CN105591493A - 一种飞轮储能转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮储能转子，包括：旋转轴，为竖直设置的实心钢轴；第一轮毂，由弹簧钢制成，套在旋转轴上，第一轮毂可在旋转轴的带动下与旋转轴同步旋转，第一轮毂具有盘状体，盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，抵接部与盘状体之间通过圆角过渡并在抵接部的外壁上靠近圆角的位置设有应力减缓槽，第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于旋转轴的垂直平面朝向形成抵接部的一侧倾斜；外轮，为桶状，套在第一轮毂上。本发明解决的技术问题在于克服现有的飞轮储能机构在高速旋转的情况下飞轮轮毂与外轮之间的预紧力减小的技术问题，提供一种飞轮储能转子，在转子高速旋转的状态下仍可保持飞轮轮毂与外轮之间结合的预紧力。

Description

一种飞轮储能转子

技术领域

本发明涉及飞轮储能领域。具体为一种飞轮储能转子。

背景技术

飞轮储能是通过将电能、风能、太阳能等能源转化为机械能即飞轮的高速旋转来实现能量的储存，在需要使用能量时，将飞轮的动能转化为电能输出。飞轮储能通过运动储存能量，不需要任何化学物质和化学变化，还可进行无限次地充放电，不仅对环境无污染还突破了化学电池的限制，从而受到了高度的关注。

飞轮的储能公式为：其中J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。飞轮的旋转角速度越高，飞轮的转动惯量越大，其储能密度越高，储存的能量也越大。飞轮在旋转的时候，其中间部分与边缘部分所受的离心力不同，离旋转中心越远的位置所受到的离心力越大，一体式的飞轮由于不同位置受力不均，容易产生大的变形或者出现裂纹。因此，目前大部分飞轮转子采用分体式结构，即包括轮毂和固定地套在轮毂上的外轮，外轮与轮毂之间一般通过过盈配合来实现固定连接，外轮采用更加坚韧的材料制成。然而，在转速更高的情况下，例如在转速达到10000转/分钟时，飞轮仍不可避免地会发生变形，产生“扩张”的形态，与轮毂相比，距离旋转中心更远的外轮受到更大的离心力，其变形也更大，高速旋转状态下的外轮的各个位置与轮毂相比向外“位移”的距离会更大。这样必然导致外轮与轮毂之间结合的预紧力减小，导致从轮毂向外轮传递的旋转力减小，增加了能量的耗损，严重时会出现轮毂和外轮之间的滑移，甚至脱落。因而，目前分体式的飞轮仍然限制了飞轮的提速，从而限制了飞轮的储能密度。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的飞轮储能机构在高速旋转的情况下飞轮轮毂与外轮之间的预紧力减小的技术问题，提供一种飞轮储能转子，在转子高速旋转的状态下仍可保持飞轮轮毂与外轮之间结合的预紧力，从而为进一步提高转子速度提供了条件。

本发明的飞轮储能转子，包括：

旋转轴，为竖直设置的实心钢轴；

第一轮毂，所述第一轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第一轮毂具有盘状体，所述盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，所述抵接部与所述盘状体相连的的位置设有应力减缓槽，所述第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成所述抵接部的一侧倾斜；

外轮，所述外轮为桶状，套在所述第一轮毂上，其内壁与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合。

作为优选，所述抵接部与所述盘状体之间通过圆角过渡，所述应力减缓槽位于所述圆角的外壁上。

作为优选，所述外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起，在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。

作为优选，所述第一配合凸起的至少一端设有引导所述第一轮毂在所述外轮内沿轴线相对运动的安装引导坡，第一配合凸起的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。

作为优选，所述盘状体相对于垂直于所述旋转轴的平面倾斜的角度为5°-15°。

作为优选，所述第一轮毂还包括套在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步转动的安装轴套，所述盘状体位于所述安装轴套的外部且与所述安装轴套一体成型。

作为优选，所述飞轮储能转子还包括位于所述第一轮毂上方的第二轮毂，所述第二轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上，并可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第二轮毂的结构形状与所述第一轮毂的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂的盘状体与所述第二轮毂的盘状体的倾斜方向相同，所述第二轮毂的抵接部与设置在外轮内壁上的第二配合凸起紧配合。

所述紧配合为过盈配合。

作为优选，所述飞轮储能转子还包括定位轴套，所述定位轴套套在所述旋转轴上，且位于所述第一轮毂与第二轮毂之间。

作为优选，所述定位轴套由40Cr制成。

作为优选，所述旋转轴的下端具有用于对所述第一轮毂的下端进行定位的轴肩。

本发明的飞轮储能转子和现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的轮储能转子，其第一轮毂的盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，抵接部在预紧力的作用下与外轮的内壁相抵。第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成抵接部的一侧倾斜。在第一轮毂和外轮高速旋转时，外轮在第一离心力的作用下会产生向外的位移，第一轮毂受到的离心力虽然小于外轮收到的离心力，但由于第一轮毂的外缘弯折成了抵接部，且盘状体倾斜设计，盘状体和抵接部在受到离心力后产生径向的扩张变形。从而最终产生与外轮一致的径向变形，抵接部能与外轮的内壁贴紧，保持与外轮的预紧力。抵接部与盘状体的连接处设有应力减缓槽，应力减缓槽可减小应力，防止此处由于应力太大而损坏。

2、外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起。在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。第一配合凸起增加了第一轮毂抵接部在与外轮的内壁配合的时候产生的变形量，使得外轮与第一轮毂之间的紧配合更加可靠。

3、飞轮储能转子还包括位于第一轮毂上方的第二轮毂，在完成装配的状态下，第一轮毂的盘状体与第二轮毂的盘状体的倾斜方向相同。这为外轮的加长提供了条件，加长的外轮提高了质量，即增大了飞轮的转动惯量J，从而提高了飞轮的储能量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的飞轮储能转子的剖视结构示意图。

图2为图1中A部分的放大示意图。

附图标记

1旋转轴，11轴肩；

2第一轮毂，21盘状体，22抵接部，23安装轴套，24应力减缓槽；

3外轮，31第一配合凸起，32安装引导坡，33圆角，34第二配合凸起；

4第二轮毂，41盘状体，42抵接部，43安装轴套；

5垂直平面；

6定位轴套。

具体实施方式

如图1所述，本发明的飞轮储能转子，包括旋转轴1、第一轮毂2和外轮3。其中，旋转轴1为竖直设置的实心钢轴，旋转轴1一般与飞轮储能装置中的电机的轴是一体的。在充电时，电机旋转，电机的轴也就是转子的旋转轴1旋转，从而带动第一轮毂2和外轮3旋转，将电能转化成为第一轮毂2和外轮3的高速旋转实现能量的储存。

所述第一轮毂2由弹簧钢制成，套在所述旋转轴1上，所述第一轮毂2可在所述旋转轴1的带动下与所述旋转轴1同步旋转。所述第一轮毂2具有盘状体21，所述盘状体21的外缘向其一侧弯折形成抵接部22，抵接部22的外壁在预紧力的作用下与外轮3的内壁相抵。

第一轮毂2的盘状体21自中部向边缘相对于垂直于旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成抵接部22的一侧倾斜。盘状体21倾斜的设计相比于不倾斜的情况，更能发挥弹簧钢的弹力特性。在装配或高速旋转的状态下，若没有倾斜的设计，弹簧钢制成的盘状体只做伸缩的运动，而不能发挥其弹力抗屈服的优点。作为优选，所述盘状体21相对于垂直于所述旋转轴1的垂直平面5倾斜的角度为5°-15°。在本实施例中，盘状体21相对于垂直于所述旋转轴1的平面倾斜的角度为10°。

在第一轮毂2和外轮3高速旋转时，外轮3在第一离心力的作用下会产生向外的位移，第一轮毂2受到的离心力虽然小于外轮3受到的离心力，但由于第一轮毂2的外缘弯折成了抵接部，且盘状体倾斜设计，盘状体和抵接部在受到离心力后产生径向的扩张变形，从而最终产生与外轮一致的径向变形，抵接部22能与外轮3的内壁贴紧，保持与外轮3的预紧力。

相比没有弯折的轮毂，本发明的飞轮储能转子的轮毂增大了与外轮3的结合力，使传递的扭矩更大。第一轮毂2设置的抵接部及第一轮毂2所采用的材料即弹簧钢很好地支持了第一轮毂2产生的径向的变形，从而实现了在高速的旋转下，第一轮毂2与外轮3之间仍可保持大的预紧力，防止旋转力从轮毂向外轮3传递过程中发生衰减，并防止第一轮毂2与外轮3在高转速时产生滑移或脱落，从而提高了第一轮毂2与外轮3运动的同步性，为转子转速的进一步提高提供了条件。本发明的飞轮储能转子在其转速达到10000转/分钟时，仍可保证其轮毂与外轮3之间的预紧力，使得飞轮转子的额定转速可进一步提高，增大储能量。

如图2所示，所述抵接部22与所述盘状体21之间通过圆角33过渡，圆角33及其附近的外壁上设置应力减缓槽24，。圆角33可使产生的应力分布更均匀，防止应力集中。应力减缓槽24可减小应力，防止此处由于应力太大而损坏。

所述外轮3为桶状，外轮3采用的材料比轮毂更加坚韧，可抵抗离心力，而不被撕裂。外轮3套在所述第一轮毂2上，其内壁在与所述第一轮毂2抵接部22的外壁配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起31。在完成安装的状态下，所述第一轮毂2抵接部22的外壁与所述第一配合凸起31紧配合。第一配合凸起31增加了第一轮毂2的抵接部22在与外轮3的内壁配合的时候产生的变形量，使得外轮3与第一轮毂2之间的紧配合更加可靠。

第一配合凸起31绕周向延伸一周，所述第一配合凸起31的至少一端设有引导所述第一轮毂2在所述外轮3内沿轴向相对运动的安装引导坡32，安装引导坡32即第一配合凸起31与外轮3内壁之间的过渡结构。第一配合凸起31的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。安装引导坡32可使得第一轮毂2便于安装在外轮3内，并实现与第一配合凸起31的紧配合。在本实施例中，所述紧配合为过盈配合，如图2所示，第一配合凸起31的上下两端均具有安装引导坡32。

作为优选的方案，所述第一轮毂2还包括套在所述旋转轴1上可与所述旋转轴1同步转动的安装轴套23，所述盘状体21位于所述安装轴套23的外部且与所述安装轴套23一体成型。安装轴套23在上下方向的尺寸大于盘状体21在上下方向上的尺寸，安装轴套23与旋转轴1的接触面积更大，可防止第一轮毂2产生晃动。

在本实施例中，所述飞轮储能转子还包括位于所述第一轮毂2上方的第二轮毂4，所述第二轮毂4由弹簧钢制成，套在所述旋转轴1上，并可在所述旋转轴1的带动下与所述旋转轴1同步旋转，所述第二轮毂4的结构形状与所述第一轮毂2的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂2的盘状体21与所述第二轮毂4的盘状体41的倾斜方向相同，所述第二轮毂4的抵接部42与设置在外轮3内壁上的第二配合凸起34紧配合。这为外轮3的加长提供了条件，加长的外轮3提高了质量，即增大了飞轮的转动惯量J，从而提高了飞轮的储能量。

作为优选的方案，所述第二轮毂4还包括套在所述旋转轴1上可与所述旋转轴1同步转动的安装轴套43，所述盘状体41位于所述安装轴套43的外部且与所述安装轴套43一体成型。安装轴套43在上下方向的尺寸大于盘状体41在上下方向上的尺寸，安装轴套43与旋转轴1的接触面积更大，可防止第二轮毂4产生晃动。

作为进一步的优选，所述飞轮储能转子还包括定位轴套6，所述定位轴套6套在所述旋转轴1上，且位于所述第一轮毂2与第二轮毂4之间，使得第一轮毂2与第二轮毂4之间间隔一定的距离，这为外轮3的进一步加长提供了条件。在本实施例中，所述定位轴套6由40Cr制成。定位轴套6的下端与第一轮毂2的安装轴套23的上端相抵，定位轴套6的上端与第二轮毂4的安装轴套43的下端相抵。在本实施例中，定位轴套6与所述旋转轴1可同步旋转。

所述旋转轴1的下端具有用于对所述第一轮毂2的下端进行定位的轴肩11。在本实施例中，第一轮毂2的安装轴套23的下端面与旋转轴1的轴肩11的上端面相抵而实现定位。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种飞轮储能转子，其特征在于，包括：

旋转轴，为竖直设置的实心钢轴；

第一轮毂，所述第一轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第一轮毂具有盘状体，所述盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，所述抵接部与所述盘状体相连的位置设有应力减缓槽，所述第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成所述抵接部的一侧倾斜；

外轮，所述外轮为桶状，套在所述第一轮毂上，其内壁与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述抵接部与所述盘状体之间通过圆角过渡，所述应力减缓槽位于所述圆角的外壁上。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起，在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述第一配合凸起的至少一端设有引导所述第一轮毂在所述外轮内沿轴线相对运动的安装引导坡，第一配合凸起的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述盘状体相对于垂直于所述旋转轴的平面倾斜的角度为5°-15°。

6.根据权利要求4所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述第一轮毂还包括套在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步转动的安装轴套，所述盘状体位于所述安装轴套的外部且与所述安装轴套一体成型。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述飞轮储能转子还包括位于所述第一轮毂上方的第二轮毂，所述第二轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上，并可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第二轮毂的结构形状与所述第一轮毂的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂的盘状体与所述第二轮毂的盘状体的倾斜方向相同，所述第二轮毂的抵接部与设置在外轮内壁上的第二配合凸起紧配合。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述紧配合为过盈配合。

9.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述飞轮储能转子还包括定位轴套，所述定位轴套套在所述旋转轴上，且位于所述第一轮毂与第二轮毂之间。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述定位轴套由40Cr制成。

11.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述旋转轴的下端具有用于对所述第一轮毂的下端进行定位的轴肩。