CN104505975A - 车载飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供车载飞轮储能装置，包括飞轮组件和外壳体组件，飞轮组件包括飞轮转子、花键轴，飞轮转子中设置通孔，花键轴安装在通孔里，飞轮转子里设置长槽，长槽里安装条形磁铁，飞轮转子的两端均安装飞轮端盖，外壳体组件包括外壳体、线圈绕组、轴承端盖，轴承端盖有两个，分别安装在两个飞轮端盖的外侧，轴承端盖和飞轮端盖之间安装非金属挡板，花键轴穿过两个轴承端盖，花键轴与轴承端盖之间通过高速滚珠轴承相配合，外壳体固定在两个轴承端盖之间，且位于飞轮转子的外部，轴承端盖里设置环形槽，环形槽里设置线圈绕组。本发明引入了发电装置和普通高速轴承支撑系统，无需真空结构，对于需要频繁启停以及下坡的车辆尤为适用。

Description

车载飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及的是一种储能装置，具体地说是汽车储能装置。

背景技术

目前市场流行的混合动力汽车，以及热点研究的汽车用动能回收系统，主要分为依靠化学装置和飞轮装置储能来实现。相对而言，以化学装置为储能单元的混合动力汽车和动能回收系统应用较早、较广泛，技术也相对成熟，但是由于该类系统的能量需要在机械能、电能、化学能等多种形式间相互转化，因此效率的进一步提高收到很大限制。而从能量转化角度上看，飞轮装置具有更大的优势，因为飞轮储能过程中能量始终保持机械能的形式，从根本上保证更高的能量回收效率。实际上实现高效率的飞轮动能回收和储能需要满足低轴承损耗和低风阻等条件，因此投入应用的车用飞轮装置大多采用磁悬浮支承系统，并将飞轮放置在真空环境中，导致整个机械系统复杂性和制造成本大大增加。

通过以上分析，可知如果没有磁悬浮支承系统和真空环境的话，飞轮的储能时间不宜过长，否则动能会因为轴承摩擦和风阻而逐渐消耗掉。并且转速不能太高，通常应控制在15000转以下。城市车辆的储能需求其实能适应以上两个限制条件。城市车辆以私家车、公交车和城市轻轨为主，由于交通状况和工作性质的原因，这些车辆都会频繁启停，并且运行过程中的停止到重新启动之间的时间在20～100S之间，这一点能满足飞轮短时储能要求。根据计算，为改善储能飞轮的能量利用效率和经济性，采用高速滚珠轴承来支撑飞轮，无需真空环境，由于储能时间短，因此也能保证很高的能量利用效率。由于飞轮中的能量不可能通过机械传动完全输出给车辆，在完成车辆启动后飞轮仍有一定的转速，为提高能量回收效率，并避免飞轮空转造成轴承的不必要磨损，在飞轮的腹板间的空隙中安装条状磁铁，并在飞轮外壳两侧放置线圈绕组，从而构成一台发电机，将飞轮中的动能以电能形式输出并储存在化学装置中。另外，在下坡、短时间内不重新启动的制动过程等工况下，飞轮直接将制动的能量转化成电能储存起来。

综上所述，所设计的飞轮针对需要频繁启停的车辆，主要通过飞轮短时储能并以机械能形式回收利用制动能量，同时对能量输出余量、下坡和短时间内不重新启动的制动过程等工况，直接将制动的能量转化成电能储存起来。

发明内容

本发明的目的在于提供提高汽车制动能量利用率的车载飞轮储能装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明车载飞轮储能装置，其特征是：包括飞轮组件和外壳体组件，飞轮组件包括飞轮转子、花键轴，飞轮转子中设置与花键轴配合的通孔，花键轴安装在通孔里并与飞轮转子相连，飞轮转子里设置长槽，长槽里安装条形磁铁，飞轮转子的两端均安装飞轮端盖，外壳体组件包括外壳体、线圈绕组、轴承端盖，轴承端盖有两个，分别安装在两个飞轮端盖的外侧，轴承端盖和飞轮端盖之间安装非金属挡板，花键轴穿过两个轴承端盖，花键轴与轴承端盖之间通过高速滚珠轴承相配合，外壳体固定在两个轴承端盖之间，且位于飞轮转子的外部，轴承端盖里设置环形槽，环形槽里设置线圈绕组。

本发明还可以包括：

1、所述的飞轮转子里的长槽，其横截面为V型面，长槽沿飞轮转子圆周方向均匀设置，相邻的条形磁铁的端部的磁极相反。

2、线圈绕组包括互相连接的小圆环，所有小圆环组成大圆环结构，小圆环上缠绕线圈，小圆环的数量与条形磁铁相同。

本发明的优势在于：本发明的车载飞轮储能装置属于小型的发电装置，在发电的领域中，不同于一般的发电结构，而是在一般飞轮结构的基础上进行了创新，在飞轮转子中安装了条形磁铁，在轴承端盖上镶嵌了线圈绕组，与一般的发电机线圈缠绕转子刚好相反。另外，在飞轮领域中，本发明结构上不采用真空环境、成本高的磁悬浮轴承，而是利用普通的高速滚珠轴承，该结构在汽车频繁启动、低速下坡、短时间内不重新启动的制动过程等工况下，足以维持短时间的飞轮高速旋转。另外，高速滚珠轴承零件制造简单，也容易更换，所以该车载飞轮储能装置的维护方便、经济。本发明结合了发电装置结构和飞轮装置结构各自领域的特点，对一般的飞轮结构做了较大的创新，引入了发电装置和普通高速轴承支撑系统，该装置适用于在短时间制动和启动等工况的车辆，有着很大的实际应用价值和发展前景。因为目前的飞轮装置仅仅使用飞轮的高速旋转来储存能量，并没有充分利用剩余的制动能量。而在一般的发电装置结构中，都是利用线圈缠绕转子的形式发电，极少采用飞轮轮毂镶嵌磁铁的结构做电机转子，本发明采用的正是这种结构，结构紧凑，原理简单。另外车载的飞轮结构中也很少通过结合发电装置来提高能量利用率。本发明将它们各自特点结合起来，共同应用在汽车行业里。

附图说明

图1为本发明的总体爆炸图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明轴测图；

图4为本发明剖视图；

图5为飞轮转子轮毂示意图；

图6为线圈绕组示意图；

图7为轴承端盖示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明主要通过飞轮短时储能并以机械能形式回收利用制动能量，同时对能量输出余量、下坡和短时间内不重新启动的制动过程等工况，直接将制动的能量转化成电能储存起来。本发明的功能主要通过以下结构实现。

1、飞轮组件(增加发电装置)

飞轮组件由飞轮转子、条形磁铁、飞轮轴、飞轮端盖组成。飞轮转子轮毂的空隙中均匀分布不同极性的条状磁铁，通过飞轮转子轮毂空隙的上顶面和V型面对条状磁铁定位和安装。飞轮转子中间装有花键轴，其作用是将外界传动机构的制动能量转化为飞轮的高速旋转的机械能。由于该飞轮结构中能安装磁铁，跟一般发电机中线圈绕组绕着转子的结构大不相同，才能实现增加发电装置。

2、挡板(减少飞轮风阻)

挡板采用非金属材料，它的作用是避免飞轮组件与线圈绕组的直接接触，同时不能干扰线圈绕组切割磁感线，另外由于飞轮高速旋转产生较大的阻力，该挡板也是减少飞轮风阻的一个重要手段。

3、线圈绕组(组成发电装置)

线圈绕组是利用多个金属线缠绕同一个金属圈组成的。线圈绕组正好与南北极条形磁铁的数目一致，它均匀地镶嵌在轴承端盖的内侧。它的主要功能是在飞轮高速旋转的时候，对条形磁铁的磁感线进行切割，根据电磁感应原理，飞轮转动的机械能转化为电能，从而构成一台发电机，将飞轮中的动能以电能形式输出并储存在化学装置中。由于该线圈绕组的布置在飞轮转子外面，才能与飞轮结构安装的磁铁发生电磁感应，共同组成发电装置。

本发明的车载飞轮储能装置由外壳体1、飞轮组件、挡板2、线圈绕组3、高速滚珠轴承5、轴承端盖4、螺栓组成，其中飞轮组件由飞轮转子9、条形磁铁8、花键轴7、飞轮端盖6和螺栓构成。下面结合附图说明本发明的实施方式。

图1为飞轮装置总爆炸图，具体安装过程：飞轮转子9装上条形磁铁8，条形磁铁8通过在飞轮转子9轮毂空隙的上顶面和V型面进行定位，且不同极性的条形磁铁8交替嵌入在飞轮转子9中。将飞轮轴7装进飞轮转子9的中间部位，通过两侧的飞轮端盖6来密封整个飞轮转子，即飞轮端盖6、花键轴7、条形磁铁8、飞轮转子9共同组成了飞轮组件。另外，在外壳体1、挡板2、线圈绕组3、轴承端盖4、高速滚珠轴承5构成的外壳体组件中，具体的安装过程是将高速滚珠轴承5装在轴承端盖4中，轴承端盖4内侧镶嵌线圈绕组3，接着将飞轮组件套进外壳体1中，外壳体1两侧各放一个挡板2，用两侧的轴承端盖4密封整个外壳体。最后，飞轮组件和外壳体组件一起构成了一个完整的飞轮电池装置。图2给出了整体飞轮结构的主视图、图3给出了整体飞轮结构的轴测图、图4给出了飞轮装置全剖视图、图5为飞轮转子轮毂零件图、图6为线圈绕组零件图、图7为轴承端盖零件图。

装配后，在实际工作中，本发明的飞轮储能装置还需要一些辅助的构件。在车辆行驶过程中，由于交通状况和工作性质的原因，这些车辆都会频繁启停，由于飞轮中的能量不可能通过机械传动完全输出给车辆，在完成车辆启动后飞轮仍有一定的转速，为提高能量回收效率，并避免飞轮空转造成轴承的不必要磨损，在飞轮的腹板间的空隙中安装条状磁铁，并在飞轮外壳两侧放置线圈绕组，从而构成一台发电机，将飞轮中的动能以电能形式输出并储存在化学装置中。另外，在下坡、短时间内不重新启动的制动过程等工况下，飞轮直接将制动的能量转化成电能储存起来。

综上所述，主要通过飞轮短时储能并以机械能形式回收利用制动能量，同时对能量输出余量、下坡和短时间内不重新启动的制动过程等工况，直接将制动的能量转化成电能储存起来。

本发明车载飞轮储能装置由高速滚珠轴承、花键轴、轴承端盖、飞轮转子、条状磁铁、飞轮挡板、线圈绕组、外壳体、螺栓组成。线圈绕组与条状磁铁发生切割磁感线，通过电磁感应原理，将飞轮转动的机械能转化为电能，储存在化学装置。在飞轮转子轮毂间的空隙中安装条状磁铁，且要求均匀地交替分布南北磁极的条形磁铁。条状磁铁通过飞轮转子的轮毂空隙的V型面和上顶面定位，飞轮两侧的飞轮端盖限制条状磁铁的轴向窜动。飞轮组件的花键轴与外壳体两侧的高速滚珠轴承、轴承端盖、密封圈连接起来，组成飞轮装置。飞轮组件，其内部构件由飞轮转子、条形磁铁、两侧的飞轮端盖、螺栓组成。飞轮装置中的线圈绕组直接嵌入在轴承端盖内侧，同时飞轮挡板将整个飞轮组件和线圈绕组分离开。飞轮挡板材料由非金属组成，不能干扰条形磁铁和线圈绕组切割磁感线。在短暂的刹车与启动工况里，车辆通过转动装置将制动能量传递到飞轮轴，使得飞轮高速旋转，相当于将能量储存在飞轮里。接着，车辆启动时飞轮高速旋转的大部分机械能又传回给传动机构，剩余的能量转化为电能，储存在化学装置中。车辆频繁启停，并且运行过程中的停止到重新启动之间的时间在20～100S之间，这一点能满足飞轮装置短时储能要求。该发明能充分利用短时间的能量，并且大大提高了能量的利用率。车载飞轮储能装置，应用在低速下坡、短时间内不重新启动的制动过程等工况，主要通过飞轮短时储能并以机械能形式回收利用制动能量，同时对能量输出余量、下坡和短时间内不重新启动的制动过程等工况，直接将制动的能量转化成电能储存起来。

Claims (3)

1.车载飞轮储能装置，其特征是：包括飞轮组件和外壳体组件，飞轮组件包括飞轮转子、花键轴，飞轮转子中设置与花键轴配合的通孔，花键轴安装在通孔里并与飞轮转子相连，飞轮转子里设置长槽，长槽里安装条形磁铁，飞轮转子的两端均安装飞轮端盖，外壳体组件包括外壳体、线圈绕组、轴承端盖，轴承端盖有两个，分别安装在两个飞轮端盖的外侧，轴承端盖和飞轮端盖之间安装非金属挡板，花键轴穿过两个轴承端盖，花键轴与轴承端盖之间通过高速滚珠轴承相配合，外壳体固定在两个轴承端盖之间，且位于飞轮转子的外部，轴承端盖里设置环形槽，环形槽里设置线圈绕组。

2.根据权利要求1所述的车载飞轮储能装置，其特征是：所述的飞轮转子里的长槽，其横截面为V型面，长槽沿飞轮转子圆周方向均匀设置，相邻的条形磁铁的端部的磁极相反。

3.根据权利要求1或2所述的车载飞轮储能装置，其特征是：线圈绕组包括互相连接的小圆环，所有小圆环组成大圆环结构，小圆环上缠绕线圈，小圆环的数量与条形磁铁相同。