用于磁性地卸载转子轴承的设备和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求保护于2017年11月28日提交的美国专利申请号15/824,204的权益，其是于2013年8月22日提交的美国申请号13/973,937的部分继续申请，该申请要求保护于2012年8月23日提交的美国临时申请号61/692,631的优先权，它们的公开内容通过引用并入本文。于2017年11月28日提交的美国专利申请号15/824,204也是于2016年6月23日提交的美国申请号15/191,398的部分继续申请，该申请要求2保护于2015年6月26日提交的美国临时申请号62/185,441的权益，它们的公开内容也通过引用并入本文。

背景技术：

本发明总体上涉及由机械轴承支承的转子，并且更具体地涉及用于从转子的轴承上卸载转子的重量的方法和设备。

背景技术

转子(诸如被用于存储旋转动能的转子)沿着它们旋转轴线具有轴，这些轴通常由滚子轴承支承。因此，例如，竖直定向的转子可以具有下部滚子轴承和上部滚子轴承。对于这种构造，通常必需将下部轴承设计为支承转子的重量。

尽管使用滚子轴承来支承转子是有效的，但是这种轴承的通常使用需要大型轴承。因此，例如用于能量存储的转子可以具有超过1000磅的重量。能够支承较大重量的滚子轴承必然较大且昂贵。另外，如本领域所公知的，滚珠轴承的寿命受到滚道疲劳的限制，并且与轴承载荷的三次方成反比。

需要一种可以减小作用在支承转子的滚子轴承上的轴向载荷的设备和方法。该设备和方法应当与现有转子设计兼容并且易于实施。该设备和方法还应当提供更长的轴承寿命。

技术实现要素：

本发明通过使由竖直安装的转子的轴承支承的大部分重量卸载来克服现有技术转子支承设备和方法的缺点。在一个实施例中，作用在上部轴承上的载荷被磁性地卸载到最小预加载设定。在一个实施例中，该预加载荷的量是通过施加磁性提升力来实现的，该磁性提升力以很小的幅度超过转子的重量。磁性提升力和转子重量之间的微小差异构成施加在上部轴承上的预加载荷。本发明还包括机械布局，以及精确地规定作用在上部轴承上的残余轴向预加载荷所需的控制。

本发明的某些实施例(称为翻转轴承实施例)固定上部轴承的轴向位置，使得转子在正常运行期间不会向上行进。磁性控制系统在转子上维持所需的磁性卸载力或提升力。通过将弹簧与下部轴承串联放置，而不是允许上部轴承沿上部轴而轴向行进，来适应转子和轴的轴向尺寸增长。

这种方法的特点包括：首先，可以用轴向弹簧完全且精确地设定底部轴承上的载荷。其次，下部轴承外圈(或滚道)在它们的相应的孔中的滑动配合安装，转子可以行进一小段轴向距离。提供该空隙是为了允许在不匹配的热工况下以及由于向心载荷、在泊松效应下引导的转子轴向长度变化的情况下转子和壳体的差异膨胀。在转子处在由上部轴承组件限定的停止位置的情况下，限定磁性致动力的间隙被精确地设定。这样，规定绕组电流的磁性提升力非常准确且可重复。此外，由于磁性间隙处于最小设定，因此磁性提升绕组所需的功率最小。再次，轴向预加载荷施加在上部轴承上。该预加载力由磁性提升力与转子的重量之间的差来确定。轴向预加载荷由磁控制系统维持。

某些实施例提供了一种飞轮设备，该飞轮设备包括飞轮壳体；转子，该转子具有转子重量和与重力一致的竖直的旋转轴线，其中，该转子在围绕竖直的旋转轴线旋转的同时存储能量，并且其中，该转子包括磁性材料；磁体，该磁体连接到飞轮壳体，且构造成沿着竖直的旋转轴线施加所需的向上卸载力，其抵作用在消转子上的重力；上部轴承，该上部轴承连接到转子的上部轴，允许转子围绕旋转轴线旋转；以及轴承壳体，该轴承壳体设置在上部轴承与飞轮壳体之间，且基本上阻止上部轴承的向下轴向运动。

在某些实施例中，该设备包括控制系统，该控制系统向电磁体提供足以操作飞轮使转子处在固定的轴向位置的电流。

在某些实施例中，转子被维持在固定的轴向位置，并且布置在下部轴承下方的弹簧吸收了转子的轴向尺寸增长。

附图说明

图1是本发明的飞轮设备的第一实施例的示意性剖视图；

图2a和2b是上部轴承组件的第一实施例的示意性剖视图，其中，图2a示出了处于极限下部位置的转子，并且图2b示出了处于极限上部位置的转子；

图3是下部轴承组件的第一实施例的示意性剖视图；

图4是示出根据一个实施例的、对于两个间隙值的、根据电磁体电流的提升力曲线图；

图5是示出电流在飞轮设备的一实施例的运行期间变化时的提升力的曲线图；

图6是上部轴承组件的第二实施例的示意性剖视图；

图7是下部轴承组件的第二实施例的示意性剖视图；

图8是示出本发明的控制算法的一个实施例的控制系统图；

图9是本发明的飞轮设备的第二实施例的示意性剖视图；

图10是示出根据一个实施例的、对于两个间隙值的、根据磁链的电流曲线图；

图11是示出本发明的控制算法的第二实施例的控制系统图；

图12是具有第二实施例的磁体的本发明的飞轮设备的示意性剖面图；

图13是具有第三实施例的磁体的本发明的飞轮设备的示意性剖面图；

图14是上部轴承组件的第三实施例的示意性剖视图；

图15是下部轴承组件的第三实施例的示意性剖视图；以及

图16是示出本发明的控制算法的第三实施例的控制系统图。

在附图中使用参考符号和标记来指示其中所示的某些部件、方面或特征，并且在多于一个附图中共用的参考符号和标记指示其中所示的相似部件、方面或特征。

具体实施方式

下文的说明详细描述了提供对支承转子的传统滚子轴承的磁性卸载的设备和方法的特定实施例。转子轴承的卸载可减少运行摩擦并且还可延长轴承寿命。因此，对于在飞轮能量存储系统中使用转子的示例，本发明的卸载能够将运行摩擦减小到可以忽略的水平，并且将轴承寿命延长几个数量级。另外，本发明的结构和方法以其最小可能的设定为转子提供磁性支承，以使得磁性提升绕组所需要的电力最小。

图1是第一实施例飞轮设备100的示意性剖视图，该飞轮设备100包括壳体110、具有旋转轴线cl的转子120、以及用于支承转子并允许旋转的轴承，并且该飞轮设备100可以包括下部轴承组件130和上部轴承组件140。飞轮设备100还包括磁体170；电力部件150，其用于增加或去除转子120的电力；以及磁性卸载控制系统160。飞轮设备100以及轴承组件130和140通常关于中心线cl对称。如随后讨论的，轴承组件130和140支承转子120并且允许转子的些许轴向运动，如箭头a所示，并且其中该轴向运动的总范围表示为δ。

如随后讨论的，磁体170包括电磁体，该电磁体在本文中也不受限制地称为“卸载器”或“卸载器电磁体”，其可被操作以在转子120上提供与重力相反的力(抵消重力的力)。当诸如通过由控制系统160施加的电流来致动磁体170的电磁体时，转子可以向上移动例如所指示的距离δ。在一个实施例中，最小距离δ可以例如从0.25mm(0.01英寸)到1.0mm(0.04英寸)，以允许预期的差异的(differential)膨胀。

因此，转子120的一部分支承传递到磁体170，并且因此减小轴承组件130上的向下力的大小。相比于必须支承整个转子重量的轴承，减小的轴承载荷是有利的，因为可以使用更小、更轻的轴承和/或可以增加轴承寿命。

壳体110包括壳体主体111，该壳体主体111围绕转子120，并且可以例如被抽空空气以减少来自旋转的转子的摩擦损失。壳体110还包括磁体170的若干部件，包括但不限于上壳体构件173和提升绕组171，其中上壳体构件173由磁性材料形成或包括磁性材料。上壳体构件173的磁性材料可以是例如但不限于钢。在替代实施例中，磁体170位于转子120上方并且与壳体110分离。因此，磁体170布置成在转子120上提供提升力。

如随后讨论的，壳体110和/或磁体170的各种实施例可以包括例如但不限于感测元件，以确定磁体170和/或转子120的运行状态。

转子120具有转子主体121、下部轴123和上部轴125，转子主体121由磁性材料形成或包括磁性材料。在一个实施例中，转子120例如但不限于由诸如钢的磁性材料形成，并且重量w从45kg(100lbs)至27,000kg(60,000lbs)。

电力部件150包括但不限于包括转子151和定子153的电动发电机，转子151附接到下部轴123，定子153附接到壳体111。电力部件150在本领域中是众所周知的，并且在转子120中被用于将电能转换为旋转能。

通常，轴承组件130、140在壳体110内为转子120提供旋转支承。图1中所示的组件130和140是通用的，并且更具体地，如随后讨论的，下部轴承组件130包括连接下部轴123和壳体110的滚子轴承，并且上部轴承组件140包括连接上部轴125和壳体的滚柱轴承。另外，轴承组件130和/或140的各种实施例可包括例如但不限于允许在轴承上的轴向运动和力的弹簧、限制轴承的轴向运动的止挡件、和/或用于测量轴承上的轴向力或位移的传感器。转子的轴向增长(或缩减)和转子120的较小轴向位移可以通过弹簧、止挡件和磁体的组合来提供或减轻，以在飞轮组件100的运行期间提供至多为约1毫米的δ范围。

通常，对轴承组件130、140的最低要求是它们包括至少一组轴承，并允许转子120的一些轴向运动。图2a和2b是第一实施例的上部轴承组件240的示意性剖视图，其中，图2a示出了处于极限下部位置的转子120，并且图2b示出了处于极限上部位置的该转子。上部轴承组件240通常类似于轴承组件130和140，除了下面明确讨论的以外。

如图2a中所示，上部轴承组件240在壳体110中支承上部轴125。更具体地，上部轴承组件240包括轴承241，该轴承241包括轴承内部243、滚珠轴承245、以及轴承外部247。轴承241的内部连接到转子120，例如将轴承内部243压配到上部轴125，而轴承外部247连接到壳体110。上部轴承组件240还包括上部轴向弹簧244和表示为止挡件201的刚性件，上部轴向弹簧244连接壳体110和轴承外部241，止挡件201连接到壳体110并限制弹簧运动。弹簧244可以是例如但不限于波形或贝氏垫圈(bellvillewasher)，并且可以被构造成在转子120上提供向下的力。

在图2a的极限下部转子位置中，在轴承外部247和位于壳体110中的止挡件之间存在尺寸为δ的间隙。在图2b的极限上部转子位置中，轴承241被向上推，直到轴承外部241接触止挡件201。因此，上部轴承组件240允许转子120旋转并由止挡件201的尺寸提供限制的轴向位移。

图3是第一实施例的下部轴承组件330的示意性剖视图。下部轴承组件330通常类似于轴承组件130、140和240，除了下面明确讨论的以外。

如图3中所示，下部轴承组件330在壳体110中支承下部轴123。更具体地，下部轴承组件330包括轴承341，该轴承341包括轴承内部333、滚珠轴承335、以及轴承外部337。轴承331的内部连接到转子120，并且例如，轴承内部333压配到上部轴123，且轴承外部337连接到壳体110。下部轴承组件330还包括下部轴向弹簧332和可选的刚止挡件301，下部轴向弹簧332连接壳体110和轴承外部331，止挡件301连接到壳体110并限制弹簧运动。弹簧332可以是例如但不限于波形或贝氏垫圈，并且可以被构造成在转子120上提供向上的力。下部轴承331可以类似于上部轴承341，或者可以在构造或承载能力方面有所不同。

由磁体170在转子120上产生的提升力由间隙g确定，该间隙g是磁体的磁极与转子之间的距离。在图1中显而易见的是，间隙g取决于转子和磁体的几何形状而随轴向位移δ变化。因此，当转子移动到极限向上位置时，g最小，而当转子向下移动距离δ时，g处于最大距离。另外，随着间隙g改变，由于弹簧运动(诸如来自下部轴向弹簧332和上部轴向弹簧244)而作用在转子120上的力也改变，取决于弹簧设计。

轴承241和331的外部以滑动配合安装，并且径向空隙为2.5pm(0.0001英寸)至25pm(0.001英寸)。轴向游隙δ仅被提供用以允许转子相对于壳体的必需的长度上的差异膨胀，该膨胀例如由于不匹配的热工况，或由于向心载荷引起的泊松效应引起的转子轴向长度变化。

这标称地仅在致动磁体170时，才在一端，即底部处需要。在一个实施例中，为轴承241和331两者提供了滑动配合，使得当磁体170或是激活(用底部弹簧331和滑动配合)或未激活(用顶部弹簧和滑动配合)时，能够用轴向弹簧244和332设定轴承力。

控制系统160可以用于向提升绕组171提供电流i。具体地，当电流i被施加到提升绕组171时，所产生的磁场对转子主体121中的磁性材料产生与转子主体的重量相反(抵消转子主体的重量)的吸引力。因此，例如，在提升绕组171中没有任何电流的情况下，作用在轴承组件130和140上的组合轴承力是转子的重量。在将电流施加到提升绕组171的情况下，作用在轴承组件130和140上的组合轴承力是转子重量减去转子120对提升绕组171的吸引力。

下文的简化分析提供了对飞轮组件100，特别是轴承组件130和140所涉及的力的一些理解。

作用在转子120上的力包括如下的力的组合，即，转子的向下重量w、由上部轴承241施加的向下力fue、由下部轴承弹簧332施加的向上力flb、以及由磁体170引起的向上提升力，其可写作f。

因此，作用在轴承241和331上的力是w和f，以及如下的力的组合，即，由轴向弹簧244和332以及轴承运动遇到的任何止挡件(诸如止挡件201和/或止挡件301)施加的力。通常，轴向弹簧244和332两者都可以设有少量的轴向预加载荷，诸如转子重量w的最小分数(例如，0.001至0.10)。特别重要的是，转子120不接触任何静止部件。另外，如下文描述，随着转子120接近磁体170，在固定的磁体电流情况下吸引力增加，并且期望有一些方法来固定最小的磁体-转子间隔。

由于通过增加提升力f而减小了下部轴承力，因此可见的是，施加提升力可能大大减小作用在下部轴承组件130的轴承上的力。在某些实施例中，如下文描述，力f被调整以平衡或近似平衡重量w，并且上、下部轴承力变得几乎相同，且可以数值上等于上述的少量预加载荷。

简化分析基于使用高磁导率线性磁性材料，该简化分析示出f的值随电流i的平方而增加，并且与间隙g的平方成反比。因此，例如但不限于，图1的磁体170的电磁体部件的理想化模型在图4中以曲线图400示出，其示出了针对两个间隙g的值的根据电磁电流i的提升力f。针对g的最大值(g＝gmax)计算出第一曲线401，即，其中转子120处于例如如图2a中所示的极限下部位置，并且针对g的最小值(g＝gmin)计算第二曲线403，即，其中转子处于例如如图2b中所示的极限上部位置。磁体170作用在转子120上的提升力f大约为f＝k(g)*i²，其中在图1中f的方向是向上的，i是提供给提升绕组171的电流，并且k(g)是取决于间隙g的常数。更具体地，g减小将使k(g)增加，即，随着转子120接近电磁体170，吸引力变大。对于具有无限磁导率的理想磁性材料，k(g)将表现出平方反比关系。

在没有电流(i＝0)的情况下，转子120处于极限下部位置，并且曲线401提供作为i的函数的提升力f的值。当电流足以将转子提升至极限上部位置时，提升力的值增加到由曲线403所提供的值。因此，转子120取决于电流具有两个稳定的机械位置。

分析飞轮设备100的动力学的一种方法在图5中进一步示出为曲线图410，其示出当在飞轮设备100的运行期间随电流i变化的提升力f。从静止开始，间隙为最大值(g＝gmax)，并且施加至磁体170的电流沿着曲线401增加提升力f，如曲线部分411和412所示。在一些第一、或上临界电流(表示为ii)处，提升力f克服重量w和作用在转子120上的其它力(诸如弹簧预加载荷)，如曲线401的点413所示。在该点处，转子120的轴向位置是不稳定的，并且电流的任何轻微增加或转子的轻微向上轴向运动都将引起转子提升，使g减小到值gmin，如曲线部分414所示，其终止于曲线403上的点415a。注意，在该较小的间隙g处，提升力f已经增加到比重量w大得多的值，迫使转子去到图2a的极限上部位置。在临界点的不稳定性是由于有吸引力的磁体组件的较大的负刚度所致。

随着转子沿着曲线403运行，电流i可以减小，如曲线部分416所示。在一些第二、下限临界电流(表示为i2)处，提升力在曲线403上的点417处再次平衡了作用在转子120上的力，并且该转子的位置下降到间隙为gmin，并且转子的运行是沿着曲线401的。现在，提升力不足以使转子悬浮，并且电流的增加沿着部分412移回到点413。因此，电流力的图显示了电流改变的磁滞现象。

某些实施例操作本发明的飞轮组件以减少轴承上的载荷，特别是减少下部轴承组件130中的轴承上的载荷。减少的运行载荷使得轴承尺寸减小、成本降低并且使用寿命增加。

因此，通常可见的是，磁性提升力因此伴随着相当大的负刚度。当该提升力与转子重量大致匹配，并且因此远远超过被动机械弹簧的预加载荷时，伴随的负刚度也远远超过预加载的弹簧的被动正刚度。结果是，转子将在两个极限轴向位置之一中找到稳定的平衡。这些位置对应于以下位置中的一种：1)下部轴承外滚道，该下部轴承外滚道在其座部中位于其极限轴向位置(由机械止挡件设定)，2)上部轴承外滚道，该上部轴承外滚道位于其相应的极限轴向位置。期望这种在极限轴向位置处的运行策略，因为这实现了相对较高的轴向刚度。剩余的轴向顺应性(compliance)是由于该轴承本身的轴向刚度。

可以预期的是，其中磁性提升力要足够大以确保上部轴承外滚道定位成抵靠其止挡件的运行是优选的位置和设计。这需要附加的提升力，而不仅仅是使轴承简单地卸载。

将转子定位在其上部轴向极限位置是是关键的：(i)提升结构的磁性间隙保持最小。该最小值(例如1至3mm)由制造公差设定。该最小间隙导致用以达到规定的提升力的最小提升电流和电力耗散；以及(ii)该磁性间隙在如下的运行条件下保持不变，即，当转子和壳体之间出现差异的膨胀时。这些差异的膨胀在底部轴承座处被吸收。

因此，用于平衡的提升电力耗散保持在其实际最小值，影响该提升力的磁体电流在运行期间几乎不变。

在某些实施例中，优选地操作飞轮设备100，使得提升力f接近地且稳定地平衡重量w。曲线部分419示出了间隙值为gmin的飞轮设备100的稳定运行范围，使得转子120更靠近磁体170，并且提升力接近地匹配转子的重量。具体地，在这样的情况下，以磁体170支承转子重量而使转子重量被提升，并且作用在轴承组件130的轴承上的轴向力为轴承组件130中任何弹簧的预加载量的量级，其可以是转子重量的一小部分，诸如在轴承额定动载荷能力的1％范围内。

在转子120因此被提升的情况下，作用在下部轴承331上的载荷通过轴向弹簧332精确地设定，并且通过磁力与转子重量的差来设定作用在上部轴承241上的载荷。在某些情况下，磁力与转子重量之间的差将等于上部组件中的弹力。在其它情况下，特别是在负磁体刚度超过正弹簧刚度的情况下，上部轴承241将接触止挡件210，并且作用在上部轴承241上的载荷将超过弹簧244的预加载荷。轴承上减小的运行载荷使得轴承尺寸减小、成本降低以及使用寿命延长。

在一实施例中，控制系统160在ii与i2之间循环电流，然后在曲线部分419上提供比i2稍高的电流。在另一个实施例中，控制系统160通过在飞轮系统100运行之前确定电流ii和i2并且将值存储在查找表中来提供开环控制，并且通过将电流增加到ii的值，然后将电流减小到略高于值i2的值来操作飞轮以在曲线部分419上运行。

通常，可能难以用简单开环设定点来在卸载磁体装置中设定电流(或指定磁体强度)。这个困难是由于提升磁铁的参数不确定性引起的。不确定性是由于在制造(公差)和运行两者中出现的磁性间隙和面积的几何变化引起的。运行中参数变化响应于如下因素随磁性间隙的变化发生：(i)转子和壳体之间的差异的热膨胀，以及(ii)施加的磁性提升力。具体地，磁性提升力可对抗被动轴向弹簧加载元件而直接影响转子的平衡位置。

以下讨论描述了用于通过使用传感器和反馈控制来更直接地控制转子120的提升的两个实施例。第一实施例利用机械传感器或测量手段来确定转子120的位置或作用在转子120上的力。第二实施例利用电(非机械的)传感器或测量手段来确定磁通量，并且因此确定飞轮设备100的运行请况。

机械感测和运行方法

某些实施例包括针对转子位移的传感器和/或测量手段。在某些实施例中，控制系统160可以接收来自飞轮组件100的传感器的输入，该输入可以被用于通过反馈控制来调节电流i，以使转子120运行在极限上部位置，并且电流尽可能实际接近最小电流i2。

作为使用机械感测来控制飞轮组件100的示例，一个或多个力传感器可以设置到飞轮组件以测量力并向控制系统160提供输出。因此，例如，图6是上部轴承组件730的第二实施例的示意性剖面图，并且图7是第二实施例的下部轴承组件730的示意性剖面图。轴承组件640和730总体上类似于本文所述的其它轴承组件130、140、240、330，除了随后明确讨论的以外。

如图6中所示，上部轴承组件640包括上部轴承组件240的部件和力传感器，在本文中称为应变仪601。应变仪601附接到壳体110，并且止挡件201和轴向弹簧244都附接到应变仪。因此，上部轴承组件640的运行总体上类似于轴承组件240的运行，并且使用应变仪601来测量从转子120传递到上部轴承组件的力并且将该测量值提供给控制系统160。

如图7中所示，下部轴承组件730包括下部轴承组件330的部件和力传感器，在本文中称为应变仪701。应变仪701附接到壳体110，并且止挡件301和轴向弹簧332都附接到应变仪。因此，下部轴承组件640的运行总体上类似于轴承组件330的运行，并且使用应变仪701来测量从转子120传递到下部轴承组件的力并且将该测量值提供给控制系统160。

在一个实施例中，控制系统160接受并使用上部应变仪601的信号作为作用在上部轴承241上的轴向载荷的指示。然后可以经由常规信号反馈或进行校准而将应变仪601用于低带宽控制回路中，以精确设定作用在轴承201上的预加载荷。下部轴承331的轴向预加载荷由下部轴向弹簧332设定。

在另一实施例中，力f用于将转子120保持抵靠止挡件201，并且在上部轴承中仅需要一个应变仪测量，例如源自应变仪601，而在下部轴承组件130上没有设置应变仪。下部轴承331上的轴向载荷由底部轴承安装件中的预加载弹簧设定。

图8是示出本发明的控制算法800的一个实施例的控制系统图，控制算法800可以实现为模拟或数字控制系统160。通常，控制算法800接收例如由力传感器(例如应变仪601)感测的作用在上部轴承241上的力的测量，并且向提升绕组171提供电流i以使飞轮设备在图5的曲线部分419上运行。

算法800具有存储的参考值f*(其表示期望的作用上部轴承231上的轴向力)，并且计算残余力，其可以写为f残余＝k(gmin)*i²-w。残余力由应变仪601感测，该应变仪601产生输出模拟信号f测量。算法800从f*减去f测量以产生误差信号fe，然后将其放大以产生至提升绕组171的所需量的电流i。

非机械感测和运行方法

以下讨论提供了基于与产生力f的磁通量相关联的测量值来控制飞轮组件100的替代实施例。图9是第二实施例飞轮设备900的示意性剖视图。飞轮设备900与飞轮设备100总体上类似，除了随后明确讨论的以外。

飞轮设备包括转子920，该转子920的形状比转子120成形地更为圆柱，但是在其它方面总体上类似。转子920可以用在任何先前的实施例中，其可以例如是但不限于图1、2、3、6或7中的任何一个的实施例。替代地，该部分的非机械感测和运行方法可以被结合到转子120或其它不同几何形状的转子中。

飞轮设备还设置有一个或多个间隙磁场感测元件。图9示出了第一霍尔传感器901和第二霍尔传感器903的放置，第一霍尔传感器901直接位于转子920和电磁体170之间的间隙中并测量该间隙内的场，第二霍尔传感器903位于电磁提升磁极的外边缘上并且感测边缘场(fringingfield)，该边缘场与直接间隙场成正比。

磁性提升力f可以描述为f＝kbλ²，其中λ是绕组磁链，并且kb基本上独立于磁性间隙g。绕组磁链限定为通常穿过间隙的磁通量密度的积分乘以绕组项的数量。所测得的间隙磁通量，或者替代地，物理上与该间隙磁通量成正比的信号提供用以准确、精确地控制磁卸载力的测量信号。图10是曲线图1000，其示出针对两个间隙值的、根据用于电磁体的磁链λ的电流i，曲线1001示出针对最大间隙gmax的电流，并且曲线1003示出针对最小间隙gmin的电流。

随着磁通量从零开始增加，电流i根据具有最大间隙尺寸gmax的互感绕组电感、沿着曲线1001成比例地增加。这是绕组电感的最小值。随着磁通量的增加，磁力将提升，直到其平衡转子的重量。在该i＝ii的临界值处(表示为点1011，并且在上面参考图5讨论)，转子如曲线部分1014所示提升，导致新的磁性间隙gmin和对应的最大绕组电感。由于磁通量不能瞬时改变，因此绕组电流i从i＝ii降低至i＝i2。磁通量的后续增加遵循曲线1003，对应于最大电感和最小绕组电流。该区域，特别是点1013附近的部分1014可限定优选的高效运行区域。磁通量和绕组电流的参考值可以从对该过渡区域的观察中得出。

描绘图4和10中的两条曲线的电参数是卸载器绕组电感。因此，电流ii和i2以及磁通量的过渡值被反映在瞬时绕组电感值中。瞬时绕组电感值可以通过计算通量λ与绕组电流的静态比来确定。替代地，瞬时绕组电感值可以通过如下的方式确定，即，把一个小幅值的纹波信号注入到绕组中，并且解决纹波磁通量与纹波电流的比率。纹波磁通量与纹波电流的比率也由绕组电感限定。

电流i2的推导出的参考值可以由控制系统160直接使用以驱动电流i，提供所需的卸载力。或者，可以使用基于磁通量的替代控制器来精确地控制力，如图11的控制系统图所示，其示出了控制算法1100的第二个实施例。

控制算法1100示出了使用绕组电压171作为控制系统160的输入，当磁通量低于参考值时把电压向上调节，并且反之亦然。使用模拟或数字比例积分(p-i)控制器可以方便地实现此控制。电流i可以被测量以用于过流保护电路，也可以被用作用于控制器中的辅助变量。然而，由于磁通量被用作主要的物理控制变量，因此不需要直接控制电流作为输入或输出。

替代的磁体实施例

在替代实施例中，上述任何飞轮设备可具有磁体170，该磁体170是包括电磁体和永磁体两者的混合磁体。

图12是具有第二实施例磁体1270的本发明的飞轮设备1200的示意性剖面图。飞轮设备1200总体类似于上述的任何飞轮设备。磁体1270包括磁体170(其为电磁体)和永磁体1201。在该实施例中，磁体1201是轴向磁化的环形磁体，并且可以是一个磁体或者可以是几个较小的弧形磁体。磁体170和1201布置成具有共用的磁通路径。

在飞轮设备1200中，转子920通过磁体170和1201的组合被提升。这种组合可减少磁体170所需的提升电流量，并且因此磁体770的电磁体的绕组可以按比例地小于飞轮设备100的绕组，和/或绕组电力需求可以降低。

图13是具有第三实施例磁体1370的本发明的飞轮设备1300的示意性剖面图。飞轮设备1300总体类似于上述的任何飞轮设备。磁体1370包括磁体170(其为电磁体)和永磁体1301。在该实施例中，磁体1301是轴向磁化的轴对称环形磁体，其构造成与磁体170的磁通路径串联。

如在飞轮设备1200中那样，飞轮设备1300的转子920通过电磁体和永磁体的组合而被提升并且因此磁体1370的电磁体的绕组可以按比例地小于飞轮设备100的绕组。

翻转轴承实施例

图14是上部轴承组件1440的第三实施例(称为翻转轴承实施例)的示意性剖视图，并且图15是下部轴承组件1540的第三实施例的示意性剖视图。轴承组件1440和1540总体上类似于本文所述的其他轴承组件130、140、240、330、640和730，除了随后明确讨论的以外。

在该实施例中，转子120在飞轮运行期间不轴向行进；磁体170用于调节转子120施加抵靠上部轴承组件1440的力的大小而不是转子沿轴的轴向运动。此外，上部轴承组件1440支承向下的净力而不是向上的净升力。向下的净力是转子重力载荷(即转子重量)与由磁体170施加的向上提升磁性力之间的差。在该实施例中，优选的操作是使转子的重力载荷略微超过向上的磁性提升力。

在图14所示的实施例中，上部轴承组件1440支承上部轴125，该上部轴125又连接到转子主体121。上部轴承组件1440包括上部轴承1441、轴承锁定帽1413以及力传感器1401。轴承1441包括轴承内部1443、滚珠轴承1445以及轴承外部1447。轴承1441的内部经由上部轴125连接到转子主体121。轴承内部1443可以例如压配至上部轴125。轴承外部1447连接到上部轴承壳体1420，该上部轴承壳体1420又刚性地连接到壳体主体111。

与上部轴承组件240和640相比，既不需要轴向弹簧也不需要止挡件；相反，轴承壳体1420用作止挡件。力传感器1401安装在轴承座1420的下部与轴承外部1447的底部之间。力传感器1401使得能够使用下文中参考图16描述的闭环力控制方法。

轴承锁定帽1413将上部轴承1441装配到并且固定在轴125上。可以理解的是，轴125可以是短轴。

上部轴承壳体1420用作下部止挡件，以限制轴承1441的向下轴向运动。在某些实施例中，上部轴承壳体1420是壳体主体111的一部分；在其它实施例中，轴承壳体1420是刚性地连接到壳体主体111的独立部分。在翻转轴承的实施例中，上部轴承壳体1420从下方支承上部轴承组件1440。

上部轴承外部1447使用滑动配合，因此通过力传感器1401支承上部轴承1441上的载荷，以允许精确地测量上部轴承载荷。

如先前所讨论的，转子120在正常运行期间不轴向移动；其在启动或关闭期间也不轴向移动。为了阻止异常的向上竖直位移，可以包括备用推力轴承1415。例如，由于运输过程中的事故或者由于地震事件，因此可能会发生这种异常的向上竖直位移。在角接触轴承用于轴承1441的情况下，备用推力轴承1415是额外有用的，如下面进一步详细说明的。

备用推力轴承1415位于轴承锁定帽1413与盖1417之间，盖1417锁定到壳体111。在正常运行中，在轴承锁定帽1413的顶部与备用推力轴承1415的底部之间有一个距离β(贝塔)的间隙1419。然后，该距离β是上部轴承1441在不与备用推力轴承1415啮合的情况下可以行进的总轴向距离。如果在竖直方向上超过此距离，则轴承锁定帽1413将与备用推力轴承1415接合。备用推力轴承1415被称为备用轴承，因为在正常运行中它不旋转，即不与轴承锁定帽1413接触。备用推力轴承1415构造成通过在没有摩擦地限制旋转的情况下容纳向上的推力来吸收或扩散来自轴125的向上的竖直推力，否则可能导致损坏或容纳问题。虽然在运输过程中转子不旋转，但是如果在飞轮运行期间发生地震或其它事件，则那时转子120很可能在旋转。在这种情况下，备用轴承不仅是简单的衬套材料,它有利于吸收或扩散转子的较大旋转能量。

可以理解的是，虽然示出了备用推力轴承1415以指示滚珠轴承的使用，但是也可以使用其它类型的轴承，尤其包括润滑板。还可以理解的是，在某些实施例中没有盖1417，在这种情况下，飞轮壳体110可提供轴承组件1440的顶部。

与上部轴承组件240和640不同，上部轴承组件1440不需要轴向弹簧或是止挡件；相反，轴承壳体1420用作止挡件。力传感器1401安装在轴承座1420的部分与轴承外部1447的底部之间。这使得能够使用参考在下文中描述的图16描述的闭环力控制方法。

在图15所示的实施例中，下部轴承组件1530支承下部轴123，该下部轴123又连接到转子主体121。如图所示，下部轴123可以是短轴，其连接到转子主体121的轴颈。但是，在其它实施例中，下部轴123可以采用不同的形式，并且下部轴123与转子主体121之间的连接可以采用不同的形式，而不脱离本发明的范围和精神。

下部轴承组件1530包括下部轴承1531和弹簧1532。弹簧1532设置在下部轴承1532与下部轴承壳体1520之间。轴承1531包括轴承内部1533、滚珠轴承1535以及轴承外部1537。轴承内部1533经由下部轴123连接到转子主体121。轴承外部1537连接到轴承壳体1520。轴承内部1533可以例如压配到下部轴123。

在某些实施例中，下部轴承壳体1520是壳体主体111的一部分；在其它实施例中，下部轴承壳体1520是刚性地连接到壳体主体111的独立部分。在翻转轴承的实施例中，下部轴承壳体1520从下方支承下部轴承组件1530。

下部轴承外部1537使用滑动配合沿着下部轴承壳体1520轴向行进，以适应由于变温和运动引起的转子轴向增长而在转子及下部轴123与壳体111之间的差异的长度调节。弹簧1532设定为预定的轴承预加载荷以允许这种行进。

各种实施例可以实现翻转轴承设计。在某些实施例中，上部轴承1441以及下部轴承1531采用沿一个方向提供较高推力的角接触滚珠轴承。通常地，角接触滚珠轴承在内圈和外圈中具有滚道，这些滚道沿着轴承轴线的方向相对于彼此移位。这意味着它们被设计成同时适应径向和轴向载荷。在这样的实施例中，上部轴承1441和下部轴承1531被安装成沿着向下的方向上提供较高抗轴向负荷的能力，以支承转子抵抗向下的重力。

相对于参照图2a至2b、3、6和7描述的先前的轴承组件实施例，结合翻转轴承设计的飞轮实施例提供了许多优点。支承下部轴承的弹簧1532的使用允许下部轴承壳体处适应差异的转子和壳体轴向尺寸的增长。这样，在壳体和转子之间的差异的尺寸改变的情况下，磁性间隙g的尺寸几乎不变。上部轴承1441上的载荷由电磁卸载控制系统160设定和控制，而下部轴承1531上的载荷可以通过轴向预加载弹簧完全控制。因此，直接确保下部轴承在所有工作条件下都将具有出色的疲劳寿命。结果是，对轴承组件1440、1530的任何维护(诸如更换或维修)将通常仅涉及上部轴承组件1440，其可以从顶部触及，而不必需使飞轮转子120断开连接和去除。这可以大大减少服务和维修成本。

翻转轴承的设计还可减少所需的卸载器提升力。例如，如果卸载器磁铁170必需将转子重量+1000lb施加到顶部轴承组件1440，则使用翻转轴承设计的话，其施加转子重量-1000lb。这使得对卸载器磁体170中的电磁体的控制更加容易，并且可潜在地减小其能量消耗和尺寸。

此外，由于异常运动对轴承的损坏将更有可能冲击或损坏相对较便宜、更易于更换的备用轴承1415而不是相对较昂贵的主轴承，即顶部轴承1440和底部轴承1540。

图16是示出本发明的控制算法1600的第三实施例的控制系统图。控制算法1600是控制算法800的一种版本，其适于与参照图14至15描述的翻转轴承实施例一起使用。这样，除了力感测元件1401具有相反的极性之外，其与控制算法800相同；因此控制算法1600的极性与控制算法800的极性相反。

控制算法1600可以被实现为模拟控制系统或数字控制系统160。通常，控制算法1600接受例如由力传感器1401(其例如可以是应变仪或其它类型的传感器或换能器)感测的作用在上部轴承1441上的力的测量，并且向提升绕组171提供电流i以使飞轮设备在图5的曲线部分419上运行。

算法1600具有存储的参考值f**(其表示期望的作用上部轴承1441上的轴向力)，并且计算残余力f’残余,，其可以写为f’残余＝w-k(gmax)*i²。实际上，该参考值的范围可能在30lbs至400lbs之间，这取决于轴承尺寸、规格和运行模式。在正常运行期间，可以将参考值设定为靠近最小预加载值，以使滚道疲劳和阻力最小化。在启动过程中的某些瞬态情况期间或在地震事件期间，可以暂时将该参考值设定为更高的值，以保持轴承上的正加载力。残余力f’残余由应变仪1401感测，该应变仪1401产生输出信号f测量。算法1600从f测量减去f**以产生误差fe，然后将其放大以产生所需的去到提升绕组171的电流i大小。算法1600使用gmax作为从转子主体121到磁体170的距离，gmax为参考图4限定的最大间隙值。基本上，转子120在正常运行期间维持在该轴向位置，由轴承壳体1420从下方支承。磁性间隙gmax提供了空隙，以使得备用推力轴承1415在正常运行期间不接合。因此，虽然转子120在由gmax限定的固定轴向位置处运行，但是该设计允许在下部轴承组件处适应轴向增长，即，具有允许轴向膨胀或收缩的弹簧1532。

本文中描述的每种方法的一个实施例是在例如作为控制系统一部分的一个或多个处理器的处理系统上执行的计算机程序的形式。因此，如本领域技术人员可以理解的，本发明的实施例可以实施为方法、诸如专用设备之类的设备、诸如数据处理系统之类的设备、或例如，计算机程序产品的载体介质。载体介质承载一个或多个计算机可读代码段，以用于控制处理系统来执行方法。因此，本发明的方面可以采取方法、完全为硬件的实施例、完全为软件的实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本发明可以采用载体介质(例如，计算机可读存储介质上的计算机程序产品)的形式，其承载在该介质中具体表达的计算机可读程序代码段。可以使用任何合适的计算机可读介质，包括诸如磁盘或硬盘的磁性存储设备，或诸如cd-rom的光存储设备。

可以理解的是，在一个实施例中，所讨论的方法的步骤由执行存储在存储器中的指令(代码段)的处理系统(即，计算机系统)的适当处理器(或若干处理器)来进行。还可以理解的是，本发明不限于任何特定的实施方式或编程技术，并且可以使用用于实现本文描述的功能的任何适当的技术来实现本发明。本发明不限于任何特定的编程语言或操作系统。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着与该实施例描述相关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必一定都但有可能指代相同的实施例。此外，一个本领域普通技术人员从本公开中显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的上述的说明中，本发明的各种特征在单个实施例、附图或它们的说明中有时组合在一起以用于简化本公开并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映了以下意图：所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多特征。而是，如所附的权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求在此明确地结合到具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为本发明的单独实施例。

因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以对其进行其它和进一步的修改，而不会脱离本发明的精神，并且旨在要求保护的是落入本发明的范围内的所有这些改变和修改。例如，以上给出的任何公式仅代表可以使用的过程。可以向框图中添加或从框图中删除功能，并且可以在功能块之间互换操作。可以向在本发明范围内描述的方法添加或删除步骤。