CN101924417A - 一种具有双刚度轴的飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及用于长寿命、高效率、低成本的高速飞轮储能系统的支撑系统。为了减少损耗，飞轮系统采用带滚动元件的小型机械轴承。采用固定连接的轴承以获得良好的热传导而延长润滑油的使用寿命。上、下轴分别连接着飞轮的上下部分和位于容器顶部、底部的机械轴承的滚动元件。磁轴承承载着飞轮的轴向的重力。正常运行时，轴上产生一个较小的抗弯刚度，当飞轮的偏转角超出阈值时，轴上将产生更大的抗弯刚度。因此飞轮有一个与其质量和轴的第一刚度相关的临界速度。

Description

一种具有双刚度轴的飞轮储能系统

技术领域

本发明主要涉及飞轮储能系统，尤其是指具有双刚度轴的飞轮储能系统，这种双刚度轴使得飞轮储能系统能够在有限的振动载荷下以超临界的速度运行。

背景技术

飞轮储能系统因其潜在的优势，使得它在电能存储方面成为蓄电池和电容器的替代品。相比蓄电池和电容器，飞轮储能系统的优点是：寿命长、维护周期长和效率高。飞轮储能系统是把能量以动能的形式存储在旋转的飞轮中。电动机拖动飞轮加速旋转以存储能量，而飞轮拖动发电机旋转则把动能转化为电能。电动机和发电机的设计方案多种多样包括永磁励磁和电磁励磁，每种设计方案在其使用场合都有各自的优势。飞轮系统的结构和所需材料类型多种多样，包括钢材料和碳纤维复合材料，碳纤维复合材料能使飞轮以更高的速度旋转。飞轮旋转时由低损耗、长寿命的轴承系统提供支撑。为了减少飞轮旋转时产生的空气阻力，通常把飞轮放在密封的真空容器中。尽管有多种方式可以支撑飞轮旋转，但是作为一种新型的飞轮储能系统，它不但能够长寿命、高效率的高速旋转，而且还能够运行平稳可靠、损耗低。

发明内容

本发明是一个由长寿命、高效率和低损耗的支撑系统支撑的飞轮储能系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双刚度轴的飞轮储能系统，其结构包括：由顶部端盖、底部端盖和圆桶焊接而成真空容器、两片飞轮上下并排设置通过铝管加以固定连接的飞轮系统、安装在容器内支撑飞轮旋转的纵向轴承系统、飞轮存储能量时用于加速和释放能量时用于减速的电动机/发电机系统；纵向轴承系统包括一个支撑飞轮重力的轴向磁支撑机构和控制飞轮转轴的两个转轴机构。

具体地：所述转轴机构包括与飞轮同心固定连接的柔性轴，柔性轴与飞轮之间通过短轴固定连接，柔性轴的伸出端与固定设置在真空容器内的球轴承相连，在柔性轴的外围设置有套筒，套筒套装在短轴上，套筒的开口与柔性轴之间设置有径向间隙。

所述磁支撑机构由相互排斥的固定磁铁和飞轮上的旋转磁铁组成。

所述电动机/发电机系统包括与真空容器固定连接的空心电枢和固定安装于飞轮盘面圆周上的轴向极性交替的上磁铁阵列和下磁铁阵列，空心电枢伸入到上磁铁阵列和下磁铁阵列之间的间隙中。

纵向轴承系统可以采用具有小型滚动元件的机械轴承以减少损耗，为了获得良好的导热性而延长润滑油寿命还可以采用固定安装的轴承。飞轮系统可以在轴承的径向载荷和轴向载荷小的情况下进行超临界运行。为了达到超临界转速，本专利能够使飞轮系统在加速时平滑度过共振状态。

飞轮系统的上下轴分别连接着飞轮上下表面和位于容器顶部与底部的机械轴承的滚动元件中。磁轴承承载着飞轮的轴向重量。飞轮在正常旋转时，轴上会产生一个很小的抗弯刚度，当轴的偏转角超过一定阈值时，轴上会产生一个更大的抗弯刚度。因此，飞轮有一个低临界速度称为第一临界速度，这个临界速度与飞轮质量和轴在低刚度时对其径向支撑有关。在飞轮加速过程中，飞轮将穿越这个临界速度。在共振期间低的临界速度会产生一个相应地作用力抑制共振。到达第一临界速度时，轴的偏转角将达到阈值，轴的刚度也跟着变大。在第一临界速度时，轴的更高的刚度限制了其径向位移。一旦飞轮的转速超过第一临界速度，飞轮轴的偏转角将降低到阈值范围内，飞轮将自动地围绕其质量中心旋转，轴的刚度也下降到原来的低刚度。由于飞轮轴的偏转角没有超过第二阈值，所以其转速不能达到与飞轮质量和更高的轴刚度相关的第二临界速度，在第二阈值时，轴的刚度将达到第二刚度，飞轮的转速更高。最终结果是飞轮在有限的偏离和振动下平滑的加速到超临界速度运行。

本发明的另外一个优点是飞轮系统对外部振动的抑制。当飞轮系统遭遇到水平位移如振动或地震，轴的第二刚度限制了飞轮的径向偏离。轴在偏离阈值时产生的第二刚度在很大程度上抑制了一个非常大的偏转角的产生，否则，这个巨大的偏转角在第一刚度时就会发生。

因为双刚度轴限制了径向载荷，磁轴承限制了轴向载荷，所以机械轴承滚动元件上的机械载荷小，这些轴承的尺寸可以做的很小。在飞轮高速运行时，小尺寸轴承的损耗要比大尺寸轴承的损耗小。飞轮系统采用低成本的轴承支撑系统使得飞轮能够平滑的加速到高速旋转而且损耗低。低损耗减少了机械轴承润滑油的热分解并延长了系统的免维护周期。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的双刚度轴的飞轮储能系统，飞轮系统30通过旋转的飞轮31存储能量。两个钢圆盘32、33安装在同一根铝管34上组成了飞轮31。飞轮31在真空容器35中旋转以减少空气阻力。真空容器35由顶部端盖36、底部端盖3)和圆桶38焊接而成。飞轮31由固定在钢圆盘32、33圆周上的轴向极性交替的上磁铁阵列39、下磁铁阵列40加速，在上磁铁阵列39、下磁铁阵列40之间形成气隙磁场41。上磁铁阵列39、下磁铁阵列40驱动磁通来回穿越气隙磁场41。定子空心电枢42安装在气隙磁场41中。同步电能加载到空心电枢42绕组中并产生电磁力矩使飞轮31加速。飞轮31在轴向上由轴向磁轴承43支撑。磁轴承43由相互排斥的固定磁铁45和飞轮上的旋转磁铁44组成。飞轮在径向上由垂直于飞轮转轴的顶部和底部的柔性轴46、47组成。柔性轴46、47安装在球轴承48、49内并跟着球轴承48、49一起旋转，球轴承48、49固定在容器的上、下端盖上。套筒50、51安装在飞轮的短轴52、53上。套筒50、51与柔性轴46、47有径向间隙。当柔性轴46、47的偏转角度超过阈值等于径向间距时，或当飞轮穿越共振频率或施加外部振动载荷时，柔性轴接触到套筒50、51，因此柔性轴46、47的刚度增加了。在飞轮系统30启动过程中，飞轮31加速旋转。飞轮31加速到与其质量和柔性轴46、47的第一刚度相应的第一临界速度。在这个临界速度，柔性轴46、47的偏离角达到阈值。飞轮31继续加速，柔性轴46、47的偏离角降低到阈值以下。飞轮31围绕其质量中心旋转。如果飞轮的极惯性矩大于其横向惯性矩，那么这个飞轮通常只有一个柱面临界速度；如果飞轮的横向惯性矩大于其极惯性矩，那么这个飞轮将同时具有柱面临界速度和锥面临界速度。

以上所描述的仅是对本发明进行阐述和说明，本领域的技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是所述结构包括：飞轮、安装在容器内支撑飞轮旋转的纵向轴承系统、飞轮存储能量时用于加速和释放能量时用于减速的电动机/发电机系统；轴承系统包括支撑飞轮重力的轴向磁轴承；飞轮通过上、下柔性轴连接到顶部和底部的机械轴承中；在正常运行时，柔性轴有一个低的抗弯刚度，当柔性轴偏离超过一定阈值时会产生一个更高的抗弯刚度。

2.根据权利要求1所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述转轴机构包括与飞轮同心固定连接的柔性轴，柔性轴的伸出端与固定设置在真空容器内的球轴承相连，在柔性轴的外围设置有套筒，套筒的开口与柔性轴之间设置有径向间隙。

3.根据权利要求2所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述柔性轴与飞轮之间通过短轴固定连接，套筒套装在短轴上。

4.根据权利要求1所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述轴向磁轴承由相互排斥的固定磁铁和飞轮上的旋转磁铁组成。

5.根据权利要求1所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述电动机/发电机系统包括与真空容器固定连接的空心电枢和固定安装于飞轮盘面圆周上的轴向极性交替的上磁铁阵列和下磁铁阵列，空心电枢伸入到上磁铁阵列和下磁铁阵列之间的间隙中。

6.根据权利要求1所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述上下两片圆盘通过盈连接到铝管。

7.根据权利要求1所述的具有双刚度轴的飞轮储能系统，其特征是：所述密封容器由顶部端盖、底部端盖和圆桶焊接而成。

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