飞轮系统和飞轮轴承模块技术方案

一种飞轮系统包括转子，所述转子被构造成围绕旋转轴旋转。所述飞轮系统还包括固定装置以及有源磁轴承模块，所述有源磁轴承模块用于相对于所述固定装置有源地稳定所述转子。所述有源磁轴承模块包括多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中；以及多个电磁体，所述多个电磁体机械地耦合至所述固定装置并被构造成与所述多个第一可磁化元件磁耦合以相对于所述固定装置有源地稳定所述转子。所述第一可磁化元件中的每一个比所述电磁体中的每一个离所述旋转轴更远。

Flywheel system and flywheel bearing module

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】飞轮系统和飞轮轴承模块相关申请的交叉引用本申请要求于2017年10月22日提交的第62/575,489号美国临时专利申请的优先权的权益，所述美国临时专利申请以引用的方式全文并入本文。
技术介绍
飞轮系统是大量储存旋转能的机械装置。转子中储存的能量与转子转速的平方成正比。转子可与电磁发电机定子磁耦合，以允许飞轮系统在转子的旋转能与电能之间进行转换。发电机定子可使转子减速以从自转子提取的旋转能中产生电能，并且发电机定子可接收电能并将此电能转换为转子的旋转能，从而引起转子加速。飞轮系统可被设计为具有大的能量储存能力，并且还能够快速传递和吸收能量。飞轮系统的常见用途包括：(a)例如燃烧发电机定子的另一能量源的功率输出的调峰；(b)能量储存；(c)备用电源；以及(d)快速能量传递。飞轮系统中的低损耗能量储存要求转子旋转时具有很小摩擦。因此，高性能飞轮系统的转子通常是磁悬浮的。
技术实现思路
在实施方案中，一种飞轮系统包括转子，所述转子被构造成围绕旋转轴旋转。所述飞轮系统还包括固定装置以及用于相对于所述固定装置有源地稳定所述转子的有源磁轴承模块。所述有源磁轴承模块包括：多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中；以及多个电磁体，所述多个电磁体机械地耦合至所述固定装置并被构造成与所述多个第一可磁化元件磁耦合以相对于所述固定装置有源地稳定所述转子。所述第一可磁化元件中的每一个比所述电磁体中的每一个离所述旋转轴更远。在实施方案中，一种用于飞轮系统的轴承模块包括：多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件沿着第一直径布置并被构造成机械地耦合至所述飞轮系统的转子；以及多个电磁体，所述多个电磁体被构造成机械地耦合至固定装置并与所述第一可磁化元件磁耦合以相对于所述固定装置稳定所述转子。所述电磁体由小于所述第一直径的第二直径限制，以使得能够将所述电磁体定位在所述第一直径内。在实施方案中，一种轴承模块与发电机集成。所述集成轴承模块和发电机被构造成用于飞轮系统，并且包括多个永磁体、发电机定子和有源磁轴承。所述多个永磁体沿着第一直径布置并被构造成机械地耦合至所述飞轮系统的转子。所述发电机定子被构造成机械地耦合至固定装置。所述发电机定子由小于所述第一直径的第二直径限制，以使得能够将所述发电机定子定位在所述第一直径内以与所述永磁体磁耦合，从而在所述转子的旋转能与所述发电机定子的绕组中的电流之间进行转换。所述有源磁轴承包括(a)多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件沿着第三直径布置并被构造成机械地耦合至所述转子；以及(b)多个电磁体，所述多个电磁体沿着第四直径布置并被构造成机械地耦合至所述固定装置且与所述第一可磁化元件磁耦合。所述第三直径大于所述第一直径，以使得能够将所述第一可磁化元件定位在比所述永磁体距所述转子的旋转轴更远距离处。所述第四直径大于所述第一直径，以使得能够将所述有源磁轴承定位在比所述永磁体距所述旋转轴更远距离处。附图说明图1示出根据实施方案的在示例性使用场景中的飞轮系统。图2示出根据实施方案的飞轮系统，所述飞轮系统包括有源磁轴承以相对于飞轮系统的基座有源地稳定飞轮系统的转子。图3示意性地示出根据实施方案的用于飞轮系统的有源磁轴承模块。图4示出根据实施方案的用于飞轮系统的有源磁轴承。图5示出根据实施方案的具有定位在转子的空隙中的有源磁轴承的飞轮系统。图6示出替代飞轮系统，所述替代飞轮系统在飞轮系统的轴杆上实施有源磁轴承。图7示出根据实施方案的飞轮系统，所述飞轮系统具有与飞轮系统的发电机集成的有源磁轴承。图8示出根据实施方案的具有有源磁轴承和无源磁备用轴承两者的轴承模块。图9示出根据实施方案的飞轮系统，所述飞轮系统具有与飞轮系统的发电机集成的有源磁轴承，并且还包括一个或多个无源磁备用轴承。图10示出根据实施方案的另一飞轮系统，所述另一飞轮系统具有与飞轮系统的发电机集成的有源磁轴承。图11示出根据实施方案的飞轮系统，所述飞轮系统具有与飞轮系统的发电机集成的有源磁轴承，其中有源磁轴承和发电机均安装在飞轮系统的转子的顶端上方。图12示出根据实施方案的飞轮系统，所述飞轮系统包括发电机和以比发电机更大的半径定位的有源磁轴承。图13示出根据实施方案的另一飞轮系统，所述另一飞轮系统包括发电机和以比发电机更大的半径定位的有源磁轴承。具体实施方式正考虑将飞轮系统用于海上或陆上环境，这些环境不连接至常规电网，而是依靠所谓的微电网。在这些环境中，飞轮系统可用作能量源，并且例如提供例如调峰或频率控制的功率功能。另外，飞轮系统可用于快速满足短期高功率需求。当在可能不稳定的环境中实施时，例如在钻探船、半潜式钻井平台或另一船舶上实施时，飞轮系统会承受很大的力，这会影响飞轮系统的性能和使用寿命。本文公开了有源磁轴承，所述有源磁轴承被构造成相对于飞轮系统的基座有源地稳定飞轮系统的转子。这些有源磁轴承使得能够在海上环境和不稳定的陆上环境，例如遭受地震的地点中实施飞轮系统。本文中的“有源磁轴承”是指可基于输入信号进行调节的轴承。有源磁轴承可在反馈回路中与一个或多个传感器耦合。图1示出在示例性使用场景中的一个飞轮系统100，所述飞轮系统100包括转子110和支撑转子110的固定装置120。转子110被构造成如箭头192所示或在与箭头192相反的方向上围绕旋转轴190旋转。固定装置120将转子110耦合至基座180，例如，建筑物的地板或船舶上的甲板。固定装置120基本上刚性地耦合至基座180，并因此在基座180移动时与基座180一起移动。基座180可在各种方向上进行移动，例如，如箭头152所示的水平平移、如箭头154所示的竖直平移以及如150所示的旋转，或其组合。固定装置120可形成围绕转子110的壳体的一部分，例如真空外壳。在一个实例中，转子110的重量在10千克至10,000千克之间。图2示出一个飞轮系统200，所述飞轮系统200包括有源磁轴承以相对于飞轮系统的基座有源地稳定飞轮系统的转子。飞轮系统200是飞轮系统100的实施方案，飞轮系统100还包括有源磁轴承210，所述有源磁轴承210利用转子110与固定装置120之间的磁耦合来相对于固定装置120稳定转子110。有源磁轴承210包括电磁体，以相对于固定装置120有源地调节转子110的位置。有源磁轴承210可用于在转子110围绕旋转轴190旋转的过程中保持最小摩擦或无摩擦，和/或防止转子110与固定装置120之间的过度物理接触引起的对飞轮系统200的损坏。在一个实例中，有源磁轴承210确保旋转轴190的方向相对于固定装置120保持足够恒定，以确保飞轮系统200的性能令人满意并防止损坏飞轮系统200。图3是示意性地示出用于例如飞轮系统200的飞轮系统的一个有源磁轴承模块300的框图。有源磁轴承模块300是有源磁轴承210的实施方案。有源磁轴承模块300包括多个可磁化元件310，以及多个电磁体320，所述多个电磁体320本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞轮系统，包括：/n转子，所述转子被构造成围绕旋转轴旋转；/n固定装置；以及/n有源磁轴承模块，所述有源磁轴承模块用于相对于所述固定装置有源地稳定所述转子，所述有源磁轴承模块包括：/n多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件与所述转子机械地耦合，以及/n多个电磁体，所述多个电磁体机械地耦合至所述固定装置并被构造成与所述多个第一可磁化元件磁耦合以相对于所述固定装置有源地稳定所述转子，所述第一可磁化元件中的每一个比所述电磁体中的每一个离所述旋转轴更远。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180926 DK PA201800643;20171022 US 62/575,4891.一种飞轮系统，包括：
转子，所述转子被构造成围绕旋转轴旋转；
固定装置；以及
有源磁轴承模块，所述有源磁轴承模块用于相对于所述固定装置有源地稳定所述转子，所述有源磁轴承模块包括：
多个第一可磁化元件，所述多个第一可磁化元件与所述转子机械地耦合，以及
多个电磁体，所述多个电磁体机械地耦合至所述固定装置并被构造成与所述多个第一可磁化元件磁耦合以相对于所述固定装置有源地稳定所述转子，所述第一可磁化元件中的每一个比所述电磁体中的每一个离所述旋转轴更远。


2.如权利要求1所述的飞轮系统，所述第一可磁化元件中的每一个是软磁复合材料。


3.如权利要求1或权利要求2所述的飞轮系统，所述第一可磁化元件沿着围绕所述旋转轴的第一直径布置，所述电磁体沿着围绕所述旋转轴的第二直径布置，所述第一直径大于所述第二直径。


4.如权利要求3所述的飞轮系统，在正交于所述旋转轴的维度上，所述电磁体和所述第一可磁化元件彼此间隔开第一径向间隙，所述第一径向间隙在2毫米至10毫米之间的范围内。


5.如权利要求1至5中任一项所述的飞轮系统，所述第一可磁化元件沿着所述旋转轴的延伸超过所述电磁体沿着所述旋转轴的延伸。


6.如权利要求1至5中任一项所述的飞轮系统，所述转子形成环绕所述旋转轴的第一空隙，所述多个第一可磁化元件位于环绕所述旋转轴且面对所述旋转轴的所述第一空隙的第一表面处，所述电磁体中的每一个位于所述第一空隙中，以跨越所述第一空隙的一部分与所述第一可磁化元件磁耦合。


7.如权利要求6所述的飞轮系统，还包括：
永磁体，所述永磁体机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中并位于环绕所述旋转轴的所述第一空隙的第二表面处；以及
发电机定子，所述发电机定子机械地耦合至所述固定装置并位于所述第一空隙中以与所述永磁体磁耦合，从而在所述转子的旋转能与所述发电机定子的绕组中的电流之间进行转换。


8.如权利要求7所述的飞轮系统，所述固定装置包括端板，所述端板位于所述转子的顶端或底端附近，所述电磁体和所述发电机定子附接至所述端板。


9.如权利要求8所述的飞轮系统，所述发电机定子在所述电磁体与所述端板之间，所述第二表面比所述第一表面更靠近所述端板。


10.如权利要求8所述的飞轮系统，所述电磁体在所述发电机定子与所述端板之间，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述端板。


11.如权利要求8至10中任一项所述的飞轮系统，所述端板形成所述底端附近的基底，所述飞轮系统还包括：
第一承载磁体，所述第一承载磁体在转子的底表面处机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中；
第二承载磁体，所述第二承载磁体机械地耦合至所述基底，用于与所述第一承载磁体磁耦合，以使所述转子磁悬浮在所述基底上方。


12.如权利要求8至11中任一项所述的飞轮系统，还包括：在所述第一空隙中的至少一个无源磁轴承，所述至少一个无源磁轴承用于在所述有源磁轴承失去动力的情况下相对于所述固定装置稳定所述转子，每个无源磁轴承包括：
第二永磁体，所述第二永磁体与所述转子机械地耦合；以及
第三永磁体，所述第三永磁体机械地耦合至所述固定装置并位于所述第一空隙中以与所述第二永磁体磁耦合，从而提供所述转子相对于所述固定装置的备用稳定性。


13.如权利要求12所述的飞轮系统，所述至少一个无源磁轴承包括位于不同的相应位置的多个无源磁轴承。


14.如权利要求7至13中任一项所述的飞轮系统，在正交于所述旋转轴的维度上，所述电磁体和所述第一可磁化元件彼此间隔开第一径向间隙，并且所述发电机定子和所述永磁体彼此间隔开超过所述第一径向间隙的第二径向间隙。


15.如权利要求7至14中任一项所述的飞轮系统，所述第一表面和所述第二表面中的每一个面对所述旋转轴，所述第一表面和所述第二表面是公共圆柱表面的相应部分。


16.如权利要求7至14中任一项所述的飞轮系统，所述第一表面和所述第二表面中的每一个面对所述旋转轴，所述第一表面的直径不同于所述第二表面的直径。


17.如权利要求7至16中任一项所述的飞轮系统，所述第一表面和所述第二表面中的每一个面对所述旋转轴，所述第一空隙跨越所述旋转轴。


18.如权利要求6所述的飞轮系统，所述第一空隙是环绕所述旋转轴但不与所述旋转轴重合的凹槽，所述转子还形成比所述凹槽更靠近所述旋转轴的中央空隙，所述飞轮系统还包括：
永磁体，所述永磁体机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中，并位于面对且环绕所述旋转轴的所述中央空隙的第二表面处；以及
发电机定子，所述发电机定子机械地耦合至所述固定装置并位于所述中央空隙中以与所述永磁体磁耦合，从而在所述转子的旋转能与所述发电机定子的绕组中的电流之间进行转换。


19.如权利要求18所述的飞轮系统，所述固定装置包括端板，所述端板位于所述转子的顶端或底端附近，所述电磁体和所述发电机定子附接至所述端板。


20.如权利要求19所述的飞轮系统，所述端板形成位于所述转子的所述底端附近的基底，所述飞轮系统还包括：
第一承载磁体，所述第一承载磁体在转子的底表面处机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中；以及
第二承载磁体，所述第二承载磁体机械地耦合至所述基座，用于与所述第一承载磁体磁耦合，以使所述转子磁悬浮在所述基座上方。


21.如权利要求18所述的飞轮系统，还包括：在所述凹槽和所述中央空隙中的一者或两者中的至少一个无源磁轴承，所述至少一个无源磁轴承用于在所述有源磁轴承失去动力的情况下相对于所述固定装置稳定所述转子，每个无源磁轴承包括：
第二永磁体，所述第二永磁体机械地耦合至所述转子或集成在所述转子中；以及
第三永磁体，所述第三永磁体机械地耦合至所述固定装置并位于所述凹槽和...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·雷诺佩德森，M·斯皮尔曼，J·扎曼尼，
申请(专利权)人：马士基钻探股份公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK