[发明专利]一种飞轮电池磁悬浮和无源动压液浮阻尼的组合轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮电池永磁磁悬浮和无源动压液浮阻尼的轴承。

背景技术

研究利用飞轮动能进行存储电能的出发点是解决目前各种化学储电电池带来的诸如效率低、不稳定以及污染环境等问题。飞轮储能装置是一种利用高速旋转飞轮的加速和减速进行电能量存储和释放的物理电池。它不发生化学反应，能够避免化学电池所产生的废气废物。特别是目前风电和太阳能发电，由于其发电的不均匀性、间歇性和电力质量问题，不仅需要有强大的电能缓冲存储设备，而且需要将所发电力进行质量的调整，使之符合电网运行的要求。飞轮储能装置可以实现模块化工作，根据不同的需求集成不同的系统适应存储电力和调整电力质量的要求。飞轮储能装置还可应用于城市地铁等交通工具的能量回收工作和军事领域的集中大能量释放的使用方面。

飞轮储能技术已发展多年，多种飞轮技术已见于诸多专利之中。高温超导磁悬浮轴承可以实现无接触稳定的全悬浮状态，但该飞轮储能装置的悬浮轴承必须保持在液氮的环境中，运行和维护成本大大增加；而只用永磁体制成的磁悬浮轴承实现全悬浮是不稳定的，一般永磁磁悬浮轴承主要是对飞轮重量起卸载作用的，需调节或支承。在永磁磁悬浮轴承的技术中利用磁场相斥的系统稳定性不好，利用永磁磁体相吸的结构虽然稳定性好于相斥的结构，但由于磁体的不均匀性会在相对高速运行时产生巨大的涡流，使之发热从而降低系统的效率。

就飞轮电池永磁磁悬浮和无源动压液浮阻尼轴承而言，CN102082482A的发明专利提出一种永磁体磁场为轴向的无接触轴承，其缺点是受力部件是永磁体，而用粉末冶金工艺制成的磁性材料的机械力学性能不够好，易碎裂。用隔板固定会增大间隙减小磁场，且该结构的磁场强度有限，单位体积的卸载能力较小。

CN102437675A发明专利提出一种锥形磁场为轴向的无接触轴承，它的稳定运行是靠电磁场调节的，能量损耗较大且利用电子调节存在风险可靠性欠佳。

发明内容

本发明的目的是克服现有永磁磁悬浮轴承存在磁场不均匀、易产生涡流、卸载小能量损耗大以及不稳定和易发生共振的缺点，提出一种新的飞轮电池永磁磁悬浮轴承和无源动压液浮阻尼轴承的组合轴承。

本发明包括两部分：一是永磁磁悬浮轴承，其主要作用是对于飞轮重量载荷的卸载；二是无源动压液浮阻尼轴承。由于任何全无源的永磁磁悬浮都是不稳定的，所以本发明在飞轮主轴的最下端设置了无源动压液浮阻尼轴承，起到了稳定永磁磁悬浮轴承的作用，且其具有阻尼特性，防止飞轮在高速旋转时发生共振。

本发明采用的技术方案如下：

所述的永磁磁悬浮轴承由分别安装在飞轮主轴上端和固定机架上面的两个永磁轴承组件构成，安装在飞轮主轴上端的是旋转的永磁轴承组件，安装在固定机架上面的是固定的永磁轴承组件，旋转的永磁轴承组件和固定的永磁轴承组件部分在飞轮主轴的轴线上上下对应且相互吸引。每个永磁轴承组件均由多个软磁金属环形体和多个永磁环形体构成，多个软磁金属环形体和多个永磁环形体的直径尺寸不同，两者的高度相等，厚度可以相等或不等。所述的高度是指软磁金属环形体和永磁环形体在轴线方向上的尺寸，厚度是指软磁金属环形体和多个永磁环形体外径和内径之差。多个软磁金属环形体组成上、下两个永磁轴承组件磁路的磁极部分，每个软磁金属环形体都固定在一个直径大于最大软磁金属环形体外径的圆盘上；多个永磁环形体为直径尺寸不等、等高等厚的径向辐射环，或为直径不等、等高不等厚的径向辐射环，或用瓦形体拼成径向辐射环。多个永磁环形体镶嵌在所述的软磁金属环形体和圆盘之间形成的环状空间内。永磁环形体的磁场方向是径向的，即对于同一个软磁金属环形体而言，两侧的永磁体磁场方向是相同的；这样在永磁轴承中的软磁环形体的环形面上形成一环”N”一环“S”的磁极结构。对于某一个软磁环形体的磁极来说，是将永磁体的磁力线从两边“挤压”到软磁金属环形体的磁极上，使软磁金属环形体的磁极在整个圆周上形成轴向磁场。飞轮的重量载荷由装在固定机架上面的固定的永磁轴承组件和装在上飞轮主轴上端的旋转的永磁轴承组件的两个相互吸引的软磁金属环形体卸载。受力部件是强度较好的软磁金属环形体而不是永磁环形体。

同时本发明永磁轴承减轻了飞轮对动压油膜轴承的压力。利用软磁金属环形体作为磁极的结构可以使不均匀的永磁环形体产生的不均匀磁场通过软磁磁极均匀化，减少飞轮在高速旋转时可能产生的涡流损耗及发热，也保护了粉末冶金方法生产的稀土永磁体永磁体在高速旋转时被损坏。采用软磁材料作为磁极，易于高精度加工，使永磁准磁悬浮轴承在圆周运动上同心度更好。