机电电池

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。

典型的磁轴承尽管是非接触式的，但是不能固有地消除几何轴线的不平衡力，并且可能很复杂、昂贵且耗电。磁悬架还可以是径向不稳定的根源。在美国专利7876010中可以看到采用无源磁轴承的飞轮以及相关的转子不稳定性的公开，该专利包括附图通过引用的方式完全并入本文。

总之，飞轮中与平衡相关的现象最终导致昂贵的精密制造、储能能力的降低以及由于材料老化效应而导致的使用寿命降低，这些老化效应必须通过维护或修理来校正。这些严重的局限性都来自现有技术的绕几何定义的轴线而不是惯性旋转轴线旋转的飞轮。

本领域长期以来一直采用Z轴磁悬浮配置的各种组合，使用有源磁体和无源磁体的组合(诸如，转子上方的吸引对和转子下方的排斥对)。没有一种技术能达到本发明的新型磁悬架系统所提供的简单性和实用性。

飞轮技术的另外的限制涉及需要在真空中操作高速飞轮转子。储能飞轮以很高的速度运行。大多数这种飞轮的外围速度是空气中声速的几倍。当转子在空气中高速运行时，能量因气动摩擦和冲击波现象而损失。长期以来，本领域已知储能飞轮必须在真空中操作以避免这种损失。

在没有主动装置的情况下长时间保持真空是困难的。结构材料(诸如复合基质材料)可以放气到迅速地降低真空环境的程度。附接主动真空泵以减轻这种放气在本领域中是常见的。这些泵增加了成本、安排了维护、并且给储能飞轮系统带来了计划外的停机时间。突然的真空泵故障可以导致灾难性的飞轮故障。通常，它们缩短储能飞轮的使用寿命。

通过真空屏障的穿透可能导致附加的真空降级，电力、信号导体和排热部件都需要这种穿透。由于在变化的热负荷下密封尺寸的热机械变化，排热带来了特别困难的真空密封问题。这些因热引起的尺寸变化在延长的使用中破坏金属真空密封。通常使用弹性体密封件，但是这些密封件允许气体扩散到真空环境中，因此必须采取主动的真空维护措施(诸如，泵)。

磁体的旋转(诸如，转子的哈尔巴赫阵列)通常在导电部件中感应出电流，该导电部件可以被浸没在所述旋转场中。由于在涡流加热时的能量耗散，这可以使转子不稳定、降低控制系统的效率、并且降低能量存储的效率。本发明可以通过使用磁性渗透部件的磁屏蔽来减轻这种限制。

前述内容无限制地说明了由本发明克服的储能飞轮领域中的几个严重限制。

发明内容

根据本发明的飞轮包括以下部件：

至少一个转子组件，该转子组件基本上围绕其惯性轴线旋转，该惯性轴线由其质量分布确定，从而避免了对其精确转子的对中(centration)或平衡的需要，所述关键效用是通过以下方式实现的：

新颖的双提升吸引力磁悬浮系统，具有静态的径向稳定性，而不围绕固定的几何轴线旋转，以及

新颖的控制系统，采用迄今未利用的单极圆柱形单极对哈尔巴赫磁性阵列的磁性特征来提供转子平移和/或倾斜，以及通过有效的电子阻尼功能消除亚同步不稳定性，并且还包括：

可选地，新颖的热传递方式，在飞轮定子组件内产生的热量通过这种新颖的热传递方式被传输到外部环境而不穿透飞轮的真空罩，并且还包括；

可选地，磁性渗透屏蔽件，隔离磁场并且防止这种磁场的有害相互作用，否则将降低飞轮的操作，并且还包括；

在三个相互正交的轴X、Y和Z上的转子位置传感器，并且还包括；

计算装置，接收传感器数据、执行控制计算并且激励控制效果器，并且还包括；

至少一个具有电磁线圈的定子，该电磁线圈被设置使得与磁体的单极圆柱形哈尔巴赫阵列相结合，实现电能到旋转动能的可逆转换以及提供转子位置和稳定性控制效果器的设置，并且还包括；

与外部环境交互的电子装置，并且还包括；

外壳和机械框架，一起提供机械支撑、低压环境，以及用于将飞轮组件安装到所述外壳外部的环境中的固定支撑的装置。

下面将更详细地讨论本发明的这些元件。

双提升磁悬浮系统：图1d示意性地而不限制地描绘吸引悬浮器磁体组件的一种潜在配置，该吸引悬浮器磁体组件由内环形磁体217、外环形磁体216、电磁控制线圈218和磁性渗透组件215组成，该组件被垂直于局部重力矢量定位。箭头指示环形磁体216和217的相反的磁极性。组件吸引安装在转子组件(未示出)上的磁性渗透部件219。

在本发明中，在转子的上部部分处采用这一种组件，而在转子的下部部分处采用另一种组件，基本上围绕转子的惯性中心。重要的是，两个组件都在固定到转子(未示出)的相应的磁性部件上提升。感测竖直的转子位置并且在至少一个组件中的控制线圈218被通电，以调节由永磁体提供的总提升力，以匹配转子的重量，从而使转子悬浮。

在操作期间，由环形磁体216和217产生的磁通量通过磁性渗透外壳215传导，并且在自由空间中或部分通过磁性部件219返回。当通电时，电磁控制线圈218通过改变在环形磁体216与217之间的区域处的外壳215的磁饱和来调制磁路中的磁通。这控制了组件施加在磁性转子部件219上的磁性吸引力的程度。通常选择磁体尺寸、材料和强度，使得磁体216和217对磁路贡献大致相等的磁能(向上的磁通量等于向下的磁通量)。对于本领域技术人员将显而易见的是，除了两个磁体以外，包括但不限于仅一个磁体也可以实现合适的磁路。

在操作期间，电磁控制线圈218(响应于Z轴转子位置传感器并进行适当的计算，诸如PID控制回路)被通电，以通过调制组件的吸引力使转子保持处于悬浮。

该双提升悬浮配置的另一方面是悬浮器磁体施加到转子的稳定对中力很小。

本发明的新颖性是使用边缘场(fringing field)来控制转子的稳定性。如图1b中所示，边缘场在本领域中已被视为令人讨厌或无用的现象。本发明利用这些场通过与位于边缘场内的电磁线圈的相互作用来实现转子的定位。哈尔巴赫阵列的中心区域内的均匀单极磁场不能被用来影响垂直于旋转的轴线的转子位移。阵列的边缘场表现了可以由可控电磁体作用以稳定转子的部件。

如图2所示，电磁控制线圈被设置为元件12和14。当利用电流被通电时，这样设置的这些线圈通过它们与相应的边缘场18和19的相互作用而在转子组件上施加力。根据激励电流极性，所述力可以是正的或负的。由于边缘场的复杂性，可以不受限制地通过经验测量、通过建模或通过其组合来导出所述场与控制线圈之间的详细的相互作用。

转子位置的径向扰动被感测。由控制线圈产生的力可以与旋转边缘场相互作用，以衰减径向位置中测量的不稳定性。

总体而言，转子位置的控制包括但不限于：

a.在整数旋转数目之上测量在两个测量位置(一个位置在转子的近似质心上方并且另一个位置在转子的近似质心下方)处的转子的平均几何位置。由于弱向心力，因此这些测量和计算近似于测量位置处的转动惯性中心。

b.绘制上部惯性中心和下部惯性中心的运动并且计算它们的速度。

c.计算适合于衰减这些速度的控制线圈电流(可变电子阻尼器)。

d.只要上部惯性中心和下部惯性中心的速度较小，转子就将主要围绕其惯性轴线保持稳定旋转。

热量的产生对根据现有技术构造的飞轮施加了其它限制。定子绕组中的焦耳热损耗(I

在本发明中，定子组件包括外壳，转子控制线圈和电动机/发电机线圈被设置在外壳内。定子外壳可以为定子内承载的部件提供真空隔离和机械支撑。定子外壳还可以包含合适的电介质流体(气体或液体)，该电介质流体与产生热量的定子部件接触以恢复到外部环境的对流热传递。定子组件被热连接到外部飞轮外壳的至少一个内表面的至少一部分。使用相变材料作为电介质流体可以大大增强对流热传递。

附图说明

图1A：单极对哈尔巴赫阵列的核心中的均匀磁场

图1B：柱状单极对哈尔巴赫阵列的端部处的“边缘场”的示意图

图1C：传统的竖直轴线飞轮悬架，示出了传统的飞轮转子、其支撑轴承以及其几何和惯性旋转轴线的示意性截面图。在几何形状和质量分布方面，所描绘的飞轮以及轴承在理论上是完美的和理想的。转子201在轴203上旋转，轴203由轴承202径向地支撑并且由推力轴承组件204支撑来抵抗重力。该图描绘了完美平衡的状态和两个不完美平衡的状态。在理想情况下，几何旋转轴线205与惯性旋转轴线匹配，该惯性旋转轴线与轴203及其连接的转子201共线并且完美地居中并且同轴，它们都平行于200的Z轴。在第一个描绘的不平衡情况下，质量分布不均匀(截面图的左半部转子的质量较大)已经导致惯性旋转轴线206不再与几何旋转轴线205共线(为了清楚起见，位移被夸大)。惯性轴线和几何轴线两者保持平行，这是因为质量分布不均匀性是纯粹地径向的并且关于水平面对称，该水平面在其Z轴线中点处正好竖直于转子(相对于Z轴线)平分转子201。第二个不平衡情况描绘了具有不对称质量分布的转子201，使得在图中描绘的瞬间，转子在其左侧上并且在其上半部上具有更大的质量，导致惯性轴线207发生位移和倾斜(为了清楚起见，位移再次被夸大)。几何轴线205和惯性轴线207既不平行也不在转子201内必然地相交。

图1D：吸引悬浮器组件的示例，该图示意性地描绘了由内环形磁体217、外环形磁体216、电磁控制线圈218和铁磁壳体215组成的悬浮器磁体组件的一个示例的截面图，该组件平行于坐标系200的XY平面被定位并且相对于转子惯性轴线206被定位。箭头指示环形磁体216和217的磁极性。磁性转子部件被所述悬浮器磁体组件可控地吸引，以便描绘了悬浮吸引转子(未示出)。外壳、磁体和控制线圈的组件被固定到固定框架(未示出)，并且吸引磁性部件219，磁性部件219被安装在转子组件(未示出)上。

图2：边缘场相互作用的示例

图3：光学遮挡径向位置测量的示例

图4：双提升配置的示例

图5：具有控制线圈以调制升力的双提升配置的示例

图6：光学遮挡竖直位置测量的示例

图7：与哈尔巴赫阵列相邻的飞轮质量

图8：磁性子系统屏蔽的示例

具体实施方式

应当理解，关于本说明书和所附权利要求，以单数形式提及的本发明的任何方面均包括复数，反之亦然，除非明文规定或从上下文中明确指出并非意图如此。例如，单数形式的“传感器”的引用包括两个或多个传感器。

如本文使用的，任何近似术语，诸如但不限于接近、大约、近似地、大体上、实质上等等，都意味着由近似术语修饰的字或短语不一定与所写的字或短语完全相同，而是可能与书面说明有所不同。该描述可能变化的程度将取决于可以进行多大的改变，并且本领域的普通技术人员认识到该修改的版本仍然具有未由近似术语修改的字或短语的特性、特征和功能。通常，但是考虑到前面的内容，除非另有明确说明，否则本文中由近似词修饰的数值可能会与标称值相差±15％。

如本文使用的，“优选的”、“优选地”、“更优选的”、“目前优选的”等的使用是指在提交本专利申请时存在的优选方案。

如本文使用的，“机电电池”在相关文献中有时被称为“电动发电机”，有时也被称为“飞轮”，是指将能量存储在快速地旋转的转子组件中并且在转子减速时将其作为电能释放的设备。这种电池的先前表现在美国专利No.5705902、6566775、6858962、7679247中被揭示，如同在本文充分阐述的，这些专利中的每个专利包括附图通过引用并入本文。这些出版物和其它出版物详细描述了与飞轮耦合的哈尔巴赫阵列的使用，该飞轮可以快速地旋转从而存储能量，最终在飞轮旋转下降时转换为电能。同样地，认为不必在本文中列举哈尔巴赫阵列机电电池的所有基本元件，因此可以容易地从所引用的参考文献以及众多其它专利参考文献和技术文献中了解到这些基本元件。本发明的重要意义在于其使用新颖的技术以极低的能量消耗来稳定机电电池的旋转组件，并且使旋转组件基本上围绕其惯性旋转轴线稳定，从而最大限度地提高了能量存储和转换效率、单次充电寿命以及电池的整体使用寿命。

如本文使用的，“转子组件”或“转子”是指至少包含以下元件的构建体：

a.柱状单极对哈尔巴赫阵列5(图1B)，沿标准xyz坐标系的z轴被竖直地设置。为了本公开的目的，哈尔巴赫阵列的这种设置被称为“竖直柱状阵列(vertical columnararray)”。哈尔巴赫阵列在整个阵列的中心下方都有通孔。

b.环形飞轮8(图2)，被耦合到哈尔巴赫阵列。飞轮在此具有普遍接受的定义，即旋转盘、轮的圆柱体，其中机械能被存储在旋转质量中。为了本发明的目的，构成飞轮的质量可以被直接地耦合到哈尔巴赫阵列，或者飞轮的主要质量可以通过一个或多个间隔物从飞轮的旋转轴线向外位移，以增加在飞轮中存储的能量。与飞轮的质量相比，“间隔物(spacer)”是指重量较轻的径向构件，该径向构件将飞轮的质量连接到哈尔巴赫阵列。间隔物可以是将哈尔巴赫阵列连接到飞轮质量的多个辐条、杆或棒中的一个辐条、杆或棒。在备选的方案中，间隔物可以包括重量相对较轻的材料的实心环，其中该环的内半径允许该环的表面与哈尔巴赫阵列的外边缘邻接并耦合，并且该环的外半径与飞轮质量邻接并耦合。

c.管状定子(图2)，被设置在哈尔巴赫阵列5的通孔中。如在引用的现有文献中所描述的，定子10不接触哈尔巴赫阵列的内壁；相反，定子的两端被耦合到围绕电池的框架或外壳的顶表面和底表面。定子包括绕组11(图2)，绕组11可以包括一相绕组、两相绕组、三相绕组或更高相绕组，这在本领域中是众所周知的。目前优选的是三相绕组。

如本文使用的，如本领域中已知和理解的，“哈尔巴赫阵列”是指永磁体的专门装置，其中磁体增强该装置的通孔内部的磁场同时基本上消除了外部的磁场。在图1A中示出了柱状哈尔巴赫阵列的顶视图。简而言之，磁体上的箭头表示磁场的方向，对于每个参与的磁体，箭头头部指向北并且箭头尾部指向南。为了本发明的目的，阵列被设置为将磁场偏置到阵列的核心通孔中，并且基本上消除柱状阵列外部的任何磁场。如图1A和图1B中的虚线所示，通孔中的磁场如图中所示是完全定向的。特别要注意的是，阵列的通孔内的磁场是单向且均匀的。可以通过增加用于创建柱状阵列的永磁体的数目来微调均匀性，并且实际上可以使用任何数目的磁体，并且这种柱状哈尔巴赫阵列在本发明的范围内，但是目前优选12个永磁体。尽管柱状哈尔巴赫阵列的通孔中的磁场是均匀的，但是阵列的每一端处的磁场是不均匀的，图1B中的磁场表现出径向分量和纵向(或“竖直(vertical)”，当哈尔巴赫阵列如本发明中的情况被竖直放置时)分量。哈尔巴赫阵列磁场的这些端部在下文中被称为“边缘场”。

本发明的该方面的关键是两个固定线圈，一个固定线圈位于哈尔巴赫柱的一端或附近，并且另一个固定线圈位于哈尔巴赫柱的另一端或附近。线圈被设置使得能够与哈尔巴赫阵列的两个边缘场相互作用。因此，线圈可以位于通孔中的任何位置，只要上述相互作用是可能的。然而，目前优选的是，两个线圈被设置在定子10的内部和两端，使得图2中所示的第一线圈12被设置为与哈尔巴赫阵列5的顶部边缘15相邻并且第二线圈14被设置为与哈尔巴赫阵列5的底部边缘7相邻(图2)。可以看出，线圈至少部分地在哈尔巴赫阵列5的顶部边缘场18和底部边缘场19内。

除了转子元件和定子元件之外，本发明的机电电池还包括传感器，当转子组件被悬浮时，传感器的功能是检测转子组件的径向位置中的变化。当然，当传感器不被悬浮时，传感器将能够检测转子组件的径向位置，但这对本发明的影响不大。除了在悬浮时检测转子组件的位置之外，传感器还能够在悬浮和旋转时检测转子组件的位置变化。实际上，目前传感器的最后功能对本发明的这个方面最为重要。在机电电池中，飞轮通常旋转得非常快。因此，旋转时电池的各个部分的固有共振频率以及飞轮旋转的高速会导致对电池的负面影响，诸如但不限于疲劳和结构材料故障。本发明的这个方面最小化并且潜在地消除了这种不良事件。

一旦传感器已经检测到转子组件的径向位置中的变化，它就会将该信息发射到与之通信的控制器，并且控制器进而引导电流通过至少部分地在边缘磁场内的线圈，从而与那些磁场相互作用并且在转子组件上产生反作用力。

尽管实际上任何方式的传感器都可以被用于上述目的，并且任何这样的传感器都在本发明的范围内，但是目前优选的是，该传感器包括光源和光强度变化检测器。这在图3中被示出，该图是哈尔巴赫阵列5的俯视图。光源40以这种方式指向哈尔巴赫阵列5的竖直边缘45：光的一部分被哈尔巴赫阵列5阻挡，并且光的一部分经过竖直边缘45并且入射到检测器55上。如果哈尔巴赫阵列5旋转出其优选的轴向对准，则检测器55看到的光量将发生变化。由检测器55看到的光量的变化被转发到控制器(未示出)，该控制器然后执行如上所述的功能。图3示出了对准哈尔巴赫阵列5的主体的光源，但是如果使用飞轮的任何边缘或转子组件的其它部分，则传感器/控制器对将同样良好地工作，并且这显然在本发明的范围内。可以使用任何光源，但是目前优选的光源是LED，LED便宜、具有长的使用寿命并且产生最小的热量。

本发明的另外的方面涉及微调转子组件的悬浮。这样做的新颖机构的附加的好处是对在其纵向(竖直)旋转轴线上的转子组件的对中产生被动的积极影响。本发明的这个方面使用永磁体的至少两个组件。尽管从下面的讨论中可以明显看出，当使用磁体的两个以上的组件时，所讨论的技术将如何施加，但是该描述将仅针对当前的仅使用磁体的两个组件的优选实施例。尽管下面的讨论涉及悬浮磁体的每个组件中的一个磁体被固定到转子组件的实施例，但是它公开并等同地施加到图1f的悬浮磁体组件，该图描绘了悬浮磁体组件中的至少一个组件中一个组件，该悬浮磁体组件被配置使得没有磁体被固定到转子。

在图4中，磁体70、71、72和73的极性如使用常规的极性箭头描绘所示。可以看出，磁性对70和71以及磁性对72和73两者都处于吸引模式。磁体对都正交于纵向轴线，即转子组件50的近似转动惯性轴线77。要注意实现围绕转子径向轴线的CG的转矩平衡，它们可以位于转子组件50的端部之间的任何位置，但是目前优选地，它们的位置与转子组件50的重心(CG)79等距，一对在CG的上方并且一对在CG的下方。由在吸引模式下的两对永磁体产生的磁力被选择，以使其辐条/飞轮足以悬浮转子组件50。

在本领域中早已知道使用磁体来抵消转子组件/飞轮的重量。然而，通常用于竖直轴线飞轮的配置与本发明的配置的不同之处在于，在本领域中，排斥阵列是被优选的，或者在转子顶部附近使用吸引阵列，而在底部的次级阵列完全不存在或者被配置为相互排斥。这样做的问题是，当在排斥模式下时，磁体径向发散；即它们将彼此推开向一侧或另一侧。对于机电电池，这种固有的发散趋势需要采用附加的方法来实现并保持转子组件绕其旋转轴线的稳定性。通常，转子组件的稳定性对转子质量平衡施加了严格的约束，以限制不平衡力。因此，这需要更昂贵的转子制造过程。即使这样，众所周知的是，转子质量分布在操作期间经常改变。从短期来看，转子质量分布可能随着旋转期间转子不均匀地膨胀而改变。从长远来看，转子质量分布可能随着转子材料的蠕变而改变，这是由于在高转速下长时间暴露于径向应力和周向应力引起的。此外，由于旋转应力下有限的材料故障，转子质量分布可能突然改变。与现有技术相反，本发明可以克服这些限制。

参考图4，磁体72和磁体73被设置为处于吸引模式下，磁体70和磁体71也被设置为处于吸引模式下。该配置使发散力最小化，其代价是必须主动调节以实现竖直稳定性。尽管对于本发明的功能不是必需的，但是在上部的对和下部的对之间反转磁极的方向，当从更远的距离考虑时，可以使由悬浮磁组引入的净磁场彼此有效地平衡。

通过采用两个都以吸引模式起作用的悬浮器，每个悬浮器在转子上施加被动的径向对中力(在本文中被称为“对中”)，因此不需要补偿排斥悬浮器固有的径向发散效应。较弱的径向恢复力使转子组件与相邻的固定结构之间具有较大的径向间隙，从而允许旋转近似于纯粹根据其惯性质量分布而不受径向约束的转子旋转产生的旋转。反过来，这种增强的间隙适应转子组件/飞轮质量分布的变化，这些变化是由于旋转升速/旋转降速不均匀应变、材料老化和局部微结构故障引起的。另外，关于硬件生产和组装的开发，处于吸引模式下的两对悬浮磁体呈现出基本相同的特征，并且可以简化控制软件的设计。基于本文的讨论以及对备选的悬架系统的缺点的了解，对于两对悬浮磁体都处于吸引模式下的“双提升”设计的这些优点和其它优点对于本领域技术人员将变得显而易见。

本发明的又一个方面是，磁体支撑元件77是L形的，L的支脚向下面向磁体支撑元件78并且与从磁体支撑元件78向上的突起对准。尽管磁体支撑元件77和78可以由具有足够强度以执行其支撑功能的任何材料制成，但是目前优选的是，磁体支撑元件77和78由高磁导率的材料制成。这种材料的示例可以是但不限于铁磁材料，诸如钢。这同样适用于图1f的元件215和219。如果使用钢元件，则由磁体本身和包括元件77的L形部分的磁体支撑元件以及包括元件77的L形部分和元件78的朝上部分的磁体支撑元件形成的“环(ring)”创建了用于磁通量连续循环的路径，该路径用于加强磁体附近的磁场，从而增强了磁体之间的吸引力，以进一步促进悬浮。

为了提供上述优点，本发明的双提升设计需要本发明的转子组件/飞轮的竖直位置的主动控制。这通过包括图5所示的控制线圈90和91以及通过图1f中的控制线圈218来实现。在图5中，控制线圈位于固定磁体71和73的附近。控制器(未示出)与传感器通信，该传感器检测悬浮的转子组件的竖直位置中的变化并且将该位置数据转发给控制器，然后该控制器引导电流通过控制线圈90和91以改变磁体70和71与磁体72和73之间的磁场强度，以影响转子组件50的竖直位置。许多控制算法都是适用的，例如PID控制器。

用于检测转子组件50的竖直位置的变化的传感器类似于用于检测转子组件50的径向发散的传感器。同样，可以使用将实现下述结果的任何类型的传感器，并且它们都在本发明的范围内。但是，目前优选的是，传感器包括光源和光强度变化检测器。这在图6中示出。光源100以这种方式指向顶表面15的边缘或转子组件50的边缘：光的一部分被转子组件50阻挡，并且光的一部分经过顶表面15并且入射在检测器105上，该检测器105位于转子组件50的、与光源100的另一侧上。如果转子组件50从其当前位置向上或向下移动，则检测器105看到的光量将变化。由检测器105检测到的光量的变化被转发到控制器，然后控制器执行其如上所述的功能。尽管图6示出了光源被引导穿过转子组件50的顶表面，但是对于在悬浮的转子组件50的底表面之上训练光源是同样可允许的并且在本发明的范围内。如前所述，可以使用任何光源，但是目前优选的光源是LED。

应该指出的是，尽管上述用于使转子组件/飞轮悬浮的双提升机构是对先前描述的包括用于控制转子组件径向位移的装置的补充，但是双提升机构可以在没有径向位移控制的情况下使用是可能的并且是本发明的一个方面，其结果是仅具有主动竖直放置控制的设备。

本发明的机电电池的飞轮可以以至少两种不同的方式被附接到转子组件。飞轮质量可以与哈尔巴赫阵列相邻并且被直接地连接到哈尔巴赫阵列。这在图7中示出，如所陈述的，飞轮8与哈尔巴赫阵列5相邻并且被直接地接合到哈尔巴赫阵列5。在备选的方案中，飞轮8的质量可以包括与转子组件50和哈尔巴赫阵列5径向地相距一定距离的单独的孔环。这在图2中示出，其中飞轮8与哈尔巴赫铁芯分离并且使用间隔元件110附接到转子组件50。间隔元件可以简单地是辐条(诸如在连接到轮毂(诸如，汽车轮胎或自行车轮胎)的任何方式的车轮上发现的辐条)。另一方面，间隔元件可以是固体结构，其中间隔元件的内半径与转子组件的表面完全地邻接，并且间隔元件的外半径与飞轮质量的内表面完全地邻接。当然，基于本文的公开内容，用于将转子组件连接到飞轮的其它间隔元件对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且所有这些备选的间隔元件都在本发明的范围内。

本发明的另一方面是用于衰减机电电池内的有害磁场相互作用的设备。机电电池(诸如本发明的机电电池)使用永磁体和电磁体来产生可能相互干扰的强大磁场。例如，用于基于飞轮的机电电池的电动机/发电机的磁场可能干扰针对系统(诸如用于竖直定位的上述系统)产生的磁场。为了衰减这些干扰，可以在磁场与期望排除磁场或者至少减小磁场强度的那些位置之间插入由磁性渗透材料制成的元件。该渗透元件为磁通量提供了优先路径，从而减少了可能对整个机电电池系统的另一个元件产生不利影响的剩余磁力。可以使用任何类型的高磁性渗透的材料，但是目前优选的材料是铁磁的并且具有至少2000的磁导率。可以预料，这将增强系统的所有元件的稳定操作。这种元件在图8中示出。

图8示出了具有双提升永磁体对70和71以及72和73的转子组件50。环形元件160被放置在哈尔巴赫阵列5的顶表面150与双提升磁体对72和73之间。同样，环形元件161被放置在哈尔巴赫阵列5的底表面151与双提升磁体对70和71之间。元件是环形的，以便允许定子10从转子组件50的两端突出并且被附接到容纳整个机电电池的外壳(未示出)的顶表面和底表面。如图8所示，环形元件160和161将由永磁体70、71、72和73创建的磁场与由哈尔巴赫阵列(未示出但参见图2)创建的边缘场18和19隔离。然后，这减轻了磁场之间的干扰以及对转子组件50的稳定性的任何伴随的负面影响。

被引用的现有技术

美国专利7,876,010

美国专利7,679,247

美国专利6,858,962

美国专利6,566,775

美国专利5,705,902

Merritt,Bernard T,RF Post,Gary R Dreifeurst,和DA Bender.“HalbachArray Motor/Generators-A Novel Generalized Electric Machine.”。哈尔巴赫纪念文集研讨会，1995年2月3日

Shafai,Beale,S Beale,P LaRocca,and E Cusson.“Magnetic Bearing ControlSystems and Adaptive Forced Balancing”。控制系统，IEEE 14，No.2(1994)：4-13。