CN107820662B - 飞轮的安全组装和安装 - Google Patents

Abstract

一种飞轮装置，包括允许利用相对少的步骤异地组装、安全运输并安装飞轮系统的结构。该飞轮包括转子和包围转子的壳体，其中壳体包括底板、顶板和侧壁。底板和顶板各自包括与转子的中心轴线对准的孔。该飞轮还包括基本上覆盖底板和顶板的与转子的中心轴线对准的孔的多个轴承壳体。飞轮还包括物理接触转子的主旋转质量件的柱，以在飞轮系统的运输期间防止转子的运动。这些柱中的一些或全部可以在安装期间被重新定位或移除，以便转子可以自由地旋转。

Description

飞轮的安全组装和安装

政府权利说明

本发明根据由美国能源部给予的合同OE-0000232在政府的支持下完成。该政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本说明书总体上涉及能量储存，并且更具体地涉及飞轮的组装、运输和安装。

背景技术

许多能源、特别是诸如风力涡轮机和太阳能板的清洁能源，产生暂时不匹配所经受的负载的能量。在大多数发达国家，能源的产生遵循所经受的负载，从而根据需要提供能源。在高负载的情况下，诸如使用峰值发电机和在热发电机上的自动发电控制(AGC)的技术允许与高的且可变的负载相匹配地发电。然而，尽管此类技术具有可用性，但是经常存在能量储存对于满足能量负载是重要的情况。

目前存在的能量储存系统都具有这样那样形式的缺点。在设计能量储存系统时，尺寸、价格、储存效率、功效和安全性都是关注点。通常，较小的尺寸、较低的价格、在输入用于储存的能量和提取用于分配的能量中的减少的损失、连续操作的减少的损失、以及安全处理都是储能系统的优选特征。

结合转子的飞轮机构是将能量储存为旋转动能的一种储能系统。飞轮转子是加重的旋转对称的质量件，其在直接或间接地物理耦合到电动机/交流发电机时旋转，该电动机/交流发电机本身电耦合到构成AC-AC转换子系统的转换器，诸如背对背逆变器系统。当接收电力以储存时，驱动转子从而增加飞轮转子的旋转速度。当提取电力时，飞轮转子驱动电动机/交流发电机。飞轮转子旋转得越快，储存的能量就越多。可以储存在飞轮转子中的能量的量取决于转子的质量、强度特性、循环疲劳特性和形状等其他因素的组合。通常，飞轮的轴承和悬吊子系统被设计成使由于摩擦、热量和其他损失源而引起的能量损失最小。

现代飞轮系统是沉重复杂的机器，其包括若干精巧且仔细对准的部件。对飞轮系统的组装、运输和/或安装是不平凡的任务。通常，飞轮系统可以在安装地点组装，也可以在工厂组装并然后运输到安装地点。

如果飞轮系统在安装地点组装，则组装飞轮系统所需的装备和专业人员将需要运输到安装地点。这可能在成本和空间上受到限制。如果飞轮系统在工厂组装，则需要将组装好的飞轮系统运输到安装地点。因为飞轮系统的内部部件可能在运输期间四处移动，所以组装的飞轮系统的运输对组装的系统造成风险。例如，飞轮转子可能摇动并碰撞其他部件，从而损坏转子或其他部件。另外，转子的运动可能导致由转子的轴承所经受的负载大于转子的重量。这可以潜在地损坏轴承。

因此，正是基于这些和其他考虑，做出了本发明。

发明内容

飞轮装置包括用于存储能量的飞轮转子，以及允许利用相对少的步骤异地组装、安全地运输和安装飞轮的附加结构。该飞轮包括用于存储能量的转子，其中该转子包括主旋转质量件和沿转子的中心轴线延伸的轴颈。飞轮还包括包围着转子的壳体，其中壳体包括底板、顶板和侧壁。底板和顶板各自包括与转子的中心轴线对准的孔。飞轮还包括多个轴承壳体，这些轴承壳体基本上填充与转子的中心轴线对准的底板和顶板的孔。飞轮还包括多个柱，这些柱能够物理地接触转子的主旋转质量件，以在飞轮组件的运输期间防止转子的运动。这些柱中的一些或全部可以在安装期间被重新定位或移除，使得转子可以自由地旋转。

本发明的其他方面包括如本文所述的在运输之前和之后用于组装和安装飞轮的方法。

在某些实施例中，飞轮包括使上轴承能够支撑向下的推力的上轴承组件。上轴承组件包括顶部轴承、轴承壳体、轴承锁定盖、备用推力轴承和盖。备用推力轴承在不寻常的竖直运动的情况下接收向上的推力负载。

附图说明

所公开的实施例具有从详细描述、所附权利要求和附图(或图)中将更容易地显而易见的其他优点和特征。下面为附图的简要介绍。

图1是根据一个实施例的飞轮储能系统的框图。

图2A是根据一个实施例的处于其操作状态下的飞轮的横截面图。

图2B是根据一个实施例的处于运输期间的飞轮的横截面图。

图3是根据一个实施例的用于组装和安装飞轮的示例性过程。

图4A至图4D是根据一个实施例的在组装和安装过程的不同阶段的飞轮的横截面图。

图5是根据一个实施例的用于安装飞轮的示例性过程。

图6A至图6B是根据一个实施例的在安装过程的不同阶段的飞轮的横截面图。

图7是被称为翻转轴承设计的上轴承组件的实施例的简化横截面图。

附图仅出于说明的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员将从下面的讨论中容易地认识到，在不脱离本文描述的本发明的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。

具体实施方式

飞轮储能系统

图1是根据一个实施例的飞轮储能系统100(也称为飞轮系统100)的框图。飞轮系统100包括飞轮机构或装置130，或简称为飞轮130，其包括如下文所讨论的转子和壳体、电动机/交流发电机140、功率转换器120和可以是交流或直流(AC或DC)电线150。例如，电线150可以是常规的三相60Hz AC电线。在某些实施例中，功率转换器120将输入的交流电转换成电动机/交流发电机140可接受的交流电。或者，在其他实施例中，转换器120将来自电动机/交流发电机140的交流电转换成直流电输出。电动机/交流发电机140在电能和机械能之间进行转换，使得可以将能量储存在飞轮130中或从飞轮130取出。电动机/交流发电机140例如使用轴直接地耦合到飞轮130，或者例如使用连接到轴承的短轴间接地耦合到飞轮130。电动机/交流发电机140经由电线或其他电耦合件耦合到飞轮系统100的其余部分。通常，尽管仅示出每个部件中的一个，但是实际上飞轮系统100可以包括每个单独部件的多个部件。

飞轮结构

图2A是根据一个实施例的处于其操作状态下的飞轮130的横截面图。也就是说，图2A的飞轮130是被显示为在组装和安装过程完成之后。

飞轮130包括在壳体201内的转子205。壳体201包括底板221、顶板223和侧壁225。壳体201通常被成形为容纳转子205，提供足够的内部容积以允许转子205自由地旋转。壳体201可以是圆柱形的形状，尽管其他形状也是可能的。顶板223和底板221各自包括与中心旋转轴线230对准的至少一个孔。与中心旋转轴线230对准的孔中的每个基本上由轴承壳体填充。下轴承壳体209容纳下轴承207，并且上轴承壳体217容纳上轴承215。上轴承组件220指的是上轴承壳体217连同上轴承215。在下文中参照图7描述上轴承组件的替代实施例。

转子205用于将能量储存为动能。转子205基本上围绕中心旋转轴线230旋转对称。转子的主旋转质量件的形状有助于确保由于旋转时施加在转子上的旋转力而引起的应力的几乎均匀的分布。转子205联接到将转子联接到支撑转子的轴承的两个短轴：下短轴227和上短轴229，同时允许围绕中心轴线的不受约束的旋转。电动机/交流发电机的电磁转子也可以安装在短轴中的一个或两个上。电动机/交流发电机的目的是在转子205和电域之间传递能量。如本文所使用的，术语短轴指的是联接到转子205的一侧的相对较短的轴。虽然图2A至图2B所示的实施例采用两个短轴，但是在其他实施例中，可以使用单个短轴或两个短轴。短轴227和229经由沿转子的中心旋转轴线延伸的轴颈而联接到转子205。

转子205通过下轴承207和上轴承215保持在壳体201内的适当位置。轴承207、215还允许转子205以尽可能小的摩擦自由地旋转。例如，可以使用滚珠轴承。在这种情况下，轴承包括物理地附接到飞轮壳体201的外环(或外圈)、物理地附接到与转子联接的轴的内环(或内圈)、以及诸如允许内环相对于外环以低摩擦系数旋转的滚珠的多个滚动元件。轴承被限制在其相应的轴承壳体内，并且轴被限制在轴承的内圈内。

为了减小转子205所经受的摩擦量，飞轮系统130包括卸载转子205的一些或全部重量的卸载器213。因此，卸载器213减小轴承207的负载，并且因此减小轴承的摩擦力矩。照此，由于轴承的摩擦而引起的转子的能量损失大大降低。取决于实施方式，卸载器213通过产生吸引或排斥转子205的磁场来减小轴承207必须支撑的转子重量。例如，可以通过在电磁体中适当成形的电流的循环来产生磁场。转子205所经受的磁力部分地取决于在卸载器213中的电磁体与转子205之间的距离。因此，在电磁体和转子205之间仅具有小的距离是有利的。然而，减小卸载器和转子之间的距离增加了转子撞击卸载器的可能性，特别是在运输期间。

飞轮机构130可以在运输到安装地点之前被组装。为了防止转子205的运动、对轴承207、215的损坏以及对卸载器213的损坏，飞轮机构130包括在运输期间限制转子运动的一个或多个柱203、219。这些柱进一步允许将卸载器213和转子205放置得非常靠近，而没有损坏任一元件的重大风险。进一步地，由于卸载器213较靠近地放置，卸载器213中的电磁体可以比其设置得更远时具有更小或更高的功率效率，同时仍然在转子上产生相同的有效磁场。为了本说明书的目的，术语柱指的是限制转子沿一个方向运动的结构元件。在某些实施例中，仅存在底部柱203或顶部柱219，而在其他实施例中，存在柱203和219两者。在其他实施例中，也可以存在由侧壁225锚定的水平柱(未示出)。

图2B是根据一个实施例的在运输期间的飞轮130的横截面图。如图2B所示，底部柱203接触转子205，从而限制转子的向下运动。类似地，顶部柱219接触转子205，从而限制转子的向上运动。柱和轴承一起限制转子的侧向运动。如图2B所示，底部柱203可以物理地附接到壳体201的底板221(或其一部分)，并且顶部柱219可以通过顶板(未单独标明)中的孔从顶板223移除(或至少可调节)。在其它实施中，顶部柱和底部柱可以颠倒，使得可移动的柱在底部上，并且附接的柱在顶部上。另选地，这两组柱可以是可移动的。虽然优选坚固且重量轻的材料，但是这些柱也可以由任何材料制成。例如，这些柱尤其可以由铝、橡胶或塑料制成。

在飞轮130的安装期间，顶部柱219被移除或升高一定距离，并且转子205升高而离开底部柱203以允许转子205自由地旋转。在一个实施例中，螺纹附接到下轴承壳体209的支撑塞211可以用于升高转子205。

飞轮组装过程

图3是用于组装飞轮130的过程300的流程图。图4A至图4D示出处于不同组装阶段的飞轮130。

组装过程300从壳体201的底板221开始。在步骤301处，如图4A所示，底部柱203附接到底板221。例如，底部柱203用螺栓固定到底板221。或者，诸如铆接、焊接或粘结的其它技术可以用于将底部柱203物理附接到底板221。如果底部柱203是可移动的，则将底部柱203穿入底板221的孔中。

在步骤303处，如图4B所示，转子205放置在底部柱203上。假定转子具有在2吨至5吨之间的重量，则通常使用起重机或其他大型提升机构将转子移动到底部柱上。由于在考虑到应力和储存容量的情况下设计转子，所以通常在转子上没有明确的表面特征以确保转子相对于柱的适当放置。然而，可以使用转子的大体形状来确定柱在壳体201内的放置。例如，如果圆柱形转子具有沿极轴线弯曲的形状，则转子的曲率可以用于将这些柱放置在它们最不可能滑动的沿极轴线的位置。

为了进一步实现转子的适当放置，一旦将转子放置在柱上，则可以使用粗对准过程来重新定位转子以与柱适当对准。

在某些实施例中，如图4B所示，当将转子放置在柱上时，转子205可能已经联接到短轴227和229。在其它实施例中，作为步骤303的一部分，执行将短轴227和229联接到转子205。

在步骤305处，如图4C所示，下轴承207、下轴承壳体209和支撑塞211物理附接到壳体201。例如，下轴承壳体209用螺栓固定到底板221。或者，诸如铆接、焊接或粘结的其它技术可以用于将下轴承壳体209物理附接到底板221。然后，将下轴承207插入到下轴承壳体209中，并且将支撑塞211附接到下轴承壳体209。下轴承207由支撑塞211支撑，并且支撑塞211螺纹附接到下轴承壳体209。

在步骤307处，如图4D所示，包括上轴承215、上轴承壳体217、上部柱219、电磁卸载器213、壳体201的顶板223和侧壁225的上部组件410物理附接到图4C所示的部分组装的飞轮。可以理解的是，转子205是圆柱形的，并且因此在某些实施例中，壳体201是圆柱形的形状。在此类实施例中，侧壁225可以是单件式圆柱形外壳。通常，侧壁225可以是单个元件，或者可以是一起形成飞轮130的侧面的多个附接的元件。为了组装上部子组件，上轴承壳体217物理附接到顶板223，并且上轴承215插入到上轴承壳体217中。进一步地，卸载器213物理附接到顶板223，并且上部柱219穿入顶板223中。一旦上部子组件被放在一起，则侧壁225物理附接到底板221并且顶板223物理附接到侧壁225。

不同的物理耦合可以用于附接壳体201的底板221、侧壁225和顶板223。底板221、侧壁225和顶板223可以使用螺钉和/或铆钉、焊接或用于物理附接的任何其他已知机构而附接在一起。

为了在运输期间将转子205牢固地保持在适当的位置，上部柱219被降低到与转子物理接触。为了固定转子，例如通过在所施加的扭矩下拧紧螺钉，可以将上部柱压靠在转子上。

飞轮安装过程

图5是一旦飞轮130到达安装地点就对其进行安装的过程500的流程图。实质上，这些是为了使飞轮130投入运行而执行的步骤。图6A至图6B示出用于安装飞轮130的过程500的某些步骤。

在步骤501处，如图6A所示，顶部柱210升高离开转子205，使得它们不再与转子205物理接触。

在一个实施例中，在步骤503中示出并在图6B中说明，转子205随后通过升高支撑塞211而升高，离开底部柱203。例如，如果使用螺纹附接支撑塞211，则将支撑塞旋入下轴承壳体209中将升高下轴承207，从而升高转子205。在其他实施例中，在底部柱203可移除或至少可重新定位，而不是将转子205升高离开底部柱203的那些实施例，底部柱203可以替代地部分地或完全移除，以不再接触转子205。在完成这些过程之后，转子205与顶部柱219和底部柱203之间的物理距离可以根据实施而变化。

在步骤503处，随后激活电磁卸载器213，以使轴承减重。此外，如果壳体能够保持真空，则可以通过激活相关联的真空机械(未示出)来产生真空。

翻转式轴承(flipped-bearing)设计

图7是称为翻转式轴承设计的上轴承组件700的实施例的简化横截面图。上轴承组件700与参照图2A描述的上轴承组件220的不同之处在于，顶部轴承701如同下轴承一样，支撑向下的推力负载，而不是向上的推力负载。尽管顶部轴承701可以是与图2A的顶部轴承215相同的轴承，但是由于独特的翻转式轴承设计，其被不同地支撑。如前所述，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，飞轮130可以包括上轴承组件，诸如上轴承组件220、具有翻转式轴承设计的上轴承组件700或不同设计的上轴承组件。

上轴承组件700包括顶部轴承701、轴承壳体703、轴承锁定盖705、备用推力轴承707和盖709。

轴承锁定盖705将顶部轴承701装配并保持到轴或短轴711上。在该实施例中，轴承壳体703从下方支撑顶部轴承701。

备用推力轴承707位于轴承锁定盖705和盖709之间。这被称为备用轴承，因为在正常运行中它不旋转。备用推力轴承707吸收或扩散来自短轴711的竖直向上的推力，而该推力可能通过将向上的推力转换为旋转能量而导致损坏或限制问题。例如由于运输期间的事故或由于地震事件而可能发生此不寻常的垂直运动。虽然在运输期间转子不旋转，但是如果在飞轮的运行期间发生地震事件或其他事件，则转子205将很有可能旋转；因此有优势的是备用轴承而不是简单的衬套材料，以吸收或扩散转子的大旋转能量。如果旋转的转子接触由常规工程塑料或金属制成的静态衬套，则即使该接触只是短暂的，所产生的摩擦也可能熔化衬套。

各种各样的实施例可以包括翻转式轴承设计。在某些实施例中，飞轮130中的顶部轴承701以及底部轴承207是在一个方向上提供高推力能力的角接触球轴承。通常角接触球轴承在内环和外环中具有滚道，这些滚道在轴承轴线的方向上相对于彼此移位。这意味着它们可以被设计成同时容纳径向负载和轴向负载。在此类实施例中，顶部轴承701和底部轴承被安装成以便在向下方向上提供高的推力能力。在不使用翻转式轴承设计的飞轮实施例中，顶部轴承701在向上方向上支撑推力，而底部轴承207支撑向下的推力，即它们相对于彼此翻转。

结合翻转式轴承设计的飞轮实施例相对于参照图2A至图2B描述的更简单的设计提供了许多优点。由于两个轴承在翻转设计中都面向下，即在相同的方向上，所以通过使用支撑下轴承的弹簧，可以允许所有差动转子壳体轴向尺寸增长被容纳在下轴承座。照此，在壳体和转子之间的差动尺寸变化下，在卸载器处的磁隙尺寸几乎不变。由磁性卸载控制系统设定并控制上轴承上的载荷。因为在下轴承上的载荷可以通过轴向预加载弹簧完全控制，所以直截了当地确保下轴承在所有操作条件下都具有优异的疲劳寿命。因此，即使飞轮需要维修其轴承，该维修也只涉及顶部轴承701，顶部轴承701可以从顶部取出，而不必断开和移除飞轮。

翻转式轴承设计还减少所需的卸载器提升力。例如，如果是顶部轴承组件220则卸载器必须施加转子重量+1000磅，如果是使用翻转式轴承设计的顶部轴承组件220，则卸载器施加转子重量-1000磅。这使得对卸载器213中的电磁体的控制更容易并且潜在地降低其功率消耗和尺寸。

由于不寻常的运动而对轴承的损坏将更可能地影响或损坏相对更便宜、更容易地替换备用轴承707，而不是相对更昂贵的主轴承，即顶部轴承701和底部轴承。

附加的配置考虑

根据阅读本公开内容，本领域的技术人员通过本文公开的原理将认识到附加的替代结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施例和应用，但是应该理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确构造和部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对本文公开的方法和装置的布置、操作和细节做出对于本领域技术人员而言显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (12)

1.一种飞轮装置，包括：

转子，所述转子用于存储能量，所述转子包括主旋转质量件，所述主旋转质量件具有顶表面和底表面；

联接到所述转子的轴，所述转子的所述主旋转质量件被配置成绕所述轴的中心轴线旋转；

壳体，所述壳体包围所述转子，所述壳体包括顶板、底板和侧壁，所述壳体限定有与所述轴的中心轴线对准的孔；

轴承壳体，所述轴承壳体填充与所述转子的所述中心轴线对准的所述孔，所述轴承壳体包括联接到所述轴的轴承；

多个底部柱，所述多个底部柱被配置成，在所述飞轮装置的运输期间物理地接触所述转子的所述主旋转质量件的底表面，以在所述飞轮装置的运输期间防止所述转子的运动；

支撑塞，所述支撑塞附接到所述轴承壳体，所述支撑塞被配置成在安装期间提起所述轴承壳体，从而将所述转子提离所述多个底部柱，使得所述主旋转质量件能够绕所述中心轴线旋转；以及

至少一个顶部柱，所述至少一个顶部柱被配置成，在所述飞轮装置的运输期间物理地接触所述转子的顶表面，以在所述飞轮装置的运输期间防止所述转子的运动；

其中，所述至少一个顶部柱被配置成在安装过程中被抬起或移除，以使得所述主旋转质量件能够绕所述中心轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，所述主旋转质量件沿远离所述中心轴线的极轴线向外延伸。

3.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，连接到所述转子的所述轴是短轴，并且其中所述转子具有联接到所述短轴的轴颈。

4.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，所述多个底部柱附接到所述底板。

5.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，其中，所述支撑塞螺纹地附接到所述轴承壳体。

6.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，所述壳体被气密地密封，以允许在所述壳体内生成真空。

7.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，所述转子由铁磁材料制成，并且进一步包括：

磁性卸载器，所述磁性卸载器附接到所述顶板和所述底板中的一个，所述磁性卸载器产生电磁场，所述电磁场减小所述转子在所述轴承上的负载。

8.根据权利要求7所述的飞轮装置，其特征在于，所述磁性卸载器附接到所述壳体的所述顶板。

9.根据权利要求1所述的飞轮装置，其特征在于，所述轴承壳体为设置在所述转子下方的底部轴承壳体。

10.根据权利要求9所述的飞轮装置，其特征在于，进一步包括上轴承组件，其中所述上轴承组件包括：

上轴承壳体，所述上轴承壳体填充与所述转子的所述中心轴线对准的在所述顶板中的孔；

顶部轴承，所述顶部轴承与顶轴联接，所述顶轴与所述转子联接；以及

轴承锁定盖，所述轴承锁定盖在所述顶部轴承上方，所述轴承锁定盖将所述顶部轴承保持在所述顶轴上，并且搁置在所述顶部轴承上，从而在所述飞轮的操作期间将向下的推力负载施加到所述顶部轴承上。

11.根据权利要求10所述的飞轮装置，其特征在于，所述顶部轴承是角接触轴承，并且被配制成抵挡沿向下的方向施加的力。

12.根据权利要求10所述的飞轮装置，其特征在于，所述顶部轴承组件进一步包括：

备用推力轴承，所述备用推力轴承在所述轴承锁定盖上方，用于在不寻常的竖直运动的情况下吸收向上的推力负载；以及

盖，所述盖在所述备用推力轴承上方，密封所述上轴承组件的顶部。

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