一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承的制作方法
【專利摘要】一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承，由永磁磁懸浮軸承（1）和無源動壓液浮阻尼軸承（3）構(gòu)成；所述的永磁磁懸浮軸承（1）的功能是對飛輪重量載荷卸載；所述的無源動壓液浮阻尼軸承（3）的功能是穩(wěn)定永磁磁懸浮軸承；所述的永磁磁懸浮軸承（1）由分別安裝在飛輪主軸（2）的上端和固定機(jī)架（5）上面的兩個永磁軸承組件構(gòu)成；所述的無源動壓液浮阻尼軸承（3）為液膜懸浮狀態(tài)的懸浮軸承，安裝于飛輪主軸（2）的最下端。本實(shí)用新型組合軸承應(yīng)用于飛輪儲能裝置中。
【專利說明】一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種飛輪電池永磁磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的軸承。
【背景技術(shù)】
[0002]研究利用飛輪動能進(jìn)行存儲電能的出發(fā)點(diǎn)是解決目前各種化學(xué)儲電電池帶來的諸如效率低、不穩(wěn)定以及污染環(huán)境等問題。飛輪儲能裝置是一種利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪的加速和減速進(jìn)行電能量存儲和釋放的物理電池。它不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠避免化學(xué)電池所產(chǎn)生的廢氣廢物。特別是目前風(fēng)電和太陽能發(fā)電，由于其發(fā)電的不均勻性、間歇性和電力質(zhì)量問題，不僅需要有強(qiáng)大的電能緩沖存儲設(shè)備，而且需要將所發(fā)電力進(jìn)行質(zhì)量的調(diào)整，使之符合電網(wǎng)運(yùn)行的要求。飛輪儲能裝置可以實(shí)現(xiàn)模塊化工作，根據(jù)不同的需求集成不同的系統(tǒng)適應(yīng)存儲電力和調(diào)整電力質(zhì)量的要求。飛輪儲能裝置還可應(yīng)用于城市地鐵等交通工具的能量回收工作和軍事領(lǐng)域的集中大能量釋放的使用方面。
[0003]飛輪儲能技術(shù)已發(fā)展多年，多種飛輪技術(shù)已見于諸多專利之中。高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承可以實(shí)現(xiàn)無接觸穩(wěn)定的全懸浮狀態(tài)，但該飛輪儲能裝置的懸浮軸承必須保持在液氮的環(huán)境中，運(yùn)行和維護(hù)成本大大增加；而只用永磁體制成的磁懸浮軸承實(shí)現(xiàn)全懸浮是不穩(wěn)定的，一般永磁磁懸浮軸承主要是對飛輪重量起卸載作用的，需調(diào)節(jié)或支承。在永磁磁懸浮軸承的技術(shù)中利用磁場相斥的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，利用永磁磁體相吸的結(jié)構(gòu)雖然穩(wěn)定性好于相斥的結(jié)構(gòu)，但由于磁體的不均勻性會在相對高速運(yùn)行時產(chǎn)生巨大的渦流，使之發(fā)熱從而降低系統(tǒng)的效率。
[0004]就飛輪電池永磁磁懸浮和無源動壓液浮阻尼軸承而言，CN 102082482A的發(fā)明專利提出一種永磁體磁場為軸向的無接觸軸承，其缺點(diǎn)是受力部件是永磁體，而用粉末冶金工藝制成的磁性材料的機(jī)械力學(xué)性能不夠好，易碎裂。用隔板固定會增大間隙減小磁場，且該結(jié)構(gòu)的磁場強(qiáng)度有限，單位體積的卸載能力較小。
[0005]CN 102437675 A發(fā)明專利提出一種錐形磁場為軸向的無接觸軸承，它的穩(wěn)定運(yùn)行是靠電磁場調(diào)節(jié)的，能量損耗較大且利用電子調(diào)節(jié)存在風(fēng)險可靠性欠佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有永磁磁懸浮軸承存在磁場不均勻、易產(chǎn)生渦流、卸載小能量損耗大以及不穩(wěn)定和易發(fā)生共振的缺點(diǎn)，提出一種新的飛輪電池永磁磁懸浮軸承和無源動壓液浮阻尼軸承的組合軸承。
[0007]本實(shí)用新型包括兩部分:一是永磁磁懸浮軸承，其主要作用是對于飛輪重量載荷的卸載；二是無源動壓液浮阻尼軸承。由于任何全無源的永磁磁懸浮都是不穩(wěn)定的，所以本實(shí)用新型在飛輪主軸的最下端設(shè)置了無源動壓液浮阻尼軸承，起到了穩(wěn)定永磁磁懸浮軸承的作用，且其具有阻尼特性，防止飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生共振。
[0008]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0009]所述的永磁磁懸浮軸承由分別安裝在飛輪主軸上端和固定機(jī)架上面的兩個永磁軸承組件構(gòu)成，安裝在飛輪主軸上端的是旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件，安裝在固定機(jī)架上面的是固定的永磁軸承組件，旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件和固定的永磁軸承組件部分同軸布置在飛輪主軸的軸線上，上下對應(yīng)且相互吸引。每個永磁軸承組件均由多個軟磁金屬環(huán)形體和多個永磁環(huán)形體構(gòu)成，多個軟磁金屬環(huán)形體和多個永磁環(huán)形體的直徑尺寸不同，兩者的高度相等，厚度可以相等或不等。所述的高度是指軟磁金屬環(huán)形體和永磁環(huán)形體在軸線方向上的尺寸，厚度是指軟磁金屬環(huán)形體和多個永磁環(huán)形體外徑和內(nèi)徑之差。多個軟磁金屬環(huán)形體組成上、下兩個永磁軸承組件磁路的磁極部分，每個軟磁金屬環(huán)形體都固定在一個直徑大于最大軟磁金屬環(huán)形體外徑的圓盤上；多個永磁環(huán)形體為直徑尺寸不等、等高等厚的徑向輻射環(huán)，或?yàn)橹睆讲坏?、等高不等厚的徑向輻射環(huán)，或用瓦形體拼成徑向輻射環(huán)。多個永磁環(huán)形體鑲嵌在所述的軟磁金屬環(huán)形體和圓盤之間形成的環(huán)狀空間內(nèi)。永磁環(huán)形體的磁場方向是徑向的，即對于同一個軟磁金屬環(huán)形體而言，兩側(cè)的永磁體磁場方向是相同的；這樣在永磁軸承中的軟磁環(huán)形體的環(huán)形面上形成一環(huán)”N”一環(huán)“S”的磁極結(jié)構(gòu)。對于某一個軟磁環(huán)形體的磁極來說，是將永磁體的磁力線從兩邊“擠壓”到軟磁金屬環(huán)形體的磁極上，使軟磁金屬環(huán)形體的磁極在整個圓周上形成軸向磁場。飛輪的重量載荷由裝在固定機(jī)架上面的固定的永磁軸承組件和裝在上飛輪主軸上端的旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件的兩個相互吸引的軟磁金屬環(huán)形體卸載。受力部件是強(qiáng)度較好的軟磁金屬環(huán)形體而不是永磁環(huán)形體。
[0010]同時本實(shí)用新型永磁軸承減輕了飛輪對動壓油膜軸承的壓力。利用軟磁金屬環(huán)形體作為磁極的結(jié)構(gòu)可以使不均勻的永磁環(huán)形體產(chǎn)生的不均勻磁場通過軟磁磁極均勻化，減少飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時可能產(chǎn)生的渦流損耗及發(fā)熱，也保護(hù)了粉末冶金方法生產(chǎn)的稀土永磁體永磁體在高速旋轉(zhuǎn)時被損壞。采用軟磁材料作為磁極，易于高精度加工，使永磁準(zhǔn)磁懸浮軸承在圓周運(yùn)動上同心度更好。
[0011]盡管本實(shí)用新型采用的永磁軸承是相吸方式，比采用相斥方式要穩(wěn)定得多，但仍需要在軸向上有一個與卸載力重力相平衡且能起穩(wěn)定作用的力。所以本實(shí)用新型在飛輪主軸最下端加裝了一個無源動壓液浮阻尼軸承。所述的阻尼軸承是一種液膜懸浮狀態(tài)的懸浮軸承，安裝在飛輪主軸的最下端。所述的阻尼軸承包括一個由高硬度耐磨材料制成的小圓球。所述的阻尼軸承還包括半球形凹形體，所述的半球形凹形體安裝在固定機(jī)架下部飛輪主軸對應(yīng)的下方，由高硬度耐磨材料制成。所述的半球形凹體的直徑大于所述的小圓球的直徑。所述的小圓球嵌入所述的半球形凹形體內(nèi)，半球形凹體內(nèi)有油脂，在小圓球和半球形凹體之間形成油膜。油膜具有在一定的粘滯性，具有防止產(chǎn)生共振的作用。所述的阻尼軸承將飛輪主軸托起，形成高速旋轉(zhuǎn)的液浮軸承。由于所述的小球直徑較小，即使在高速旋轉(zhuǎn)時線速度小阻力極小損耗亦小。
[0012]本實(shí)用新型的永磁磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承應(yīng)用于飛輪儲能裝置中。飛輪主軸垂直于地面旋轉(zhuǎn)，屬立式結(jié)構(gòu)。其中安裝在飛輪主軸上端的旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件和安裝在固定機(jī)架上面固定的永磁軸承組件之間留有一定的間隙。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2本實(shí)用新型實(shí)施例永磁磁懸浮軸承組件結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0015]圖3無源動壓液浮阻尼軸承結(jié)構(gòu)示意圖；[0016]圖中:1永磁磁懸浮軸承，2飛輪主軸，3無源動壓液浮阻尼軸承，4殼體，5固定機(jī)架，6電動/發(fā)電機(jī)，7飛輪，101圓盤，102永磁環(huán)形體，103軟磁金屬環(huán)形體，201小圓球，202半球形凹形體。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本實(shí)用新型是一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承，它包括兩部分:永磁磁懸浮軸承I和無源動壓液浮阻尼軸承3。
[0018]所述的永磁磁懸浮軸承I由分別安裝在飛輪主軸2的上端和固定機(jī)架5上面的兩個永磁軸承組件構(gòu)成。所述的無源動壓液浮阻尼軸承3安裝于飛輪主軸最下端。
[0019]安裝在飛輪主軸2上端的是旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件的部分，安裝在固定機(jī)架5上面的是固定的永磁軸承組件，旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件和固定的永磁軸承組件在飛輪主軸的軸線上上下對應(yīng)且相互吸引。每個永磁軸承組件均由多個軟磁金屬環(huán)形體103和永磁環(huán)形體102構(gòu)成，多個軟磁金屬環(huán)形體和永磁環(huán)形體的直徑尺寸不同，高度相等，厚度可以相等或不等。多個軟磁金屬環(huán)形體103組成上下兩個永磁軸承組件磁路的磁極部分，多個軟磁環(huán)形體的上、下端固定在一個直徑大于最大軟磁金屬環(huán)形體外徑的圓盤101內(nèi)；多個永磁環(huán)形體為直徑尺寸不同，等高的徑向輻射環(huán)，徑向輻射環(huán)的厚度的可以相等或不等，多個永磁環(huán)形體或?yàn)橛猛咝误w拼成徑向輻射環(huán)；多個軟磁環(huán)形體103之間留有間隙；永磁環(huán)形體102嵌入多個軟磁環(huán)形體103之間的間隙中，位于所述的軟磁環(huán)形體103和圓盤101之間形成的環(huán)狀空間內(nèi)；軟磁金屬環(huán)形體103和永磁環(huán)形體102間隔排列安裝在圓盤101內(nèi)部。
[0020]永磁環(huán)形體的磁場方向是徑向的，即對于同一個軟磁環(huán)形體而言，兩側(cè)的永磁體磁場方向是相同的；這樣在永磁軸承中的軟磁環(huán)形體的環(huán)形面上形成一環(huán)”N” 一環(huán)“S”的磁極結(jié)構(gòu)。對于某一個軟磁環(huán)形體的磁極來說，是將永磁體的磁力線從兩邊“擠壓”到軟磁金屬環(huán)形體的磁極上，使軟磁金屬環(huán)形體的磁極在整個圓周上形成軸向磁場。飛輪的重量載荷由裝在固定機(jī)架5上面的固定的永磁軸承組件和裝在上飛輪主軸2上端的旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件的兩個相互吸引的軟磁金屬環(huán)形體卸載。受力部件是強(qiáng)度較好的軟磁金屬環(huán)形體103而不是永磁環(huán)形體102。
[0021]圖2所示為本實(shí)用新型的一個實(shí)施例。如圖2所示，一個永磁磁懸浮軸承組件使用了四個軟磁金屬環(huán)形體103，軟磁金屬環(huán)形體103由軟磁材料電工純鐵制成，為直徑不等的壁厚為5mm的同心圓環(huán)。四個軟磁金屬環(huán)形體103的上下兩端固定在圓盤101上；在四個軟磁金屬環(huán)形體103之間有一定間隔，形成三個環(huán)形空間，同心的永磁環(huán)形體102安裝在所述的三個環(huán)形空間中，即軟磁金屬環(huán)形體103和永磁環(huán)形體102間隔排列安裝在圓盤101內(nèi)部。永磁環(huán)形體102用永磁材料NdFeB制成的瓦形磁體拼接而成，永磁環(huán)形體102的磁場方向?yàn)閺较?。本?shí)用新型利用在徑向方向上N-N、S-S相對的方法，在軟磁金屬環(huán)形體上形成軸向磁場，均勻地分布在軟磁金屬環(huán)形體上。兩個結(jié)構(gòu)相同的永磁磁懸浮軸承組件分別安裝在固定支架5和飛輪主軸2這兩個永磁磁懸浮軸承組件之間留有間隙，處于非接觸的磁懸浮狀態(tài)。
[0022]本實(shí)用新型中的永磁磁懸浮軸承主要是對飛輪重量起卸載作用。為增強(qiáng)磁懸浮軸承全懸浮的穩(wěn)定性，使飛輪的穩(wěn)定運(yùn)行，本實(shí)用新型在飛輪主軸的最下端安裝了一個采用動壓液膜懸浮技術(shù)制成的懸浮軸承。此懸浮軸承由一個小圓球201和一個半球形凹形體202組成。小圓球201由高硬度耐磨的陶瓷制成,安裝在飛輪主軸2的最下端。在固定機(jī)架5下部與飛輪主軸2相對應(yīng)的下方安裝一個由高硬度耐磨合金制成的半球形凹形體202，半球形凹形體202的直徑大于小圓球201的直徑。在半球形凹形體202內(nèi)充入液態(tài)油脂。飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時即在小圓球201和半球形凹形體202之間形成液膜，將飛輪主軸及飛輪懸浮起來。又由于設(shè)在飛輪主軸2下端的小圓球直徑較小，即使在高速旋轉(zhuǎn)時線速度小阻力極小損耗亦小。
[0023]高速旋轉(zhuǎn)的飛輪及飛輪主軸2的上端處于永磁磁懸浮軸承的非接觸懸浮狀態(tài)中；而飛輪主軸2的下端懸浮在液體膜上面。調(diào)節(jié)永磁磁懸浮軸承的兩個組件之間的間隙，使得飛輪的重量主要由永磁磁懸浮軸承卸載，加在動壓液膜懸浮軸承上很小一部分力以保持飛輪的穩(wěn)定運(yùn)行。飛輪上方的永磁磁懸浮軸承和飛輪主軸下面的不需要電源的動壓液浮軸承，共同構(gòu)成一個穩(wěn)定的高效的一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼組合軸承。
【權(quán)利要求】
1.一種飛輪電池磁懸浮和無源動壓液浮阻尼的組合軸承，其特征在于，所述的組合軸承由永磁磁懸浮軸承(I)和無源動壓液浮阻尼軸承(3 )構(gòu)成；所述的永磁磁懸浮軸承(I)對飛輪重量載荷卸載；所述的無源動壓液浮阻尼軸承(3)穩(wěn)定永磁磁懸浮軸承；所述的永磁磁懸浮軸承(I)由分別安裝在飛輪主軸(2)的上端和固定機(jī)架(5)上面的兩個永磁軸承組件構(gòu)成；所述的無源動壓液浮阻尼軸承(3)為液膜懸浮狀態(tài)的懸浮軸承，安裝于飛輪主軸(2)的最下端。
2.按照權(quán)利要求1所述的組合軸承，其特征在于，安裝在所述的飛輪主軸(2)上端的是旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件，安裝在固定機(jī)架(5)上面的是固定的永磁軸承組件；旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件和固定的永磁軸承組件同軸布置在飛輪主軸的軸線上，上下對應(yīng)且相互吸引；所述的旋轉(zhuǎn)的永磁軸承組件和所述的固定的永磁軸承組件之間留有一定的間隙。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的組合軸承，其特征在于，所述的永磁軸承組件均由多個軟磁金屬環(huán)形體(103)和永磁環(huán)形體(102)構(gòu)成；多個軟磁金屬環(huán)形體(103)組成上下兩個永磁軸承組件磁路的磁極部分；多個軟磁環(huán)形體(103)的上下端固定在一個直徑大于最大軟磁金屬環(huán)形體外徑的圓盤(101)內(nèi)，多個軟磁環(huán)形體(103)之間留有間隙；永磁環(huán)形體(102)嵌入多個軟磁環(huán)形體(103)之間的間隙中，軟磁金屬環(huán)形體(103)和永磁環(huán)形體(102)間隔排列安裝在圓盤101內(nèi)部； 所述的多個軟磁金屬環(huán)形體和多個永磁環(huán)形體的直徑尺寸不同，高度相等；所述的多個永磁環(huán)形體為直徑尺寸不同，高度相等的徑向輻射環(huán)，或用瓦形體拼成徑向輻射環(huán)，永磁環(huán)形體的磁場方向?yàn)閺较颉?br> 4.按照權(quán)利要求1所述的組合軸承，其特征在于，所述的無源動壓液浮阻尼軸承(3)由一個小圓球(201)和一個半球形凹形體(202 )組成；小圓球(201)安裝在飛輪主軸(2 )的最下端；在固定機(jī)架(5)下部與飛輪主軸(2)相對應(yīng)的下方安裝一個半球形凹形體(202)，所述的半球形凹形體(202)的直徑大于小圓球(201)的直徑；在半球形凹形體(202)內(nèi)充入液態(tài)油脂；飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時在小圓球(201)和半球形凹形體(202)之間形成液膜，將飛輪主軸(2)及飛輪懸浮起來。
5.按照權(quán)利要求4所述的組合軸承，其特征在于，所述的小圓球(201)由陶瓷制成；所述的半球形凹形體(202)由合金制成。
【文檔編號】F16C32/06GK203532525SQ201320404078
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】曾憲林, 董德有, 王利生 申請人:北京飛輪儲能柔性研究所