CN103280914B - 一种增速或恒速释能的飞轮 - Google Patents

Abstract

一种增速或恒速释能的飞轮，由圆柱状的转轴（2）和一组形状相同的弹性叶板（3）构成，弹性叶板（3）放射状地固定在飞轮的转轴（2）上，平行于转轴（2）的轴线布置；弹性叶板（3）的一端固定在转轴（2）上，弹性叶板（3）沿圆周均匀分布。对外释能时，阻力矩使弹性叶板（3）发生变形，飞轮的转动惯量发生变化，当飞轮转动惯量的变化量ΔJ与飞轮受到的阻力矩Pe之间满足一定条件时，飞轮会呈增速或者恒速释能状态，满足一些对电源具有相应要求的负载设备，省略中间的变频逆变器等装置。

Description

一种增速或恒速释能的飞轮

技术领域

本发明涉及一种飞轮，特别涉及一种柔性飞轮。

背景技术

飞轮储能是利用动力机将机械飞轮加速，利用其惯性将能量以转动动能的形式储存起来，在需要的时候再用飞轮带动工作机对外做功而将能量释放出来的储能方式。传统的飞轮储能系统包括动力机、转轴、轴承和飞轮本体。如果利用电动机对飞轮加速，同时飞轮通过带动发电机对外释能，常常会把电动机和发电机一体化，做成电动/发电机，以下简称电机，或者飞轮对外界做功时称为发电机，外界对飞轮做功时称为电动机，实际为一个实体。飞轮本体在转动时的储能量E＝1/2Jω²，其中J为飞轮本体绕其转轴的转动惯量，ω为飞轮的转速。其中飞轮的转动惯量J与飞轮的材料密度、尺寸、形状和质量有关，考虑储能系统在实际应用中的的大小和重量存在限制，一般通过提高飞轮的转速ω来提高储能量，因此一般利用高强度的复合材料来制造飞轮本体。飞轮储能是纯机械储能，储能和释能过程中不存在化学变化，能量转换效率高，自身储能密度高，结合近年来诸如磁悬浮或超导轴承等超低损耗轴承的技术发展，在电磁推进、电网稳定、UPS电源等领域具有越来越广泛和重要的应用。

传统飞轮本体为固态整体回转体结构，飞轮本体与转轴固定联接共同转动，并通过转轴由外界获取或者释放转动动能。当转轴带动三相交流发电机对外释能放电时，飞轮本体转速会下降，放电电流的频率也随之下降，如果用来驱动直线电机加速装置，由于后者需要的交流电运行频率随动子的速度提高而逐步提高，因此二者之间的频率匹配非常不合拍，造成运行效率下降，要解决这个问题，传统做法是在飞轮电机和直线同轴加速器之间加一个变频逆变器。变频逆变器除成本比较高，本身有能量损耗之外，在功率比较大时，比如几个MW以上，目前在工程实现上尚存在未能突破的技术难题，成为大容量大功率储能飞轮系统与直线同轴加速装置的合并系统的一大瓶颈。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的只能降速释能的缺点，提出一种新的柔性飞轮本体。

本发明为一种在转轴上放射状地固定弹性叶板的结构，飞轮由圆柱状转轴和一组形状相同的弹性叶板构成，弹性叶板平行于转轴的轴线，弹性叶板的一端固定在转轴上，沿圆周均匀分布。

当飞轮系统对外释能放电时，转轴受到来自电机的阻力而转速下降，弹性叶板由于惯性而发生弹性弯曲变形，飞轮本体在直径方向的尺寸变小，转动惯量J也随之下降，飞轮转速继而呈加速状态，保证电机的交流输出频率不会下降甚至提高，部分地解决了飞轮电机与直线同轴加速装置之间的频率匹配问题，提高系统整体运行效率。

本发明结构如下：

与传统的整体飞轮本体不同，本发明柔性飞轮的飞轮本体不是固态整体回转体结构，而是放射状地固定在飞轮转轴上的一组弹性叶板。所述的弹性叶板可以由金属制作，如弹簧钢，或由非金属制作，如高强度的工程塑料，也可以采用其他具有可弹性变形能力的高强度复合材料制作，如碳纤维、复合环氧树脂材料等。为了保证高速旋转的飞轮本体的动静平衡稳定性，所述的弹性叶板沿转轴的圆周方向均匀分布，保证飞轮的动静平衡，不会引起振动。弹性叶板和转轴之间可以是整体制造或者焊接、粘接、铆接或者其他能够紧固的机械连接方式。弹性叶板的数量没有限制，但要能够保证都有效地固定在转轴上，连接强度足够克服高速旋转及加减速时自身产生的离心力而不被破坏，且具有耐疲劳寿命，能够多次重复使用。

弹性叶板的形状也可以是绕转轴以任何放射状形式排列的丝状、条状、棒状、片状、块状，或者具有变截面尺寸形状等任何形状，弹性叶板的一端固定在飞轮的转轴上。

本发明可应用于动力机械、飞轮电机、脉冲电源、UPS电源、电力系统及电力电子领域。

附图说明

图1传统飞轮结构示意图，其中图1a为俯视图图1b为正视图，图中：1、飞轮本体，2、转轴；

图2本发明柔性飞轮结构示意图，其中图2a为俯视图图2b为正视图，图中：2转轴，3、弹性叶板；

图3处于释能状态的本发明飞轮示意图，其中图3a为俯视图、图3b为正视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明柔性飞轮由圆柱状的转轴2和一组形状相同的弹性叶板3构成，弹性叶板3放射状地固定在飞轮的转轴2上，平行于转轴2的轴线布置。弹性叶板3的一端固定在转轴上，弹性叶板3沿圆周均匀分布。

本发明的工作原理和工作过程如下：

传统的飞轮结构如图1a和图1b所示，固体整体结构的飞轮本体1一般为各种回转体形状，图1中为圆柱状。转轴2与飞轮本体1之间整体加工或者由键连接。转轴2的两端由旋转轴承固定在机架上，图中未绘出。转轴2通过联轴器等与动力机和工作机连接，实现能量的输入与输出。当飞轮对外进行能量输出时，其能量输出量与转速的变化关系为：

$E=\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}_c^2)---\left(1\right)$

其中J为飞轮本体的转动惯量，整体刚性结构的传统飞轮为一个恒值，ω₀为飞轮本体的初始转速，ω_c为当前转速。假设这个过程中飞轮受到的阻力矩为P_e，则电机输出能量亦可表达为

$E=P_e{\∫}_{\mathrm{\ω}c}^{\mathrm{\ω}0}\mathrm{\ω}\left(t\right)dt---\left(2\right)$

其中的积分项是飞轮放电期间转过的圈数，令其为T_s，即

$T_s={\∫}_{\mathrm{\ω}c}^{\mathrm{\ω}0}\mathrm{\ω}\left(t\right)dt---\left(3\right)$

则(2)式成为

E＝P_eT_s(4)

联合(1)和(4)式，有

$P_e{T}_s=\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}_c^2)---\left(5\right)$

如图2和图3所示，本发明柔性飞轮与传统飞轮的能量释放过程存在差异，由于在能量释放过程中弹性叶板的形变造成飞轮本体自身转动惯量不再是常数，则输出能量表达式为：

$E=\frac{1}{2}(J_0{\mathrm{\ω}}_0^2-J_c{\mathrm{\ω}}_c^2)---\left(6\right)$

这里J₀和J_c分别为初始和当前的转动惯量。如此，式(5)演变为：

$P_e{T}_s=\frac{1}{2}(J_0{\mathrm{\ω}}_0^2-J_c{\mathrm{\ω}}_c^2)---\left(7\right)$

可得：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{{\mathrm{\ω}}_0}=\sqrt{(J_0-\frac{2PeTs}{{\mathrm{\ω}}_0^2})/J_c}---\left(8\right)$

可以看出，若：

$\frac{J_0-\frac{2PeTs}{{\mathrm{\ω}}_0^2}}{J_c}>1$

即：

$J_0-J_c>\frac{2P_e{T}_s}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$

不妨令△J＝J₀-J_c，即因弹性叶板弯曲造成的飞轮转动惯量的变化量，上式成为：

$\mathrm{\Δ}J>\frac{2P_e{T}_s}{{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(9\right)$

则由(8)式可以得出，只要满足式(9)，就会有：

ω_c>ω₀(10)

即飞轮释能过程转速是增加的，由于与飞轮转轴相联接的发电机的同步特性，发电机对外交流放电频率也是增加的，这样，就很好地解决了储能飞轮与同轴线圈直线推进装置间的频率匹配问题，通过合理设计，可以完全省去中间技术复杂、成本昂贵且会造成能量损失的交流逆变装备，由飞轮带动发电机直接对直线同轴线圈直线推进装置供电，大大降低系统的复杂度和整体成本，并提高了系统的运行效率。

如果式(9)中的大于号换成等号，即：

$\mathrm{\Δ}J=\frac{2P_e{T}_s}{{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(11\right)$

则式(10)成为：

ω_c＝ω₀(12)

则意味着飞轮为恒速释能，也就是能够带动电机恒频交流放电，这适用于负载需要恒频工作的场合。

由于本发明飞轮本体的弹性叶板弹性变形能力有限，当弹性叶板不再进一步弯曲变形，因惯性弯曲引起的转动惯量减少量ΔJ，不能再满足式(9)中的条件时，飞轮则不再是增速释能转动，转而变为与传统刚性飞轮类似的减速。而且接下来弹性叶板将变形回弹，造成ΔJ为回复增值，飞轮将会比传统整体机构的刚性飞轮更加急剧地减速。也就是说，本发明柔性飞轮的增速释能过程是有一个时间区间的，过了这个时间区间，将不再是增速释能而是急剧减速。因此，需要从容量、功率和工作时段等参数在设计上与负载所需求的参数进行匹配，保证满足负载对电源特性的电力参数要求，并从电路设计上在飞轮增速放电完成后，飞轮发电机部与负载断开，飞轮怠速自转或者电动机驱动加速，进入下一个充电储能、待放电状态。所以本发明柔性飞轮在工作频率下的释能深度，即一次释放能量与起初储存能量的比值，不会太高，但能量利用效率却不会低，因为每次放电完毕后飞轮继续转动，残余能量得到保留，可继续加速进入下一个充放电周期。

本发明柔性飞轮具备带动飞轮电机对外增速放电的能力，这种特性非常符合直线电机类电气装置对电源的要求，可非常方便地作为该类负载的前导储能电源，省略掉中间的变频逆变器装置，大大提高系统的运行效率，降低整体构造复杂度。该类型飞轮亦能在一定区间恒速释能，很好地满足其他需要恒频电源装备的电力需求。

Claims (3)

1.一种增速或恒速释能的飞轮，其特征是所述的飞轮由圆柱状的转轴(2)和一组形状相同的弹性叶板(3)构成，弹性叶板(3)放射状地固定在飞轮的转轴(2)上，平行于转轴(2)的轴线布置；弹性叶板(3)的一端固定在转轴(2)上，弹性叶板(3)沿圆周均匀分布；

当所述的飞轮对外部放电时，弹性叶板(3)产生变形，飞轮转动惯量发生变化，当飞轮转动惯量的变化量△J与飞轮受到的阻力矩Pe符合公式时，飞轮呈增速释能状态；

当满足条件时，飞轮呈恒速释能状态；

式中：J为飞轮本体的转动惯量，T_s为飞轮放电期间转过的圈数，ω₀为飞轮本体的初始转速，P_e为飞轮受到的阻力矩。

2.如权利要求1所述的飞轮，其特征是所述的弹性叶板(3)为丝状，或条状，或棒状，或片状，或块状，或者具有变截面尺寸形状。

3.如权利要求1所述的飞轮，其特征是所述的弹性叶板(3)和转轴(2)之间整体制造或者紧固连接。