CN110611397A - 飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种飞轮储能装置，包括电机、第一连接组件、第二连接组件、飞轮和真空箱体；电机的转轴与第一连接组件传动连接，且二者均位于真空箱体的外部；第二连接组件与飞轮传动连接，且二者均位于真空箱体的内部；第一连接组件与第二连接组件相对设置，且二者之间能够相互传递扭矩，真空箱体与电机相对固定设置。本发明提供的飞轮储能装置，能量储存效率高，缓解了电机在真空环境中散热困难的问题，可降低对电机性能的要求，便于提升飞轮的储能量，此外，还便于满足定制需求。

Description

飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种飞轮储能装置。

背景技术

飞轮能量储存系统是一种高效节能惯性储能装置，它采用超高速旋转的飞轮储存能量，并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。基于其比能量高、比功率高、电能和机械能之间的转化效率高、能快速充电、可实现免维护和具有良好的性能价格比等特点，在电动汽车、航空航天、电网调峰、风力发电系统的不间断供电及军事等领域有着广泛的应用前景。

然而，为了实现扭矩的传递，现有的飞轮能量储存系统中的飞轮转子与电机转子为刚性连接，同时，为了降低风阻造成的能量损耗，飞轮与电机均安装于真空环境内，因此，电机转子散热困难，对电机性能要求较高，且难以提升储能飞轮的储能量。

综上，如何克服现有的飞轮能量储存系统的上述缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞轮储能装置，以缓解现有技术中的飞轮能量储存系统存在的电机散热困难的技术问题。

本发明提供的飞轮储能装置包括电机、第一连接组件、第二连接组件、飞轮和真空箱体；所述电机的转轴与所述第一连接组件传动连接，且二者均位于所述真空箱体的外部；所述第二连接组件与所述飞轮传动连接，且二者均位于所述真空箱体的内部；所述第一连接组件与所述第二连接组件相对设置，且二者之间能够相互传递扭矩，所述真空箱体与所述电机相对固定设置。

优选的，作为一种可实施方式，所述真空箱体处于所述第一连接组件与所述第二连接组件之间的箱壁为隔离板，所述第一连接组件和所述第二连接组件均与所述隔离板存在间隙。

优选的，作为一种可实施方式，所述第一连接组件与所述第二连接组件之间通过磁力相互传递扭矩，所述隔离板为非导磁结构。

优选的，作为一种可实施方式，所述第一连接组件包括相对固定的第一连接轴和第一磁性件，所述第一连接轴与所述电机的转轴同轴固定，所述第二连接组件包括相对固定的第二连接轴和第二磁性件，所述第二连接轴与所述飞轮同轴固定；

所述第一磁性件与所述第二磁性件相对设置，所述第一连接轴与所述第二连接轴同轴设置，所述第一磁性件与所述第二磁性件之间能够相互传递扭矩。

优选的，作为一种可实施方式，所述第一磁性件为多个，多个所述第一磁性件沿第一圆环均匀分布，所述第一圆环的圆心位于所述第一连接轴的中心轴线；所述第一磁性件与所述第二磁性件相对的一端为工作端，另一端为非工作端，相邻两个所述第一磁性件的工作端的磁极相反；

所述第二磁性件与所述第一磁性件的个数相同，多个所述第二磁性件沿第二圆环均匀分布，所述第二圆环的圆心位于所述第二连接轴的中心轴线上；所述第二磁性件与所述第一磁性件相对的一端为工作端，另一端为非工作端；且相邻两个所述第一磁性件的工作端的磁极相反。

优选的，作为一种可实施方式，多个所述第一磁性件的非工作端均通过第一导磁结构相接，多个所述第二磁性件的非工作端也均通过第二导磁结构相接。

优选的，作为一种可实施方式，所述第一磁性件和/或所述第二磁性件为电磁铁，当所述电磁铁通电时，所述第一磁性件能够在磁力作用下带动所述第二磁性件转动，所述第二磁性件能够在磁力作用下带动所述第一磁性件转动。

优选的，作为一种可实施方式，所述第一磁性件为电磁铁，所述第二磁性件为永磁铁。

优选的，作为一种可实施方式，所述飞轮包括同轴设置的第一主体部和两个圆柱状的第二主体部，两个所述第二主体部分别连接于所述第一主体部的两端；

所述第一主体部的两个端面均通过轴向轴承与所述真空箱体相接，且两个所述第二主体部均通过径向轴承与所述真空箱体相接。

优选的，作为一种可实施方式，两个所述第二主体部背离所述第一主体部的一端均连接有圆柱形端部，两个所述端部均通过角接触轴承与所述真空箱体相接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的飞轮储能装置，主要由电机、第一连接组件、第二连接组件、飞轮和真空箱体组成，电机的转轴与第一连接组件传动连接，且二者均位于真空箱体的外部；第二连接组件与飞轮传动连接，且二者均位于真空箱体的内部；第一连接组件与第二连接组件相对设置，且二者之间能够传递扭矩，从而，在第一连接组件和第二连接组件的作用下，电机能够带动飞轮转动，实现储能的目的。

需要说明的是，真空箱体与电机相对固定设置，即在电机运转带动第一连接组件、第二连接组件以及飞轮转动的过程中，真空箱体不会发生转动，从而，保证电机的能量储存到处于真空环境下的飞轮中，以降低风阻产生的能量损耗，提高能量储存效率；同时，与现有技术中将电机设置在真空环境中相比，本发明中的电机设置于真空箱体的外部能够较好地散热，从而，缓解了电机散热困难的问题，可降低对电机性能的要求，便于提升飞轮的储能量。

此外，因第一连接组件与第二连接组件属于相互分离的两个结构，故可根据对储能量的不同需求，为同一个电机选择不同储能量的飞轮；还可根据对功率的不同需求，为同一个飞轮选择不同功率的电机，即可将电机与飞轮自由组合，提高了产品的多样性，便于满足定制需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的飞轮储能装置的剖视结构示意图；

图2为图1中A部分的放大结构示意图；

图3为本发明实施例提供的飞轮储能装置中的真空箱体的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的飞轮储能装置中的飞轮的立体结构示意图。

图标：10－电机；20－第一连接组件；30－第二连接组件；40－飞轮；50－真空箱体；60－轴向轴承；70－径向轴承；80－角接触轴承；

11－转轴；

21－第一连接轴；22－第一磁性件；

31－第二连接轴；32－第二磁性件；

41－第一主体部；42－第二主体部；43－端部；

51－隔离板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1－图4，本实施例提供的飞轮储能装置，主要由电机10、第一连接组件20、第二连接组件30、飞轮40和真空箱体50组成，电机10的转轴11与第一连接组件20传动连接，且二者均位于真空箱体50的外部；第二连接组件30与飞轮40传动连接，且二者均位于真空箱体50的内部；第一连接组件20与第二连接组件30相对设置，且二者之间能够传递扭矩，从而，在第一连接组件20和第二连接组件30的作用下，电机10能够带动飞轮40转动，实现储能的目的。

需要说明的是，真空箱体50与电机10相对固定设置，即在电机10运转带动第一连接组件20、第二连接组件30以及飞轮40转动的过程中，真空箱体50不会发生转动，从而，保证电机10的能量储存到处于真空环境下的飞轮40中，以降低风阻产生的能量损耗；同时，与现有技术中将电机设置在真空环境中相比，本实施例中的电机10设置于真空箱体50的外部能够较好地散热，从而，缓解了电机10散热困难的问题，可降低对电机10性能的要求，便于提升飞轮40的储能量。

此外，因第一连接组件20与第二连接组件30属于相互分离的两个结构，故可根据对储能量的不同需求，为同一个电机10选择不同储能量的飞轮40；还可根据对功率的不同需求，为同一个飞轮40选择不同功率的电机10，即可将电机10与飞轮40自由组合，提高了产品的多样性，便于满足定制需求。

为了便于描述，参见图1－图3，将真空箱体50处于第一连接组件20与第二连接组件30之间的箱壁定义为隔离板51，第一连接组件20和第二连接组件30均与隔离板51存在间隙，从而，可避免因第一连接组件20和第二连接组件30与隔离板51之间发生摩擦而造成的能量损耗，提高储能效率。

优选的，第一连接组件20与第二连接组件30之间能够通过磁力相互传递扭矩，磁力传递无需直接接触，能够实现第一连接组件20与第二连接组件30之间的无接触式扭矩传递，其中，隔离板51为非导磁结构，从而，在第一连接组件20与第二连接组件30传递扭矩时，降低或避免隔离板51对磁场造成的影响。

具体地，参见图1和图2，第一连接组件20主要由相对固定的第一连接轴21和第一磁性件22组成，第二连接组件30主要由相对固定的第二连接轴31和第二磁性件32组成，其中，第一连接轴21与电机10的转轴11同轴固定，第二连接轴31与飞轮40同轴固定，第一磁性件22与第二磁性件32相对设置，且第一连接轴21与第二连接轴31同轴设置，第一磁性件22与第二磁性件32之间能够在磁力的作用下相互传递扭矩。当电机10运转时能够带动第一连接轴21转动，进而使得与第一连接轴21相对固定设置的第一磁性件22转动，第一磁性件22转动能够向第二磁性件32传递扭矩，使得第二磁性件32转动，进而使得与第二磁性件32相对固定设置的第二连接轴31转动，最终带动与第二连接轴31规定连接的飞轮40转动，实现能量存储。

进一步的，可将第一磁性件22为多个，多个第一磁性件22沿第一圆环均匀分布，该第一圆环的圆心位于第一连接轴21的中心轴线上，即多个第一磁性件22是绕第一圆环的圆心转动的；第二磁性件32的个数与第一磁性件22的个数相同，且多个第二磁性件32沿第二圆环均匀分布，该第二圆环的圆心位于第二连接轴31的中心轴线上，即多个第二磁性件32是绕第二圆环的圆心转动的，即不管第一磁性件22与第二磁性件32是否同步转动，均能保持第一磁性件22所在的第一圆环与第二磁性件32所在的第二圆环相对设置，不会出现偏移。第一磁性件22与第二磁性件32相对的一端为工作端，另一端为非工作端，相邻两个第一磁性件22的工作端的磁极相反；第二磁性件32与第一磁性件22相对的一端为工作端，另一端为非工作端，相邻两个第二磁性件32的工作端的磁极相反。

当第一连接组件20和第二连接组件30均处于静止状态时，在磁力的作用下，工作端为N极的第一磁性件22与工作端为S极的第二磁性件32正对，且工作端为S极的第一磁性件22与工作端为N极的第二磁性件32正对；为了便于描述，将多个第一磁性件22中任意相邻的两个第一磁性件22分别定义为第一磁性件N和第一磁性件S，并将此时与第一磁性件N正对的第二磁性件32定义为第二磁性件S，将此时与第一磁性件S正对的第二磁性件32定义为第二磁性件N，其中，第一磁性件N和第二磁性件N的工作端均为N极，第一磁性件S和第二磁性件S的工作端均为S极。当第一连接组件20在电机10的转轴11的作用下开始转动，使得第一磁性件N沿由其所在位置到第一磁性件S所在位置的方向(定义为正向)转动时，第二连接组件30在来自飞轮40的阻力作用下仍保持静止状态，此时，第一磁性件22便会相对第二磁性件32发生转动，即第一磁性件N会偏离与第二磁性件S正对的位置，并朝向与第二磁性件N正对的位置转动，在此过程中，第二磁性件S会在第一磁性件N对其的吸力的作用下，朝与当前第一磁性件N正对的位置转动，而第二磁性件N则会在第一磁性件N对其的排斥力的作用下，背离与当前第一磁性件N正对的位置转动，即第二磁性件N和第二磁性件S受到的来自第一磁性件N的磁力在第二圆环所在平面的分力均朝向同一方向，即所有的第二磁性件32受到的来自工作端为N极的第一磁性件22的磁力在第二圆环所在平面的分力均朝向同一方向(正向)，同理，所有的第二磁性件32受到的来自工作端为S极的第一磁性件22的磁力在第二圆环所在平面的分力方向也均为朝向同一方向(正向)，综上，第二磁性件32受到的来自第一磁性件22的磁力在第二圆环所在平面的分力方向为正向，从而，第二磁性件32能够沿正向转动，实现了第一磁性件22与第二磁性件32之间的扭矩传动。

优选的，可将多个第一磁性件22的非工作端均通过第一导磁结构相接，从而，使得第一磁性件22的非工作端通过第一导磁结构形成闭合磁路，可减少漏磁；可将多个第二磁性件32的非工作端均通过第二导磁结构相接，从而，使得第二磁性件32的非工作端通过第二导磁结构形成闭合磁路，可减少漏磁，以使得电磁铁能充分利用电能或使得永磁铁能充分利用本身磁性能。

进一步的，可将第一磁性件22和第二磁性件32中的任一个设置为电磁铁，当需要飞轮40储能能量时，将电磁铁通电，此时，电磁铁会产生磁性，第一磁性件22产生的磁场会与第二磁性件32产生的磁场相互作用，第一磁性件22与第二磁性件32会在磁力作用下相互接合；启动电机10，使得电机10带动第一连接轴21转动，第一磁性件22会跟随第一连接轴21同步转动，第一磁性件22在磁力的作用下会向第二磁性件32传递扭矩，使得第二磁性件32转动，第二磁性件32转动会带动第二连接轴31与其同步转动，进而，使得飞轮40跟随第二连接轴31同步转动，实现能量储存。

当完成能量储存时，将电磁铁断电，并停止为电机10供电，此时，储存有能量的飞轮40会带动第二连接轴31和第二磁性件32转动，但因电磁铁不具备磁性，第一磁性件22与第二磁性件32相互断开，第二磁性件32不会向第一磁性件22传递扭矩，故第一磁性件22、第一连接轴21以及电机10的转轴11就不会发生被动转动，从而，可减小飞轮40带动第一连接组件20及电机10的转轴11转动所损耗的能量，同时，还能减小电机10的磨损，延长电机10的使用寿命。

此外，可通过调节通入电磁铁的电流大小，来调节第一磁性件22与第二磁性件32之间的磁力大小，进而调节第一磁性件22与第二磁性件32之间能够传递的最大扭矩，依此来调节传动比；当飞轮40的转速达到预设转速，且停止为电机10供电时，可通过降低通入电磁铁的电流，来减小第一磁性件22与第二磁性件32之间的传动比，从而，能够使得第一连接组件20以及电机10的转轴11保持低转速转动，以提高飞轮40释放能量时的响应速度。

优选的，可将第一磁性件22设置为电磁铁，并将第二磁性件32设置为永磁铁，如此，便无需考虑处于真空环境中的第二磁性件32与外界电源连接时的密封问题，更便于结构设计。

参见图2－图4，在飞轮40的具体结构中包括同轴设置的第一主体部41和两个圆柱状的第二主体部42，两个第二主体部42分别连接于第一主体部41的两端，第一主体部41的两个端面均通过轴向轴承60与真空箱体50相接，两个第二主体部42均通过径向轴承70与真空箱体50相接，从而，在轴向轴承60与两个径向轴承70的作用下，不但能提高飞轮40转动时的稳定性，还能减小飞轮40转动时产生的能量损耗以及磨损。

进一步的，在两个第二主体部42背离第一主体部41的一端均连接有圆柱形端部43，两个端部43均通过角接触轴承80与真空箱体50相接，从而，在飞轮40失稳时能够起到保护作用。

优选的，上述轴向轴承60、径向轴承70和角接触轴承80均可选用磁性轴承，可进一步降低能耗，减小磨损。

具体地，第一主体部41为圆柱体结构，以进一步提高第一主体部41转动时的稳定性；第二主体部42的横截面小于第一主体部41的横截面，第一主体部41、第二主体部42和端部43为一体结构。

综上所述，本发明公开了一种飞轮储能装置，其克服了传统的飞轮能量储存系统的诸多技术缺陷。本实施例提供的飞轮储能装置，能量储存效率高，缓解了电机在真空环境中散热困难的问题，可降低对电机性能的要求，便于提升飞轮的储能量，此外，还便于满足定制需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置，其特征在于，包括电机(10)、第一连接组件(20)、第二连接组件(30)、飞轮(40)和真空箱体(50)；

所述电机(10)的转轴(11)与所述第一连接组件(20)传动连接，且二者均位于所述真空箱体(50)的外部；所述第二连接组件(30)与所述飞轮(40)传动连接，且二者均位于所述真空箱体(50)的内部；所述第一连接组件(20)与所述第二连接组件(30)相对设置，且二者之间能够相互传递扭矩，所述真空箱体(50)与所述电机(10)相对固定设置。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述真空箱体(50)处于所述第一连接组件(20)与所述第二连接组件(30)之间的箱壁为隔离板(51)，所述第一连接组件(20)和所述第二连接组件(30)均与所述隔离板(51)存在间隙。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一连接组件(20)与所述第二连接组件(30)之间通过磁力相互传递扭矩，所述隔离板(51)为非导磁结构。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一连接组件(20)包括相对固定的第一连接轴(21)和第一磁性件(22)，所述第一连接轴(21)与所述电机(10)的转轴(11)同轴固定，所述第二连接组件(30)包括相对固定的第二连接轴(31)和第二磁性件(32)，所述第二连接轴(31)与所述飞轮(40)同轴固定；

所述第一磁性件(22)与所述第二磁性件(32)相对设置，所述第一连接轴(21)与所述第二连接轴(31)同轴设置，所述第一磁性件(22)与所述第二磁性件(32)之间能够相互传递扭矩。

5.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一磁性件(22)为多个，多个所述第一磁性件(22)沿第一圆环均匀分布，所述第一圆环的圆心位于所述第一连接轴(21)的中心轴线；所述第一磁性件(22)与所述第二磁性件(32)相对的一端为工作端，另一端为非工作端，相邻两个所述第一磁性件(22)的工作端的磁极相反；

所述第二磁性件(32)与所述第一磁性件(22)的个数相同，多个所述第二磁性件(32)沿第二圆环均匀分布，所述第二圆环的圆心位于所述第二连接轴(31)的中心轴线上；所述第二磁性件(32)与所述第一磁性件(22)相对的一端为工作端，另一端为非工作端；且相邻两个所述第一磁性件(22)的工作端的磁极相反。

6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于，多个所述第一磁性件(22)的非工作端均通过第一导磁结构相接，多个所述第二磁性件(32)的非工作端也均通过第二导磁结构相接。

7.根据权利要求4－6任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一磁性件(22)和/或所述第二磁性件(32)为电磁铁，当所述电磁铁通电时，所述第一磁性件(22)能够在磁力作用下带动所述第二磁性件(32)转动，所述第二磁性件(32)能够在磁力作用下带动所述第一磁性件(22)转动。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述第一磁性件(22)为电磁铁，所述第二磁性件(32)为永磁铁。

9.根据权利要求1－6任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述飞轮(40)包括同轴设置的第一主体部(41)和两个圆柱状的第二主体部(42)，两个所述第二主体部(42)分别连接于所述第一主体部(41)的两端；

所述第一主体部(41)的两个端面均通过轴向轴承(60)与所述真空箱体(50)相接，且两个所述第二主体部(42)均通过径向轴承(70)与所述真空箱体(50)相接。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能装置，其特征在于，两个所述第二主体部(42)背离所述第一主体部(41)的一端均连接有圆柱形端部(43)，两个所述端部(43)均通过角接触轴承(80)与所述真空箱体(50)相接。