CN110071599A - 双轮毂储能飞轮转子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双轮毂储能飞轮转子，包括芯轴、合金轮毂和轮缘，合金轮毂包括第一合金轮毂和第二合金轮毂，第一合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，第二合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，第一合金轮毂和第二合金轮毂间隔设置且使第一合金轮轨的U型开口和第二合金轮毂的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在芯轴的外周面上；轮缘采用过盈装配套固在第一合金轮毂和第二合金轮毂的外周面上。该飞轮转子高速旋转时，不但可以避免第一合金轮毂与芯轴及第二合金轮毂与芯轴发生松动，而且也可以避免第一合金轮毂与轮缘及第二合金轮毂与轮缘发生松动，飞轮转子整体结构牢固且整体结构动力学刚度高，可以实现飞轮的结构强度安全、连接稳定可靠的高速平稳旋转。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮转子储能技术领域，尤其涉及一种双轮毂储能飞轮转子。
背景技术
飞轮转子储能是一种功率密度高、响应迅速、寿命长、环境特性友好的先进物理储能技术。为提高储能密度和功率密度，飞轮转子通常运行在很高的转速(超过10000rpm),飞轮转子结构内部存在高速离心载荷引起的强大应力，为防止应力超过材料的强度，轮缘必须采用高强度、低密度的材料，比如缠绕纤维增强复合材料制成的轮缘。飞轮转子在高速旋转时，缠绕纤维增强复合材料轮缘在旋转离心力的作用，轮缘容易与轮毂发生松脱现象。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种双轮毂储能飞轮转子，高速旋转时，双轮毂储能飞轮转子整体结构牢固且整体结构动力学刚度高，可以实现飞轮的高速旋转。
根据本发明实施例的双轮毂储能飞轮转子，包括：
芯轴；
合金轮毂，所述合金轮毂包括第一合金轮毂和第二合金轮毂，所述第一合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，所述第二合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂间隔设置且使所述第一合金轮轨的U型开口和所述第二合金轮毂的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在所述芯轴的外周面上；
轮缘，所述轮缘采用过盈装配套固在所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂的外周面上。
根据本发明实施例的双轮毂储能飞轮转子，高速旋转时，高速旋转时，不但可以避免第一合金轮毂与芯轴及第二合金轮毂与芯轴发生松动，而且也可以避免第一合金轮毂与轮缘及第二合金轮毂与轮缘发生松动，双轮毂储能飞轮转子整体结构牢固且整体结构动力学刚度高，可以实现飞轮的结构强度安全、连接稳定可靠的高速平稳旋转。
根据本发明的一个实施例，所述第一合金轮毂包括第一外圆柱壳、第一内圆柱壳和第一连接板，所述第一连接板连接在所述第一外圆柱壳的一端环边和所述第一内圆柱壳的一端环边之间，所述第一内圆柱壳与所述芯轴之间过盈装配；所述第二合金轮毂包括第二外圆柱壳、第二内圆柱壳和第二连接板，所述第二连接板连接在所述第二外圆柱壳的一端环边和所述第二内圆柱壳的一端环边之间，所述二内圆柱壳与所述芯轴之间过盈配合，且所述第一连接板和所述第二连接板彼此相邻间隔设置。
根据本发明进一步的实施例，所述双轮毂储能飞轮转子高速旋转时，所述第一外圆柱壳和所述第二外圆柱壳在旋转离心力作用下分别在径向方向上向外扩张变形而紧贴在所述轮缘的内周面上。
根据本发明进一步的实施例，所述双轮毂储能飞轮转子高速旋转时，所述第一内圆柱壳和所述第二内圆柱壳在旋转离心力作用下的变形量小于所述第一内圆柱壳与所述芯轴及所述第二内圆柱壳与所述芯轴的过盈配合的过盈量。
根据本发明进一步的实施例，所述芯轴为阶梯轴，所述阶梯轴包括在轴向方向上依次相连的第一轴颈、过渡轴颈和第二轴颈，且所述第一轴颈、所述过渡轴颈和所述第二轴颈的外径依次增大，所述第一合金轮毂安装在所述第一轴颈的外周面上，所述第二合金轮毂安装在所述第二轴颈的外周面上；所述芯轴采用高弹性模量的高强度合金钢制作而成。根据本发明再进一步的实施例，还包括在轴向方向上与所述第二轴颈相连的第三轴颈，所述第三轴颈的外径大于所述第二轴颈的外径；所述过渡轴颈在与所述第一轴颈相连的部位处形成第一挡肩，所述第三轴颈在与所述第二轴颈相连的部位处形成第二挡肩；所述第一内圆柱壳安装在所述第一轴颈上时，所述第一连接板抵靠在所述第一挡肩上；所述第二内圆柱壳安装在所述第二轴颈上时，所述第二连接板抵靠在所述第二挡肩上。
根据本发明的一些实施例，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂均由高比强度的金属材料制作而成。
根据本发明进一步的实施例，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂分别采用超硬铝合金、高强钛合金、超高强度钢合金中的一种制作而成。
根据本发明的一些实施例，所述轮缘的内周面包括在轴向方向上依次相连的第一内周面、非接触内周面和第二内周面；所述第一外圆柱壳包括在轴向方向上相连的第一环形柱段和第一非接触环形柱段；所述第二外圆柱壳包括在轴向方向上相连的第二非接触环形柱段和第二环形柱段；所述第一内周面与所述第一环形柱段的外周面过盈配合，所述第二内周面与所述第二环形柱段配合，且所述非接触内周面分别与所述第一非接触环形柱段的外周面和所述第二非接触环形柱段的外周面之间具有间隙。
根据本发明进一步的实施例，所述第一内周面和所述第二内周面的直径相同且小于所述第二内周面的直径；所述第一环形柱段的外径大于所述第二环形柱段的外径，所述第一非接触环形柱段、所述第二非接触环形柱段和所述第二环形柱段的外径相同。
根据本发明的一些实施例，所述轮缘为纤维增强复合材料轮缘。
根据本发明进一步的实施例，所述轮缘外径为600～900mm，所述轮缘的外周面工作转速为700～900m/s。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的双轮毂储能飞轮转子的轴向剖面结构示意图。
图2是图1中的第一合金轮毂轴向剖面结构示意图。
图3是图1中的第二合金轮毂轴向剖面结构示意图。
图4是图1中的轮缘轴向剖面结构示意图。
图5是图1中的芯轴与合金轮毂的装配示意图。
附图标记：
双轮毂储能飞轮转子1000
芯轴1
第一轴颈11 过渡轴颈12 第一挡肩111
第二轴颈13 第三轴颈14 第二挡肩131
合金轮毂2
第一合金轮毂21 第一外圆柱壳211 第一环形柱段2111 第一非接触环形柱段2112
第一内圆柱壳212 第一连接板213
第二合金轮毂22 第二外圆柱壳221 第二非接触环形柱段2211 第二环形柱段2212
第二内圆柱壳222 第二内圆柱壳222
轮缘3
第一内周面31 非接触内周面32 第二内周面33
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1至图5来描述根据本发明实施例的双轮毂储能飞轮转子1000。
如图1所示，根据本发明实施例的双轮毂储能飞轮转子1000，包括芯轴1、合金轮毂2 和轮缘3。其中，合金轮毂2，合金轮毂2包括第一合金轮毂21和第二合金轮毂22，第一合金轮毂21的轴向断面呈U型轮廓，第二合金轮毂22的轴向断面呈U型轮廓，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22间隔设置且使第一合金轮毂21的U型开口和第二合金轮毂22 的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在芯轴1的外周面上；轮缘3采用过盈装配套固在第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的外周面上。
具体而言，芯轴1刚度高，用于与电机芯轴同轴相连，可以与电机芯轴形成一体轴，以减少装配工艺，也可以是单独的芯轴1通过连接部件与电机芯轴相连，加工制造方便。
合金轮毂2，合金轮毂2包括第一合金轮毂21和第二合金轮毂22，第一合金轮毂21的轴向断面呈U型轮廓，第二合金轮毂22的轴向断面呈U型轮廓，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22间隔设置且使第一合金轮毂21的U型开口和第二合金轮毂22的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在芯轴1的外周面上。可以理解，第一合金轮毂21的轴向断面和第二合金轮毂22的轴向断面均呈U型轮廓，并且使第一合金轮毂21的U型开口和第二合金轮毂22的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在芯轴1的外周面上，
双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的内轮廓因在内侧，主要与芯轴1过盈配合，由于内轮廓的圆周速度较低，在较低的离心力作用下在径向方向上向外扩张变形小，与芯轴1的外周面形成的径向位移差较小，因此，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22均通过过盈装配套固在芯轴1的外周面上，固定牢靠，可以避免双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时第一合金轮毂21和第二合金轮毂22与芯轴1的外周面之间发生松动而影响飞轮平稳运行；第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的外轮廓因在外侧，主要与轮缘3的内周面过盈配合，由于外轮廓的圆周速度高，在较高的离心力作用下在径向方向上向外自动扩张变形大，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的外轮廓的外周面可以紧贴在轮缘3的内周面上，从而实现了合金轮毂2与轮缘3的大变形协调。此外，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22间隔设置，有利于提高双轮毂储能飞轮转子1000的整体结构动力学刚度和结构的牢固特性。
优选的，第一合金轮毂21与芯轴1、第二合金轮毂22与芯轴1之间过盈装配采用差用温差法来装配，即加热第一合金轮毂21并冷冻芯轴1。
轮缘3采用过盈装配套固在第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的外周面上。双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的外轮廓的外周面可以紧贴在轮缘3的内周面上，避免轮缘3与第一合金轮毂21之间和/或轮缘3与第二合金轮毂22之间发生松动或分离。这里说明一下，轮缘3可以为纤维复合材料缠绕轮缘，也可以为金属轮缘。
优选的，轮缘3与第一合金轮毂21、轮缘3与第二合金轮毂22之间的过盈装配采用差用温差法来装配，即冷冻第一合金轮毂21和第二合金轮毂22。
根据本发明实施例的双轮毂储能飞轮转子1000，高速旋转时，不但可以避免第一合金轮毂21与芯轴1及第二合金轮毂22与芯轴1发生松动，而且也可以避免第一合金轮毂21与轮缘3及第二合金轮毂22与轮缘3发生松动，双轮毂储能飞轮转子1000整体结构牢固且整体结构动力学刚度高，可以实现双轮毂储能飞轮转子1000的结构强度安全、连接稳定可靠的高速平稳旋转。
如图1至图3所示，根据本发明的一个实施例，第一合金轮毂21包括第一外圆柱壳211、第一内圆柱壳212和第一连接板213，第一连接板213连接在第一外圆柱壳211的一端环边和第一内圆柱壳212的一端环边之间，第一内圆柱壳212与芯轴1之间过盈装配；第二合金轮毂22包括第二外圆柱壳221、第二内圆柱壳222和第二连接板223，第二连接板223连接在第二外圆柱壳221的一端环边和第二内圆柱壳222的一端环边之间，二内圆柱壳与芯轴1 之间过盈配合，且第一连接板213和第二连接板223彼此相邻间隔设置。可以理解，采用第一内圆柱壳212和第二内圆柱壳222与芯轴1的外周面配合，第一内圆柱壳212和第二内圆柱壳222的轴向长度可以较长，以形成较大的接触面积，能够可靠有效传递轮缘3与芯轴1 的加速、减速扭矩。双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，由于第一内圆柱壳211和第二内圆环柱壳222与芯轴1过盈配合，第一内圆柱壳211和第二内圆环柱壳222的圆周速度较低，在较低的离心力作用下在径向方向上向外扩张变形小，与芯轴1的外周面形成的径向位移差较小，因此，第一内圆柱壳211和第二内圆环柱壳222均通过过盈装配套固在芯轴1的外周面上，固定牢靠，可以避免双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时第一内圆柱壳211和第二内圆环柱壳222与芯轴1的外周面之间发生松动而影响飞轮平稳运行；第一外圆柱壳 211和第二内圆柱壳222与轮缘3的内周面过盈配合，由于第一外圆环柱壳和第二外圆环柱壳的圆周速度高，在较高的离心力作用下在径向方向上向外自动扩张变形大，第一外圆柱壳 211和第二内圆柱壳222的外周面可以紧贴在轮缘3的内周面上，避免了第一外圆柱壳211 与轮缘3的内周面之间以及第二外圆柱壳221与轮缘3的内周面之间松脱，从而实现了合金轮毂2与轮缘3的大变形协调。此外，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22间隔设置，有利于提高双轮毂储能飞轮转子1000的整体结构动力学刚度和结构的牢固特性。
可选的，如图1至图3及图5所示，第一外圆柱壳211、第一内圆柱壳212和第一连接板213一体成型，第二外圆柱壳221、第二内圆柱壳222和第二连接板223一体成型。
根据本发明进一步的实施例，双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，第一外圆柱壳211 和第二外圆柱壳221在旋转离心力作用下分别在径向方向上向外扩张变形而紧贴在轮缘3的内周面上。由此，避免了第一外圆柱壳211与轮缘3的内周面之间以及第二外圆柱壳221与轮缘3的内周面之间松脱。
根据本发明进一步的实施例，双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，第一内圆柱壳212 和第二内圆柱壳222在旋转离心力作用下的变形量小于第一内圆柱壳212与芯轴1及第二内圆柱壳222与芯轴1的过盈配合的过盈量。也就是说，双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，第一内圆柱壳212和第二内圆柱壳222在旋转离心力作用下，因第一内圆柱壳212和第二内圆柱壳222的内径较小、圆周切线速度较低，分别在径向方向上向外扩张变形较小，从而容易通过较小的过盈量与芯轴1仍然保持紧密牢固接触。
如图5所示，根据本发明进一步的实施例，芯轴1为阶梯轴，阶梯轴包括在轴向方向上依次相连的第一轴颈11、过渡轴颈12和第二轴颈13，且第一轴颈11、过渡轴颈12和第二轴颈13的外径依次增大，第一合金轮毂21安装在第一轴颈11的外周面上，第二合金轮毂 22安装在第二轴颈13的外周面上。由此，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22安装方便。芯轴1采用高弹性模量的高强度合金钢制作而成，从而增加芯轴1的刚性。
如图5所示，根据本发明再进一步的实施例，还包括在轴向方向上与第二轴颈13相连的第三轴颈14，第三轴颈14的外径大于第二轴颈13的外径；过渡轴颈12在与第一轴颈11相连的部位处形成第一挡肩111，第三轴颈14在与第二轴颈13相连的部位处形成第二挡肩；第一内圆柱壳212安装在第一轴颈11上时，第一连接板213抵靠在第一挡肩111上；第二内圆柱壳222安装在第二轴颈13上时，第二连接板223抵靠在第二挡肩上。由此，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22的安装和定位方便。
根据本发明的一些实施例，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22均由高比强度的金属材料制作而成。由此，可以实现第一合金轮毂21和第二合金轮毂22大的变形协调下的强度安全。
根据本发明进一步的实施例，第一合金轮毂21和第二合金轮毂22由超硬铝合金、超高强合金钢和钛合金中的一种制作而成。由此，可以实现第一合金轮毂21和第二合金轮毂22 大的变形协调下的强度安全。
如图4和图5所示，根据本发明的一些实施例，轮缘3的内周面包括在轴向方向上依次相连第一内周面31、第二内周面32和第二内周面33；第一外圆柱壳211包括在轴向方向上相连的第一环形柱段2111和第一非接触环形柱段2112；第二外圆柱壳221包括在轴向方向上相连的第二非接触环形柱段2211和第二环形柱段2212；第一内周面31与第一环形柱段2111的外周面过盈配合，第二内周面33与第二环形柱段2212配合，且第二内周面32分别与第一非接触环形柱段2112的外周面和第二非接触环形柱段2211的外周面之间具有间隙。由此，减小了轮缘3的内周面与第一合金轮毂21和与第二合金轮毂22装配过程中摩擦接触面积，减小了安装难度。
如图4和图5所示，根据本发明进一步的实施例，第一内周面31和第二内周面32的直径相同且小于第二内周面33的直径；第一环形柱段2111的外径大于第二环形柱段2212的外径，第一非接触环形柱段2112、第二非接触环形柱段2211和第二环形柱段2212的外径相同。由此，减小了轮缘3的内周面与第一合金轮毂21和与第二合金轮毂22装配过程中摩擦接触面积，减小了安装难度，且第一轮毂和第二轮毂加工方便。
根据本发明的一些实施例，轮缘3为纤维增强复合材料轮缘3。由此，可以提高双轮毂储能飞轮转子1000的旋转速度，提高轮缘3的储存能量。
根据本发明进一步的实施例，轮缘3外径为600～900mm，轮缘3的外周面旋转工作转速为700～900m/s。由此，轮缘3外径为600～900mm，可以理解为双轮毂储能飞轮转子1000最大处的外径为600～900mm，当双轮毂储能飞轮转子1000高速旋转时，轮缘3的外周面的旋转工作速度为700～900m/s，可以实现第一合金轮毂21和第二合金轮毂22 大变形协调，且双轮毂储能飞轮转子1000的储存能量高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，包括：
芯轴；
合金轮毂，所述合金轮毂包括第一合金轮毂和第二合金轮毂，所述第一合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，所述第二合金轮毂的轴向断面呈U型轮廓，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂间隔设置且使所述第一合金轮轨的U型开口和所述第二合金轮毂的U型开口彼此背向地通过过盈装配套固在所述芯轴的外周面上；
轮缘，所述轮缘采用过盈装配套固在所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂的外周面上。
2.根据权利要求1所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述第一合金轮毂包括第一外圆柱壳、第一内圆柱壳和第一连接板，所述第一连接板连接在所述第一外圆柱壳的一端环边和所述第一内圆柱壳的一端环边之间，所述第一内圆柱壳与所述芯轴之间过盈装配；所述第二合金轮毂包括第二外圆柱壳、第二内圆柱壳和第二连接板，所述第二连接板连接在所述第二外圆柱壳的一端环边和所述第二内圆柱壳的一端环边之间，所述二内圆柱壳与所述芯轴之间过盈配合，且所述第一连接板和所述第二连接板彼此相邻间隔设置。
3.根据权利要求2所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述双轮毂储能飞轮转子高速旋转时，所述第一外圆柱壳和所述第二外圆柱壳在旋转离心力作用下分别在径向方向上向外扩张变形而紧贴在所述轮缘的内周面上。
4.根据权利要求2所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述双轮毂储能飞轮转子高速旋转时，所述第一内圆柱壳和所述第二内圆柱壳在旋转离心力作用下的变形量小于所述第一内圆柱壳与所述芯轴及所述第二内圆柱壳与所述芯轴的过盈配合的过盈量。
5.根据权利要求2所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述芯轴为阶梯轴，所述阶梯轴包括在轴向方向上依次相连的第一轴颈、过渡轴颈和第二轴颈，且所述第一轴颈、所述过渡轴颈和所述第二轴颈的外径依次增大，所述第一合金轮毂安装在所述第一轴颈的外周面上，所述第二合金轮毂安装在所述第二轴颈的外周面上；所述芯轴采用高弹性模量的高强度合金钢制作而成成。从而增加轴的刚性。
6.根据权利要求5所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，还包括在轴向方向上与所述第二轴颈相连的第三轴颈，所述第三轴颈的外径大于所述第二轴颈的外径；所述过渡轴颈在与所述第一轴颈相连的部位处形成第一挡肩，所述第三轴颈在与所述第二轴颈相连的部位处形成第二挡肩；所述第一内圆柱壳安装在所述第一轴颈上时，所述第一连接板抵靠在所述第一挡肩上；所述第二内圆柱壳安装在所述第二轴颈上时，所述第二连接板抵靠在所述第二挡肩上。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂均由高比强度的金属材料制作而成。
8.根据权利要求7所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述第一合金轮毂和所述第二合金轮毂分别采用超硬铝合金、高强钛合金、超高强度钢合金中的一种制作而成。
9.根据权利要求2-6中任意一项所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述轮缘的内周面包括在轴向方向上依次相连第一内周面、第二内周面和第二内周面；所述第一外圆柱壳包括在轴向方向上相连的第一环形柱段和第一非接触环形柱段；所述第二外圆柱壳包括在轴向方向上相连的第二非接触环形柱段和第二环形柱段；所述第一内周面与所述第一环形柱段的外周面过盈配合，所述第二内周面与所述第二环形柱段配合，且所述第二内周面分别与所述第一非接触环形柱段的外周面和所述第二非接触环形柱段的外周面之间具有间隙。
10.根据权利要求9所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述第一内周面和所述第二内周面的直径相同且小于所述第二内周面的直径；所述第一环形柱段的外径大于所述第二环形柱段的外径，所述第一非接触环形柱段、所述第二非接触环形柱段和所述第二环形柱段的外径相同。
11.根据权利要求1-6中任意一项所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述轮缘为纤维增强复合材料轮缘。
12.根据权利要求9所述的双轮毂储能飞轮转子，其特征在于，所述轮缘外径为600～900mm，所述轮缘的外周面工作转速为700～900m/s。
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