；下電磁鐵有4個，4個下電磁鐵呈90 角等高度、 等間隔地徑向均勻布置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵周圍。作為優選的另一種方案每個上位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸上部周 圍靠近上徑向電磁軸承組的位置，每個下位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸下部周 圍靠近下徑向電磁軸承組的位置。再進一步，所述上位移傳感器有2個，2個上位移傳感器呈90 角等高度地徑向布 置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置；所述下位移傳感器有2個，2個下位移傳 感器呈90 角等高度地徑向布置在轉軸下部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置。作為優選的又一種方案至少有1個上電磁鐵、1個上位移傳感器、1個下電磁鐵和 1個下位移傳感器處于飛輪電池設計軸心線的同一個徑向方位角上。作為優選的再一種方案所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向電磁軸承和 軸向位移傳感器，所述的軸向電磁軸承包括一個中空電磁鐵和銜鐵，所述的中空電磁鐵固 接在機座上，所述的轉軸穿過中空電磁鐵，所述的銜鐵固接在轉軸上，所述的中空電磁鐵磁 極表面垂直于所述的轉軸的設計回轉軸心線，所述的中空電磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工 作表面之間有間隙。所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向位移傳感器，所述的軸向位移傳感器 的感應面與所述的轉軸的上端面正對且相互之間有間隙，所述的軸向位移傳感器固接在機 座的頂部。所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向永磁軸承，所述的軸向永磁軸承包括 一個中空永磁鐵和銜鐵，所述的中空永磁鐵固接在機座上，所述的轉軸穿過中空永磁鐵，所 述的銜鐵固接在轉軸上，所述的中空永磁鐵磁極表面垂直于所述的轉軸的設計回轉軸心 線，所述的中空永磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工作表面之間有間隙。所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括包括上保護軸承和下保護軸承，所述的上 保護軸承和下保護軸承均采用角接觸球軸承，所述的上保護軸承的外圈固接在機座上部， 所述的轉軸的上部穿過所述上保護軸承內圈的內孔，所述的上保護軸承內圈的內孔表面與 所述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙，所述的下保護軸承的外圈固接在機座下部，所述的 轉軸的下部穿過所述下保護軸承內圈的內孔，所述的下保護軸承內圈的內孔表面與所述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙。所述上圓柱筒形銜鐵、下圓柱筒形銜鐵與所述轉軸呈一體。本實用新型的技術構思為采用分立式電磁軸承構建磁浮轉子-軸承系統，避免 了各個電磁軸承之間的相互干擾和影響，各個電磁軸承得以解耦并可被獨立控制，實驗結 果表明，控制算法大幅度簡化，系統的可靠性大幅度提高；采用軸向永磁軸承將飛輪轉子 80%以上的質量平衡掉，可大幅度降低電磁軸承的能耗；采用角接觸球軸承作為飛輪轉子 的上保護軸承和下保護軸承，結構簡單緊湊。本實用新型的有益效果主要表現在飛輪轉子磁浮狀態的可控性好、可靠性高、能 耗低，系統的可維修性好、造價不高。
圖1是一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統實施例的結構示意圖。圖2是一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統上徑向電磁軸承組處的橫 剖面的結構示意圖。圖3是一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統下徑向電磁軸承組處的橫 剖面的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖廣圖3，一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，包括機座3、飛 輪1和轉軸2，所述飛輪1位于機座3內，所述飛輪1套裝在轉軸2上，所述分立式磁浮轉 子-軸承系統還包括上徑向電磁軸承組7、下徑向電磁軸承組8、上位移傳感器組9和下位 移傳感器組10 ；所述的上徑向電磁軸承組7包括至少3個上電磁鐵，每個上電磁鐵徑向布置在轉 軸上部的上圓柱筒形銜鐵加周圍，所述的上圓柱筒形銜鐵加的內、外圓柱面同軸，所述的 上圓柱筒形銜鐵加套裝在轉軸2上，每個電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵加的圓柱 面之間的理論間隙相等，每個上電磁鐵固接在機座3上，每個上電磁鐵通過導線與控制器 連接； 所述的下徑向電磁軸承組8包括至少3個下電磁鐵，每個下電磁鐵徑向布置在轉 軸下部的下圓柱筒形銜鐵2b周圍，所述的下圓柱筒形銜鐵2b的內、外圓柱面同軸，所述的 下圓柱筒形銜鐵2b套裝在轉軸2上，每個下電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵2b的圓 柱面之間的理論間隙相等，每個下電磁鐵固接在機座3上，每個下電磁鐵通過導線與控制 器連接；所述的上位移傳感器組9包括至少2個非接觸式上位移傳感器，每個上位移傳感 器徑向布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組7的位置，每個上位移傳感器的感應面 與轉軸圓柱面之間的理論間隙相等，每個上位移傳感器固接在機座上3，每個上位移傳感器 通過導線與控制器連接；所述的下位移傳感器組10包括至少2個非接觸式下位移傳感器，每個下位移傳感 器徑向布置在轉軸上部周圍靠近下徑向電磁軸承組8的位置，每個下位移傳感器的感應面與轉軸圓柱面之間的理論間隙相等，每個下位移傳感器固接在機座3上，每個下位移傳感 器通過導線與控制器連接。本實施例中，所謂理論間隙是指當轉軸位于飛輪電池設計回轉軸心線上時每個電 磁鐵的磁極表面或傳感器的感應面與轉軸圓柱面之間的間隙。每個上電磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸上部的上圓柱筒形銜鐵加 周圍；每個下電磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵2b周 圍。優選的如圖2所示，所述上電磁鐵有4個，4個上電磁鐵呈90 角等高度、等間隔地 徑向均勻布置在轉軸上部的上圓柱筒形銜鐵加周圍；如圖3所示，下電磁鐵有4個，4個下 電磁鐵呈90 角等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵2b周圍。每個上位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承 組7的位置，每個下位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸下部周圍靠近下徑向電磁軸 承組8的位置。優選的所述上位移傳感器有2個，2個上位移傳感器呈90 角等高度地 徑向布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置；所述下位移傳感器有2個，2個下 位移傳感器呈90 角等高度地徑向布置在轉軸下部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置。本實施例中，至少有1個上電磁鐵、1個上位移傳感器、1個下電磁鐵和1個下位移 傳感器處于飛輪電池設計軸心線的同一個徑向方位角上；例如，如果上電磁鐵和下電磁鐵 的數量相等，且等間隔布置，當上電磁鐵和下電磁鐵布置的轉軸徑向方位角相等，屬于優選 的一種結構方式，當然，上電磁鐵和下電磁鐵之間存在交錯布置也可以實現本實用新型。該分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向電磁軸承5，所述的軸向電磁軸承5包 括一個中空電磁鐵和銜鐵，所述的中空電磁鐵固接在機座3上，所述的轉軸2穿過中空電磁 鐵，所述的銜鐵固接在轉軸2上，所述的中空電磁鐵磁極表面垂直于所述的轉軸的設計回 轉軸心線，所述的中空電磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工作表面之間有間隙。該分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向位移傳感器6，所述的軸向位移傳感器6 的感應面與所述的轉軸2的上端面正對，它們之間有間隙，所述的軸向位移傳感器6固接在 機座3的頂部。該分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向永磁軸承4，所述的軸向永磁軸承4包 括一個中空永磁鐵和銜鐵，所述的中空永磁鐵固接在機座上，所述的轉軸穿過中空永磁鐵， 所述的銜鐵固接在轉軸上，所述的中空永磁鐵磁極表面垂直于所述的轉軸的設計回轉軸心 線，所述的中空永磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工作表面之間有間隙。該分立式磁浮轉子-軸承系統還包括上保護軸承11和下保護軸承12，所述的上保 護軸承11和下保護軸12承均采用角接觸球軸承，所述的上保護軸承11的外圈固接在機座 上部，所述的轉軸的上部穿過所述上保護軸承內圈的內孔，當所述的轉軸位于其設計回轉 軸心線上時所述的上保護軸承內圈的內孔表面與所述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙，所 述的下保護軸承12的外圈固接在機座下部，所述的轉軸的下部穿過所述下保護軸承內圈 的內孔，當所述的轉軸位于其設計回轉軸心線上時所述的下保護軸承內圈的內孔表面與所 述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙。所述上圓柱筒形銜鐵2a、下圓柱筒形銜2b鐵與所述轉軸2呈一體；該方案相對而 言，能夠簡化轉軸的結構，其存在的相對不足是在整體式轉軸的材料選擇上存在強度與導 磁性的矛盾，保證強度會導致導磁性減小。[0043]本實施例中，參照圖1，所述上徑向電磁軸承組7位于飛輪1的上方，所述下徑向 電磁軸承組8位于飛輪1的下方；實際上，所述的飛輪1還可位于上徑向電磁軸承組7的上 方，也可位于下徑向電磁軸承組8的下方。本實施例的基本工作過程為1)控制器對各個電磁軸承通以一定的初始電流(或電壓)，然后讀取各個位移傳感 器檢測到的轉軸位置數據，計算轉軸偏離飛輪電池設計回轉中心的偏離值和方位，調整各 個電磁軸承的通電量；2)控制器再讀取各個位移傳感器檢測到的轉軸位置數據，計算轉軸偏離飛輪電池 設計回轉中心的偏離值和方位，調整各個電磁軸承的通電量，使飛輪轉子處于穩定的磁懸 浮狀態；3)啟動飛輪轉子電機，提升飛輪轉子轉速，直至轉速達到設定值后作無動力旋轉。 在此過程中，磁浮轉子-軸承系統不斷重復2)的工作過程，保持飛輪轉子處于穩定的磁懸 浮狀態；4)啟動飛輪轉子電機，利用飛輪轉子旋轉發電，直至停止發電后作無動力旋轉。在 此過程中，磁浮轉子-軸承系統不斷重復2)的工作過程，保持飛輪轉子處于穩定的磁懸浮 狀態；不斷重復上述3)和4)的工作過程，實現飛輪電池的充電和放電；5)當需要停止飛輪電池工作時，可啟動飛輪轉子電機對飛輪轉子進行制動，當轉 子轉速降低到安全轉速時，控制器停止對各個電磁軸承的通電，飛輪轉子著陸在保護軸承 上。
權利要求1.一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，包括機座、飛輪和轉軸，所述飛輪 位于機座內，所述飛輪套裝在轉軸上，其特征在于所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括 上徑向電磁軸承組、下徑向電磁軸承組、上位移傳感器組和下位移傳感器組；所述的上徑向電磁軸承組包括至少3個上電磁鐵，每個上電磁鐵徑向布置在轉軸上 部的上圓柱筒形銜鐵周圍，所述的上圓柱筒形銜鐵的內、外圓柱面同軸，所述的上圓柱筒形 銜鐵套裝在轉軸上，每個電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵的圓柱面之間的理論間隙相 等，每個上電磁鐵固接在機座上，每個上電磁鐵通過導線與控制器連接；所述的下徑向電磁軸承組包括至少3個下電磁鐵，每個下電磁鐵徑向布置在轉軸下部 的下圓柱筒形銜鐵周圍，所述的下圓柱筒形銜鐵的內、外圓柱面同軸，所述的下圓柱筒形銜 鐵套裝在轉軸上，每個下電磁鐵的磁極表面與上圓柱筒形銜鐵的圓柱面之間的理論間隙相 等，每個下電磁鐵固接在機座上，每個下電磁鐵通過導線與控制器連接；所述的上位移傳感器組包括至少2個非接觸式上位移傳感器，每個上位移傳感器徑向 布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置，每個上位移傳感器的感應面與轉軸圓 柱面之間的理論間隙相等，每個上位移傳感器固接在機座上，每個上位移傳感器通過導線 與控制器連接；所述的下位移傳感器組包括至少2個非接觸式下位移傳感器，每個下位移傳感器徑向 布置在轉軸上部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置，每個下位移傳感器的感應面與轉軸圓 柱面之間的理論間隙相等，每個下位移傳感器固接在機座上，每個下位移傳感器通過導線 與控制器連接。
2.如權利要求1所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在于每 個上電磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸上部的上圓柱筒形銜鐵周圍；每個下電 磁鐵等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵周圍。
3.如權利要求2所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在于所 述上電磁鐵有4個，4個上電磁鐵呈90 角等高度、等間隔地徑向均勻布置在轉軸上部的上 圓柱筒形銜鐵周圍；下電磁鐵有4個，4個下電磁鐵呈90 角等高度、等間隔地徑向均勻布 置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵周圍。
4.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于每個上位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位 置，每個下位移傳感器等高度地徑向均勻布置在轉軸下部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位 置。
5.如權利要求4所述的所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述上位移傳感器有2個，2個上位移傳感器呈90 角等高度地徑向布置在轉軸上部 周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置；所述下位移傳感器有2個，2個下位移傳感器呈90 角等高度地徑向布置在轉軸下部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置。
6.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于至少有1個上電磁鐵、1個上位移傳感器、1個下電磁鐵和1個下位移傳感器處于飛輪電 池設計軸心線的同一個徑向方位角上。
7.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向電磁軸承，所述的軸向電磁軸承包括1個中空電磁鐵和銜鐵，所述的中空電磁鐵固接在機座上，所述的轉軸穿過中空電磁鐵，所述的銜 鐵固接在轉軸上，所述的中空電磁鐵磁極表面垂直于所述的轉軸的設計回轉軸心線，所述 的中空電磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工作表面之間有間隙。
8.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向位移傳感器，所述的軸向位移傳感器的感 應面與所述的轉軸的上端面正對且相互之間有間隙，所述的軸向位移傳感器固接在機座的 頂部。
9.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括軸向永磁軸承，所述的軸向永磁軸承包括一個 中空永磁鐵和銜鐵，所述的中空永磁鐵固接在機座上，所述的轉軸穿過中空永磁鐵，所述的 銜鐵固接在轉軸上，所述的中空永磁鐵磁極表面垂直于所述的轉軸的設計回轉軸心線，所 述的中空永磁鐵磁極表面與所述的銜鐵工作表面之間有間隙。
10.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述分立式磁浮轉子-軸承系統還包括包括上保護軸承和下保護軸承，所述的上保護 軸承和下保護軸承均采用角接觸球軸承；所述的上保護軸承的外圈固接在機座上部，所述的轉軸的上部穿過所述上保護軸承內 圈的內孔，所述的上保護軸承內圈的內孔表面與所述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙，所述的下保護軸承的外圈固接在機座下部，所述的轉軸的下部穿過所述下保護軸承內 圈的內孔，所述的下保護軸承內圈的內孔表面與所述的轉軸的圓柱面存在均勻的間隙。
11.如權利要求廣3之一所述的立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，其特征在 于所述上圓柱筒形銜鐵、下圓柱筒形銜鐵與所述轉軸呈一體。
專利摘要一種立式飛輪電池的分立式磁浮轉子-軸承系統，包括機座、飛輪、轉軸、上徑向電磁軸承組、下徑向電磁軸承組、上位移傳感器組和下位移傳感器組，上徑向電磁軸承組包括至少3個上電磁鐵，每個上電磁鐵徑向布置在轉軸上部的上圓柱筒形銜鐵周圍；下徑向電磁軸承組包括至少3個下電磁鐵，每個下電磁鐵徑向布置在轉軸下部的下圓柱筒形銜鐵周圍；上位移傳感器組包括至少2個非接觸式上位移傳感器，每個上位移傳感器徑向布置在轉軸上部周圍靠近上徑向電磁軸承組的位置；下位移傳感器組包括至少2個非接觸式下位移傳感器，每個下位移傳感器徑向布置在轉軸上部周圍靠近下徑向電磁軸承組的位置。本實用新型可控性好、可靠性強、能耗低、成本較低。
文檔編號H02K7/02GK201846180SQ20102055003
公開日2011年5月25日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者謝偉東 申請人:浙江工業大學