機電飛輪容置系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種機電飛輪機包括與用于與飛輪體進行能量交換的電動發(fā)電機關聯(lián)使用的多壁容置系統(tǒng)。
【專利說明】機電飛輪容置系統(tǒng)
[0001]優(yōu)先權聲明
[0002]本申請要求于2011年12月31日提交的名為ELECTROMECHANICAL FLYWHEELCONTAINMENT SYSTEM的美國臨時專利申請N0.61/582，332的權益。
[0003]已知的飛輪存儲動能，即，運動的能量。當要求釋放該能量時，飛輪隨著動能被耗盡而減速。已知的還有驅動電機的飛輪或者由電機驅動的飛輪。幾十年來，已經(jīng)設計制造了這種機電動械，并且這種機電機械在運行上已經(jīng)獲得了不同程度的成功。然而，廣泛的應用受困于飛輪的制造，即使是最先進的商用機械在運行上也會受到嚴重限制，同時超過了較好的替代性執(zhí)行方式的成本。盡管小型飛輪制造業(yè)一直堅持不懈地努力，但現(xiàn)代的機電飛輪僅在一些利基市場中得到有限地應用，并且目前對于發(fā)展世界的能量供給沒有做出重大貢獻。
【背景技術】
[0004]已知的飛輪存儲動能，即，運動的能量。當要求釋放該能量時，飛輪隨著動能被耗盡而減速。已知的還有驅動電機的飛輪或者由電機驅動的飛輪。幾十年來，已經(jīng)設計制造了這種機電動械，并且這種機電機械在運行上已經(jīng)獲得了不同程度的成功。然而，廣泛的應用受困于飛輪的制造，即使是最先進的商用機械在運行上也會受到嚴重限制，同時超過了較好的替代性執(zhí)行方式的成本。盡管小型飛輪制造業(yè)一直堅持不懈地努力，但現(xiàn)代的機電飛輪僅在一些利基市場中得到有限地應用，并且目前對于發(fā)展世界的能量供給沒有做出重大貢獻。
【技術領域】
[0005]本發(fā)明涉及機電領域。特別地，至少部分通過多壁容置系統(tǒng)來實現(xiàn)機電飛輪的排空功能、安全功能、熱傳遞功能和支撐功能。
[0006]相關技術的論述
[0007]機電飛輪包括在大氣條件下運行的機械和在真空條件下運行的機械。雖然在真空環(huán)境下運行的機械有益于高速運行，但這些機械同樣受現(xiàn)有技術的限制而不能夠控制磁性部件溫度和安全的容置。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明提供一種機電飛輪，所述機電飛輪具有環(huán)繞固定的定子的轉子以及定子繞組，所述定子繞組包括環(huán)繞定子旋轉軸線的勵磁繞組。
[0009]在一種實施方式中，機電飛輪包括:芯部組件，所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子；電動發(fā)電機轉子，所述電動發(fā)電機轉子圍繞所述定子；所述定子的特征在于，所述定子限定一旋轉軸線，所述定子具有環(huán)繞旋轉軸線的勵磁線圈，并且所述定子具有并不環(huán)繞旋轉軸線的電樞線圈；飛輪體，所述飛輪體環(huán)繞所述轉子并且聯(lián)接至所述轉子以便與所述轉子一起旋轉；以及可排空的殼體，所述可排空的殼體封閉所述飛輪體。所述轉子由間隔開的第一懸架組件和第二懸架組件支撐，所述第一懸架組件包括第一電磁軸承，所述第一電磁軸承用于對所述轉子施加對中力和懸浮力，所述第二懸架組件包括第二電磁軸承，所述第二電磁軸承用于對所述轉子施加對中力。
[0010]在一種實施方式中，機電飛輪容置系統(tǒng)包括:內封閉部和外封閉部,所述內封閉部和所述外封閉部分別限定內壁和外壁；拋射防護件，所述拋射防護件位于所述內封閉部和所述外封閉部的壁部之間；能量交換塊，所述能量交換塊包括芯部組件和旋轉組件，所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子和定子支撐件，所述旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子、飛輪體和轂部；所述電動發(fā)電機轉子圍繞所述電動發(fā)電機定子；所述內封閉部包圍所述能量交換塊；所述外封閉部包圍所述內封閉部；第一環(huán)形流動通路，所述第一環(huán)形流動通路用于輸送流體冷卻劑，所述第一環(huán)形流動通路的外徑由所述外封閉部的壁部限定；并且，其中，用于輸送冷卻劑的容置系統(tǒng)流體回路包括所述第一環(huán)形流動通路和定子支撐件流動通路。
[0011]在一種實施方式中，上述機電飛輪容置系統(tǒng)還包括:內封閉部和外封閉部的內壁和外壁同心地布置；拋射防護件環(huán)繞所述內壁；圍罩環(huán)繞所述拋射防護件；所述圍罩被所述外封閉部的外壁環(huán)繞；所述第一環(huán)形流動通路的內徑由所述圍罩限定；所述圍罩和所述拋射防護件限定第二環(huán)形流動通路；并且，其中，用于輸送冷卻劑的所述容置系統(tǒng)流體回路包括所述第二環(huán)形流動通路。
[0012]在又一實施方式中，機電飛輪容置系統(tǒng)包括:內封閉部和外封閉部，所述內封閉部和所述外封閉部分別限定內壁和外壁；拋射防護件，所述拋射防護件位于所述內壁與所述外壁之間；環(huán)形流動通路，所述環(huán)形流動通路用于輸送流體冷卻劑；所述環(huán)形流動通路的內徑由所述拋射防護件限定；電動發(fā)電機定子，所述電動發(fā)電機定子懸掛在所述內封閉部上；旋轉組件，所述旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子，所述旋轉組件限定一旋轉軸線，并且所述旋轉組件環(huán)繞電動發(fā)電機定子且限定一旋轉軸線；飛輪體，所述飛輪體圍繞并聯(lián)接至所述轉子；并且，其中，所述定子的勵磁繞組環(huán)繞所述旋轉軸線，而所述定子的電樞繞組不環(huán)繞所述旋轉軸線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]參照附圖對本發(fā)明進行了描述。包括在本文中且形成說明書的一部分的這些附圖示出了本發(fā)明，并且這些附圖連同描述相結合進一步用于說明本發(fā)明的原理并且用于使相關領域技術人員能夠實施及使用本發(fā)明。
[0014]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的機電飛輪機的框圖。
[0015]圖2示出了圖1的機電飛輪機的選擇功能和設備。
[0016]圖3示出了圖1的機電飛輪機的第一實施方式。
[0017]圖4示出了圖1的機電飛輪機的第二實施方式。
[0018]圖5A示出了圖1的機電飛輪機的轉子磁極。
[0019]圖5B示出了圖1的機電飛輪機的轉子磁極和定子。
[0020]圖6示出了圖1的機電飛輪機的下軸承組件和一些相關部件。
[0021]圖7示出了圖1的機電飛輪機的上軸承組件和一些相關部件。
[0022]圖8示出了圖1的機電飛輪機的第三實施方式。
[0023]圖9A-C示出了圖1的機電飛輪機的容置系統(tǒng)?！揪唧w實施方式】
[0024]在隨后的數(shù)頁中提供的公開內容描述了本發(fā)明的一些實施方式的示例。設計方案、附圖和描述都是本發(fā)明的一些實施方式的非限制性示例。例如，所公開的裝置的其它實施方式可以包括或者可以不包括本文中描述的特征。此外，所公開的優(yōu)點和益處僅可以應用于本發(fā)明的某些實施方式并且不應當用于限制所公開的本發(fā)明。
[0025]圖1示出了機電飛輪機100。電互連部分104與能量交換塊102、電力電子和控制部分106和電力網(wǎng)絡108電聯(lián)接。
[0026]本文所用術語聯(lián)接除非另有說明指的是直接或間接連接，比如A直接連接至B，以及C通過D間接連接至E。
[0027]能量交換塊102包括旋轉組件110和芯部組件112。容置系統(tǒng)101提供了下文中描述的一個或多個容置結構。旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子114、飛輪體116和轂部118。芯部組件包括電動發(fā)電機定子120和電動發(fā)電機定子支撐件122。在多種實施方式中，如本文所示的旋轉組件是無軸的。
[0028]電互連部分104包括任何的導電連接裝置、電接口裝置、電傳感器和類似裝置。電力電子和控制部分106包括任何的硅和/或半導體裝置、模擬和數(shù)字處理器以及包括人機界面的相關界面。對于電力網(wǎng)絡108，I)所述電力網(wǎng)絡108在一些實施方式中是提供電力給能量交換塊102的電源，2)在一些實施方式中為能量交換塊的電力的使用者，以及3)在一些實施方式中既為提供電力給能量交換塊電源又為能量交換塊的電力的使用者。
[0029]圖2示出了選擇的機電飛輪機功能和設備200。能量存儲202對于飛輪運行而言極為重要。在機電飛輪中，能量存儲功能和能量轉換204提供用于將動能轉換成電力和/或將電力轉換成動能的裝置。能量傳輸206用于提供能量轉換設備220、216與電力網(wǎng)絡108之間的電力傳輸。在多種實施方式中，電開關(比如斷路器230)用于連接和斷開能夠實現(xiàn)電力傳輸?shù)膶w。在多種實施方式中，其它機電飛輪機功能包括下述數(shù)個輔助支持功能208中的任意功能。
[0030]能量存儲202利用旋轉組件110。在多種實施方式中，懸架系統(tǒng)210支撐旋轉組件。懸架設備包括軸承或其等同物212，在一些實施方式中，被動式停機系統(tǒng)215支持使得旋轉組件處于選擇的運行工況下(比如停機)。
[0031]能量轉換功能204利用用于將動能轉換成電力的裝置(比如發(fā)電機或者電動發(fā)電機)。示出了電動發(fā)電機220。電動發(fā)電機包括轉子114和定子120，并且配置了用于旋轉地驅動旋轉組件110及用于由旋轉組件旋轉地驅動的裝置。在多種實施方式中，電力電子部分216能夠控制由電動發(fā)電機和/或電力網(wǎng)絡108發(fā)出的電場波形。例如，在多種實施方式中，電力電子部分用于提供具有中間DC母線的AC-AC轉換器中的頻率轉換，并且電力電子部分用于變速驅動功能(比如使飛輪轉子加速)。
[0032]在多種實施方式中，通過下面詳細描述的輔助支持設備來執(zhí)行輔助支持功能208。輔助支持功能包括遮蔽240、安全242、真空244、冷卻248和人機界面246。
[0033]控制功能205用于提供監(jiān)測、評估、命令和其它機電飛輪功能的控制中的一個或多個。特別地，控制功能通過對能量存儲202、能量轉換204、能量傳輸206和輔助支持208中的一個或多個進行監(jiān)控和/或控制來實現(xiàn)機電飛輪運行。[0034]圖3示出了第一機電飛輪部分300。能量交換塊302被內部殼體328封閉，內部殼體328又被可選的外部殼體338封閉。
[0035]能量交換塊302包括旋轉組件310和芯部組件312。旋轉組件中包括:電動發(fā)電機轉子314、環(huán)繞電動發(fā)電機轉子且聯(lián)接至電動發(fā)電機轉子的飛輪體316，聯(lián)接于飛輪體的轂部318以及移動懸架元件344。在一些實施方式中，在電動發(fā)電機轉子與飛輪之間設置有諸如非磁性套筒的套筒，所述套筒尤其用于支持電動發(fā)電機轉子且為電動發(fā)電機轉子提供支撐。電動發(fā)電機轉子、飛輪體、轂部和移動懸架元件圍繞軸線x-x同步轉動，在一些實施方式中，轂部附接至電動發(fā)電機轉子350和飛輪體352中的這兩者中一者或兩者。移動懸架兀件的對側為固定懸架兀件346,固定懸架兀件346由內部殼體的第一壁部332支撐。芯部組件312中包括有定子320和定子支撐件322。在一些實施方式中，定子支撐件聯(lián)接至內部殼體的壁部，比如內部殼體的第二壁部334。
[0036]電動發(fā)電機轉子314環(huán)繞電動發(fā)電機定子320。在多種實施方式中，電動發(fā)電機轉子314包括磁性部分354和非磁性部分356，在一些實施方式中，非磁性部分為塊狀或者基體材料，或者所述非磁性部分包括塊狀或者基體材料，所述塊狀或者基體材料支撐磁性部分。在一種實施方式中，轉子磁性部分為層狀結構。
[0037]在多種實施方式中，定子320包括磁性結構，所述磁性結構具有一個或多個互接線圈，這些互接線圈具有能夠承載可變電流并因此使磁性結構的磁通量發(fā)生變化的導電繞組。在一些實施方式中，第一定子線圈364環(huán)繞大致垂直于x-x軸線的假想的y-y軸線。并且，在一些實施方式中，第二定子線圈368環(huán)繞x-x軸線。在一種實施方式中，多個第一定子線圈環(huán)繞各自的假想的y-y軸線，一個或多個第二定子線圈環(huán)繞x-x軸線，第一定子線圈為電樞線圈，第二定子線圈為勵磁線圈。
[0038]并且，在一種實施方式中，電動發(fā)電機360為具有不出的內外布置(轉子環(huán)繞定子)的單極裝置，其中，a)類似于電動發(fā)電機轉子314的可旋轉的轉子包括無線圈的層狀磁性結構；b)類似于定子320的固定的中心定子包括層狀磁性結構，該磁性結構具有用于在磁性結構中產(chǎn)生磁通量的線圈；以及c)轉子環(huán)繞定子。
[0039]圖4示出了第二機電飛輪部分400。能量交換塊402被內部殼體428封閉，內部殼體428在一些實施方式中被外部殼體(未不出)封閉或者部分封閉。
[0040]能量交換塊402包括旋轉組件410和芯部組件412。旋轉組件中包括:電動發(fā)電機轉子414、環(huán)繞電動發(fā)電機轉子且聯(lián)接至電動發(fā)電機轉子的飛輪體416、聯(lián)接至飛輪體的轂部418、用于支撐轂部的支撐銷496和用于支撐轂部的移動懸架組件492。一些實施方式在電動發(fā)電機轉子與飛輪體之間包括有套筒，比如非磁性套筒。
[0041]在多種實施方式中，飛輪體416包括不同材料的層，所述材料比如為一種或多種類型或等級的玻璃纖維和一種或多種類型或等級的碳纖維。名為HUB AND CYLINDER DESIGNFOR FLYWHEEL SYSTEM FOR MOBILE ENERGY STORAGE 的美國專利 N0.6175172 的全部內容通過參引合并到本文中并用于所有用途，包括飛輪體構造技術和構造材料。
[0042]如示出的那樣，飛輪體包括三層，S卩，鄰近于電動發(fā)電機轉子的第一層417、中間層419和外層421。在一種實施方式中，中間層和外層包括碳纖材料，內層包括玻璃纖維。在另一實施方式中，所有三層大致上由碳纖材料制成。在多種實施方式中，一個或多個層是預加應力的，例如通過使纏繞纖維在壓力的作用下形成具有內壓應力的大致圓筒狀的外殼。[0043]支撐銷、移動懸架組件和轂部布置成同心并且圍繞軸線x-x同時轉動。如看到的那樣，支撐銷496位于上軸承承載件490與下軸承承載件494之間的間隙491中。上軸承承載件從定子支撐件422延伸出，下軸承承載件由殼體的第一壁部432支撐。在一種實施方式中，上軸承承載件的沿著x-x軸線的延伸493用于可旋轉地限制上軸承承載件與下軸承承載件之間的支撐銷。從這個角度來看，上軸承承載件和下軸承承載件提供用于通過支撐銷來“捕獲”旋轉組件410的裝置，并且對于被動停機功能極為有益。在多種實施方式中，下軸承承載件和移動懸架組件包括第一電磁軸承。
[0044]第二電磁軸承451與上軸承承載件490和下軸承承載件494分隔開。第二電磁軸承包括由定子支撐件422支撐的固定軸承定子454和用于使定子磁化的繞組452以及聯(lián)接至電動發(fā)電機轉子的幾何方位上相對的轉子456。如示出的那樣，電磁體498、499的配合面平行于x-x軸線從而使得電磁軸承力垂直于x-x軸線。在其它實施方式中，如上所述的成角度的電磁軸承面(比如下文所要描述的那些電磁軸承面)提供沿著與χ-χ軸線平行的軸線的電磁軸承力分量和沿著與χ-χ軸線垂直的軸線的電磁軸承力分量。
[0045]芯部組件412中包括有定子420和聯(lián)接至內部殼體的第二壁部434的定子支撐件422。電動發(fā)電機轉子414環(huán)繞電動發(fā)電機定子。在多種實施方式中，電動發(fā)電機轉子包括磁性部分和非磁性部分(例如，見圖3的354、356)，在一些實施方式中，，非磁性部分為塊狀或者基體材料，或者所述非磁性部分包括塊狀或者基體材料，所述塊狀或者基體材料支撐磁性部分。在一種實施方式中，轉子磁性部分為層狀結構。
[0046]在多種實施方式中，定子420包括磁性結構，所述磁性結構具有一個或多個互接線圈，這些互接線圈具有能夠承載可變電流并因此使電磁結構的磁通量發(fā)生變化的導電繞組。
[0047]常用的單極定子包括包括至少兩個外周緣和一個較小的中間周緣。這些邊緣包括磁性材料(比如鐵)，并且在多種實施方式中，這些邊緣為層狀結構，其中，每個層片呈大致環(huán)形形狀。
[0048]如示出的那樣，定子420包括三個大直徑周緣464、466、470和兩個較小直徑的周緣484、488，從而在大直徑周緣與小直徑周緣之間形成有大致環(huán)形或者近似圈狀物的容納部481。環(huán)繞旋轉軸線x-x的線圈布置在這些容納部中以便形成勵磁繞組482、486。除了勵磁線圈之外，定子進一步包括電樞線圈。
[0049]電樞線圈450與大周緣464、466、470的外周中的槽483相互接合，從而每個電樞線圈將環(huán)繞大致垂直于旋轉軸線X-X的假想軸線y-y (見圖3)。
[0050]對于每個定子周緣，具有多個配合轉子磁極。如能夠看見的那樣，定子外周緣464、470具有軸向(x-x)間隔開的配合轉子磁極462、468(用實線示出)，定子中心周緣466具有軸向相鄰的配合轉子磁極463、469(用虛線示出)。用于相鄰周緣的轉子磁極(例如462、463)不僅在軸向(x-x)上被間隔開，而且在徑向上也被間隔開，從而使得用于一個周緣的轉子磁極同與相鄰周緣配合的最近的轉子磁極徑向地間隔90電角度(electricaldegree)。
[0051]在多種實施方式中，內置式真空泵(比如牽引分子泵)提供離開飛輪體416且特別是離開獲得最高速度的飛輪體外周處的移動分子。美國專利N0.US5, 462，402FLYWHEELWITHMOLE⑶LAR PUMP的全部內容通過參引合并到本文中并用于所有用途，包括被合并到飛輪系統(tǒng)中。
[0052]在一種實施方式中，第一真空泵由固定迷宮狀環(huán)體458形成，固定迷宮狀環(huán)體458由相對飛輪體的真空泵表面459間隔很小的殼體壁部434支撐。在多種實施方式中，迷宮環(huán)中的凹槽提供與移動的飛輪表面相配合的抽吸動作。在一些實施方式中，凹槽為螺旋形凹槽，其截面面積通常沿著向前的流動路徑減小。并且，在一些實施方式中，第二真空泵由類似于上述迷宮環(huán)的迷宮結構形成并且固定至定子外周部分(比如大直徑定子環(huán)454、464、466、470，為了清楚起見未示出)或者固定至幾何位置相對的轉子磁極(456、462、463、469、468)。
[0053]在一種實施方式中，可排空的殼體內包括有供給區(qū)域和排放區(qū)域。供給區(qū)域具有至少部分由殼體428、轂部外表面417和飛輪體外周413的一部分限定的邊界。排放區(qū)域具有至少部分由真空阻隔殼體和芯部組件412的部分限定的邊界。第一牽引泵設置在飛輪體表面459與真空阻隔殼體壁部434之間，第二牽引泵設置在至少一個定子環(huán)466與轉子414之間。
[0054]圖5A示出了 2+2磁極單級單極電機500A在鄰近磁極平面中的轉子磁極的徑向錯開布置方式。參照轉子截面502和轉子514,第一磁極462位于第一磁極平面Π中，與其相對磁極463位于同一平面中。在類似同步相鄰磁極平面Y2中，相鄰平面磁極465在Yl平面磁極之間。Y2平面中的第二磁極464在該截面中未示出。
[0055]磁極平面Yl、Y2的平面圖504、506示出了各磁極平面中的磁極462、463和464、465，這些磁極間隔了 90°的幾何角度。在這種四磁極實施方式中，磁極還間隔了 90電角度。
[0056]在多種實施方式中，磁路在相鄰的錯列磁極之間延伸。例如，如磁極組件508、510中示出的那樣，磁路部分466、468在磁極對462、463和磁極對463、464之間延伸。如這里不出的那樣，在四磁極電機轉子中由磁路部分462-466-465和463-468-464形成了兩個連續(xù)磁路。在一些實施方式中，每個磁路部分組件462-466-465和463-468-464呈“Z”形，其中，中心構件466、468以大致直角的角度接觸鄰近構件462、465和465、464。此外，該結構保持磁路的容量。
[0057]圖5B示出了三級電機的轉子和定子，每級具有四個磁極500B。此處，示出了轉子磁路部分組件560的視圖，其中，展開了通常圓柱形的轉子結構從而示出了平坦表面。磁路部分組件520、522、523、521布置成在部分519之間產(chǎn)生具有間隔的柵格569，其中，在多種實施方式中，這些間隔填充有非磁性材料。
[0058]柵格569構造成使得形成多個級A、B、C，每個級具有四個磁極。例如，級A具有北極平面，該平面具有第一完全磁極557和由兩個半磁極553、555組成的第二磁極。級A還具有南極平面，該平面具有兩個完全磁極559、560。級A的北極平面和南極平面因此總共具有四個完整磁極。
[0059]每級包括四個磁路部分組件或者轉子柵格部分。例如，級A包括磁路部分組件520、522、520和522，級B包括磁路部分組件523、521、523和521，級C同級A —樣包括磁路部分組件520、522、520和522。顯然在一些實施方式中，磁路部分組件的不同之處僅在于它們的取向。此處，例如，組件520與組件522的不同之處在于組件520圍繞平行于x_x軸線的軸線轉動了 180度，而組件520與組件523的不同之處在于其圍繞垂直于x_x軸線的軸線轉動了 180度。組件522與組件521的不同之處在于其圍繞垂直于x_x軸線的軸線轉動了 180 度。
[0060]示出的還有定子562的剖視圖。如看到的那樣，定子具有以x-x軸線為中心的大直徑周緣534、536、538、540和小直徑周緣544、546、548。在大直徑外周周緣534、540之間設置有第一大直徑中間周緣536和第二大直徑周緣538。在每對大直徑周緣之間設置有一個小直徑周緣，從而這些周緣以534、544、536、546、538、548和540的次序疊置。這些周緣由通過壁部530支撐的聯(lián)接定子支撐件532所支撐。
[0061]多個電樞繞組(例如571、572)通過槽或類似特征與多個大直徑周緣外周(例如574)相互接合。勵磁繞組535、537、539環(huán)繞定子旋轉軸線x_x，其中，一個勵磁繞組環(huán)繞小直徑周緣中的每一個從而使得每個勵磁繞組位于一對大直徑周緣之間。
[0062]如能夠看到的那樣，轉子的柵格結構569設置成:使得定子的第一周緣534與級A的北磁極相對應；定子的第三周緣536與級A的南磁極和級B的南磁極相對應；定子的第五周緣與級B的北磁極和級C的南磁極相對應；定子的第七周緣與級C的南磁極相對應。
[0063]在多種實施方式中，軸承用于支撐旋轉組件及其包括的飛輪體116、316、416?？梢允褂帽疚闹兴枋龅淖阋灾涡D組件的任何軸承組合形式。
[0064]圖6示出了下軸承承載件和一些相關部件600。如附圖的上半部示出的那樣，具有用于聯(lián)接至飛輪體的轂部618、用于支撐轂部618的支撐銷696、用于支撐轂部的移動懸架組件692和下軸承承載件694。轂部、支撐銷和移動懸架組件固定地聯(lián)接在一起(為了清楚起見圖6中以分解圖的形式示出)。
[0065]在多種實施方式中，移動懸架組件692包括移動懸架組件電磁軸承轉子602。在一些實施方式中，軸承轉子為層狀結構(如示出的那樣)。在一些實施方式中，軸承具有以角度Θ I = 0°定向的移動懸架組件電磁軸承面603，其中，該角度Θ I由軸承面603和平行于x-x軸線的軸線xl-xl限定。而且，在一些實施方式中，軸承具有以角度O < Θ1<90°定向的軸承面603( “成角度面”)(如示出的那樣)，軸承面603提供了平行于x-x軸線的電磁軸承力分量以及平行于與x-x軸線垂直的軸線的電磁軸承力分量。
[0066]在多種實施方式中，移動懸架組件692包括移動懸架組件永磁體604,在一些實施方式中,永磁體是電磁軸承轉子602的附加物。而且，在一些實施方式中，移動懸架組件磁體保持件606為移動懸架組件電磁軸承轉子和移動懸架組件永磁體中的任一個或兩個提供保持作用。
[0067]當移動懸架組件包括電磁軸承轉子602時，下軸承承載件694包括相對應的下軸承承載件電磁軸承定子614和用于使該定子磁化的下軸承承載件定子電線圈616。定子由下軸承承載件框架612支撐，而下軸承承載件框架612又由殼體壁部632支撐。
[0068]在一些實施方式中，軸承定子為層狀結構(如示出的那樣)。在一些實施方式中，軸承具有以角度Θ 2 = 0°定向的下軸承承載件電磁軸承面615，其中，該角度Θ 2由電磁軸承面和平行于x-x軸線的軸線x2-x2限定。而且，在一些實施方式中，軸承具有以角度O< Θ2<90°定向的軸承面615( “成角度面”)(如示出的那樣)，軸承面615提供平行于X-X軸線的電磁軸承磁力分量以及平行于與X-X軸線垂直的軸線的電磁軸承磁力分量。如本領域技術人員將理解的那樣，軸承面603、615相互協(xié)作，使得直立的轉子面與直立的定子面匹配，同時成角度的轉子面與成角度的轉子面匹配。[0069]在使用移動懸架組件永磁體604的情況下，下軸承承載件包括幾何位置上相對的永磁體620。在一些實施方式中，下軸承承載件永磁體保持件619由下軸承承載件框架612支撐并且支撐永磁體。
[0070]在多種實施方式中，下軸承承載件694包括下軸承承載件落位軸承(比如抗摩擦軸承622)。如示出的那樣，落位軸承由下軸承承載件框架612支撐。在一些實施方式中，阻尼材料624提供用于落位軸承的密封材料。
[0071]圖7示出了上軸承承載件和一些相關部件700。如示出的那樣，上軸承承載件790包括固定板702和移動板704。
[0072]固定板702包括凹槽形式的線圈空間706，所述線圈空間706位于固定板的面向移動板730的一側上。還包括有用于使被線圈包圍的磁性材料707磁化的電線圈722。
[0073]移動板704包括彈簧空間708和機械軸承空間710。彈簧空間708形成在移動板的直徑減小段延伸直到面向固定板732的板一側處，并且彈簧(比如線圈彈簧720)占據(jù)該空間。軸承空間710為移動板表面734中的中心空腔，所述移動板表面734與移動板的面向固定板的表面732相對。如看到的那樣，該電磁操作壓縮彈簧并且用于將板拉到一起。
[0074]在多種實施方式中，上軸承承載件790包括上軸承承載件落位軸承(比如抗摩擦軸承716)。如示出的那樣，落位軸承定位在移動板空腔710中。在一些實施方式中，阻尼材料718提供用于落位軸承的密封材料。
[0075]如圖6和圖7中看到的那樣，支撐銷696在上軸承承載件790與下軸承承載件694之間延伸。另外，上軸承承載件落位軸承716、支撐銷696、移動懸架組件692、下電磁軸承定子614、下軸承承載件永磁體620和下軸承承載件落位軸承622中的每一個的以x_x軸線為中心，從而使得支撐銷上端728和下端628在移動板704朝向下軸承承載件沿793移動時分別與的上落位軸承716和下落位軸承622以及每個落位軸承的中心孔726、626接合。
[0076]圖8示出了機電飛輪800的另一實施方式。飛輪體831圍繞單極電動發(fā)電機轉子并且被聯(lián)接至單極電動發(fā)電機轉子，該單極電動發(fā)電機轉子包括金屬襯墊830。如示出的那樣，轉子包括轉子北磁極824、832。轉子南磁極未示出。參見圖5B的級A和級B可得到轉子南磁極處的相似的布置方式。
[0077]定子支撐件811被聯(lián)接至電動發(fā)電機定子828，并且勵磁繞組826和電樞繞組820中的每一者以類似于上述的方式與定子相互接合。
[0078]轂部846支撐轉子830和飛輪體831，轂部846又被支撐，所述支撐銷864接合在上下軸承承載件860、862之間或者位于上下軸承承載件860、862之間。參見圖6和圖7可得到類似的軸承承載件的詳細信息。第一電磁軸承866位于下軸承承載件中。第二電磁軸承870與第一軸承承載件和第二軸承承載件間隔開，并且包括軸承定子818、軸承轉子818和用于使定子磁化的定子線圈814。
[0079]機電飛輪殼體包括內部真空阻隔件812。在一些實施方式中，外部殼體807支撐真空阻隔件。適合的真空阻隔件材料包括不銹鋼和本領域技術人員已知的適于該目的的其它材料。
[0080]在多種實施方式中，定子支撐件811具有管狀結構并且其中設置有同軸管801。如示出的那樣，同軸管包圍進入定子支撐件的液體冷卻液流802，并且支撐結構內徑與同軸管外徑之間的環(huán)狀區(qū)域815提供了冷卻液離開定子支撐件的流動通路803。流動穿過環(huán)狀區(qū)域的冷卻液吸收來自定子828的熱量并且在一些實施方式中在其被泵回(未示出)到流動入口 802之前就在冷卻機中被冷卻。
[0081]在一些實施方式中，導熱管808提供定子冷卻。如示出的那樣，多個導熱管中的每一個在緊鄰定子的區(qū)域(比如在所示的定子電樞繞組槽)中具有吸熱第一端872。導熱管的排熱端位于緊鄰真空阻隔件的區(qū)域，比如排熱端874(如圖所示)與真空阻隔件接觸或者在其它實施方式中被前述冷卻液流冷卻。
[0082]如從以上描述能夠看到，機電飛輪系統(tǒng)100以及結構(比如冷卻系統(tǒng)248和定子支撐件122)可以具有相互關聯(lián)的設計方案。
[0083]容置系統(tǒng)101提供相互關聯(lián)的設計方案的額外示例。在容置系統(tǒng)的多種實施方式中，多個相互關聯(lián)的結構提供結構支撐、真空阻隔、拋射防護、流體冷卻劑流通和熱傳遞通路之中的一個或多個。
[0084]圖9A示出了多用途容置系統(tǒng)的分解剖視圖900A。多用途容置系統(tǒng)包括用于提供真空阻隔的內封閉部906、用于提供拋射防護的中間封閉部904和用于提供流體冷卻劑通路的外封閉部902。下面更為詳細地描述所述多個封閉部的這些特征及其它特征。
[0085]內封閉部906包括內筒狀壁部936。內蓋916通過筒凸緣946可操作地封閉筒狀部的一端，內底部926閉合筒狀部的另一端。如本實施方式所示,定子支撐件987從內蓋的中部部分懸掛而下。內封閉部由比如金屬(例如鋁和/或不銹鋼)的適合的真空密封材料制成。鋁和不銹鋼因其抗氧化且防止污染顆粒的形成而有助于形成干凈的排空環(huán)境。在多種實施方式中，干凈的排空環(huán)境有助于包括牽引泵在內的真空泵的運行并且有助于保持適合的真空壓力。
[0086]中間封閉部904包圍內封閉部906。中間封閉部包括內筒狀壁部934。中間蓋914可操作地封閉筒狀部的一端，使得內封閉部的蓋916被密封在中間筒狀部的端面944與中間蓋之間。中間底部924封閉筒狀部的另一端。中間封閉部由比如金屬(例如鋼和/或鋼合金)的適合的拋射防護材料制成。對適合的材料厚度的選擇需要考慮所使用的材料及在所選擇的設計方案失效的情境期間必須吸收的能量。
[0087]盡管在內封閉部906與中間封閉部904之間示出有間隙(為了清楚起見)，但實施方式中，內封閉部906與中間封閉部904之間為過盈配合和/或具有熱傳遞復合物，以便使熱量能夠從一個壁部傳遞至另一壁部。例如，從定子(例如見圖8，828)處輻射的熱量在沒有間隙的情況下通過傳導至中間封閉部的壁部934而被傳遞到內封閉部的壁部936。
[0088]外封閉部902包圍中間封閉部904。外封閉部包括外部筒狀壁部932。外蓋912通過筒凸緣942可操作地封閉筒狀部的一端，外底部922閉合另一端。外封閉部由比如金屬(例如鋼和/或鋼合金)的適合的冷卻劑通路材料制成。
[0089]分流件圍罩908包括用于將中間壁部934與外壁部932之間的環(huán)狀部分成內環(huán)951和外環(huán)953的筒狀罩壁938。筒狀罩壁的端部包括向內定向的密封環(huán)948，密封環(huán)948用于在筒狀罩壁與相鄰結構之間進行密封，所述相鄰結構比如為中間筒狀壁部934、內蓋916和/或中間蓋914。一個或多個(示出的為兩個)冷卻流體排出管道958穿過密封環(huán)且提供用于與內環(huán)空間951進行流體交換的裝置。圍罩由適合的冷卻劑通路材料制成，所述材料比如為金屬和塑料。在一種實施方式中，圍罩由塑料制成，比如高密度的聚乙烯塑料或聚氯乙烯塑料。[0090]圖9B示出了圖9A的容置系統(tǒng)的簡化剖視圖900B。如所見，內壁部936被中間壁部934環(huán)繞，中間壁部被外壁部932環(huán)繞。外壁環(huán)繞罩壁938并且所述罩壁環(huán)繞中間壁部934，從而使得中間壁部與外壁部之間的環(huán)狀部被分成內環(huán)951和外環(huán)953。
[0091]圖9C示出了圖9A的容置系統(tǒng)在其裝配后的視圖900C。為了清楚起見，并未示出包括定子120、轉子114和飛輪體的飛輪內部構件。參見圖8可獲得示例性的飛輪內部構件。
[0092]在飛輪運行期間，熱量被釋放于內封閉飛輪空間981之內。在多種實施方式中，該熱量被傳遞至流體冷卻劑(用流動箭頭表示)中的一個或多個并且被傳遞至周圍環(huán)境983中。當流體冷卻劑流動穿過流動通路并且在冷卻系統(tǒng)中流動時，熱量被流體冷卻劑交替地吸收和排出。
[0093]冷卻劑流體通過冷卻劑進入管道988進入容置系統(tǒng)960，所述冷卻劑進入管道988設置在定子支撐件中部空腔991中，所述支撐件中部空腔991限定定子支撐件環(huán)形流動空間992。來自進入管道的流體962排至環(huán)形流動空間，流體964在該環(huán)形流動空間處吸收傳遞至定子支撐件壁部993的熱量。來自定子支撐件環(huán)形空間的流體966被輸送至外蓋912與中間蓋914之間的流體室968。離開流體室的流體970被輸送至外環(huán)953。在多種實施方式中，冷卻劑通過穿過外封閉部壁932的熱量傳遞將熱量排至周圍環(huán)境983。來自外環(huán)953的流體972被輸送至內環(huán)974。在多種實施方式中，冷卻劑通過穿過中間封閉部壁934和內封閉部壁936的熱量傳遞來吸收熱量。來自內環(huán)951的流體976被輸送至流體冷卻劑排出管道978。
[0094]在運行時，機電飛輪的飛輪體在飛輪充電期間由電動發(fā)電機加速。在充電期間，能量被傳輸至電動發(fā)電機。在放電期間，電動發(fā)電機隨著飛輪體的減速將飛輪的動能轉換成電能。電力電子部分用于轉換電力網(wǎng)絡以便驅動電動發(fā)電機以及與其機械聯(lián)接的飛輪體。電力電子部分還用于將電動發(fā)電機產(chǎn)生的電力轉換成適于傳輸電力至的電網(wǎng)使用的波形。
[0095]在運行時，容置系統(tǒng)提供拋射防護。例如，如圖9C所示，容置系統(tǒng)900C在失效(比如飛輪失效)發(fā)生的情況下提供拋射防護906。在多種實施方式中，真空阻隔件由使飛輪空間981中能夠保持真空的內封閉部902提供，冷卻劑流動空間由外封閉部902提供，并且冷卻劑流動空間被分流件圍罩908分成內部環(huán)形流動通路951和外部環(huán)形流動通路953。通過穿過外封閉部壁932至環(huán)境983的熱量傳遞和/或通過利用例如散熱片風扇冷卻器(未示出)將熱從流體傳遞到容置系統(tǒng)的外部，使得在定子支撐件987中流動的冷卻劑所吸收的熱量和在內部環(huán)形流動通路中流動的冷卻劑所吸收的熱量被排出。
[0096]盡管上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施方式，但應當理解的是，這些實施方式僅是通過示例來描述且為非限制性的。對于本領域技術人員來說明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下能夠在形式和細節(jié)上進行改變。這樣，本發(fā)明的寬度和范圍不應當被上述示例性實施方式限制，而是僅應當根據(jù)下述權利要求及其等同物的限定。
【權利要求】
1.一種機電飛輪容置系統(tǒng),包括: 內封閉部和外封閉部，所述內封閉部和所述外封閉部分別限定內壁和外壁； 拋射防護件，所述拋射防護件位于所述內封閉部和所述外封閉部的壁部之間； 能量交換塊，所述能量交換塊包括:芯部組件，所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子和定子支撐件；以及旋轉組件，所述旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子、飛輪體和轂部；所述電動發(fā)電機轉子圍繞所述電動發(fā)電機定子；所述內封閉部包圍所述能量交換塊；所述外封閉部包圍所述內封閉部； 第一環(huán)形流動通路，所述第一環(huán)形流動通路用于輸送流體冷卻劑，所述第一環(huán)形流動通路的外徑由所述外封閉部的壁部限定；并且， 其中，用于傳遞冷卻劑的容置系統(tǒng)流體回路包括所述第一環(huán)形流動通路和定子支撐件流動通路。
2.根據(jù)權利要求1所述的機電飛輪容置系統(tǒng)，還包括: 所述內封閉部和外封閉部的內壁和外壁同心地布置； 所述拋射防護件環(huán)繞所述內壁； 圍罩環(huán)繞所述拋射防護件；所述圍罩被所述外封閉部的外壁環(huán)繞；所述第一環(huán)形流動通路的內徑由所述圍 罩限定； 所述圍罩和所述拋射防護件限定第二環(huán)形流動通路；并且， 其中，用于傳遞冷卻劑的所述容置系統(tǒng)流體回路包括所述第二環(huán)形流動通路。
3.—種機電飛輪容置系統(tǒng),包括: 內封閉部和外封閉部，所述內封閉部和所述外封閉部分別限定內壁和外壁； 拋射防護件，所述拋射防護件位于所述內壁與所述外壁之間； 環(huán)形流動通路，所述環(huán)形流動通路用于輸送流體冷卻劑； 所述環(huán)形流動通路的內徑由所述拋射防護件限定； 電動發(fā)電機定子，所述電動發(fā)電機定子懸掛在所述內封閉部上； 旋轉組件，所述旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子，所述旋轉組件限定一旋轉軸線，并且所述旋轉組件環(huán)繞電動發(fā)電機定子且限定一旋轉軸線； 飛輪體，所述飛輪體圍繞并聯(lián)接至所述轉子；并且， 其中，所述定子的勵磁繞組環(huán)繞所述旋轉軸線，而所述定子的電樞繞組不環(huán)繞所述旋轉軸線。
4.一種機電飛輪容置系統(tǒng),包括: 內封閉部和外封閉部，所述內封閉部和所述外封閉部分別限定內壁和外壁； 所述內封閉部可操作地提供真空阻隔件； 拋射防護件，所述拋射防護件位于所述內封閉部和所述外封閉部的壁部之間； 能量交換塊，所述能量交換塊包括:芯部組件，所述芯部組件包括電動發(fā)電機定子和定子支撐件；以及旋轉組件，所述旋轉組件包括電動發(fā)電機轉子、飛輪體和轂部；所述電動發(fā)電機轉子圍繞所述電動發(fā)電機定子；所述內封閉部包圍所述能量交換塊；所述外封閉部包圍所述內封閉部； 第一環(huán)形流動通路，所述第一環(huán)形流動通路用于輸送流體冷卻劑，所述第一環(huán)形流動通路的外徑由所述外封閉部的壁部限定；并且，其中，用于輸送冷卻劑的容置系統(tǒng)流體回路包括所述第一環(huán)形流動通路和定子支撐件流動通路 。
【文檔編號】F16F15/18GK104011428SQ201280064785
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權日:2011年12月31日
【發(fā)明者】克勞德·邁克爾·卡利夫 申請人:羅特能源控股公司