CN108880087A - 一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，包括芯轴、套设在芯轴中段外侧的电机转子和依次对称设置在电机转子两侧的两个飞轮与两个永磁转子。所述飞轮包括套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合的合金转子以及设置在合金转子外侧壁上的碳纤维保护层。所述永磁转子套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合。由以上技术方案可知，本发明应用于飞轮储能系统中，具有体积小、重量轻、强度高、高转速、储能密度大、转动惯量大等特点。本发明所述的储能飞轮可以承受大于20000rpm以上的转速，承载的压力可达1200MPa以上，储能密度超过100Wh/kg，储能量超过2kWh。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮储能技术领域，具体涉及一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮。
背景技术
飞轮作为超导磁悬浮飞轮储能系统的储能载体，是关键的系统组件。飞轮储能要提高其储能效率（包括储能密度、转换效率），就必须不断提高飞轮的转速，减少轴承及空气摩擦的能量损耗，有效的办法就是实现飞轮转子的高速旋转。飞轮转子旋转速度一般都是上万转，因此转子工作时要承受很大的离心力，这样就对转子材料的机械强度提出了很高的要求。高强度、低密度的材料将是飞轮转子的理想材料。飞轮高速旋转起来之后，转子受到的环向应力显著大于径向应力，而飞轮转子常采用的高强度的碳素纤维复合材料具有典型的各向异性，需充分发挥其纤维方向强度高的特点，同时避免其垂直纤维方向强度低的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，该飞轮应用于飞轮储能系统中，具有体积小、重量轻、强度高、高转速、储能密度大、转动惯量大等特点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，包括芯轴、套设在芯轴中段外侧的电机转子和依次对称设置在电机转子两侧的两个飞轮与两个永磁转子。所述飞轮包括套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合的合金转子以及设置在合金转子外侧壁上的碳纤维保护层。所述永磁转子套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合。
进一步的，所述永磁转子采用NdFeB材料。
进一步的，所述合金转子采用合金钢材料，所述合金转子的形状为圆柱体状、环状、纺锤状、伞状中的任意一种。
进一步的，所述碳纤维保护层采用碳纤维T700或碳纤维T1000或玻璃纤维材料，这些材料具有较高的转动惯量，可提高储能密度。
进一步的，所述芯轴采用合金钢或钛合金材料，这些材料使芯轴在高速运行下不变形。
由以上技术方案可知，本发明应用于飞轮储能系统中，具有体积小、重量轻、强度高、高转速、储能密度大、转动惯量大等特点。通过采用有限元分析法，对飞轮的材料、结构形状进行优化设计，使本发明所述的储能飞轮具有较大转动惯量、较轻质量的同时，还使其应力分布更加均匀，从而使其具有较高的极限转速，提高飞轮的储能性能。本发明所述的储能飞轮可以承受大于20000rpm以上的转速，承载的压力可达1200MPa以上，储能密度超过100Wh/kg，储能量超过2kWh。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中：
1、永磁转子，2、碳纤维保护层，3、合金转子，4、芯轴，5、电机转子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，包括芯轴4、套设在芯轴4中段外侧的电机转子5和依次对称设置在电机转子5两侧的两个飞轮与两个永磁转子1。所述飞轮包括套设在芯轴4外侧且与芯轴4紧密贴合的合金转子3以及设置在合金转子3外侧壁上的碳纤维保护层2。所述永磁转子1套设在芯轴4外侧且与芯轴4紧密贴合。
进一步的，所述永磁转子1采用NdFeB（钕铁硼）材料。永磁转子和芯轴通过特种工艺实现无缝紧密配合。
进一步的，所述合金转子3采用高强度合金钢材料，所述合金转子3的形状为圆柱体状、环状、纺锤状、伞状中的任意一种。所述合金转子与芯轴通过特种工艺实现无缝紧密配合。对于材料一定的储能飞轮，合理的结构形状可以使飞轮具有较大转动惯量、较轻质量的同时，还可使其应力分布更加均匀，材料利用更加充分，从而使其具有较高的极限转速，最终，提高飞轮的储能性能。
进一步的，所述碳纤维保护层2采用碳纤维T700、碳纤维T1000或玻璃纤维材料，这些材料具有较高的转动惯量，可提高储能密度。所述碳纤维保护层与合金转子通过特种工艺缠绕、胶液浸渍实现一体。碳纤维保护层的宽度与合金转子的宽度相适应，厚度与储能密度、储能量相关。
进一步的，所述芯轴4采用高强度合金钢或钛合金材料，这些材料使芯轴在高速运行下不变形。电机转子和电机定子构成电机，电机采用4极，电机采用的材料为NdFeB（钕铁硼）材料。电机定子和芯轴实现气隙磁路。
飞轮转子作为储能载体，其旋转速度一般都是上万转，工作时要承受很大的离心力，对转子材料的机械强度及其工艺要求很高。本发明通过对飞轮转子结构进行优化、复合材料特性缠绕工艺、飞轮转子动平衡检测及调整、飞轮转子过速状态下破损预处理方法进行设计分析，设计实现了一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，具有承载高速转动、大的离心力、储能密度、体积小、重量轻等特点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，其特征在于：包括芯轴、套设在芯轴中段外侧的电机转子和依次对称设置在电机转子两侧的两个飞轮与两个永磁转子；所述飞轮包括套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合的合金转子以及设置在合金转子外侧壁上的碳纤维保护层；所述永磁转子套设在芯轴外侧且与芯轴紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，其特征在于：所述永磁转子采用NdFeB材料。
3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，其特征在于：所述合金转子采用合金钢材料，所述合金转子的形状为圆柱体状、环状、纺锤状、伞状中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，其特征在于：所述碳纤维保护层采用碳纤维T700、碳纤维T1000或玻璃纤维材料。
5.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能系统中的储能飞轮，其特征在于：所述芯轴采用合金钢或钛合金材料。
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