磁悬浮飞轮储能系统的制造方法及其系统[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1333144A
[43]公开日2002年1月30日
[21]申请号01126564.7[21]申请号01126564.7
[22]申请日2001.08.28[71]申请人严密
地址201103上海市虹中路758弄15号402室
共同申请人唐荫溥
[72]发明人严密 唐荫溥 唐济民 [51]Int.CI 7B60K 6/06B60K 1/04
权利要求书 6 页 说明书 21 页 附图 9 页
[54]发明名称
磁悬浮飞轮储能系统的制造方法及其系统
[57]摘要
本发明涉及一种非常高效、清洁、适合移动、
以贮存机械能来代替贮存电能的二次储电装置－磁
悬浮飞轮储能系统的制造方法及其系统,该系统尤
其适合交通工具用作就车储能动力源。

本发明系统
由壳体1、飞轮2、磁悬浮托架3、电枢总成4、电枢
位移调节装置5、扰动控制装置6、控制器总成7、
显示器8和辅助电源9等部件构成。

与现有技术相比,
本发明的方法及其系统在系统的使用安全性、能量
密度、功率密度、储能期/荷电保持能力、使用寿
命/极限循环次数和使用方便性等方面均有显著进
步。

01126564.7权 利 要 求 书第1/6页 1、一种磁悬浮飞轮储能系统的制造方法，其特征在于：
采用低密度、高强度和抗磁性或顺磁性的金属材料制造系统壳体主体，重点加强壳身部分强度，借助增加壳身壁体厚度和在壳身内壁衬以抗冲击性能优良的防撞击环，令壳身部分的复合应力结构与该系统飞轮碎片撞击力的极限值相适应。

2、一种磁悬浮飞轮储能系统的制造方法，其特征在于：
在制造系统的飞轮时，将飞轮由飞轮中轴线向外缘径向分为中央部分、主要功能部分和加强径向强度部分等三个相连部分，令飞轮重量分布向其主要功能部分径向外缘集中；
所述中央部分由用于控制飞轮扰动的中央元件和用于中央元件与飞轮主要功能部分连接的连接元件构成；
所述主要功能部分由用于令飞轮在系统壳体内磁悬浮的永磁磁环、用于给系统电枢提供励磁磁场的永磁体、用于增加飞轮转动惯量的金属环和用于粘合上述部件并改善其应力结构的纤维增强塑料复合材料复合而成，永磁磁环的中轴线在飞轮中轴线上，其在飞轮上的离心方向端面紧贴该部分之纤维增强塑料复合材料，永磁体分布在该部分之径向外缘，其在飞轮上的离心方向端面紧贴飞轮加强径向强度部分，其工作磁极端面与飞轮中轴线的距离等同且平行和面向飞轮中轴线，金属环位于该部分之径向外缘，其中轴线在飞轮中轴线上，其各端面全封闭在该部分之纤维增强塑料复合材料和飞轮加强径向强度部分中，它采用高密度和高强度或高密度和高延展性的金属材料制造；
所述加强径向强度部分用于压缩保护飞轮主要功能部分，它采用纤维增强塑料复合材料之单丝纤维和热固性树脂在飞轮主要功能部分径向外缘上重复缠绕粘合而成。

3、一种磁悬浮飞轮储能系统的制造方法，其特征在于：
采用在系统飞轮扰动达到设定值时，于飞轮中轴线上和附近对飞轮施予机械力矩的方法来控制飞轮扰动；此外，在系统壳体主体接地端面加设用于改善噪音、振动、颠振和提高壳体抓地力的橡胶底脚。

4、一种磁悬浮飞轮储能系统的制造方法，其特征在于：
在系统飞轮永磁部件旋转磁极磁感线主要作用场域内之部件，除电枢和永磁部
件外均采用抗磁性或顺磁性材料制造；而且，电枢可受控移动，它能根据需要进入或撤离其工作的励磁磁场。

5、一种磁悬浮飞轮储能系统的制造方法，其特征在于：
在系统壳体外接抽真空装置密封接头上加设用于增加接头密封性能的接头盖， 在壳体内凡以可内藏空气分子材料制造部件表面，均覆盖用于防止其内藏空气分子逸出的隔离膜。

6、一种磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：
该系统由一个用于给飞轮提供高真空工作环境的壳体、一个用于储能的飞轮、两个用于令飞轮在壳体内磁悬浮的磁悬浮托架、一个用于协同飞轮进行机电能量转换的电枢总成、一个用于调节电枢在其工作的励磁磁场上作用位置的电枢位移调节装置、一个用于控制飞轮扰动的扰动控制装置、一个用于控制系统各部件工作的控制器总成、一个用于向用户指示工作数据的显示器和一个用于将外电源或本系统所供电量储存起来向该系统用电部件供电的辅助电源等部件构成， 飞轮、磁悬浮托架、电枢总成、电枢位移调节装置、扰动控制装置和控制器总成的部分传感器等部件位于壳体内，控制器总成主体、显示器和辅助电源等部件位于壳体外。

7、根据权利要求6所述的系统，其壳体由壳体主体、橡胶密封环、紧固环、外接抽真空装置密封接头和导线接插座等部件构成，特征在于：
所述壳体主体采用低密度、高强度和抗磁性或顺磁性的金属材料制造，重点加强壳身部分强度，借助增加壳身壁体厚度和在壳身内壁衬以用钢网加强和混有砂粒的纤维增强塑料复合材料复合而成的防撞击环，令壳身部分的复合应力结构与该系统飞轮碎片撞击力的极限值相适应；壳体主体接地端面设有用于改善噪音、振动、颠振和提高壳体抓地力的橡胶底脚；外接抽真空装置密封接头上加设用于增加接头密封性能的接头盖，该接头盖由用于与接头旋接的盖帽和用于密封的橡胶密封件构成。

8、根据权利要求6所述的系统，其飞轮的特征在于：
它由飞轮中轴线向飞轮外缘径向分布的中央部分、主要功能部分和加强径向强度部分等三个相连的部分构成，该飞轮的重量分布向其主要功能部分径向外缘集中，其主要功能部分和加强径向强度部分表面覆盖用于防止其内藏空气分子逸出的树脂薄膜；
所述中央部分包括一个用于配合系统扰动控制装置控制飞轮扰动的中央元件和
一个用于令中央元件与飞轮主要功能部分连接的连接架，中央元件的中轴线位于飞轮中轴线上，其轴向端面呈圆锥形、轴向端面的中央之间有通孔，连接架的中央端面连接中央元件、径向外端呈放射状插入飞轮主要功能部分；
所述主要功能部分由连接架的插入部分、用于给系统电枢提供励磁磁场的永磁体、四个用于飞轮磁悬浮的永磁磁环、一个用于增加飞轮转动惯量的金属环和用于粘合上述部件和改善其应力结构的纤维增强塑料复合材料复合而成，永磁体分布在该部分之径向外缘，其在飞轮上的离心方向端面紧贴飞轮加强径向强度部分，其工作磁极端面与飞轮中轴线的距离等同且平行和面向飞轮中轴线；永磁磁环的中轴线在飞轮中轴线上，其在飞轮上的离心方向端面紧贴该部分之纤维增强塑料复合材料；金属环采用高强度和高密度或高延展性和高密度的金属材料制造，它位于该部分之径向外缘，其中轴线在飞轮中轴线上，其各端面全封闭在该部分的纤维增强塑料复合材料和飞轮加强径向强度部分中；
所述加强径向强度部分用于压缩保护飞轮主要功能部分，它采用纤维增强塑料复合材料的单丝纤维和热固性树脂在飞轮主要功能部分的径向外缘上重复缠绕粘合而成。

9、根据权利要求6所述的系统，其磁悬浮托架的特征在于： 它们分别位于系统飞轮轴向两侧，每个磁悬浮托架均由两个用于令飞轮磁悬浮的永磁磁环和一个用于令永磁磁环固定在系统壳体上的架座构成，所述永磁磁环的中轴线位于壳体中轴线上，其工作磁极极性与飞轮相应永磁磁环工作磁极极性同名，永磁磁环表面覆盖用于防止其内藏空气分子逸出的树脂薄膜； 所述架座采用低密度和抗磁性的材料制造。

10、根据权利要求6所述的系统，其电枢总成除包括用于协同系统飞轮进行机电能量转换的电枢和用于散热的材料或装置外，特征在于：
它还包括一个热保护器或温度传感器和一个底座，所述热保护器用于在电枢温度达到设定值时控制系统电枢位移调节装置令电枢撤离其工作的励磁磁场，所述温度传感器则用于监测电枢温度状况并向系统控制器总成反馈信息，以便系统控制器总成在电枢温度达到设定值时，控制系统电枢位移调节装置将电枢撤离其工作的励磁磁场；所述底座用于令电枢总成成为一体和配合系统电枢位移调节装置工作，该底座采用低密度和抗磁性或顺磁性的材料制造；
该电枢总成支承在系统电枢位移调节装置上、与之活动连接，其电枢可在所述装置的驱动、控制下平行于系统飞轮永磁体工作磁极端面位移。

11、根据权利要求6所述的系统，其电枢位移调节装置的特征在于：
它由用于承托系统电枢总成并限制其位移轨迹的承托单元和用于向承托单元提供驱动力矩驱动系统电枢总成位移的驱动力矩提供单元构成，
所述承托单元包括用于承托和驱动电枢总成的承托元件和用于限制电枢只能平行于系统飞轮永磁体工作磁极端面位移的限位元件，该单元的元件采用低密度和高热导率的抗磁性或顺磁性材料制造；
所述驱动力矩提供单元包括驱动力矩提供元件和力矩传递元件，该驱动力矩提供元件在系统控制器总成和电枢总成热保护器的控制下工作。

12、根据权利要求6所述的系统，其扰动控制装置的特征在于：它采用在系统飞轮扰动达到设定值时，于飞轮中轴线上和附近对飞轮施予机械力矩的方法来控制飞轮扰动；该装置由用于在飞轮扰动达到设定值时对飞轮施予机械力矩的执行单元和用于监测飞轮径向扰动状况的监测单元构成；
所述执行单元包括两个分别位于系统飞轮轴向两侧的元件组，每个元件组都有一个用于与飞轮中央元件圆锥端面发生机械接触的滑动柱、一个用于限制滑动柱运动轨迹并与之间隙配合的轴套和一个用于将轴套固定在系统壳体上的轴套座；滑动柱的中轴线位于壳体中轴线上、两端面中央有轴向通孔，其与飞轮中央元件对应端面呈与之锥度相同、锥向相反的圆锥形，在飞轮正常运转时，滑动柱圆锥端面与对应的飞轮中央元件圆锥端面存在间隙且该间隙设定为可容忍飞轮扰动的设定值；位于其中一个元件组中的滑动柱只能绕壳体中轴线转动，而位于另一个元件组中的滑动柱则具双自由度，也就是说，它既可绕壳体中轴线转动也可在该中轴线上轴向滑动；该具双自由度滑动柱与飞轮中央元件对应的圆锥端面部分采用高刚度的抗磁性或顺磁性材料制造，其余部分则采用高刚度的强磁性永磁材料制造并经预充磁处理；在具双自由度滑动柱的永磁部分工作磁极端面后面设有一个电磁铁，该电磁铁在系统控制器总成的控制下工作；当电磁铁未生磁时，具双自由度滑动柱借助其永磁部分的磁力磁吸在电磁铁铁心上，当电磁铁生磁后，则借助电磁铁铁心与之磁极极性同名的磁斥力，驱使滑动柱与飞轮中央元件发生机械接触；所述滑动柱、轴套和轴套座与系统壳体有直接的热传递通道；
所述监测单元包括分别设在该装置两个执行单元元件组中的一个光源和一个光敏管，光源用于向光敏管发射光线，光敏管用于接收光源发出的光线并将入射光强转换为电信号向系统控制器总成输出，所述光线的光路为：光源-一个滑动柱的轴向通孔-飞轮中央元件轴向通孔-另一个滑动柱的轴向通孔-光敏管。

13、根据权利要求6所述的系统，其控制器总成由用于输入用户工作指令的开关、集结了相应控制电路用于达成控制任务的集成电路板、用于监测该系统部件工作状
况的传感器和用于封装该总成的封装元件等部件构成，控制器总成的主体位于系统壳体外，其部分传感器位于系统壳体内；其特征在于：
所述开关包括用户用于调节系统实时输入和输出电量的开关与及用户用于随机控制系统扰动控制装置工作的开关，
所述集成电路板上集结的控制电路中，除包括普通用于电机控制和用于显示系统实时输入和输出电量的控制电路外，它还包括：
用于控制系统向内部充电和向外部供电工作模式的自动控制电路，该电路根据输入或输出系统电枢的电流矢量状况自动切换所述工作模式并控制系统显示器作出相应显示；
用于调节系统实时输入和输出电量的控制电路，该电路根据用户工作指令控制系统电枢位移调节装置工作，借助调节系统电枢在其工作的励磁磁场中所处作用位置，调节系统实时输入和输出电量并控制系统显示器作出相应显示；此外，在系统电枢总成设有温度传感器时，该电路亦根据电枢温度状况，控制系统电枢位移调节装置调节电枢工作位置并控制系统显示器作出相应显示；
用于控制系统扰动控制装置工作的控制电路，该电路根据光敏管入射光强变动状况判断飞轮径向扰动状况或根据用户工作指令，控制系统扰动控制装置中电磁铁电流的通断并控制系统显示器作出相应显示；
用于显示系统壳体内工作气压状况的控制电路，该电路根据气压传感器监测到的系统壳体内气压状况，控制系统显示器作出相应显示；
用于显示系统工作故障状况的控制电路，该电路根据系统各涉电部件中电流的异常状况判断其电路的故障状况；根据系统在飞轮转速和电枢所处工作位置参数等价时其实时输入电量、储电量或输出电量与应具有标称值的比较，判断系统电枢之机械故障状况和根据系统在所述参数等价时其电枢实时温度与应具有标称值的比较，判断系统热保护器之机械故障状况；根据系统在飞轮转速和输入电量、储电量或输出电量参数等价时其电枢实时所处工作位置参数与应具有标称值的比较，判断系统电枢位移调节装置之机械故障状况；根据系统在输入电量、储电量或输出电量和电枢所处工作位置参数等价时其飞轮实时转速参数与应具有标称值的比较，判断系统飞轮之机械故障状况；根据系统壳体内工作气压异动状况，判断系统壳体的故障状况；并将上述各种故障状况通过系统显示器作出相应显示；
所述传感器除包括普通用于电机控制电路的传感器外，它还包括： 用于监测系统电枢实时电流矢量状况的电流矢量传感器、用于监测系统电枢在
其工作的励磁磁场中所处作用位置的位置传感器和用于监测系统壳体内工作气压的气压传感器等。

14、根据权利要求6所述的系统，其辅助电源的特征在于：
它采用二次化学电池或另一个磁悬浮飞轮储能系统。

15、一种磁悬浮飞轮储能系统，其特征在于：
该系统由分别独立的一个或多个相同规格的储能子系统、一个充放电子系统或一个充电子系统和一个放电子系统、一个用于控制系统各部件工作的控制器总成、一个用于向用户指示工作数据的显示器和一个用于将外电源或本系统所供电量储存起来向系统用电部件供电的辅助电源等子系统和部件构成，
所述储能子系统用于储能，它由一个用于给飞轮提供高真空工作环境的壳体、一个用于储能的飞轮、两个用于令飞轮在壳体内磁悬浮的磁悬浮托架和一个用于控制飞轮扰动的扰动控制装置等部件构成，飞轮、磁悬浮托架和扰动控制装置均位于壳体内；
所述充放电子系统用于向储能子系统输入能量和将储能子系统储有能量向外输出、充电子系统仅用于向储能子系统输入能量、放电子系统仅用于将储能子系统储有能量向外输出，充放电子系统、充电子系统和放电子系统均由用于协同储能子系统飞轮进行机电能量转换的电枢总成、用于调节电枢在其工作的励磁磁场上作用位置的电枢位移调节装置和用于令该子系统自成一体且便于与储能子系统对接的底座等部件构成；
所述壳体、飞轮、磁悬浮托架、扰动控制装置、电枢总成、电枢位移调节装置、控制器总成、显示器和辅助电源等部件均具有权利要求6、7、8、9、10、11、12
、13和14所述系统相应部件的特征。

16、根据权利要求15所述的系统，其储能子系统壳体的特征还在于：壳体主体部分之面盖上对应于飞轮永磁体工作磁极端面处的壁厚薄于面盖其它部分的壁厚，在面盖的外缘部分与中央部分之间设有用于提高面盖刚性的加强肋，面盖中央有凹位和壳体主体部分之壳身顶端较为突出，以便与系统的充放电子系统、充电子系统或放电子系统的底座对接。

01126564.7说 明 书第1/21页
磁悬浮飞轮储能系统的制造方法及其系统
本发明涉及磁悬浮飞轮储能系统的制造方法及其系统。

磁悬浮飞轮储能系统(在下文中，简称为飞轮系统)是一种非常高效、清洁、适合移动、以贮存机械能代替贮存电能的二次储电装置，它可用作蓄电池和不间断电源，尤其适合交通工具用作就车储能动力源。

从工作原理而言，飞轮系统相当于一种特型的旋转磁极式永磁电机。

在目前的现有技术中，飞轮系统由壳体、飞轮、电枢(所述电枢为电枢绕组的统称，通常包括电枢齿和电枢轭，在仅用于发电时，亦可只包括电枢轭，在下文中均统称为电枢)、磁轴承和普通电机控制电路等部件构成；其壳体主体采用钢材(包括钢合金)制造，壳体上有普通外接抽真空装置的密封接头，壳体内工作气压为10-3Pa至4×10-6Pa；其飞轮由经过预充磁的永磁体、钢材和纤维增强塑料复合材料(所述材料是由碳素/玻璃纤维与环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂等热固性树脂复合而成材料的统称，在下文中，简称为FRP材料)复合而成，借助磁轴承飞轮可磁悬浮在壳体内，借助电枢和电机控制电路，充电时飞轮的极限转速可达200,000转/每分钟或以上(在下文中，每分钟转速简称为RPM)，将电能转换为飞轮的动能并储存起来，在放电时则把飞轮的动能转换为电能向外输出；其电枢工作位置是固定的，磁轴承则采用超导磁轴承或普通的专门磁轴承。

例如美国专利说明书US-5214981 (在下文中，该说明书所述系统简称为ARCH系统)和US-5124605(在下文中，该说明书所述系统简称为A F S系统)所述系统就是这种结构的飞轮系统。

公知，飞轮系统由于其飞轮转速极高、借助磁悬浮和高真空工作环境又大大降低了摩擦损耗，因而得以储存较多能量与能量利用率高；由于借助电机瞬时峰值功率的特点，故飞轮系统能实现快充电和大功率输出；又由于其能量转换工作不通过电化学反应进行，因而不存在化学污染、不受化学反应副生成物对其极限循环寿命的影响和工作时不受低温制约。

所以，飞轮系统与同为二次储电装置的二次化学电池相比，具有比能量高、比功率大、充电快、极限循环寿命长、耐候性好、无废气
废料污染和全寿命周期成本低等突出优点。

现有飞轮系统与有代表性的二次化学电池若干技术性能比较见下表：
在上表中，所述能量密度为重量比能量，所述功率密度为重量比功率，在本说明书中所称之能量密度和功率密度的定义均如是；所述美国先进电池联合体是由美国政府和工业界共同分摊研究先进电池费用的研究机构，所述长期目标于1991年4月公布；所述飞轮系统数据为AFS系统一种优选产品的技术性能数据，所述二次化学电池数据为现有优选产品可达到的技术性能数据。

虽然，从上表可见，在表列技术性能指标方面，现有飞轮系统已遥遥领先于表列之二次化学电池，甚至全面超越了所述美国先进电池联合体制订的长期目标；但遗憾的是，与二次化学电池相比，现有飞轮系统仍存在欠缺使用安全性和储能期短/荷电保持能力低等严重缺陷，而所述缺陷于储电装置而言是极致命的。

此外，现有飞轮系统已达到的能量密度/功率密度和使用寿命/极限循环次数等技术性能指标与理论值仍存在较大差距，其使用方便性还嫌不足。

因此，现有飞轮系统在实际产品中(尤其是在用作就车储能动力源的产品中)未被普遍应用。

导致现有飞轮系统存在上述缺陷的原因如下。

1、现有飞轮系统欠缺使用安全性的原因：
公知，由于飞轮系统飞轮的极限转速可高达200,000RPM或以上，故飞轮构成材料本身受到相当大的离心力作用；此外，由于受动平衡精度不足因素和随机惯力变动影响，飞轮运转时发生扰动不可避免；若在高速运转时飞轮构成材料的应力结构被离心力超过或因扰动引发共振、撞击而碎裂，动能极大的飞轮碎片(在飞轮转速
能量密度
(Wh/kg)
功率密度(W/kg)极限循环次数(次)100％DOD 充电时间(hr)
美国先进电池联合体
(USABC)
长期目标
2004001,0003～6磁悬浮飞轮储能系统
27010,0004,0000.25铅/酸电池
401307508铅布电池
505009000.6锂离子电池
1002001,2002～4常温锂聚合物电池
20050～603004镍/氢电池
802001,0000.5镍/镉电池55912,000 6.5
达到200,000RPM时，该碎片的极限撞击力超过普通钢材应力结构十几倍)将如同炮弹片般循离心力作用方向撞击该系统壳身，如壳身的应力结构与该撞击力不相适应，则将发生严重安全事故。

因此，改善飞轮构成材料的应力结构、提高飞轮动平衡精度、有效控制扰动和令壳身的应力结构与该系统飞轮碎片之极限撞击力相适应等技术措施，是改善飞轮系统使用安全性的关键。

现有飞轮系统由于飞轮结构不合理导致飞轮构成部件的应力结构与所受离心力不匹配(例如：ARCH系统在其飞轮径向外缘设置永磁部件且该部件和飞轮用于增加转动惯量的钢部件之离心方向端面，均无任何加强强度措施。

鉴于越远离飞轮中轴线处部件所受离心力越大和所述部件构成材料较低的拉伸强度与该离心力显著不相匹配，故在高速旋转时，所述部件极容易毁坏)、飞轮的动平衡精度较低(例如：AFS 系统由于其飞轮构成部件数量太多，在旋转时各部件的相互作用力关系又过于复杂，导致其飞轮制造工艺难度极高，故难以提高飞轮的动平衡精度)、未能对扰动实施有效控制(例如：AFS系统仅依赖普通磁轴承和其凹槽副控制扰动，由于普通磁轴承刚度较低、凹槽副更几无刚度可言，故对飞轮扰动的控制力度不足；加上其系统壳体直接接地，随机惯力变动亦将加剧飞轮扰动；因此，该系统不能对扰动实施有效控制)和其壳体的应力结构不合理(例如：ARCH系统和AFS系统对壳体壳身部分的应力结构缺乏应有重视，其系统壳身壁体较单薄，AFS系统壳身壁厚甚至远远小于壳底和壳面之壁厚，而在离心力作用下，飞轮碎片的撞击力主要作用于系统的壳身部分；故其壳体的应力结构不合理)。

因此，现有飞轮系统欠缺使用安全性。

2、与二次化学电池相比，现有飞轮系统储能期短/荷电保持能力低的原因： 公知，储能期/荷电保持能力是二次储电装置的重要技术性能指标。

飞轮系统由于采用机电能量转换方式工作，故能量转换速度显著高于采用电化学反应方式工作的化学电池，导致其储能期短/荷电保持能力低。

若要彻底改变上述规律，除非能令飞轮系统在储能期的能耗低于二次化学电池的能耗；而现有系统不能做到这一点。

这是由于现有飞轮系统在其系统旋转磁极磁感线主要作用场域内，有许多会发生涡流和磁滞损耗的部件(所述部件包括ARCH系统和AFS系统的电枢、永磁部件和大量在所述作用场域内磁化率较高的钢材部件)，所述部件在储能期仍以在供电期时的速率耗散飞轮动能，其系统在储能期的能耗较大；因此，现有飞轮系统的储能期显著短于二次化学电池、荷电保持能力亦显著低于二次化学电池。

3、现有飞轮系统己达到的能量密度/功率密度技术性能指标与理论值存在较大差距
的原因：
现有飞轮系统由于其飞轮结构不合理导致系统储能量偏低(例如：ARCH系统飞轮。