用于存储和释放能量的可定标的装置和布置结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于存储和释放能量的可定标的装置，包括一个可抽真空的壳体、真空(12)、至少一个在轴(17)上的旋转质量(2)、至少一个被动的超导的径向轴承以及电机(24)，所述电机不仅构成电动机而且构成发电机，其中为了稳定真空(12)，在真空容器(11)中设置一个冷面。本发明具有的优点是，提供一种蓄能器，所述蓄能器有效率地并且低成本地以最小化的能量损耗工作、可定标并且还足够地具有安全元件，以便可以用于工业环境中。
【专利说明】用于存储和释放能量的可定标的装置和布置结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的装置。
【背景技术】
[0002]本发明在应该短期提供低成本存储的能量的场合都可使用。
[0003]存储能量对于现代社会在新能源开发过程中是最重要的课题之一，因为电网的稳定性很大程度依赖于在供给的和提取的能量之间的平衡。但可再生的能源如太阳能和风能只不稳定地产生能量。因此提出的基本问题是，怎样可以在生产过剩阶段合适地存储能量，以便没有大的损耗地在生产不足时将所述能量再次往回供给到电网中。本发明为此提供一种解决方案。所谓的电能质量(Power Quality)提供另一个应用领域。即使电网短时的波动也可能损坏工业、研究和医学中敏感的电器，或导致较长的失效，因为这样的机器具有保护机制，所述保护机制在这样的情况下断开机器。机器的起动可以持续数小时并且导致显著的经济损失。如在这里提出的本发明可以前置于这样的机器且这样补偿电网失效，使得不必须首先触发这些保护机制。本发明的另一种应用在所谓的USV系统的领域中。在这里涉及失效保护的电网。在此本发明可以提供存储的能量直到失效消除或代替例如构成柴油发电机的另一个应急电源并且承担电网的继续供电。
[0004]针对基本上暂时提供能量，讨论了如抽水蓄能发电站或压缩空气蓄能器的设计，在电能质量领域中目前没有给出符合标准地被利用的产品并且在USV系统的领域中使用化学蓄电池(蓄电池)或常规的飞轮存储器。
[0005]存储器设计如抽水蓄能器或压缩空气存储器构成很大耗费的设备，它们非常昂贵。它们因此仅适合用于存储很大量的能量，此外所述设计强烈依赖于局部的地理学的给定条件并且借此不是到处可使用。在USV领域中普遍的蓄电池通常是铅蓄电池并且借此在清除方面是耗费的并且非环境可持续发展的。此外蓄电池通常是超尺寸的，因为其给出功率和使用寿命的联合。当不清楚可使用性时，必须替换所述蓄电池。常规的飞轮存储器通常不是无接触地支撑并且通过出现的摩擦具有大的在能量方面的损耗。当前在市场上有的包括磁性支座的飞轮存储器依赖于系统的附加的主动控制，以用于其稳定。经常提出用于实现基于超导支座的无摩擦的飞轮存储器的设计，如在DE19709674C1或DE19643844C1中，但其仍从未可能实际地在设备中使用。这例如在于故障情况时的安全方面，如真空不紧密性，或当旋转质量的部件在高的旋转速度时脱开并且因此变成射弹。
[0006]此外所述系统通常构造复杂并且只能困难地定标。
【发明内容】
[0007]因此本发明的任务是，研发一种基于飞轮的用于存储能量的装置，所述装置在其大小、功率、存储容量和安全装置方面对于不同的应用是可定标的并且通过非接触式的磁性的被动的支座损耗很少地工作。
[0008]此外本发明应该是当今的蓄能器设计的一种低成本的并且在使用中灵活的备选方案。
[0009]该任务通过按照权利要求1的特征的装置解决。
[0010]从属权利要求再次给出本发明有利的设计。
[0011]按照本发明的解决方案包括用于存储和释放能量的可定标的装置，所述装置包括可抽真空的容器如真空容器、真空、至少一个在轴上的飞轮质量、至少一个被动的超导的轴承如径向轴承以及电机，所述电机不仅构成发电机而且构成电动机。
[0012]因此所述系统包括垂直的轴，旋转质量和轴承和电机的转子单元设置在所述轴上。此外在所述系统中设置有电机，所述电机不仅可以作为电动机驱动所述轴，而且可以作为发电机将其能量输送给系统。此外所述系统具有两个在轴端部附近的超导的轴承，所述轴承能够实现轴的无摩擦的旋转。为了冷却轴承以及为了减少转子的摩擦阻力，有利的是，使系统在降低的压力下或还更好地在真空中运行。为此所述系统必须处于容器中。此外在所述系统中设置有安全储藏器，所述安全储藏器应该阻止强烈加速的微粒从系统排出。此外应该在干扰情况时帮助减小能量，在所述干扰情况中发生旋转质量的接触。所述安全储藏器包括上面的和下面的遮盖元件，在所述遮盖元件之间设置有一个或多个固定元件，所述固定元件具有用于叠片的空隙。所述叠片可以由金属或纤维复合材料制成。叠片装入所述空隙中。其在所述环附近结束。所述叠片不仅可以由一个件而且也可以由各个元件构造。这些元件可以这样通过铰链连接，使得所述元件具有加固的拱顶的形状。这些元件可以由金属或纤维复合材料制成。此外这些元件可以包括区块，或具有空腔。其他材料也可以引入叠片的空腔的填充容积中，这些其他材料如用于制动射弹。在叠片和固定元件之间也可以此外引入缓冲的材料、如软的金属、纤维复合材料或聚合物。在所述布置结构的上方和之下设置有遮盖环，所述遮盖环与其他部件通过连接杆拧紧。整个安全储藏器可以与所述室固定连接，其方式为例如所述安全储藏器可以装入保持结构中，或所述安全储藏器可以惯性滑行地装入。这时安全储藏器可以在接触旋转质量时与其一起旋转。安全储藏器可以也由固定元件的各个部段或上面的和下面的盖板构造。
[0013]在所述系统中设置有冷面。所述冷面辅助在容器中的真空，因为容器中剩余气体的部分可以在所述冷面上冻牢。对于空气通过容器的不紧密的位置流入真空中的情况，该面也可以这样减慢系统中的压力上升，使得可以切断所述系统。由此可以避免持久地连接真空泵，这减少费用。冷面通过连接元件直接与冷源或与超导的轴承的冷却外罩连接，所述连接元件利用传导、对流或热声的效果以用于传热。朝向外壁的一侧可以利用反射的机构绝缘以防通过辐射的热量输入。此外可以用于较快速地加热系统设置所述面的例如通过通电的线的加热装置。
[0014]作为用于系统的冷源可以使用一个或多个低温冷却器，或使用以低温介质例如液氮填充的室。在此所述室可以附加地也与外部的低温回路连接，或通过低温冷却器冷却。所述冷面可以例如径向于超导的轴承、优选以至所述轴承的狭窄的连接部。
[0015]所述系统的旋转质量优选由CFK制成。借此保证，所述经受住较高的旋转速度。但旋转质量也可以由其他纤维复合材料构造。
[0016]为了无摩擦地支撑所述系统使用两个超导的轴承。但也可以使用超导的轴承和永磁的轴承的组合。
[0017]所述超导的轴承是不仅具有轴向刚度而且具有径向刚度的径向轴承。此外超导的轴承具有如下优点，即，其被动地工作，亦即没有主动的控制装置，亦即仅由其物理特性给予系统稳定性。这以只包括永磁的轴承的布置结构是不可能的。
[0018]超导的轴承将稳定性引入系统。在冷却期间，来自永磁体的转子侧的配合件的磁场在高温超导体的结构中被封锁。因此磁体轴承以力反抗其任何变化、因此反抗转子离开其位置的任何运动。由此转子在其位置中稳定。作为超导的材料优选作为实心材料使用钇钡铜氧化物(YTTRIUM BARIUM COPPER OXIDE)。当然也可以使用包括其他稀土的氧化铜陶瓷(稀土钡铜氧化物(RARE EARTH BARIUM COPPER OXIDE))或如铋锶钙铜氧化物的材料或二硼化镁。因为超导的轴承必须被冷却，有利的是，将所述超导的轴承在空间上与电机和主轴承分开，因为在机器中产生热量，所述热量影响其作为超导的轴承的功能性。所述轴承通过合适的机构连接到冷源上，所述冷源为了传热利用传导、对流或热声的效果。这可以在最简单的情况中通过由铜制成线缆的实现。
[0019]此外有利的是，将转子侧的支撑元件作为外转子实施，因为所述支撑元件通过出现的离心力被挤压到结构上。
[0020]在作为外转子的所述实施方式中，所述支撑元件无须耗费地固定粘接和用绷带包扎。
[0021]当所述支撑元件作为内转子实施时，则其必须被粘牢和用绷带包扎。
[0022]所述轴承因此可以不仅作为内转子而且作为外转子实施。此外所述轴承、如冷面，可以装备有加热装置，所述加热装置为维修目的加速加热。
[0023]如果对于定标应该是必要的话，可以沿所述轴还设置用于稳定的另外的小轴承。
[0024]电机对于所述系统不仅作为电动机而且作为发电机起作用并且因此调节到系统中的能量输送和输出。不仅可以作为包括在转子上的永磁体的电机实施，而且可以没有在转子上的永磁体地实施。后一种变型对于飞轮长期处于空转的使用优选，因为因此损耗可以通过涡流减少。用于冷却电机的定子可以使用空气、水、油或另一种流体。也可以使用用于传热采用热声的效果的机构。所述电机可以设置在旋转质量的上方或下方，但必须处于两个超导的轴承之间。
[0025]机器也可以这样分开，使得其不仅处于旋转质量上方而且处于旋转质量下方。以这种方式也可以将多于一个机器设置在系统中。
[0026]一般优选提供相对于旋转质量的平面的对称性的布置结构。
[0027]所述电机不仅可以作为内转子而且可以作为外转子实施。在外转子的情况中所述电机甚至可以集成到旋转质量中。
[0028]通过所述系统的该实施方式，提供一种蓄能器，所述蓄能器有效率和低成本地以最小化的能量损耗工作、可定标并且还足够地具有安全元件，以便可以用于工业环境中。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]接着借助七个附图和实施例进一步讨论本发明。附图示出:
[0030]图1包括由各个元件组成的叠片的固定元件的俯视图；
[0031]图2图1的一个部分的放大图；
[0032]图3安全储藏器的透视图；
[0033]图4作为飞轮存储器的按照本发明的解决方案的示意图，其中转子单元作为包括低温冷却器的内转子实施；
[0034]图5作为飞轮存储器的按照本发明的解决方案的示意图，其中转子单元作为包括低温冷却器的外转子实施；
[0035]图6作为飞轮存储器的按照本发明的解决方案的示意图，其中转子单元作为具有两个电动机的包括低温冷却器的外转子实施；
[0036]图7作为没有安全储藏器的飞轮存储器的按照本发明的解决方案的示意图，其中转子单元作为通过低温介质冷却的内转子实施。
【具体实施方式】
[0037]图1示出包括在固定元件I的空隙中的叠片3的固定元件I的俯视图，其中叠片3弧形地设置并且包括各个元件。环形的固定元件I形成围绕旋转质量2的环并且应该阻止旋转质量的部件到达外。固定元件I具有用于连接杆的孔4和空隙5，借此安全装置可嵌入保持结构中。
[0038]图2示出图1的部分放大图，其中在固定元件I的空隙上的叠片3包括多个元件
7，所述元件通过连接铰链6相互连接，其中元件7具有空腔8，在所述空腔中存在填充物，所述填充物用于如下情况，当旋转质量2的部件被甩出到安全设备中时，确保这些部件的快速制动。
[0039]如图3在透视图中示出的，安全储藏器具有上面的和下面的遮盖部10，所述遮盖部通过连接杆9相互连接，其中在上面的和下面的遮盖部10之间在本示例中设置有两个固定元件1，所述固定元件将叠片3保持在其间隙中。如图2示出的，不只可以在各个元件7的空腔中而是也可以在固定元件的孔和处于其中连接杆9之间设置填充或缓冲元件8。在图3中透视示出的安全储藏器也可以节段性地实施，即不仅遮盖环10而且固定元件I由各个区段或部段组装而成。
[0040]图3的安全储藏器可以以有利的方式嵌入按照本发明的解决方案像例如作为包括具有低温冷却器18的内转子的转子单元的飞轮存储器中，如其在图4的示意图中示出的。图4示出旋转质量2，所述旋转质量围绕轴17旋转并且设置在真空容器11中，真空12处于所述真空容器中。轴17在两侧具有轴承的转子单元15，其中所述轴承在两侧具有在框架14中的超导的元件16，所述框架构成超导的轴承的冷却外罩并且借助处于真空容器11外的低温冷却器18冷却。借助在轴承的框架14的低温冷却器18中的冷却连接部19，冷从低温冷却器18带入轴承，其中在真空容器11和冷却外罩的框架14之间在两侧设置有悬挂装置13。安全储藏器包括叠片3、固定元件I和遮盖环10并且以保护的方式包围旋转质量2，为此安全储藏器经由保持结构22固定在真空容器11上。在安全储藏器和真空容器11之间的该固定以有利的方式这样构造，使得安全储藏器在保持结构中可以一起旋转，从而从旋转质量2抛出的部件的能量可被较快速地吸收，而不会破坏安全储藏器。
[0041]作为飞轮存储器的重要部件设置包括其保持结构23的电机24，其中保持结构23将电机24与真空容器11连接。相对于电机24在轴17上设置电机24的转子单元26以及定子单元25。
[0042]在特别有利的方式在框架14上和超导的轴承的冷却外罩上设置有冷面21，真空中的气体微粒在所述冷面上冷冻并且借此真空被提高或稳定。冷面21在其背侧上具有绝缘部20。借此阻止，冷面朝该方向丢失能量。
[0043]图5示出作为飞轮存储器的按照本发明的解决方案，所述飞轮存储器作为包括具有低温冷却器18的外转子的转子单元实施。整个装置处于真空容器中，其中在轴17上，所述轴在其端部上包围冷却外罩的框架14连同轴承16的超导的元件并且在该区域中具有轴承的转子单元15。冷却外罩14的框架在两侧与真空容器通过悬挂装置13连接。低温冷却器18处于壳体外并且具有到轴承上的冷却连接部19。旋转质量2在本情况中也被安全容器包围，所述安全容器包括叠片3、固定元件I和遮盖环10并且通过保持结构22与真空容器11连接。在本实施例中也以有利的方式设置包括绝缘部20的冷面21，其中冷面21设有至用于冷却外罩的框架14的冷却连接部27。在旋转质量2上设置有转子单元26，所述转子单元与电机24的定子单元25相对置。电机24借助保持结构23与真空容器11连接。
[0044]图6在示意图中示出另一种有利的实施变型方案,其中示出包括旋转质量2的飞轮存储器并且转子单元作为外转子实施。低温容器18、冷面21和其绝缘部20以及冷却连接27以类似图5的方式实施。相同的内容适用于围绕旋转质量的安全储藏器，其中旋转质量2在两侧具有与电机24的定子单元25对置的转子单元26，其中电机24设置在安全容器的两侧并且通过保持结构23与真空容器11连接。
[0045]在图7中示出的另一种实施例中，飞轮存储器的按照本发明的解决方案没有安全储藏器地示出，其中冷面21设有绝缘部20，作为用于液氮29的室28的冷却起作用，亦即没有低温冷却器，而是低温介质用于冷却冷面21。转子单元26作为内转子实施，也就是说，在轴17上转子单元26相对于电机24的定子单元25设置，所述电机通过保持结构23与真空容器11连接。超导的元件16在两侧对置轴承的转子单元15并且在两侧与轴17对置，其中在该情况中超导的轴承的框架14与通过轴承的悬挂装置13与真空容器11连接。
[0046]附图标记一览表
[0047]I 具有空隙的固定元件
[0048]2 旋转质量
[0049]3 叠片
[0050]4 用于连接杆的孔
[0051]5 用于嵌入保持结构中的空隙
[0052]6 在元件之间的连接铰链
[0053]7 元件
[0054]8 元件的空腔或填充体积
[0055]9 安全储藏器的连接杆
[0056]10遮盖环
[0057]11真空容器
[0058]12 真空
[0059]13超导的轴承的悬挂装置
[0060]14超导的轴承的框架和冷却外罩
[0061]15轴承的转子单元
[0062]16轴承的超导的元件
[0063]17 轴
[0064]18低温冷却器
[0065]19轴承的冷却连接部
[0066]20冷面的绝缘部
[0067]21冷面
[0068]22安全储藏器的保持结构
[0069]23电机的保持结构
[0070]24 电机
[0071]25电机的定子单元
[0072]26电机的转子单元
[0073]27冷面的冷却连接
[0074]28用于液氮的室
[0075]29 液氮
[0076]30室的绝缘的悬挂装置
【权利要求】
1.用于存储和释放能量的可定标的装置，包括一个具有真空(12)的可抽真空的壳体、至少一个在轴(17)上的旋转质量(2)、至少一个被动的超导的径向轴承以及电机(24)，所述电机不仅构成电动机而且构成发电机，其特征在于，为了稳定真空(12)，在真空容器(11)中设置一个冷面(21)。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，冷面(21)与一个低温冷却器(18)或与一个包括液氮(29)的室(28)处于连接。
3.按照权利要求1和2所述的装置，其特征在于，冷面(21)具有一个绝缘部(20)和(或)一个加热装置。
4.按照权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，冷面(21)径向于旋转质量(2)或/和径向于所述超导的径向轴承设置。
5.按照权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述轴承之一作为永磁体轴承实施。
6.按照权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，一个轴承构成为内转子并且一个轴承构成为外转子。
7.按照权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，两个轴承或构成为内转子或构成为外转子。
8.按照权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，在所述超导的轴承上设置有一个加热装置。
9.按照权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，在电机(24)的转子单元(26)上设置有至少一个永磁体。
10.按照权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，电机(24)构成一个外转子。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，所述飞轮存储器具有多个电机(24)。
12.按照权利要求1至11之一所述的装置，其特征在于，电机(24)构成一个内转子。
13.按照权利要求1至12之一所述的装置，其特征在于，围绕旋转质量(2)设置有一个包括至少一个固定元件(I)、叠片(3)、遮盖环(10)或遮盖元件和结合部件的安全储藏器。
14.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，所述安全储藏器惯性滑行地与真空容器(11)的保持结构(22)连接。
15.按照权利要求1至14之一所述的装置，其特征在于，所述壳体固定在外部的结构中，所述结构抑制所述系统的不希望的振动模式。
【文档编号】H02K7/02GK104321956SQ201280073288
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2012年4月3日 优先权日:2012年4月3日
【发明者】C·伯夫, J·施泰因曼, W·沃尔特, P·雷菲拉克, J·阿门德, H·策勒 申请人:巴布科克诺尔有限公司