[发明专利]机电电池

说明书

本发明涉及机电电池，机电电池包括被结合到环形飞轮中的永磁体的单极对哈尔巴赫阵列，环形飞轮一并包括：转子组件；用于在主动控制下使用“双提升”吸引磁悬浮器使转子组件悬浮的装置；以及用于通过与哈尔巴赫阵列的边缘场相互作用而主动地稳定旋转的转子组件的装置。

相关申请

本申请要求于2018年7月6日提交的第62/694,853号美国临时专利申请的权益，如同在此充分阐述的，该申请包括附图被完全并入在本文中。

技术领域

本发明涉及一种以动能-运动的机械能的形式存储电能的设备和方法。

背景技术

不再使用化石燃料来产生电能的大趋势已经走了很多路。重要的可再生能源(例如太阳能、风能和潮汐能)间歇地提供能量，这些能量暂时与能源需求不挂钩。减轻这种情况的一种方法是开发电池以促进间歇性能源的存储。

电化学电能存储具有局限性：主要关注的是这种电池的寿命周期和成本。然后，当然会存在制造中使用有毒材料的问题。进入机电电池，通常被称为储能飞轮FES，或简称为飞轮。

机电电池由基本上惰性的标准结构材料组成：永磁体、常见金属、聚合物复合材料等。在最近的一次设计迭代中，机电电池包括：磁体的柱状哈尔巴赫阵列(Halbach Array)、以哈尔巴赫磁场为中心的定子、与哈尔巴赫阵列耦合的飞轮，其中飞轮运动以存储能量。为了使尽可能多的摩擦阻力来源最小化，将高速旋转部件放置在真空室内。在梅里特等人的“Halbach Array Motor/Generators–A Novel Generalized Electric Machine”一书中可以看到装有哈尔巴赫阵列的飞轮的示例。

在这种配置中，机电电池可以优于当前的电化学电池。例如，功率密度可以达到5-10kW/kg，是大多数内燃机的几倍，是目前最好的电化学电池的100倍。并且能量回收效率可以超过典型的电化学电池。

也许最有趣的是，机电电池的寿命周期实际上是无限的，据估计超过十年的恒定充电/放电周期广泛受到赞誉。除了针对间歇性电源提供上述缓解存储功能外，这还使得机电电池也能够被用在可以具有很多快速充电/放电周期的存储应用中，诸如相位和负载匹配应用、功率均衡和功率调节。

然而，机电电池不是没有问题。

恩肖定理描述了悬浮非接触式机电电池的一个基本问题，该定理表明，不可能存在通过磁体本身在三个维度上能够抵抗重力稳定地悬浮物体的磁体的静态配置。许多现有技术已经尝试使用飞轮的动态运动来解决该限制，以克服恩肖定理的限制，以确保系统是被动稳定的——即，在没有介入主动控制的情况下是稳定的。

取而代之的是，本发明利用低成本的现代计算，使用很少的功率来主动地悬浮和稳定飞轮系统。该新颖的主动稳定系统基本上避免了当前主动稳定系统的寄生功率消耗，使所需的永磁体的集合最小化，并且在此过程中，不需要昂贵的精细平衡的飞轮。

即使利用现代的大规模制造技术，制造的飞轮转子通常也会出现不平衡现象，必须通过制造后平衡过程校正。消除该过程可以加快制造速度并降低成本。

另外，在由高速旋转产生的应力下，构成飞轮的真实材料可能以不理想的方式应变。随着实际材料的老化，这种应变可以导致旋转转子的惯性中心和轴线移动，从而产生潜在的巨大不平衡力。甚至很小的不平衡也可以在转子材料中引起周期性疲劳，从而限制使用寿命、降低能量存储能力或导致灾难性故障。

如果飞轮被允许绕其惯性轴线(与固定的几何轴线相反)旋转，则这些不平衡力可以得到缓解，即使惯性轴线可能由于应力随时间的变化而发生位置变化。