CN109639036A - 一种储能飞轮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞轮技术领域，具体涉及一种储能飞轮装置，其包括壳体、设于壳体内腔下部的金属飞轮本体和设于壳体内腔上部的永磁高速电机，飞轮本体与电机可拆卸连接，同一个电机可以与不同型号的飞轮本体组装，通用性好，适用范围广，可以满足用户对不同的储能能量需求。与传统的飞轮与电机转子一体轴设计的方案相比，本申请的方案大大降低了生产制造工艺难度、废品率以及运维成本；同时，飞轮本体采用无轴设计，即飞轮本体与飞轮转轴是一体的，避免了飞轮本体与转子体之间的应力作用，从而提高了飞轮的使用寿命和安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮技术领域，具体涉及一种储能飞轮装置。
背景技术
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置。该系统采用物理方法进行储能，并通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。飞轮储能系统是一种具有广阔应用前景的机械储能系统，具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。目前，飞轮储能系统已被应用于航空航天、UPS电源、交通运输、风力发电、核工业等领域。
在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮体中。之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。
典型的储能飞轮由机械系统和电力电子系统两大部分组成。机械系统主要包括：转子、轴承、永磁(PM)高速电机/发电机和真空室4个主要组件构成。电力电子系统主要由电力转换器及控制设备组成，不在本专利申请范围。储能飞轮的核心部件是转子，其包括所有高速转动的部件。飞轮系统的转子包括飞轮本体，电机转子及所附带的部件。
在现有技术中，目前所有的飞轮都有金属主轴，而且飞轮主轴和电机转子体是一体轴。该技术存在以下缺点：
1)飞轮-电机转子一体轴加工工艺要求高，废品率比较高；
2)通用性差，不适合系列产品的制造。由于是一体金属轴，无法进行模块化生产与品开发。电机只能对应一个飞轮设计。如果客户需要不同飞轮设计，一体轴意味着整个飞轮系统都需要从新设计，因而造成研发费用过高。
3)从转子动力学方面考虑，安装在主轴上的飞轮不能增加主轴的刚度，只能被当作附加重量看待，因此会影响转子动力学的性能，因而需要性能及价格更高的轴承。
4)由于飞轮运行特征是频繁加速减速，因而飞轮和主轴联结的区域容易产生疲劳，最终导致飞轮失效。
此外，目前的飞轮设计都是扁平形状即飞轮高度h与直径d比<1，扁平的碟形飞轮的半径要求高，因而占地面积也大，对于扁平的碟形飞轮安装在金属刚性轴上，在高速转动时，飞轮惯性轴对旋转轴线的偏离值大，从而影响转子的稳定性，最终导致飞轮失效。现在最流行的飞轮材料是碳纤维+树脂或者4340高强度钢，虽然碳纤维的屈服强度高达2800MPa以上，但是由于价格高并且加工时次品率高，市场上通用，必须通过特殊渠道才能获得。并且，作为基料的树脂在高温时会失效，进而导致整个飞轮的失效；高强度合金钢比如4340钢，价钱低，市场上可以容易获得，其屈服强度虽然可以高达850MPa，但是不能满足飞轮特定的速度和半径。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的储能飞轮装置成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种储能飞轮装置。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种储能飞轮装置，其包括壳体、设于所述壳体内腔下部的飞轮本体和设于所述壳体内腔上部的电机，
所述电机包括安装于所述壳体内的可旋转的电机转子，和固定于所述电机转子外并与所述壳体内壁过盈配合的电机定子；
所述飞轮本体和所述电机转子形成转子体，所述转子体还包括连接所述飞轮本体与所述电机转子的连接螺栓、和轴套，所述飞轮本体和所述电机转子通过所述连接螺栓产生的预紧力将所述飞轮本体与所述电机转子的接触面压紧连接，所述飞轮本体和所述电机转子沿垂直方向同轴设置；
所述轴套通过过盈配合套设在所述飞轮本体和所述电机转子连接处的外径上，所述轴套与所述电机转子的内壁间隙配合。
优选地，所述电机转子的底端开设有用于连接所述连接螺栓一端的螺孔，所述飞轮本体的顶端设有用于连接所述连接螺栓另一端的螺孔，所述电机转子与所述飞轮本体通过所述连接螺栓与所述螺孔配合预紧固定，所述连接螺栓两端的螺纹旋转方向保持一致。
优选地，所述飞轮本体包括位于上方的第一连接部，所述第一连接部和所述电机转子的外径相同，所述连接螺栓与所述飞轮本体的第一连接部连接。
优选地，所述飞轮本体还包括位于下方并沿所述转子体向下延伸的第二连接部，所述第二连接部安装有用于安装负载的径向-轴向负荷轴承。
优选地，所述电机转子的上方安装有径向磁悬浮轴承。
优选地，所述壳体内腔为真空腔，所述真空腔包括用于容纳所述电机的上部真空腔和用于容纳所述飞轮本体的下部真空腔，所述上部真空腔与所述下部真空腔相互连通，所述转子体在所述真空腔中自由旋转。
优选地，所述连接螺栓由合金钢或碳钢材料制成，所述轴套由钛合金、铬镍铁合金或非磁导材料制成。
优选地，所述飞轮本体的高度与直径的比值大于或等于1。
优选地，所述飞轮本体由合金钢材料制成，所述合金钢材料包括按百分含量计的如下组分：
碳：0.37％-0.44％；
硅：0.17％-0.37％；
锰：0.20％-0.30％；
硫：允许残余含量小于或等于0.01％；
磷：允许残余含量小于或等于0.01％；
铬：0.70％-0.90％；
镍：1.5％-1.65％；
铜：允许残余含量小于或等于0.25％；
钼：0.15％-0.25％。
优选地，所述合金钢材料经过热处理后制备的飞轮本体的屈服应力达1400MPa。
本发明的装置中电机与飞轮本体采用模块化设计，飞轮本体与电机可拆卸连接，使得同一个电机可以与不同型号的飞轮本体组装，以达到不同储能能量的要求。与传统的飞轮本体与电机转子一体轴设计的方案相比，本申请的无轴方案大大提高了飞轮本体和电机的通用性，降低了生产制造工艺难度、废品率以及运维成本。
附图说明
图1是本发明的储能飞轮装置的结构示意图。
图2是本发明的储能飞轮装置的第一种实施例的转子动力学特征的示意图。
图3是本发明的储能飞轮装置的第二种实施例的转子动力学特征的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
本发明的实施例公开了一种储能飞轮装置，该储能飞轮装置中的电机与飞轮本体采用模块化设计，飞轮本体与电机可拆卸连接，使得同一个电机可以与不同型号的飞轮本体组装，以达到不同储能能量的要求。与传统的飞轮与电机转子一体轴设计的方案相比，本申请的方案大大提高了飞轮本体和电机的通用性，降低了生产制造工艺难度、废品率以及运维成本；同时，飞轮本体采用无轴设计，即飞轮本体与飞轮转轴是一体的，避免了飞轮本体与转子体之间的应力作用，从而提高了飞轮本体的使用寿命和安全性能。
请参见图1，图1示出了一种储能飞轮装置，该储能飞轮装置包括壳体10、可旋转地设于壳体10内腔下部的飞轮20和设于壳体10内腔上部的电机30，飞轮20与电机30可拆卸连接，同一个电机30可以与不同型号的飞轮20组装，通用性好，适用范围广，可以满足用户对不同的储能能量需求。
进一步地，电机30包括可旋转地设于壳体10内的电机转子301，和套设于电机转子301外并与壳体10内壁过盈配合的电机定子302。
进一步地，电机定子302包括定子叠片3020和设于定子叠片3020上的线圈绕组3021。
进一步地，飞轮20包括飞轮本体201，飞轮本体201和电机转子301通过连接螺栓40产生的预紧力将飞轮本体201与电机转子301的接触面压紧连接，飞轮本体201和电机转子301沿垂直方向同轴设置。
进一步地，飞轮本体201和电机转子301组成转子体70，转子体70还包括连接飞轮本体201和电机转子301的连接螺栓40、和轴套50，轴套50通过过盈配合套设在飞轮本体201和电机转子301连接处60的外径上，轴套50与电机转子301的内壁间隙配合。
轴套50不仅套设在电机转子301的外侧，还套设在电机转子301与飞轮本体201连接处60的外径上，轴套50的作用一方面用于稳固飞轮本体201与电机转子301的连接处60，提高连接处60的刚度，保证电机转子301在高速旋转的情况下，第一连接部202与电机转子301不会断开，另一方面是用于固定安装在电机转子301上的磁体，提高电机转子301的刚度和整体性。
进一步地，飞轮本体201包括位于上方并在转字体70的方向上延伸的第一连接部202，第一连接部202通过连接螺栓40设于电机转子301的底部，第一连接部202和电机转子301的外径相同，便于连接螺栓40分别与第一连接部202、电机转子301连接。
本实施例的飞轮20和电机30采用模块化设计，并采用连接螺栓40和轴套50将电机转子301与飞轮本体201预紧固定，飞轮本体201与飞轮转轴一体连接，避免了飞轮本体201与转子体70之间的应力作用，从而提高了飞轮20的使用寿命和安全性能。
进一步地，在本实施例中，电机转子301的底端开设有用于与连接螺栓40一端连接的下螺孔(图中未示出)，第一连接部202顶端设有用于与连接螺栓40另一端连接的上螺孔(图中未示出)，电机转子301与飞轮本体201通过连接螺栓40与上螺孔、下螺孔配合预紧固定，从而实现电机30和飞轮20的固定连接，连接螺栓40两端的螺纹旋转方向保持一致。
具体地，组装时，首先用特定的扭矩将连接螺栓40的上端安装到电机转子301的下螺孔上，然后用相同的扭矩将连接螺栓40的下端安装到第一连接部202的上螺孔上，连接螺栓40上下两端的螺纹旋转方向保持一致以确保在连接飞轮本体201时，在先连接好的电机转子301与连接螺栓40不会松脱。连接螺栓40直径的选取不仅需要考虑连接螺栓40材料的限制，还需考虑转子动力学的要求，即飞轮本体201和电机转子301之间的压力至少高于7.0兆帕。
进一步地，飞轮本体201还包括位于下方并沿转子体70向下延伸的第二连接部203，第二连接部203安装有用于连接负载的径向-轴向负荷轴承2030。
进一步地，电机转子301的上方安装有用于将电机转子301悬空的径向磁悬浮轴承3000。位于电机转子301上方的径向磁悬浮轴承3000和位于飞轮本体201下方的径向-轴向负荷轴承2030整体布局。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁悬浮轴承不存在机械接触，电机转子301可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。
进一步地，壳体10内腔为真空腔101，真空腔101包括用于容纳电机30的上部真空腔1010和用于容纳飞轮20的下部真空腔1011，上部真空腔1010与下部真空腔1011相互连通，转子体70在真空腔101中自由旋转。进一步地，飞轮本体201与下部真空腔1011之间存在真空间隙。在飞轮20运行时，飞轮本体201在下部真空腔1011中高速运转，真空间隙可以降低风阻造成的能量损失，同时，帮助飞轮本体201散热，避免飞轮本体201的温度过高；电机转子301与上部真空腔1010之间也存在真空间隙，电机转子301在上部真空腔1010中高速运转也可以帮助电机转子301及时散热，避免电机转子301的温度过高。
进一步地，飞轮本体201的高度与直径的比值大于或等于1，保证飞轮20应力低的同时降低了占地面积。
在本实施例中，请参见图2，图2是本实施例的储能飞轮装置的转子动力学特征的示意图，飞轮本体201的高度与直径的比值为1.45，如图2显示，本实施例的电机转子301的自然共振频率为49487CPM(825Hz)，而飞轮本体201设计转速为36000转/分(600Hz)，对应的飞轮20能量为7.2兆焦，最大应力为620MPa，说明电机转子301的自然共振频率远高于飞轮本体201转速所对应的频率，表明本实施例的电机转子301可以在设计转速范围内稳定运行，满足设计要求，本实施例的储能飞轮装置可以达到飞轮本体201和电机转子301一体设计所具备的性能。
在另一个实施例中，如图3所示的储能飞轮装置的转子动力学特征，为达到相同的设计转速36000转/分(600Hz)和对应的飞轮20能量7.2兆焦，飞轮本体201的高度降低的同时半径需增加，在该实施例中，飞轮本体201的高度与直径的比值为1，如图3显示，电机转子301的自然共振频率为55613CPM(926Hz)，与图2相比，电机转子301自然共振频率有所增加，这是因为飞轮本体201的高度降低。从径向变形来看，虽然飞轮本体201尺寸不同，但是径向变形曲线几乎相同，图3中，由于飞轮本体201的半径有所增加，所以飞轮本体201的径向变形比图2中的飞轮本体201径向变形稍有增加，但是整体的转子动力学形态在设计转速下没有变化。这也说明了相同的电机30可以满足不同飞轮20的设计，由于半径的增加，飞轮本体201的最大应力也增加到710MPa。
在上述实施例的基础上，本实施例中，连接螺栓40由合金钢或碳钢材料制成；轴套50由钛合金、铬镍铁合金或非磁导材料制成；飞轮本体201由合金钢材料制成，合金钢材料经过热处理制成。为了降低合金钢的成本，同时提高材料的性能，优选地，飞轮本体201由国产通用合金钢40CrMoNiA材料制成，但该材料的屈服应力仅有850MPa，不能达到飞轮本体201的最大应力与屈服应力之间至少存有50％的余量的要求，更进一步地，为了使飞轮本体201的机械性能达到本申请的设计要求，合金钢40CrMoNiA材料配合特殊的热处理方法，进一步提高材料的性能。
进一步地，飞轮本体201所用的合金钢40CrMoNiA材料包括按百分含量计的如下组分：
料制成，所述合金钢材料包括按百分含量计的如下组分：
碳：0.37％-0.44％；
硅：0.17％-0.37％；
锰：0.20％-0.30％；
硫：允许残余含量小于或等于0.01％；
磷：允许残余含量小于或等于0.01％；
铬：0.70％-0.90％；
镍：1.5％-1.65％；
铜：允许残余含量小于或等于0.25％；
钼：0.15％-0.25％。
进一步地，上述合金钢40CrMoNiA材料的热处理方法包括以下步骤：
称取各组分材料，锻造形成棒料，依次对棒料进行正火、淬火、双回火。
经过上述热处理方法处理后的棒料进行了如下测试：
抗拉强度：测试条件及方法按照ASTM D412标准进行。
屈服强度：测试条件及方法按照ASTM D412标准进行。
伸长率：测试条件及方法按照ASTM D412标准进行。
断面收缩率：测试条件及方法按照ASTM D412标准进行。
布氏硬度：测试条件及方法按照HR30N或者ASTM E 384标准进行。
测试结果如下：
抗拉强度：1790MPa，
屈服强度：1490MPa，
伸长率：10％，
断面收缩率：30％，
布氏硬度：小于或等于269。
在上述实施例中，飞轮本体201最大的应力高达710MPa，而经过热处理后的制备飞轮本体201的棒料的屈服强度达1490MPa，飞轮本体201的最大应力与屈服强度之间余量为109％，超过了50％的余量，说明合金钢40CrMoNiA材料经过上述热处理后，大大提高机械性能，达到本申请的设计要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能飞轮装置，包括壳体、设于所述壳体内腔下部的飞轮本体和设于所述壳体内腔上部的电机，其特征在于，
所述电机包括安装于所述壳体内的可旋转的电机转子，和固定于所述电机转子外并与所述壳体内壁过盈配合的电机定子；
所述飞轮本体和所述电机转子形成转子体，所述转子体还包括连接所述飞轮本体与所述电机转子的连接螺栓、和轴套，所述飞轮本体和所述电机转子通过所述连接螺栓产生的预紧力将所述飞轮本体与所述电机转子的接触面压紧连接，所述飞轮本体和所述电机转子沿垂直方向同轴设置；
所述轴套通过过盈配合套设在所述飞轮本体和所述电机转子连接处的外径上，所述轴套与所述电机转子的内壁间隙配合。
2.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述电机转子的底端开设有用于连接所述连接螺栓一端的螺孔，所述飞轮本体的顶端设有用于连接所述连接螺栓另一端的螺孔，所述电机转子与所述飞轮本体通过所述连接螺栓与所述螺孔配合预紧固定，所述连接螺栓两端的螺纹旋转方向保持一致。
3.根据权利要求2所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述飞轮本体包括位于上方的第一连接部，所述第一连接部和所述电机转子的外径相同，所述连接螺栓与所述飞轮本体的第一连接部连接。
4.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述飞轮本体还包括位于下方并沿所述转子体向下延伸的第二连接部，所述第二连接部安装有用于安装负载的径向-轴向负荷轴承。
5.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述电机转子的上方安装有径向磁悬浮轴承。
6.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述壳体内腔为真空腔，所述真空腔包括用于容纳所述电机的上部真空腔和用于容纳所述飞轮本体的下部真空腔，所述上部真空腔与所述下部真空腔相互连通，所述转子体在所述真空腔中自由旋转。
7.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述连接螺栓由合金钢或碳钢材料制成，所述轴套由钛合金、铬镍铁合金或非磁导材料制成。
8.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述飞轮本体的高度与直径的比值大于或等于1。
9.根据权利要求1所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述飞轮本体由合金钢材料制成，所述合金钢材料包括按百分含量计的如下组分：
碳：0.37％-0.44％；
硅：0.17％-0.37％；
锰：0.20％-0.30％；
硫：允许残余含量小于或等于0.01％；
磷：允许残余含量小于或等于0.01％；
铬：0.70％-0.90％；
镍：1.5％-1.65％；
铜：允许残余含量小于或等于0.25％；
钼：0.15％-0.25％。
10.根据权利要求9所述的储能飞轮装置，其特征在于，所述合金钢材料经过热处理后制备的飞轮本体的屈服应力达1400MPa。
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