[发明专利]用于磁性地卸载转子轴承的设备和方法

说明书

描述了一种使顶部转子轴承磁性地卸载的飞轮设备。该设备包括飞轮壳体；转子，该转子具有竖直的旋转轴线并且包括磁性材料；磁体，该磁体构造成沿着竖直的旋转轴线施加期望的向上卸载力；上部轴承，该上部轴承连接至该转子的上部轴；以及轴承壳体，该轴承壳体设置在上部轴承和飞轮壳体之间，且基本上防止上部轴承的向下轴向运动。磁体包括电磁体。力传感器用于测量作用在上部轴承上的力，该力作为提供到控制器的输入以更新去到电磁体的电流。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。

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

技术领域

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。

发明内容

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。