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用飛輪存儲電力的電子裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480004816.X

申請日:

2014.01.14

公開號:

CN104919681A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):H02K 7/02申請公布日:20150916|||實質審查的生效IPC(主分類):H02K 7/02申請日:20140114|||公開
IPC分類號: H02K7/02; F16C32/04; H02J15/00 主分類號: H02K7/02
申請人: 萊維西公司
發明人: M·圣麥魯斯
地址: 法國伊西萊穆利諾
優先權: 13/50336 2013.01.15 FR
專利代理機構: 北京三友知識產權代理有限公司11127 代理人: 王小東
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480004816.X

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.04.23|||2016.01.20|||2015.09.16

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種用于能量存儲的裝置,該裝置包括:至少一個為洛倫茲型電動機或發電機的電機,其包括轉子(1)和定子(4),該轉子(1)形成飛輪;固定在所述轉子(1)上的至少一個磁體(5);和至少一個磁通閉合裝置(3,7)。根據本發明,定子(4)被纏繞并且不具有鐵磁材料,并且所述磁通閉合裝置(3,7)被安裝成隨著所述轉子(1)的所述磁體(5)同步旋轉地移動。

權利要求書

權利要求書
1.  一種能量存儲裝置,該能量存儲裝置包括:
-轉子(1),該轉子形成飛輪,
-至少一個洛倫茲型電動機/發電機,該電動機/發電機包括所述轉子(1)、不具有鐵磁材料的繞線定子(4)和固定在所述轉子上的至少一個磁體(5),
-至少一個磁通閉合裝置,
其特征在于,所述磁通閉合裝置以可動的方式安裝成隨著所述電動機/發動機的所述磁體(5)進行同步旋轉。

2.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述能量存儲裝置包括多個磁體(5),所述磁體(5)被固定在形成所述飛輪的所述轉子(1)上并且是根據“Klaus Halbach”構造來設置的。

3.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述磁通閉合裝置(7)被固定在形成所述飛輪的所述轉子(1)上、面向所述磁體(5)并且相對于所述定子(4)位于所述磁體(5)的相對側。

4.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述磁通閉合裝置被實現為位于所述飛輪上的條帶的形式。

5.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述定子(4)包括多相繞組。

6.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述定子(4)的繞組包括利茲線。

7.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述磁通閉合裝置(4)由軟鐵制成。

8.  根據前述權利要求中的任一項所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述能量存儲裝置包括兩個洛倫茲類型電動機/發電機。

9.  根據權利要求8所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述兩個電動機/發電機被對稱地安裝在所述飛輪的中間平面的兩側。

10.  根據權利要求8或9所述的能量存儲裝置,其特征在于,所述兩個電動機/發電機的所述定子(4)串聯連接。

說明書

說明書用飛輪存儲電力的電子裝置
本發明涉及飛輪能量存儲裝置。
飛輪裝置是能夠存儲和恢復以動能形式存儲在旋轉質量內的能量的裝置。
這種裝置尤其用于使電子系統的操作速度平穩并且使得操作速度更規律,無論是否由于系統的電源或接收器使用能量而導致不規則。
因此,它們能夠存儲過剩能量,接著在系統缺乏能量時恢復它。
特別地,在電子系統的情況下,這種裝置可例如用于調節電網的頻率,穩定微電網或智能電網或者避免發生中斷,以沒有中斷地提供電源。
相比于傳統能量存儲裝置,飛輪裝置具有諸如較長使用壽命(特別是在充電周期和放電周期方面)、較短響應時間和低維護成本的優點。
飛輪裝置通常由包括吊輪的組件構成并且與電動機/發動機組合,電動機/發電機的轉子連接到所述吊輪以形成飛輪。這個組件通常被布置在真空密閉外殼中,吊輪通常被保持懸于磁場中并且進行穩定化,在文獻FR 2882203的含義內,這個構造允許限制由于機械摩擦而導致的能量損耗。
通常,特別期望的是盡可能多地減少現有摩擦力,以使它們產生的能量損耗和噪聲污染最少。
當前,飛輪裝置在它們配備有電動機/發電機的范圍內具有有限效率,從而確保電能轉換成動能,相反地,另一方面,其行為對飛輪旋轉的穩定性會產生負面影響,另一方面,其效率低是因為,由于在飛輪和繞線定子處出現的摩擦,導致它們主要具有顯著的自放電,這些飛輪具有金屬芯,從而由于在磁排斥作用下操作的電動機/發電機中的渦電流和焦耳熱,導致顯著能量損耗。
轉子的穩定性還構成主要因素,因為轉子的任何不穩定性必須被飛輪的懸吊軸承校正或吸收,這也導致能量損耗。為此目的,電機應該盡可能小地產生使轉子不穩定的軸向或徑向寄生力。
本發明的目的是克服上述缺陷,特別地,提高這些飛輪裝置的穩定和效率,為此目的,它由一種能量存儲裝置組成,該能量存儲裝置包括:
-轉子,其形成飛輪,
-至少一個洛倫茲(Lorentz)型電動機/發電機,其包括轉子、不具有鐵磁材料的繞線定子和固定在飛輪上的至少一個磁體,
-至少一個用于閉合磁通的裝置,
其特征在于,磁通閉合裝置以可動的方式安裝成隨著電動機/發動機的磁體同步旋轉。
應該注意,這種能量存儲裝置包括不具有金屬芯的定子,無論它是塊狀的還是層壓的。更精確地,磁通閉合裝置只存在于能量存儲裝置的轉子上。
此外,使用的電動機/發動機是洛倫茲電動機/發動機(也被稱為拉普拉斯(Laplace)電動機/發電機),換句話講,為了進行操作,這種電動機/發動機利用通常由使電流通過的電流導線產生的拉普拉斯力,當導線經受電磁場時,所述電流存在一定強度。由此產生的拉普拉斯力與由導線和電磁場所形成的平面正交。
通過確保磁通閉合裝置與轉子同步旋轉,磁通閉合與轉子的感生磁場同步地旋轉,感生磁場的方向被優化并且沿著寄生方向的磁場的強度顯著降低。
事實上,通過使用固定的磁通閉合,感生磁通的變化導致其中的對應變化。
由于存在構成磁通閉合的材料的磁滯回線,導致這些變化不是同時的,已經觀察到磁場的形成,該磁場呈現出沿著不期望方向的寄生分量。
因此,當電動機被供電并且定子形成旋轉磁場,產生的驅動力還呈現出特別地沿著徑向方向和軸向方向的寄生分量,這使轉子進而使飛輪不穩定。
這還導致能量損耗,主要是由于渦流。因此,可以使用層壓片材以形成用于閉合轉子磁通的裝置,以限制這種效果。
通過根據本發明使用隨轉子的感生磁場同步旋轉的磁通閉合,所述磁通閉合不再經受磁場變化并且保持暴露于同一局部磁場。
當存儲裝置以發電機模式或以自由旋轉操作時,同樣如此。
以這種方式,電動機/發動機呈現出很少的無負載損耗,也就是說,當在轉子正旋轉的同時不帶負載時,并且電動機/發動機呈現出很少的無負載損耗,也就是說,當在形成飛輪的轉子的充電或放電期間在電動機/發動機和外部之間發生能量交換時。
當轉子在沒有裝載電動機/發電機的情況下旋轉時,磁通閉合中沒有損耗,因為 磁通閉合隨著電動轉子的磁體的感生電場同步地旋轉。
當以電動機模式或以發電機模式加載電動機/發電機時,通過轉子的磁體提供磁通密度,并且在用于形成磁通密度的電感器中沒有能量損耗。
電動機/發電機的定子形成的旋轉磁場與磁體和磁通閉合同步,沒有由于定子的繞組中的渦流而導致的損耗。只有可能的諧波有可能造成旋轉部分中的低損耗。在第一級,損耗限于定子中的少量焦耳效應損耗。
因此,這種裝置允許限制電動機/發電機的能量損耗,由此顯著增強裝置的效率。
根據本發明的可選特征,能量存儲裝置包括多個磁體,這些磁體固定在形成飛輪的轉子上,根據“Klaus Halbach”構造設置,并且定子圍繞其設置,從而面對磁體并且與磁體離開。
有利地,“Klaus Halbach”構造允許產生強集中的磁場,該磁場的方向和旋向(sense)受控制。
根據本發明的可選特征,轉子包括至少一個磁通閉合裝置,磁通閉合裝置固定在形成飛輪的轉子上,面對磁體、從定子離開、相對于定子位于磁體的相對側。
根據本發明的可選特征,磁體固定在形成飛輪的轉子的圓柱形部分上。適當地,磁通閉合裝置優選地被固定在形成飛輪的轉子的厚壁上。
有利地,磁通閉合裝置可被集成在轉子的厚壁中,使得它們沒有從厚壁伸出。
類似地,磁體可被集成在轉子的圓柱形部分中,使得它們沒有從圓柱形部分伸出。
根據優選的變型,磁通閉合裝置被實現為在飛輪上的條帶的形式。
根據本發明的可選特征,定子包括多相繞組。
有利地,定子的相位布置可被優化,使得電動機/發電機的徑向力的結果是零或自定心,并且電動機/發電機的軸向力的結果是零或自定心。
定子相位的這種布置允許向電動機/發電機提供關于形成飛輪的轉子的旋轉穩定性的中和行為(neutral behavior)。
根據本發明的可選特征,定子的繞組包括利茲(Litz)線。
Litz線由直徑為大約0.1mm甚至更小的非常細的剖面的基本股線構成的線組成,允許因渦流造成的損耗顯著降低,特別是當電動機/發電機不帶負載時。
有利地,當電動機/發電機處于電動機模式時,第一級損耗限于定子中的焦耳損耗。
有利地,當電動機/發電機處于發電機模式時,損耗嚴格限于定子中的焦耳損耗和定子的Litz線的股線中的渦流損耗。
有利地,定子被纏繞以優化電動機/發電機的操作,同時在最大程度上減小寄生力(也就是說,除了洛倫茲力外的力)。
根據本發明的可選特征,磁通閉合裝置由軟鐵制成。
軟鐵的磁滯回線非常窄,這樣允許降低損耗。
根據本發明的可選特征,形成飛輪的轉子包括兩個洛倫茲型電動機/發電機,這兩個洛倫茲型電動機/發電機對稱地且彼此相對地安裝在飛輪的中間平面的任一側。
以這種方式,這種構造允許有更好的效率和更好的力(特別地,軸向力)(該力使形成飛輪的轉子不穩定),因為因飛輪在飛輪中間平面的任一側的旋轉而產生的軸向力相對于飛輪的這個中間平面是對稱地并且彼此相對地。
有利地,使用兩個電動機/發電機還允許增強裝置的安全性,達到以下程度:在給定構造中,如果電動機/發電機中的一個沒有操作,則這不會防止另一個將能量供應到轉子或者從轉子獲取能量以使得裝置繼續實現其充電和放電任務,以保持電力網的穩定性或避免中斷,從而沒有中斷地提供電源。
另一個優點在于,當電動機/發電機二者都操作時,允許比只使用洛倫茲電動機/發電機時更快速地供應能量。
根據本發明的可選特征,兩個電動機/發電機的定子串聯連接。
下文中,作為非限制示例,參照附圖描述了本發明可能的實施方式;在所有附圖中,相同或類似的參考標號表示相同或類似構件或多組構件:
圖1是根據本發明的第一實施方式的轉子的示意性縱向剖視圖,
圖2是根據本發明的第一實施方式的轉子的示意性剖視圖,
圖3是根據本發明的第二實施方式的轉子的示意性縱向剖視圖,
圖4是根據本發明的第二實施方式的定子的繞組的展開視圖,
圖5是根據本發明的第三實施方式的轉子的示意性縱向剖視圖,
圖6是用于本發明的第四實施方式的“Klaus Halbach”構造中的磁體的立體圖,
圖7是根據本發明的第四實施方式的轉子的示意性縱向剖視圖。
參照圖1和圖2,能量存儲裝置包括:
-轉子1,其形成飛輪,飛輪包括圓柱形部分2和厚壁3,圓柱形部分2和厚壁3 是同心的并且相互以遠程方式固定連接,以形成單個單件部分。圓柱形部分2和厚壁3支撐可由例如復合材料(特別地,碳纖維)制成的輪(未示出)。
-洛倫茲型電動機/發電機,其包括轉子1、定子4和磁體5。磁體5被固定在由鐵磁材料制成的轉子的圓柱形部分2上,厚壁3由鐵磁材料構成,因此被設計成構成用于閉合磁通的裝置,定子4設置在圓柱形部分2和厚壁3之間。
因此,厚磁通閉合壁3直接連接到圓柱形部分2并且以相同的旋轉運動進行驅動。
以這種方式,磁通閉合是與攜載感生磁體的圓柱形部分2同步旋轉的。
如以上揭示的,這種構造允許消除能量損耗和寄生力,該寄生力有可能使轉子1的旋轉不穩定并且將會因為構成厚壁3的材料的磁滯回線而產生。
因此,能量損耗有限,因為磁通閉合沒有損耗并且消除了使轉子1的旋轉不穩定的力。
參照圖3和圖4,其構造與圖1和圖2中的相同,不同之處在于用Litz線纏繞定子4。但是,定子4針對圓柱形部分2和厚壁3保持與圖1和圖2相同的布置。
除了呈現出磁通閉合與電動機/發電機的磁體5產生的磁場同步旋轉并因此消除磁通閉合中的損耗之外,裝置如圖3和圖4中所圖示的,呈現為纏繞有Litz線的定子,允許相當大程度地減少由于渦電流導致的損耗。
參照圖5,轉子1呈現為相對于轉子1的圓柱形部分2的中心對稱地設置的兩個洛倫茲型電動機/發電機。
這兩個電動機/發電機的構造與之前附圖中的基本上相同,因此呈現出兩個磁體5(每個電動機/發電機具有一個)和兩個定子4。
優選地,定子4a和4b纏繞有Litz線。
制成形成飛輪的轉子1,使得輪緣6將圓柱形部分2固定地連接到厚壁3。
輪緣6成型為在其接近圓柱形部分2的內部半徑處非常硬,從而不會脫離,并且在其接近厚壁3的外部半徑處具有柔性,以正確地跟隨厚壁3的變形。
若干輪緣6可被使用的方式是,沿著圓柱形部分2和厚壁3分布,以確保圓柱形部分2和厚壁3之間的完好連接。
優選地,待使用的輪緣6的數量是在考慮到轉子1的速度范圍的情況下根據輪的諧振模式來確定的。
這種實施方式允許相當大程度地降低能量損耗,并且通過使由于渦流和磁滯而導 致的損耗顯著地降低來限制轉子的自放電,并且抑制使轉子1的旋轉不穩定的寄生力。另外,使用兩個洛倫茲型電動機/發電機允許增強轉子1的旋轉的穩定性,特別是軸向穩定性。
參照圖6和圖7,轉子1代表與圖5的構造類似的構造,即,沒有表現出定子4的兩個洛倫茲型電動機/發電機。
圖6和圖7中公開的實施方式與圖5中公開的實施方式的不同之處在于,其包括轉子1的圓柱形部分2上的根據“Klaus Halbach”構造設置的磁體以形成兩個“Halbach圓柱體”5或“磁體圓柱體”,并且在于,轉子1主要是用非鐵磁材料制成的。磁通閉合通過由軟鐵類型的鐵磁材料制成的兩個環7來確保,每個環被集成在轉子1的厚壁3的結構中并且被設置成面對Halbach圓柱體。
此實施方式允許相當大程度地降低能量損耗,并且限制轉子的自放電。
不必說,本發明不限于作為示例的上述實施方式,但它涵蓋描述的裝置的所有技術等同物和變型以及它們可能的組合。

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